KR101374215B1 - 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법 - Google Patents

알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101374215B1
KR101374215B1 KR1020120138465A KR20120138465A KR101374215B1 KR 101374215 B1 KR101374215 B1 KR 101374215B1 KR 1020120138465 A KR1020120138465 A KR 1020120138465A KR 20120138465 A KR20120138465 A KR 20120138465A KR 101374215 B1 KR101374215 B1 KR 101374215B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
aluminum
aluminum oxynitride
nitriding
oxidation
Prior art date
Application number
KR1020120138465A
Other languages
English (en)
Inventor
장지호
조유진
구지은
Original Assignee
한국해양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국해양대학교 산학협력단 filed Critical 한국해양대학교 산학협력단
Priority to KR1020120138465A priority Critical patent/KR101374215B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101374215B1 publication Critical patent/KR101374215B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/082—Compounds containing nitrogen and non-metals and optionally metals
    • C01B21/0821—Oxynitrides of metals, boron or silicon
    • C01B21/0825—Aluminium oxynitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/60—Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

본 발명은 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 자외선 발광특성을 가지는 산질화알루미늄 파우더를 합성함에 있어서, 초기 파우더로써 알루미늄 분말을 사용하여 종래의 합성방법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 더욱더 간편하게 합성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 열처리 온도의 변화만으로 산질화알루미늄 파우더의 질화 및 산화도를 제어하여 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있도록 하는 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은 알루미늄 분말에 탄소 분말을 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 원료 혼합단계와, 상기 원료 혼합단계에서 형성된 혼합물을 외부 공기의 유입이 차단된 대기 중에서 가열하는 질화 및 산화단계와, 상기 질화 및 산화단계를 거쳐 생성된 석출물을 미세한 분말상태로 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계를 거쳐 미세한 분말상태로 형성된 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열하는 탈탄소단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법{Synthesis method of Aluminum Oxynitride powder using Aluminum powder}
본 발명은 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 자외선 발광특성을 가지는 산질화알루미늄 파우더를 합성함에 있어서, 초기 파우더로써 알루미늄 분말을 사용하여 종래의 합성방법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 더욱더 간편하게 합성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 열처리 온도의 변화만으로 산질화알루미늄 파우더의 질화 및 산화도를 제어하여 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있도록 하는 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 관한 것이다.
일반적으로 400nm 이하의 자외선(UV, Ultraviolet)은 UV-A(315 ~ 380nm), UV-B(280 ~ 315), UV-C(100 ~ 280)로 분류되는데, 이러한 자외선은 각각의 파장대역에 따라 위폐감별, 산업용 UV경화기, 각종 의료ㆍ바이오 분야의 치료기기 및 분석기기, 물ㆍ공기ㆍ표면의 살균 및 오염물질의 분해처리 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
자외선을 발생시키는 광원으로서 기존에는 가스나 고체를 매체로 하는 자외선 레이저 및 가스램프 등이 주로 사용되어 왔는데, 이러한 장치들은 1000V 이상의 높은 전압에서 동작하므로 고전압을 인가하여야 하고, 형광등이나 네온사인처럼 발광파장을 결정하는 가스가 환경부하물질인 경우가 많아 환경오염을 유발할 우려가 있으며, 또 유리관을 사용하기 때문에 급작스런 환경변화가 광원에 가해질 경우 폭발할 가능성이 있으므로 일상생활에의 응용이 어려운 문제점이 있었다.
이러한 기존의 방전관 형태로 된 자외선 광원이 안고 있는 문제점을 해소하기 위한 대체광원으로서 다양한 고체 자외선 광원이 개발되고 있는데, 그 중에서 p-n 접합 다이오드 구조를 이용한 자외선 발광다이오드(UV-LED)는 수은과 같은 중금속을 사용하지 않아 친환경적이며 동작전압이 낮아 소비전력이 적고 소형화가 용이할 뿐만 아니라 안정성과 신뢰성이 높아 다양한 응용이 가능하여 최근 각광받고 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 자외선 발광다이오드(UV-LED)는 제조시 알루미늄갈륨 질화물(AlGaN)계 화합물 반도체 다층 박막 결정을 성장하기 위한 기술이 필요함에 따라 제작이 매우 어려워 고가일 뿐만 아니라, 350nm 이하에서의 자외선 파장에서는 전류 주입문제로 인해 효율이 급격히 감소되는 단점이 있었다.
