[논문]소결온도에 의한 중적외선 투과용 ZnS 세라믹스의 광학적 특성

여서영; 권태형; 김창일; 백종후

doi:10.5369/jsst.2018.27.4.249

소결온도에 의한 중적외선 투과용 ZnS 세라믹스의 광학적 특성
Optical Properties of Middle Infrared Transparent ZnS Ceramics at Various Sintering Temperatures 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.4, 2018년, pp.249 - 253

여서영 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 권태형 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 김창일 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 백종후 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Infrared transparent ZnS ceramics were synthesized through hydrothermal synthesis ($180^{\circ}C$, 70 h) and sintered using a hot press process at $750^{\circ}C-1000^{\circ}C$. We carried out x-ray diffraction, scanning electron microscopy, and Fourier transform-infrared spectroscopy to confirm the optical properties of the ZnS ceramics after sintering at various temperatures. The phase of ZnS nanopowders was a single phase (cubic) without the hexagonal phase. However, as sintering temperature increased, the formation and increment of hexagonal structures was confirmed. The ZnS ceramic sintered at a temperature of $750^{\circ}C$ showed poor transmittance because it was not completely sintered and because of the pore effect. The ZnS ceramic with the highest transmittance (approximately 69%) was sintered at $800^{\circ}C$. As sintering temperature increased, transmittance gradually decreased owing to the increase in the formation of the hexagonal phase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수열합성법을 이용하여 입방정 구조의 단일상 ZnS 나노 분말을 확보하고 이를 고온 가압 소결하고자 한다. 또한 고온 가압 소결시 소결온도를 달리하여 ZnS 소결체의 결정상 및 미세구조 변화를 분석하고 그에 다른 광학적 특성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 ZnS 소결체를 광학적 소재로서의 응용성을 확보하기 위해 수열합성법으로 ZnS 나노 분말을 합성하고 이를 고온 가압 소결하였다. 소결온도 변화로 나타나는 ZnS 소결체의 구조특성과 그로 인한 광학적 특성에 나타나는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 수열합성법을 이용하여 입방정 구조의 단일상 ZnS 나노 분말을 확보하고 이를 고온 가압 소결하고자 한다. 또한 고온 가압 소결시 소결온도를 달리하여 ZnS 소결체의 결정상 및 미세구조 변화를 분석하고 그에 다른 광학적 특성을 확인하고자 한다.

제안 방법

ZnS 나노 분말의 구조를 명확하게 확인하기 위해 수열합성 및 열처리 후의 ZnS 나노 분말의 미세구조를 주사전자 현미경을 통해 관찰하였다. Fig.
ZnS 소결체의 미세구조를 달리하였을 때의 특성변화를 확인하기 위해 소결온도를 750, 800, 850, 900, 950, 1000°C까지 소결하였다.
건조된 ZnS 나노 분말 내 잔존하는 불순물을 제거하기 위해 알루미나 도가니를 사용하여 진공 분위기에서 550°C에서 2시간동안 열처리 하였다.
본 연구에서는 ZnS 나노 분말을 소결하기 위해 고온 가압 소결 장비(HP-10T, HANTECH)를 사용하였다. 산화를 방지하기 위하여 진공 분위기(~10^-3 torr)에서 고온 가압 소결을 진행하였고 고온 가압 소결 시 φ12.
산화를 방지하기 위하여 진공 분위기(~10-3 torr)에서 고온 가압 소결을 진행하였고 고온 가압 소결 시 φ12.5 크기의 SiC mold을 사용하였다.
본 연구에서는 ZnS 소결체를 광학적 소재로서의 응용성을 확보하기 위해 수열합성법으로 ZnS 나노 분말을 합성하고 이를 고온 가압 소결하였다. 소결온도 변화로 나타나는 ZnS 소결체의 구조특성과 그로 인한 광학적 특성에 나타나는 영향을 분석하였다. ZnS 소결체는 소결온도가 증가함에 따라 미세구조에서 기공의 감소와 치밀화 및 조대화를 확인할 수 있었고, 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 내부에 승화가 일어난 것으로 판단된다.
소결온도 변화에 따른 육방정상 형성의 증가가 중적외선 파장에 미치는 영향을 확인하기 위하여 3~6 μm 영역의 적외선 분광분석을 진행하였다.
소결시 ZnS 소결체의 파손을 방지하기 위해 유지시간이 끝난 후 바로 압력을 제거하였고, 열충격을 최소화 하기 위해 로냉을 실시하였다. 소결이 완료된 ZnS 소결체는 구조 특성, 밀도 및 광학적 특성 변화를 분석하기 위해 XRD(DMAX 2500, Rigaku), 주사전자현미경(JSM-7610F, Jeol), 적외선 분광 분석기(FT-IR/FIR Spectrometer Frontier, PerkinElmer)를 이용하여 분석하였다.
수열합성 및 550℃에서 2시간동안 열처리 후 ZnS 나노 분말의 구조 특성을 확인하기 위해 20~60° 사이의 영역에서 XRD 회절 패턴을 분석하였고 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
ZnS 나노 분말의 입자는 준 구형태로 1 μm 이하의 입자 크기를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 수열합성을 통해 합성된 입방정상의 ZnS 나노 분말을 이용하여 소결 온도 변화에 따른 ZnS 소결체의 특성 변화를 확인하기 위하여 ZnS 나노 분말을 고온 가압 소결하였다.
소결온도 변화에 따른 육방정상 형성의 증가가 중적외선 파장에 미치는 영향을 확인하기 위하여 3~6 μm 영역의 적외선 분광분석을 진행하였다. 투과율은 두께와 표면 상태의 영향을 많이 받기 때문에 동일한 조건을 위해 ZnS 소결체를 1mmt로 폴리싱하여 적외선 분광분석 하였고 그 결과를 Fig. 7과 Table 1에 나타내었다. Fig.

