쵸크랄스키법에 의한 LiLa_1-xNd_x(MoO₄)₂ 단결정 육성 연구

배인국,채수천,장영남,김상배,Bae In-Kook,Chae Soo-Chun,Jang Young-Nam,Kim Sang-Bae 한국세라믹학회 2004 한국세라믹학회지 Vol.41 No.9

레이저 모체재료용 Nd:LLM (Nd:LiLa(MoO$_4$)$_2$) 단결정을 쵸크랄스키법으로 성장시켰다 성장된 Nd:LLM 단결정은 균열 등이 쉽게 발생하였는데, 균열의 원인은 상전이, 불합치용융, 구성성분의 화학적 불균질, 열적구조의 불균형 및 성장방향 등이 있다. 성장된 단결정의 TG-DTA 열분석 결과 상전이는 없었으며, XRD 회절분석에 의해 합치 용융체임을 확인하였다. Li$_2$O 성분의 휘발은 화학적 불균질에 중요한 원인이었다. 자체 제작된 저항발열로의 온도프로파일은 도가니 높이로 조절하였다 또한, Nd:LLM 결정은 성장방향에 따라 단결정의 성장에 영향을 받았으며, (101)의 방향의 성장에서 단결정의 품질이 가장 우수하였다. 성장된 단결정의 N$d^{3+}$ 이온의 분포 및 유효편석계수은 PIXE분석에 의해 수행되었다. Nd:LLM (Nd:LiLa(MoO$_4$)$_2$) single crystals for the laser host material were grown by the Czochralski method. The Nd:LLM grown single crystals cracked easily, and the reasons of cracks are generally related with phase transition, incongruent melting, chemical heterogeneity of composition, geometric thermal structures of imbalance and growth direction. We confirmed that phase transition is not observed by TG-DTA thermal analysis, and the XRD analysis revealed congruent melting in our products. It was confirmed that the volatilization of Li$_2$O composition is the important reason of chemical heterogeneity. The geometric thermal profile of the resistance furnace of our own design was controlled with a crucible height. Also, Nd:LLM crystal affected growth direction, and was the best quality in case of (101) growth direction. The distribution and effective distribution coefficient of Nd$^{3+}$ ion were accomplished by PIXE analysis.s.

규질 이암으로부터 Na-A형 제올라이트의 scale-up 수열합성 및 중금속흡착

배인국 ( In Kook Bae ),장영남 ( Young Nam Jang ),신희영 ( Hee Young Shin ),채수천 ( Soo Chun Chae ),류경원 ( Kyoung Won Ryu ) 한국광물학회 2008 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.21 No.4

