KR20070067828A

KR20070067828A - ＲＦ 플라즈마 연소기술에 의한 나노 ＭｇＯ 분말 제조방법

Info

Publication number: KR20070067828A
Application number: KR1020050129113A
Authority: KR
Inventors: 박언병; 양충진; 박종일; 변갑식; 손영근
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-29
Also published as: KR101291481B1

Abstract

본 발명은 PDP에서 유전층을 보호하고, 플라즈마 구동 유지 및 유지 전압을 낮게 해주는 MgO를 RF 플라즈마 연소 기술을 이용하여 나노 분말화 하고, 이를 성형 및 소결하여 응답속도를 향상 시킨 기술에 관한 것이다.

본 발명은 RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 MgO 나노 분말을 제조하고, 이를 성형 및 소결하여 PDP용 증착 타겟(Target) 형태로 RF 플라즈마 연소기술에 의한 나노 MgO 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 소결성과 목적 특성을 충족시키기 위해 RF 플라즈마 연소기술에의해 나노 MgO 분말을 제조하는 방법과 성형 및 소결을 거쳐 특성 향상을 시키는 효과가 있다.

Description

ＲＦ 플라즈마 연소기술에 의한 나노 ＭｇＯ 분말 제조 방법{Manufacture method of nano MgO powder by RF plasma burning}

도 1은 RF 플라즈마 연소장치의 구성 및 나노 분말 제조 과정도

도 2는 RF 플라즈마 연소장치내에서 나노 분말 제조 과정도

도 3은 MgO 존재상을 확인한 XRD 그래프.

도 4는 MgO 존재상 및 입도를 보여주는 TEM 사진

도 5는 MgO 입도를 보여주는 입도 분포도.

도 6은 마이크로 MgO분말 소결체와 나노 MgO분말 소결체의 입도 크기를

보여주는 SEM 사진.

*** 도면 주요부분의 부호의 설명 ***

11 : 플라즈마 발생부 12 : 플라즈마 발생장치

13 : 인덕션 코일 14 : 플라즈마 화염

15 : 투입관 16 : 가스 입력구

21 : 사이클론 22 : 필터

30 : 글러브 박스 40 : 배관 파이프

51 : 진공펌프 52 : 컴프레셔

53 : 외부관 60 : 분말 투입기

　일반적으로PDP에서 MgO 보호막은 PbO 유전층을 이온의 스퍼터링(sputtering)으로부터 보호하여 주며, 또한 방전시 낮은 에너지의 이온이 표면에 부딪혔을 때 비교적 높은 이차전자 발생계수의 특성을 가져 방전 플라스마의 구동 및 유지 전압을 낮춰주는 역할을 한다.

　그런데 최근 응답속도(Response Time)의 개선을 통해 고해상도를 실현하기 위하여 새로운 기술 개발의 필요가 증대되고 있다.

MgO 보호막은 크게 진공 증착법과 비진공 증착법으로 나누어지며, 진공 증착법은 스퍼터링(Sputtering)법, 전자빔(Electron-Beam)법, 이온 플레이팅(Ion Plating)법으로 나누어지고 비진공 증착법은 스크린 인쇄법으로 진공법에 비해 가격은 싸지만 500 ℃이상의 소결온도가 주어져야하는 단점이 있어 현재 PDP 생산업체에서 주로 사용하는 방법은 전자빔(Electron-Beam)과 이온 플레이팅(Ion Plating)법을 주로 사용하고 있다.

MgO 보호막 증착재료로서는 제조 공정에 따라 단결정 MgO와 소결 MgO로 구분 할 수 있으며, 단결정 MgO는 MgO 소결 클린커를 Arc 전기 용융법으로 용융하여 냉각공정을 거쳐 단결정 MgO Ingot를 성장시켜 PDP용 증착 타겟(Target) 형태로 제조하여 사용하며, 소결 MgO는 고순도 미분말 MgO를 원료로 성형 후 소결공정을 거쳐 PDP용 증착 (타겟)Target 형태로 제조 되는 것을 말한다. (특개평 10-158826 MgO target 및

제조방법), 특개평 9-12976 (유전체 보호막 형성용 paste), 특개평 11-12722 (진공증착용 산화마그네슘)

단결정 MgO는 PDP 방전시 응답속도가 느리다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 소결성과 목적 특성을 충족시키기 위해 RF 플라즈마 연소기술에의해 나노 MgO 분말을 제조하는 방법과 성형 및 소결을 거쳐 특성 향상을 시킨 결과를 포함하고 있다.

