[논문]대기압 플라즈마를 이용한 TiO2 광촉매의 효율향상을 위한 표면 개질 연구

조상진; 정충경; 김성수; 부진효

doi:10.5757/jkvs.2010.19.1.022

대기압 플라즈마를 이용한 TiO2 광촉매의 효율향상을 위한 표면 개질 연구
Surface Modification of TiO2 by Atmospheric Pressure Plasma 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.19 no.1, 2010년, pp.22 - 27

조상진 (성균관대학교 화학과) , 정충경 (성균관대학교 화학과) , 김성수 (백제대학교 나노고분자재료공학과) , 부진효 (성균관대학교 화학과)

초록
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$TiO_2$의 표면의 친수성을 증가시키기 위하여 dielectric barrier discharge (DBD)에 의해 발생된 대기압 플라즈마 (atmospheric pressure plasma: APP)를 이용 RF power 50~200 W 범위에서 Ar과 $O_2$ 가스를 사용 대기압 플라즈마로 광촉매 표면을 개질하였다. Ar 가스 단독으로 처리한 시료의 접촉각은 20도에서 10도로 감소하였으며, $O_2$ 가스를 반응성 가스로 하여 처리한 경우에는 접촉각이 20도에서 1도 미만으로 감소하였다. 동일한 RF power에서 $O_2$ 플라즈마 처리 시 더 낮은 접촉각을 확인하였는데, 이는 $TiO_2$ 표면과 산소원자의 결합으로 인하여 표면의 polar force의 증가에 의한 것으로 판단되어 대기압 플라즈마로 처리된 시료의 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)의 스펙트럼 분석결과 OH 작용기의 증가로 표면의 친수성이 증가됨을 확인하였다. 대기압 플라즈마로 처리된 시료와 처리하지 않은 시료의 접촉각은 모두 시간이 지남에 따라 증가하지만 플라즈마 처리 된 시료의 접촉각 증가는 플라즈마 처리하지 않은 시료의 접촉각 보다 작은 것을 확인하였다. 또한, 페놀 분해 실험을 통하여 플라즈마 표면처리를 통하여 $TiO_2$ 광촉매의 분해 효율이 크게 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To improve surface wettability, each sample was treated by atmospheric pressure plasma (APP) using dielectric barrier discharge (DBD) system. Argon and oxygen gases were used for treatment gas to modify the $TiO_2$ surface by APP with RF power range from 50 to 200 W. Water contact angle was decreased from $20^{\circ}$ to $10^{\circ}$ with argon only. However, water contact angle was decreased from $20^{\circ}$ to < $1^{\circ}$ with mixture of argon and oxygen. Water contact angle with $O_2$ plasma was lower than water contact angle with Ar plasma at the same RF power. It seems to be increasing the polar force of $TiO_2$ surface. Also, analysis result of X-ray photoelectron spectra (XPS) shows the increase of intensity of O1s shoulder peak, resulting in increasing of surface wettability by APP. Moreover, each water contact angle increased according to increase past time. However, contact angle increase with plasma treatment was lower than without plasma treatment. Additionally, the efficiency of $TiO_2$ photocatalyst was improved by plasma surface-treatment through the degradation experiment of phenol.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 광촉매 표면에 존재하는 산소종 (O2−, OH− 등)들이 광촉매력에 미치는 영향을 확인하기 위하여 TiO2 광촉매를 O2 플라즈마 표면 처리한 후 광촉매력에 미치는 영향을 조사해 보았다.