포항지역 널리 분포하고 있는 규질이암으로부터 상업화를 위한 50리터 bench scale 수열장치를 사용하여 Na-A형 제올라이트의 합성을 성공적으로 수행하였고 또한 이 제올라이트를 이용하여 환경개선재로 활용하는 연구를 수행하였다. 초기물질로 사용된 규질이암은 제올라이트의 주요 성분인 SiO2 및 Al2O3가 각각 70.7% 및 10.0% 함유되어 제올라이트의 합성에 유리한 조성을 가지고 있다. 이전의 실험실적 규모에서 수행된 동일한 조건인 Na2O/SiO2=0.6, SiO2/Al2O3=2.0, H2O/Na2O=98.6의 조성비로 80℃에서 18시간 동안 합성한 결과, Na-A형 제올라이트의 결정도 및 결정형태는 실험실적 규모와 유사하였고, 회수율 및 양이온교환능은 각각 95% 및 215cmol/kg으로 실험실적 규모에서 보다 약간 우수한 결과를 나타냈다. 합성된 Na-A형 제올라이트를 이용하여 모사폐액(Pb, Cd, Cu, Zn 및 Mn)에 중금속 제거율을 조사한 결과, 중금속 제거율은 Pb >Cd >Cu=Zn >Mn의 순서이었다. Mn을 제외한 다른 중금속들은 1500 mg/L에서 99% 이상의 제거율을 보였고, Mn의 경우도 98%의 제거율을 보여 합성된 Na-A형 제올라이트는 중금속 흡착제로서 우수한 특성을 나타냈다. The feasibility of commercializing the hydrothermal synthesis of Na-A type zeolite from siliceous mudstone has been conducted using a 50-liter bench-scale autoclave and the application of the zeolite as an environmental remediation agent. Siliceous mudstone, which is widely distributed around the Pohang area, was adopted as a precursor. The siliceous mudstone is favorable for the synthesis of zeolite because it contains 70.7% SiO2 and 10.0% Al2O3, which are major ingredient of zeolite formation. The synthesis of zeolite was carried out under the following conditions that had been obtained from the previous laboratory-scale tests: 10 hr reaction time, 80℃ reaction temperature, Na2O/SiO2 ratio=0.6, SiO2/Al2O3 ratio=2.0 and H2O/Na2O ratio=98.6. The crystallinity and morphology of the zeolite formed were similar to those obtained from the laboratory-scale tests. The recovery and cation exchange ion capacity were 95% and 215 cmol/kg, respectively, which are slightly higher than those obtained in laboratory scale tests. To examine the feasibility of the zeolite as an environmental remediation agent, experiments for heavy metal adsorption to zeolite were conducted. Its removal efficiencies of heavy metals in simulated waste solutions decreased in the following sequences: Pb >Cd >Cu=Zn >Mn. In a solution of 1500 mg/L total impurity metals, the removal efficiencies for these impurity metals were near completion (>99%) except for Mn whose efficiency was 98%. Therefore, the synthetic Na-A type zeolite was proven to be a strong absorbent effective for removing heavy metals.

Ca-Gd-Ce-Zr-Fe-O 계에서의 석류석 합성 연구

채수천(Soo-Chun Chae 1),장영남(Young-Nam Jang),배인국(In-Kook Bae),S.V. Yudintsev 대한자원환경지질학회 2005 자원환경지질 Vol.38 No.2

석류석 구조에서, 양이온이 점할 수 있는 구조적 위치는 사면체, 팔면체 및 이들과 능을 공유하고 있는 배위다면체의 중심 등이다. 이들 중, 사면체의 자리를 차지하는 양이온의 크기는 석류석의 단위포의 크기와 밀접한 관계를 가진 다. 따라서 4- 배위 자리에 비교적 이온반경이 큰 철을 함유하고 있는 석류석은 방사성 폐기물 내에 함유된 비교적 이온반경이 큰 악티나이드 원소를 고정시키기 위한 유망한 매트릭스로써 고려될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Ca 1.5 GdCe 0.5 ZrFeFe 3 O 12 인 조성을 가진 석류석을 합성하여 이들의 상평형 관계 및 특성을 연구하였다. 혼합된 시료는 200~400 kg/cm 2 의 압력으로 성형한 후, 1100~1400 o C 범위에서 온도 및 분위기를 변화시키면서 소결하였으며, 합성된 시료는 XRD 및 SEM/EDS 를 사용하여 상분석과 정량분석을 실시하였다. 실험결과, 석류석은 소결온도 1300 ℃에서 최적의 합성상을 얻을 수 있었지만, 미량의 페로브스카이트 및 미지의 상이 공존하였다. 석류석과 페로브스카이트의 화학조성은 각각 [Ca 1.2-1.8 Gd 0.9-1.4 Ce 0.3-0.5 ] VIII [Zr 0.8-1.3 Fe 0.7-1.2 ] VI [Fe 2.9-3.1 ] IV O 12 및 Ca 0.1-0.5 Gd 0.0-0.8 Ce 0.1-0.5 Zr 0.0-0.2 Fe 0.9-1.1 O 3 이었다. 특히 화학양론적 조성과 비교 시, 합성된 석류석의 8- 배위 자리를 점하고 있는 Ca 의 초과 및 Ce 의 결핍된 양상을 보였다. 이는 6- 배위 자리에서의 Zr 및 Fe 의 화학조성과 밀접한 관계를 지닌다. Structural sites which cations can occupy in garnet structure are centers of the tetrahedron, octahedron, and distorted cube sharing edges with the tetrahedron and octahedron. Among them, the size of cation occuping at tetrahedral site (the center of tetrahedron) is closely related with the size of a unit cell of garnet. Accordingly, garnet containing iron with relative large ionic radii in tetrahedral site can be considered as a promising matrix for the immobilization of the elements with large ionic radii, such as actinides in radioactive wastes. We synthesized several garnets with the batch composition of Ca 1.5 GdCe 0.5 ZrFeFe 3 O 12 , and studied their properties and phase relations under various conditions. Mixed samples were fabricated in a pellet form under a pressure of 200~400 kg/cm 2 and were sintered in the temperature range of 1100~1400 o C in air and under oxygen atmospheres. Phase identification and chemical analysis of synthesized samples were conducted by XRD and SEM/EDS. In results, garnet was obtained as the main phase at 1300 o C, an optimum condition in this system, even though some minor phases like perovskite and unknown phase were included. The compositions of garnet and perovskite synthesized from the batch composition of Ca 1.5 GdCe 0.5 ZrFeFe 3 O 12 were ranged [Ca 1.2-1.8 Gd 0.9-1.4 Ce 0.3-0.5 ] VIII [Zr 0.8-1.3 Fe 0.7-1.2 ] VI [Fe 2.9-3.1 ] IV O 12 and Ca 0.1-0.5 Gd 0.0-0.8 Ce 0.1-0.5 Zr 0.0-0.2 Fe 0.9-1.1 O 3 , respectively. Ca content was exceeded and Ce content was depleted in the 8-coordinated site, comparing to the initial batch composition. This phenomena was closely related to the content of Zr and Fe in the 6-coordinated site.

