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합금 및 형광체에서 이트륨의 주요 응용 분야
소개
화학식 Y를 가진이트륨은 다른 희토류 원소와 물리적, 화학적 특성이 비슷하고 역사적으로도 일찍부터 희토류 원소 중 하나입니다. 이트륨은 은색의 부드러운 전이 금속으로 란타나이드 그룹, 특히 원자 번호가 63~71인 무거운 희토류 원소 그룹과 화학적으로 유사합니다. 이트륨의 전자 구성은 [Kr]5s24d1입니다. 전자를 3개 잃고 8개의 전자가 안정된 구조를 형성하는 것을 선호하므로 산화 상태는 +3입니다. Y2O3는 가장 많이 사용되는 이트륨 화합물 중 하나입니다.
이트륨은 지각에서 31ppm으로 28번째로 풍부한 원소이며 금보다 약 26000배 더 흔한 원소입니다. 이트륨은 일반적으로 희토류 광물에서 다른 란타나이드와 함께 부산물로 발견됩니다. 대부분의 이트륨은 다음 3가지 공급원에서 나옵니다:
- 제노타임: 이트륨 오르토인산염(YPO4)을 함유한 인산염 광물
- 모나자이트: 희토류 원소를 함유한 적갈색 인산염 광물
- 바스트내사이트: 세륨, 란탄, 이트륨을 함유한 불화탄산칼슘 광물입니다.
이트륨은 TV 튜브의 형광체, 에너지 효율적인 조명, 연료 전지 [2], 야금, 세라믹, 초전도체 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 이 글에서는 주로 합금과 형광체에 사용되는 이트륨에 초점을 맞출 것입니다 .
합금 첨가제로 사용되는 이트륨
이트륨은 탈산, 탈황, 탈질 또는 가스 제거 효과로 인해 합금 산업에서 사용되며, 이는 낮은 열역학적 산화 전위[1]로 설명됩니다. 예를 들어, Ni-20Cr 합금에 일정량의 이트륨을 첨가하면 고온 산화 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 많은 가설과 연구가 이루어졌지만 자세한 이유는 아직 밝혀지지 않았습니다. 두 가지 가능한 설명이 있습니다:
- 이트륨을 첨가하면 합금의 질량 이득을 줄일 수 있습니다. (질량 증가는 환경으로부터 원자 또는 분자가 흡수되어 합금의 총 질량이 증가하는 것을 의미합니다. 부식, 산화 및 침전으로 인해 발생할 수 있습니다.)
- 이트륨 첨가는 합금의 표면 밀착력을 향상시킵니다.
여기서는 이트륨이 첨가된 알루미나 합금을 예로 들어보겠습니다.
Fe-20Cr-4Al 합금 및 이트륨 주입
Fe-20Cr-4Al은 균형 철로 Cr 20%, Al 4%, Fe로 구성된 합금입니다. 연소실이나 열교환기와 같은 고온 응용 분야에 자주 사용됩니다. 고온에서 산화 및 부식에 대한 저항성이 우수합니다.
다음은 Fe-20Cr-4Al 합금에 이트륨을 주입하는 단계입니다:
Fe-20Cr-4Al 합금으로 열간 압연과 냉간 압연을 반복하여 0.5mm 두께의 시트를 만듭니다. 임플란터를 사용하여 이트륨 이온을 합금에 주입합니다. 러더포드 후방 산란 분광법(RBS)을 사용하여 합금 내 이트륨의 농도를 정확하게 측정합니다. 여기서는 0.01%~0.5%의 Y가 주입된 합금을 사용합니다.
실험 및 결과 토론
Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5)Y 합금을 사용하여 1200℃에서 5시간 동안 O2 아래에 노출시킵니다. 그림 1은 Fe-20Cr-4Al에서 Fe-20Cr-4Al-0.1Y로 질량 이득이 감소하는 것을 보여줍니다. 그 후 질량 이득은 다시 증가합니다 [1].
그림 1: O2에서1200℃에서5시간 동안 Fe-20Cr-4Al-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y 합금의 질량 이득 변화 [1].
그림 2는 O2 노출 후 합금의 표면 모습을 보여줍니다. 표준 FeCrAl 합금의 표면이 떨어지기 시작합니다.
