[논문]착체중합법과 sol-gel법에 의한 ZnOTiO2 나노 코아쉘 구조의 제조

임창성

doi:10.5806/ast.2008.21.3.237

착체중합법과 sol-gel법에 의한 ZnOTiO2 나노 코아쉘 구조의 제조
Preparation of ZnOTiO2 nano coreshell structure by the polymerized complex and sol-gel method 원문보기

분석과학 = Analytical science & technology, v.21 no.3, 2008년, pp.237 - 243

초록
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착체중합법과 sol-gel법을 이용하여 ZnO 나노입자 표면상에 $TiO_2$ 입자를 코팅한 나노 코아쉘 구조를 제조하였다. 착체중합법으로 제조된 ZnO 입자는 평균입도가 약 100 nm, sol-gel법으로 제조된 $TiO_2$ 입자는 10 nm 이하의 크기로 각각 구성되었다. $ZnO@TiO_2$ 나노 코아쉘 구조의 평균입도는 약 150 nm의 크기를 나타내었다. 착체중합법으로 제조된 구형의 ZnO 나노 입자는 콜로이드상의 $TiO_2$ 입자의 균일한 표면흡착으로 인해 착체중합법으로 제조된 ZnO 입자의 입자간 응집이 크게 제어되었다. ZnO와 $TiO_2$의 이종 입자간의 표면전하는 pH 7 근처의 중성 영역에서 iso-electric point (IEP)의 차이로 인하여 - 로 대전된 $TiO_2$와 + 로 대전된 ZnO 나노입자의 이종의 입자들이 쿨롱의 인력에 의해 서로간의 결합을 하게 되고, 결합을 이룬 $ZnO@TiO_2$ 나노 코아쉘 구조가 표면 전하가 zero가 되어 발생하게 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nano core shell structures of $TiO_2$ particles coated on surface of ZnO nanoparticles were prepared by the polymerized complex and sol-gel method. The average particle size of ZnO by the polymerized complex method showed 100 nm and the average particle size of $TiO_2$ by the sol-gel method showed below 10 nm. The average particle size of $ZnO@TiO_2$ nano core shell struture represented about 150 nm. The agglomeration between the ZnO particles using the polymerized complex method was highly controlled by the uniform absorption of $TiO_2$ colloid on the spherical ZnO surfaces. The driving force of heterogeneous bonding between ZnO and $TiO_2$ was induced by the Coulomb force. The ZnO and $TiO_2$ particles electrified with + and - charges, respectively, resulted in strong bonding by the difference of iso-electric point (IEP) when they laid neutrality pH area, depending on the heterogeneous surface electron electrified by the different zeta potential on the pH values.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

