[논문]Yttirum Oxyfluoride 원료의 고상합성 및 서스펜션 플라즈마 스프레이 코팅 응용

박상준; 김형순; 이성민

doi:10.3740/mrsk.2017.27.12.710

Yttirum Oxyfluoride 원료의 고상합성 및 서스펜션 플라즈마 스프레이 코팅 응용
Solid-State Synthesis of Yttirum Oxyfluoride Powders and Their Application to Suspension Plasma Spray Coating 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.12, 2017년, pp.710 - 715

박상준 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터) , 김형순 (인하대학교 신소재공학과) , 이성민 (한국세라믹기술원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

We synthesized YOF(yttirum oxyfluoride) powders through solid state reactions using $Y_2O_3$ and $YF_3$ as raw materials. The synthesis of crystalline YOF was started at $300^{\circ}C$ and completed at $500^{\circ}C$. The atmosphere during synthesis had a negligible effect on the synthesis of the YOF powder under the investigated temperature range. The particle size distribution of the YOF was nearly identical to that of the mixed $Y_2O_3$ and $YF_3$ powders. When the synthesized YOF powders were used as a raw material for the suspension plasma spray(SPS) coating, the crystalline phases of the coated layer consisted of YOF and $Y_2O_3$, indicating that oxidation or evaporation of YOF powders occurred during the coating process. Based on thermogravimetric analysis, the crystalline formation appeared to be affected by the evaporation of fluoride because of the high vapor pressure of the YOF material.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

1은 주사전자 현미경(FE-SEM, JSM-6701F, Jeol, Japan)을 이용하여 관찰된 Y₂O₃, YF₃입자를 보여준다. YOF 원료를 고상으로 합성하기 위하여 Y₂O₃, YF₃를 몰비로 50:50가 되도록 칭량하고 알루미나 볼을 사용하고 알코올 용매에 넣어 4시간동안 150 rpm으로 볼밀 하였다. 밀링이 끝난 원료를 80 °C 오븐에서 12시간 이상 건조시킨 후 알루미나 도가니에 담아 승온 속도 5 °C/min 로 200 °C부터 600 °C까지 100 °C 간격으로 열처리하였다.
열처리 끝난 분말을 X-ray 회절기(RINT2500HF, Rigaku, Japan)를 이용하여 결정상을 분석하고, 전자현미경을 이용하여 입자형상을 관찰하였다. 또한 열처리 온도에 따라 열처리 전후 원료의 입도 분포를 분석하였다. 또한 합성된 YOF 및 합성의 원료인 Y₂O₃, YF₃를 고순도 아르곤 분위기에서 1500 °C까지 열중량 분석(SDT Q600, TA Instrument, USA)하였다.
또한 합성된 YOF 및 합성의 원료인 Y2O3, YF3를 고순도 아르곤 분위기에서 1500 °C까지 열중량 분석(SDT Q600, TA Instrument, USA)하였다.
밀링이 끝난 원료를 80 °C 오븐에서 12시간 이상 건조시킨 후 알루미나 도가니에 담아 승온 속도 5 °C/min 로 200 °C부터 600 °C까지 100 °C 간격으로 열처리하였다.
본 연구에서는 먼저 출발원료인 Y₂O₃, YF₃ 분말을 고상반응시켜 YOF 분말을 합성하였다. 합성에 적합한 온도를 선정하고 고상합성의 분위기의 영향을 관찰하며 합성된 입자의 크기분포를 조사하였다.
열처리 분위기는 아르곤, 대기 두 가지 분위기에서 실시하고 결과를 비교하였다. 열처리 끝난 분말을 X-ray 회절기(RINT2500HF, Rigaku, Japan)를 이용하여 결정상을 분석하고, 전자현미경을 이용하여 입자형상을 관찰하였다. 또한 열처리 온도에 따라 열처리 전후 원료의 입도 분포를 분석하였다.
밀링이 끝난 원료를 80 °C 오븐에서 12시간 이상 건조시킨 후 알루미나 도가니에 담아 승온 속도 5 °C/min 로 200 °C부터 600 °C까지 100 °C 간격으로 열처리하였다. 열처리 분위기는 아르곤, 대기 두 가지 분위기에서 실시하고 결과를 비교하였다. 열처리 끝난 분말을 X-ray 회절기(RINT2500HF, Rigaku, Japan)를 이용하여 결정상을 분석하고, 전자현미경을 이용하여 입자형상을 관찰하였다.
구체적인 용사 조건을 Table 1에 나타내었다. 용사 코팅 후 코팅층의 표면을 X-ray 회절 분석하고 코팅된 시험편을 절단한 후 엑폭시 레진으로 마운팅하고 미세 연마하여 단면의 미세구조를 주사전자현미경으로 관찰하였다.
합성된 YOF 원료를 SPS 코팅법으로 코팅하고 결정상의 변화를 고찰하였다. 이 때 발생하는 결정상의 변화를 YOF의 열분석 특성과 연관지어 고찰하였다.
직경 25 mm의 알루미나 디스크를 기판으로 사용하였고 플라즈마 건의 궤적을 가로 및 세로 길이가 각각 50 cm 및 10 cm 영역에서 건의 이동 간격이 5 mm가 되도록 조정하였다. 이때 플라즈마 건의 속도를 1 m/sec로 하여 상기 면적을 모두 통과하는 과정을 반복하여 코팅을 진행하였다. 구체적인 용사 조건을 Table 1에 나타내었다.
합성에 적합한 온도를 선정하고 고상합성의 분위기의 영향을 관찰하며 합성된 입자의 크기분포를 조사하였다. 합성된 YOF 원료를 SPS 코팅법으로 코팅하고 결정상의 변화를 고찰하였다. 이 때 발생하는 결정상의 변화를 YOF의 열분석 특성과 연관지어 고찰하였다.
분말을 고상반응시켜 YOF 분말을 합성하였다. 합성에 적합한 온도를 선정하고 고상합성의 분위기의 영향을 관찰하며 합성된 입자의 크기분포를 조사하였다. 합성된 YOF 원료를 SPS 코팅법으로 코팅하고 결정상의 변화를 고찰하였다.
합성한 원료의 고온 휘발 가능성을 검증하기 위하여 열중량 분석을 실시하였다. Fig.

