[논문]수열합성 공정 변화에 따른 ZnS 나노분말의 구조 특성과 소결체의 광학적 특성

여서영; 권태형; 김창일; 윤지선; 정영훈; 홍연우; 조정호; 백종후

doi:10.4313/jkem.2018.31.6.392

수열합성 공정 변화에 따른 ZnS 나노분말의 구조 특성과 소결체의 광학적 특성
Structural Properties of ZnS Nanoparticles by Hydrothermal Synthesis Process Conditions and Optical Properties of Ceramic 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.6, 2018년, pp.392 - 397

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In this paper, the ZnS nanoparticles were synthesized according to the process conditions of hydrothermal synthesis. When the molar ratio of Zn to S was 1:1.2, it was confirmed that it had a cubic single phase and a high crystal phase. After the molar ratio is fixed, hydrothermal synthesis was conducted at $180^{\circ}C$ for 24, 36, 72 and 96 h in order to confirm the structural change with the change of hydrothermal synthesis times. As the hydrothermal synthesis times increased, the particle size increased. The hydrothermal synthesized particle size for 72 h was considered to be suitable for sintering. The ZnS ceramic had a density of 99.7% and an excellent transmittance of ~70% in the long-wavelength region.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우선적으로 단일상을 가지는 ZnS 나노분말을 합성하기 위해 원료의 몰비를 조절하고 이후 소결에 적합한 미세구조 확보를 위해 합성시간 변화에 따른 ZnS 나노분말의 구조 변화를 확인하려 한다. 또한 고온 가압 소결법을 이용한 ZnS 소결체 형성으로 ZnS 소결체의 광학적 특성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 고온 가압 소결법을 이용한 ZnS 소결체 형성을 위해 소결체 형성에 적합한 ZnS 나노분말을 합성하고자 하였다. 이를 위해 ZnS 나노분말을 수열합성 공정을 이용하여 합성하였고 원료의 몰비 및 수열합성 시간을 조절하여 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 우선적으로 단일상을 가지는 ZnS 나노분말을 합성하기 위해 원료의 몰비를 조절하고 이후 소결에 적합한 미세구조 확보를 위해 합성시간 변화에 따른 ZnS 나노분말의 구조 변화를 확인하려 한다. 또한 고온 가압 소결법을 이용한 ZnS 소결체 형성으로 ZnS 소결체의 광학적 특성을 확인하고자 한다.

제안 방법

180℃에서 72 h 동안 수열합성한 ZnS 나노분말을 이용한 소결체의 구조특성을 확인하기 위해 XRD 분석을 진행하였다. 그림 6에서 육방정상은 나타나지 않고 단일상의 입방정상의 존재를 확인하였다 [6].
또한 ZnS 나노분말은 조대한 입자와 미세한 입자가 공존할 때 소결 후 ZnS 소결체의 치밀화에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다 [16]. ZnS 나노분말 합성 시위와 같은 특성을 만족하기 위해 Zn과 S의 몰비를 1:1.2로 고정하고 수열합성 시간을 달리하여 ZnS 소결체 공정에 적합한 ZnS 나노분말을 합성하고자 하였다.
Zn과 S의 몰비 변화에 따른 ZnS 나노분말의 상변화 및 구조 변화를 확인하기 위해 XRD와 SEM 분석을 진행하였다. 그림 1은 Zn과 S의 몰비가 1:1과 1:1.
고온 가압 소결한 ZnS 소결체의 미세구조와 광학적 특성을 확인하기 위하여 주사전자현미경과 적외선 분광기를 이용하여 분석을 진행하였다. 그림 7에 삽입된 단면 구조와 같이 ZnS 소결체는 수백 ㎛ 크기의 입자 들로 치밀하게 형성된 것을 확인할 수 있었다.
ZnS 소결체의 산화를 방지하고자 진공 분위기(10^-2 torr) 하에서 소결이 이루어졌고 공정 조건은 950℃에서 2 h 동안 30 MPa으로 가압하였다. 소결이 완료된 ZnS 소결체는 구조 특성, 밀도 및 광학적 특성을 분석하기 위해 XRD, 주사전자현미경, 적외선 분광 분석기(Jasco, FT/IR 4100)를 이용하여 분석하였다.
수열합성 시간 변화에 따른 ZnS 나노분말의 미세구조 변화를 확인하기 위해 주사전자현미경을 이용해 관찰하였다. 그림 5와 같이 ZnS 나노분말의 수열합성 시간이 증가함에 따라 입자가 성장함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 고온 가압 소결법을 이용한 ZnS 소결체 형성을 위해 소결체 형성에 적합한 ZnS 나노분말을 합성하고자 하였다. 이를 위해 ZnS 나노분말을 수열합성 공정을 이용하여 합성하였고 원료의 몰비 및 수열합성 시간을 조절하여 특성을 분석하였다. 먼저 Zn과 S의 몰비를 1:1.

대상 데이터

고순도 ZnS 나노분말을 제조하기 위해 수열합성 공정을 선택하였고, 원료로는 ZnSO₄ ⋅7H₂O (고순도화학, 99.9%)와 Na₂S⋅9H₂O (Sigma Aldrich, 99.99%)를 사용하였다. Zn과 S의 몰비를 1:1과 1:1.
합성된 ZnS 나노분말의 구조 분석을 하기 위해 XRD (Rigaku, DMAX 2500)와 주사전자현미경(Jeol, JSM-7610F)을 이용하였다. ZnS 소결체를 제조하기 위해 고온 가압 소결장비(Hantech, HP-10T)를 이용하여 고온 가압 소결 하였다.

