직류 플라즈마 제트를 이용한 초미립 알루미나 분말의 합성

오성민, 박동화

인하대학교 화학공학과

Synthesis of Ultra-fine Alumina Powder Using D.C.Plasma Jet

Seung-Min Oh, Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University

서론

최근에 신소재에 대한 연구와 개발이 활발해지면서 초미립자의 제조 및 특성에 대한 관심이 고조되고 있다. 초미립자는 통상적인 분말에 비하여 입자의 크기가 극히 작기 때문에 여러분야에서 탁월한 성질[1,2]을 보유하며, 세라믹, 금속, 합금, 반도체 또는 복합재료의 형태로 합성된다. 이와같은 초미립자의 합성법으로서는 CVD법[3], Sputtering법[4], Sol-gel법[5], 유기금속 열분해법[6], 연소합성법[7], CO2-laser를 이용한 합성법[8] 마이크로웨이브 플라즈마 합성법[9], 열플라즈마 합성법[10-13] 등이 활발히 연구되고 있다. 특히, 열플라즈마 공정은 그 중심온도가 약 15000K에 도달되고, 급격한 온도구배(106Km-1), 빠른 냉각속도(106Ks-1)와 분위기 제어가 용이하여 최근에 관심이 고조되고 있다.

본 연구에서는 이러한 열플라즈마 공정의 특징을 이용하여 초미립 알루미나 분말을 합성하고자 하였으며, 합성된 분말은 상전이 현상 등의 특성을 관찰하기 위하여 열처리 과정도 수행하였다.

실험

Table 1 Experimental conditions

Plasma power	8 - 12kW
Plasma generating gas	Ar : 15 l/min He : 0 - 3 l/min
Reacting / quenching gas	O2 : 1 - 10 l/min
Al powder feed rate	0.1 - 3.0 g/min
Carrier gas	O2 : approx. 5 l/min

실험장치의 간단한 도면을 Fig. 1에 나타내었다. 장치의 구성은 크게 플라즈마 발생부, 원료분말 공급부, 반응부, 포집 및 배출부로 구성하였으며, 반응부 및 포집부는 스테인레스 재질의 이중관으로 제작하였다. 실험은 대기압 상태에서 아르곤가스를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 수행하였으며, 세부조건은 Table 1과 같다.

실험에 앞서 Chemsage 프로그램[11]을 이용하여 온도에 따른 Al/O2 반응계의 화학평형조성 분포를 계산하였다. Al/O2의 몰비가 1/1인 경우의 화학평형조성을 Fig. 2에 나타내었다. 이로부터 플라즈마 제트의 고온영역에서 알루미늄이 증발되어 분위기 가스와 반응하여 알루미나가 합성되고, 합성된 알루미나는 약 3700K 이하의 온도에서는 재분해되지 않고 안정하게 존재하는 것을 알 수 있었다. 또한 반응계에 산소가 과잉으로 공급되는 경우에 원자상의 산소가 존재하게 되는 온도가 더 낮아지게 되어, 이로부터 플라즈마 내에서의 짧은 체류시간에 반응이 효과적으로 진행됨을 알 수 있었다.

실험은 약 5분간 수행하여 반응관 벽 및 포집부로부터 분말을 얻었으며, 이들 분말의 특성은 XRD, SEM, Particle size analyzer, TG/DT 분석 등으로부터 관찰하였다.

Fig. 1. A schematic diagram of the experimental apparatus.

Fig. 2. Chemical equilibrium composition of Al/O2 system(Al/O2=1/1).

