선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 첫번째 실험으로 TiO2 박막에 UV를 조사하여 분해효율을 측정하였다. 그리고 다른 실험조건으로 TiO2+UV 외에 산소 (공기)를 주입하여 산소의 공급이 광촉매 효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 예비실험 결과 산소유량이 10~50cc/min 범위일 때 페놀분해효과가 우수하게 나타났는데, 30cc/min 이 상에서 포화현상을 보였다.
- 미생물의 증식정도는 여러 방법에 의해 측정할 수 있으며, 일반적으로 균액의 광학밀도(optical density)나 균체 질량 (biomass) 을 측정하는 방법이 사용되어 지고 있다. 본 실험에서는 표준 평판 생균수 측정법 (standard plate count) 에 의해서 균액증에 살아있는 생균수 집락형성능 (colony forming unit : CFU) 을 측정하는 방법으로 광촉매의 분해능을 알아보고자 하였다. 그람음성인 Kcoli 078을 사용하여 균주를 영양 LB (lactose broth) 배지 (medi・ um)에서 배양하고, 350nm~400nm의 파장범위를 지닌 UV를 조사하여 시간에 따른 균주의 분해정도를 측정하는 방법을 사용하였다.
- 본 연구에서는 반응성 스퍼터링법으로 제조된 광촉매 TiO2 박막을 phenol 및 Escherichia coli 078(E.coli 078) 배양액에 적용시켜 유기물의 분해작용과 항균 및 살균작용에 미치는 효과를 측정하여 광촉매 효과가 우수한 TiO2 박 막의 미세조직과 표면구조에 관하여 조사하고자 하였다.
- 광촉매에 대한 관심이 높아져 많은 연구가 진행증에 있지만, 그 적용은 대부분 수처리용의 유기물 분해에 국한되어 있다. 이에 본 연구에서는 TiO2 광 촉매를 실생활에 적용하고, 그 가능성을 알아보고자 대장균 (E.coli 078) 에 대한 살균효과 실험을 행하였다. 살균실험에 사용된 TiO2 박막은 페놀분해실험에서 우수한 효과를 보인 것에서 효과가 미약한 것까지 8개를 선택하여 사용하였으며, 이들 시편이 제조된 조건을 Table 2에 나타내었다.
제안 방법
- 반응기는 batch type re- actor로 페놀의 분해를 측정할 수 있도록 제조되었다. 500ml 비이커 내에 제조된 TiO2 박막을 코팅면이 위로 오도록 하여 장입한 후, 분해하고자 하는 물질인 순도 98% 이상의 페놀(CeHQH-samchun chemicals)을 50ppm으로 조정한 용액 300iml를 넣고 shaker를 사용하여 일정속도로 교반하였다. 광원으로는 365nm의 증심파장을 가진 Black Light Blue UV 램프를 비이커 위쪽에 장치하여 시편에 자외선이 수직으로 입사되도록 하였다.
- E.coli。78의 살균실험에서 광촉매 효율이 가장 우수하였던 SG-4, 증간 정도의 효율을 보인 SG-2와 매우 낮은 효율을 나타낸 SG-7 시편을 각각 선택 하여 AFM 측정을 하였으며, 이들 시편표면을 주사전자현 미경으로 관찰 비교한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. SG- 4는 산소분압 23%, 작업압력 ixlOeorr, 인가전력 8.
- 본 실험에서는 표준 평판 생균수 측정법 (standard plate count) 에 의해서 균액증에 살아있는 생균수 집락형성능 (colony forming unit : CFU) 을 측정하는 방법으로 광촉매의 분해능을 알아보고자 하였다. 그람음성인 Kcoli 078을 사용하여 균주를 영양 LB (lactose broth) 배지 (medi・ um)에서 배양하고, 350nm~400nm의 파장범위를 지닌 UV를 조사하여 시간에 따른 균주의 분해정도를 측정하는 방법을 사용하였다.
