[논문]비스무스와 지르코늄 첨가를 통한 세리아계 친환경 노란색 안료 특성에 관한 연구

김태호; 황해진; 김진호; 황광택; 한규성

doi:10.6111/jkcgct.2015.25.4.153

비스무스와 지르코늄 첨가를 통한 세리아계 친환경 노란색 안료 특성에 관한 연구
Effect of Bi and Zr addition on yellow colour properties of environment-friendly ceria-based pigments 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.25 no.4, 2015년, pp.153 - 159

김태호 (한국세라믹기술원 이천분원) , 황해진 (인하대학교 신소재공학부) , 김진호 (한국세라믹기술원 이천분원) , 황광택 (한국세라믹기술원 이천분원) , 한규성 (한국세라믹기술원 이천분원)

초록
AI-Helper

무기안료는 우수한 열적, 화학적 안정성으로 인해 페인트, 고화도 세라믹 잉크, 아트 타일, 건물의 외장재 등의 다양한 응용 분야에 적용될 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 기존에는 $PbCrO_4$, CdS, CdSe 등의 조성이 노란색 무기 안료로 널리 사용되어 왔으나 Cd, Cr, Pb, Se 같은 유해물질을 포함하고 있어 최근에는 사용에 제한되고 있다. 따라서 본 연구에서는 ceria 기반의 조성을 이용하여 고상법으로 친환경 노란색 무기안료를 합성하였다. XRD와 SEM을 통해 합성된 $Ce_{1-x}Zr_xBi_yO_{2-y/2}$ 노란색 무기안료의 결정구조와 형상을 확인하였고, UV-vis. spectrophotometer와 CIE $L^*a^*b^*$ 분석으로 Zr과 Bi함량에 따른 노란색 무기안료의 발색 특성 변화를 확인하였다. 노란색 무기안료의 결정구조는 주로 하소온도의 변화에 의존하는 것으로 확인되었고, 발색 특성과 흡수단은 하소온도와 Zr, Bi 함량이 모두 영향을 미치는 것으로 나타났다. 결과적으로 합성된 모든 무기안료는 자외선과 500 nm 이하의 가시광선을 효율적으로 흡수하였고, $Ce_{0.44}Zr_{0.36}Bi_{0.20}O_{0.19}$(x = 0.36, y = 0.20) 조성의 무기안료에서 가장 선명한 노란색 색조를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Inorganic pigments have been received a great attention for various applications including paint, glazed ceramic ink, art tile, and building exterior due to their excellent thermal and chemical stability. Traditionally, the compositions of $PbCrO_4$, CdS and CdSe have been widely used as a yellow inorganic pigment. However, the use of these compositions has been restricted in recent years, because they contain harmful elements such as Cd, Cr, Pb and Se. In this study, new environment-friendly ceria-based pigment was synthesized using solid state reaction. Crystal structure and morphology of the obtained $Ce_{1-x}Zr_xBi_yO_{2-y/2}$ yellow pigment were analyzed using XRD and SEM, respectively. Substitutional effect of Zr and Bi on the pigment color was analyzed using UV-vis. spectrophotometer and CIE $L^*a^*b^*$ analysis. The crystal structure of the obtained pigments was dependent on the calcination temperature. The color characteristics and absorption band of the pigments were dependent on the calcination temperature and Zr, Bi contents. As a result, all the obtained yellow pigments showed the effective absorption ranged from ultraviolet to visible light, and $Ce_{0.44}Zr_{0.36}Bi_{0.20}O_{0.19}$ (x = 0.36, y = 0.20) pigment showed the most brilliant yellow color.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 중금속 함유 무기안료를 대체하기 위해 새로운 조성의 친환경 노란색 안료를 고상합성법을 이용하여 ceria계 노란색 안료를 제조하였다. 노란색을 발색하는 안료의 최적 합성 조건을 도출하고 하소온도와 Zr, Bi의 치환량에 따른 결정구조와 발색거동을 분석하였다.
합성된 Ce1 − xZrxBiyO2 − y/2 무기안료의 하소온도 및 Zr, Bi 치환량에 따른 결정구조와 발색거동을 분석하여 가장 선명한 노란색 무기안료의 최적 합성조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 중금속 함유 무기안료를 대체하기 위해 새로운 조성의 친환경 노란색 안료를 고상합성법을 이용하여 ceria계 노란색 안료를 제조하였다. 노란색을 발색하는 안료의 최적 합성 조건을 도출하고 하소온도와 Zr, Bi의 치환량에 따른 결정구조와 발색거동을 분석하였다. 합성된 Ce_{1 − x}Zr_xBi_yO_{2 − y/2} 노란색 안료를 하소온도에 따라 결정구조를 확인한 결과, 1450℃에서 입방 형석 구조(Cubic fluroite structure)의 Ce_0.
또한 UV-vis spectrophotometer(JASCO, V-770)을이용하여 발색거동을 분석하였으며, 색도 변화를 관찰하기 위해 국제조명위원회(CIE: Commission internationale de I’Eclairage) 표색계의 값(L*a*b*)을 측정하였다.
하소공정은 공기 분위기에서 5℃/min의 승온속도로 각각 1050℃, 1150℃, 1250℃, 1350℃, 1450℃까지 온도를 올린 후 1시간 유지시킨 후 자연 냉각하였다. 또한 노란색 발색을 위한 최적의 합성조건을 알아보기 위하여 ZrO₂의 양을 0.08 mole, 0.24 mole, 0.36 mole, Bi₂O₃의 양을 0.05 mole, 0.10 mole, 0.20 mole, 0.30 mole 변화를 주었다.
본 연구에서는 고상합성법을 이용하여 ceria 기반의 조성에 Zr, Bi를 첨가하여 Ce1 − xZrxBiyO2 − y/2 조성의 친환경 노란색 무기안료를 합성하였다.