FT-IR 및 Raman 분광법에 의한 $Na_2O$-$Ga_2O_3$-$SiO_2$ 계 유리의 구조분석

황진명,이전,배인국,Whang, Chin-Myung,Rhee, Jhun,Bae, In-Kook 한국세라믹학회 1988 한국세라믹학회지 Vol.25 No.1

In order to investigate the reason of changes in the physical properties of glasses near the region for which R(Ga/Na)=1, spectroscopic studies using FT-IR and Raman spectroscopy have been carried out on Na2O.2SiO2 glass with addition of Ga2O3 from 0 to 35 mole %, i.e., from R=0 to 1.61. The main purpose of this work is to investigate the coordination number of Ga3+ in glass with variation of glass composition and to determine the existence of tricluster in the Ga-rich region for which R>1.0 in Na2O-Ga2O3-SiO2 system.

규질 이암으로부터 Na-A형 제올라이트 수열합성 반응기구에 대한 연구

배인국 ( In Kook Bae ),장영남 ( Young Nam Jang ),채수천 ( Soo Chun Chae ),김병곤 ( Byoung Gon Kim ),류경원 ( Kyoung Won Ryu ),이성기 ( Sung Ki Lee ) 한국광물학회 2007 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.20 No.3

Ca-Ce-Zr-Ti-O System에서의 파이로클로어 합성 및 상관계에 대한 연구

채수천,배인국,장영남,Chae Soo-Chun,Bae In-Kook,Jang Young-Nam,Yudintsev S.V. 대한자원환경지질학회 2004 자원환경지질 Vol.37 No.6