이론/모형

72 h 동안 수열합성한 ZnS 나노분말이 미세한 입자와 조대한 입자가 적절히 분포하는 것으로 확인되었다. 이러한 이유로 180℃에서 72 h 동안 수열합성한 ZnS 나노분말을 고온 가압 소결법을 이용하여 소결하였다. ZnS 소결체는 입방정상의 단일상과 치밀한 구조로 소결되었음을 확인하였고, 이 같은 구조적 특성으로 장적외선 영역에서 약 70%의 높은 투과특성을 가지는 것을 확인하였다.
이와 같이 광학적 이방성을 야기하는 육방정상이 존재하지 않기 때문에 비교적 투명한 ZnS 소결체를 그림 6에 삽입된 그림과 같이 형성할 수 있었다. 형성된 ZnS 소결체의 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 계산하였다. ZnS의 이론 밀도는 4.

성능/효과

이러한 이유로 180℃에서 72 h 동안 수열합성한 ZnS 나노분말을 고온 가압 소결법을 이용하여 소결하였다. ZnS 소결체는 입방정상의 단일상과 치밀한 구조로 소결되었음을 확인하였고, 이 같은 구조적 특성으로 장적외선 영역에서 약 70%의 높은 투과특성을 가지는 것을 확인하였다. 그러나 수열합성 후 생성되는 Na₂SO₄의 영향으로 7㎛ 영역에서 흡수 피크가 관찰되었다.
형성된 ZnS 소결체의 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 계산하였다. ZnS의 이론 밀도는 4.09 g/cm³를 이용하여 계산하였을 때 [21] 상대밀도는 99.7%로 높은 밀도를 가짐을 확인할 수 있었다.
6 nm임을 확인하였다. 또한 Zn과 S의 몰비가 1:1.2인 나노분말의 결정성이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다. Zn과 S의 몰비에 따른 ZnS 나노분말의 구조 변화를 더 명확하게 확인하기 위해 그림 2에서 주사전자현미경을 이용하여 미세구조를 관찰하였다.
이를 위해 ZnS 나노분말을 수열합성 공정을 이용하여 합성하였고 원료의 몰비 및 수열합성 시간을 조절하여 특성을 분석하였다. 먼저 Zn과 S의 몰비를 1:1.2로 했을 때 입방정상의 단일상이 형성됨을 관찰하였고 수열합성 시간이 증가함에 따라 결정성 향상과 입자의 조대화를 확인할 수 있었다. 72 h 동안 수열합성한 ZnS 나노분말이 미세한 입자와 조대한 입자가 적절히 분포하는 것으로 확인되었다.

후속연구

최근 적외선 렌즈는 군사용뿐만 아니라 보안, 범죄 감시, 산업 공정, 환경 및 의료와 같은 민수용 기술이 빠르게 확산되고 있다 [5]. 위 같은 응용 분야로의 적용성 확대를 위해 ZnS를 이용한 적외선 렌즈의 특성 향상 및 상용화 연구가 필요하다.
그러나 수열합성 후 생성되는 Na₂SO₄의 영향으로 7㎛ 영역에서 흡수 피크가 관찰되었다. 이러한 불순물의 영향을 개선하면 수열합성 공정과 고온 가압 소결법을 통해 광학소재에 응용성이 높은 ZnS 소결체를 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	chemical vapor deposition법을 이용하며 ZnS렌즈를 제조할 때의 단점은?	이러한 어려움을 극복하기 위해 chemical vapor deposition (CVD, 화학 기상 증착)법을 이용하여 ZnS 렌즈를 제조하여 상용화하고 있다 [8]. 화학 기상 증착법으로 제조한 ZnS 렌즈는 우수한 특성을 가지나 매우 고가이기 때문에 군수용이 아닌 민수용으로의 적용 에는 어려움이 있다 [9]. 이와 같은 문제 때문에 현재 일본의 Sumitomo사에서는 화학 기상 증착법을 대신하여 hot press sintering (HP, 고온 가압 소결)의 방법으로 ZnS 렌즈를 생산하여 양산 중에 있다 [10].
	수열합성 공정이란?	이 같은 이유로 구조 제어가 비교적 용이하다고 알려진 수열합성 공정을 이용한 ZnS 나노분말의 합성연구가 진행되고 있다 [13]. 수열합성 공정은 고온 고압 하에서 수용액을 이용하는 액상합성방법으로 빠른 반응 속도와 좋은 분산성을 가지고 균일한 결정상을 가지는 입자를 제조할 수 있다 [14]. 수열합성 공정 변수에는 원료의 몰비, 합성시간, 합성온도가 있고 이 조건에 따라 ZnS 나노분말의 형상, 크기, 구조를 변화시킬 수 있다 [3].
	고온 가압 소결의 장점은?	이와 같은 문제 때문에 현재 일본의 Sumitomo사에서는 화학 기상 증착법을 대신하여 hot press sintering (HP, 고온 가압 소결)의 방법으로 ZnS 렌즈를 생산하여 양산 중에 있다 [10]. 화학 기상 증착법을 대체할 수 있는 소결방법으로는 고온 가압 소결, spark plasma sintering (SPS, 스파크 플라즈마 소결)이 있는데 스파크 플라즈마 소결은 빠른 공정으로 단시간에 소결한다는 이점은 있지만 내부가 카본으로 되어 있어 오염에 노출이 쉬운 반면 [9] 고온 가압 소결은 비교적 오염에 안전하고 제조공정이 간단 하여 대량생산에 적합하다 [11,12]. 그러나 고온 가압 소결법으로 형성된 ZnS 소결체의 특성은 ZnS 나노분 말의 특성에 많은 영향을 받기 때문에 ZnS 나노분말의 특성 최적화가 선행되어야 할 필요성이 있다 [8].

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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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