KR101408661B1 - 진공증류법을 이용한 고순도 텔루륨 분말 제조 장치 및 상기 고순도 텔루륨 분말의 입도 제어 방법 - Google Patents

진공증류법을 이용한 고순도 텔루륨 분말 제조 장치 및 상기 고순도 텔루륨 분말의 입도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공증류공법을 이용하여 열전소재나 광전소재로 수요가 높은 텔루륨(Tellurium) 분말을 고순도로 회수할 수 있는 장치, 및 상기 장치를 이용하여 텔루륨 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 국부적으로 가열이 가능한 가열로 및 캐리어 가스 주입구를 포함하는 고순도 텔루륨 분말의 제조 장치 및 상기 캐리어 가스 주입으로 인해 텔루륨 분말의 입도를 제어가 가능한 기술에 관한 것이다. 진공증류공법을 통해 제조된 텔루륨 분말은 종래 분말제조공법인 고체상에서 기계적분쇄를 통해 제조하는 볼 밀링 방법이나 용융 후 Atomization방법으로 제조하는 방법에 비해, 높은 순도의 텔루륨을 회수 할 수 있으며, 이때 회수조의 온도를 조절하여 나노분말 제조 및 증착된 분말의 입도를 제어 할 수 있는 우수한 기술이다. 특히 금속급(Metallurgical grade) 2N의 저순도 텔루륨 원료를 이용하여 1단계 공정으로 5N급 이상의 고순도 분말을 제조할 수 있어 경제성이 매우 뛰어나다. 또한, 텔루륨 분말은 광전 및 열전소재에 사용됨을 감안할 때 본 공법을 통해 제조된 5N급 텔루륨의 순도와 나노 크기의 분말은 열전 및 광전 특성향상의 큰 이점으로 작용할 것으로 기대된다.

Description

진공증류법을 이용한 고순도 텔루륨 분말 제조 장치 및 상기 고순도 텔루륨 분말의 입도 제어 방법{Apparatus for Manufacturing of Tellurium Powder by Vacuum Distillation and Controlling Particle Size}
본 발명은 진공증류공법을 이용하여 열전소재나 광전소재로 수요가 높은 텔루륨(Tellurium) 분말의 제조 장치 및 상기 장치에 의한 텔루륨 분말의 입도 제어에 관한 것이다.
전이 후 금속 (Post-transition metal)인 텔루륨(Tellurium; Te)은 국내 주력산업인 IT, 전기·전자, 디스플레이, 신 재생 에너지, 및 자동차 부품 등은 물론 신성장 동력산업 활성화에 필요한 필수 희소금속으로 각광받고 있다. 특히 텔루륨은 열전특성을 나타내는 화합물인 Bi2Te3나 광전소재로 사용되는 PbTe 화합물에 다량 사용되며, 제조방법으로는 현재 분말야금법이 상용화 공법으로 사용되고 있다. 높은 열전특성을 나타내기 위해서 고순도 텔루륨 분말제조가 반드시 요구되며, 분말야금법으로 성형가공하면 미세분말제조를 통해 소형부품의 성형가공 시 기공제어 및 조성균질화의 구현이 가능하다.
종래의 텔루륨 입도 제어기술을 살펴보면, 일반적으로 텔루륨 제조방법인 Atomization 및 기계적 Milling 공정을 통해서는 원하는 입도를 직접 얻을 수 없기 때문에 Sieving과 같은 추가적인 공정이 수반되어야하므로 비용이나 공정효율 측면에서 단점이 있으며, 후속공정 삽입 시 텔루륨 분말 순도제어 측면에서도 어려움이 많은 문제점이 있다.
따라서, 고순도 텔루륨 분말을 제조하기 위한 새로운 방법 및 입도 제어 기술이 필요한 실정이다.