대상 데이터

YOF 고상합성을 위하여 Y2O3(> 99.95 %, Grade C, H.C. Starck, Germany)와 YF3(99.9 %, Hebei Baicheng Chemical Co., China)를 사용하였다.
5 wt%를 첨가한 뒤 4시간 볼밀하여 서스펜션을 준비하였다. 본 연구에서 사용된 SPS장비(Axial III, Mettech, Canada)의 플라즈마 건은 axial 공급 방식을 사용하여 서스펜션을 플라즈마 건의 중심부에서 플라즈마 제트에 공급할 수 있다. 직경 25 mm의 알루미나 디스크를 기판으로 사용하였고 플라즈마 건의 궤적을 가로 및 세로 길이가 각각 50 cm 및 10 cm 영역에서 건의 이동 간격이 5 mm가 되도록 조정하였다.
원료분말로 500 °C에서 고상 합성한 YOF 분말을 사용하여 SPS 코팅을 실시하였다.
본 연구에서 사용된 SPS장비(Axial III, Mettech, Canada)의 플라즈마 건은 axial 공급 방식을 사용하여 서스펜션을 플라즈마 건의 중심부에서 플라즈마 제트에 공급할 수 있다. 직경 25 mm의 알루미나 디스크를 기판으로 사용하였고 플라즈마 건의 궤적을 가로 및 세로 길이가 각각 50 cm 및 10 cm 영역에서 건의 이동 간격이 5 mm가 되도록 조정하였다. 이때 플라즈마 건의 속도를 1 m/sec로 하여 상기 면적을 모두 통과하는 과정을 반복하여 코팅을 진행하였다.
이렇게 합성된 YOF 원료는 초기 원료입자와 유사한 크기와 형상, 크기 분포를 가진 것이 확인되었다. 합성된 원료를 이용하여 SPS코팅을 실시하였을 때 주 결정상 YOF이외에도 cubic, monoclinic Y₂O₃ 결정상이 관찰되었다. 합성된 원료를 고순도 아르곤 분위기에서 열분석한 결과 900 °C 이상에서 원료의 휘발이 관찰되었다.
합성은 300 °C에서 시작되어 500 °C에서 완료되었으며 고상합성의 분위기에 크게 의존하지 않고 결정상이 YOF인 원료를 제조할 수 있었다.

