일신오토클레이브에서 소개하는 초임계 수열합성법

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by suflux 2014. 2. 18. 09:01

일신오토클레이브에서 소개하는 초임계 수열합성법

Hydrothermal Synthesis(수열합성)는 뜨거운 물과 높은 압력 하에서 Mineral들의 용해도에 의존하는 Single Crystal의 합성방법으로 직접용융이 어려울 때 많이 쓰이는 합성방법입니다. 수열합성에서 Hydrothermal solution (or fluid) 의 역할은 수열합성시 열과 압력의 전달 매체로서 반응제, 용매, 표면흡착제, 촉매 등의 역할을 하며 화학반응과 결정화 촉진, 이온교환이나 추출시 반응용매 역할 침식 및 고화 작용제의 역할을 합니다.

초임계수열합성은 Hydrothermal synthesis 중 물이 초임계수인 경우를 말하며 수용성 금속염을 초임계수의 조건에서 반응시켜 금속 산화물을 생성하는 것입니다. 이 합성법은 고체 사이의 빠른 반응을 위해 임계점 이상의 압력과 온도 이용하는 것이며 임계점까지 압력과 온도를 올리면 다음과 같은 장점이 있습니다.

- 용매에 잘 용해됩니다.
- 화학 종의 확산(diffusion)을 향상시킵니다
- 모든 고체 물질 사용 적합합니다.
- hydroxyl group 생성되지 않습니다.
- 온도와 압력의 조작으로 물성(과포화도)을 조정하여 형상(크기, 형태)의 제어가 가능합니다.

초임계 수열합성은 일반 수열합성과 유사하나 더 높은 온도와 압력하의(더 높은 에너지) 초임계수 조건에서의 공정입니다.

초기 반응에서 물은 용매로 쓰이고 마지막 단계에서 초임계수는 anti-solvent로 작용하여 초임계수 상에서 금속 산화물을 석출시킵니다. 초임계수는 낮은 이온해리 상수뿐만 아니라 낮은 유전상수를 가지고 있어 초임계 상태에서 유기용매나 기체에 대해 높은 혼합성을 보이는 비극성 용매처럼 거동하는 반면, 낮은 이온해리상수 때문에 무기용매에 대해서는 낮은 용해력을 나타냅니다.

초임계 유체를 이용하여 결정성장을 하는 경우에는 액체 상에서보다 초임계유체 상에서의 낮은 점도, 높은 확산성 때문에 solid-fluid interface에서 용질이 효율적으로 전달되어 빠른 결정성장속도와 더불어 양질의 micro-structure 또는 single crystal 제조를 가능케 합니다. 용질의 높은 확산성은 핵생성속도를 빠르게 하고 이는 입자의 크기를 작게 하는 원동력이 됩니다.

초임계점

초임계 수열합성 모식도

다양한 재료의 초임계 수를 이용한 나노입자 합성

YAG doped Ce and Eu:in

SEM Photographs of YAG phosphor doped Ce and Eu at different Ce, Eu concentration;
(A)Ce 10 at.% Eu 10 at.%, (b) &(c) TEM imager of (a), at 400℃ and 250 atm.

- The YAG(Yttrium aluminium gamet) powders in Ce 10 at.%, Eu 10 at % had narrow distribution of particle size.
- The morphology became nearly spherical
- The particles size was about 60-150 nm

Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂)