KR20020005039A - 마이크로미터 크기의 무기 입자를 코팅시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자 크기가 약 1 내지 100㎛인 무기 입자를 나노미터 크기의 코팅 입자와 혼합시키는 단계, 나노미터 크기의 입자(현재로서는 실리카)를 소성시켜 유연하게 하거나 용용시키는 단계, 무기 입자상에 불투수성 무기 코팅을 형성시키는 단계를 포함하여, 인광물질과 같은 수분에 민감한 무기 입자를 코팅시키는 방법에 관한 것이다. 코팅된 입자는 모든 비코팅된 입자의 제거 목적으로 세척되고, 건조된다.

Description

마이크로미터 크기의 무기 입자를 코팅시키는 방법 {METHOD OF COATING MICROMETER SIZED INORGANIC PARTICLES}

수분과 같은 대기중의 물질에 민감한 무기 입자는 액체 기재 또는 증기상 방법을 사용하여 코팅될 수 있다. 예를 들어, 결합제 및 무기 또는 금속성 콜로이드가 액체 매질중에 분산되어, 코팅하고자 하는 무기 입자의 표면 전체에 걸쳐 분포될 수 있다. 그러나, 코팅 물질은 사용된 용매중에 불용성이어야 하고 사용된 용매와 반응하지 않아야 한다. 유동상 반응기를 사용하는 방법과 같은 증기상 코팅 방법은 일반적으로 코팅하고자 하는 입자의 일부 표면 반응 또는 변형이 일어나게 하는 고온 및 장기 반응 시간을 필요로 한다. 또한, 장비는 복잡하며 고가이다.

예로써, 광에 의해 충돌된 후에, 초기 광원이 소멸된 후 광을 지속적으로 방출시키는 장기 지속형 인광물질이 공지되어 있다. 예를 들어, 스펙트럼의 오렌지색-적색 부분에서 방출되는 SrS:Eu 및 CaS:Eu와 같은 유러퓸 활성화된 알칼리토금속 황화물이 공지되어 있다. 장기 지속형의 적색 방출 인광물질은 매우 드물지만, 이들 인광물질은 특히 "EXIT" 표시 등과 같은 안전 장비에 매우 유용하다.

그러나, 이들 인광물질은 물에 민감하기 때문에 이들의 발광에 대한 유해한 효과 없이 수분에 노출될 수 없다. 이와 같이, 이들은 수분에 노출되지 않게 보호되어야 한다.

물에 민감한 인광물질을 수분에 용해되지 않는 물질로 코팅하거나 캡슐화하려는 연구가 수행되었다. 코팅 입자는 액체 매질중에서 코팅하고자 하는 인광물질 입자와 혼합될 수 있지만, 코팅 물질과 인광물질 둘 모두는 액체에 용해되지 않아야 하며 액체와 반응하지 않아야 한다. 인광물질의 경우에, 수분 민감성 인광물질은 어떠한 수분을 포함하고 있는 용액중에 침지될 수 없다.

증기상 코팅 방법도 시도되었다; 예를 들어 테트라에톡시실란 또는 테트라메톡시실란은 인광물질 입자를 포함하고 있는 유동층을 통해 통과되어 실리카층을 증착시키지만 이것은 비용이 많이 드는 방법이다.

이와 같이, 무기 물질을 무기 입자에 코팅시켜 보호 코팅막을 형성시킬 수 있는 코팅, 또는 특정의 표면 특성을 개질시키거나 무기 입자에 특정의 표면 기능을 제공할 수 있는 코팅을 제공할 수 있다면 바람직할 것이다.

특히, 수성의 액체 매질의 도움 없이 수분에 민감한 인광물질 입자에 불투수성 코팅을 제공하는 방법, 인광물질 방출 색상 또는 강도를 변경시키지 않는 방법이면 더욱 더 바람직할 것이다.

발명의 요약

본 발명은 이의 적용을 위해 어떠한 액체 매질도 필요로 하지 않는 무기 코팅 물질 박막으로 무기 입자를 코팅시키는 방법에 관한 것이다. 입자 크기가 1 내지 약 100㎛인 무기 입자는 충분한 양의 나노미터 크기의 무기 분말을 사용하여 보다 큰 무기 입자를 완전히 커버링하여 코팅될 수 있다.

그런 다음, 코팅된 무기 입자는 코팅된 무기 입자를 둘러싸고 있는 나노미터 크기의 코팅 입자를 유연하게 하거나 용융시킬 수 있을 정도로 충분히 높지만 코팅하고자 하는 보다 큰 무기 입자의 표면 특성을 변경시키기에는 불충분한 온도에서 소성된다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명의 코팅된 입자를 생성시키는 방법을 설명하는 도면이다.

발명의 상세한 설명

인광물질과 같은 무기 입자를 균일하게 코팅시키는 무기 코팅을 위해, 무기 코팅 입자는 코팅하고자 하는 입자보다 훨씬 작아야 한다. 바람직하게는, 코팅하고자 하는 입자는 마이크로미터 범위내에 속하는 것이 바람직하고, 코팅 입자는 나노미터 범위에 속하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 코팅 입자는 코팅하고자 하는 입자보다 훨씬 더 작다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 코팅하고자 하는 인광물질 또는 그 밖의 무기 입자는 약 1 내지 약 100㎛의 입자 크기를 갖는다. 이들 입자는 요망되는 입자 크기를 달성하기 위해 공지된 방식으로 스크리닝되거나 분쇄될 수 있다.

