KR101673872B1 - 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법 - Google Patents

큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

ZnSO4ㆍ7H2O와 Na2Sㆍ9H2O를 이용하여 액상 공정(Solution Process) 중 한 방법인 수열합성법으로 ZnO 나노분말을 획득한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 소결함으로써, 제조 공정이 단순하여 쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 제조 단가를 낮추면서도, 상대밀도, 적외선 광투과도 등의 물성을 향상시킬 수 있는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법은 (a) ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O를 1 : 1 초과 ~ 1 : 1.3 미만의 중량비로 용매에 혼합하여 100 ~ 240℃에서 1 ~ 24시간 동안 수열합성하는 단계; (b) 상기 수열합성된 반응물을 필터링 및 건조하여 ZnS 나노분말을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 수득한 ZnS 나노분말을 900 ~ 1,000℃에서 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법{ZnS NANO POWDER CERAMICS FOR INFRARED TRANSMITTANCE HAVING CUBIC STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZnSO4ㆍ7H2O와 Na2Sㆍ9H2O를 이용하여 액상 공정(Solution Process) 중 한 방법인 수열합성법으로 ZnO 나노분말을 획득한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 소결함으로써, 제조 공정이 단순하여 쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 제조 단가를 낮추면서도, 상대밀도, 적외선 광투과도 등의 물성을 향상시킬 수 있는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 각광받고 있는 ZnS는 제조단가, 우수한 강도 및 투광도가 칼코겐계 유리에 비해 우수하며, 특히 투명한(가시광선 대역) 소결체 제조가 가능하여 군수 및 민수용 시장에서 적외선 카메라용 윈도우 물질로서 각광받고 있다. 특히, 군사용 IR 탐색기의 보호 창(window) 및 열악한 환경에서 사용하는 비행체의 윈도우 대체용으로 절대 필요한 소재이다.
최근, 다결정 분말의 열간 가압성형(Hot Press) 등으로 저가 양산화를 실현하였으며, 이때 다결정체로 인한 기공 크기의 제어가 중요하다. 스미토모 전공이 1.5㎛ 이하의 ZnS 원료분말을 사용하여 분말 성형체의 열간 가압성형(Hot press)에 분위기, 온도, 압력, 시간 등의 조건 최적화에 의해 소결밀도 99.9%, 평균입경 3.3㎛의 치밀한 저가형 적외선 투광성 윈도우 개발에 성공하였으며, 10㎛ 대역에서의 원적외선 투과율은 약 71%를 달성하였다.
일부 군수용 미사일 돔, 조준경 등 일부 열화상 장치는 가시광과 적외선을 모두 투광하는 성능이 요구되며, 이를 위해서는 가시광 대역에서 장적외선 대역까지 모두 투과가 가능한 ZnS 또한 생산 중에 있으며, CVD 공정을 통해 0.4 ~ 12㎛ 파장에서의 투과도 70% 이상을 구현하고 있다.
또한, 8 ~ 12㎛ 원적외선 대역의 선별도를 향상(노이즈 및 오동작 최소화)시키기 위해서 가시광은 물론 근/중적외선의 대역차단이 중요하며, 이를 위해 단순 ZnS 소재에서 벗어나 첨가물 제어 및 공정제어를 통해 투과대역을 제어하는 연구가 활발히 진행 중에 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0012767호 (2013.02.05. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 산화 아연 나노 구조체 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 ZnSO4ㆍ7H2O와 Na2Sㆍ9H2O를 이용하여 액상 공정(Solution Process) 중 한 방법인 수열합성법으로 ZnO 나노분말을 획득한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 소결함으로써, 제조 공정이 단순하여 쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 제조 단가를 낮추면서도, 상대밀도, 적외선 광투과도 등의 물성을 향상시킬 수 있는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법은 (a) ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O를 1 : 1 초과 ~ 1 : 1.3 미만의 중량비로 용매에 혼합하여 100 ~ 240℃에서 1 ~ 24시간 동안 수열합성하는 단계; (b) 상기 수열합성된 반응물을 필터링 및 건조하여 ZnS 나노분말을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 수득한 ZnS 나노분말을 900 ~ 1,000℃에서 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체는 ZnS 나노분말의 제조시, 하기 식 1을 만족하는 범위로 수열합성시키는 것에 의해 획득한 큐빅 구조를 갖는 ZnS 나노분말을 소결하여 제조된 것을 특징으로 한다.