최근에는 이러한 종래의 자외선 발광다이오드(UV-LED)의 단점을 개선할 목적으로 전계방출 디스플레이(FED, Field Emission Display)의 구조를 이용한 전계방출형 자외선 발광소자가 안출된 바 있는데, 이러한 전계방출형 자외선 발광소자는 전계방출이 가능한 음극과 음극에서 발생한 전자가 발광층을 여기하여 빛이 발생하는 양극의 간단한 구조로 이루어져 있으므로, 제조공정이 간단하여 경제적이며 대면적화가 가능함에 따라 고효율화가 실현될 경우 가격이 저렴하고 안전한 자외선 광원을 구현할 수 있게 될 뿐만 아니라 콤팩트한 대면적 면광원으로서 그 응용분야를 비약적으로 확대시킬 수 있는 장점이 있었다.
이러한 전계방출형 자외선 발광소자의 개발과 더불어 UV-C 영역에서 발광하는 초 단파장 UV 발광체에 대한 응용이 대두됨에 따라 발광층에 사용할 적합한 재료의 개발이 매우 중요한 과제가 되고 있는데, 종래의 단파장 UV 발광재료로서 BaSi2O5:Pb(5.06eV), LaB3O6:Ce(4.59eV)등의 UV 형광체, BN(5.7eV), Diamond(5.27 eV) 등의 세라믹 재료 등을 사용할 수 있지만, UV 형광체의 경우 희토류 원소의 도핑이 불가피함에 따라 가격이 매우 비싸며 합성방법이 까다롭고, 세라믹재료 또는 넓은 밴드갭 반도체 재료의 경우 가격이나 합성방법 및 자외 파장 조절에 있어서 어려움을 겪고 있는 실정이었다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위한 UV 발광재료로서 산질화알루미늄(AlON)이 제안된 바 있는데, 산질화알루미늄(AlON)은 희토류 원소의 도핑 없이도 고에너지의 자외선 발광이 가능한 물질이므로 저가격 UV 발광체의 응용에 유리할 뿐 아니라, 결정내 산소 및 질소의 농도를 제어하면 결정상의 변화와 함께 자외파장 영역의 조절이 가능하다고 알려져 있다.
아울러, 상기 산질화알루미늄(AlON)은 파우더로 형성할 경우 인쇄전자공정을 적용하여 전계방출형 자외선 발광소자(UV-EL)의 UV 발광층을 더욱더 용이하게 형성할 수 있게 되므로 종래의 소자에 비해 매우 간단하며 저가격 공정으로 UV 발광체를 제조할 수 있게 될 뿐만 아니라 기존의 광원으로 구현하기 힘든 여러 가지 응용이 가능하게 된다.
