KR20040098740A - 저융점 유리 미분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (1) 용매에 유리 구성 성분의 화합물을 녹여 출발 용액을 제조하는 과정; (2) 상기 얻어진 출발 용액을 분무시켜 미세 액적 상태로 운반기체를 이용하여 화염 반응기로 이송하는 과정; (3) 상기 화염 반응기로 이송된 액적들을 화염부에서 순간적으로 용융 및 유리화시킴으로써 미분말 형태의 유리입자를 얻는 과정; 및 (4) 상기 얻어진 입자들을 포집하는 과정을 포함하는 저융점 유리 미분말 제조방법 및 이와 같은 방법으로 제조된 디스플레이 패널의 유전층 제조용 저융점 유리 미분말에 관한 것이다.

Description

저융점 유리 미분말 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING LOW MELTING GLASS POWDER}

본 발명은 플라즈마 디스플레이 유전층 재료로서 사용될 수 있는 저융점 유리 분말의 제조방법 및 그 조성에 관한 것이다.

플라즈마 디스플레이 패널은 두 장의 유리 기판에 유전체층을 설치하고, 이 중 한 편에 방전 공간을 나누는 격벽과 형광체층을 설치하고, 내부에 불활성 가스를 봉입하여 제조된다. 발광 표시는 내부에서 플라즈마 방전을 일으킬 때 발생하는 자외선을 가시광선으로 변환하는 것으로 이루어진다.

두 장의 유리 기판 중 관측자 쪽에 위치하는 기판에 형성되는 유전체층은 저융점 유리 분말로부터 제조된 페이스트를 인쇄 및 소성하여 형성되며, 플라즈마 방전시 발생된 벽전하가 축적되어 방전을 유지시키도록 하는 역할을 한다. 상판 유전체는 가시광선이 투과되어 나오는 부분이므로 투명도가 요구되고, 방전과 관련하여 적절한 유전상수값을 가질 것이 요구된다.

유전체 재료로서 사용되는 저융점 유리재료를 제조하는 종래의 방법은 다음과 같다 (도 1 참조).

먼저, 구성원소의 산화물 또는 탄산화물을 구성비에 맞춰 정량하여 혼합한 다음, 이 혼합물을 백금 도가니에 넣고 1200 ~ 1300 ℃의 온도에서 용융시킨 후, 용융액을 급냉하여 유리 플레이크를 얻는다. 그리고 나서, 얻어진 플레이크를 볼 밀 또는 제트 밀 등의 기계적 방법으로 분쇄하여 미분말을 얻는다.

이와 같이 얻어진 유리 미분말로부터 페이스트를 제조하고 인쇄 및 소성하여 유전체층을 형성할 때, 유리 미분말의 표면 상태, 입도 및 형상에 따라 유전체층의 소성상태가 영향을 받게 되며, 이는 투과율 특성에 직접적인 영향을 미치게 된다.

이러한 종래의 방법을 사용하여 미분말을 제조할 때, 1 ㎛ 이하의 미분말을 얻기 위해서는 물 또는 알코올을 분산매로 사용하는 습식 분쇄를 실시한다. 그러나, 이러한 습식 분쇄는 분쇄된 미분말 표면에 용매 분자들이 흡착되거나 용매와 유리 표면의 반응으로 조성 변화층이 생성되어 제조된 미분말의 특성이 열화되는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 최소화하기 위하여 건식 분쇄를 실시하기도 하는데, 이 경우에는 분쇄 효율과 분말 응집 방지를 위해서 소량의 용매를 첨가한 상태로 분쇄한다. 그러나, 이와 같은 건식 분쇄의 경우에는 2 ㎛ 이하의 미분말을 얻기가 어렵고 분쇄된 미분말의 형상도 불규칙하게 된다는 단점이 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 습식 및 건식 분쇄에서 얻어지는 미분 입자는 그 표면에 수분이 흡착하거나, 분쇄 과정 중의 기계화학적(mechanochemical) 반응에 의하여 조성 변화층이 존재하게 된다는 단점을 보완하고자, 출발 용액을 분무하여 미세 액적 상태에서 유리화함으로써, 본 발명은 기계적인 분쇄 과정 없이 유리 미분말을 제조하는 방법을 제공한다.

도 1은 종래의 저융점 유리 미분말 제조방법을 보여주는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 저융점 유리 미분말 제조방법을 보여주는 것이다.

도 3은 화염 불꽃 분무 열분해 장치의 모식도이다.

도 4는 본 발명의 방법에 의하여 제조된 유리 미분말의 SEM 사진이다.

