Synthesis and Characterization of NiAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub> Inorganic Pigment Nanoparticles by a Reverse Micelle Processing

(1)

Vol. 25, No. 2 (2015)

95

역 - 마이셀 공정에 의한 NiAl 2 O 4 무기안료 나노 분말의 합성 및 특성

손정훈·배동식

^†

국립창원대학교 신소재공학과

Synthesis and Characterization of NiAl

₂

O

₄

Inorganic Pigment Nanoparticles by a Reverse Micelle Processing

Jeong-Hun Son and Dong-Sik Bae

^†

School of Advnced Materials Eng., Changwon National Univ., Changwon, Korea

(Received October 13, 2014 : Received in revised form January 20, 2015 : Accepted January 23, 2015)

Abstract

^NiAl2O₄ nanoparticle was synthesized by a reverse micelle processing for inorganic pigment. Ni(NO₃)₂·6H₂O and Al(NO₃)₃·9H₂O were used for the precursor in order to synthesize NiAl₂O₄ nanoparticles. The aqueous solution, which consisted of a mixing molar ratio of Ni/Al, was 1:2 and heat treated at 800~1100^oC for 2h. The average size and distribution of synthesized NiAl₂O₄ powders are in the range of 10-20 nm and narrow, respectively. The average size of the synthesized NiAl₂O₄ powders increased with an increasing water-to-surfactant molar ratio and heating temperature. The crystallinity of synthesized NiAl₂O₄ powder increased with an increasing heating temperature. The synthesized NiAl₂O₄ powders were characterized by X-ray diffraction analysis(XRD), a field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), and a color spectrophotometer. The properties of synthesized powders were affected as a function such as a molar ratio and heating temperature. Results indicate that synthesis using a reverse miclle processing is a favorable process to obtain NiAl₂O₄spinels at low temperatures. The procedure performed suggests that this new synthesis route for producing these oxides has the advantage of being fast and simple. Colorimetric coordinates indicate that the pigments obtained exhibit blue colors.

Key words

^NiAl2O₄, reverse micelle, inorganic-pigment, spinel, nanoparticle.

1.

서 론

스피넬 안료는 화학적으로 안정하고, 4면체와 8면체의 이온 교환으로 인한 여러가지 발색이 가능하기 때문에 각광을 받고 있는 재료이다.

¹⁾

페라이트 스피넬은 산소센 서, 안료, 자기 및 전기재료, 수소발생촉매, 박막, 세라 믹 코팅 등에 응용된다.

²⁾

나노 소재는 벌크 재료와 비 교하여 우수한 물리·화학적 특성을 나타내는데,

^3-6)

최근 색깔을 발색하는 재료인 안료 분야에서도 나노 크기의 안료 합성과 그 응용에 대한 연구가 활발히 진행 중이

다.

^7-11)

안료는 구성 물질에 따라 유기 안료와 무기 안

료로 구분 지을 수 있는데, 무기 안료는 유기 안료와 비 교하면 내열성·내화학성 등의 특성이 우수하여 점토, 페

인트, 도자기, 타일, 유리, 각종 세라믹 제품 등의 색상 을 표현하는데 많이 응용되고 있다.

^12-14)

AB

₂

O

₄

의 일반 식을 가지는 스피넬 구조는 A

²⁺

이온이 4면체 위치에 위 치하며, B

³⁺

이온이 8면체 위치에 위치한다.

^15-16)

스피넬 구 조의 무기 안료는 내 화학성이 우수하며, A자리와 B자 리에 여러 가지 원소들을 치환하면 다양한 색깔의 무기 안료를 얻을 수 있다고 한다. 그리고 동일한 성분의 안 료라도 합성되는 입자의 사이즈나 형상, 열처리 온도에 따라 다양한 발색을 한다고 알려지고 있다.

^17-18)

무기 안 료 분말을 제조하는 방법은 공침법, 졸-겔법, 수열합성 법, 고상법, 역-마이셀법 등 다양한 방법들이 보고되고 있

는데,

^19-25)

이 중에서 역-마이셀법(Reverse micelle)은 물

과 기름이 함께 존재하면 서로 섞이지 않고 상이 분리

†Corresponding author

E-Mail : [email protected] (D. S. Bae, Changwon Nat'l Univ.)

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(2)

본 연구에서는 나노 크기를 가지는 무기안료를 합성하 기 위하여 역-마이셀법을 이용하여 NiAl

2

O

₄

무기 안료 나 노 분말을 합성하였다. 역-마이셀법의 합성 조건 변수인 R( 수용액과 계면활성제의 몰비율)값과 합성된 분말의 열 처리 온도에 따라 합성되는 입자의 크기 및 형상 그리 고 발색과의 관계를 연구하였다.

= 노랑색)을 나타낸다.

3.

결과 및 고찰

역-마이셀법을 이용하여 합성된 NiAl

2

O

₄

분말의 결정 성을 확인하기 위해 XRD 측정을 실시 하였다. Fig. 2 는 공정변수인 R값(수용액과 계면활성제의 몰비율)에 따 라 합성된 분말을 1100

^o

C 에서 2시간 하소한 분말의 XRD 분석 결과이다. R값이 증가할수록 XRD 피크의 강 도가 점점 감소하는 경향이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. Fig. 3은 R = 8조건에서 합성하여 얻어진 분말 을 800~1100

^o

C 온도에서 하소한 분말의 XRD 결과이 다. 하소 온도가 증가함에 따라 XRD 피크의 강도가 증 가하는 것을 확인할 수 있다. Table 1, 2는 Scherrer equation (1) 을 이용하여 결정의 크기를 계산하여 나타내 었다.