제조된 ZnO 및 TiO₂의 pH변화에 따른 zeta potential의 변화를 측정하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아쉘 구조에 대한 흡착 매카니즘을 조사하였다. 또한, 제조된 입자는 XRD (X-ray diffractometry), SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission microscope) 및 SAED (selected area electron difiraction) 의 분석을 통해 코팅의 상태 및 입자 형상과 입도 등을 관찰하였다.
5%의 결정화 된 입자의 수율을 보였다. 본 수율을 고려하여 TiO₂ 와 ZnO 입자의 중량비가 1:10 이 되도록 혼합한 후 자석교반기 위에서 교반을 진행하면서 콜로이드 상태 의 ZnO와 TiO₂ 혼합용액을 얻었다.
본 연구에서는 착체중합법과 sol-gel법응 이용하여 ZnO 나노 입자표면 상에 TiO₂ 입자를 코팅한 나노 코 아쉘 구조를 제조하였다. 이를 위해 코아 물질로 착체 중합법으로 ZnO 나노입자를 제조하며, 그 표면에 sol- gel법으로 TiO₂ 입자를 코팅하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아 쉘 구조를 제조하였다.
이 다른 용액을 처음 용액에 떨어뜨리면서 2시간 동안 교반하고 혼합하여 균일한 콜로이드 상태 의 졸을 형성시켰다. 이러한 과정에서 제조된 TiO₂ sol 은 pH 중성영역에서 thermo gravimetry/differential thermal analysis (TG/DTA, SDT-2960 TA instrument,U.S.A.)를 통해 결정화 온도를 확인 하였고 SEM과 TEM 등으로 입자형상과 입도를 확인하였다. TiO₂ 졸 은 자체적으로 가진 특성으로 인해 매우 불안정한 상태를 가져 겔화 되는 과정에서 입자간 응집이 발생하기 쉬우나, 14 이러한 응집은 산을 첨가함으로서 제어15 될 수 있다.
입자를 코팅한 나노 코 아쉘 구조를 제조하였다. 이를 위해 코아 물질로 착체 중합법으로 ZnO 나노입자를 제조하며, 그 표면에 sol- gel법으로 TiO₂ 입자를 코팅하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아 쉘 구조를 제조하였다. 제조된 ZnO 및 TiO₂의 pH변화에 따른 zeta potential의 변화를 측정하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아쉘 구조에 대한 흡착 매카니즘을 조사하였다.
따라서, 이 두 물질의 표면 전하 차이가 최대가 되는 pH로 맞추기 위해 NH₄OH를 첨가하여 중성 영역으로 끌어 올려 이 종 입자간 흡착을 진행시켰다. 이후 250oC 의 건조 오븐 에서 24시간 건조한 후 500oC에서 3시간 동안 하소하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아쉘 구조를 제조하였다. 제조된 나노쉘은 XRD, SEM/EDS, TEM/SAED 의 분석을 통해 코팅의 상태 및 입자 형상과 입도 등을 관찰하였다.
이를 위해 코아 물질로 착체 중합법으로 ZnO 나노입자를 제조하며, 그 표면에 sol- gel법으로 TiO₂ 입자를 코팅하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아 쉘 구조를 제조하였다. 제조된 ZnO 및 TiO₂의 pH변화에 따른 zeta potential의 변화를 측정하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아쉘 구조에 대한 흡착 매카니즘을 조사하였다. 또한, 제조된 입자는 XRD (X-ray diffractometry), SEM (scanning electron microscope), TEM (transmission microscope) 및 SAED (selected area electron difiraction) 의 분석을 통해 코팅의 상태 및 입자 형상과 입도 등을 관찰하였다.
이 gel을 250oC의 건조 오 븐에서 24시간 열처리하여 고분자 전구체를 얻은 후 700oC에서 열처리 하여 ZnO 나노 입자를 합성하였다. 제조된 ZnO 입자는 XRD (D/max-2C, Rigaku Denki, Japan, 40 KV, 30 mA, 5/min.), SEM (JSM-5900LV, JEOL, Japan)등의 분석으로 결정상과 입도를 확인하였다.
이후 250oC 의 건조 오븐 에서 24시간 건조한 후 500oC에서 3시간 동안 하소하여 ZnO@TiO₂ 나노 코아쉘 구조를 제조하였다. 제조된 나노쉘은 XRD, SEM/EDS, TEM/SAED 의 분석을 통해 코팅의 상태 및 입자 형상과 입도 등을 관찰하였다.

대상 데이터

입자를 제 조하기 위해 적용된 분말 합성 방법 중 sol-gel 법을 통하여 합성하였다. 우선 전구체로 금속 알콕사이드인 titanium tetra-isopropoxide (TTIP, Ti(OCH(CH₃)2)4, Kanto Chemical, Japan)와 용매 인 isopropyl alcohol (IPA, C₃H₈O, Carlo Erba Reagenti, Italy)을 1:10의 몰비로 혼합 후 1시간 동안 교반하여 용액을 제조하였다. 이후 H₂O 와 IPA 를 10:1의 비율로 취하여 다른 용액를 제조하였다.
1은 착체중합법에 의해 제조된 ZnO 나노입자 를 비롯한 sol-gel법에 의해 제조된 TiO₂ 나노입자의 제조과정을 보여준다. 우선 착체중합법에 의한 ZnO 나 노입자의 제조12를 하기 위해 금속 양이온 source로 zinc nitrate hexahydrate (Zh(NO₃)2 , 6H₂O, Junsei Chemical, Japan), chelating agent로 citric acid (CA, HOC (CO₂H) (CHKOzH》, Yakuri Pure Chemical, Japan)를 용매로서 ethylene glycol (EG HOCH₂CH₂OH, Tedia, U.S.A.) 을 사용하였다. EG 20 mol%에 CA 5 mol%를 넣고 용해도를 높이기 위해 microwave를 이용하여 3분간 열을 가하여 준 후, 어떠한 침전물도 관찰되지 않는 투명한 용액이 될 때까지 혼합하였다.

