화염 분무열분해법에 의한 산화물계 형광체 분말의 제조

서대종, 강윤찬, 정윤섭, 박승빈*, 장희동1

한국과학기술원 화학공학과

1 한국자원연구소 자원활용소재연구부

Preparation of oxide phosphor particles by flame spray pyrolysis

Dae Jong Seo, Yun Chan Kang, Yun Seop Chung, Seung Bin Park,

and Hee Dong Chang

Department of Chemical Engineering, KAIST

1Division of Minerals Utilization and Materials, KIGMM

서  론

기상법은 연속 공정으로서 구형의 응집이 없는 분체 제조가 가능하다는 장점으로 인해 다양한 재료 분야에서 연구가 진행 중에 있다. 특히 형상이나 크기가 분체의 특성을 좌우하는 형광체 분야에서 많은 관심의 대상이 되고 있다. 형광체에서 그 형태가 중요한 의미를 가지는 이유는 분말 상태에서는 같은 발광 휘도를  나타내더라도 실제 사용 시에는 구형의 속이 꽉 찬 형태의 입자가 더 좋은 발광 휘도를 나타내기 때문이다. 따라서 형광체에서는 그 형태가 중요하다고 할 수 있다. 기상법 중에서도 특히 액적을 이용하는 분무열분해법은 분쇄 공정이 필요 없고 조성의 조절이 용이하다는 장점을 가지고 있어서 많이 연구되어지고 있다[1-5]. 그러나 분무열분해법은 속이 빈 입자가 제조되는 등 형태 조절이 어렵다는 큰 단점을 가지고 있다. 이러한 분무 열분해법의 단점을 극복하고 구형이면서도 속이 꽉 찬 입자를 제조하기 위해서 지금까지 여러 가지 방법이 시도되었다. 그러한 방법에는 콜로이드[6]를 이용하여 표면에서만이 아니라 입자의 전체에서 석출이 일어나게 하여서 속이 찬 입자를 제조하려는 시도와 플라즈마[7]를 이용하여 제조된 입자를 녹여서 속이 꽉 찬 입자를 제조하려는 등의 여러 가지 노력이 행해졌다. 그러나 그러한 방법들도 나름대로의 한계를 가지고 있다. 플라즈마를 이용한 방법은 이미 고상법으로 만들어진 형광체 입자를 다시 플라즈마를 이용해서 녹여 구형의 속이 꽉 찬 입자를 만드는 방법이다. 구형이면서 속이 꽉 찬 형태의 입자를 얻을 수는 있으나 이미 고상법으로 제조된 형광체 입자를 이용하여야 한다는 점에서 실효성이 없으며 플라즈마 자체의 불안정성과 고가의 장비를 사용하여야만 하는 등의 문제점이 있다. 이러한 단점들로 인하여 생각되어진 것이 화염 분무열분해법이다. 이 방법은 구형의 속이 꽉 찬 입자를 액적에서부터 직접 제조하는 방법으로 입자를 녹여 속이 꽉 찬 형태를 얻으면서도 잘 개발되어진 공정이기 때문에 플라즈마처럼 고가이거나 불안정지 않고 쉽게 시행할 수 있다는  장점이 있다.

화염 분무열분해법은 몇 개의 동심관으로 구성된 노즐을 사용하여 산소와 연료 가스를 이용한 확산 화염을 만들고 동심관의 중앙의 관으로는 용액을 분무시켜 생성한 액적을 통과시킨다. 이때 액적이 운반 기체의 흐름에 따라 화염 내부를 지나가면서 열분해반응이 일어난다. 이것은 일반 분무열분해법과 별 차이가 없는 듯하지만 화염 분무열분해법에서는 열분해반응을 통해서 우리가 원하는 물질이 생성됨과 동시에 녹는점 근처의 고온의 화염 내부를 지나게 됨으로써 각각의 입자가 녹아서 최종적으로 얻어지는 입자는 구형인 동시에 속이 꽉 찬 형태를 가지게 된다.

본 연구에서는 화염 분무열분해법에 의해 다양한 산화물계 형광체의 합성하여 보고 화염 분무열분해법이 그 형태에 끼치는 영향을  알아보았다.

실  험

각각의 실험은 각 원료 물질의 질산염들을 증류수에 녹여서 적당한 농도의 용액을 만들고 이 용액을 분무시켜 그 액적을 노즐의 중앙을 통해 이동시켜서 이루어졌다.