대상 데이터

고상합성법을 이용하여 노란색을 발색하는 Ce1 − xZrxBiyO2 − y/2 무기안료를 합성하기 위해서 출발 물질로 CeO2(Cerium(IV) oxide, 99.9 %, ALDRICH), ZrO2 (Zircomiumoxide, 99.0 %, SHOWA), Bi2O3(Bismuth(III) oxide, 99.0 %, DAEJUNG)을 사용하였다.

이론/모형

합성된 안료의 결정구조를 분석하기 위해 X-Ray diffractometer(XRD, Rigaku, D/MAX2500VL/PC)를 사용하였고, 안료 입자의 크기와 형상 분석을 위해 Scanning electron microscopy(SEM, Jeol, JSM-6390)을 사용하였다. 또한 UV-vis spectrophotometer(JASCO, V-770)을이용하여 발색거동을 분석하였으며, 색도 변화를 관찰하기 위해 국제조명위원회(CIE: Commission internationale de I’Eclairage) 표색계의 값(L*a*b*)을 측정하였다.

성능/효과

Fig. 1(a), (b)의 1050℃와 1150℃에서 하소한 분말의 경우 CeO₂, ZrO₂, Bi_7.38Zr_0.62O_12.31에 해당하는 피크가 각각 확인되었는데 이는 출발 물질 중 ZrO₂와 Bi₂O₃가 먼저 반응하여 Bi_7.38Zr_0.62O_12.31를 형성한 것으로 관찰되며, 또한 낮은 열처리 온도로 인하여 출발 물질들의 합성이 잘 이루어지지 않은 것으로 판단된다. Fig.
(b)의 Ce0.44Zr0.36BiyO2 − y/2(y = 0.05, 0.10, 0.20, 0.30) 분말의 결정상은 Fig. 1(e)에서 확인된 1450℃에서 하소된 Ce0.44Zr0.36Bi0.19O0.20 분말의 피크와 동일한 입방 형석 구조(Cubic fluroite structure)의 Ce0.5Zr0.5O2 단일상이 확인되었으며, 다른 제 2차상은 관찰되지 않은 것으로 보아 결정구조는 Zr, Bi 함량변화에 크게 영향을 받지 않는 것으로 사료된다.
합성 시 1450℃에서 단상의 결정구조를 갖고, 가장 선명한 노란색 발색을 관찰한 결과 최적 온도 조건임을 확인할 수 있었다. Zr 함량(x = 0.08, 0.24, 0.36)과 Bi 함량(y = 0.05, 0.10, 0.20, 0.30)에 따른 결정 구조 또한 1450℃에서 입방 형석 구조(Cubic fluroite structure)의 Ce_0.5Zr_0.5O₂(Cerium zirconium oxide) 단상을 확인할 수 있었다. 이로 보아 결정구조는 Zr, Bi 함량변화에 따라 변화가 없는 것으로 확인되었다.
5 µm임을 관찰할 수 있었다. 발색 거동은 하소온도 증가에 따라 L* 값과 b* 값이 증가하고 a* 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 합성 시 1450℃에서 단상의 결정구조를 갖고, 가장 선명한 노란색 발색을 관찰한 결과 최적 온도 조건임을 확인할 수 있었다.
이로 보아 결정구조는 Zr, Bi 함량변화에 따라 변화가 없는 것으로 확인되었다. 발색거동의 변화는 Zr 함량이 증가하면 L* 값과 b* 값은 증가 하고 a* 값은 감소하는 것을 확인한 결과 주로 명도에 영향을 주는 것으로 관찰되었다. Bi 함량이 증가하면 L* 값과 a* 값은 감소하고 b* 값은 증가하는 것으로 보아 채도에 영향을 주는 것으로 관찰되었다.
