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KR100725444B1 - Method for producing zinc oxide nanoparticles - Google Patents

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KR100725444B1
KR100725444B1 KR1020060087466A KR20060087466A KR100725444B1 KR 100725444 B1 KR100725444 B1 KR 100725444B1 KR 1020060087466 A KR1020060087466 A KR 1020060087466A KR 20060087466 A KR20060087466 A KR 20060087466A KR 100725444 B1 KR100725444 B1 KR 100725444B1
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KR
South Korea
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zinc oxide
powder
nanoparticles
zno
producing zinc
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노승윤
김기도
김희택
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
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    • C01G9/02Oxides; Hydroxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

본 발명은 기계화학적 공정에 의한 산화아연 나노분말의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 방법은 지르코니아 볼로 기계화학적 공정에 의해 초미세 산화아연 나노입자를 합성하는 것을 포함한다. 이 볼들은 고상(solid phase) 치환반응을 기계적으로 활성화하고, 염(salt) 매트릭스를 유도한 후, 이어서, 제분된 분말들을 세척 및 원심분리하여 NaCl을 제거한다. 세척된 분말을 열처리하면 밝은 노란색의 분말이 얻어지는데, 제분 후 열처리 및 그 후의 가용성 반응 부산물의 제거하면 입자들의 응집이 상당히 방지된다. The present invention relates to a method for producing zinc oxide nano powder by mechanochemical process. The method according to the invention involves the synthesis of ultrafine zinc oxide nanoparticles by mechanochemical process with zirconia vol. These balls mechanically activate the solid phase substitution reaction, induce a salt matrix and then wash and centrifuge the milled powders to remove NaCl. The heat treatment of the washed powder yields a light yellow powder, which is significantly prevented from flocculation of the particles after milling and subsequent removal of the soluble reaction by-products.

본 발명에 산화아연 나노분말의 제조방법은 상기한 구성에 의하여 ZnO 나노입자를 저렴하게 대량 생산할 수 있는 장점을 가진다. The method for producing zinc oxide nanopowders according to the present invention has the advantage of being able to mass-produce ZnO nanoparticles at low cost by the above configuration.

Description

산화아연 나노입자의 제조방법{A method for preparing zinc oxide nanoparticles}A method for preparing zinc oxide nanoparticles

도 1은 세척 및 500℃에서의 열처리 이후의 지르코니아 볼의 사이즈에 따른 XRD 결정 사이즈 및 BET 입자 사이즈 분포를 보이는 그래프.1 is a graph showing the XRD crystal size and BET particle size distribution according to the size of the zirconia ball after washing and heat treatment at 500 ℃.

도 2는 (a) 탈이온화수로 세척 및 원심분리 및 (b) 미세척 이후의 ZnCl2 + Na2CO3 분말 혼합물의 XRD 패턴을 보인 그래프FIG. 2 is a graph showing the XRD pattern of ZnCl 2 + Na 2 CO 3 powder mixture after (a) washing and centrifugation with deionized water and (b) microchuck

도 3은 2 시간 동안 다양한 온도에서 소성한 후의 ZnO 분말의 X-레이 곡선.3 is an X-ray curve of ZnO powder after firing at various temperatures for 2 hours.

도 4는 지르코니아 볼과 분말을 다양한 부피비율{(a) 볼:분말 = 4:1, (b) 볼:분말 = 5:1, (c) 볼:분말 = 7:1 및 (d) 볼:분말 = 10:1}로 제분한 후의 ZnO 입자의 TEM 이미지.4 shows zirconia balls and powders in various volume ratios {(a) ball: powder = 4: 1, (b) ball: powder = 5: 1, (c) ball: powder = 7: 1 and (d) ball: TEM image of ZnO particles after milling with powder = 10: 1}.

도 5는 ZnCl2 : Na2CO3 가 (a) 1:1, (b) 1:2 및 (c) 2:1의 몰비율인 경우의 ZnO 입자의 TEM 이미지.5 is a TEM image of ZnO particles when ZnCl 2 : Na 2 CO 3 is a molar ratio of (a) 1: 1, (b) 1: 2 and (c) 2: 1.

도 6은 ZnO 및 TiO2 나노분말의 UV-Vis 흡광 스펙트럼.6 is a UV-Vis absorption spectrum of ZnO and TiO 2 nanopowders.

본 발명은 산화아연 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing zinc oxide nanoparticles.