이와 같은 산질화알루미늄(AlON)계열의 파우더를 합성하는 종래의 방법으로는 Long.G가 제안한 산화알루미늄(Al2O3)과 질화알루미늄(AlN) 분말을 섞어서 1650℃ 이상의 온도에서 고압의 질소가스를 흘러주어 합성하는 Self propagating high temperature synthesis(SHS)방법, Yamaguchi가 제안한 산화알루미늄(Al2O3)과 탄소(C)를 1700℃ 이상의 질소 분위기에서 합성하는 방법인 Carbothermal reduction, Microwave sintering, Hot-pressing sintering 방법 등이 알려져 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 합성방법들을 이용하여 산질화알루미늄(AlON)계열의 파우더를 합성할 경우, 초기 파우더로써 고가의 산화알루미늄(Al2O3)과 질화알루미늄(AlN) 분말을 사용해야 할 뿐만 아니라 공통적으로 1700℃이상의 고온에서 고압의 질소가스 분위기가 요구됨에 따라 제조비용이 많이 소요되어 저가격의 UV 발광체를 구현할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 우수한 자외선 발광특성을 가지는 산질화알루미늄 파우더를 합성함에 있어서, 초기 파우더로써 알루미늄 분말을 사용하여 종래의 합성방법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 더욱더 간편하게 합성할 수 있도록 할 뿐만 아니라 열처리 온도의 변화만으로 산질화알루미늄 파우더의 질화 및 산화도를 제어하여 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 알루미늄 분말에 탄소 분말을 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 원료 혼합단계와, 상기 원료 혼합단계에서 형성된 혼합물을 외부 공기의 유입이 차단된 대기 중에서 가열하는 질화 및 산화단계와, 상기 질화 및 산화단계를 거쳐 생성된 석출물을 미세한 분말상태로 분쇄하는 분쇄단계와, 상기 분쇄단계를 거쳐 미세한 분말상태로 형성된 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열하는 탈탄소단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탈탄소단계를 거쳐 최종 합성된 산질화알루미늄 파우더는, 중심에 질소농도가 높은 산질화알루미늄이 위치하고 표면에 산소농도가 높은 산질화알루미늄이 위치하는 코어 셀 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 원료 혼합단계에서 알루미늄 분말과 탄소 분말의 혼합 비율은 1 : 1 ~ 3 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 질화 및 산화단계의 열처리 온도는 800 ~ 1200℃인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 질화 및 산화단계의 열처리 시간은 30 ~ 150분인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탈탄소단계의 열처리 온도는 600 ~ 800℃인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 탈탄소단계의 열처리 시간은 60 ~ 180분인 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 의하면, 초기 파우더로써 알루미늄 분말을 사용하여 종래의 합성방법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 더욱더 간편하게 합성할 수 있게 될 뿐만 아니라 열처리 온도의 변화만으로 산질화알루미늄 파우더의 질화 및 산화도를 제어하여 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 산질화알루미늄 파우더의 합성과정을 나타내는 블록도.
도 2의 (가)(나)(다)(라)는 본 발명에 의한 산질화알루미늄 파우더의 합성과정을 나타내는 설명도.
도 3은 본 발명의 합성방법에 의해 합성된 산질화알루미늄 파우더의 XRD 결과를 나타내는 파형도.
도 4는 본 발명의 합성방법에 의해 합성된 산질화알루미늄 파우더의 CL 결과를 나타내는 파형도.
도 5는 본 발명의 합성방법에 의해 합성된 산질화알루미늄 파우더의 TEM 결과를 나타내는 설명도.
도 6은 본 발명의 합성방법에 의해 합성된 산질화알루미늄 파우더의 형성 메커니즘을 나타내는 설명도.
도 7은 본 발명의 합성방법에 의해 합성된 산질화알루미늄 파우더의 코어 셀 구조에 대한 에너지밴드 다이어그램.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 원료 혼합단계(10), 질화 및 산화단계(20), 분쇄단계(30), 탈탄소단계(40)를 포함하여 구성된다.
상기 원료 혼합단계(10)에서는 알루미늄 분말에 탄소 분말을 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하게 되는데, 산질화알루미늄 파우더를 합성하기 위한 초기 파우더로서 시중에서 구하기 쉬운 물질인 알루미늄 분말을 사용하게 되면, 저온의 분위기에서 연소시키는 방법으로 산질화알루미늄 파우더를 합성할 수 있게 되므로, 종래의 합성법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 제조할 수 있게 된다.
그리고, 상기 알루미늄 분말에 첨가되는 탄소 분말은 산질화알루미늄 파우더를 합성하기 위해 알루미늄 분말을 대기 중에서 연소시킬 때 알루미늄이 용융되거나 급속히 산화하게 되는 것을 방지하는 역할을 하게 되는데, 알루미늄 분말과 탄소 분말의 혼합 비율은 1 : 1 ~ 3 으로 하는 것이 바람직하다.
상기 질화 및 산화단계(20)에서는 상기 원료 혼합단계(10)에서 형성된 혼합물을 외부 공기의 유입이 차단된 대기 중에서 가열하게 되는데, 이 때 알루미늄 분말과 탄소 분말의 혼합물을 외부 공기의 유입이 차단된 대기 중에서 가열하는 이유는 알루미늄과 반응하여 산질화알루미늄을 생성하는 데 필요한 산소와 질소를 별도로 공급하지 않고 대기 중에 포함된 산소와 질소만으로 산질화알루미늄의 합성이 이루어지도록 하기 위함이다.
