[논문]산소부화를 통한 화염온도 변화에 따른 연소합성된 TiO2 나노입자의 결정구조 변화

이교우

doi:10.3795/ksme-b.2006.30.7.692

[국내논문] 산소부화를 통한 화염온도 변화에 따른 연소합성된 TiO2 나노입자의 결정구조 변화
Effect of Oxygen-Enriched Flame Temperature on the Crystalline Structures of the Flame-Synthesized TiO2 Nanoparticles 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.30 no.7 = no.250, 2006년, pp.692 - 699

이교우 (전북대학교 기계항공시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, $TiO_2$ nanoparticles were synthesized using $N_2-diluted$ and Oxygen-enriched co-flow hydrogen diffusion flames. The effect of flame temperature on the crystalline structure of the formed $TiO_2$ nanoparticles was investigated. The measured maximum centerline temperature of the flame ranged from 2,103k for oxygen-enriched flame to 1,339K for $N_2-diluted$ flame. The visible flame length and the height of the main reaction zone were characterized by direct photographs. The crystalline structures of $TiO_2$ nanoparticles were analyzed by XRD. From the XRD analysis, it was evident that the crystalline structures of the formed nanoparticles were divided into two sorts. In the higher temperature region, over the 1,700K, the fraction of formed $TiO_2$ nanoparticles having anatase-phase crystalline structure increased with increasing the flame temperature. On the contrary, in the lower temperature region, below the 1,600K, the fraction of anatase-phase nanoparticles increased with decreasing the flame temperature.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이상의 선행 연구자들의 결과를 참고하여, 본 연구에서는 전구체로 TTIP를 사용하며 수소를 연료로 하는 확산화염에서 화염온도가 합성되는 TiO₂ 나노입자의 결정구조에 미치는 영향을 고찰하였다. 화염의 온도를 조절하기 위하여 다중관형 버너를 사용하여 연료와 산화제 사이에 질소를 주입하여 화염온도를 낮추거나 산화제에 산소를 부화(enriched)하여 화염온도를 높이는 방법을 사용하였다.
이전에 수행된 본 연구자의 연구결과3)에서 나타났던 스테인리스 스틸 굴뚝(chimney)에 의한 모호한 결과 해석을 좀더 명확히 하여 Yang 등의 연구결과와의 상반된 결과의 원인을 규명하고자 본 연구를 수행하였으며, 산소부화 및 질소 희석을 이용하여 화염온도의 변동 폭을 확대하여 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 수소를 연료로 하는 확산화염을 매개로 하여 TTIP(titanium tetra-isopropoxide)를 전구체로 생성되는 TiO₂ 나노입자의 결정구조에 미치는 합성온도의 영향을 고찰하였다. 열전대 급속삽입법을 이용하여 질소희석 및 산화제 산소 부화 등에 의해서 변화되는 연소장의 온도를 측정하고, 열영동 포집 기판을 사용하여 생성된 TiO₂ 나노입자를 포집하고 분석하였다.

