KR20040065191A

KR20040065191A - 화염분무열분해 반응을 이용한 산화인듐주석 나노 분말제조 방법

Info

Publication number: KR20040065191A
Application number: KR1020040042866A
Authority: KR
Inventors: 장희동; 서용재; 성천모; 김헌창
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2004-07-21
Also published as: KR100586182B1

Abstract

본 발명은 화염분무열분해반응(flame spray pyrolysis)을 이용하여 산화인듐주석 나노 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 화염(flame) 내부에서 액적으로부터 나노입자를 생성시키는 에어로졸 기술을 사용하여 인듐 및 주석화합물이 혼합된 원료로부터 평균입자크기 30 나노미터(nm) 이하의 산화인듐주석 나노 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기의 산화인듐주석 나노 분말을 제조하기 위하여 본 발명에서는 인듐질화물 및 주석염화물을 첨가하여 농도가 조절된 액상의 원료물질들을 분무하여 생성된 액적들을 화염반응기로 주입하여 산화인듐주석 나노 분말을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

Description

화염분무열분해 반응을 이용한 산화인듐주석 나노 분말 제조 방법{Producing method for indium-tin oxide nano composite powder using flame spray pyrolysis}

본 발명은 나노 분말 제조 방법 중 에어로졸 기술을 이용한 것으로, 보다 상세하게는 인듐질화물 및 주석 염화물을 85∼95 중량%, 5∼15% 중량으로 혼합한 염을 증류수에 용해한 후 액적상태로 분무하여 9000℃ 이상으로 유지되는 화염 내부로의 그 액적을 주입하여 평균입자크기 10∼25 nm인 산화인듐주석 나노 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

산화인듐주석 나노분말은 액정표시장치 (LCD), 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP), 유기 발광소자 등에 사용되는 판넬에 코팅하여 전도성과 투명성을 확보해주는 필수소재이며 국내 수요가 현재 3 백억원 규모이다.

산화인듐주석 나노분말은 평균입자크기가 60 - 80 nm 인 분말이 습식 공정에 의해 국내 기술로 상용화 되어 일부 사용되고 있으나 현재 대부분 수입에 의존하고 있으며 세계적으로 입자크기가 작고 재료 특성이 향상된 분말의 제조 기술 개발이 진행 중에 있다.

산화인듐주석(이하 "ITO"라 한다) 나노 분말의 제조를 위해 물리 화학적인 방법들이 여러 연구자들에 의해 개발이 되었다. 이러한 ITO나노 분말을 제조하는 기술에 대한 공지기술로서는 미국 특허 US 6,533,966(명칭 : Method for preparing suspensions and powders based in indium tin oxide and use thereof, 출원일 : 2001년 2월 26일) 및 국내특허 10-2002-0006460(명칭: MOD법에 의한 ITO 나노분말의 제조, 출원일 : 2002년 2월 5일), 국내특허 10-2002-0018864 (명칭: 분무건조에의한 초미립 아티오 분말 합성방법 및 이를위한 분무건조장치, 출원일: 2002년 4월 8일), 국내특허 10-2002-7016070 (명칭: 산화 인듐중에 주석인 고용된 아이티오 분말의 제조방법 및 아이티오 타겟의 제조 방법, 출원일: 2002년 11월 27일) 등이 공개되어 있다.

상기의 미국 특허 US 6,533,966은 인듐과 주석 화합물을 액상에서 침전반응을 이용하여 ITO 분말을 제조하는 방법이며, 국내 특허 10-2002-0006460는 인듐과 주석의 유기금속화합물을 저온에서 200℃에서 열분해하여 생성된 졸상태의 화합물을 다시 열처리를 통해 ITO 분말을 제조하는 방법이다. 또한, 국내특허 10-2002-0018864는 인듐황화물과 주석염화물을 증류수에 용해한 후 분무시켜 300℃에서 건조 시킨후 다시 700∼900℃에서 열처리하여 비표면적 17 m²/g 입자크기 50 nm 의 ITO 초미립 분말을 제조하는 방법이며, 국내특허 10-2002-7016070는 초산인듐과 주석염화물을 증류수에 용해한 후 분무시켜 700∼900℃에서 열분해하여 입자크기 수 미크론의 미분체를 제조하는 방법이다. 이상의 방법은 ITO 분말의 제조에 관한 것이나 화염열분해법을 사용하여 입자크기 25nm 이하인 ITO 나노 분말을 제조하는 방법에 대한 내용은 공개되지 않았다.