한편, 무기 코팅 입자는 적절하게는 1-2 내지 약 100nm의 입자 크기를 갖는다. 바람직하게는, 이들 입자는 약 3 내지 50nm의 입자 크기를 갖는다. 이러한 작은 입자의 연화점 또는 융점은 일반적으로 벌크(bulk) 물질의 연화점 또는 융점보다 낮다.

적합한 코팅 입자는, 코팅된 생성물에 대한 필요성에 따라서, 알루미나, 산화아연, 티타니아 등과 같은 금속 산화물, 또는 실리카 또는 유기 중합체와 같은 유전체를 지닐 수 있다.

본 발명의 코팅 방법에 따르면, 코팅하고자 하는 마이크로미터 크기의 입자 및 코팅 물질의 나노미터 크기의 입자는 코팅 입자가 코팅하고자 하는 코어 무기 입자의 전면에 걸쳐 고르게 분포되게 하는 비율로 함께 혼합된다. 그런 다음, 생성된 입자는 무기 코어 입자를 둘러싸는 얇은 코팅 입자층을 형성시키도록 소성된다. 소성된 분말은 코어 입자의 모든 비코팅 부분을 제거하기 위해 세정되거나 분무되며, 세척된 코팅된 입자는 건조된다.

혼합 단계는 중요하다. 이러한 혼합 단계는 코팅하고자 하는 입자의 과립이 나노미터 크기의 코팅 입자로 완전히 둘러싸여지도록 하기 위해 수행되어야 하며, 이러한 혼합은 나노미터 크기의 코팅 입자 및/또는 마이크로미터 크기의 입자가 응집되지 않도록 수행되어야 한다. 예를 들어, 세라믹 밀링볼(milling balls)은 나노미터 크기의 코팅 입자를 분산시키고 이들이 무기 입자 용적에 고르게 분포되게 하기 위해 혼합 단계 동안에 사용될 수 있다. 또한, 초음파 처리를 사용해서도 코팅 입자가 응집되지 않게 할 수 있다. 인광물질 입자가 실리카로 코팅되는 경우에, 실리카 대 인광물질의 중량비는 각 유형의 입자의 크기에 따라 약 0.05 내지 0.3의 범위일 수 있다.

모터로 구동되는 블렌더(blender) 또는 기계식 롤러가 혼합 단계에 적합하다. 블렌딩은 마이크로미터 크기의 무기 입자의 균일한 코팅을 보장하기 위해 약 20분 이상의 시간 동안 수행되는 것이 적합하다.

입자를 혼합시키고 분쇄시켜 마이크로미터 크기의 무기 입자를 균일하게 코팅시킨 후에, 입자는 코팅 물질이 연화되거나 용융되어 무기 입자상에 얇은 층을 형성할 수 있을 정도로 충분히 높지만 무기 입자가 사실상 불변상태로 유지되게 할 수 있을 정도로 충분히 낮은 온도에서 소성된다. 이점에 관해서, 코팅 입자의 융점 및 연화점은 코팅하고자 하는 입자의 크기와 비교하여 코팅 입자의 매우 작은 크기로 인해, 벌크 물질에 비하여 일반적으로 상당히 떨어진다.

인광물질 분말상에 실리카층을 형성시키기 위해, 소성은 약 20 내지 120분 동안 약 500℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 수행될 수 있다.

소성 단계후에, 코팅된 입자는 남아있는 어떠한 비코팅된 입자도 용해시키거나 분해시키고 불투수성 코팅 입자만을 남기는 적합한 용매중에서 세척된다. 비코팅된 입자는 단지 소성된 입자의 작은 부분일 것이다.

마지막으로, 세척된 코팅된 입자는 사용된 세척 용매의 증발 온도 미만 또는 근처의 온도에서 공기중에서 가열시키는 것과 같은 방식에 의해 건조된다.

본 발명은 하기 실시예에 추가로 기술되어 있지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 상세하게 기술된 부분으로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

UV 또는 가시광선으로 여기시켰을 때 수십분 동안 오렌지색 광을 방출시키고 입자 크기가 약 1 내지 100㎛인 SrS:Eu:Er:Dr 인광물질 분말 50g을 평균 입자 크기가 약 7nm인 증기 상태의 실리카 입자 5g과 배합시켰다. 입자 크기가 약 2-3 내지50nm인 증기 상태의 실리카 입자는 데구사 코포레이션(DeGussa Corporation)으로부터 Aerosil 300(등록상표)으로 입수할 수 있다. 이들 입자의 연화점은 약 800℃이다.

