화염 분무열분해법에 의한 구형의 Y2O3:Eu 형광체 입자의 제조

서대종, 강윤찬, 박승빈+

한국과학기술원 화학공학과

Preparation of Y2O3:Eu Phosphor Particles with Spherical Morphology by Flame Spray Pyrolysis

Dae Jong Seo, Yun Chan Kang, and Seung Bin Park+

Department of Chemical Engineering, KAIST

서  론

분무열분해법은 하나의 액적에서 하나의 입자가 제조되는 공정으로써 구형의 액적에서 제조되는 입자 또한 구형의 형태를 지니게 되어서 구형의 입자 형태를 요구하는 분야에서 주목받고 있는 입자 제조 방법이다. 이러한 분무열분해법의 응용분야의 하나로써 형광체를 꼽을 수 있다. 차세대 표시장치에 요구되고 있는 형광체의 특징은 기존의 형광체 제조 공정인 고상법에 의해서는 이루어지기 어려운 것이기 때문이다.

기존의 형광체는 고상법에 의해 제조되어서 입자의 형태가 매우 불규칙하고, 입자의 크기도 수 마이크론 이하로 낮추기가 매우 어려우며, 입자의 크기를 조절하기 위한 수 차례의 밀링 공정에 의해서 불순물의 유입 가능성이 큰 것이 단점으로 지적되어 왔다. 그러나 분무열분해법에 의해서 제조되는 형광체 입자는 하나의 액적에서 하나의 입자가 만들어지는 공정으로서 액적이 구형을 띄고 있으므로 생성되는 입자 또한 구형을 띄게 되고 밀링 공정을 거치지 않아도 되므로 공정이 훨씬 간단하고 불순물의 유입 가능성 또한 적어진다. 또 액적 내에서 전구체 물질들이 용매에 용해되어서 분자 수준으로 서로 균일하게 섞여 있으므로 다성분계 물질을 제조하는 경우에도 성분이나 상을 원하는 것으로 유지하는 것이 용이하다는 장점을 가지고 있다[1-2].

그러나 이런 장점에 반하여 분무열분해법도 치명적인 단점을 가지고 있는데 그것은 제조된 입자가 내부가 비어있는 형태를 띄고 있어서 열처리 후 입자가 가지고 있던 구형의 형태가 파괴되는 경우가 많다는 것이다. 이것은 분무열분해법의 가장 큰 장점중의 하나인 구형의 입자 생성이라는 장점이 결정성을 성장시키기 위한 열처리를 통하여 상실된다는 것을 의미한다. 액적 발생 장치에 의해서 생성된 액적이 고온의 전기 반응로를 지나면서 용매의 증발과 반응 등을 통하여 입자가 생성되는데 이때 전구체의 특성이나 반응 온도, 용매의 특성에 의해서 침전이 입자 전체에서 발생되지 않고 입자의 바깥쪽에서만 발생하여 껍질과도 같은 형태를 가지게 되고 이것이 후에 열처리에 의하여 파괴된다. 이런 분무열분해법의 단점을 극복하기 위하여 현재까지 다양한 방법의 시도가 이루어졌다. 콜로이드를 이용한 방법[3-5], 융제를 이용한 방법[6] 등이 그것이다. 그러나 콜로이드를 이용한 방법은 분무열분해법의 단점인 내부가 빈 입자의 생성은 어느 정도 극복했으나 내부가 완전히 충진된 형태의 입자가 생성되는 것이 아니라 기공을 가지고 있는 다공성의 형태가 얻어졌다. 또한 융제는 고상법에서 사용되는 것으로 이것을 분무열분해법에서 사용하여 일반적인 분무열분해법에 비하여 형태 및 휘도의 측면에서 효과를 보았으나 입자의 형태가 구형을 유지하지 못하고 찌그러진 형태를 가졌다.

분무열분해법의 단점을 극복하기 위한 이러한 노력들은 나름대로의 성과를 나타내고는 있으나 형태적인 측면에서 완전한 구형과 내부가 충진된 것을 얻지는 못하였다. 이것을 개선하기 위해서 본 연구에서는 고온의 확산 화염을 사용하여 생성된 입자를 용융시켜서 구형의 입자를 만드는 것을 목표로 하였다. 일반적인 분무열분해법에서 건조와 반응 등을 위한 열원으로 사용되는 전기로 대신에 고온의 확산 화염을 사용하는 방법이다[7-8]. 화염 분무열분해법은 비록 화염내에서 입자의 체류 시간이 기존의 분무열분해법에 비해서 매우 짧으나 액적에서 생성되는 입자의 녹는점 이상의 고온을 이용하여, 생성된 입자를 녹여서 구형의 형태와 내부가 충진된 형태를 얻는 방법이다.

본 연구에서는 화염 분무열분해법에 의해서 적색 발광의 형광체인 Y2O3:Eu 입자를 제조하고 제조된 입자의 형태와 발광 특성을 기존의 분무열분해법과 비교하여 보았다.