04로 녹색을 띄는 것으로 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 최적의 하소 온도 조건인 1450℃에서 합성된 Ce_0.44Zr_0.36Bi_0.20O_1.90무기안료가 단상의 결정구조를 가지고 선명한 노란색을 발색하는 것을 확인할 수 있었다.
5에 나타내었다. 전체적으로 하소온도 증가에 따라 L* 값과 b* 값은 증가하고, a* 값은 감소하는 경향을 보이고 있으며 Fig. 4(e)와 같이 1450℃에서 가장 선명한 노란색 발색이 관찰되었다. Commercial yellow는 L* 값이 78.
발색 거동은 하소온도 증가에 따라 L* 값과 b* 값이 증가하고 a* 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 합성 시 1450℃에서 단상의 결정구조를 갖고, 가장 선명한 노란색 발색을 관찰한 결과 최적 온도 조건임을 확인할 수 있었다. Zr 함량(x = 0.
합성된 Ce1 − xZrxBiyO2 − y/2 노란색 안료를 하소온도에 따라 결정구조를 확인한 결과, 1450℃에서 입방 형석 구조(Cubic fluroite structure)의 Ce0.5Zr0.5O2(Cerium zirconium oxide) 단상으로 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 각진 면을 갖는 형상을 가지고 평균입자크기가 4.5 µm임을 관찰할 수 있었다.
안료의 빛 흡수단은 하소온도에 따라 차이를 보이고 있지만, 모든 Ce_{1 − x}Zr_xBi_yO_{2 − y/2}안료는 O_2p -Ce_4f의 전자 천이에 의해 효율적인 청광색을 흡수하기 때문에 이의 보색인 노란색을 발색함을 알 수 있다. 흡광도 스펙트럼에서 밴드갭 에너지(E_g)를 계산하여 분석한 결과 Table 1과 같이 1050℃에서 2.24 eV, 1150℃~ 1450℃에서 각각 2.25 eV로 관찰된 것으로 보아 1050℃를 제외하고 하소온도에 따라서는 크게 변화되지 않는 것으로 확인된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무기안료는 어떤 특징으로 인해 어디에서 적용될 수 있어 큰 관심을 받고 있는가?	무기안료는 우수한 열적, 화학적 안정성으로 인해 페인트, 고화도 세라믹 잉크, 아트 타일, 건물의 외장재 등의 다양한 응용 분야에 적용될 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 기존에는 $PbCrO_4$, CdS, CdSe 등의 조성이 노란색 무기 안료로 널리 사용되어 왔으나 Cd, Cr, Pb, Se 같은 유해물질을 포함하고 있어 최근에는 사용에 제한되고 있다.
	독성물질이 포함된 안료 사용의 문제점을 대체하기 위한 방법으로 무엇이 연구되어 왔는가?	최근 전 세계적으로 환경오염의 문제가 대두됨에 따라 독성물질이 포함된 안료 사용이 문제점으로 부각되고 있으며, 이를 대체하기 위한 친환경 노란색 안료의 개발이 요구되고 있다. 금속 산화물을 기반으로 하는 새로운 조성의 노란색 무기안료는 여러 연구자들에 의해 연구되어 왔는데[5-16], M.L.
	기존 노란색을 발색하는 무기안료로 사용되어 온 조성은 무엇인가?	기존 노란색을 발색하는 무기안료로 널리 사용되어 온 크롬 옐로우(PbCrO4), 카드뮴 옐로우(CdS) 및 카드뮴 레드(CdS/CdSe) 등의 조성은 Cr, Cd, Pb, Se 등을 함유 하고 있다. 이들은 인체에 치명적인 독성을 갖고 있거나 환경에 유해한 물질을 배출하고, 고온에서 불안정하여 발색 특성을 저하시키는 문제점을 가지고 있어 사용이 점점 제한되고 있다[2-4].