- 따라서 본 실험의 산소유량은 30cc/min으로 고정하였다. 그리고 광촉매현상에 의하여 분해되는 페놀의 시간에 따른 농도변화를 조사하기 위하여 반응시간을 20분씩 달리한 용액 10cc를 취하여 shimadzu 사의 UV-1601(PC)S spectrophotometer롤 사용하여 농도를 측정하였다.
- 또한 Atsuo'D는 (101) 면의 우선방향을 지닌 박막을 제조하여 다공성이고 미세한 결정립을 가진 경우가 광촉매 효율이 좋다고 보고하였다. 따라서 본 실험에서 제조된 TiO2 박막의 표면상태와 광촉매 효율과의 관련 성을 조사하기 위하여 시편의 표면을 AFM 을 이용하여 표면조도를 관찰하였다. E.
- 광원으로는 365nm의 증심파장을 가진 Black Light Blue UV 램프를 비이커 위쪽에 장치하여 시편에 자외선이 수직으로 입사되도록 하였다. 또한 UV 램프의 광원에 의하여 페놀용액의 온도가 상승되는 것을 방지하기 위하여 용액 내에 냉각수를 통과시켜 상온을 유지하도록 하였다. 예비실험으로 UV 조사 없이 페놀분해실험한 결과, TiO2 광촉매 효과가 나타나지 않았다.
- 반응성 스퍼터링법으로 anatase TiO2 박막을 제조하여 광촉매 효율에 관한 실험을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 스퍼터링의 공정변수와 광촉매 효과의 관련성을 조사하기 위하여 TiCh 박막을 촉매제로 사용하여 페놀분해효율을 측정하였다. 페놀분해효율을 측정하기 위하여 사용된 실험 장치의 개략도는 Fig.
- coli 078을 petri-dish에 50ul씩 분주하였다. 이들 petri-dish를 30분 동안 350~ 400nm의 파장을 가지는 UV에 노출시킨 후 각 petri-dish에서 50#씩을 취하여 고체 LB 배지 petri-dish(87x 15mm)에 삼각 스프리더로 균일하게 도포하였으며, petri-dish를 뒤집어 24시간 배양 한 후 E.coli 078 생균수 (colony)의 개수를 측정하였다.
- 박막을 제조하였으며, 스퍼터링시 공정조건을 Table 1에 나타내었다. 제조된 시편을 박막용 X-선 회절 기를 사용하여 Cu target, monochromator, 50.0kV,200.0mA, 20는 20° ~80° 조건으로 상분석을 행하였으며, 박막의 표면구조를 JEOL 사의 Field-Emission 주사전자 현미경과 AFM을 사용하여 관찰하였다.
- 예비실험으로 UV 조사 없이 페놀분해실험한 결과, TiO2 광촉매 효과가 나타나지 않았다. 첫번째 실험으로 TiO2 박막에 UV를 조사하여 분해효율을 측정하였다. 그리고 다른 실험조건으로 TiO2+UV 외에 산소 (공기)를 주입하여 산소의 공급이 광촉매 효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
- 한천경사배지 (agar slant) 상에서 분리 배양한 E.coli 078을 LB 배지에 접종한 후, 14~24시간 동안 37℃에서 배양시켰으며, 각각의 petri-dish에 멸균시킨 LB 배지 10 ml를 첨가한 후, 조건별로 제조된 TiO2 박막을 넣고, 배양된 E.coli 078을 petri-dish에 50ul씩 분주하였다. 이들 petri-dish를 30분 동안 350~ 400nm의 파장을 가지는 UV에 노출시킨 후 각 petri-dish에서 50#씩을 취하여 고체 LB 배지 petri-dish(87x 15mm)에 삼각 스프리더로 균일하게 도포하였으며, petri-dish를 뒤집어 24시간 배양 한 후 E.