고준위 폐기물 내에 함유된 핵종을 고정화시킬 수 있는 매트릭스로써 파이로클로어$(pyrochlore;\;CaCeZr_xTi_{2-x}O_7,\;x=0.2\~2.0)$를 합성하여 상평형 관계 및 특성을 연구하였다. 합성방법은 CPS법이었으며, $1100\~1600^{\circ}C$에서 20시간 동안 가열하였다. 실험결과, 최적 합성조건은 각각의 조성에 따라 $1300\~1600^{\circ}C$로 다양하였다. 최적 합성조건에서 파이로클로어 또는 형석구조를 나타내는 산화물(이하 '형석'으로 기재)은 소량의 페롭스카이트와 더불어 $CeO_2$ 또는 $Ce_{0.75}Zr_{0.25}O_2$와 공존하였다. 또한 원조성인 $CaCeZr_xTi_{2-x}O_7$중 $x\leq0.6$인 경우 파이로클로어 구조가, 그리고 $x\geq0.6$에서는 형석구조가 안정한 것을 확인하였다. 특히 x값의 증가에 따라, Ca 및 Ti 성분이 결핍되었으며, 이와는 대조적으로 Zr과 Ce가 초과됨으로써 비화학양론적 조성을 나타내었다. 이러한 특성은 팔배위와 육배위를 차지하고 있는 원소들의 거동에 의한 것으로, 파이로클로어 또는 형석이 단일상이 아니라 페롭스카이트, $CeO_2$ 및 $Ce_{0.75}Zr_{0.25}O_2$와 공존하는 원인이 된 것으로 사료된다. Pyrochlore is known as one of the most promising materials for the immobilization of radionuclide in high level waste. This study included the synthesis, phase relation and characteristics of $pyrochlore(CaCeZr_xTi_{2-x}O_{7,\;x=0.2\~2.0)$ in the system of Ca-Ce-Zr-Ti-O. Using the CPS(Cold pressing and sintering) method, the mixtures of $CaCO3_,\;CeO_2,\;ZrO_2\;and\;TiO_2$ oxides were pressed, and sintered at $1100\~1600^{\circ}C$ for 20 hours. The optimal synthetic conditions at various compositions were differed from 1300 to $1600^{\circ}C$ Even in the optimal temperatures, pyrochlore or fluorite coexisted with minor amount of perovskite, $CeO_2\;or\;Ce_{0.75}Zr_{0.25}O_2$. It was confirmed that pyrochlore and fluorite structures were stable at $x\leq0.6\;and\;x\geq1.0$, respectively. Especially, the compositions of pyrochlore or fluorite showed non-stoichiometric compositions in that contents of Ca and Ti were more deficient and those of Zr and Ce were more excess than batch compositions with the increase of x value. These characteristics stemmed from the behavior of elements occupied at eight- and six-coordinated site, and then caused the coexistence of perovskite, $CeO_2\;or\;Ce_{0.75}Zr_{0.25}O_2$ along with pyrochlore or fluorite.

고준위 방사성 폐기물의 고정화를 위한 다상 고화체 합성

채수천,장영남,배인국,류경원,Chae Soo-Chun,Jang Young-Nam,Bae In-Kook,Ryu Kyung-Won 대한자원환경지질학회 2006 자원환경지질 Vol.39 No.2

석류석과 스피넬의 혼합성분$(Gd_3Fe_5O_{12}+(Ni_xMn_{1-x})(Fe_yCr_{1-y})_2O_4)$으로부터 고준위 방사성 폐기물의 고정화를 위한 다상 고화체를 $1200{\sim}1400^{\circ}C$에서 합성하였다. 이들 화학조성에서는 석류석, 페롭스카이트 및 스피넬이 관찰되었으며, 특히 석류석은 Fe의 함량이 가장 높았던 조성에서만 관찰되는 특성을 보임으로써 Fe의 함량이 석류석의 형성과 밀접한 관계를 지시하고 있다. 석류석의 성분은 Gd와 Fe가 각각 초과 및 결핍된 양상을 보였다. 이같은 석류석의 비화학 양론적인 조성은 상들과 원소간의 선호적 배분관계에 기인된 것으로 사료된다. The synthesis of polyphase waste form, which is an immobilization matrix fur the high level radioactive wastes, was performed with the mixed composition of garnet and spinel $(Gd_3Fe_5O_{12}+(Ni_xMn_{1-x})(Fe_yCr_{1-y})_2O_4)$ in the range of 1200 to $1400^{\circ}C$. The phases synthesized from all stoichiometric compositions were garnet, perovskite, and spinel. Especially, garnet was synthesized only in the composition of the highest content of Fe(y=0.9), whereas it was not synthesized in other compositions. This result indicated that the content of Fe was closely related to the formation of garnet. The composition of garnet revealed that the content of Gd was exceeded and that of Fe was depleted. Preferential distribution of elements in the phases can be attributed to the nonstoichiometric composition of garnet.