식 1 : 1.0 < [S] / [Zn] < 1.3
(여기서, 상기 []의 단위는 중량%를 나타냄.)
본 발명에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법은 ZnSO4ㆍ7H2O와 Na2Sㆍ9H2O를 이용하여 액상 공정(Solution Process) 중 한 방법인 수열합성법으로 ZnO 나노분말을 획득한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 소결함으로써, ZnS 나노분말 소결체의 평균직경 : 3 ~ 50㎛, 상대밀도 : 98.0% 이상 및 10㎛의 대역에서의 적외선 광투과도 : 67% 이상을 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체는 수열합성법으로 제조되는 초기 출발물질 역시 큐빅 상을 갖는 ZnS 나노분말을 이용하고, 최종적으로 SPS 또는 HP 방법으로 소결함으로써, 미세조직이 치밀한 큐빅 상을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 SPS법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실시예 1에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 2에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 6은 비교예 1에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 7은 비교예 2 에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말 소결체의 표면 상태를 촬영한 사진이다.
도 9는 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말 소결체를 나타낸 SEM 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법은 수열 합성 단계(S110), 필터링/건조 단계(S120) 및 소결 단계(S130)를 포함한다.
수열 합성
수열 합성 단계(S110)에서는 ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O를 1 : 1 초과 ~ 1 : 1.3 미만의 중량비로 용매에 혼합하여 100 ~ 240℃에서 1 ~ 24시간 동안 수열합성한다.
이때, ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O의 중량비가 1 : 1 이하일 경우에는 수열합성 반응에서 Na2Sㆍ9H2O이 소량으로 첨가되어 합성되는 나노입자가 극히 작고 우르짜이트(wurtzite)상이 함께 생성되어 광학적 특성이 나빠지는 문제가 있다. 반대로, ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O의 중량비가 1 : 1.3 이상일 경우에는 1㎛ 이상의 큰 큐빅 입자와 100nm 이하의 작은 큐빅 입자들이 불균일하게 존재하는 문제가 있다.
용매로는 순도 99.0% 이상의 증류수를 이용하는 것이 바람직하다.
본 단계에서, 수열합성 온도가 100℃ 미만이거나, 수열합성 시간이 1시간 미만으로 실시될 경우에는 반응시간이 너무 짧은 관계로 충분한 반응이 일어나지 못하여 균일한 평균 입도를 갖는 ZnS 나노분말을 제조하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 수열합성 온도가 240℃를 초과하거나, 수열합성 시간이 24시간을 초과할 경우에는 수열합성 반응의 활성화를 위하여 Na2Sㆍ9H2O를 다량으로 첨가해야 하는 데 따른 비용 상승 문제가 있다.
또한, 수열합성시 교반기를 이용하여 100 ~ 500rpm의 속도로 교반하는 것이 더 바람직하다. 교반 속도가 100rpm 미만일 경우에는 균일한 혼합이 이루어지지 않을 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 500rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
필터링/건조
필터링/건조 단계(S120)에서는 수열합성된 반응물을 필터링 및 건조하여 ZnS 나노분말을 수득한다.
이때, ZnS 나노분말은 하기 식 1을 만족하며, 최종 미세조직이 큐빅 구조를 갖는 것이 바람직하다.
식 1 : 1.0 < [S] / [Zn] < 1.3
(여기서, 상기 []의 단위는 중량%를 나타냄.)
만일, [S]/[Zn]의 비가 1.0 이하일 경우에는 나노분말을 형성하는데 유리하나, 큐빅 구조(cubic structure)와 우르짜이트 구조(wurtzite structure)가 혼재하는데 기인하여 광학적 이방성이 존재하여 각도에 따라 광투과도가 저하될 수 있다. 반대로, [S]/[Zn]의 비가 1.3 이상일 경우에는 큐빅 구조 단일 상으로 존재하기는 하나, 1㎛ 이상의 큰 큐빅 입자와 100nm 이하의 작은 큐빅 입자들이 불균일하게 존재한다.