산화아연 Zinc oxide 나노분말의Nano powder 용도 및 제조방법에 관하여 Use and manufacturing method

전기적 및 광학적 특성으로 인하여, 산화아연(ZnO)은 바리스터, 염료, 및 화장품과 같은 다양한 분야에서 사용된다. 그런데, 산화아연은 쉽게 응집하기 때문에 분산성에 제한이 있다. 가스 센서, 촉매, 태양전지, 전극, 발광다이오드(LED), 화장료 또는 바이오 재료에서 사용되는 산화아연은 매우 고가이다. Zn, Sn, In, Cd 및 Ga의 산화물을 반도체로 사용된다. 이들 산화물 중 산화아연은 저온에서 반응하고, 화학적으로 안정하며, 우수한 전기 전도성 및 투과성을 가진다.Because of their electrical and optical properties, zinc oxide (ZnO) is used in a variety of fields such as varistors, dyes, and cosmetics. However, since zinc oxide easily aggregates, there is a limit in dispersibility. Zinc oxides used in gas sensors, catalysts, solar cells, electrodes, light emitting diodes (LEDs), cosmetics or biomaterials are very expensive. Oxides of Zn, Sn, In, Cd and Ga are used as semiconductors. Among these oxides, zinc oxide reacts at low temperatures, is chemically stable, and has excellent electrical conductivity and permeability.

GaN는 주로 LED와 레이저 다이오드(LD)로 이용된다. 그러나, 산화아연은 공정 균일성, 수치율(number rate), 필름 두께의 감소, 및 그 우수한 특성 및 엔트로피로 인하여, 차세대 발광 소자 재료로서 고려되고 있다. GaN is mainly used as LED and laser diode (LD). However, zinc oxide is considered as a next generation light emitting device material due to process uniformity, number rate, reduction of film thickness, and its excellent properties and entropy.

또한, 이들의 반도체 재료는 써미스터와 바리스터로 분류될 수 있다. 게다가, 산화아연은 자외선을 저해하고, 높은 전도성 밴드 갭(3.27 eV) 및 결합 에너지(60 meV)을 가진다. 또한, 산화아연을 생산하는 저온 공정은 매우 효율적이다. 산화아연은 나노벽, 나노링, 나노브릿지, 나노네일, 나노로드 및 나노니들과 같은 다양한 형태를 취할 수 있는 능력 때문에, 다양한 분야에서 유용하다.In addition, these semiconductor materials can be classified into thermistors and varistors. In addition, zinc oxide inhibits ultraviolet radiation and has a high conductive band gap (3.27 eV) and binding energy (60 meV). In addition, the low temperature process of producing zinc oxide is very efficient. Zinc oxide is useful in a variety of applications because of its ability to take various forms such as nanowalls, nanorings, nanobridges, nanonail, nanorods and nanoneedles.

특히, 산화티탄(TiO2) 및 산화아연은 광촉매로 사용되어, 자외선을 차단할 수 있다. 산화아연은 3.27eV의 밴드갭을 가지고 UV-A 파장을 저해하는 재료로 구 성된 나노파우더이고, TiO2은 UVB 범위에서 2.99eV의 밴드 갭 저해를 가진다. 이들 자외선 저해는 고품질 페인트, 예를 들어, 화장품이나 코팅재료에서 유용하다.In particular, titanium oxide (TiO 2 ) and zinc oxide may be used as a photocatalyst to block ultraviolet rays. Zinc oxide is a nanopowder composed of a material that inhibits the UV-A wavelength with a band gap of 3.27 eV, and TiO 2 has a band gap inhibition of 2.99 eV in the UVB range. These UV inhibitions are useful in high quality paints such as cosmetics or coating materials.

최근 TiO2로 도프된 산화아연을 실리카 비드를 이용하여 복합재료로 만드는 것이 개발되었다. 이 복합재료는 UV-B 및 UV-A 파장을 모두 차단하는 고효율 나노파우더 재료이다. 나노입자의 일반적 제조방법은 침전, 졸-겔, 용매증발, 스퍼터링, 열분해, 수열(hydrothermal) 공정, 초음파 분사 열분해(pyrolysis), 및 기계화학적 공정을 포함한다. 그러나, 기계화학적 공정은 초미세 분말의 제조에 사용되어 온 것으로서, 제분 공정 또는 저온 열처리 동안 반응을 유도하여, 가용성 염 부산물 내에 임베드된, 완전히 분산된 초미세 입자들로만 구성된 복합분말을 형성한다. 최근 광범위한 나노입자들이 기계화학적 공정으로 합성되어 왔는데, 예를 들어, SeO2,SnO2,ZnO,CdS,ZrO2,CeO2,LiMn2-xCoxO4, 및 LiB2O7 등이다. 기계화학적 합성은 단순하고 저렴한 공정이므로, 특히 대량 생산에 적당하다.Recently, zinc oxide doped with TiO 2 has been developed into composites using silica beads. This composite is a highly efficient nanopowder material that blocks both UV-B and UV-A wavelengths. Common methods for preparing nanoparticles include precipitation, sol-gel, solvent evaporation, sputtering, pyrolysis, hydrothermal processes, ultrasonic spray pyrolysis, and mechanochemical processes. However, mechanochemical processes have been used in the production of ultrafine powders, which induce reactions during the milling process or at low temperature heat treatment to form a composite powder consisting only of fully dispersed ultrafine particles embedded in soluble salt byproducts. Recently, a wide range of nanoparticles have been synthesized by mechanochemical processes, for example SeO 2 , SnO 2 , ZnO, CdS, ZrO 2 , CeO 2 , LiMn 2 -x Co x O 4 , and LiB 2 O 7 . Mechanochemical synthesis is a simple and inexpensive process and therefore particularly suitable for mass production.