이론/모형

1. Schematic procedure for ZnO nanopowders by the polymerzied complex method, and TiO₂ nanopowders by the solgel method.
또한, ZnO 표면 위에 코팅 되어질 TiO₂ 입자를 제 조하기 위해 적용된 분말 합성 방법 중 sol-gel 법을 통하여 합성하였다. 우선 전구체로 금속 알콕사이드인 titanium tetra-isopropoxide (TTIP, Ti(OCH(CH₃)2)4, Kanto Chemical, Japan)와 용매 인 isopropyl alcohol (IPA, C₃H₈O, Carlo Erba Reagenti, Italy)을 1:10의 몰비로 혼합 후 1시간 동안 교반하여 용액을 제조하였다.
착체중합법과 sol-gel법을 이용하여 ZnO 나노 입자 표면 상에 TiO₂ 입자를 코팅한 나노 코아쉘 구조를 제조하였다. 착체중합법으로 제조된 ZnO 입자는 평균 입도가 약 100 nm, sol-gel법으로 제조된 TiO? 입자는 10 nm 이하의 크기로 각각 구성되었다.

성능/효과

ZnO 의 상에 대한 XRD 관찰 결과 얻어진 입자는 순수한 ZnO 의 상 임을 알 수 있었고, 평균입도 약 100 nm 의 구형의 형 상을 갖는 균일한 입자들로 구성되어 있음을 알 수 있었다. TiO₂ s이을 상온에서 900oC까지의 온도 범위 에서 air 분위기에서 측정한 TG/DTA 결과로 알 수 있는데 상온에서부터 온도 증가에 따라 유기물이 휘 발 및 연소함에 따라 발생하는 대략적인 중량 감소의 경향을 보이다가 약 450oC 근처에서 완전히 종료됨을 확인할 수 있는데, 이는 TiO₂ 결정화에 따른 발열 피크와 일치하며 이로 미루어 약 450oC 근처에서 TiO₂ 결정핵이 생성되고 온도가 증가함에 따라 입자성장이 진행됨을 추측할 수 있었다. Fig.
5(a)는 착체중합법으로 제조된 ZnO precursor 를 700oC에서 3시간 동안 하소하여 얻어진 ZnO 입자에 대한 SEM 분석 결과를 나타낸다. ZnO 의 상에 대한 XRD 관찰 결과 얻어진 입자는 순수한 ZnO 의 상 임을 알 수 있었고, 평균입도 약 100 nm 의 구형의 형 상을 갖는 균일한 입자들로 구성되어 있음을 알 수 있었다. TiO₂ s이을 상온에서 900oC까지의 온도 범위 에서 air 분위기에서 측정한 TG/DTA 결과로 알 수 있는데 상온에서부터 온도 증가에 따라 유기물이 휘 발 및 연소함에 따라 발생하는 대략적인 중량 감소의 경향을 보이다가 약 450oC 근처에서 완전히 종료됨을 확인할 수 있는데, 이는 TiO₂ 결정화에 따른 발열 피크와 일치하며 이로 미루어 약 450oC 근처에서 TiO₂ 결정핵이 생성되고 온도가 증가함에 따라 입자성장이 진행됨을 추측할 수 있었다.
또한, 태양 광 중에 포함된 높은 에너지 상태인 파장 400 nm 이하의 자외선 영역은 인체 에 매우 유해한 영역으로 직접 노출이 되었을 경우 조 기성 노화, 광 알러지, 나아가 피부암 등이 발생 될 수 있다. 이러한 자외선은 320-400 nm 대역의 ultraviolet A (UVA)와 290-320 nm 대 역 의 ultraviolet B (UVB)로 나누게 되는더], ZnO와 TiO₂ 는 UVA와 UVB 영역에서 자체적으로 가진 band gap에너지 특성으로 인해 매우 효과적인 차폐능을 보임이 확인되었다.5-9 물리화 학적으로 안정한 이들 무기성 입자들은 이러한 자외 선에 대항하여 흡수 및 산란의 메커니즘으로 효과적인 차단력을 보인다.

후속연구

이러한 ZnO 소자의 특성들이 나노 사이즈에서 더욱 우수한 특성으로 나타나고 있다. 이런 특성을 가진 ZnO에 나노 사이즈의 TiO₂ 결정를 복합화 함으 로써 기존에서 보이던 고유한 광학적, 화학적 및 전자 기적 특성에 대하여 더욱 효율적으로 응용이 가능하 다고 사료된다. 또한, 태양 광 중에 포함된 높은 에너지 상태인 파장 400 nm 이하의 자외선 영역은 인체 에 매우 유해한 영역으로 직접 노출이 되었을 경우 조 기성 노화, 광 알러지, 나아가 피부암 등이 발생 될 수 있다.

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표제어: PCR

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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].

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