Urea를 이용한 복합 희토류 산화물 입자의 제조

강동준, 김선근, 이명진*, 정경원*

중앙대학교 화학공학과

대주정밀화학 (주)*

Preparation of Composite Rare-Earth Oxide Particles

by urea precipitation

Dong-Jun Kang, Sun-Geon Kim, Myung-Jin Lee*, Kyung-Won Jung*

Department of Chemical Engineering, Chung Ang University

Dae Joo Fine Chemical Co. Ltd*

서론

희토류 금속의 산화물은 많은 용도 가운데서 최근 여러 형식의 형광체 재료로 주목을 받고 있다. 이들 가운데 많은 부분은 이미 실용화되어 있으며, 현재 개발중인 다른 개념의 디스플레이 재료인 FED(Field Emission Display), PDP(Plasma Display Panel) 등의 재료로서 주목을 받고 있다. 이 재료들의 제법으로는 고상법, 액상법 등에 의해 만들어지고 있으나 전통적으로 고상법이 주류를 이루고 있다. 그러나 고상법은 생성물의 입도나 형상이 고르지 않아 분쇄에 의해 필요한 입도나 형상을 얻고 있으며, 무엇보다도 반응의 제어가 느리고 힘든 고체상에서 이루어지므로 목적하는 생성물을 얻기가 매우 까다롭다. 이에 비해 액상법은 반응의 제어가 용이하며, 따라서 입도나 성분의 제어가 손쉽다는 측면에서 최근들어 많은 연구가 진행되고 있다. 액상법에도 어떤 반응을 이용하느냐에 따라 oxalate법, homogeneous precipitation 등으로 분류될 수 있다. 본 연구에서는 이 가운데서 입도와 형상의 제어가 용이한 urea에 의한 균일 침전법을 선택하여 PDP 용 적색형광체의 원료로서 이용되고 있는 Y, Gd 계의 희토류 금속산화물의 제조에 대해 연구하였다. 본 연구에서 제조조건, 즉, 반응시간, 온도, 반응물질의 농도, Urea 농도 효과, 그리고 Eu의 도핑 등이 생성된 입자의 형상, 크기 및 그 분포, 성분 등 입자의 일반적인 특성에 미치는 효과들을 조사하였으며, 소성에 따른 결정화, 발광효과 등에 대해서 체계적으로 연구하였다.

실험

Y2O3, Gd2O3, Eu2O3를 진한 질산에 녹여서 전구체로 사용할 Y(NO3), Gd(NO3)０Eu(NO3)3를 만든 후 이를 물로 희석시켜 0.03M로 설정하였으며, 이들 혼합용액은 각 성분의 용액을 적정 비율로 혼합하여 얻었다. 이 전구체 용액들은 0.5M의 요소 수용액과 각각 100ml로 충분히 혼합 다음 일정온도가 유지되는 항온조 속에서 교반없이 정치시켜 반응시킨 다음 일정 반응시간이 경과하면 꺼내어 바로 냉각하여 반응을 중지시켰다. 실험에서 사용한 변수는 온도(80∼95℃), 양이온 농도(0.01∼0.05M) 및 요소의 농도(0.1∼5mol/L)이다. 얻어진 생성물질의 침전물은 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope)로 입자의 형상, 크기 및 분포를 측정하였다. 다음으로 이 sol을 진공펌프를 이용해서 세공이 0.2마이크론인 고분자 여과지로 여과시키고, 이를 2-3회 세척, 여과를 반복하여 건조시켜 powder를 얻었다. 얻어진 입자들은 전기로에서 1200℃에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 복합 산화물 입자들을 얻었다. 얻어진 입자들의 화학적구조와 구조성분은  Electron Dispersion Spectroscopy(EDS)와 IR spectrum으로 측정하였으며, X선 회절기에서 분말의 결정성 패턴을 조사하였다. 또 입자의 열적 거동을 조사하기 위해서 TGA로 조사하였고, 발광특성을 조사하기 위해 photoluminescence를 아울러 측정하였다.

결과 및 토론

Figure 1에서는 pH 변화에 따른 복합 희토류 산화물의 SEM 사진을 나타내었다. 왼쪽의 그림은 구형을 유지하면서도 단분산된 형태를 나타내고 있으나, 오른쪽 그림은 입자크기는 작아졌으나, 상당히 다분산화 되었으며 구형을 유지하고 있지 못하였다. Figure 2에서는 urea 변화에 따른 입도변화를 나타내었다. Urea 초기농도가 높을수록 얻어지는 분말입자의 크기는 작아지고 있음을 보여주고 있었다. Figure 3에서는 activator로 europium이 각각 3%씩 함유된 단일산화물과 복합산화물의 결정성을 비교하였다. 복합 산화물인 (Y,Gd)2O3:Eu는 단일산화물인 Y2O3:Eu, Gd2O3:Eu와는 다른 결정성을 나타내었다.

참고문헌

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Fig. 1 SEM Pictures of (Y, Gd)2O3:Eu particles prepared

under reference condition.

Fig. 2 Effect of urea

concentration on average particle diameter

Fig. 3 XRD Patterns for various oxides      prepared under reference condition