이하에서는, 산화아연의 주요 용도인 자외선 차단제에 대해 설명한다.Hereinafter, the sunscreen which is the main use of zinc oxide is demonstrated.

자외선 및 자외선 차단제에 관하여About UV rays and sunscreen

태양빛은 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 이루어져 있는데, 이 중 자외선은 전자기파 스펙트럼에서 보라색 띠에 인접한, 사람의 눈에는 보이지 않는 영역으로 100에서 3800 옹스트롬의 파장 영역을 가진다. 일반의 X선이나 감마선보다 투과성은 작지만 가시광에 비해 에너지가 높은 편이기 때문에 인간의 피부나 작은 생물 체에 영향을 미친다. Sunlight is composed of ultraviolet light, visible light, infrared light, and the like, which is invisible to the human eye in the electromagnetic spectrum and has a wavelength range of 100 to 3800 angstroms. Although it has less permeability than ordinary X-rays or gamma rays, it has higher energy than visible light, and thus affects human skin and small organisms.

자외선은 살균작용, 비타민 D 합성 등과 같이 유익한 작용도 하지만 피부에는 여러 가지 나쁜 영향을 미치기도 한다. 자외선을 쐬게되면 즉각적으로 흑화반응(피부가 검게 그을리는 현상)이 발생한다. 2 ~ 3시간 뒤면 사라지지만 수시간 후에는 홍반(국소적으로 피부가 붉어지는 현상)이나 부종 등의 염증반응(sunburn)이 나타나고 색소침착이 일어난다. 일시적으로는 피부가 건조해질 뿐 아니라 장기적으로는 피부색이 고르지 못하게 된다. 자외선에 만성적으로 노출될 경우에는 피부 주름과 피부 쳐짐, 심각하게는 피부암이 발생될 수도 있다.Ultraviolet rays can have beneficial effects, such as bactericidal action and vitamin D synthesis, but they can also have a number of adverse effects on the skin. When exposed to UV rays, blackening reactions (skin tanning) occur immediately. After two to three hours, it disappears, but after several hours, a sunburn occurs, such as erythema (reddening of the skin locally) or edema, and pigmentation occurs. Temporarily, the skin will not only dry out, but in the long run it will be uneven. Chronic exposure to UV rays may cause skin wrinkles, sagging, and serious skin cancer.

자외선은 UVA, UVB 및 UVC의 3 종류가 있다. 이 중 UVB는 햇빛 중에 소량 포함되어 있지만 기미, 주근깨, DNA 파괴, 피부암 등을 유발하며, 자외선을 차단하기 위해 피부에 도포하는 자외선 차단제는 주로 UVA와 UVB을 차단한다.There are three types of ultraviolet rays: UVA, UVB, and UVC. Among them, UVB is contained in a small amount in the sun, but it causes spots, freckles, DNA destruction, skin cancer, etc., and a sunscreen applied to the skin to block UV rays mainly blocks UVA and UVB.