이에 본 발명자들은 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여, 텔루륨을 기화시켜 응축시킬 수 있고, 회수조의 온도를 조절하여 직접적으로 고순도 텔루륨의 입도를 제어할 수 있는 기술인 진공증류법을 이용함으로써, 회수조의 온도를 조절하여 직접적으로 고순도 텔루륨의 입도를 제어할 수 있게 되어 회수조에 따라 균일한 입도의 분말을 회수할 수 있고, 응축부의 온도제어 시 기체상-액체상-고체상 응축 시간이 변화하게 되어 분말의 입도를 제어할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 진공증류법을 이용한 고순도 텔루륨의 제조 방법 및 상기 텔루륨의 입도를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 국부적 가열이 가능한 가열로, 진공증류기, 및 캐리어 가스 주입구를 포함하는 고순도 텔루륨(Tellurium; Te) 분말 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 진공증류기의 진공도는 1 내지 10-5 torr 일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 있어서, 상기 진공증류기는 하기 구역을 포함할 수 있다:
1) 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역;
2) 상기 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치하는 캐리어 가스가 주입되는 방향에 위치한 구역; 및
3) 상기 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역을 중심으로 상기 캐리어 가스가 주입되는 방향에 위치한 구역의 반대 방향에 위치하는 구역.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 1)의 구역은 500℃ 내지 550℃로 가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 2)의 구역은 600℃ 내지 1000℃로 가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 3)의 구역은 100℃ 내지 450℃로 가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 캐리어 가스는 일방향(one-way)으로 주입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 캐리어 가스는 불활성 가스인 아르곤, 질소, 크립톤, 제논, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 국부적 가열이 가능한 가열로 및 캐리어 가스를 이용하여 고순도 텔루륨의 입도를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 장치는 금속급(Metallurgical grade) 5N 이상의 고순도 텔루륨 분말을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 고순도 텔루륨(Tellurium; Te) 분말의 제조 방법을 제공한다:
a) 진공증류기에 저순도 텔루륨 분말을 장입하는 단계;
b) 상기 진공증류기 내에 캐리어 가스를 일방향(one-way)으로 주입하는 단계;
c) 국부적으로 가열이 가능한 가열로를 이용하여 저순도 텔루륨 분말을 진공증류 시키는 단계; 및
d) 상기 진공증류 후 진공증류기 내에 증착된 텔루륨을 회수하는 단계.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 진공증류기의 진공도는 1 내지 10-5 torr 일 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 있어서, 상기 캐리어 가스는 불활성 가스인 아르곤, 질소, 크립톤, 제논, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 상기 캐리어 가스는 50ml/min 내지 80ml/min의 유입속도로 진공증류기 내에 주입될 수 있다.
진공증류공법을 통해 제조된 텔루륨 분말은 종래 분말제조공법인 고체상에서 기계적분쇄를 통해 제조하는 볼 밀링 방법이나 용융 후 Atomization방법으로 제조하는 방법에 비해, 높은 순도의 텔루륨을 회수할 수 있으며, 이때 회수조의 온도를 조절함으로써 나노사이즈 텔루륨 분말을 제조할 수 있는, 즉, 증착된 분말의 입도를 제어할 수 있는 장점이 있는 신규한 기술이다.
또한, 금속급(Metallurgical grade) 2N의 저순도 텔루륨 원료를 이용하여 1단계 공정으로 5N급 이상의 고순도 분말을 제조할 수 있어 경제성이 매우 뛰어나다. 텔루륨 분말은 광전 및 열전소재에 사용됨을 감안할 때 본 공법을 통해 제조된 5N급 텔루륨의 순도와 나노 크기의 분말은 열전 및 광전 특성 향상의 큰 이점으로 작용할 것으로 기대된다.
도 1은 증류공정에 사용된 튜브(Tube)형의 진공가열로의 사진과 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 증류공정에 사용된 3구간으로 국부적 가열이 가능한 가열로 및 아르곤 유입속도 제어장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 보트장입 위치와 그 번호 및 3구간의 가열온도에 대한 도식도를 나타낸 것이다.