대상 데이터
- 500ml 비이커 내에 제조된 TiO2 박막을 코팅면이 위로 오도록 하여 장입한 후, 분해하고자 하는 물질인 순도 98% 이상의 페놀(CeHQH-samchun chemicals)을 50ppm으로 조정한 용액 300iml를 넣고 shaker를 사용하여 일정속도로 교반하였다. 광원으로는 365nm의 증심파장을 가진 Black Light Blue UV 램프를 비이커 위쪽에 장치하여 시편에 자외선이 수직으로 입사되도록 하였다. 또한 UV 램프의 광원에 의하여 페놀용액의 온도가 상승되는 것을 방지하기 위하여 용액 내에 냉각수를 통과시켜 상온을 유지하도록 하였다.
- 반응성 스퍼터링법으로 Si 웨이퍼 위에 2an X 2an 크기로 TiO2 박막을 제조하였으며, 스퍼터링시 공정조건을 Table 1에 나타내었다. 제조된 시편을 박막용 X-선 회절 기를 사용하여 Cu target, monochromator, 50.
- coli 078) 에 대한 살균효과 실험을 행하였다. 살균실험에 사용된 TiO2 박막은 페놀분해실험에서 우수한 효과를 보인 것에서 효과가 미약한 것까지 8개를 선택하여 사용하였으며, 이들 시편이 제조된 조건을 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
- TiO2 광촉매 박막을 이용한 E.coli 078의 살균실험은 Kayano9) 등이 사용하였던 방법을 참고로 행하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. control' 이라고 표시된 데 이터는 광촉매 없이 UV만 조사시켰을 경우를 나타낸 것이며, UV만 조사시켰을 경우에 잔존한 E.
성능/효과
- 1) 페놀을 이용한 유기물 분해 실험 결과, 저결정성 박막의 경우에는 분해효과가 매우 미약하였으며, 섬상조직이 발달하여 표면조도가 크고, 결정성이 우수한 박막의 광촉매 효율이 우수하게 나타나 표면형상과 결정성이 분해효율에 매우 주요한 인자로 작용하는 것을 알 수 있었다.
- 2) 산소를 주입하였을 경우에는 산소가 전자수용체로 작용하여 유기물 분해효과가 최고 2배 이상 증가하였다.
- Photo. 2의 박막의 표면조직사진에서, 10~20nm의 미세한 입자들이 압력이 1X10-2torr 로 증가하면서 돌출조직이 발달하여 표면조도가 매우 상승한 다공성의 조직으로 변화하였음을 나타내고 있다. 작업압력이 3xl0-2torr까지 높아지면 각 입자들의 경계가 불분명해지고 10nm 이하의 매우 미세한 입자들로 형성됨을 나타내었는데, 이는 XRD의 결과와 같이 기체산란효과의 영향으로 보여진다.
- 3) E.coli 078을 이용한 살균실험에서도 유기물 분해의 경우와 같이 표면조도 및 결정성이 살균효율을 결정하였으며, UV만 조사한 경우보다 TiO2 박막을 사용한 경우가 최고 70% 이상의 살균효과 증가를 나타내었다.
- coli 0782} colony 수를 100으로 정하였을 때 각각의 TiO2 광촉매 박막의 살 균실험 후 생존율을 나타내었다. TiO2 광촉매 박막을 사용한 시료들은 살균실험 후 모두 colony의 수가 감소하여, control일 경우보다 E.coli 0¥8의 생존율이 10~70%까지 감소한 것을 알 수 있다. 가장 효율이 우수하게 나타난 SG -4 시편의 경우는 control의 경우보다 70% 이상의 높은 살균효율을 나타내었으며 , 이 시편은 페놀분해실험에서도 가장 좋은 효율을 나타낸 것으로 살균실험에서도 우수한 효과를 보이고 있음을 알 수 있었다.
- coli 0¥8의 생존율이 10~70%까지 감소한 것을 알 수 있다. 가장 효율이 우수하게 나타난 SG -4 시편의 경우는 control의 경우보다 70% 이상의 높은 살균효율을 나타내었으며 , 이 시편은 페놀분해실험에서도 가장 좋은 효율을 나타낸 것으로 살균실험에서도 우수한 효과를 보이고 있음을 알 수 있었다.