이때, 필터링/건조 단계(S120)에서는 수열합성된 반응물을 감압 필터링한 후, 세척 용액을 이용하여 세척하고 나서 건조하는 것이 보다 바람직하다. 이때, 세척 과정은 3회 이상 반복하여 실시하는 것이 바람직하며, 세척 용액으로는 증류수가 이용될 수 있다.
이때, 건조는 60 ~ 100℃에서 1 ~ 20 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 60℃ 미만이거나, 건조 시간이 1시간 미만일 경우에는 완전히 건조되지 않을 우려가 있다. 반대로, 건조 온도가 100℃를 초과하거나, 건조 시간이 20시간을 초과할 경우에는 효과 없이 제조 비용만을 상승시키므로, 경제적이지 못하다.
소결
소결 단계(S130)에서는 수득한 ZnS 나노분말을 900 ~ 1,000℃에서 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 형성한다.
본 단계에서, 소결은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 및 HIP(Hot Isostatic Press)법에 비하여 저가의 소결법에 해당하는 SPS(spark plasma sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 실시하는 것이 바람직하다.
이 중, SPS법을 이용할 시, 소결은 진공분위기에서 실시되는 것이 바람직하나, N2, Ar 등의 불활성분위기에서 실시하는 것도 무방하다.
이러한 SPS법을 이용할 시, 소결은 900 ~ 1,000℃에서 5 ~ 30분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 소결 온도가 900℃ 미만이거나, 소결 시간이 5분 미만일 경우에는 치밀화와 입성장이 제대로 이루어지지 못하는 관계로 상대밀도가 낮아질 우려가 크다. 반대로, 소결 온도가 1000℃를 초과하거나, 소결 시간이 30분을 초과할 경우에는 ZnS 나노입자의 평균입경이 커지고 기공의 성장으로 강도가 저하될 뿐만 아니라, 우르짜이트 상이 다량 생성되어 큐빅 구조와 우르짜이트 구조가 혼재하는데 기인하여 적외선 광투과도를 저하시킨다.
또한, SPS법을 이용할 시, 소결은 승온속도 : 5 ~ 100℃/min 및 인가압력 : 50 ± 20MPa 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 인가압력이 30MPa 미만일 경우에는 소결이 불충분하게 이루어질 수 있고, 인가압력이 70MPa을 초과할 경우에는 마모에 의한 크랙 발생과 과소결의 우려가 있다.
반면, HP법을 이용할 시, 소결은 승온속도 : 5 ~ 100℃/min의 조건으로 900 ~ 1,000℃에서 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 HP법을 이용할 경우, SPS법에 비하여 소결 시간이 상당히 오래 소요되는 단점이 있으나, 초기 투자비용이 저렴하여 제조 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 및 HIP(Hot Isostatic Press)법에 비하여 제조 비용 및 공정이 단순한 저가의 소결법인 SPS법 또는 HP법을 이용하여 ZnS 나노분말을 900 ~ 1,000에서 소결함으로써, 제조 단가를 낮추면서도, 상대밀도, 적외선 광투과도 등의 물성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2는 SPS법을 설명하기 위한 도면으로, 이를 참조하면, 인가되는 전류는 각각의 장비 크기 및 몰드의 크기에 따라 각기 다르므로, 온도로 조절하는 것이 용이한데 승온속도가 낮으면 소결시간이 길어질 수 있고, 높으면 급격한 소결이 진행되어 정확한 소결 온도의 예측이 어렵다.
이러한 SPS 방법으로 소결 시, 짧은 시간에 98.0% 이상의 높은 상대밀도, 10㎛의 대역에서 67% 이상의 적외선 광투과도를 가질 수 있다. 특히, SPS 방법으로 소결시 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 HIP(Hot Isostatic Press)법을 이용한 소결에 비하여 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에 전력소비가 크게 줄며, 취급이 간편하여 그 제조비용을 크게 낮출 수 있다.