대상 데이터

고순도 ZnS 나노 분말을 제조하기 위해 수열합성법을 선택하였고, 원료로는 ZnSO4·7H2O (고순도화학, 99.9%)와 Na2S·9H2O (Aladdin, 99.99%)를 사용하였다.
수세가 완료된 ZnS 나노분말을 오븐에서 100°C에서 3시간 동안 건조하였다.

이론/모형

ZnS 소결체의 미세구조를 달리하였을 때의 특성변화를 확인하기 위해 소결온도를 750, 800, 850, 900, 950, 1000°C까지 소결하였다. 이때 소결온도 변화에 따른 밀도 변화는 아르키메데스법으로 계산하였고 Fig. 4에 나타내었다. 먼저 750°C에서 소결한 ZnS 소결체는 Fig.

성능/효과

800°C에서 소결한 ZnS 소결체가 중적외선 영역에서 약 69%로 가장 우수한 투과율을 나타내었다.
Table 1에서와 같이 소결온도 800°C에서 가장 높은 투과율인 68.8%를 확보할 수 있고 그 이상 소결온도가 올라가면 투과율이 점차 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
ZnS 나노 분말의 입자는 준 구형태로 1 μm 이하의 입자 크기를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
ZnS 소결체는 소결온도가 증가함에 따라 미세구조에서 기공의 감소와 치밀화 및 조대화를 확인할 수 있었고, 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 내부에 승화가 일어난 것으로 판단된다.
1과 같이 수열합성 및 열처리 후 ZnS 나노 분말에서 ZnS 입방정상의 회절 피크를 관찰할 수 있었다. ZnS 입방정상 피크 외에 다른 피크는 나타나지 않은 것으로 보아 ZnS 입방정 단일 상이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 내부가 승화됨에 따라 발생한 기공에 의해 산란되어 저조한 투과율을 나타내는 것으로 확인된다.
ZnS 소결체는 소결온도가 증가함에 따라 미세구조에서 기공의 감소와 치밀화 및 조대화를 확인할 수 있었고, 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 내부에 승화가 일어난 것으로 판단된다. 또한 소결온도가 증가함에 따라 육방정상 형성이 증가하는 것을 확인하였고 이로 인해 투과율이 소폭 감소하는 것을 알 수 있었다. 다만 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 승화로 인해 결정성이 저하된 것으로 판단된다.
800°C에서 소결한 ZnS 소결체가 중적외선 영역에서 약 69%로 가장 우수한 투과율을 나타내었다. 이와 같은 결과로 수열합성 및 고온 가압 소결법을 이용하여 광학소재에 응용성이 높은 ZnS 소결체를 제조 할 수 있는 것을 확인하였다.
또한 1000°C에서 소결한 ZnS 소결체는 내부가 승화됨에 따라 발생한 기공에 의해 산란되어 저조한 투과율을 나타내는 것으로 확인된다. 이와 같이 광학용 ZnS 소결체를 위해서는 단일상의 입방정상과 기공을 최소화하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