- 9는 각각 작업압력, 증착시간 그리고 인가전력의 변수에 따른 TiO2 박막의 페놀분해 효율을 나타낸 것이다. 결과에서 보는 바와 같이 표면조도가 크고, 결정성이 좋은 시편에서 광분해효과가 우수하게 나타났으며, 저 결정성 조직에서는 효과가 매우 미약하여 표면형 상과 결정성이 분해효율에 매우 주요한 요인으로 작용하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 산소가 공급되었을 경우도 TiO2만 적용하였을 경우보다 분해효율이 증가하여 앞의 결과와 일치하였다.
- 이러한 결과로 미 루어 anatase TiO2 박막은 저결정성이거나 표면조도가 작을 경우에는 광촉매효과가 감소함을 알 수 있었다. 결정성 이 우수한 경우는 반도체 특성인 전자와 홀의 생성 효율이 증가하고 표면적이 커지면 전자와 홀의 생성수가 증가하기 때문에 광촉매 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 앞의 연구자에 의하여 밝혀진 바와 같이 결정성과 표면조도는 광촉 매 효율에 매우 증요한 인자임을 확인하였으나, 본 실험에서 제조된 시편의 경우는 x~선 회절실험 결과 우선방향성이 검출되지 않아 우선방향에 의한 광촉매 효율은 조사할 수 없었다.
- 일반적으로 TiO2 박막의 표면적 증가는 박막 표면에서 발생하는 OH radical 양이 증가하는 원인이 되어 분해효율 증가에 직접적 원인이 될 수 있으며, 결정성은 반도체 재료로 서의 TiO2 성능과 직결되므로 매우 증요하다. 그러므로 산소분압이 23% 인 시료의 경우가 다른 시료에 비하여 결정성이 우수하고, 표면적이 크므로 페놀 분해능이 크게 나타났으며, 이것으로 보아 결정성과 표면구조가 자외선에 의한 광촉매효과에 결정적으로 작용하는 인자임을 알 수 있었다. 또한 산소가 공급되었욜 경우, TiO2만 적용하여 페놀분해 실험을 행하였을 경우보다 분해정도가 120분 경과 후 40 % 정도에서 60% 이상으로 크게 증가하였다.
- 그리고 다른 실험조건으로 TiO2+UV 외에 산소 (공기)를 주입하여 산소의 공급이 광촉매 효율에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 예비실험 결과 산소유량이 10~50cc/min 범위일 때 페놀분해효과가 우수하게 나타났는데, 30cc/min 이 상에서 포화현상을 보였다. 따라서 본 실험의 산소유량은 30cc/min으로 고정하였다.
- 또한 UV 램프의 광원에 의하여 페놀용액의 온도가 상승되는 것을 방지하기 위하여 용액 내에 냉각수를 통과시켜 상온을 유지하도록 하였다. 예비실험으로 UV 조사 없이 페놀분해실험한 결과, TiO2 광촉매 효과가 나타나지 않았다. 첫번째 실험으로 TiO2 박막에 UV를 조사하여 분해효율을 측정하였다.
- 또한 산소가 공급되었을 경우도 TiO2만 적용하였을 경우보다 분해효율이 증가하여 앞의 결과와 일치하였다. 유기물 분해실험에서 최고 효율을 나타낸 시편은 산소분압 23%, 작업압력 IxlOTtorr, 인가전력 8.77W/cm2, 기판 가열없이 30분간 증착시킨 시편으로 나타났는데, 이 시편의 미세조직은 결정성이 우수하고 표면 조도가 매우 큰 시편으로 박막의 결정성과 표면형상이 동시에 만족되어야 광촉매 효율이 상승작용을 일으키는 것으로 확인되었다.