이에 본 발명에서는 나노 분말 제조 방법 중 에어로졸 기술을 이용한 것으로, 보다 상세하게는 인듐질화물 및 주석 염화물을 85∼95 중량%, 5∼15% 중량으로혼합한 염을 증류수에 용해한 후 혼합액적상태로 분무하여 1500∼1700℃로 유지되는 화염 내부로의 그 액적을 주입하여 평균입자크기 10∼25 nm인 ITO 나노 분말을 제조하는 기술을 제공하는데 그 기술적 과제가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 사용한 나노 분말 제조장치 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 반응물질의 일정조성에서 생성된 나노 분말의 전자현미경 사진.

도 3은 본 발명에 따른 반응물질의 조성 변화에 따라 생성된 나노 분말의 결정형 분석결과.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 액적발생부 20 : 화염반응부

21,22,23,24,25 : 제1관 내지 제5관

30 : 입자포집부

상기한 본 발명의 기술적과제는 반응물질인 인듐질화물 (Indium Nitrate)과 주석 염화물(Tin Chloride)의 일정량을 증류수에 함께 용해시켜 분무기를 사용하여 액적을 발생시킨 후 수소-산소-공기가 혼입되어 형성된 고온의 화염속으로 분무된 액적들을 통과시켜 산화반응에 의하여 인듐 및 주석이 혼합된 ITO 나노 분말을 제조함으로써 달성할 수 있으며, 반응가스 중의 액상 반응물질의 몰농도, 가스유량, 가스조성 등이 주요 변수이므로 이들 변수를 변화시킴으로서 최적의 입자 크기와 결정형을 갖도록 하여 본 발명의 기술적 과제를 달성할 수 있다.

이하에서는 나노 분말을 제조함에 있어서 화염반응기에 주입되는 액상 반응물질의 몰농도, 수소, 산소, 공기 및 알곤의 양을 조절하여 ITO 나노분말을 제조하는 방법을 첨부한 도면들에 의하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 사용된 ITO 나노분말 제조장치를 개략적으로 나타낸 것으로서, 반응물질인 액체상의 반응물질을 초음파분무부(10)에서 액적화하고, 5중관으로 구성된 버너(20)로 화염을 생성하며, 상기의 분무된 액적들을 화염을 통과시키게 되면 산화반응에 의해 ITO 나노 분말이 형성된다. 상기의 생성된 나노 분말은 입자포집부(30)에서 포집하여 나노 분말을 회수하게 되는 것이다.

<실시예 1>

본 실시 예는 ITO 나노 분말 제조시 고온의 화염에 주입되는 반응물질의 조성을 변화시켜 생성되는 분말의 조성을 조절하고자 하는 것이다.

인듐과 주석 화합물을 증류수에 용해하여 다음과 같이 2종류의 실험조건에서 형성된 화염으로 주입하면서 분말제조 실험을 수행하였다.

두 종류의 반응물질이 일정농도로 용해된 수용액상의 시료를 도 1에 나타난 액적발생부(10)로 주입하여 액적화한 후, 이송 기체인 공기가스와 더불어 버너(20)의 중심에 위치한 제1관(21)으로 주입하고, 알곤, 수소, 산소 및 공기는 제2관에서 제5관(22,23,24,25)의 순서로 하여 다음과 같이 2종류의 실험을 하되, 전체가스 유량을 기준으로 부피분율로 확산형 버너(20)로 주입하여 화염을 발생시킨다.

- 실험조건

① 화염반응기로 유입되는 가스유량에 있어서, 5중관으로 구성된 화염반응기에 제1관으로는 인듐과 주석이 몰 비로 9:1로 혼합하여 최종 수용액의 농도가 0.4 M이 되도록한 뒤 액적화하여 이 반응물질의 유입량을 전체 가스 유량 중의 부피분율 7%로 하며, 제2관으로는 알곤가스가 3%로 유입되게 하고, 제4관으로는 산소가스가 20%로 유입하게 하고, 제3관으로는 수소가스가 13% 내지 20%로 변화시키고 증감된 유량만큼을 제5관으로 유입되는 공기의 유량을 조절하여 전체 유량을 일정하게 유지하는 것.