상기의 과정(S110 ~ S130)으로 제조되는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체는 ZnSO4ㆍ7H2O와 Na2Sㆍ9H2O를 이용하여 액상 공정(Solution Process) 중 한 방법인 수열합성법으로 ZnO 나노분말을 획득한 후, SPS(Spark Plasma Sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 소결함으로써, ZnS 나노분말 소결체의 평균직경 : 3 ~ 50㎛, 상대밀도 : 98.0% 이상 및 10㎛의 대역에서의 적외선 광투과도 : 67% 이상을 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체는 수열합성법으로 제조되는 초기 출발물질 역시 큐빅 상을 갖는 ZnS 나노분말을 이용하고, 최종적으로 SPS 또는 HP 방법으로 소결함으로써, 미세조직이 치밀한 큐빅 상을 가질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시료 제조
실시예 1
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 92g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 220℃에서 12시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 1.2를 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 SPS(spark plasma sintering) 방법으로 30℃/min의 속도로 승온시켜 920℃에서 20분 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
실시예 2
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 85g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 220℃에서 12시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 1.1을 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 SPS(spark plasma sintering) 방법으로 30℃/min의 속도로 승온시켜 950℃에서 10분 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
실시예 3
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 88g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 180℃에서 10시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 1.14를 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 SPS(spark plasma sintering) 방법으로 35℃/min의 속도로 승온시켜 950℃에서 10분 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
실시예 4
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 90g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 180℃에서 10시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 1.17을 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 HP(Hot Press) 방법으로 6℃/min의 속도로 승온시켜 950℃에서 2시간 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
비교예 1
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 39g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 220℃에서 12시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 0.5를 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 SPS(spark plasma sintering) 방법으로 30℃/min의 속도로 승온시켜 950℃에서 10분 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
비교예 2
ZnSO4ㆍ7H2O 92g 및 Na2Sㆍ9H2O 139g을 320ml의 증류수에 혼합한 후, 240rpm의 속도로 교반하면서 220℃에서 12시간 동안 수열합성하였다.
다음으로, 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 80℃에서 5시간 동안 진공 건조하여 [S]/[Zn] = 1.8을 나타내는 ZnS 나노분말을 수득한 후, ZnS 나노분말을 HP(Hot Press) 방법으로 7℃/min의 속도로 승온시켜 950℃에서 2시간 동안 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 2에 따른 시료들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112014124463201-pat00001
표 1을 참조하면, 실시예 1 ~ 4에 따른 시료들의 경우, ZnS 나노분말 소결체의 평균직경 : 5 ~ 30㎛, 상대밀도 : 98.0% 이상 및 10㎛의 대역에서의 적외선 광투과도 : 67% 이상을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
반면, 비교예 1 ~ 2에 따른 시료들의 경우에는 ZnS 나노분말 소결체의 평균직경 및 상대밀도는 목표값을 만족하였으나, 10㎛의 대역에서의 적외선 광투과도가 64.7% 및 65.3%로 목표값에 미달하였는데, 이는 수열합성시 [S] / [Zn]의 비가 본 발명에서 제시하는 범위를 벗어난 데 기인한 것으로 파악된다.
도 3은 실시예 1에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이고, 도 4는 실시예 2에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이며, 도 5는 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따른 시료들의 경우, 수열 합성 방법으로 제조되는 출발물질로 균일한 사이즈를 갖는 큐빅 입자들이 균일하게 분포하고 있는 것을 알 수 있다.
반면, 도 6은 비교예 1에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이고, 도 7은 비교예 2 에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말을 나타낸 SEM 사진이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따른 시료의 경우에는 [S] / [Zn]의 비가 0.5를 갖는데 기인하여, 큐빅 구조(cubic structure)와 우르짜이트 구조(wurtzite structure)가 혼재하고 있는 것을 확인할 수 있다. 비교예 1에 따른 시료의 경우, 우르짜이트(wurtzite) 상이 존재할 때 헥사고날(hexagonal) 구조이므로 결정 방향에 따라 광학적 이방성이 존재하여 각도에 따라 광투과도가 나빠지는데 기인하여 적외선 투과도가 64.7%로 측정되었다.