자외선의 차단은 물리적 차단제 또는 화학적 차단제의 도포에 의해 이루어질 수 있다. 이 중, 물리적 차단제는 자외선을 반사하고 산란시키는 물리적 성질을 가진 물질로서 TiO2(이산화티탄), ZnO(산화아연), 철산화물, 마그네슘산화물 등이 있다. 이와 같은 무기계 원료를 사용할 경우, 피부자극감은 낮으나 크림이나 로션 등에 많이 배합되어야 하기 때문에 사용감이 무거워지게 되고, 제품을 발랐을 때 하얗게 불투명해지는(일명 백탁현상) 단점이 있다. 이에 반해, 화학적 차단제는 분자내에 잡아둠으로써 자외선을 흡수하여 차단효과를 나타내는 물질을 말하는데, 접촉 피부염, 광알레르기 또는 암을 유발하는 등의 인체에의 안정성 문제가 대두되 어 있어, 자외선 차단제로서 무기계의 물리적 차단제의 중요성이 증가하고 있다. The blocking of ultraviolet light can be achieved by the application of a physical blocker or a chemical blocker. Among them, physical barrier agents include physical properties that reflect and scatter ultraviolet rays, such as TiO 2 (titanium dioxide), ZnO (zinc oxide), iron oxides, and magnesium oxides. In the case of using such an inorganic raw material, the skin irritation feeling is low, but since the cream or lotion should be mixed in a lot, the feeling of use becomes heavy, and when the product is applied, white opacity (aka cloudy phenomenon) has a disadvantage. On the other hand, chemical blocking agents are substances that absorb ultraviolet rays by being trapped in a molecule and exhibit a blocking effect, and stability problems to the human body such as contact dermatitis, photoallergy or cancer have been raised. The importance of physical blockers is increasing.

현재 무기계 자외선 차단제로는 UV-A 영역에서 차단효과가 우수한 산화아연과 UV-B 영역에서 차단효과가 우수한 산화티탄이 주류를 이루고 있다. 산화아연은 UV 차단제로서 산화티탄에 비하여 분산성 면에서 유리하기 때문에 현재는 산화아연에 대한 연구가 주류를 이루고 있는 추세이다. 산화아연 입자의 크기가 가시광선의 파장보다 작을 경우에 가시광선은 산화아연 분산체를 투과할 수 있다. 또한 산화아연의 입자의 크기가 감소할수록 흡수되는 자외선을 효과적으로 산란 및 흡수하게 된다. 그러므로 분산성이 우수하고, 나노크기의 산화아연 입자를 제조하는 것이 자외선 흡수 및 가시광선 투과도면에서 유리하다. Currently, inorganic sunscreens include zinc oxide having excellent blocking effect in the UV-A region and titanium oxide having excellent blocking effect in the UV-B region. Since zinc oxide is advantageous in terms of dispersibility as compared to titanium oxide as a UV blocking agent, research on zinc oxide is currently becoming the mainstream. When the size of the zinc oxide particles is smaller than the wavelength of the visible light, the visible light may pass through the zinc oxide dispersion. In addition, as the size of the zinc oxide particles decreases, it effectively scatters and absorbs the absorbed ultraviolet rays. Therefore, it is excellent in dispersibility and manufacturing nano-sized zinc oxide particles is advantageous in terms of ultraviolet absorption and visible light transmittance.

기존의 산화아연 입자의 제조는 주로 기상법(French Process), 즉 아연금속을 증기화시킨 후 공기 중에 존재하는 산소가스와 반응시키는 방법이 사용되었다. 그러나 기상법을 이용하여 제조된 산화아연 입자의 경우 산소와 반응하지 않는 아연금속이 존재하게 되고, 또한 형성되는 산화아연 입자크기 분포를 조절할 수 없다. 이러한 미반응 금속아연 입자가 화장품, 페인트, 플라스틱 등 응용제품에 존재하게 되면, 공기, 수분, 유기물질 등과 반응하여 원하지 않는 가스를 생성시킨다. Conventional zinc oxide particles have been mainly used in a gas phase process, that is, a method in which zinc metal is vaporized and then reacted with oxygen gas present in the air. However, in the case of the zinc oxide particles produced using the gas phase method, zinc metal that does not react with oxygen is present, and the zinc oxide particle size distribution formed cannot be controlled. When these unreacted metal zinc particles are present in applications such as cosmetics, paints, plastics, and the like, they react with air, moisture, and organic materials to generate unwanted gases.

그외, 액상법 역시 다수의 세정 공정을 필수로 하므로 수율이 낮다는 문제점이 있다. In addition, the liquid phase method also requires a number of cleaning processes, there is a problem that the yield is low.