② 화염반응기로 유입되는 가스유량에 있어서, 5중관으로 구성된 화염반응기에 제1관으로는 반응물질의 몰농도를 0.4 M로 하고 이 반응물질의 유입량을 전체 가스 유량 중의 부피분율 7%로 하며, 제2관으로는 알곤가스가 3%로 유입되게 하고, 제3관으로는 수소가스가 17%로 유입하게 하고 제4관으로는 산소가스가 13% 내지 27%로 변화시키고 증감된 유량만큼을 제5관으로 유입되는 공기의 유량을 조절하여 전체 유량을 일정하게 유지하는 것.

여기서, 상기된 화염반응기에 액적상태로 유입되는 액상의 반응물질은 초음파분무발생기 또는 고압분무기를 선택적용한다.

상기의 2가지 종류의 실험에서 형성된 화염의 온도는 열전대로 그 분포를 측정한 결과, 버너의 중심에서 900℃ 이상의 온도가 유지되었으며 중심으로부터 반경방향으로 8mm부근에서 최고온도(1600℃)를 나타내었다. 또한, 인듐질화물과 주석염화물이 용해된 수용액의 농도가 0.4∼0.8M에서 반응물질의 농도를 변화시키며 분말을 제조하였다.

상기 실험을 통해 생성되는 입자크기 변화 및 결정형을 조사하였는 바, ITO분말의 평균입자크기 변화를 전자현미경 분석에 의해 구한 결과, 반응물질의 농도비 증가에 따라 10 nm에서 25 nm로 증가하였다.

도 2는 인듐과 주석의 몰 비가 9:1인 조건에서 생성된 나노분말의 전자현미경 사진을 나타내고 있으며, 이는 입자크기가 11 nm이며 입자형상은 거의 구상에 가까운 것을 알 수 있었다.

도 3에는 도2에 나타난 분말의 결정형 분석을 나타내고 있으며, 100% 순수한 ITO로 되어있는 즉, ITO 이외에 다른 산화물이 다른 상이 존재하지 않는 ITO 분말이 제조됨을 알 수 있었다.

본 발명은 화염분무열분해 반응에 의해 결정형이 뚜렷한 ITO 분말을 다른 후처리 공정을 거치지 않고 수용액상의 인듐주석화합물로부터 간단한 제조 공정을 통해 평균입자크기 10∼ 25 nm의 ITO 나노분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

화염분무열분해 반응에 의해 ITO 나노분말을 제조하는 방법에 있어서, 5중관으로 구성된 화염반응기에 인듐질화물과 주석염화물이 혼합되어 증류수에 용해된 반응물질로 구성된 액적과 산소, 수소 및 공기를 동시에 유입시켜 900℃ 이상으로 화염을 생성시키며 평균입자크기 10∼25 nm의 ITO 나노 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 화염분무열분해 반응에 의한 ITO 나노 분말 제조방법.
제1항 있어서, 화염반응기로 유입되는 가스유량에 있어서, 5중관으로 구성된 화염반응기에 제1관으로는 반응물질의 몰농도를 0.4내지 0.8M로 하고 이 반응물질의 유입량을 전체 가스 유량 중의 부피분율 7%로 하며, 제2관으로는 알곤가스가 3%로 유입되게 하고, 제4관으로는 산소가스가 20%로 유입하게 하고, 제3관으로는 수소가스가 13% 내지 20%로 변화시키고 증감된 유량만큼을 제5관으로 유입되는 공기의 유량을 조절하여 전체 유량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 화염분무열분해반응에 의한 ITO 나노 분말 제조방법.
제1항 있어서, 화염반응기로 유입되는 가스유량에 있어서, 5중관으로 구성된 화염반응기에 제1관으로는 반응물질의 몰농도를 0.4내지 0.8M로 하고 이 반응물질의 유입량을 전체 가스 유량 중의 부피분율 7%로 하며, 제2관으로는 알곤가스가3%로 유입되게 하고, 제3관으로는 수소가스가 17%로 유입하게 하고 제4관으로는 산소가스가 13% 내지 27%로 변화시키고 증감된 유량만큼을 제5관으로 유입되는 공기의 유량을 조절하여 전체 유량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 화염분무열분해반응에 의한 ITO 나노 분말 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 화염반응기에 액적상태로 유입되는 액상의 반응물질 주입을 위해서 초음파분무발생기 또는 고압분무기를 사용하는 것을 특징으로 하는 화염분무열분해반응에 의한 ITO 나노 분말 제조방법.