인광물질 및 실리카를 200ml 용량의 캡 밀봉 용기에 정위시키고, 용기에 또한 정위된 약 ½ 인치에 약 ½의 원통형 세라믹 볼의 도움으로 모터 구동식 블렌더(뉴저지에 소재하는 글렌 밀스 인코포레이티드(Glen Mills, Inc.)에서 입수 가능한 TURBULA(상표명))를 사용하여 30분 동안 함께 배합시켰다. 이러한 세라믹 밀링볼은 분말과 입자가 응집되지 못하게 하며 적절한 크기의 체(sieve)를 사용하여 코팅된 무기 입자로부터 용이하게 제거된다.

배합된 분말을 질소하 800℃의 석영관형 로에서 소성시켰다.

소성후, 분말 혼합물의 용적은 줄어들었지만, 어떠한 신터링도 분명하지 않았다. 인광체 색상은 변하지 않은 채로 그대로 유지되었다.

코팅된 인광물질을 10분 동안 물로 세척하고 3시간 동안 50℃의 공기중에서 건조시켰다.

건조된 샘플을 4시간 동안 수중에 침지시켰다. 인광체 색상은 오렌지색으로 유지되었고 어둠속에서 여전히 발하여, 인광물질 입자가 불투수층으로 코팅되었음을 확실하게 하였다.

비교로서, 동일하지만 코팅되지 않은 인광물질 입자의 샘플을 또한 4일 동안 수중에 침지시켰다. 인광체 색상은 황색빛을 띤 백색으로 변하였으며, 발광은 수중에의 침지후 30분 이내에 완전히 사라지는 것으로 밝혀졌다.

습윤화 전과 후의 비코팅된 및 코팅된 인광물질 입자에 대한 발광 시험 결과는 하기 표 1에 제시되어 있다.

샘플	설명	상대적인 방출 강도
		초기	15분 후
A	비코팅	0.88	0.77
B	실리카 코팅, 비습윤화	1.00	0.88
C	실리카 코팅, 습윤화	0.82	0.72

실시예 2

얼라이드시그날, 인코포레이티드(AlliedSignal, Inc.)로부터 "LUMILUX(등록상표)"로서 입수 가능한, 수분에 민감한 장기 지속형의 적색 인광물질 샘플, 즉, CaS:Eu⁺²Tm⁺³50g 및 Aerosil 300(등록상표) 3g을 200ml 용량의 캡 밀봉 용기에서 실시예 1에서와 같이 배합시켰다. 이러한 인광물질은 분홍색의 본체 색상을 가지고 있으며, UV/가시광선에 의한 여기후에 수십분 동안 적색광을 방출시킨다.

배합된 입자를 질소 퍼지 가스하에 800℃의 관형로에서 40분 동안 소성시켰다. 소성후, 인광물질의 용적은 줄어든 것으로 밝혀졌으나 어떠한 신터링도 관찰되지 않았다. 본체의 색상은 변하지 않은채로 유지되었다. 코팅된 인광물질을 물로 세척한 후, 공기중의 실온에서 밤새 건조시켰다.

건조된 샘플을 2개월 동안 수중에 침지시켜 시험하였다. 이러한 시험후, 본체의 색상은 분홍색으로 유지되었고 방출의 성질은 변하지 않았다.

동일한 인광물질의 비코팅 대조 샘플을 또한 수중에 침지시켰다. 본체의 색상은 분홍색을 띤 적색으로 변하였고, 발광은 수중에의 침지후 2일 이내에 완전히사라졌다.

이상에서와 같이, 본 발명은 특정의 코팅 물질 및 특정의 인광물질과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다. 코팅하고자 하는 입자 및 코팅 입자의 상대적인 크기가 일정하게 유지되는 경우에, 그 밖의 다른 물질이 코팅되거나 그 밖의 다른 나노미터 크기의 무기 입자가 다른 표면 특성을 부여하는데 사용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 청구의 범위에 의해 정하여 진다.

Claims (7)

1. 입자 크기가 약 1 내지 100㎛인 무기 입자를 입자 크기가 약 1 내지 100nm인 무기 코팅 입자와 혼합시키는 단계;

   나노미터 크기의 코팅 입자를 연화시키거나 용융시킬 수 있을 정도로 충분히 높지만 마이크로미터 크기의 입자의 표면이 변하지 않은 채로 유지되게 할 수 있을 정도로 낮은 온도에서 상기 혼합물을 소성시키는 단계;

   모든 비코팅된 마이크로미터 크기의 입자를 용매중에서 반응시키거나 용해시킴으로써 제거하는 단계; 및

   코팅된 입자를 건조시키는 단계를 포함하여, 무기 입자를 코팅시키는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 나노미터 크기 입자의 입자 크기가 약 3 내지 50nm임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 혼합 단계 동안에 불활성의 밀링볼(milling balls)을 분말에 첨가하여 나노미터 크기의 입자가 응집되지 않게 함을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 초음파 처리를 사용하여 나노미터 크기의 입자가 응집되지 않게 함을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 마이크로미터 크기의 입자가 인광물질 입자임을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 나노미터 크기의 입자가 실리카, 알루미나, 티타니아, 산화아연 및 유기 중합체로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 제 1 단계가 약 500 내지 약 1100℃ 범위의 온도에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.