도 4는 아르곤 유입속도의 변화에 따른 각 보트의 텔루륨 증착물의 무게분율을 나타낸 것이다.
도 5는 아르곤 유입속도 조건 70ml/min에서 회수조 위치별 증착회수된 텔루륨 분말의 SEM 사진으로서, (a) 증류조 잔존물, (b) 5번 보트(270℃), (c) 4번보트 (270℃), (d)3번 보트(상온)를 나타낸 것이다.
도 6은 3번 보트에서 회수된 Na Te의 EDS분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 증착 텔루륨의 XRD 상분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 아르곤 유입속도와 회수조에 따른 증착물의 ICP-MS 순도분석결과 비교도를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 고순도 텔루륨 분말을 제조하기 위한 종래 기술의 번거로움을 경감시킬 수 있는 새로운 고순도 텔루륨 분말 제조 기술을 찾기 위해 연구하던 중, 국부적 가열이 가능한 가열로, 진공증류기, 및 캐리어 가스 주입구를 포함하는 장치를 이용하여 보다 경제적인 효과가 있는 고순도 텔루륨(Tellurium; Te) 분말을 제조할 수 있을 뿐 아니라 상기 분말의 입도를 제어할 수 있는 기술을 최초로 개발하기에 이르렀다.
따라서 본 발명은 국부적 가열이 가능한 가열로, 진공증류기, 및 캐리어 가스 주입구를 포함하는 고순도 텔루륨(Tellurium; Te) 분말 제조 장치를 제공함에 그 특징이 있다.
본 발명의 장치(도 1 내지 도 3 참조)를 이용하면 금속급(Metallurgical grade) 2N 순도 정도의 텔루륨을 5N급 이상의 고순도 텔루륨으로 제조할 수 있는데, 텔루륨 나노 분말 제조 및 입도제어 조건을 확보하고 일방향성 텔루륨 증착을 유도하기 위한 해결수단으로, 첫째, 온도를 구역마다 달리할 수 있는 국부적 가열이 가능한 가열로를 사용하였으며, 둘째, 진공증류기를 하기와 같이 세 구역으로 나누고 상기 가열로를 이용하여 각 구역의 진공로 내부 온도를 분리하였다:
1) 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역;
2) 상기 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치하는 캐리어 가스가 주입되는 방향에 위치한 구역; 및
3) 상기 저순도 텔루륨 분말이 장입되는 구역을 중심으로 상기 캐리어 가스가 주입되는 방향에 위치한 구역의 반대 방향에 위치하는 구역.
이때 본 발명에서 진공증류기의 진공도는 진공상태를 유지할 수 있는 압력이라면 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 1 내지 10-5 torr의 압력을 가할 수 있고, 더욱 바람직하게는 10-2 torr의 압력을 가할 수 있다.
또한, 상기 세 구역은 국부적 가열이 가능한 가열로로 인해 서로 다른 내부 온도를 가지게 되는데, 각 구역의 온도는 이에 제한되지는 않으나 바람직하게는, 1)구역 500℃ 내지 550℃, 2) 구역 600℃ 내지 1000℃, 3) 구역 100℃ 내지 450℃일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 10-2 torr 진공도에서 텔루륨의 기화가 가능하도록 1) 구역 500℃, 기화된 텔루륨의 유입 방지를 위한 고온 열차폐구간인 2) 구역 600℃, 기화된 텔루륨을 회수할 수 있는 회수조 3) 구역 270℃로 설정할 수 있다.
이에 더하여, 텔루륨 나노 분말 제조 및 입도제어 조건을 확보하고 일방향성 텔루륨 증착을 유도하기 위한 해결수단으로, 셋째, 기화된 텔루륨의 일방향성 증착을 유도하기 위하여 상기 2) 구역 방향에서 3)구역방향으로 불활성의 아르곤 캐리어 가스를 일방향(one-way) 주입하였다.