이에 개발된 것이, 아연화합물(황화아연류, 염화아연류, 초산아연 등)을 물에 녹여 탄산아연 형태로 침강시킨 후에 세정, 필터링, 하소공정을 통하여 산화물 을 제조하는 기계화학적 방법이다. 예를 들어, ZnCl2(Cerac, 99.5%, -8mesh)와, Na2CO2 (Aldrich, 99+%, -20mesh)분말을 치환제 NaCl(Aldrich, 99.8%, ~0.5mm bead)를 첨가하여 경화 스틸 바이알과 경화 스틸 볼(6.4mm)을 사용하여, 반응시킨다. 이 때 볼과 분말의 비중은 10:1로 사용한다. 4시간 반응 후 400℃에서 소성하고, 원심분리기에서 세척하여 NaCl을 제거하면 10-40nm의 산화아연 입자를 합성하는 것이 문헌("ZnO nanoparticles synthesized by mechanochemical processing", Takuya Tsuzuki and Paul G.McCormick, Scripta mater. 44(2001) 1731-1784)에 기재되어 있다.Developed in this way, zinc compounds (zinc sulfide, zinc chloride, zinc acetate, etc.) are dissolved in water and precipitated in the form of zinc carbonate, followed by the mechanochemical method of producing oxides through washing, filtering and calcination processes. For example, ZnCl 2 (Cerac, 99.5%, -8mesh) and Na 2 CO 2 (Aldrich, 99 +%, -20mesh) powder were added with the substitution agent NaCl (Aldrich, 99.8%, ˜0.5 mm bead). It is made to react using hardened steel vial and hardened steel ball (6.4mm). At this time, the specific gravity of the ball and powder is used as 10: 1. After 4 hours of reaction, it was calcined at 400 ° C., washed in a centrifuge, and NaCl removed to synthesize 10-40 nm zinc oxide particles (“ZnO nanoparticles synthesized by mechanochemical processing”, Takuya Tsuzuki and Paul G. McCormick, Scripta). mater. 44 (2001) 1731-1784.

그러나, 상기 문헌의 기술은 반응시간이 길고, NaCl로의 치환반응의 번거로움, 이로 인한 수율을 감소, 다수의 장비가 필요한 점 등의 단점이 있었다. However, the technique of the above document has a disadvantage in that the reaction time is long, the hassle of substitution reaction with NaCl, the resulting yield is reduced, and a plurality of equipments are required.

본원 발명은 상기한 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 마련된 것이다. 즉, 본원 발명은 자외선 차단제로서 사용되기 위한 산화아연 나노입자의 제조방법에 있어서, 공업용 시료를 사용하여 원료 절감을 할 수 있고, 높을 수율을 가지며, 수십 나노사이즈를 가지므로 피부용 자외선 차단제로서 사용시 하얗게 뜨는 것을 막아 피부 친화적이며, 연한 노란색으로 피부와 비슷한 색을 가질 뿐 아니라, 균일하고 분산성이 좋은 나노 사이즈의 산화아연을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to overcome the disadvantages of the prior art described above. That is, the present invention is a method for producing zinc oxide nanoparticles to be used as a sunscreen, it is possible to reduce the raw material using an industrial sample, have a high yield, dozens of nano-size white when used as a sunscreen for skin It aims to provide a method for producing nano-sized zinc oxide, which is skin-friendly, light yellow and similar to skin, and is uniform and dispersible.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 ZnCl2와 NaCO3 을 지르코니아 볼로 혼합반응시킨 후, 가열, 세정 및 원심분리에 의하여 ZnO 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노입자 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing zinc oxide nanoparticles, characterized in that after the ZnCl 2 and NaCO 3 is mixed with zirconia balls, ZnO nanoparticles are prepared by heating, washing and centrifugation. .

본 발명에 있어서, 산화아연 나노입자의 입자사이즈를 결정하는 것은 지르코니아 볼의 사이즈에 의하여 달성된다. 지르코니아 볼은 국소적 가열 및 접촉 표면에서의 압력을 가하므로, 저온 화학반응을 촉진시킨다.In the present invention, determining the particle size of the zinc oxide nanoparticles is achieved by the size of the zirconia ball. Zirconia balls apply local heating and pressure at the contact surface, thus promoting low temperature chemical reactions.

실시예Example

C16H16N4ZnCl2(DaeJung), 무수 탄산나트륨(Na2CO3, DeaJung) 및 지르코니아 볼(3.5mm, 5mm, 6mm, 9.5mm; DAIHAN)을 출발물질로 하였다.C 16 H 16 N 4 ZnCl 2 (DaeJung), anhydrous sodium carbonate (Na 2 CO 3 , DeaJung) and zirconia balls (3.5 mm, 5 mm, 6 mm, 9.5 mm; DAIHAN) were used as starting materials.

이 실시예에서는, 탄산나트륨을 가수분해 반응을 촉진하는 촉매로 사용하였다. 지르코니아 볼과 함께 진동 Spex 8000 믹서/밀을 사용하여, 반응 혼합물을 경화 스틸 바이얼 내에서 제분하였다. 볼 대 분말의 질량비는 4:1 내지 10:1로 준비되었고, 제분시간은 1 내지 4 시간으로 하였다.In this example, sodium carbonate was used as a catalyst for promoting the hydrolysis reaction. The reaction mixture was milled in a hardened steel vial using a vibrating Spex 8000 mixer / mill with zirconia balls. The mass ratio of the ball to the powder was prepared from 4: 1 to 10: 1, and the milling time was 1 to 4 hours.