결과 및 고찰

반응관의 구조에 따른 영향을 고찰하기 위하여 cold-wall과 hot-wall 형태의 관을 사용하여 그 효과를 관찰하였다. 반응관을 설치하지 않은 경우에 산소가스에 의해 운반된 알루미늄 분말은 일부만이 증발되었고, 대부분 증발되지 않고 포집관 바닥으로 떨어지는 것을 알았다. 반응기 벽에서 포집된 분말은 Fig. 3(a)와 같이 대부분 알루미늄으로 관찰되었으며, 이것은 고온영역에서의 체류시간이 짧고 급속한 냉각에 의해 중간상의 비정질 알루미나가 합성되었기 때문이라고 판단된다. Fig.3(b)에서는 cold-wall 형태의 반응기를 설치하여 실험한 결과로서 알루미나의 다양한 상들이 혼합되어 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. Hot-wall 형태의 반응기로서 graphite관을 사용한 경우, □-상의 알루미나와 미반응 알루미늄이 관찰되었으며(c), graphite관 하부에서 포집된 분말은 중간상의 비정질 알루미나로 관찰되었다(d). 이로부터 알루미늄 분말의 미량은 플라즈마 불꽃 내부로 적절히 주입되지 못하여 완전히 증발되지 않았지만, 증발된 알루미늄은 산소와 반응하여 cold-wall에서는 □-, □-상으로 나타나고, hot-wall형태의 반응관에서는 □-상의 알루미나가 나타남을 알 수 있다.

반응가스의 위치에 따른 영향을 관찰한 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 우선 알루미늄 분말의 운반가스로 아르곤을 사용하고 산소를 cold-wall관의 상부로 주입시키는 경우, cold-wall에서 포집된 분말은 (a)와 같이 □-,□-상의 알루미나가 주로 관찰되었으며 □-상의 알루미나와 미반응 알루미늄이 혼합되어 나타났다. 이와같이 합성된 분말을 1200℃에서 2시간 동안 열처리 한 결과(b), 중간상의 알루미나가 □-상으로 전이되는 것을 관찰하였다.

Fig. 3. X-ray diffraction patterns of the powders synthesized in different type of reaction tube.

Fig. 4. X-ray diffraction patterns of powder synthesized in  different injecting position of O2 reacting gas.

Fig. 4의 (c)와 (d)에서는 알루미늄 운반가스를 산소가스로 한 경우로서, 반응관벽에서 얻어진 분말은 □-상이 주로 나타났으며(c), 반응관벽 하부의 포집기에서 얻어진 분말은 대부분 □-,□-상의 알루미나로 나타났다(d). 이것은 산소가스를 알루미늄 운반가스로 하는 경우, 산소가스가 플라즈마 불꽃의 중심부에 도달되어 크게 활성화되고, 10-2-10-3s의 짧은 체류시간에도 알루미늄 증기와 반응하여 □-상의 알루미나로 결정화 되는 것을 알 수 있다.

또한 합성된 분말을 1000℃까지 TG 분석한 결과 무게감량이 없는 것으로 관찰되었으며, DT 분석 결과 Fig. 4의 (a)와 (c)에서 합성된 분말에서는 650℃ 부근에서 흡열피크가 나타났으며, 이것은 미량의 미반응 알루미늄에 의한 것으로 고찰되었다.

합성된 분말의 형태는 Fig. 5에서와 같이 SEM에 의해 관찰하였다. Fig. 4(a)의 분말의 경우 대부분 100nm 이하의 구형태의 초미립자로 관찰되었으며, 1200℃에서 2시간 열처리 한 결과, (b)에서와같이 입자들이 부분적으로 응집되지만 300nm 이하의 초미립자로 관찰되었다. Graphite관벽에서 얻어진 분말은 Fig. 5(c)에서와같이 cold-wall에 의해 얻어진 분말보다 입자의 크기가 크게 나타나며, 반응관의 하부로 내려감에 따라 입자의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다(d).

Fig. 5. SEM potographs of the powders( each conditions ; Fig. 4(a),(b), Fig. 3(c),(d)).

이것으로부터 알루미늄 분말이 고온의 플라즈마 영역에서 증발되어 분위기 산소와 반응하여 cold-wall에 의해 급냉되면 □-, □-상의 알루미나로 생성되고, graphite관의 경우에는고온분위기에서 □-상의 알루미나로 결정화가 진행되는 것으로 관찰되었다. 반응부에서 포집되지 않은 알루미늄 증기와 알루미나는 반응기 하부로 내려감에 따라 비정질 알루미나로 전환되고 일부는 응집되면서 반응기 하부에서 포집되는 것을 관찰하였다.

감사

본 연구는 과학재단 특정연구과제(과제번호:96-0502-04-01-3)의 연구비지원으로 수행하였으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

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