기계 화학적 방법을 통한Mn 도핑된 Zn₂SiO₄형광체 분말의 제조

Abstract

현재 PDP용으로 쓰이는 녹색 형광체로 Zn₂SiO₄:Mn 분말을 사용하고 있다. 이 분말은 고상반응법 또는 수열 합성법으로 제조되고 있다. 이러한 방법으로 제조된 분말은 형광체 입자의 형태와 조성, 그리고 경제성 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 기존 공정의 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 기계화학적(Mechanochemical, 이하 MCP) 공정을 이용하여 형광체 분말을 제조하고자 하였다. 고에너지 밀링 과정에서 분말은 기계화학반응이 일어나며, 공정에서 수십 m 이하의 분말이 만들어 진다. 밀링 후 분말은 균일하게 혼합되어 있어서 열처리공정에서 확산거동을 양호하게 된다. 실험의 원료로는 규산소다 (Na₂SiO₂), 염화망간 (MnCl₂), 염화아연 (ZnCl₂), 탄산나트륨 (Na₂CO₃)을 화학양론적으로 배합한다. 진동밀 (SPEX Co., 8000M Mixer/mill)을 사용하여 4시간 동안 분쇄 및 화학 반응이 일어났다. 이때 볼의 직경은 10mm이고 볼과 분말의 비는 10:1으로 하였다. 밀링 후에 염화나트륨 (NaCl)을 제거하기 위하여 원심분리기를 이용하여 3000RPM으로 3분 동안 증류수로 7회에 걸쳐 세척하였다. 진공 건조를 10시간 동안 행한 후에 분말의 단일상을 얻기 위하여 1100,1200,1300 온도범위에서 Ar gas 분위기로 4시간 동안 열처리 하여 최종분말을 합성하였다. 얻어진 분말은 XRD(Rigaku D/MAX-2500/PC, Cu Ka)를 사용하여 단일상 형성 여부를 조사하였다. 분말 입자의 모양 및 크기를 SEM(JSM-6330F)으로 조사하였다. 또한 EDX 분석을 행하여 분말의 화학 성분을 조사하였다. MCP 후에 분말은 NaCl의 halite상을 얻을 수 있었고, 세척 이후에는 NaCl이 제거되었고, 비정질의 분말을 얻을 수 있었다. 분말의 화학적 성분은 열처리 온도가 높을수록 Zn과 Mn이 휘발하는 것을 알 수 있었다.; Many processes have been developed in the preparation of ceramic powders. Mn-doped Zinc orthosilicate is mainly used in plasma display panels (PDPs) as green-emitting phosphor material due to its good luminescence characteristics and chemical stability under vacuum ultraviolet excitation. In order to improve the characteristics of currently used phosphor or exploit a new vacuum ultraviolet phosphor, mechanochemical process was studied. This process involves high-energy collisions of balls and reactant powders in jar, resulting in pulverizations and chemical reactions during intensive milling. In some cases, the oxide powders with particles sized around 20~60 nm can be formed. Similar processes are the solid-state displacement reactions which occur during high-energy milling. In these processes, precursors such as metal chlorides, sulphates and acetates undergo the reactions with oxides, carbonates, hydroxides or sulphides during high-energy milling, and following low-temperature heat treatment. Amorphous or crystalline phases within a soluble salt matrix are formed. In this study, we tried to design a phosphor material by mechanochemical process. The grain growth and the particle size could be controlled by annealing temperature. Then soluble salt matrix as a by-product is easily removed by water washing. These powders were mixed by mechanochemical method for 4 hours under the ratio of ball to powder 10:1. Zirconia jar and balls were used. The size of balls is 10mm in diameter. The mixed powders were washed 7 times by centrifugal separator under the condition of 3000 RPM for 3 minutes. The nanoparticles of Mn-doped zinc orthosilicate were embedded in the NaCl matrix. After water washing, the nanoparticles of Mn-doped zinc orthosilicate were obtained. After washing the powders were dried in vacuum oven at 40oC for 10 hours. Dried powders were heated at 1300oC, 1200oC and 1100oC for 4 hours under the atmosphere of Ar gas flow (300 ml/min).