과거에 적외선 렌즈는 군 수용에 국한되었지만 최근에는 보안, 환경, 의료와 같은 민수용 분야로 넓게 확대되고 있다 [2]. 이같이 적외선 렌즈의 응용 범위가 확대됨에 따라 저렴하고 대량생산이 가능한 ZnS 렌즈의 특성향상 및 상용화 연구가 필요하다. ZnS는 일반적으로 저온에서 입방정 구조를 유지하고 1020°C 이상의 고온에서는 육방정 구조로 상전이하는 재료로 광학적 용도로 사용하기 위해서는 광학적 이방성이 없는 입방정 구조로 존재하는 것이 좋고 고밀도, 저결함 및 분해를 억제할 수 있는 성형이 필수적이다 [4,5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	황화아연의 특징은?	황화아연(Zinc sulfide, ZnS)은 우수한 광학적 화학적 특성을 갖는 II-VI 반도체 화합물로 적외선 윈도우, 광촉매, 센서등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다 [1-3]. 또한 ZnS는 적외선 영역에서 산란 손실이 적고 널리 적외선 렌즈로 사용되는 게르마늄에 비해 상대적으로 저렴하고 경도와 파단강도가 좋아 적외선 응용 소재로 각광 받고 있다 [1].
	화학 기상 증착법을 대체할 수 있는 방법에는 어떤 방법이 있는가?	화학 기상 증착법으로 제조한 ZnS 렌즈는 우수한 광학적 특성을 가지지만 복잡하고 긴 제조방법과 제조비용이 고가이기 때문에 군수용이 아닌 민수용에 적용하기에는 어려움이 있다[7]. 화학 기상 증착법을 대체할 수 있는 방법에는 스파크 플라즈마 소결법(SPS, spark plasma sintering) 과 고온 가압 소결법(HP, hot press sintering) 이 있는데 고온 가압 소결법은 다른 제조 방법에 비해 방법이 간단하고 비교적 저렴하여 대량생산에 적합하다는 장점이 있다 [8,9]. 이러한 이유로 현재 일본의 Sumitomo 사에서는 고온 가압 소결법을 이용하여 ZnS 렌즈를 제조하고 양산화하고 있다 [8].
	ZnS의 저결함 및 분해를 억제 하기 위한 방법은?	ZnS는 일반적으로 저온에서 입방정 구조를 유지하고 1020°C 이상의 고온에서는 육방정 구조로 상전이하는 재료로 광학적 용도로 사용하기 위해서는 광학적 이방성이 없는 입방정 구조로 존재하는 것이 좋고 고밀도, 저결함 및 분해를 억제할 수 있는 성형이 필수적이다 [4,5]. 이러한 어려움을 극복하고자 화학 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition) 으로 ZnS 렌즈를 제조하여 상용화하고 있다[6]. 화학 기상 증착법으로 제조한 ZnS 렌즈는 우수한 광학적 특성을 가지지만 복잡하고 긴 제조방법과 제조비용이 고가이기 때문에 군수용이 아닌 민수용에 적용하기에는 어려움이 있다[7].

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
Y. D. Kim, K. Sonezaki, H. Maeda, and A. Kato, "Sintering behaviour of monodispersed ZnS powders" J. Mater. Sci., Vol. 32, pp. 5101-5106, 1997.
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G. Bernard-Granger, N. Benameur, C. Guizarda, and M. Nygren, "Influence of graphite contamination on the optical properties of transparent obtained by spark plasma sintering" Scr. Mater., Vol. 60, 164-167, 2009.

상세보기
T. Ueno, M. Hasegawa, M. Yoshimuri, H. Okada, T. Nishioka, K. Teraoka, A. Fujii and S. Nakayama, "Development of ZnS Lenses for FIR Cameras", Electric Wire & Cable. Energy, No. 69, pp. 48-53, 2009.
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C. S. Park, S.Y. Yeo, T. H. Kwon, W. I. Park, J. S. Yun, Y. H. Jeong, Y. W. Hong, and J. H. Paik, "A Study of Middle Infrared Transparent Properties of ZnS Ceramics by the Change of Micro Structure" J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., Vol. 30, No. 11, pp. 722-727, 2017.
X. Fang, T. Zhai, U. K. Gautam, L. Li, L. Wu, Y. Bando, and Dmitri Golberg, "ZnS nanostructures: From synthesis to applications", Prog. Mater. Sci., Vol. 56, pp. 175-287, 2011.

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N. Uzar and M. C. Arikan, "Synthesis and investigation of optical properties of ZnS nanostructures", Bull. Mater. Sci., Vol. 34, No. 2, pp. 287-292, 2011.

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저자의 다른 논문 :

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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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