[논문]방전 플라즈마 소결법에 의한 ZnS 나노입자의 소결과 광학적 특성

김창일; 김유비; 여서영; 홍연우; 윤지선; 박운익; 정영훈; 조정호; 백종후

doi:10.4313/jkem.2017.30.6.349

방전 플라즈마 소결법에 의한 ZnS 나노입자의 소결과 광학적 특성
Sintering and Optical Properties of ZnS Nanoparticles Sintered by Spark Plasma Sintering 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.6, 2017년, pp.349 - 355

Abstract ▼ AI-Helper

Zinc sulphide (ZnS) nanoparticles were fabricated by hydrothermal synthesis at $180^{\circ}C$ for 12 h. Two kinds of ZnS powder (hydrothermal synthesized ZnS and commercial ZnS) were investigated by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) for phase and microstructure, respectively. The XRD patterns showed that all ZnS nanoparticles have a sphalerite (cubic) structure. The nanoparticles of two different ZnS powders were sintered by spark plasma sintering. The sintered ZnS were analyzed by XRD, SEM, and FT-IR. We found that the transmittance of the infrared region is highly dependent on the density and crystal structure of sintered ZnS and the purity of the starting ZnS powder.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이와 같은 장점 때문에 제조시간과 제조비용의 절감효과가 높을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 상용 ZnS 나노분말과 수열합성으로 제조한 ZnS 나노분말을 방전 플라즈마 소결법을 사용하여 소결하였다. 또한 여러 소결온도를 적용하여 소결체의 소결특성과 광학적 특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

7 mm 두께로 경면 연마하였으며, 소결체의 결정상 변화는 X-선 회절분석기를 이용해 상 분석을 진행하였다. 또한 소결 특성으로는 소결체의 상대밀도와 미세구조를 관측하였고, 광학적 특성으로는 푸리에 전환 적외선 분광 광도계(FT-IR, Jasco, FTIR-4100, Japan)로 2~20 μm 파장 대역에서 관측하였다.
본 연구에서 사용한 방전플라즈마 소결 장비는 통전활성소결장치(WT4000A, 웰텍, Korea)이다. 소결 후 적외선 광투과율을 측정하기 위하여 시편은 약 0.7 mm 두께로 경면 연마하였으며, 소결체의 결정상 변화는 X-선 회절분석기를 이용해 상 분석을 진행하였다. 또한 소결 특성으로는 소결체의 상대밀도와 미세구조를 관측하였고, 광학적 특성으로는 푸리에 전환 적외선 분광 광도계(FT-IR, Jasco, FTIR-4100, Japan)로 2~20 μm 파장 대역에서 관측하였다.
소결에 사용한 원료분말은 ZnS 상용 나노분말(high purity materials, Japan, 99.999%)과 수열합성을 통해 얻은 ZnS 나노분말(순도 : 99.7%) 두 가지를 사용하였으며, 소결방식은 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS)법을 사용하였다. 가압소결 몰드는 흑연몰드를 사용하였고, 소결조건으로는 인가압력을 50MPa, 챔버 진공도를 ~10^-3 torr로 모두 동일하게 진행하였다.
수열합성 조건으로는, 합성된 수용액을 고압반응기에 넣어 밀봉한 후 180℃에서 12시간 동안 유지하였다. 이 과정에서 침전물을 통해 ZnS를 얻을 수 있고, 남아있는 Na+이온과 SO₄^2-이온을 제거하기 위하여 증류수로 세척하고 원심분리를 반복하였다.
이온들이 제거된 ZnS 침전분말은 100℃에서 건조하였다. 합성된 입자크기와 미세구조를 확인하기 위하여 전자현미경(FE-SEM, JSM-6700F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고, 분말의 결정상의 변화는 X-선 회절분석기(XRD, Rigaku, DMAX 2500, Japan)를 이용해 상 분석을 진행하였다.

대상 데이터

본 실험에서 수열반응을 위해 내부에 부식 방지용 Teflon 병이 들어 있는 500 ml 용량의 고압반응기를 사용하였으며, 반응시료는 ZnSO₄ · 7H₂O (Sigma–Aldrich, ≥99%)와 Na₂S · 9H₂O (Sigma-Aldrich, 99.99%)를 사용하였다. 두 분말을 각각 증류수에 녹여 교반하여 수용액을 만든 후, 두 수용액을 80℃에서 혼합하였다.