성능/효과

300, 400 °C 열처리한 경우 처음의 혼합원료와 거의 동일한 입도분포를 가지고 있으나 500 °C 열처리한 경우 수 µm 이상의 크기를 가지는 응집체로 추정되는 입자를 일부 포함하고 있음이 확인되었다.
400 °C에서 열처리한 경우 이미 결정상이 YOF로 변화되었음에도 불구하고 원래의 입자형태와 크기를 거의 그대로 가지고 있음이 확인되었고 500, 600 °C에서 열처리한 경우에는 약간의 응집이 진행된 것을 확인할 수 있었다.
이러한 사실을 이용하면 출발물질의 입자크기 혹은 형상을 제어하면 고상합성된 YOF의 입자크기와 형상을 제어할 가능성이 높다. SPS 코팅에서 높은 코팅층 밀도를 가지는 최적크기의 YOF 원료를 합성하기 위하여 고상합성에 사용할 Y₂O₃와 YF₃ 원료의 입자크기 제어가 중요함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 합성된 YOF 입자크기보다 큰 YOF 합성원료를 사용한다면 용융 액적의 비표면적을 증대시켜 YOF 분말의 휘발 또한 억제할 수 있을 것으로 기대되었다.
고순도 아르곤 분위기에서 열처리한 결과를 보면 200 °C에는 아직 혼합 원료가 반응하지 않는 상태로 존재하는 것이 관찰되었다(Fig.
따라서 5,000 °C 이상의 고열에 노출되는 YOF 분말의 휘발이 SPS 코팅의 중요한 제약점이 될 수 있음을 확인하였다.
300, 400 °C 열처리한 경우 처음의 혼합원료와 거의 동일한 입도분포를 가지고 있으나 500 °C 열처리한 경우 수 µm 이상의 크기를 가지는 응집체로 추정되는 입자를 일부 포함하고 있음이 확인되었다. 이러한 결과는 YOF 분말의 고상 합성이 초기 입자의 구조를 유지한 채 진행된다는 것을 의미하며 초기입자의 입도분포를 제어하면 합성 후 입자의 분포 또한 제어할 수 있음을 시사한다.
합성된 YOF 분말은 약 900 °C 부근에서부터 휘발에 의한 무게의 감량이 일어나기 시작하여 1,500 °C까지 약 5 % 이상의 무게 감량이 확인되었다.
합성된 원료를 고순도 아르곤 분위기에서 열분석한 결과 900 °C 이상에서 원료의 휘발이 관찰되었다.