그리고, 비교예 2에 따른 시료의 경우에는 [S] / [Zn]의 비가 1.8을 갖는데 기인하여, 1㎛ 이상의 큰 큐빅 입자와 100nm 이하의 작은 큐빅 입자들이 불균일하게 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말 소결체의 표면 상태를 촬영한 사진이고, 도 9는 실시예 3에 따른 시료에 대한 ZnS 나노분말 소결체를 나타낸 SEM 사진이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 3에 따른 시료의 경우, 표면이 매끄럽고, 0.6mmm의 두께를 갖는다. 이러한 실시예 3에 따른 시료의 경우, 큐빅 상으로 구성된 ZnS 나노분말을 획득하고, 이 ZnS 나노분말을 SPS법을 이용하여 950℃ 소결하는 것에 의해 큐빅 상으로 구성된 치밀한 ZnS 나노분말 소결체가 제조되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 수열 합성 단계
S120 : 필터링/건조 단계
S130 : 소결 단계

Claims (13)

  1. (a) ZnSO4ㆍ7H2O 및 Na2Sㆍ9H2O를 1 : 1 초과 ~ 1 : 1.3 미만의 중량비로 용매에 혼합하여 100 ~ 240℃에서 1 ~ 24시간 동안 수열합성하는 단계;
    (b) 상기 수열합성된 반응물을 필터링한 후, 60 ~ 100℃에서 1 ~ 20 시간 동안 건조하여 ZnS 나노분말을 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 수득한 ZnS 나노분말을 900 ~ 1,000℃에서 소결하여 ZnS 나노분말 소결체를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계에서,상기 ZnS 나노분말은 하기 식 1을 만족하며,
    상기 ZnS 나노분말 및 ZnS 나노분말 소결체는 각각 미세조직이 큐빅 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.

    식 1 : 1.0 < [S] / [Zn] < 1.3
    (여기서, 상기 []의 단위는 중량%를 나타냄.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 수열합성시, 교반기를 이용하여 100 ~ 500rpm의 속도로 교반하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 소결은
    SPS(spark plasma sintering) 또는 HP(Hot Press) 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 SPS 방법을 이용할 시, 5 ~ 30분 동안 소결을 실시하고,
    상기 HP 방법을 이용할 시, 1 ~ 3시간 동안 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 SPS 방법을 이용할 시, 승온속도 : 5 ~ 100℃/min의 조건으로 소결을 실시하고,
    상기 HP 방법을 이용할 시, 승온속도 : 5 ~ 10℃/min의 조건으로 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 SPS 방법을 이용할 시,
    진공분위기 또는 불활성분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 SPS 방법을 이용할 시,
    인가압력은 50 ± 20MPa 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법.
  10. 제1항, 제3항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 큐빅 구조를 갖는 적외선 투과용 ZnS 나노분말 소결체 제조 방법으로 제조되는 ZnS 나노분말 소결체로서,
    상기 ZnS 나노분말 소결체는
    상기 ZnS 나노분말의 제조시, 하기 식 1을 만족하는 범위로 수열합성시키는 것에 의해 획득한 큐빅 구조를 갖는 ZnS 나노분말을 소결하여 제조되어, 최종 미세조직이 큐빅 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외적 투과용 ZnS 나노분말 소결체.

    식 1 : 1.0 < [S] / [Zn] < 1.3
    (여기서, 상기 []의 단위는 중량%를 나타냄.)
  11. 제10항에 있어서,
    상기 ZnS 나노분말 소결체는
    평균직경이 3 ~ 50㎛를 갖는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외적 투과용 ZnS 나노분말 소결체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 ZnS 나노분말 소결체는
    상대밀도 : 98.0% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외적 투과용 ZnS 나노분말 소결체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 ZnS 소결체는
    적외선 광투과도 : 67% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 큐빅 구조를 갖는 적외적 투과용 ZnS 나노분말 소결체.
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