이론/모형

표 1은 상용 분말과 수열합성 분말을 방전 플라즈마 소결법을 적용한 소결체의 온도에 따른 상대밀도를 나타낸 것이다. 상대밀도는 아르키메데스(Archimedes)법으로 측정하였고, ZnS 이론밀도는 4.09 g/cm³ 로 상대밀도를 계산하였다. ZnS 상용분말은 850℃, 900℃, 920℃, 950℃에서 10분간 소결하였고, 상용분말 소결체의 상대밀도는 각각 98.

성능/효과

1. 방전 플라즈마 소결법으로 920℃ 이상 소결 시 cubic 구조에서 hexagonal 구조로 상전이가 시작되었다.
2. 방전 플라즈마 소결법으로 소결 시 소결온도가 증가함에 따라 상대밀도는 증가하는 경향을 보였고, 수열합성으로 제조한 ZnS 나노분말을 950℃에서 소결하였을 때 상대밀도가 99.5%로 가장 높게 나왔다.
3. 수열합성으로 제조한 순도 99.7%의 ZnS 나노분말을 방전 플라즈마 소결법으로 950℃에서 소결한 시편의 투과율이 11 μm 파장대역에서 63.8%로 가장 높은 광학적 특성을 보였다.

후속연구

이러한 결과를 통해 소결밀도가 높고 기공을 제거하는 최적의 소결 공정을 개발하는 것이 중요하며, 흑연몰드에서 유입되는 불순물(탄소) 오염을 최소화하고 광학적 이방성이 없는 cubic 구조를 갖는 ZnS의 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방전 플라즈마 소결법이란?	특히 방전 플라즈마 소결법은 금속 소결법의 일종으로 조작이 쉽고 소결 에너지의 제어가 용이할 뿐만 아니라 빠른 소결, 높은 재현성, 안정성 및 신뢰성 등을 갖춘 것으로 평가되고 있다 [8-11]. 방전 플라즈마 소결법은 흑연(graphite) 몰드를 사용하며, 진공상태에서 직류 전류를 통전함으로써 순간적으로 발생하는 고온의 방전 플라즈마를 에너지원으로 하는 일축 가압 소결법이다 [9,10]. 따라서 상압 소결 등과 같은 전통적인 세라믹 소결법으로는 소결이 어려운 붕화물, 질화물, 황화물, 탄화물 등의 난소결성 재료의 소결로 사용되고 있다 [12].
	다결정 ZnS 세라믹스의 제조방법 중 방전 플라즈마 소결법의 장점은?	다결정 ZnS 세라믹스의 제조는 화학 기상 증착(chemaical vapor deposition, CVD), 열간 가압(hot press, HP), 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering, SPS) 등의 소결법을 사용하고 있다[1,5,7,8]. 특히 방전 플라즈마 소결법은 금속 소결법의 일종으로 조작이 쉽고 소결 에너지의 제어가 용이할 뿐만 아니라 빠른 소결, 높은 재현성, 안정성 및 신뢰성 등을 갖춘 것으로 평가되고 있다 [8-11]. 방전 플라즈마 소결법은 흑연(graphite) 몰드를 사용하며, 진공상태에서 직류 전류를 통전함으로써 순간적으로 발생하는 고온의 방전 플라즈마를 에너지원으로 하는 일축 가압 소결법이다 [9,10].
	상압소결법과 비교했을때 방전 플라즈마 소결법의 장점은?	따라서 상압 소결 등과 같은 전통적인 세라믹 소결법으로는 소결이 어려운 붕화물, 질화물, 황화물, 탄화물 등의 난소결성 재료의 소결로 사용되고 있다 [12]. 방전 플라즈마 소결법은 상압 소결보다 더 낮은 온도에서 고밀도의 소결체를 얻을 수 있으며, 빠른 승온 및 냉각속도와 짧은 소결 유지시간으로 소결이 가능하다는 장점이 있다 [4,5]. 이와 같은 장점 때문에 제조시간과 제조비용의 절감효과가 높을 것으로 기대된다.

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