이 때, 상기 질화 및 산화단계(20)에서의 열처리 온도는 800 ~ 1200℃로 하는 것이 바람직한데, 이와 같이 열처리 온도의 범위를 800 ~ 1200℃로 한정한 이유는 열처리 온도가 800℃ 이하일 경우 질화반응이 충분히 발생하지 않으며, 열처리 온도가 1200℃ 이상일 경우 산화반응이 너무 많이 진행되기 때문이다.
그리고, 상기 질화 및 산화단계(20)에서의 열처리 시간은 30 ~ 150분으로 하는 것이 바람직한데, 이와 같이 열처리 시간의 범위를 30 ~ 150분으로 한정한 이유는 열처리 시간이 30분 이하일 경우 질화 및 산화반응이 충분히 일어나지 않으며, 열처리 시간이 150분 이상일 경우 산화반응이 너무 많이 진행되기 때문이다.
상기 질화 및 산화단계(20)에서는 800 ~ 1200℃의 온도 범위내에서 열처리 온도를 변화시킴으로써 질화 및 산화 정도를 제어할 수 있게 되는데, 이와 같이 열처리 온도를 변화시켜 질화 및 산화 정도를 제어하게 되면 UV-B에서 UV-C까지 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있게 된다.
참고로, 산질화알루미늄(AlON)의 다양한 결정상 및 자외 파장 영역의 발광에 대한 이론적 배경을 살펴보면 다음과 같다.
산질화알루미늄(AlON)은 알루미늄(Al)을 산화 및 질화시켰을 때 생성될 수 있는 물질로서, McCauley 모델에 의해 다음과 같은 공식으로 주어지며, Al(64+x)/3Cation Vacancy(8-x)/3O(32-x)Nx, 질소(N)의 조성에 따라 결정상은 크게 3가지로 변화한다.
(1) 위 공식에서 X = 8의 이상적인 형태의 산질화알루미늄(AlON)일 경우, Al24O24N8 조성을 띄게 되며, 이는 cubic spinel 구조를 가지는 것으로 알려져 있다.
(2) X < 8의 산소 농도가 높은(O-rich) 산질화알루미늄(AlON)일 경우, 양이온 (Al) 공공이 증가하게 되고, 질소(N) 조성이 점점 감소함에 따라, 결정은 질소(N)가 치환된 Al2O3 (Al2O3:N) 구조 형태를 띄게 된다. 하지만, 이 구조는 치환 형 질소(N)의 부분 전하 불균형으로 인해, 결정구조가 재배열되어 결국 α-Al2O3에 근거한 결정성을 가지게 되며, 양이온은 octahedral과 tetrahedral 배위에 재배치된다. 또한, 이 구조는 4.5eV 이상의 고에너지 자외선 파장영역의 발광을 가지는 것으로 알려져 있다.
(3) X > 8의 질소 농도가 높은(N-rich) 산질화알루미늄(AlON)일 경우, 참입형 양이온이 증가하게 되고, 질소(N)의 조성이 점점 증가함에 따라, 결정은 산소(O)가 치환된 AlN(AlN:O) 구조를 형성하게 된다. 이는 Wurtzite 구조에 구조적 불규칙 형태인, 많은 양의 polytypoid 결정상을 가지게 된다. 또한, 이 구조의 자외선 발광은 3.30 ~ 4.06eV의 UV-A, B영역인 것으로 알려져 있다.
상기 분쇄단계(30)에서는 상기 질화 및 산화단계(20)를 거치면서 알루미늄 분말의 용융으로 인해 작은 덩어리형태로 뭉쳐진 석출물을 미세한 분말상태로 분쇄하게 되는데, 이와 같이 작은 덩어리형태로 뭉쳐진 석출물을 미세한 분말상태로 분쇄하게 되면 탈탄소단계(40)에서 상기 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열할 때 석출물에 묻어 있는 탄소 분말을 완전히 연소시켜 제거할 수 있게 된다.