참고문헌 (15)

H.M. Smith, "High performance pigments", E.B. Faulkner and R.J. Schwartz (Weinheim: Wiley-VCH, Germany, 2002) p. 13.
E.S.H. Kharashvili, "Trends in developing ceramic pigments", Glass Ceram. 10 (1985) 459.
J.A. Badenes, M. Llusar, M.A. Tena, J. Calbo and G. Monros, "Praseodymium-doped cubic $Ca-ZrO_2$ ceramic stain", J. Eur. Ceram. Soc. 22 (2002) 1981.

상세보기
A. Burgyan, "Characterization and identification of the mixed metal oxides and ceramic pigments manufactured in the U.S.", Interceram. 1 (1979) 30.
R.P. Prabhakar and M.L.P. Reddy, " $(TiO_2)(CeO_2)_{1-x}(RE_2O_3)_x$ -novel environmental secure pigments", Dyes Pigm. 73 (2007) 292.

상세보기
G. George, K.L. Sandhya, V.S. Vishnu, S. Ananthakumar and M.L.P. Reddy, "Synthesis and characterization of environmentally benign calcium-doped $Pr_2Mo_2O_9$ pigments: applications in coloring of plastics", J. Solid State Chem. 181 (2008) 487.

상세보기
M. Jansen and H.P. Letschert, "Inorganic yellow-red pigments without toxic metals", Nature 404 (2000) 980.

상세보기
V.D. Luz, M. Prades, H. Beltran and E. Cordoncillo, "Environmental-friendly yellow pigment based on Tb and M (MCa or Ba) co-doped $Y_2O_3$ ", J. Eur. Ceram. Soc. 33 (2013) 3359.

상세보기
V.S. Vishnu, G. George, V. Divya and M.L.P. Reddy, "Synthesis and characterization of new environmentally benign tantalum-doped $Ce_{0.8}Zr_{0.2}O_2$ yellow pigments: Applications in coloring of plastics", Dyes Pigm. 82 (2009) 53.

상세보기
N. Imanaka, T. Masui and M. Itaya, "Synthesis of an environmentally friendly and nontoxic new pigment based on rare earth phosphate", Chem. Lett. 32 (2003) 400.

상세보기
D.R. Eppler and R.A. Eppler, "Analyzing the color of reddish galzes", Ceram. Eng. Sci. Proc. 17 (1996) 77.
M. Kato and M. Takahashi, "Synthesis of Cr-doped $NdAlO_3-Al_2O_3$ reddish pink pigment", J. Mater. Sci. Lett. 20 (2001) 413.

상세보기
K.J. Sreeram, R. Srinivasan, J.M. Devi, B.U. Nair and T. Ramasami, "Cerium molubdenum oxides for environmentally benign pigments", Dyes Pigm. 75 (2007) 687.

상세보기
S. Furukawa, T. Masui and N. Imanaka, "Synthesis of new environment-friendly yellow pigments", J. Alloys Compd. 418 (2006) 255.

상세보기
S. Furukawa, T. Masui and N. Imanaka, "New environment-friendly yellow pigments based on $CeO_2-ZrO_2$ solid solutions", J. Alloys Compd. 451 (2008) 640.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증