제안 방법

화염의 온도를 조절하기 위하여 다중관형 버너를 사용하여 연료와 산화제 사이에 질소를 주입하여 화염온도를 낮추거나 산화제에 산소를 부화(enriched)하여 화염온도를 높이는 방법을 사용하였다. 열전대 급속삽입법을 이용하여 연소조건에 따라 변화되는 화염 중심축의 온도를 측정하고, 열영동 포집판(thermophoretic collector)을 사용하여 생성된 TiO₂ 나노입자를 포집하여 형상, 크기 및 결정구조 등을 분석하였다.
화염의 온도를 조절하기 위하여 다중관형 버너를 사용하여 연료와 산화제 사이에 질소를 주입하여 화염온도를 낮추거나 산화제에 산소를 부화(enriched)하여 화염온도를 높이는 방법을 사용하였다. 열전대 급속삽입법을 이용하여 연소조건에 따라 변화되는 화염 중심축의 온도를 측정하고, 열영동 포집판(thermophoretic collector)을 사용하여 생성된 TiO₂ 나노입자를 포집하여 형상, 크기 및 결정구조 등을 분석하였다.
발생된 열전대의 기전력은 A/D 컨버터(HP 34970A)를 통해 디지털로 전환되어 컴퓨터에 저장되었다. 버너 팁을 기준으로 높이 10mm부터 160mm까지 5mm 간격으로 10회 반복 측정하여 평균치를 구하였다.(15)
Table 1에 나타낸 바와 같이 전구체 운반가스와 연료의 양은 고정시키고, 희석기체를 추가하여 화염온도를 낮추거나 산화제에 산소를 추가하여 화염온도를 높이는 방법을 사용하였으며, 각 경우에 버너 상부의 중앙에서 축 방향으로 온도를 측정하여 최고 측정온도를 그 화염의 대표온도로 사용하였으며, 기판에 포집된 TiOz 나노입자는 XRD(X-ray-diffraction, Rigaku Inc.,DMAX-2500) 으로 분석하여 생성된 나노 입자의 결정구조를 파악하였다.
합성온도의 영향을 고찰하였다. 열전대 급속삽입법을 이용하여 질소희석 및 산화제 산소 부화 등에 의해서 변화되는 연소장의 온도를 측정하고, 열영동 포집 기판을 사용하여 생성된 TiO₂ 나노입자를 포집하고 분석하였다.

대상 데이터

또한, Prats inis 등''"과 Katzer 등'")은 고온일수록 루타일 구조로의 전환이 지배적이라는 결과를 보여주었다. 이상의 세 연구에서는 모두 전구체로서 TiCk를 사용하였다. Lee와 Choi(12) 는 CO₂ 레이저를 조사시켜 루타일 구조를 아나타제 구조로 전환시켰다.
본 연구의 실험장치는 Fig. 1에서 보는 것처럼, 연료(H2), 중간 희석기체(N₂), 산화제(N₂ 및 02) 그리고 전구체인 TTIP를 운반하는 이송 기체(Ar)를 각각 정량하여 공급하는 유량제어 부분과 공급된 연료 및 산화제가 반응하여 화염이 형성되고 그 화염에서 가수분해 반응 등에 의해서 TTIP 가 Ti6로 생성되는 반응기 역할을 하는 화염 및 연소기 부분으로 구분된다. 측정을 위한 부분으로는 입자의 열영동 포집장치, 그리고 온도측정 및 컨트롤 장치가 있다.
사용된 버너는 Fig. 1의 우측 상부에 보는 것처럼 동축관의 형태인데, TTIP가 운반기체(Ar)와 함께 공급되는 내경 3.87mm(외경 6.35mm)인 중앙관과 이를 둘러싸고 있는 연료(H₂)가 공급되는 내경 10.22mm(외경 12.70mm)의 두 번째 관과 희석기체(Nz) 가 공급되는 내경 16.57mm(외경 19.05mm)의 세 번째 관, 그리고 제일 바깥쪽에서 산화제인 공기와 질소가 공급되는 내경 22.10mm (외경 25.40mm)의 외부 관으로 구성되어 있다. 생성된 입자의 포집은 10mm X 10mm 크기의 스테인리스스틸 기판(두께 0.
40mm)의 외부 관으로 구성되어 있다. 생성된 입자의 포집은 10mm X 10mm 크기의 스테인리스스틸 기판(두께 0.2mm)을 사용하였으며, 화염 및 소결(sintering) 영향을 배제할 수 있는 위치인 버너 팁 (tip) 에서 150mm. 하류에 설치하여 입자를 포집하였다.
급속삽입 온도측정을 위해 응답특성이 좋은 직경 127/zm 인 세선 (fine wire) 의 R-type (Pt/Pt-13%Rd) 열전대를 사용하였다. 발생된 열전대의 기전력은 A/D 컨버터(HP 34970A)를 통해 디지털로 전환되어 컴퓨터에 저장되었다.
정하였다. 측정 데이터는 열전대 접점 자체의 복사(radiation) 손실을 보상(compensation)한 것인데, 2.000K 및 l, 500K의 측정치에서는 각각 약 100K 및 40K 정도의 접점 복사 보정치를 갖는다. (15)