상기 탈탄소단계(40)에서는 상기 분쇄단계(30)를 거쳐 미세한 분말상태로 형성된 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열하게 되는데, 이 때 상기 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열하는 이유는 석출물에 묻어 있는 탄소 분말을 완전히 연소시켜 제거함으로써 순도 높은 산질화알루미늄을 합성할 수 있도록 하기 위함이다.
이 때, 상기 탈탄소단계(40)의 열처리 온도는 600 ~ 800℃로 하는 것이 바람직한데, 이와 같이 열처리 온도의 범위를 600 ~ 800℃로 한정한 이유는 열처리 온도가 600℃ 이하일 경우 탄소 분말의 연소가 충분히 발생하지 않으며, 열처리 온도가 800℃ 이상일 경우 잔류 탄소 분말이 모두 연소가 된 후에도 높은 열에너지에 의해 산질화알루미늄의 합성 반응에 영향을 끼칠 수 있기 때문이다.
그리고, 상기 탈탄소단계(40)의 열처리 시간은 60 ~ 180분으로 하는 것이 바람직한데, 이와 같이 열처리 시간의 범위를 60 ~ 180분으로 한정한 이유는 열처리 시간이 60분 이하일 경우 탄소 분말의 연소가 충분히 발생하지 않으며, 열처리 시간이 180분 이상일 경우 잔류 탄소 분말이 모두 연소가 된 후에도 긴 연소 시간에 의해 산질화알루미늄의 합성 반응에 영향을 끼칠 수 있기 때문이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법을 바람직한 실시예를 통하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 합성방법을 이용하여 산질화알루미늄 파우더를 합성하기 위하여 입도 3㎛, 순도 4N인 알루미늄 분말과 입도 20㎛, 순도 3N인 탄소 분말을 원료로 사용하였다.
먼저, 원료 혼합단계(10)에서는 도 2의 (가)에 도시되어 바와 같이 세라믹 사발(4)에 알루미늄 분말(1)과 탄소 분말(2)을 넣고 균일하게 혼합하여 혼합물(3)을 형성했는데, 이 때 알루미늄 분말(1)과 탄소 분말(2)의 정량적인 비율은 1 : 1로 하였다.
이어서, 질화 및 산화단계(20)에서는 도 2의 (나)에 도시되어 있는 바와 같이 알루미늄 분말(1)과 탄소 분말(2)을 균일하게 혼합하여 형성한 혼합물(3)을 2g 용량의 보트(5)에 담아 수평형 퍼니스(6)의 내부에 투입한 후, 수평형 퍼니스(6)의 양측 개구부를 마개(7)로 막아 외부 공기의 유입을 차단한 다음, 가열수단(8)을 이용하여 가열하였다.
이 때, 상기 질화 및 산화단계(20)는 열처리 온도 변화에 따른 질화 및 산화 정도를 확인하기 위하여 1000℃, 1050℃, 1100℃의 온도범위에서 120분 동안 각각 실시하였다.
상기 질화 및 산화단계(20)를 거쳐 보트(5) 내에 생성된 석출물(9)은 질화 및 산화 반응을 거치면서 알루미늄 분말(1)의 용융으로 인해 약간의 뭉침 현상이 발생하게 되는데, 분쇄단계(30)에서는 상기 질화 및 산화단계(20)를 거쳐 생성된 석출물(9)을 수평형 퍼니스(6)로부터 꺼낸 후 세라믹사발(4)에 넣고 분쇄하여 다시 미세한 분말상태로 만들었다.
이어서, 탈탄소단계(40)에서는 상기 분쇄단계(30)를 거쳐 미세한 분말상태로 형성된 석출물(9)을 보트(5)에 담아 수평형 퍼니스(6)의 내부에 투입한 후 수평형 퍼니스(6)의 양측 개구부를 막고 있던 마개(7)를 제거하여 외부 공기의 유입을 허용한 다음, 가열수단(8)을 이용하여 재가열하였다.
이 때, 상기 탈탄소단계(40)는 석출물(9)에 묻어 있는 탄소 분말(2)을 완전히 연소시켜 제거하기 위하여 800℃의 온도에서 120분 동안 실시하였다.