pH에 따른 캐올리나이트 합성과 특성 분석

류경원,장영남,배인국,서용재,Ryu, Gyoung-Won,Jang, Young-Nam,Bae, In-Kook,Suh, Yong-Jae 대한자원환경지질학회 2008 자원환경지질 Vol.41 No.2

비정질 $SiO_2$와 $Al(OH)_3$를 출발물질로 이용하여 250$^{\circ}C$, $30kg/cm^2$의 조건에서 pH를 2${\sim}$9까지 변화시키면서 캐올리나이트를 수열합성하였다. 합성 캐올리나이트는 XRD, FT-IR, TG, DTA, 및 FE-SEM을 사용하여 광물학적 특성 분석을 실시하였으며, 이로부터 캐올리나이트 합성시 pH의 변화에 따른 영향력을 관찰하였다. 실험결과, 산성조건에서 중-저 결함도와 높은 열적 안정성을 갖는 양호한 캐올리나이트가 합성되었으며, 알카리성 조건에서는 결함이 많은 캐올리나이트가 합성되었다. 이러한 현상은 합성 캐올리나이트의 표면특성이 pH에 의존하기 때문인 것으로 보인다. FT-IR 분석결과, 반응용액의 알칼리도가 증가함에 따라 합성 캐올리나이트의 피크 강도와 분해도가 감소되었으며, TG-DTA 분석결과, 60-70$^{\circ}C$의 저온영역에서의 탈수현상에 의한 피크 강도 증가가 관찰되었다. 이러한 결과는 pH의 증가에 따라 반응에 참여하지 못한 비정질 물질의 양이 증가하기 때문이며 FE-SEM 분석에 의해 확인되었다. Kaolinite [$Al_2Si_2O_5(OH)_4$] used in these experiments was synthesized at 250$^{\circ}C$ for 36 hrs by a hydrothermal process from amorphous $Al(OH)_3$ and $SiO_2$. The change of the mineralogical properties of the phase synthesized were observed in the pH range 2 to 9. The synthetic kaolinite were characterized by the analytical methods of XRD, IR, DIA, and FE-SEM. Kaolinite was obtained in a wide range of pH. The phases with high- to midium- defect kaolinite with high thermal stability were obtained from the acidic conditions and high-defect kaolinite with low thermal stability from the basic conditions. These variations of kaolinite properties appears to be related to the pH dependence of kaolinite surface speciation. The peaks intensity and resolution of the kaolinite decrease according to the alkalinity of the solution by the results of the IR testing. And the peak intensity increases in the 60 to 70$^{\circ}C$ range due to dehydration reaction observed by TG-DTA. Such phenomena was the result of increase of unreacted amorphous materials in the high pH condition, which could be identified by FE-SEM.

새로운 파이로클로어의 합성 및 결정화학적 특징

장영남(Young Nam Jang),채수천(Soo Chun Chae),배인국(In Kook Bae),(Sergey V. Yudintsev) 한국광물학회 2002 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.15 No.1