실  험

Fig.1에 나타난 화염 분무열분해 장치에서 액적 발생장치[8]로는 1.7 MHz의 초음파를 이용한 액적 발생장치를 사용하였고 여기서 발생된 액적을 운반기체인 산소에 의해서 확산 화염의 내부로 이동시켰다. 확산 화염은 다섯 개의 동심관으로 이루어진 노즐에서 생성되는데 가장 중심의 관에서는 액적이 운반기체인 산소에 의해서 이동하고 이동 속도는 5 l/min이었다. 다음 관부터는 연료인 프로판과 산화제인 산소가 차례로 이동하여 노즐 밖에서 서로 확산이 일어나면서 연소되어 고온의 화염을 생성하였다. 이때 프로판은 총 4.2 l/min, 산소는 총 41 l/min로 동심관을 지나서 화염을 형성하였다. 이렇게 확산 화염을 거쳐서 생성된 입자는 백필터에서 포집된다.

생성된 입자의 분석은 XRD(X-ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscopy)과 PL(Photoluminescence)을 이용하여 형태, 결정성, 크기 및 발광 특성에 대해서 평가하였다.

반응 용액은 Y와 Eu의 원료로 각각 Yttrium nitrate와 Europium nitrate를 사용하였고 총 용액의 농도는 1M이었고 Eu의 도핑농도는 6 at. %이다.

결과 및 토론

화염 분무열분해법에 의해서 제조된 Y2O3:Eu의 SEM 사진이 Fig.2에 나타나 있다. 화염 분무열분해법에서 제조된 입자는 열처리 전에는 표면에 작은 나노 입자들이 붙어 있는 형태를 띄고 있다. 이는 고온의 화염을 지나면서 Y2O3:Eu의 휘발이 이루어져서 생긴 것이다. Y2O3:Eu의 경우 녹는 온도가 2410℃이고 휘발 온도가 2400℃로 매우 근접하여서 화염 분무열분해법에 의한 입자의 제조에서의 주된 목적인 입자의 용융에 의한 구형의 입자 생성을 이루기 위해서 고온의 확산 화염을 사용하면 필연적으로 휘발에 의한 나노 입자의 생성이 수반된다. 그러나 Fig.2에서 나타난 것과 같이 알맞은 열처리를 거친 후에는 표면의 나노입자들이 제거되고 구형의 입자가 제조되었음을 알 수 있다.

이런 화염 분무열분해법에서 제조된 Y2O3:Eu와 같은 조건에서 전기로에서 제조되고 열처리 과정을 거친 입자의 SEM 사진이 Fig.3에 나타내었다. Fig.3에서 알 수 있듯이 일반적인 분무열분해법에서 제조된 입자는 열처리 후 구형의 형태를 잃고 깨진 형태를 보인다. 여기서 분무열분해법에 의해서 제조된 입자가 내부가 빈 형태로 제조됨을 알 수 있다.

Fig.4는 제조된 형광체 입자의 발광 특성을 비교하기 위하여 PL spectra를 비교 분석한 것이다. 여기서 알 수 있듯이 일반적인 분무열분해법으로 제조된 Y2O3:Eu 입자들보다 화염 분무열분해법으로 제조된 Y2O3:Eu 입자들이 약 20%의 발광 휘도의 향상을 보여주었다. 화염 분무열분해법에서 제조된 Y2O3:Eu 형광체 입자들의 이러한 발광 휘도의 향상은 같은 조건의 분무열분해법에 의해 제조된 Y2O3:Eu 형광체 입자들보다 더 작은 크기, 더욱 완벽한 구형 그리고 입자의 내부가 완전히 충진된 것과 같은 형태적인 특징에 기인한다. 또한 화염 분무열분해에 의해 생성된 입자는 입자의 용용에 의해서 표면 결점이 줄어드는 데 그 점도 발광 휘도의 증가에 영향을 미쳤을 것이라고 생각되어진다.

참고문헌

1. Y. C. Kang and S. B. Park, J. Aerosol Sci., 26, 1131 (1995).

2. A. Gurav, T. Kodas, T. Pluym, and Y. Xiong, Aerosol Sci. and Tech., 19, 411 (1993).

3. Y. C. Kang, and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 38[12B],1541 (1999).

4. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Adv. Mater. In print, (2000).

5. H. S. Roh, Y. C. Kang, and S. B. Park, J. Colloid & Inter. Sci., accepted, (2000)

6. Y. C. Kang, H. S. Roh, and S. B. Park, Jpn. J. Appl. Phys., 39[1AB] (2000).

7. J. H. Brewster and T. T. Kodas, AICHE J., 43[11], 2665 (1997).

8. D. J. Seo, Y. C. Kang, and S. B. Park, Theories and Applications of

Chem. Eng., 5[2], 4393 (1999).

Fig.1 The schematic diagram of flame spray pyrolysis system.

Fig.2 SEM photograph of particles prepared by flame spray pyrolysis after post-treatment.

Fig.3 SEM photograph of particles prepared by general spray pyrolysis.

Fig. 4 PL spectra of particles prepared by general and flame spray pyrolysis.