상기와 같은 과정을 거쳐 합성된 산질화알루미늄 파우더에 대하여 XRD(X-ray Diffraction)를 이용한 결정상 분석, CL(Cathodoluminescence)을 이용한 발광특성 분석, TEM(Transmission electron microscope)을 이용한 구조적 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 3 내지 도 6에 도시되어 있다.
참고로, XRD(Bruker axs D8, Rigaku)는 CuKa 타겟을 사용하여 36kV, 26mA 범위에서 측정하였고, FE-SEM(Hitachi-4300)에 부착되어 있는 CL은 가속전압 7kV의 전자빔을 사용하였고, slit size는 in-250, out-2000μm, step 간격은 0.3nm 조건에서 PMT 디텍터를 이용하여 상온 측정하였다.
도 3은 1000℃, 1050℃, 1100℃의 온도범위에서 각각 합성된 산질화알루미늄 파우더와 레퍼런스로서 사용된 질화알루미늄(AlN) 파우더의 X선 회절도를 비교한 것으로, 도 3에 도시되어 있는 XRD 결과를 보면, 합성된 산질화알루미늄(AlON) 파우더에는 공통적으로 N-rich AlON phase, O-rich AlON phase, AlON phase가 함께 공존하고 있는데, 이로부터 저온 산화공정에도 불구하고 산질화알루미늄(AlON)이 성공적으로 합성된 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 각 phase 회절의 평균강도를 비교했을 때의 결과는 inset 이미지에 도시되어 있는 바와 같이 열처리 온도가 증가함에 따라 N-rich AlON의 회절강도가 감소하는 반면, O-rich AlON의 회절강도는 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 1000℃, 1050℃, 1100℃의 온도범위에서 각각 합성된 산질화알루미늄 파우더와 레퍼런스로서 사용된 질화알루미늄(AlN) 파우더의 CL 발광스펙트럼을 비교한 것으로, 도 4에 도시되어 있는 측정 결과를 보면, 합성된 산질화알루미늄(AlON) 파우더에서 UV-B 영역(4.29eV)에서 UV-C 영역(4.54eV)의 파장에 해당하는 단파장 발광을 관찰할 수 있었다. 발광 파장을 최적의 조건으로 피팅시켜 그 근원을 분석한 결과, 3.5eV 부근의 N-rich AlON phase에 의한 발광과 4.5eV 부근의 O-rich AlON phase에 의한 발광이 합쳐진 것으로 판단할 수 있었는데, 특히 열처리 온도가 증가함에 따라 O-rich AlON phase에 의한 발광강도가 급격히 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 XRD 결과에서 회절의 평균 강도를 비교했을 때와 같은 결과로서, 본 결과로부터 열처리 온도가 증가함에 따라 파우더 내부의 산화반응이 촉진되어 O-rich AlON phase가 증가함으로써 단파장 발광이 이루어지는 것임을 알 수 있었다.
또한, 상기의 결과로부터 초기에 사용하였던 알루미늄(Al) 파우더의 산화 및 질화반응 발생시, 반응 말기에 파우더의 산화가 촉진되었을 것으로 예상되며, 따라서 파우더의 질화는 반응 초기에 발생하였을 것임을 예상할 수 있었다.
도 5는 합성된 산질화알루미늄 파우더 입자(grain)의 결정상 분포를 측정한 TEM 결과로서, 상기 결정상 및 발광특성 분석으로부터 형성된 산질화알루미늄 파우더 입자의 중앙(반응 초기) 및 표면(반응 말기)의 상 분포가 다를 것임을 예상했음에 따라 파우더 입자의 단면에서 중앙 및 표면의 HRTEM을 측정하여 분석하였다.
그 결과로서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 파우더입자의 중앙은 격자정수 5.7Å을 가지는 산질화알루미늄(AlON)(110)면이 관찰되었고, 파우더입자의 표면은 산화알루미늄(Al2O3)(1-102)면이 관찰되었다. 이는 대표적으로 1100 ℃에서 합성된 산질화알루미늄(AlON)의 TEM 비교도이며 1000, 1050℃에서 열처리한 파우더들의 입자 역시 중앙은 N-rich AlON phase, 표면은 O-rich AlON phase가 형성된 코어 셀(core-shell)구조를 띄고 있는 것을 관찰할 수 있었다.