부산물인 NaCl을 제거하기 위하여, 제분된 분말을 초음파 배쓰에서, 탈이온수로 세척하고, 원심분리하였다. 세척된 분말을 10℃에서 24시간 동안 건조하고, 밀봉된 N2 분위기 하에서, 200 내지 500 ℃ 사이의 온도에서 2시간 동안 열처리하였다. ZnO의 입자크기 및 분산도는 다이나믹 광 스케터링(DLS, ELS-8000, Otsuka Co.)에 의해 분석되었다. 분말의 표면적은 BET(Gemini 2360, Micromeritics) 표면적 분석기를 이용하여 측정하였다. 산화아연 분말의 사이즈 및 모르폴로지는 전자 투과현미경(TEM, JEM2010, JEOL)에 의해 특징조사되었고, 광학적 성질은 UV-Vis 스펙트로미터(Ultrospec 2000, Pharmacia Biotech)에 의해 조사되었다.To remove the byproduct NaCl, the milled powder was washed with deionized water in an ultrasonic bath and centrifuged. The washed powder was dried at 10 ° C. for 24 hours and heat treated for 2 hours at a temperature between 200 and 500 ° C. under a sealed N 2 atmosphere. Particle size and dispersion of ZnO were analyzed by dynamic light scattering (DLS, ELS-8000, Otsuka Co.). The surface area of the powder was measured using a BET (Gemini 2360, Micromeritics) surface area analyzer. The size and morphology of the zinc oxide powder were characterized by electron transmission microscopy (TEM, JEM2010, JEOL) and the optical properties were investigated by UV-Vis spectrometer (Ultrospec 2000, Pharmacia Biotech).

도 1은 XRD 결정 사이즈 및 BET 입자 사이즈의 변화를 보인 것이다. 결정의 입자 사이즈는 회절 곡선의 측정 폭으로부터 분석되었다. 정확한 처리를 할 경우, 6각 피크에 대한 Scherrer 방정식인 t = 0.9/BcosθB 을 따랐다. 평균 입자 사이즈는 D = 6/Sρ(이 때, D는 평균 직경, S는 비표면적,ρ는 입자밀도이다 )의 관계식을 통해, 비표면적의 측정치로부터 추정된다. 단일분산 ZnO 입자를 얻기 위하여, 다양한 크기의 지르코니아 볼을 혼합에 사용하였다. 테스트 결과, XRD 결정 사이즈와 BET 입자 사이즈는 지르코니아 볼의 사이즈에 따라 점차 감소하나, BET 결정 사이즈는 XRD 사이즈와 같이, 2 시간 제분 후에 500℃ 하소함으로써 더욱 균질하게 커졌다. 1 shows the change in XRD crystal size and BET particle size. The particle size of the crystal was analyzed from the measurement width of the diffraction curve. For correct processing, we followed the Scherrer equation t = 0.9 / Bcosθ B for hexagonal peaks. The average particle size is estimated from the measurement of the specific surface area through a relationship of D = 6 / Sρ (where D is the average diameter, S is the specific surface area and ρ is the particle density). In order to obtain monodisperse ZnO particles, zirconia balls of various sizes were used for mixing. As a result of the test, the XRD crystal size and the BET particle size gradually decreased with the size of the zirconia ball, but the BET crystal size increased more homogeneously by calcining at 500 ° C. after 2 hours milling, like the XRD size.

도 2는 세척 및 원심분리된 분말(a) 및 2 시간 연마 후 미세척된 분말(b)에 대한 ZnCl2 + Na2CO3 혼합분말의 XRD 패턴을 보인 것이다. 제분된 분말 내의 ZnCl2 + Na2CO3 의 존재는 연마 동안 교환 반응이 일어난 것을 암시한다. 이 교환 반응 후에, 제분 분말 중 검지된 NaCl 피크는 31.7의 2θ 값에서의 두 개의 넓은 회절 피크였다. NaCl을 제거하기 위해 세척한 후, 오직 ZnO 상만이 남았다. 이 세척된 그리고 세척되지 않은 제분 분말의 평균 결정 사이즈는 Scherrer's 방정식을 이용하여 3 내지 5 nm의 범위였다.2 shows ZnCl 2 for powder (a) washed and centrifuged and finely divided powder (b) after 2 h polishing + XRD pattern of Na 2 CO 3 mixed powder. ZnCl 2 in milled powder The presence of + Na 2 CO 3 suggests that an exchange reaction occurred during polishing. After this exchange reaction, the detected NaCl peaks in the milling powder were two broad diffraction peaks at a 2θ value of 31.7. After washing to remove NaCl, only ZnO phase remained. The average crystal size of this washed and unwashed milling powder ranged from 3 to 5 nm using Scherrer's equation.