제안 방법

TiO2 박막 시료 표면에 증류수를 3 μl씩 3개소 이상 떨어뜨려 평균값을 취하여 접촉각을 측정하였으며, 시간의 aging 현상을 확인하기 위하여 암실에서 한 달간 보관한 후 동일한 방법으로 접촉각을 측정하였다.
박막 시료 표면에 증류수를 3 μl씩 3개소 이상 떨어뜨려 평균값을 취하여 접촉각을 측정하였으며, 시간의 aging 현상을 확인하기 위하여 암실에서 한 달간 보관한 후 동일한 방법으로 접촉각을 측정하였다. TiO₂ 박막 시료의 플라즈마 처리에 따른 화학적 상태 변화를 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)로 분석하였다. 또한, 페놀 분해 실험을 통하여 플라즈마 처리가 광촉매 활성에 미치는 영향을 분석하였다.
TiO₂ 박막의 코팅은 Titanium (IV) isoproxide (TTIP: Ti(OC₂H₅)₄)를 전구체로 사용하여 만든 TiO₂ 3% 졸을 이용하여 딥코팅(dip coating)법을 통하여 만들었다. TiO₂ 박막 딥코팅을 위하여 사용된 슬라이드 글라스는 묽은 염산, 알코올 등의 용액으로 세척한 후 질소가스를 이용하여 건조하였다.
기판을 TiO₂ 졸에 담근 후 5 mm/s의 속력으로 꺼내어 실온에서 건조하였다. 건조된 TiO₂ 샘플은 단순 딥코팅 한 것, Ar 플라즈마를 사용한 것, 그리고 O₂ 플라즈마를 사용한 것으로 크게 세 가지로 나누어 비교실험 하였다. 플라즈마 표면처리는 라디오주파수(radio frequency: RF 13.
TiO₂ 박막 시료의 플라즈마 처리에 따른 화학적 상태 변화를 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)로 분석하였다. 또한, 페놀 분해 실험을 통하여 플라즈마 처리가 광촉매 활성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 플라즈마트(PLASMART)사의 대기압 DBD 플라즈마 처리장치인 mini plasma 장치를 이용하여 플라즈마 처리조건에 따른 TiO₂ 표면의 친수성과 광촉매 효율의 변화를 관찰하였다. Ar과 O₂ 가스를 이용하여 TiO₂ 졸 코팅 면을 플라즈마로 처리하여 TiO₂ 표면의 친수성을 증가시킬 수 있었으며, 처리 RF power에 따라 낮은 접촉각을 확인하였다.