상기 캐리어가스는 텔루륨 분말 제조에 영향을 미치지 않는 기체라면 모두 사용할 수 있고, 이에 제한되지는 않으나 불활성 가스군인 아르곤, 질소, 크립톤, 제논, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 본 발명의 일실시예에서 사용한 아르곤 일 수 있다. 상기 캐리어 가스를 주입할 때, 유입속도는 텔루륨 분말의 입도제어를 위해 사용자가 임의로 적절하게 조절할 수 있으나, 바람직하게는 50ml/min 내지 80ml/min의 유입속도로 진공증류기 내에 주입할 수 있다.
본 발명에서 캐리어 가스는 증류된 텔루륨의 일방향성 증착을 유도하기 위하여 사용하며, 회수조의 구역별 온도조절은 증류물의 입도를 제어하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 장치는 텔루륨 증착물의 입도를 제어하여 고순도 텔루륨을 제공할 수 있는 특징이 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 회수조의 텔루륨을 분석한 결과, 상기 1) 구역과 근접한 회수조에서는 수 mm 의 텔루륨을 확인하였고, 더 떨어진 회수조에서는 수십 ㎛의 텔루륨을 확인하였으며, 더 멀리 떨어진 상온(room temperature)의 회수조에서는 수십 nm의 텔루륨을 확인하였다. 따라서 본 발명의 장치를 이용하면 진공증류기 회수조의 온도 조절 및 캐리어 가스를 통하여 텔루륨 증착물의 입도를 제어함으로써 수 밀리미터(mm) 크기부터 수십 나노미터(nm) 크기까지 텔루륨 분말을 제조할 수 있으며, 진공증류기 회수조의 온도 및 캐리어 가스 조절에 따라 더욱 다양한 크기의 텔루륨 분말을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 금속급(Metallurgical grade) 5N 이상의 고순도 텔루륨 분말을 제조할 수 있는 장치를 제공한다.
상기로부터, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 고순도 텔루륨(Tellurium) 분말의 제조 방법을 제공한다:
a) 진공증류기에 저순도 텔루륨 분말을 장입하는 단계;
b) 상기 진공증류기 내에 캐리어 가스를 일방향(one-way)으로 주입하는 단계;
c) 국부적으로 가열이 가능한 가열로를 이용하여 저순도 텔루륨 분말을 진공증류 시키는 단계; 및
d) 상기 진공증류 후 진공증류기 내에 증착된 텔루륨을 회수하는 단계.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
진공증류법을 이용한 텔루륨 분말의 제조
<1-1> 텔루륨 분말 제조 1단계
본 발명에 따른 텔루륨 분말 제조방법의 1단계는 하기 표 1에 나타낸 2N 금속급(Metallurgical grade) 텔루륨을 도 1에 나타낸 튜브(tube)형 진공증류기를 사용하여 증류정제를 실시하는 단계이다. 상기 진공증류기는 도 2에 나타낸 것처럼 3 부분의 국부적 가열이 가능한 가열로를 사용하여 진공증류를 실시하였다. 이때 진공증류기의 진공도는 약 10-2torr로 일정하게 유지시켰고, 진공증류기 내에 총 10개의 보트를 가열기 위치에 따라서 배열 시켜 실험을 진행하였으며, 보트 각각의 온도구배, 위치, 및 그 번호는 도 3에 도식한 바와 같다. 도 3을 살펴보면, 우선 6번 보트에 금속급 텔루륨을 장입시키고 상기 진공도에서 텔루륨의 기화가 가능한 500℃에서 증류를 실시하였으며, 회수조는 상온(실온)의 1, 2, 3번 보트와 270℃의 4, 5번 보트를 위치시켰다. 7번 회수조는 6번 증류조와 동일한 온도인 500℃에 위치시켰으며, 7번 회수조와 8, 9, 10번 회수조 사이에 증류온도 보다 높은 온도인 600℃로 기화된 텔루륨의 유입방지를 위한 고온 열차폐구간을 설정하고, 다음으로 8, 9, 10번 회수조를 위치시켰으며, 이때 8, 9, 10번 회수조의 온도는 상온이다.