후속연구

또한 본 연구에서 합성된 YOF 입자크기보다 큰 YOF 합성원료를 사용한다면 용융 액적의 비표면적을 증대시켜 YOF 분말의 휘발 또한 억제할 수 있을 것으로 기대되었다. 동시에 불소의 휘발을 감안하여 출발 원료의 조성비를 일정부분 YF₃가 과량이 되도록 제어한다면 원하는 조성과 고밀도 YOF 코팅층을 제조하는데도 도움이 될 것으로 판단되었다.
SPS 코팅에서 높은 코팅층 밀도를 가지는 최적크기의 YOF 원료를 합성하기 위하여 고상합성에 사용할 Y₂O₃와 YF₃ 원료의 입자크기 제어가 중요함을 알 수 있었다. 또한 본 연구에서 합성된 YOF 입자크기보다 큰 YOF 합성원료를 사용한다면 용융 액적의 비표면적을 증대시켜 YOF 분말의 휘발 또한 억제할 수 있을 것으로 기대되었다. 동시에 불소의 휘발을 감안하여 출발 원료의 조성비를 일정부분 YF₃가 과량이 되도록 제어한다면 원하는 조성과 고밀도 YOF 코팅층을 제조하는데도 도움이 될 것으로 판단되었다.
따라서 SPS 코팅과정중 고온에 노출된 YOF 원료의 휘발이 SPS 코팅 시험편의 결정상 생성에 영향을 끼친 것으로 추정되었다. 이러한 결과는 고상합성에 사용되는 출발원료의 입도를 조절하여 합성된 YOF 원료의 입도를 제어하고 출발원료의 조성비를 조정한다면 치밀하고 원하는 조성을 가진 SPS 코팅을 제조할 가능성이 높음을 시사한다.
매우 작은 입자로 코팅이 구성되어 있고 미세한 기공을 상당수 포함하고 있다. 초기입자크기가 코팅의 미세구조에 중요한 영향을 미친다는 이전의 연구결과¹²⁾를 참조하면 본 연구에 사용된 입자크기 보다 큰 크기를 가지는 YOF 입자를 사용하면 밀도향상을 기대할 수 있을 것으로 보인다. 향후 합성된 YOF의 크기를 조절하는 방법으로 Fig.
초기입자크기가 코팅의 미세구조에 중요한 영향을 미친다는 이전의 연구결과¹²⁾를 참조하면 본 연구에 사용된 입자크기 보다 큰 크기를 가지는 YOF 입자를 사용하면 밀도향상을 기대할 수 있을 것으로 보인다. 향후 합성된 YOF의 크기를 조절하는 방법으로 Fig. 4에서 보이듯이 고온에서 고상합성 과정중에 응집체를 제조하는 방법이 있지만 고상합성의 원료가 되는 Y₂O₃, YF₃ 입자의 크기를 증가시키는 방법 또한 가능할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 내식성이 뛰어난 내플라즈마 소재로 널리 쓰이는 물질은?	반도체 공정장비에는 다양한 세라믹 소재가 쓰이는데 위치에 따라 오염입자 생성 혹은 물리적 식각의 정도가 다르다.5,6) 현재 내식성이 뛰어난 내플라즈마 소재로 Y2O3가 널리 사용되고 있으며 주로 물리 기상 증착(PVD), 상온 진공 분사(aerosol deposition) 그리고 서스펜션 플라즈마 스프레이(suspension plasma spray, SPS)와 같은 코팅 기술이 적용되어 제조되고 있다.6-8) 특히 SPS 코팅기술은 서브 마이크로미터 또는 마이크로미터 크기의 분말을 용매에 분산한 후 플라즈마 제트에 투입한다.
	SPS 코팅기술로 코팅층을 제조하면 어떤 장점이 있는가?	6-8) 특히 SPS 코팅기술은 서브 마이크로미터 또는 마이크로미터 크기의 분말을 용매에 분산한 후 플라즈마 제트에 투입한다. 투입된 서스펜션은 플라즈마 제트내에서 분열을 일으켜 액적을 형성하고, 액적의 용매가 증발된 후 세라믹 입자가 용융되어 기판위에 코팅이 증착되는데 이렇게 제조된 코팅층은 전통적인 용사코팅과 비교하여 치밀할 뿐만 아니라 비교적 얇은 코팅으로도 제조될 수 있다.9,10)
	YOF 코팅 사용 시의 장점으로 기대하는 것은?	기존의 Y2O3 코팅층이 불소계 플라즈마 환경에 노출될 경우 표면에 다량의 YF3 입자가 형성되는 것이 관찰되었기 때문이다.6,11) 따라서 불소를 포함하는 YOF 코팅이 적용될 경우 불소계 플라즈마에서 향상된 내플라즈마 특성, 즉 오염입자의 저감을 가져올 것으로 기대된다. 특히 AlN 히터와 같이 400~700 °C에서 CVD 공정에 사용되는 세라믹 부품은 표면에 많은 불소계 입자를 생성하는 것으로 믿어지고 있다.

참고문헌 (12)

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J. K. Lee, S. J. Park, Y. S. Oh, S. Kim, H. Kim and S. M. Lee, Surf. Coat Technol., 309, 456 (2017).

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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].

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