이번 화염 분무열분해법 실험에 사용된 노즐은 5개의 동심관으로 이루어진 것으로써 그에 대한 그림은 Fig.1에 나타나 있다. 이 노즐의 가장 안쪽의 관을 통해서는 실험 용액을 분무시킨 액적들이 운반기체인 산소에 의해서 운반되어지고 두 번째와 네 번째 관을 통해서는 연료 가스로 사용된 프로판 가스를 넣어주었고 세 번째와 다섯 번째 맨 바깥쪽 관을 통해서는 산소를 넣어주었다.

이렇게 해서 들어간 산소와 프로판 가스는 노즐을 떠나면서 노즐 밖에서 확산이 되면서 고온의 불꽃을 형성하게 된다. 이때 운반기체로 산소를 사용한 것은 불꽃의 온도를 고온으로 유지시키기 위해서 이다.

이렇게 형성된 화염은 처음엔 푸른색 불꽃을 보이지만 액적이 노즐을 통해서 나오면서 고온의 화염 속을 지나면 화염의 색깔이 노란색이나 주황색 등 물질에 따라서 달라지는 것을 알 수 있었다.

결과 및 토론

이번 실험에서는 Y2O3:Eu, Gd2O3:Eu, YAG:Tb BAM:Eu, Y2SiO5:Tb 등 다양한 산화물계 형광체를 제조하여 보았다. 모든 물질의 경우 화염 분무열분해법에 의해 제조된 입자들은 구형의 속이 꽉 찬 형태를 보였는데 이는 앞서 말한 것처럼 고온의 화염에서 제조된 입자들이 녹아서 얻어진 결과로 생각되어진다.

Fig.2의 (a)는 일반적인 분무열분해법에 의해서 제조된 Gd2O3:Eu의 SEM 사진으로 여기서 알 수 있듯이 형태도 구형에서 많이 벗어나 있고 특히 속이 빈 것을 확연히 알 수 있다. 그러나 화염 분무열분해에 의해서 제조된 Gd2O3:Eu의 SEM 사진인 Fig.2 (b)를 보면 입자가 거의 완벽한 구형을 이루고 있을 뿐 아니라 속이 꽉 찬 형태를 얻었다는 것을 알 수 있다.

또한 크기를 비교해 보아도 같은 방법으로 생성된 액적에서 만들어진 입자들이지만 모든 경우 일반적인 분무열분해법에 의해서 제조된 입자들 보다 화염 분무열분해법에 의해 제조된 입자의 크기가 더 작다는 것을 알 수 있다. 같은 방법으로 형성된 액적에서 생성된 입자의 크기가 서로 다르다는 것은 분무열분해법에서 생성된 큰 입자들의 경우 속이 빈 형태이고 화염 분무열분해법에서 생성된 작은 입자의 경우는 속이 꽉 찬 형태라는 것을 말해주는 것이기도 하다.

이러한 결과는 화염 분무열분해에서 사용하는 화염에서 녹는점 근처의 고온이 얻어짐으로써 분무에 의해서 생긴 액적에서 생성된 입자들이 녹아서 구형이면서 속이 꽉 찬 형태를 얻을 수 있다고 보여진다.

참고문헌

1. Y. C. Kang, I. W. Lenggoro, S. B. Park, K. Okuyama, J. Solid State

Chem. 146 (1999) 168.

2. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, K. Okuyama, J. Phys. Chem.

Solids 60 (3) (1999) 379.

3. Y. C. Kang, I.W. Lenggoro, K. Okuyama, S.B. Park, J. Electrochem. Soc.

146 (3) (1999) 1227.

4. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, K. Okuyama, J. Mater. Res. 14

(6) (1999) 2611.

5. Y. C. Kang, S. B. Park, I. W. Lenggoro, K. Okuyama, J. Electrochem.

Soc. 146 (7) (1999) 2744.

6. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park Submitted to the J. Electrochemical Society (In revision)

7. N. Matsuda, M. Tamatani, M. Okumura, A. K. Albessard, Y. Inoue and K. Kawasaki, Extended Abstracts 2nd Int. Conf. Science and Technology of display Phosphors, 307, 1996

(a) Front view                            (b) Side view

Fig.1 The nozzle used in the Flame Spray Pyrolysis

(a) x5000

(b) x20000

Fig.2 SEM photographs of Gd2O3:Eu particles prepared by

(a) the conventional Spray Pyrolysis and (b) the Flame Spray Pyrolysis