element Al Ca Fe Mg Na Ni Pb Si Total
concentration
(ppm)		 152 24 145 21 45 147 19 541 1094
<1-2> 텔루륨 분말 제조 2단계
본 발명에 따른 텔루륨 분말 제조방법의 2단계는 불활성 아르곤(Argon; Ar) 캐리어 가스를 주입하여 기화된 텔루륨의 일방향(one-way) 이동을 유도함으로써 효과적으로 회수가 가능하게 하는 단계이다. 불활성 아르곤 캐리어 가스의 정량적 주입을 위하여 Autovac사의 GMC 1200 기체 유속제어기를 사용하여 아르곤 주입량을 제어하였으며, 각각 50, 60, 70ml/min의 유입량으로 변화를 주어 실험을 진행하였다. 이때 각각의 조건에서의 유입속도를 환산하면 50ml/min은 0.0002165m/s, 60ml/min은 0.0002598m/s, 70ml/min은 0.0003032m/s로 환산될 수 있다. 또한 상온의 아르곤 가스를 주입 시 가열로의 온도를 감소시킬 수 있으므로, 증류조 온도와 동일하게 아르곤 유입라인에 Heating tape를 설치하고 500℃까지 가열한 뒤 진공로에 유입시켰다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 아르곤 inlet은 10번 보트 방향에서 유입시키고, Outlet 위치, 즉 진공펌프는 1번 보트 쪽에 위치 시켰다. 본 장치는 진공 시스템이므로 아르곤은 자연적으로 10번 보트에서 1번 보트 방향으로 유입되게 되며, 유입된 아르곤 가스의 이동과 함께 기화된 텔루륨은 일방향으로 이동하게 된다.
불활성 아르곤 캐리어 가스를 이용한 일방향성 텔루륨 증착 유도
상기 실시예 1의 방법으로 증류기 내에 텔루륨을 장입한 다음 아르곤 캐리어 가스를 각각 50, 60, 및 70 ml/min의 속도로 유입시킨 경우와 아르곤 캐리어 가스를 유입시키지 않은 경우에서 증착회수물의 무게분율을 측정하였으며, 각 보트의 번호 및 조건은 도 3에 나타내었다.
그 결과, 도 4에 나타난 바와 같이, 아르곤을 유입시키지 않은 경우(네모 표식의 검정 선) 7번 회수조와 8, 9, 10번 회수 사이에 위치한 역방향 증착방지를 위해 설정한 증류조보다 높은 온도구간을 지나 8, 9 보트에도 증착물이 회수된 것을 확인 할 수 있으며, 일방향성 증류가 유도 되지 않은 것을 확인 할 수 있다. 그러나 각각 50ml/min(원형표식의 빨간 선), 60ml/min(삼각형표식의 파란 선), 및 70ml/min(역삼각형 표식의 녹색 선)로 아르곤을 유입시킨 경우, 모든 조건에서 아르곤 기체 이동방향과 동일하게 6번 증류조로부터 순차적으로 5, 4, 3번에 증착된 것을 알 수 있다. 이때 1, 2번까지 기화된 텔루륨은 이동하지 않고 3번 이내 구간에서 모두 응착된 것으로 확인되었다. 이는 일방향으로 이동하는 아르곤 가스의 물리적 에너지를 이용하여 기화된 텔루륨도 일방향으로 이동을 유도 할 수 있음을 의미하며, 또한 소량 아르곤 가스 유입을 통해 기화된 텔루륨의 유실 없이 전량 회수구간에서 응착된 것으로 판단된다. 특이한 점은 6번 증류조와 동일한 온도의 회수조인 7번 보트에는 증착물이 회수되지 않았는데, 이는 증류조와 비교 시 온도구배가 없으며, 아르곤 기체 이동방향의 역방향이므로 회수되지 않은 것으로 판단된다.