본 결과로부터 파우더의 반응 메커니즘은 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 반응의 초기(Initial stage)에는 탄소(C)의 자기발화(self-ignition)가 발생하면서(C + O2→ CO2, 2C + O2 → 2CO) 알루미늄(Al)의 산화를 방지하고 질화를 촉진시켜 N-rich AlON이 형성되고(2Al + N2→ 2AlN, 2Al + N2 + O2 → AlON), 반응의 말기(Final stage)에는 탄소(C)가 모두 발화되고 난 후, 형성된 N-rich AlON의 산화반응이 표면으로부터 2차적으로 진행되면서 입자의 표면부분은 O-rich AlON이 형성되는 것으로 예상된다(xAlN + O2→ yAlON + N2 + O2, xAlON + O2 → yAl2O3 + N2).
상기와 같이 합성된 산질화알루미늄 파우더가 중심(core)은 N-rich AlON, 표면(shell)은 O-rich AlON phase를 갖는 이상적인 코어 셀(core-shell)구조로 형성될 경우, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 N-rich AlON의 발광 밴드갭은 낮은 에너지 레벨인 3.5eV 근처를 가지며, O-rich AlON의 발광 밴드갭은 높은 에너지 레벨인 4.5eV을 가지게 됨으로써, 결국에는 밴드갭이 양자우물(quantum-well)과 같은 구조를 형성하게 됨에 따라 캐리어의 발생시 양자 가둠 효과에 의해 그 광학적 특성 및 전기적 특성이 대폭 향상될 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 산질화알루미늄 파우더의 합성방법에 의하면, 초기 파우더로써 알루미늄 분말을 사용하여 종래의 합성방법보다 간단한 공정과 저비용으로 산질화알루미늄 파우더를 더욱더 간편하게 합성할 수 있게 될 뿐만 아니라 열처리 온도의 변화만으로 산질화알루미늄 파우더의 질화 및 산화도를 제어하여 자외선 영역의 발광파장을 용이하게 조절할 수 있게 된다.
1 : 알루미늄 분말 2 : 탄소 분말
3 : 혼합물 4 : 세라믹 사발
5 : 보트 6 : 수평형 퍼니스
7 : 마개 8 : 가열수단
9 : 석출물 10 : 원료 혼합단계
20 : 질화 및 산화단계 30 : 분쇄단계
40 : 탈탄소단계

Claims (7)

  1. 알루미늄 분말에 탄소 분말을 균일하게 혼합하여 혼합물을 형성하는 원료 혼합단계와,
    상기 원료 혼합단계에서 형성된 혼합물을 외부 공기의 유입이 차단된 대기 중에서 가열하는 질화 및 산화단계와,
    상기 질화 및 산화단계를 거쳐 생성된 석출물을 미세한 분말상태로 분쇄하는 분쇄단계와,
    상기 분쇄단계를 거쳐 미세한 분말상태로 형성된 석출물을 외부 공기의 유입이 허용된 대기 중에서 재가열하는 탈탄소단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탈탄소단계를 거쳐 최종 합성된 산질화알루미늄 파우더는, 중심에 질소농도가 높은 산질화알루미늄이 위치하고 표면에 산소농도가 높은 산질화알루미늄이 위치하는 코어 셀 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 원료 혼합단계에서 알루미늄 분말과 탄소 분말의 혼합 비율은 1 : 1 ~ 3 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 질화 및 산화단계의 열처리 온도는 800 ~ 1200℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 질화 및 산화단계의 열처리 시간은 30 ~ 150분인 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 탈탄소단계의 열처리 온도는 600 ~ 800℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 탈탄소단계의 열처리 시간은 60 ~ 180분인 것을 특징으로 하는 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법.