New pyrochlore-type phases(A_2B_2O_7) were synthesized in the systems: CaO-CeO_2-TiO_2, CaO-UO_2(ThO_2)-ZrO_2, CaO-UO_2(ThO_2)-Gd_2O_3-TiO_3-TiO_2-ZrO_2 and CaO-ThO_2-SnO_2. The starting materials were pressed with the pressure of 200∼400 MPa and sintered at 1500∼1550℃ for 4∼8 hours in air and at 1300∼1350 ℃ for 5∼50 hours under oxygen atmosphere. The products were charactierized using XRD, SEM/EDS and TEM. In the bulk compositions of CaCeTi_2O_7, CaThZr_2O_7, (Ca_0.5GdTh_0.5)(ZrTi)O_7, (Ca_0.5GdU_0.5)(ZrTi)O_7 and CaThSn_2O_7, pyrochlore was the major phase, together with other oxide phase of fluorite structure. In the samples with target compositions CaUzr_2O_7 and Ca_0.5GdU_0.5Zr_2O_7, pyrochlore was not identified, but a fluorite-structured phase was detected. The formation factor as the stable phase depended on crystal chemical characteristics of the actinide and lanthanide elements of the system concerned.

석류석 구조를 가진 고화체의 용출 특성

채수천(Soo-Chun Chae),장영남(Young-Nam Jang),배인국(In-Kook Bae),류경원(Kyung-Won Ryu),T. S. Ioudintseva,S. V. Yudintsev 대한자원환경지질학회 2006 자원환경지질 Vol.39 No.2

고준위 방사성 폐기물에 포함된 핵종을 고정화시킬 수 있는 유망한 물질의 하나인 석류석의 화학적 안정성에 대한 연 구결과가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 3가와 4가의 Pu의 모조제로써 Gd 및 Ce을 함유하고 있는 다양한 조 성의 석류석을 합성하여 화학적 내구성의 척도인 용출실험을 실시하였다. 증류수로부터의 Gd과 Ce에 대한 모든 시료의 용출속도가 각각 1.2×10-4~4.6×10-6 g/m2/day, 및 7.5×10-5~1.8×10-7 g/m2/day를 보임으로써 기존의 연구된 고화체에 대한 분석 자료와 비교 시 화학적 내구성이 우수한 것으로 판단되었다. 특히 알칼리 또는 산성조건에서의 용출실험 자료 가 전무한 실정인 바, 이를 보완하기 위하여 0.01M-NaOH 및 0.01M-HCl 용액을 사용한 용출실험을 수행하였다. 실험 결과, 0.01M-HCl 용액을 이용한 용출실험 결과 얻어진 Gd과 Ce에 대한 모든 시료의 용출속도는 각각 2.5×10-1 ~6.9×10-3 g/m2/day 및 3.7×10-1~3.1×10-3 g/m2/day였다. 또한 0.01M-NaOH 용액으로부터의 용출속도는 Gd과 Ce의 경우, 각각 3.1×10-4~1.3×10-6 g/m2/day 및 1.8×10-3~0 g/m2/day였다. 결과적으로 이들 산성과 알칼리성 조건에서의 고화체의 용출속도는 차후 고화체의 화학적 내구성에 대한 척도로써 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다. Garnet has been suggested as one of the most promising material for the immobilization of radionuclide in high level waste. But data on its chemical durability are sufficiently available. Accordingly, Gd and Ce garnets were synthesized as imitators for Pu3+ and Pu4+ were synthesized, and their leaching rates, the parameters of the chemical durability were measured by changing the conditions. In distilled water, the ranges of leaching rates of Gd and Ce were 1.2×10-4~4.6×10-6 g/m2/day and 7.5×10-5~1.8×10-7 g/m2/day, respectively. A comparison with previous data suggests that the chemical durabilities of garnets synthesized from this study are superior to those of other waste forms. Additional leaching experiments were performed with 0.01M-HCl and 0.01M-NaOH solutions to see Gd and Ce leaching at acidic and alkalinity conditions. In 0.01M-HCl solution, the ranges of leaching rates of Gd and Ce were 2.5×10-1~6.9×10-3 g/m2/day and 3.7×10-1~3.1×10-3 g/m2/day, respectively, while were 3.1×10-4~1.3×10-6 g/m2/day and 1.8×10-3~0 g/m2/day, respectively in 0.01M-NaOH solution. It is believed that leaching data can be used in understanding chemical durabilities of waste from garnets in acidic and alkaline conditions.