따라서, 아르곤 캐리어 가스 유입 시 전 회수조에서 증착물이 회수된 영역은 3번의 상온구간 및 4, 5번의 270℃ 구간으로, 총 3개의 회수조에서만 증착물이 회수되었으며, 50, 60, 및 70ml/min의 유입속도 변화에 따라서 각 회수조의 무게 분율 차이는 거의 없으나 5번이 가장 높은 것으로 나타났고, 그 다음 4번, 3번 순으로 무게분율이 높은 경향을 나타내었다.
기화된 텔루륨의 응축부 온도조절을 통한 텔루륨 증착물의 입도제어 방법
텔루륨 증착물의 입도를 제어하기 위해, 상기 실시예 2을 통하여 도출된 아르곤 가스 유입시 증착조건 중 70ml/min조건에서 증착을 실시하고, 텔루륨이 응축된 회수조(3, 4, 5번보트)의 증착물과 증류조(6번 보트)잔존부산물을 회수한 다음 SEM으로 미세구조를 관찰하고 이를 도 5에 나타내었다.
도 5의 (a)는 증류조 6번 보트에 진공증류공정 이후 잔존 부산물에 대한 SEM사진을 나타낸 것이며, EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석 결과 대부분 TeO2와 증류조건보다 증기압이 높은 불순물의 혼합체인 것으로 나타났으며, 침상, 타원, 구형 등 다양한 형태로 존재하고 있었다.
도 5의 (b)는 270℃ 회수조 중 증류조인 6번 보트와 근접한 5번 회수조 증착물의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 5번 회수조의 증착물은 매우 조대한 구상 입자형태를 띠고 있으며, 구상 증착물 내부도 매우 치밀한 조직을 나타내고 있었다. 상기 조대한 구상 입자형태인 증착물의 크기는 약 수 mm정도의 크기이다. 이러한 결과는 기화된 증착물이 회수조 중 가장 높은 온도인 5번 회수조의 낮은 온도구배에 기인하여 비교적 장시간 액상이 유지되게 되고, 이때 액상의 텔루륨 누적으로 인하여 입자가 조대하게 성장한 것으로 판단되며 액상의 텔루륨이 응고 될 때 구상을 나타내는 것으로 보인다.
도 5의 (c)는 270℃의 회수조 중 증류조와 거리가 먼 4번 회수조 증착물의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 증착물은 회수조 벽면으로부터 방향성 응고조직을 나타내고 있었으며, 6각이나 4각의 column형태 분말로 제조되었다. 이 조건에서의 분말 크기는 약 수십 ㎛정도 입도범위를 나타냈으며 5번의 회수조와는 달리 4번 회수조에서 각진 column 형으로 제조된 이유는 5번 회수조에 비해 낮은 온도로 인하여 다수의 미세 핵이 형성되고 이로부터 결정성장이 일어나 텔루륨 고유의 결정구조인 육방정 형태로 입자가 성장한 것으로 판단된다.
도 5의 (d)는 상온 회수조인 3번 보트 증착물의 SEM 사진을 나타낸 것이며, 증착물은 수십 nm 크기로 회수된 것을 확인 할 수 있었다. 이는 높은 온도 차이에 기인하여 응축 시 액체상 유지 시간이 매우 짧기 때문에 기체상에서 바로 고체상으로 응축되고, 결정 성장에 필요한 온도가 낮아 더 이상 입자의 성장이 일어나지 않아서 매우 작은 입도의 분말로 제조된 것으로 판단된다.
상기 나노 크기의 텔루륨에 대하여 EDS분석을 실시한 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전량 텔루륨인 것으로 분석되었다. 도 6의 Pt(platinum; 플래티늄)와 C(Carbon; 탄소) 피크가 관찰된 것은 SEM 관찰 시 Pt는 전도성 부여를 위한 코팅의 결과이며, 탄소(C)는 텔루륨 분말 고정을 위하여 부착한 카본테이프의 영향이다.
또한 증착물에 대하여 XRD분석을 실시하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 표준 XRD 피크와 비교 시 증착물 모두는 텔루륨으로 확인 되었다.