이론/모형

이는 TTIP는 공급하지 않고 단지 화염의 온도만을 측정한 결과이다. 화염대로부터 중앙에 위치한 열전대 접점으로의 열전달을 배제하고자 급속삽입법으로 온도를 측.정하였다.

성능/효과

3에서는 이를 정량적으로 보여주고 있다. 또한, 본 연구에서는 입자의 포집은 하류 150mm에서 이루어지므로 모두 l, 000K 이하의 조건에서 입자의 포집이 이루어지는 것으로 판단된다.
이러한 XRD 분석결과로 미루어 판단하자면, TTIP를 전구체로 사용하여 확산화염 반응기를 통한 TiO₂ 나노입자의 합성에서는 Case #3과 #4를 기점으로 두 가지의 생성 메커니즘이 존재할 수 있음을 보여주는 결과라고 할 수 있다. 즉, Case #4 이상의 고온에서는 온도가 높아지면서 아나타제 구조가 지배적으로 나타나며, 반면 Case 3 이하의 경우에서는 온도가 낮아질수록 아나타제 구조가 더 많이 나타나고 있다.
있음을 알 수 있다. 상대적으로 고온 영역에 해당하는 l, 700K 이상의 영역에서는 온도증가에 따라 아나타제 결정구조의 비율이 증가하지만, 저온영역인 l, 600K 이하의 지역에서는 온도가 높아질수록 루타일 결정구조가 증가하고 오히려 온도가 낮아질수록 아나타제 결정구조의 비율이 증가함을 알 수 있다.
입자가 화염을 벗어나서도 굴뚝 내부에서 비교적 고온인 l, 500K 이상으로 유지되면서 아나타제에서 루타일 구조로 변환되기 때문에 이 부분의 결과가 반대로 나타났다고 판단된다. 화염을 안정화시키고 입자의 포집을 용이하게 하기 위해서 설치한 굴뚝이 일종의 반응기 구실을 하여 아나타제 상의 TiO₂ 나노입자의 생성에는 오히려 부정적인 요인으로 작용한 결과였음을 확인할 수 있다.
XRD 분석에 의하면 l, 600K 에서 l, 700K 범위를 기준으로 온도에 대한 아나타제결정구조의 생성 경향이 상반되게 나타나고 있음을 알 수 있다. 상대적으로 고온영역에 해당하는 l, 700K 이상의 영역에서는 온도증가에 따라 아나타제 결정구조의 비율이 증가하지만, 저온영역인 1.600K 이하의 지역에서는 온도가 높아질수록 오히려 루타일 결정구조가 증가함을 알 수 있다.

후속연구

차후에 진행될 연구에서 추가적으로 고려되어야 하겠지만, 화염온도의 변화는 결정구조 뿐 아니라 합성되는 입자 자체의 크기나 응집상태 등에도 영향을 줄 수 있으며, 또한 화염길이의 변화와 화염 내 입자 발생 위치의 변화, 그리고 포집 위치까지의 상대적인 체류시간, 등에 의해서 영향을 받을 수 있다.