- 30W/cm2에서 30분간 증착시킨 것으로, RMS가 65A 정도로 매우 매끄러운 형상을 보이고 있다. 이러한 결과로 미 루어 anatase TiO2 박막은 저결정성이거나 표면조도가 작을 경우에는 광촉매효과가 감소함을 알 수 있었다. 결정성 이 우수한 경우는 반도체 특성인 전자와 홀의 생성 효율이 증가하고 표면적이 커지면 전자와 홀의 생성수가 증가하기 때문에 광촉매 효율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 3에 나타내었다. 증착시간이 증가함에 따라 입자들의 형태가 뚜렷하게 관찰되고 크기도 증가하였으며 , 표면조도가 크게 나타났다. 60분 증착한 시편에서는 매우 발달한 다공성의 anatase TiO2가 섬상조직으로 성장한 것을 알 수 있다.
후속연구
- 12) 그러나 근래의 연구에서는 매우 미세한 분말을 제조하여 측정한 결과, 표면적이 증가할수록 광촉매 효과도 증가한다는 보고가 나오고 있다.13) 본 연구에서는 분말이 아닌 박막에 대한 실험으로 분말의 경우와 마찬가지로 광촉매의 표면적이 광촉매 효율에 비례하는 결과를 얻을 수 있었으며, 자외선의 조사방향에 따른 광촉매효율과 표면적 측정의 증요한 변수가 될 수 있는 nanopore 및 nanocrystal에 대한 연구가 더 진행되어야 할 것이다.
- 9) 이러한 보고내용을 바탕으로 하여 Ti0 광촉매를 살균제로 개발할 수 있다면 환경오염물질을 저비용 . 고효율적으로 분해할 수 있을 뿐 아 니라, 의료제품의 제조공정 과정에서 의약품, 의료기구 등의 생산시 엔도톡신의 제어를 할 수가 있을 것으로 예상된다.
- 9) 이러한 보고내용을 바탕으로 하여 Ti0 광촉매를 살균제로 개발할 수 있다면 환경오염물질을 저비용 . 고효율적으로 분해할 수 있을 뿐 아 니라, 의료제품의 제조공정 과정에서 의약품, 의료기구 등의 생산시 엔도톡신의 제어를 할 수가 있을 것으로 예상된다. 또한 병원건물의 내벽과 무균실 등의 벽면에 TiO2 박막을 적용할 경우, 엔도복신에 의한 환자감염을 효율적으로 제어할 수 있어 관련의료사업에 미치는 파급효과도 매우 크 다고 할 수 있다.
- coli 078 cell의 외부 세포벽을 산화시켜 파괴하기 때문으로 알려져 있으며, 이러한 결과는 기존의 고체표면에 존재하는 세균을 제거하기 위하여 고온 및 장시간의 열처리나 약품을 사용한 화학처리가 필요하였던 것과는 달리 상온에서 자외선만 조사시키는 것으로도 매우 뛰어난 살균효과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 또한 침투력이 강한 자외선이 사용되므로 용액 내에서도 적용할 수 있어 매우 다양한 응용 분야를 가질 것으로 예상된다.
- 10분간 증착시킨 시편은 기판으로 사용한 Si의 (100) 피크 이외에 다른 피크가 검출되지 않았는데, 이것은 증착시간이 짧아 박막의 두께가 충분하지 않아 X-선 회절기에서 피크가 검출되지 못한 것으로 생각된다. 또한, 박막형성의 초기에 낮은 기판온도가 비정질 (amorphous) 형성을 촉진 시키므로, 이에 의한 영향도 고려할 수 있을 것이다. 증착 시간이 증가함에 따라 여러 피크들이 검출되어, 두께증가에 따라 anatase TiO2의 성장이 일어남을 보여주고 있다.
- 결정성 이 우수한 경우는 반도체 특성인 전자와 홀의 생성 효율이 증가하고 표면적이 커지면 전자와 홀의 생성수가 증가하기 때문에 광촉매 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 앞의 연구자에 의하여 밝혀진 바와 같이 결정성과 표면조도는 광촉 매 효율에 매우 증요한 인자임을 확인하였으나, 본 실험에서 제조된 시편의 경우는 x~선 회절실험 결과 우선방향성이 검출되지 않아 우선방향에 의한 광촉매 효율은 조사할 수 없었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.