A high-volume spray aerosol generator producing small droplets for low pressure applications, named as filter expansion aerosol generator(FEAG), was developed and characterized. The FEAG was composed of pneumatic nozzle for dispersing liquid, porous glass filter and vacuum pump. The mean size of the droplet was estimated to be 2.1 ㎛ with a geometric standard deviation 1.76. This generator in principle can be scaled up by increasing vacuum pump capacity and filter area. The potential applications of this spray generator will be film deposition, aerosol etching, and ultrafine particle preparation by spray pyrolysis at reduced pressure.
Crystalline zinc oxide particles of nanometer size(< 12 nm) particles were produced from a zinc acetate solution by using filter expansion aerosol generator. Shape of particles produced by the FEAG were distinctively different from the one produced by the ultrasonic spray source. The nanometer particles were formed by uniform precipitation at the drying stage and decomposition followed by disintegration into nanometer particles. The photodegradation of trichloroethylene was carried out to investigate the photocatalytic activity of nanometer size ZnO particles prepared by FEAG. The photocatalytic activity of nanometer size particles was much greater than that of submicrometer size ZnO particles. Although the submicrometer size ZnO particles have lower photoactivity than that of the commercial $TiO_2$ particles, the photoactivity of nanometer size ZnO particles for the decompositon of TCE was greater than that of $TiO_2$ particles. The activity of submicrometer size ZnO particles based on the BET surface area had similar value to that of the commercial $TiO_2$ particles. But, the nanometer size ZnO particle showed greater initial rate than that of $TiO_2$ particles.
Various types of multicomponent ceramic particles such as cathode materials and phosphor materials were prepared by the FEAG process and ultrasonic spray pyrolysis.
Praseodymium doped calcium titanate particles, one of the phosphor materials, were prepared by spray pyrolysis using filter expansion aerosol generator(FEAG). The characteristics of particles such as photoluminescence, mean size and morphology were investigated. The excitation wavelength was near 329.5 nm, and the emission wavelength was near 615 nm. The PL of the particles annealed at 1200 ℃ for 5hr was 22.2 cd/㎡. In order to compare the effectiveness of the current aerosol method with the solid-state reaction method, a serious of particles were prepared by a solid state reaction method. The maximum brightness was obtained from particles annealed at 1200 ℃ for 12 hr. But the PL of these particles was only 11 cd/㎡.
Lithium cobaltate particles of submicron size were prepared by spray pyrolysis using FEAG process. Lithium cobaltate particles began to be formed above 600 ℃. The mean diameter of particles prepared from the mixture solutions of lithium acetate and cobalt nitrate were increased from 0.41 to 0.83 ㎛ as the overall solution concentrations were increased from 0.005 to 1 mol/l. The lithium cobaltate particles prepared from lithium nitrate solutions had larger surface areas than the particles prepared from lithium acetate solutions. The BET surface areas of particles were varied from 19 to 82㎡/g depending on the reaction temperatures. The crystal sizes of particles were abruptly increased at 900℃. The mean sizes of crystallite were varied from 14 to 62 nm depending on the reaction temperatures.
Spray pyrolysis method was combined with sol-gel method for the preparation of multicomponent ceramic particles. Colloidal solution for spraying was obtained from the hydrolyzing of metal alkoxide. The particles prepared by spray pyrolysis of colloidal solutios had a phase pure, regular shape, and high surface areas.
Gamma lithium aluminate particles with submicron size were directly prepared by ultrasonic spray pyrolysis from colloidal mixture of alumina sol and lithium salt and aqueous solution of aluminum salt and lithium salt. Phase pure gamma lithium aluminate particles were prepared at 800℃ from the colloidal solution obtained from aluminum isopropoxide and lithium formate. The particles prepared from the colloidal solution had a purer phase than those prepared from the aqueous solution of aluminum nitrate and lithium salts. The particles prepared from solutions of aluminum nitrate and lithium salt had smooth surface and low surface area(7㎡/g), but the particles prepared from colloidal solution had rough surface and high surface area(45㎡/g).
Magnesium aluminate particles with high surface area were directly prepared from colloidal solutions by spray pyrolysis using filter expansion aerosol generator. The colloidal solution was prepared by hydrolysis of aluminum isopropoxide(AIP) and magnesium salts. The spinel particles prepared from colloidal solutions have porous and hollow morphology, while the particles prepared from aqueous solutions have solid morphology. The specific surface areas of particles prepared from colloidal solutions were 264 and 259㎡/g when acetate and nitrate was used as magnesium source, respectively. On the other hand, the particles prepared from aqueous solutions had low surface areas as 18 and 23 ㎡/g when acetate and nitrate was used as magnesium source, respectively.
