The recent development of thinner multilayer ceramic capacitor (MLCCs) has tremendously increased the demand for dielectric $BaTiO_3$ nanoparticles. In general, $BaTiO_3$ nanoparticles have been synthesized by wet chemical process. However, the problem of low crystalinity and difficulty in controlling the Ba/Ti ratio in these routes forced to find other ways for the synthesis of $BaTiO_3$ nanoparticles. Therefore, it is meaningful to investigate the synthesis of $BaTiO_3$ nanoparticles by conventional solid-state reaction.
In the present study, formation mechanism and size control of $BaTiO_3$ in solid-state reaction between $BaCO_3$ and $TiO_2$ was systematically investigated. The formation mechanism suggested that small amount of $BaTiO_3$ is formed first at the contact surface of $BaCO_3$ and $TiO_2$ particle. The course of the reaction then was controlled by the diffusion of barium into the $TiO_2$ particle.
The formation mechanism also suggested that the final $BaTiO_3$ particle size was dependent mainly on the initial $TiO_2$ particle. The milling of $BaCO_3$ particles not only accelerates the diffusion process but also ensure well mixed $BaCO_3$ and $TiO_2$ starting mixture. Therefore, controlling the size and milling condition of the starting powders could control the size of the final $BaTiO_3$. The powder mixture was calcined for different temperature and time. The phase analysis was done using X-ray powder diffractomery and particle size was confirmed by using SEM and TEM. The single phase $BaTiO_3$ was observed at temperature as low as 800℃ with average particle size of 52nm.
The results are encouraging and it can be deduced that the nano-sized $BaTiO_3$ particles can be synthesized by optimizing the experimental variables in the conventional -solid-state reaction between $BaCO_3$ and $TiO_2$.
최근 점점 더 얇아지는 다층 세라믹 축전기(MLCC)의 재료로 나노 $BaTiO_3$ 분말 합성이 매우 중요하게 인식되어지고 있다. 한편, 나노 $BaTiO_3$ 분말은 일반적으로 습식 방법에 의해 합성되는데 제조공정에서 Ba/Ti 비율을 조절하기가 어렵고 생성되는 분말은 낮은 결정성을 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 시도되고 있으며 본 연구에서는 고상반응법을 이용하여 결정성이 우수한 나노 $BaTiO_3$ 분말을 얻고자 하였다.
본 연구에서는 $BaCO_3$와 $TiO_2$ 분말을 출발물질로 고상반응법을 이용하여 $BaTiO_3$를 합성하였으며 그 반응기구를 고찰하였다. $BaTiO_3$ 분말 크기를 체계적으로 조절하였다.
분 영구에서 제안된 반응기구는 초기에 $BaCO_3$와 $TiO_2$ 접촉 표면에서 작은 양의 $BaTiO_3$가 형성되며 나중에 Ba의 확산에 의해 $TiO_2$ 속으로 침투함으로써 최종적인 $BaTiO_3$가 만들어지는 것으로 해석된다.
최종 합성된 $BaTiO_3$ 입자 크기는 초기 $TiO_2$ 분말 크기에 크게 의존하였다. 또한 분쇄에 의해 $BaCO_3$ 입자 크기가 감소함에 따라 $BaCO_3$와 $TiO_2$가 잘 혼합되었을 뿐만 아니라 Ba의 확산을 가속화되는 것을 관찰하였다. 그 결과로 초기 분말의 크기와분쇄 조건을 변화시킴으로써 최종 $BaTiO_3$ 입자 크기를 제어할 수 있었다. 혼합된 분말은 온도와 시간을 변화시키면서 하소하였으며 XRD를 이용하여 각 조건에서 형성된 상을 분석하였고, SEM과 TEM을 이용하여 입자 크기를 측정하였다. 그 결과, 800℃의 낮은 온도에서 55 nm 이하의 매우 미세한 $BaTiO_3$ 단일상을 얻을 수 있었다.
본 연구결과, $BaCO_3$와 $TiO_2$를 초기분말로 고상반응법을 이용하여 합성한 미세한 나노 $BaTiO_3$ 입자는 MLCC를 비롯한 많은 분야에 큰 응용성이 기대된다.