KR1020120138465A 2012-11-30 2012-11-30 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법 KR101374215B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120138465A KR101374215B1 (ko) 2012-11-30 2012-11-30 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120138465A KR101374215B1 (ko) 2012-11-30 2012-11-30 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101374215B1 true KR101374215B1 (ko) 2014-03-13

Family

ID=50648681

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120138465A KR101374215B1 (ko) 2012-11-30 2012-11-30 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101374215B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05294737A (ja) * 1981-08-31 1993-11-09 Raytheon Co 均質なオキシ窒化アルミニウムの製造方法
WO2002006156A1 (en) * 2000-07-18 2002-01-24 Raytheon Company Method of making aluminium oxynitride and aluminium oxynitride prepared by the method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05294737A (ja) * 1981-08-31 1993-11-09 Raytheon Co 均質なオキシ窒化アルミニウムの製造方法
WO2002006156A1 (en) * 2000-07-18 2002-01-24 Raytheon Company Method of making aluminium oxynitride and aluminium oxynitride prepared by the method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Sol–gel synthesis and photoluminescent properties of cerium-ion doped yttrium aluminium garnet powders
Pavitra et al. A novel strategy for controllable emissions from Eu 3+ or Sm 3+ ions co-doped SrY 2 O 4: Tb 3+ phosphors
Do Han et al. Synthesis, luminescence and effect of heat treatment on the properties of Dy3+-doped YVO4 phosphor
Naik et al. A single phase, red emissive Mg2SiO4: Sm3+ nanophosphor prepared via rapid propellant combustion route
KR20100128336A (ko) 금속 규소 질화물 또는 금속 규소 산질화물 서브미크론 인광체 입자 및 이들 인광체의 합성 방법
Ravindranadh et al. EPR and Optical Studies of Fe 3+-Doped Ca–Li Hydroxyapatite Nanopowder: Mechanochemical Synthesis
Lei et al. Facile combustion route for low-temperature preparation of Sr2SiO4: Eu2+ phosphor and its photoluminescence properties
Kadam et al. Eu (iii)-Doped tri-calcium Ca 3 (1− X− Z) MZ (PO 4) 2 AX: X host array: optical investigations of down-conversion red phosphor for boosting display intensity and high color purity
GB2413333A (en) Luminescent nanomaterial powders having predetermined morphology
Elsagh et al. Characterization of SrAl 2 O 4: Eu 2+, Dy 3+ phosphor nano-powders produced by microwave synthesis route
Gupta et al. A Novel near white light emitting nanocrystalline Zn2P2O7: Sm3+ derived using citrate precursor route: Photoluminescence spectroscopy
Abd et al. Rapid synthesis of Ce3+: YAG via CO2 laser irradiation combustion method: Influence of Ce doping and thickness of phosphor ceramic on the performance of a white LED device
Kuznetsov et al. X-ray luminescence of diamond composite films containing yttrium-aluminum garnet nanoparticles with varied composition of Sc–Ce doping
Niu et al. Multicolor tunability and upconversion enhancement of fluoride nanoparticles by oxygen dopant
Kohale et al. Spectroscopic investigations of Dy3+ activated MCaP2O7 (M= Sr/Ba) pyrophosphate phosphors
KR101348451B1 (ko) 희토류-활성화 질화 알루미늄 분말들 및 그 제조 방법
Kohale et al. Synthesis and luminescence properties of Eu2+ activated Ca2P2O7 pyrophosphate phosphor
KR101374215B1 (ko) 알루미늄 분말을 이용한 산질화알루미늄 파우더의 합성방법
Ren et al. A promising red-emitting phosphor for white-light-emitting diodes prepared by a modified solid-state reaction
Tiwari et al. Near UV-blue emission from cerium doped zirconium dioxide phosphor for display and sensing applications
Chen et al. Influence of processing conditions on synthesis and photoluminescence of Eu3+-activated strontium stannate phosphors
Li et al. Stable CsPbX3 (X= Cl, Br, I) Nanocrystal‐in‐Glass Composite (NGC) for Solid‐State Laser‐Driven White Light Generation
KR100367854B1 (ko) 툴리움을 포함하는 백색 발광다이오드용 알루미늄산이트륨황색 형광체 및 그 제조방법
Muresan et al. Influence of vinyltriethoxysilane concentration on structural and luminescent characteristics of cerium doped yttrium based silicate phosphors
Panse et al. Combustion Synthesis and Photoluminescence Studies of Blue‐Emitting CaAl12O19: Ce3+ Lamp Phosphors

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170306

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180306

Year of fee payment: 5