진공증류법을 이용하여 2N 금속급 ( Metallurgical grade ) 텔루륨으로부터 5N급 텔루륨 제조 방법
상기 실시예 2 및 실시예 3의 방법을 통해 제조된 텔루륨 증착물을 이용하여 ICP-MS 분석을 실시하였으며 순도를 평가하였다. 상기 ICP 결과를 통해 계산된 텔루륨의 순도는 도 8에 나타냈다. 아르곤 유입속도 및 보트위치에 상관없이 회수된 텔루륨은 모두 10ppm이하의 불순물 분율을 나타내어 모두 5N급으로 제조된 것으로 확인되었다. 자세한 불순물 함량은 하기 표 2와 같다.
Spec. Al Ca Fe Mg Na Ni Pb Si Total
Ar flow Boat. No.
(ml/min)
Impure 152 24 145 21 45 147 19 541 1094
50 3(RT) 0 1 0 0 2 0 0 0 3
50 4(270) 0 1 0 0 3 0 1 0 5
50 5(270) 0 1 0 1 2 0 1 0 5
60 3(RT) 0 2 0 1 2 0 0 0 5
60 4(270) 0 1 0 0 3 0 2 0 6
60 5(270) 0 2 0 1 2 0 1 0 6
70 3(RT) 0 1 0 0 3 0 2 0 6
70 4(270) 0 2 0 0 2 0 1 0 5
70 5(270) 0 1 0 1 1 0 1 0 4
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, Al, Fe, Si, Ni 등 증기압이 높은 원소들은 진공증류를 통해 효과적으로 제어된 것을 확인하였으며, Ca, Mg, Na, Pb 등 증기압이 낮은 원소들은 미량 검출되었지만 진공 및 온도제어를 통해 진공증류법을 이용하여 효과적으로 제어할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (14)

  1. 국부적 가열이 가능한 가열로, 진공도 1 내지 10-5 torr의 진공증류기, 및 캐리어 가스 주입구를 포함하는 고순도 텔루륨(Tellurium) 나노 분말 제조 장치로서,
    상기 진공증류기는 캐리어 가스가 유입되는 방향으로부터 차례대로 실온 영역(1), 기화된 텔루륨의 유입 방지를 위한 가열로 영역(2), 저순도 텔루륨 분말이 장입 및 기화되는 가열로 영역(3), 고순도 텔루륨 분말을 회수하는 가열로 영역(4) 및 고순도 텔루륨 나노 분말을 회수하는 실온 영역(5)로 구성되고,
    상기 국부적 가열이 가능한 가열로는, 상기 가열로 영역(2)를 가열하는 600℃ 내지 1000℃ 온도 설정 구역, 상기 가열로 영역(3)을 가열하는 500℃ 내지 550℃ 온도 설정 구역, 및 상기 가열로 영역(4)를 가열하는 100℃ 내지 450℃ 온도 설정 구역으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 일방향(one-way)으로 주입되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 불활성 가스인 아르곤, 질소, 크립톤, 제논, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 금속급(Metallurgical grade) 5N 이상의 고순도 텔루륨 나노 분말을 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 하기 단계를 포함하는 제1항의 장치를 이용하여 고순도 텔루륨(Tellurium) 나노 분말을 제조하는 방법:
    a) 진공증류기 영역(2)에 저순도 텔루륨 분말을 장입하는 단계;
    b) 50ml/min 내지 80ml/min의 유입속도로 캐리어 가스를 진공증류기 영역(1)에서 영역(5)방향으로 일방향(one-way) 주입하는 단계;
    c) 국부적으로 가열이 가능한 가열로를 이용하여 저순도 텔루륨 분말을 진공증류시키는 단계; 및
    d) 상기 진공증류 후 진공증류기 영역(5)에 증착된 고순도 텔루륨 나노 분말을 회수하는 단계.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 불활성 가스인 아르곤, 질소, 크립톤, 제논, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  14. 삭제
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