따라서 본 발명은, 이상에서 설명한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, MgO 나노분말은 고순도의 MgO를 미분쇄를 통하여 수 마이크로대의 분말을 제조 후 성형 및 소결하여 증착용 타겟(target)을 제조한다. 그런데 MgO는 공기 중이나 용액내에서 수화 반응성이 매우 좋아 다루기가 힘들고, 고순도의 MgO 미분말을 얻기 위해 복잡한 공정을 거친다. 이에 본 기술에서는 분위기 챔버내에 RF플라즈마를 발생시킨 다음, 수십 마이크로 MgO 분말을 투입하고 기화 및 응축 과정을 거치면서 제조된 고순도의 나노 분말을 글러브 박스(glove box)내에서 수거하여 성형 및 소결하여 타겟(target)을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명은 RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 MgO 나노 분말을 제조하고, 이를 성형 및 소결하여 PDP용 증착 타겟(Target) 형태를 하는 것이 특징이다.

MgO 마이크론 분말을 분말 공급기(powder feeder)통에 넣고 시편을 공급하고, RF 플라즈마 파우어(power)는 15-150kW로 조절하여 플라즈마를 발생시킨 후, 챔버내에 산화성 분위를 형성시키고, 플라즈마 토치(플라즈마 torch) 주변부에 투입하는 가스 중 절연개스(sheath gas) 양을 불화성 기체와 산소를 혼합하여 사용하되, 불활성 기체의 양을 10-80 slpm, 산소 가스의 양을 10-100 slpm으로 투입하며, 세트럴(central gas)를 불활성 기체로 5-40 slpm 투입하며, 이송개스(carrier 개스)를 산소로 5-40 slpm투입하며, 냉각개스(quenching개스)를 불활성 기체로 50-400 slpm을 사용하여 나노 MgO 분말을 제조하는 것을 특징으로 한다.

금속성 노즐의 하단과 RF를 발생시키는 인덕션 코일(induction coil) 중심과 높이 간격을 3 cm 이내로 조절하는 것을 특징으로 한다.

제조된 MgO분말을 분산체를 이용하여 분산 후 성형하여 소결하여 PDP용 증착 Target 형태로 제조하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 RF 플라즈마 연소장치의 구성 및 나노 분말 제조 과정도이다.

장치의 구성은 도 1과 같다. RF 플라즈마 토치(torch)부는 RF에 의해 플라즈 마를 발생시키고 그 화염의 직경과 길이를 길게 하는 역할을 하며, 각 가스라인을 통하여 초기 마이크로 분말이 투입되는 노즐의 외벽에 가스를 분사하는 센트럴 개스(central gas)와 RF 발생장치인 인덕션 코일(induction coil)의 외벽에 기화 분말이 흡착되지 않게 투입되는 절연개스(sheath gas), 그리고 투입되는 마이크로 분말을 이송해 주는 케리어 개스(carrier gas)로 구성되어 있다. 투입된 마이크로 분말이 플라즈마 화염부에 도달하면, 인덕션 프라즈마 토치(Induction Plasma torch)에서 생성되는 플라즈마의 온도는 약 5,000～10,000 K의 고온 환경을 형성하여 분말은 기화 혹은 용해된다. 이때 플라즈마 토치(Plasma torch) 하단부에 강하게 분사되는 냉각개스(quenching gas)에 의해 응축 혹은 급냉되어 나노 분말화 된다. 생성된 나노 분말은 진공 펌프 혹은 컴프레셔(compressor)에 의해 이송되고 사이클론(cyclone)을 지나면서 분말의 온도가 하강되고 필터(filter)(22)에 나노 분말은 수거되고 개스(gas) 는 외부관(53)을 통하여 나가게 된다. 일정량이 필터(filter)(22) 외벽에 흡착되면 필터내부에서 백플러싱(back flushing)하여 나노 분말을 탈착시켜 하단의 나노 분말 수거통에서 회수한다. 나노분말은 반응가능 기체와 접촉하는 표면적이 매우 넓기 때문에 회수 및 처리에 주의를 해야 한다.

인덕션 플라즈마 토치(Induction plasma torch)부에는 투입되는 분말 공급 개스(powder feeding gas), 센트럴 개스(central gas), 절연개스(sheath gas)그리고 인덕션 플라즈마 토치(induction plasma torch) 하단부에서 냉각개스(quenching gas)의 양과 속도는 나노 분말의 입도 분포를 결정하고, 특히 절연개스(sheath gas)의 종류에 따라 플라즈마 화염의 온도 분포에 큰 영향을 미치므로 최적의 조건 정립이 필요하다.