도 3은 2 시간 동안 상이한 온도에서 하소된 ZnO 분말의 XRD 패턴을 보인 것 이다. 세척 및 원심분리 이후에 남은 모든 NaCl은 소성에 의하여 제거되었다. 회절 피크의 세기는 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하였다.3 shows the XRD pattern of ZnO powder calcined at different temperatures for 2 hours. All NaCl remaining after washing and centrifugation was removed by firing. The intensity of the diffraction peaks increased with increasing heat treatment temperature.

도 4는 (a) 4:1, (b)5:1, (c) 7:1, 및 (d)10:1 의 볼 : 분말의 부피비율을 이용하여 제분을 한 후의 ZnO 분말의 TEM 이미지를 보인 것이다. ZnO 분말과 지르코니아 볼의 혼합물은 1:7의 몰비율로 불균일하게 제조되었다. 평균 입자 사이즈는 거의 50nm 였고, 사이즈 분포는 좁았다. 이 작업에서, 기계화학적 공정은 몇가지의 비율의 지르코니아 볼을 사용하였다. 지르코니아는 높은 비중을 가지므로, 연마효율이 좋고, 생산성의 향상을 가져올 수 있다. 이는, 저온 화학반응과 접촉 표면에서의 국소 열 및 압력에 기인한 볼들에 의해 개시된 반응으로 인한 것이다. 분말의 화학적 반응은 염 매트릭스에 의해 분리되었고, 저온은 입자 형성의 조절을 가능하게 하였다. 분말을 열처리한 후, 고체상 화학물로 입자 응집을 방지하였다. 이 염은 간단한 세척 단계에 의해 제거하였다.4 is a TEM image of a ZnO powder after milling using a ball: powder ratio of (a) 4: 1, (b) 5: 1, (c) 7: 1, and (d) 10: 1. Will be shown. The mixture of ZnO powder and zirconia ball was made nonuniformly at a molar ratio of 1: 7. The average particle size was nearly 50 nm and the size distribution was narrow. In this work, the mechanochemical process used several ratios of zirconia balls. Since zirconia has a high specific gravity, the polishing efficiency is good and the productivity can be improved. This is due to the low temperature chemistry and the reaction initiated by the balls due to local heat and pressure at the contact surface. The chemical reaction of the powder was separated by a salt matrix and low temperatures allowed for control of particle formation. After the powder was heat treated, particle agglomeration was prevented by solid phase chemicals. This salt was removed by a simple washing step.

도 5는 다양한 몰비율의 ZnCl2 및 Na2CO3 에서의 ZnO 입자의 TEM 이미지이다. 반응 방정식 ZnCl2 + Na2CO3 -> ZnO + 2NaCl + CO2 에 대응하는 출발 분말의 기계화학적 혼합물을 지르코니아 볼로 제조하였다. Zn에 대하여, 탄산나트륨을 치환반응을 촉진하기 위한 촉매로 사용하였다. 화학정량적 비율 1:1(도 5a)의 분말 혼합물은 거의 30nm의 평균 사이즈를 보였고,. 잘-배열된, 6각형의, 밀집 구조로 자기 조립되었다. 몰비율 1:2(도 5b)의 샘플은 Na2CO3 의 증가가 높은 pH를 유도하고(고농도의 하이드록실 이온), 속도 감소를 촉진하여, 대량의 성장 종(growth spices)을 생산하고, 확산 제한 공정으로부터 성장이 멀리 이동하게 된다. 몰비율 2:1(도 5c)의 샘플은 염소이온의 농도가 증가함에 따라 반응 속도가 낮아지는 것을 보였다. 결과적으로, 성장 종들인 영가(zerovalent) Zn 원자들의 공급은 느려지고 최초 Zn 핵의 확산-제한 성장을 유리하게 한다. 5 is a TEM image of ZnO particles at various molar ratios of ZnCl 2 and Na 2 CO 3 . Reaction Equation ZnCl 2 A mechanochemical mixture of starting powders corresponding to + Na 2 CO 3- > ZnO + 2NaCl + CO 2 was prepared with zirconia balls. For Zn, sodium carbonate was used as a catalyst to accelerate the substitution reaction. The powder mixture in stoichiometric ratio 1: 1 (FIG. 5A) showed an average size of nearly 30 nm. Self-assembled into well-arranged, hexagonal, dense structures. Samples with a molar ratio of 1: 2 (FIG. 5B) resulted in an increase in Na 2 CO 3 leading to high pH (high concentration of hydroxyl ions), promoting rate reduction, producing large amounts of growth spices, Growth moves away from the diffusion limiting process. Samples with a molar ratio of 2: 1 (FIG. 5C) showed that the reaction rate decreased as the concentration of chlorine ions increased. As a result, the supply of growth species, zerovalent Zn atoms, slows down and favors diffusion-limited growth of the original Zn nucleus.