*** 도면 주요부의 설명 ***

1 : 출발용액

2 : 운반기체

3 : 분무된 액적

4 : 연소기체

5 : 노즐

6 : 화염불꽃

7 : 집진장치

본 발명은 플라즈마 디스클레이 패널의 유전층 제조 원료로서 사용 가능한 저융점 유리 미분말을 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명의 제조방법에 따라서 제조된 유리 미분말은 플라즈마 디스플레이 패널의 유전층 제조용 저융점 유리 재료로서 유용하다.

본 발명의 저융점 유리 미분말 제조방법은,

- 용매에 유리 구성 성분의 화합물을 녹여 출발 용액을 제조하는 과정;

- 상기 얻어진 용액을 분무시켜 화염 반응기로 이송하는 과정;

- 화염 반응기에서 순간적으로 용융 및 유리화하는 과정; 및

- 얻어진 입자들을 포집하는 과정을 포함하여 이루어진다.

상기 용매로서 물 또는 알코올을 사용할 수 있다. 알코올은 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 이소-프로필 알코올, n-부틸 알코올 또는 2-메톡시 알코올 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 사용되는 구성 성분 화합물에 따라 소량의 산을 첨가하여 사용할 수도 있다. 이 때, 사용 가능한 산은 염산, 질산, 아세트산 등이며 첨가량은 0.1N 이내인 것이 바람직하다.

상기 유리 구성 성분은 B, Al, Si, P, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Pb 및 La 로 이루어진 군 중에서 선택되는 원소를 하나 이상 포함한다. 상기 유리 구성 성분의 화합물은 상기한 유리 구성 성분을 이루는 원소의 염화물, 질화물, 수화물, 아세트산 염, 알콕시 화합물 및 산으로 구성되는 군 중에서 선택된 한 가지 이상의 화합물이다. 상기 구성 성분 원소의 화합물을 용매에 녹여서 출발 용액을 제조한다. 예컨대, PbO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃계의 유리 미분말을 제조하기 위해서는 증류수에 아세트산 납, 붕산, 테트라 에틸 오르토 실리케이트(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 및 알루미늄 니트레이트(Aluminum nitrate)를 원소비에 맞추어 정량하여 용매에 녹여서 출발 용액을 제조할 수 있다. 출발 용액의 농도는 유리 구성 성분 화합물의 총량을 기준으로 3 mol/L 이내인 것이 바람직하며, 0.5 내지 2.0 mol/L인 것이 보다 바람직하다. 그 이상인 경우에는 침전이 쉽게 형성되므로 용액 내에 균일한 농도를 보장할 수 없기 때문에 바람직하지 못하다.

상기 용액을 분무시키는 방법으로서 초음파 진동 및/또는 노즐 분사 방법을 사용할 수 있다. 즉, 제조된 출발 용액을 초음파 진동자 또는 노즐 분사 중 어느 하나 또는 이들 두 가지를 조합한 방법으로 분무시켜서, 평균 입경이 1 - 5 ㎛인 액적을 형성한다. 상기 출발 용액은 이와 같이 형성된 액적 상태로 운반기체에 의해서 화염 반응기의 화염부로 이동한다. 상기 운반기체로서 불활성 기체인 질소, 아르곤 등을 사용할 수 있고, 산화 반응을 쉽게 일으키기 위하여 산소를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 질소, 아르곤, 및 산소 중 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 운반기체의 공급 유속은 2 - 20 lpm (liter per minute)의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 그 이상의 유속에서는 액적의 체류시간이 급격하게 줄어들게 되어 바람직하지 못하다.

상기 화염 반응기는 도 3과 같은 구조를 가질 수 있으며, 여기서 화염을 발생시키는 연소기체로서 H₂, C₃H₆, O₂또는 이들 중에서 두 가지 이상을 혼합한 혼합가스를 사용할 수 있다. 유리 구성 성분의 용융 및 유리화는 화염 반응기의 이러한 연소기체로부터 화염이 발생하는 화염부에서 일어난다. 이와 같은 화염부의 온도는 1500 - 2500 ℃ 의 범위가 되므로, 짧은 시간 동안 구성 성분이 완전히 용융될 수 있고, 화염부를 빠져 나오면서 냉각되어 유리를 형성할 수 있다. 이 때, 최초 분무시의 액적들로부터 각각 유리가 형성되므로 미세한 분말이 얻어지게 된다. 이와 같이 형성된 유리 미분말을 백-필터(bag-filter) 등을 이용하여 포집한다.