본 연구에서는 미분체 제조, 박막 제조, 에어로졸 엣칭 및 웨이퍼 cleaning 공정 등에 이용이 가능한 새로운 미세한 액적 발생 장치를 개발하고 FEAG process라고 명명하였다. FEAG 장치의 특성과 용액의 특성에 따른 액적의 발생량과 액적의 크기 및 크기 분포 등의 특성들을 분석하였다. 개발된 액적 발생 장치는 필터의 크기, 기공의 크기 및 크기 분포, 반응기 압력 등의 다양한 조건에 따라 액적 발생 특성이 영향을 받는다. FEAG process는 기존의 10㎛ 이하의 액적들을 발생시키는 장치들이 적은 액적 발생 속도와 scale-up의 문제점들을 가지고 있는 반면에 FEAG process는 이론적으로 진공펌프의 용량과 필터의 크기를 증가시킴으로써 scale-up 이 가능한 장점을 가지고 있다. FEAG process는 대부분의 다른 액적 발생 장치들과는 달리 진공 하에서 액적을 발생시킨다. 이러한 FEAG의 액적 발생 특성은 액적들을 이용하는 공정들 중에서 진공 하에서 이루어지는 박막의 제조, 에오로졸 엣칭 및 웨이퍼 cleaning 등과 같은 분야에 보다 쉽게 적용이 가능하다.
FEAG process 를 이용하여 응집이 적은 나노미터 입자들을 다량 제조하였고, 그 제조 기구를 규명하였다. FEAG process 에서는 저압하에서 입자들이 제조되기 때문에 기존의 초음파 분무열분해법과는 달리 용질들이 고온에서 순간적으로 열분해 되면서 나오는 가스의 압력에 의한 큰 입자들의 폭발에 의해 나노미터 입자들이 제조되었다. FEAG process 에서 Zinc Acetate 용액으로부터 제조된 ZnO 입자는 반응기 온도에 따라서 5 에서 12 nm 까지 증가하였으며, 농도의 변화에 무관하게 응집이적은 나노미터 크기의 ZnO 입자들이 제조되었다. FEAG process 에서 제조된 나노미터 크기의 ZnO 입자는 서브마이크론 크기의 ZnO 입자보다 높은 유기물의 광분해성을 나타냈으며, 기존에 광촉매로 많이 사용되는 나노미터 크기의 $TiO_2$ 입자들보다도 높은 광분해성을 가졌다.
이들 나노미터 입자들은 높은 광분해 반응 성을 가졌다.
FEAG process를 사용한 분무열분해법에 의해 FED용 형광체 입자를 제조하고, 그 적용 가능성을 알아보았다. FEAG process 는 다성분의 형광체 물질 제조에 있어서 조성의 조절이 쉽고, 활성 물질의 분산도를 높일 수 있기 때문에 기존의 고상법보다 좋은 발광 특성을 가지는 물질의 제조가 가능함을 보였다. 또한 FEAG process 에서 제조되는 형광체 입자는 구형의 균일한 형태를 가지고 서브마이크론에서 마이크론 크기까지 크기 조절이 용이한 장점을 가졌다.
FEAG process 에 의해 전극 물질인 $LiCoO_2$ 및 $La_{0.85}Sr_{0.15}MnO_3$ 를 제조하고 그 특성을 조사하였다. Lithium cobaltate는 FEAG process 의 짧은 체류시간에서 600℃ 이상에서 순수한 결정의 입자가 제조되었으며, 혼합 용액의 농도에 따라서 입자의 크기가 0.41 mm 에서 0.83 mm 까지 변하였다. Lithium source 로서 lithium nitrate 를 사용한 경우에서 lithium acetate 를 사용하여 제조된 $LiCoO_2$ 입자보다 고표면적을 가졌다. Lithium nitrate 를 사용한 경우에서는 반응기 온도에 600 에서 900℃ 까지 증가할 때 입자의 표면적이 19 에서 82㎡/g 까지 변하였다. 반응기 온도가 800℃ 이상에서는 결정 성장에 의해 입자의 표면적이 급격히 감소하였다. 4성분계인 $La_{0.85}Sr_{0.15}MnO_3$ 경우에서도 FEAG process에서 연속 공정에 의해 짧은 체류시간에도 perovskite 결정의 입자가 제조되었다.
구형의 균일한 입자의 제조가 가능한 분무열분해법의 장점과 보다 낮은 온도에서 고표면적의 입자 제조가 가능한 솔-겔법의 장점을 결합하여 균일한 형태를 가지는 고표면적의 다성분 입자들을 제조하였다. 초음파 분무 열분해법에 의한 lithium aluminate 입자 제조에 있어서 aluminum source 로서 aluminum nitrate를 사용한 경우보다 aluminum isopropoxide(AIP)를 가수분해하여 얻은 졸용액을 사용한 경우에 제조된 입자가 보다 조성이 균일하였고, 입자의 표면적도 7에서 45㎡/g 으로 증가하였다. FEAG process를 사용한 $MgAl_2O_4$ 제조에 있어서도 aluminum isopropoxide를 사용하여 얻은 colloidal 졸을 사용한 경우에 제조된 입자(264㎡/g)가 aluminum nitrate를 사용한 혼합용액으로부터 제조된 입자(18㎡/g)보다 고표면적을 가졌다. Colloidal 졸을 사용하여 제조된 $MgAl_2O_4$ 입자는 800℃ 에서 1시간 동안 열처리하고 결정의 입자를 얻었을 때 표면적이 264 에서 124㎡/g 으로 감소하였다.