도 6은 ZnO 및 TiO2 나노입자의 UV-Vis 흡광 스펙트럼 전개를 보인 것이다. 250-600nm을 넘는 UV-Vis 스펙트럼(Ultrospec 2000, Pharamacia Biotech)의 결과는 UV-A 및 UV-B 파장에 달하는 범위가 차단될 수 있다는 정보를 준다. 300-320nm의 범위에서 TiO2에 대한 강한 흡수 피크가 관찰되었다. TiO2가 2.99eV의 밴드 갭을 가지고, UV-B 범위를 차단할 수 있는 것으로 추측된다. 370-390 nm 초과범위에서 ZnO에 대한 강한 흡수 피크가 관찰되었고, 이로서, 3.27eV의 밴드 갭을 두고, UV-A 영역을 ZnO가 차단할 수 있음이 추측된다.Figure 6 shows the UV-Vis absorption spectrum development of ZnO and TiO 2 nanoparticles. The results of the UV-Vis spectrum above 250-600 nm (Ultrospec 2000, Pharamacia Biotech) give information that the ranges reaching the UV-A and UV-B wavelengths may be blocked. Strong absorption peaks were observed for TiO 2 in the range of 300-320 nm. It is assumed that TiO 2 has a band gap of 2.99 eV and can block the UV-B range. A strong absorption peak for ZnO was observed in the range above 370-390 nm, which assumes that ZnO can block the UV-A region with a band gap of 3.27 eV.

500℃에서 제분된 분말의 열처리는 공정 중 발생하는 응집의 수준을 감소시켰다. 가열된 분말은 피부와 유사한 밝은 노란색을 띠므로, 화장품으로 응용가능할 것이다.Heat treatment of the powder milled at 500 ° C. reduced the level of agglomeration that occurred during the process. The heated powder is light yellow, similar to the skin, and therefore would be applicable to cosmetics.

본 발명은 지르코니아 볼로 기계화학적 공정에 의해 초미세 산화아연 나노입자를 합성하는 것에 관한 것이다. 이 볼들은 고상(solid phase) 치환반응을 기계적으로 활성화하고, 염(salt) 매트릭스를 유도한다. 이어서, 제분된 분말들을 세척 및 원심분리하여 NaCl을 제거한다. 세척된 분말을 열처리하자 밝은 노란색의 분말 이 얻어지는데, 제분 후 열처리 및 그 후의 가용성 반응 부산물의 제거하면 입자들의 응집이 상당히 방지된다. 결론적으로, 이러한 기계화학적 공정은 ZnO 나노입자의 대량 생산을 위한 발전가능하고 저렴한 절차가 될 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to the synthesis of ultrafine zinc oxide nanoparticles by mechanochemical process with zirconia ball. These balls mechanically activate solid phase substitution reactions and induce salt matrices. The milled powders are then washed and centrifuged to remove NaCl. Heat treatment of the washed powder yields a light yellow powder which, after milling, removes the heat treatment and subsequent soluble reaction by-products, which significantly prevents agglomeration of the particles. In conclusion, this mechanochemical process has the effect of being a viable and inexpensive procedure for mass production of ZnO nanoparticles.

Claims (3)

ZnCl2와 NaCO3 의 분말을 지르코니아 볼로 혼합반응시킨 후, 세척 및 원심분리하고, 열처리하는 것에 의하여 ZnO 나노입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노입자 제조방법. A method of producing zinc oxide nanoparticles, the method comprising: preparing ZnO nanoparticles by mixing ZnCl 2 and NaCO 3 powders with zirconia balls, followed by washing, centrifugation, and heat treatment. 청구항 1에 있어서, 상기 볼 : 혼합분말의 질량비는 4:1 내지 10:1인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the mass ratio of the ball to the mixed powder is 4: 1 to 10: 1. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 열처리는 200 내지 500 ℃의 온도에서 행하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 200 to 500 ° C.
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