또한, 본 발명은 상기의 제조방법에 따라서 제조된 유리 미분말을 제공하며, 이와 같이 제조된 유리 미분말은 플라즈마 디스플레이 패널의 유전층 제조용 저융점 유리 재료로서 유용하다. 본 발명에 의하여 제조되는 미분말은 200 nm 이하의 크기를 갖는다 (도 4 참조).

실시예

1. 사용물질

- 질산납 0.28 mol/L,

- 붕산 0.08 mol/L,

- 테트라 에틸 오르토 실리케이트(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 0.38 mol/L,

- 알루미늄 니트레이트 0.06 mol/L

2. 용매: 증류수 (H₂O)

3. 운반기체 및 유량: O₂(5 lpm)

4. 연소기체 및 유량 : O₂(50 lpm), LPG (5 lpm)

위의 사용물질을 증류수에 용해시켜 용질 총량 기준 0.8 M 용액을 제조하였다. 이 용액을 초음파 분무시켜 평균 입경 2 ㎛ 의 액적으로 만든 후, 운반기체로서 O₂를 사용하여 화염 반응기 내로 유입시켰다. 화염 반응기 내에는 O₂와 LPG로 구성된 연소 기체로부터 화염이 형성되어 있으며, 그 온도는 1900 ℃ 이상이었다. 반응기 내부로 유입된 액적은 화염 형성부를 지나면서 순간적으로 가열되어 구성 성분이 용융되고, 화염부를 빠져 나오면서 냉각되어 비정질상의 유리 분말이 제조되었다. 제조된 유리 분말을 백-필터(bag-filter)를 이용하여 포집하였다. 이 때 형성된 유리 분말은 200 nm 이하의 크기 분포를 가졌으며, 이를 도 4에 나타내었다.

본 발명에서는 화염 불꽃 반응기를 이용하여 미세한 유리 분말을 제조한다. 전통적인 습식 및 건식 분쇄에서 얻어지는 미분쇄 입자는 그 표면에 수분이 흡착하거나 분쇄 과정 중의 기계화학적(mechanochemical) 반응에 의하여 조성 변화층이 존재하게 된다. 그러나, 본 발명에 의한 제조방법에서는 분쇄법에 의하지 않고 미분을 얻을 수 있으므로 이러한 부작용이 없게 된다. 따라서, 소성 후 유전체층의 투과율을 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

Claims (13)

1. - 용매에 유리 구성 성분의 화합물을 녹여 출발 용액을 제조하는 단계;

   - 상기 얻어진 출발 용액을 분무시켜 미세 액적 상태로 운반기체를 이용하여 화염 반응기로 이송하는 단계;

   - 상기 화염 반응기로 이송된 액적들을 화염부에서 순간적으로 용융 및 유리화시킴으로써 미분말 형태의 유리입자를 얻는 단계; 및

   - 상기 얻어진 입자들을 포집하는 단계를 포함하는 저융점 유리 미분말 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 용매로서 물 또는 알코올을 사용하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 알코올을 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 이소-프로필 알코올, n-부틸 알코올 및 2-메톡시 알코올로 구성되는 군 중에서 선택하여 사용하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 용매에 염산, 질산 및 아세트산으로 구성된 군 중에서 선택된 산을 0.1N 이내의 소량으로 추가적으로 첨가하여 사용하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유리 구성 성분의 화합물로서 B, Al, Si, P, Mg,Ca, Sr, Ba, Zn, Pb 및 La 로 이루어진 군 중에서 선택되는 원소를 포함하는 화합물을 한 가지 이상 사용하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 화합물이 염화물, 질화물, 수화물, 아세트산 화합물, 알콕시 화합물 및 산으로 이루어진 군 중에서 선택되는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 출발 용액의 농도를 유리 구성 성분의 화합물 총량을 기준으로 3 mol/L 이내로 하여 사용하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 용액을 분무시키는 방법으로서 초음파 진동, 노즐 분사 또는 이들의 조합을 사용하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 분무된 액적의 평균 입경을 1 내지 5 ㎛로 하여 수행하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 운반기체로서 불활성 기체인 질소, 아르곤, 산소 또는 이들 중 두 가지 이상의 혼합기체를 사용하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 운반기체의 공급 유속을 2 내지 20 lpm의 범위로 하여 수행하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 화염부에서 화염을 발생시키는 가스로서 H₂, C₃H₆, O₂또는 이들 중에서 두 가지 이상을 혼합한 혼합가스를 사용하고, 화염부의 온도가 1500 내지 2500 ℃ 이상인 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된, 200 nm 이하의 크기를 갖는, 플라즈마 디스플레이 패널의 유전층 제조용 저융점 유리 미분말.