(b)에서 (h)까지는 중간에 소재를 보호하기 위해 산화물 표면을 형성하고 있습니다. (b)와 (c)는 여전히 표면에 약간의 탈락이 남아 있습니다. 이트륨 농도가 증가함에 따라 산화물 표면이 더 잘 형성되어 스스로를 보호합니다. 0.1Y에서 0.5Y까지 표면은 0Y에서 0.05Y보다 훨씬 더 어둡습니다. X-선 회절을 사용하여 합금의 표면을 감지하면 다음과 같은 관찰 결과를 얻을 수 있습니다[1].
(a)는 매우 약한 Al2O3 결정 표면 구조를 형성합니다. (b)에서 (h)까지는 모두 강한 Al2O3를 형성합니다.
(f)에서 (h)까지는 매우 약한 Y3Al5O12 결정 구조를 형성합니다.
이트리아 알루미나 가넷(YAG)이라고도 불리는Y3Al5O12는 고온, 고강도, 화학적으로 안정적인 특성을 가진 합성 물질입니다. YAG의 형성은 질량 이득이 0.1Y에서 0.5Y로 증가하는 이유 중 하나일 수 있습니다. 그러나 이러한 질량 증가가 합금의 고온 산화 저항성이 감소한다는 의미는 아닙니다. 실제로 Y 농도가 증가함에 따라 합금은 고온에서 산화 및 부식에 대한 저항성이 향상됩니다.
그림 2: O2 [1]에서1200℃에서5시간 동안의 FeCrAl-(0, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3)Y 합금의 표면 사진 [1]. (a) 0Y; (b) 정제된 0Y; (c) 0.01Y; (d) 0.02Y; (e) 0.05Y; (f) 0.1Y; (g) 0.2Y; (h) 0.3Y.
형광체에 사용되는 이트륨
형광체는 방사선을 받아 빛을 발산하는 물질입니다. 기본 원리는 형광체의 궤도 전자가 방사선 에너지를 받아 여기되어 더 높은 궤도로 이동하는 것입니다. 마지막으로 이 전자는 다시 기저 상태로 돌아갑니다. 이 동작에서 생성된 에너지가 빛을 발산합니다.
형광체에 사용되는 원소는 형광체가 방출하는 빛에 직접적인 영향을 미칩니다. 이트륨은 안정적이고 좁고 효율적인 적색 방출로 인해 컬러 TV, 컴퓨터 모니터, 발광 다이오드(LED) 및 엑스레이 강화 스크린[2]의 형광체에 사용됩니다.
일반 LED는 차가운 백색광을 생성합니다. 형광체 변환 따뜻한 백색 발광 다이오드(pc-WLED)는 새로운 LED 기술입니다[3]. 나노 크기의 Y2O3는 형광체에 적색 성분을 추가하여 LED가 더 따뜻하고 고품질의 빛을 방출하도록 만들 수 있습니다.
결론
이트륨은 희토류 원소 중 하나입니다. 고유한 특성으로 인해 이트륨은 형광체와 합금에 널리 사용됩니다. 오늘날에도 언급되지 않은 많은 응용 분야와 이트륨 화합물이 있습니다. Stanford Advanced Materials (SAM)는 다양한 종류의 이트륨을 제공합니다. 이트륨 또는 이트륨 화합물에 대한 자세한 정보를 원하시면 기술 담당자에게 응용 분야 정보를 제공하여 조언을 구할 수 있습니다.
참고 문헌
- Volkerts, B. D. (Ed.). (2010). Yttrium: 화합물, 생산 및 응용 : 화합물, 생산 및 응용. Nova Science Publishers, Incorporated.
- Zhang, K., Kleit, A. N., & Nieto, A. (2017). 임계성을위한 경제 전략 - 새로운 조명 기술에서 희토류 원소 이트륨에 대한 적용 및 지속 가능한 가용성. 재생 가능 및 지속 가능한 에너지 리뷰, 77, 899-915. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.127
- Petry, J., Komban, R., Gimmler, C., & Weller, H. (2022). 형광체 변환 웜 화이트 LED 용 발광 유로퓸 도핑 이트륨 산화물 y2O3 : eu 나노 디스크의 간단한 원팟 합성. 나노 스케일 어드밴스, 4(3), 858-864. https://doi.org/10.1039/d1na00831e
Chin Trento