도 2 RF 플라즈마 연소장치내에서 나노 분말 제조 과정도이다.

도 2를 참조하면, 우선 마이크로 분말(100)을 분말 공급기(101)에 주입을 한다. 그리고 개스를 주입한다(102). 상기와 같이 분말 공급기(101)에 공급된 마이크로 분말(100)과 개스에 RF 플라즈마 처리(103)를 한다. 다음 단계로 마이크론 입자를 분리(104)를 한다. 그리고 큰 나노입자를 분리(105)를 하고 필터부(106)에서 필터링을 하고 최종적으로 수거부에서 수거를 한다(107).

산화성 혹은 환원성 분위기 내에 RF 플라즈마처리를 할 때 투입되는 가스의 위치와 마이크로 분말과 나노 분말을 분리하는 과정과 최종 수거하는 과정을 도시한다.

수거된 나노분말을 성형기에 투입하고 적당한 압력을 가해 성형체를 제조한다. 제조된 성형체를 승온시간과 열처리온도 그리고 유지시간을 최적화하여 최종 MgO 소결체를 제조하여 특성을 평가한다.

[실시예 1]

RF 플라즈마 장치를 이용하여 MgO 나노 분말을 합성하기 위한 프리커서(precursor)는 50 마이크론 크기 이하이며 순도가 99.9% MgO 분말을 사용한다.　 MgO 마이크론 분말을 분말 공급기(powder feeder)통에 넣고 10 RPM의 속도로 회전과 30%의 진동을 가하여 시료를 플라즈마 torch내부에 노즐을 통하여 공급하였다. RF 플라즈마 파우어는 25-60kW로 조절하여 플라즈마를 발생시킨 후, 투입되는 각 개스(gas)의 유량 및 속도 그리고 종류를 조절한다.

MgO나노 분말의 입도를 결정하는 변수는 RF 플라즈마 파우어 터치(power, torch )내부까지 프리커서(precursor)를 공급하여 금속성 노즐과 RF를 발생시키는 인덕션 코일(induction coil)(13) 과의 높이, 금속성 노즐의 반경, 프리커서(precursor)의 공급량과 속도, 기화된 시편 혹은 용해된 시편을 급냉시키는 냉각개스(quenching gas)의 양으로 구분할 수 있다.

그리고 MgO 나노 분말의 정확한 상 형성 여부와 제 2혹은 3상의 불순물 형성 여부는 분위기 개스(gas)와 플라즈마 토치(torch) 주변에 투입되는 세가지 종류의 절연개스(sheath gas), 센트럴(central gas), 이송개스(carrier gas)에 의해 결정된다.

하기의 표에 MgO 나노 분말 생산을 위한 합성조건을 정리하여 나타내고 있다.

표. 1 나노 MgO 합성 조건

	조　　　 건
플라즈마 Power	20~60 kW
개스	절연(Sheath)	Ar : 10-80　　　　 O₂ : 10-100
	센트럴(Central)	Ar : 5-40 slpm
	냉각(Quenching)	Ar : 100-400 slpm
	이송(carrier)	O₂ : 5-40 slpm

도 3은 MgO 존재상을 확인한 XRD 그래프이다.

MgO 마이크론 분말은 플라즈마의 고온에 의해 열분해 및 재성장 과정을 거쳐 MgO 나노 분말로 합성된다. 필터(Filter)(22)를 통해 수거된 나노 분말의 상 형성 여부 및 제 2상의 존재 여부는 XRD를 통해 확인하고, 그 결과를 도 3에 예시한다. XRD 회절 분석을 통해 MgO 나노 분말의 결정 구조를 살펴본 결과 격자 파라미터(lattice parameter) a=4.211Å 인 입방구조 (JCPDS 45-0946)를 가진 결정이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 그리고 MgO 결정상이 주 결정상이며 제 2상은 관찰되지 않는다.

도 4는 MgO 존재상 및 입도를 보여주는 TEM 사진이다.

결정상이 나노 상태 여부를 확인하기 위하여 TEM과 입도 분석기를 통해 살펴보았다. 도 4에 예시한 바와 같이 입자의 크기는 100 nm이하의 크기를 가지며, 입방형태를 지니고 있었으며, 한 입자에 대한 회절 패턴(diffraction pattern) 분석 결과 패리클레스(periclase)의 입방(cubic) 구조의 단결정 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 MgO 입도를 보여주는 입도 분포도이다.