참고문헌 (15)

Okuyama, K., Ushio, R., Kousaka, Y., Flagan, R. C. and Seinfeld, J. H., 1990, 'Particle Generation in a Chemical Vapor Deposition Process with Seed Particles,' AIChE Journal, Vol. 36, No. 3, pp. 409-419

상세보기
Seto, T., Shimada, M. and Okuyama, K., 1995, 'Evaluation of Sintering of Nanometer-Sized Titania Using Aerosol Method,' Aerosol Sci. Tech., Vol.23, pp. 183-200

상세보기
Kim, T. O., Suh, J. and Choi, M., 2001, 'An Experimental Study on Composition Characteristics of $SiO_2/TiO_2$ Multicomponent Particle Generated in a Coflow Diffusion Flame,' Trans. of the Korean Soc. of Mech. Engineers B, Vol. 25, No. 9, pp. 1175-1182

원문보기 상세보기
Kashima, K. and Sugiyama, H., 1990, 'Particle Size Control of $TiO_2$ Ultrafine Particles by CVD Method,' Kagaku Kougaku Ronbunsyu, Vol. 16, pp. 551-556

상세보기
Park, J.-K., Ahn, J.-P. and Kim, G., 1999, 'Effect of Compact Structure on Phase Transformation Kinetics from Anatase Phase to Rutile Phase and Microstructure Evolution During Sintering of Ultrafine Titania Powder Compacts,' Metals and Materials, Vol. 5, No. 2, pp. 129-134

상세보기
Kumar, S. R., Pillai, S. C., Hareesh, U. S., Mukundan, P. and Warrier, K. G. K., 2000, 'Synthesis of Thermally Stable, High Surface Area Anatase-Alumina Mixed Oxides,' Materials Letters, Vol. 43, pp. 286-290

상세보기
Okada, K., Yamamoto, N., Kameshima, Y., Yasumori, A. and MacKenzie, K. J. D., 2001, 'Effect of Silica Additive on the Anatase-to-Rutile Phase Transition,' J. Am. Ceram. Soc., Vol. 84, No. 7, pp. 1591-1596

상세보기
Nakaso, K., Okuyama, K., Shimada, M. and Pratsinis, S. E., 2003, 'Effect of Reaction Temperature on CVD-made $TiO_2$ Primary Particle Diameter,' Chern. Eng. Sci., Vol. 58, pp. 3327-3335

상세보기
Jang, H. D., Kim, S.-K. and Kim, S.-J., 2001, 'Effect of Particle Size and Phase Composition of Titanium Dioxide Nanoparticles on the Photocatalytic Properties,' J. Nanoparticle Research, Vol. 3, pp. 141-147

상세보기
Pratsinis, S. E., Zhu, W. and Vemury, S., 1996, 'The Role of Gas Mixing in Flame Synthesis of Titania Powders,' Powder Tech., Vol. 86, pp. 87-93

상세보기
Katzer, M., Weber, A. P. and Kasper, G., 2001, 'The Effects of Electric Fields on Growth of Titania Particles Formed in a $CH_4-O_2$ Diffusion Flame,' J. Aerosol Sci., Vol. 32, pp. 1045-1067

상세보기
Lee, D. G. and Choi, M. S., 2002, 'Coalescence Enhanced Synthesis of Nanoparticles to Control Size, Morphology and Crystalline Phase at High Concentrations,' J. Aerosol Sci., Vol. 33, pp. 1-16

상세보기
Yang, G., Zhuang, H. and Biswas, P., 1996, 'Characterization and Sinterability of Nanophase Titania Particles Processed in Flame Reactor,' Nanostructured Materials, Vol. 7, No. 6, pp. 675-689

상세보기
Lee, G. W., Lee, S. B., Jurng, J. and Bae, G.-N., 2005, 'Effect of Flame Temperature on the Characteristics of Flame Synthesized $TiO_2$ Nanoparticles,' Trans. of the Korean Soc. of Mech. Engineers B, Vol. 29, No. 9, pp. 1013-1021

원문보기 상세보기
Lee, G. W., Jurng, J. and Hwang, J., 2002, 'Soot Concentration and Temperature Measurements in Laminar Ethylene Jet Double-Concentric Diffusion Flames,' Trans. of the Korean Soc. of Mech. Engineers B, Vol. 26, No. 3, pp. 402-409

원문보기 상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증