Fig. 1. Experimental procedure for the synthesis of NiAl2O₄nanoparticles by a reverse micelle processing.

Fig. 2. XRD patterns of NiAl₂O₄ nanoparticles after heated at 1100^oC for 2h as a function of R value (water /surfactants molar ratio): (a) R = 4, (b) R = 6 and (c) R = 8.

(3)

(1)

d: 결정의 크기 λ: 입사 X-선 파장

B: 반치폭(FWHM : Full width at half maximum) θ: 피크의 회절각

공정변수인 R값에 따라 XRD 측정의 결과에서 피크

의 강도는 감소하는 경향을 보였으나, 계산된 결정의 크 기는 특별한 경향성이 나타나지 않고, 12.45~14.02 nm의 크기가 확인되었으며, 하소 온도가 증가함에 따라서는 결 정의 크기가 증가하는 경향이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 합성된 NiAl

2

O

₄

분말의 입자 크기 및 형상을 알 아보기 위하여 FE-SEM 분석을 실시하였다. Fig. 4는 합성된 분말의 R값에 따른 미세구조 사진을 나타내었 는데, 아주 미세한 구형에 가까운 입자들이 합성된 것 을 관찰 할 수 있었고, 입자의 크기는 대략 20 nm 이하 였다. Fig. 5는 합성된 분말의 하소 온도에 따른 FE- SEM 미세구조 사진을 나타내었다. 하소 온도가 증가함 에 따라 입자의 크기가 증가하였고, 거의 구형에 가까 운 입자의 형상이 관찰 되었다.

값은 69.69~

82.83, a

^*

값은 −23.72 ~ −15.11, b

^*

값은 −25.60 ~ −0.65의 색을 나타내었다. R값이 증가하면서 밝은 색상으로 발 색(L

^*

값 증가)이 나타났고, 열처리 온도가 증가하면서 분

d 0.9 λ

B⋅cosθ ---

=

Fig. 3. XRD patterns of NiAl₂O₄ nanoparticles synthesized at R = 8 and various calcination temperatures; (a) 800ôC, (b) 900ôC, (c) 1000ôC and (d) 1100ôC.

Table 1. Crystal size of NiAl₂O₄ nanoparticles after heated at 1100

oC for 2h as a function of R value (water /surfactants molar ratio): (a) R = 4, (b) R = 6 and (c) R = 8.

(a) (b) (c)

FWHM (311) 0.59147 0.66643 0.63335

Crystal size (nm) 14.02 12.45 13.10

Table 2. Crystal size of NiAl₂O₄ nanoparticles synthesized at R = 8 and various calcination temperatures; (a) 800ôC, (b)900ôC, (c) 1000ôC and (d) 1100ôC.

(a) (b) (c) (d)

FWHM (311) 2.4253 1.47297 1.193 0.63335

Crystal size (nm) 3.42 5.63 6.95 13.10

Fig. 4. FE-SEM images of NiAl2O₄ nanoparticles after heated at 1100^oC for 2h as a function of R value (water /surfactants molar ratio):

(a) R = 4, (b) R = 6 and (c) R = 8.

Fig. 5. FE-SEM images of NiAl2O₄ nanoparticles synthesized at R = 8 and various calcination temperatures; (a) 800ôC, (b) 900ôC, (c) 1000ôC and (d) 1100ôC.

(4)

말의 색상은 밝은 녹색(에메랄드색)에서 하늘색으로 발 색이 변화되는 것을 관찰할 수 있었다. 입자의 크기와 모양에 따라 빛의 특정파장 영역에서의 흡수와 산란의 정도가 달라짐으로써 색깔이 다르게 보인다고 보고 된 다.

^29-30)

4.

결 론

역-마이셀법을 이용하여 NiAl

2

O

₄

무기 안료 나노분말 을 합성하였다. 합성된 분말은 단일상의 스피넬 결정구 조가 관찰 되었고, 분말의 하소 온도가 증가할수록 결 정의 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 미세구조 분

석을 위한 FE-SEM 측정 결과 20 nm 이하 크기의 아주 미세한 구형의 나노 무기 안료 분말이 합성 되었음을 알 수 있었다. 합성된 NiAl

2

O

₄

무기 안료 나노분말은 공정 변수인 R값이 증가하면서 L

^*

값이 증가하며 점점 색깔이 밝아지는 경향이 나타났고, 하소 온도가 증가하면서 에 메랄드색(밝은 청색)에서 하늘색으로 발색이 변화되는 것 을 확인할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 한국연구재단 연구자 지원사업(NRF-2012- R1A2A2A01009409) 의 연구결과로 수행되었습니다.

Fig. 6. The digital photographs and color coordinates(CIE L*a*b*) of NiAl₂O₄ nanoparticles synthesized at R = 4,6,8 and various calcination temperatures.

(5)

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