성능/효과

(b)와 같이 산소 처리 전 산소 피크는 530 eV 위치에서 나타나는데, 이 피크는 플라즈마 표면처리의 RF power 세기에 따라 감소하고 532∼534 eV 위치에서 새로운 산소 피크가 증가하는 것으로 부터 확인이 가능 하였다.
일반적으로 유리의 접촉각은 25∼30º로 알려져 있는데, TiO₂ 졸을 코팅한 결과 친수성이 다소 향상된 값(20º)을 얻을 수 있었다. Ar 가스만 사용하여 Ar 플라즈마를 사용한 경우 RF power가 증가함에 따라 친수성이 증가하는 것을 접촉각의 감소로부터 확인 할 수 있었는데, 이는 Ar 가스 자체는 불활성 기체로서 반응성이 없으므로 Ar 플라즈마 처리된 시편의 친수성 증가는 Ar 플라즈마 스퍼터링(sputtering) 효과에 의한 것으로 보인다. 반면, O₂ 플라즈마를 사용했을 때 RF power가 50 W 에서부터 접촉각이 급격하게 감소하는 것을 관찰 할 수 있었는데, 이는 TiO₂ 표면에너지(즉, 친수성)가 급격하게 증가함을 의미한다.
표면의 친수성과 광촉매 효율의 변화를 관찰하였다. Ar과 O₂ 가스를 이용하여 TiO₂ 졸 코팅 면을 플라즈마로 처리하여 TiO₂ 표면의 친수성을 증가시킬 수 있었으며, 처리 RF power에 따라 낮은 접촉각을 확인하였다. 또한, 플라즈마 처리된 TiO₂ 광촉매가 단순히 코팅된 광촉매보다 페놀 분해에 있어서 더 높은 분해 능력을 보였다.
딥코팅을 통해 얻어진 박막의 표면을 대기압 플라즈마를 통해 처리 한 후 짧은 시간 이내에 높은 친수성을 가지는 박막으로 개질되는 것을 확인하였다. 또한 RF power의 증가에 따라 친수성 향상을 얻을 수 있다.
Ar과 O₂ 가스를 이용하여 TiO₂ 졸 코팅 면을 플라즈마로 처리하여 TiO₂ 표면의 친수성을 증가시킬 수 있었으며, 처리 RF power에 따라 낮은 접촉각을 확인하였다. 또한, 플라즈마 처리된 TiO₂ 광촉매가 단순히 코팅된 광촉매보다 페놀 분해에 있어서 더 높은 분해 능력을 보였다.
이 값은 200 W로 처리한 TiO2 시편 최초의 접촉각 (＜1º)에서 한 달 동안의 aging에 의해서 증가된 결과이지만 TiO2 졸 코팅이 만들어진 직후의 접촉각 보다 작은 값을 가짐을 확인하였다.
졸 코팅만 된 경우보다 O2 플라즈마 처리된 코팅에서 OH−가 표면에 더해져 표면의 상태가 높은 친수성을 가진 TiO(OH)x 또는 TiO2＋x로 변하여 오염원의 산화 감소에 있어서 분해 성능이 향상됨을 확인하였다.
플라즈마 처리가 aging 효과를 감소시키지는 못하였으나 합성된 TiO₂ 광촉매의 접촉각 보다 낮은 접촉각을 갖는 초친수성 박막으로 개질하여 결과적으로 합성된 TiO₂ 광촉매 보다 낮은 접촉각을 한 달 간의 aging 실험 후 에도 얻을 수 있었다. 즉, 플라즈마 표면처리에 의해 개질된 TiO₂ 광촉매의 내구성이 다소 증가될 수 있음을 알 수 있었다. 이는 짧은 시간의 대기압 플라즈마 처리를 통해 일정 수준 이상의 광촉매 활성을 장시간 유지할 수 있음을 암시한다.
이 값은 200 W로 처리한 TiO₂ 시편 최초의 접촉각 (＜1º)에서 한 달 동안의 aging에 의해서 증가된 결과이지만 TiO₂ 졸 코팅이 만들어진 직후의 접촉각 보다 작은 값을 가짐을 확인하였다. 플라즈마 처리가 aging 효과를 감소시키지는 못하였으나 합성된 TiO₂ 광촉매의 접촉각 보다 낮은 접촉각을 갖는 초친수성 박막으로 개질하여 결과적으로 합성된 TiO₂ 광촉매 보다 낮은 접촉각을 한 달 간의 aging 실험 후 에도 얻을 수 있었다. 즉, 플라즈마 표면처리에 의해 개질된 TiO₂ 광촉매의 내구성이 다소 증가될 수 있음을 알 수 있었다.
한 달간 암실에 보관한 후의 측정 결과는 전체의 경우에서 18도 내외의 접촉각 증가가 관찰되었는데 200 W에서 처리한 샘플이 약 18º의 접촉각을 유지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기압 플라즈마의 특징은?	이 방법은 고가의 진공 챔버와 펌프 등과 진공 상태를 만들기 위한 시간이 필요하여 처리에 필요한 시스템을 구축하고 사용하는데 드는 비용이 증가하게 된다. 반면 대기압 플라즈마(Atmospheric pressure plasma: APP)는 균일한 방전을 유지 시킬 수만 있다면 간단한 시스템 구축이 가능하고 경제성과 생산성을 향상시킬 수 있다 [1,2].
	표면개질 기술에는 어떤 공법이 사용되는가?	표면개질 기술에는 일반적으로 다음과 같은 기술이 사용되는데 진공 하에서의 플라즈마 또는 이온빔 공법이 있으며 대기 중에서 고전압을 발생시키는 코로나, 아크 방전, 토치법 등을 사용하여 표면개질 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이러한 방법은 고가의 장치 또는 처리 가능한 시료의 종류 제한 등의 많은 문제점을 가지고 있다.
	플라즈마 표면처리 공정의 단점은?	일반적으로 플라즈마 표면처리 공정은 진공 챔버 안에서 저압 플라즈마 공법으로 이루어진다. 이 방법은 고가의 진공 챔버와 펌프 등과 진공 상태를 만들기 위한 시간이 필요하여 처리에 필요한 시스템을 구축하고 사용하는데 드는 비용이 증가하게 된다. 반면 대기압 플라즈마(Atmospheric pressure plasma: APP)는 균일한 방전을 유지 시킬 수만 있다면 간단한 시스템 구축이 가능하고 경제성과 생산성을 향상시킬 수 있다 [1,2].

참고문헌 (13)

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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].

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