입도 분석기를 통해 입자의 크기를 분석한 결과, 도 5에 예시한 바와 같이 평균 100 nm 의 크기를 가지는 것으로 판단된다.

그리고 MgO 마이크로 분말과 RF 플라즈마 처리로 제조된 MgO나노 분말에 대한 ICP AES 성분 분석 결과, 하기의 표에 나타낸 바와 같이 불순물 성분의 변화가 거의 없음을 확인할 수 가 있었으며 순도 99.9%의 MgO 나노 분말로 제조가 되었음을 확인할 수 있다.

　표. 2 나노 MgO 및 Micro MgO 분말의 ICP 분석 결과

시 료 명		분　 석　 시　 험　 결　 과　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 단위 : Wt(%)
		CaO	Fe₂O₃	Cr₂O₃	MnO	Na₂O	K₂O	B₂O₃	TiO₂	NiO	SiO₂	Al₂O₃
MgO	Micro	0.038	0.011	0.0012	0.0005	0.0013	0.0031	0.0015	0.0003	<0.0001	<0.0005	0.019
	Nano	0.039	0.015	0.0013	0.0012	0.0094	0.017	0.0009	0.0002	0.0024	0.053	0.017

RF 플라즈마 장치를 통해 제조된 MgO 나노 분말을 분산제로 알코올을 사용하여 혼합 후 가압하여 성형한다. 성형 후 1000-1700 도, 1-7시간 범위내에서 열처리 로에 넣고 소결한다. 소결 결과 나노 분말을 사용한 MgO target의 경우, 동일한 양으로 성형 후 소결했음에도 불구하고 직경과 두께 변화가 마이크로 분말에 비해 커서 수축율이 보다 큼을 확인하였고, 도 6에 예시한 바와 같이 결정립의 크기가 보다 조대한 것으로 나타난다.

소결된 각 target의 방전 시험을 실시한 결과 나노 MgO로 제조한 타겟(target)의 구동전압이 마이크로 MgO로 소결한 것보다 낮게 됨을 확인하였으며, 응답속도도 크게 향상되었음을 확인된다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 사용된 특정한 용어는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 명세서에 기재된 문언적 의미에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 소결성과 목적 특성을 충족시키기 위해 RF 플라즈마 연소기술에의해 나노 MgO 분말을 제조하는 방법과 성형 및 소결을 거쳐 특성 향상을 시키는 효과가 있다.

Claims

RF에 의해 플라즈마를 발생시키는 RF플라즈마 토치부(15); 센트럴 가스와 RF발생 장치인 인덕션 코일(13)의 외벽에 분말이 흡착되지 않게 투입되는 절연가스 및 이송가스로 구성된 RF 플라즈마 연소장치를 이용하여 MgO 나노 분말을 제조하고, 이를 성형 및 소결하여 PDP용 증착 타겟(Target) 형태의 나노 MgO 분말 제조 방법.
제 1항에 있어서,

MgO나노 분말은MgO 마이크론 분말을 분말 공급(powder feeder)통에 넣고 시편을 공급하고, RF 플라즈마 power는 15-150kW로 조절하여 플라즈마를 발생시킨 후, 챔버내에 산화성 분위를 형성시키고, 플라즈마 토치(플라즈마 torch) 주변부에 투입하는 가스 중 절연개스(sheath gas) 양을 불화성 기체와 산소를 혼합하여 사용하되, 불활성 기체의 양을 10-80 slpm, 산소 가스의 양을 10-100 slpm으로 투입하며, 센트럴개스(central gas)를 불활성 기체로 5-40 slpm 투입하며, 이송개스(carrier 개스)를 산소로 5-40 slpm투입하며, 냉각개스(quenching개스)를 불활성 기체로 50-400 slpm을 사용하여 제조한 것을 특징으로 하는 나노 MgO 분말 제조 방법.
제 1항에 있어서,

금속성 노즐의 하단과 RF를 발생시키는 인덕션 코일(induction coil) 중심과 높이 간격을 3 cm 이내로 조절함을 특징을 하는 나노 MgO 분말 제조 방법.
제 1항에 있어서,

제조된 MgO분말을 분산체를 이용하여 분산 후 성형하여 소결하여 PDP용 증착 타겟(Target) 형태로 제조함을 특징으로 하는 나노 MgO 분말 제조 방법.