[논문]양극산화법에 의한 니오븀 산화물 나노로드 제조

정은혜; 장정호; 정봉용

doi:10.5229/jkes.2011.14.4.196

양극산화법에 의한 니오븀 산화물 나노로드 제조
Fabrication of Niobium Oxide Nanorods by the Anodization Method 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.14 no.4, 2011년, pp.196 - 200

정은혜 (인하대학교 화학공학과) , 장정호 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부) , 정봉용 (한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부)

초록
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본 연구에서는 니오븀 산화물을 비교적 저온에서 단시간 동안의 양극산화법을 통해 제조하였다. 이때, 전해질로는 NaF와 HF를 혼합하여 사용하였으며, 20~120 V의 다양한 전압 조건에 따라 생성되는 니오븀 산화물의 미세구조를 관찰하였다. 일반적으로 니오븀 금속의 양극산화 시 초기에 생성된 니오븀 산화물은 무정형 구조이나 반응이 경과함에 따라 점차 결정형 산화물로 성장하게 된다. 이러한 산화물은 XRD 분석을 통하여 결정형의 $Nb_2O_5$ 임을 확인하였고, FE-SEM 분석결과, 그 표면은 매우 밀집된 형태의 나노로드로 이루어진 마이크로콘 산화물임을 알 수 있었다. 적절한 공정변수로 제조된 니오븀 산화물은 마이크로콘 구조 전체 표면에 걸쳐 동일한 크기를 갖는 나노로드 다발을 형성하고 있으며, 이러한 나노 구조는 또한 넓은 표면적을 기대할 수 있어 염료감응 태양전지나 바이오 소재 등에 대한 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The formation of niobium oxide microcones on niobium substrates was investigated in NaF to the HF electrolytes. This condition builds on the uniqueness of the microstructures niobium oxide. The dimensions and integrity of the bulk microstructures were found to be strongly dependent on potential, temperature, electrolyte composition, and anodization time. The anodic oxide was initially amorphous at all temperatures, but crystalline oxide nucleated during anodization. From XRD patterns of the anodized specimens, the microcones consisted of crystalline $Nb_2O_5$. We demonstrated niobium oxide microcone structures with nanorods. The anodized niobium oxide microcone texture revealed nanorod bundles. The surface of $Nb_2O_5$ microcones is very regular and has a nano-scale. The surface morphologies of the nanorods were examined using FE-SEM. EDS analyses show that the anodically prepared niobium oxide consists of $Nb_2O_5$. The aim of this study is to find the condition of forming the favorable nanorods by anodization method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

JSM 6700F)을 통해 표면 및 단면을 관찰하였고 이때 Nb₂O₅ 나노로드의 길이 및 직경의 크기를 조사하였다. 니오븀 산화물의 결정구조는 XRD(X-ray diffraction, Rigaku D/max-RB apparatus, Tokyo, Japan) 회절패턴을 검출하여 분석함으로써 Nb₂O₅의 존재를 확인하고자 하였다.

제안 방법

5 wt.% HF 수용액을 이용한 양극 산화법으로 니오븀 금속 표면에 나노로드 구조를 포함한 다양한 형상의 Nb₂O₅ 나노 구조체 제조를 시도하였다. 이때 사용한 공정변수는 양극산화 처리 시간과 전압 등 이며, FE-SEM을 이용하여 니오븀 산화물의 표면 및 단면구조를 정밀하게 관찰하였다.
5 wt.% HF를 혼합한 전해질에 40 V의 전압을 인가하여 니오븀의 양극 산화를 실시하였으며 Fig. 3에 그 미세조직을 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 매우 잘 정렬된 약20µm 높이의 니오븀 산화물 마이크로콘이 형성되었으며 이때 마이크로콘 각각의 표면에는 Fig 3(b)와 같이 약 15 nm 직경을 갖는 나노로드가 매우 조밀하게 생성되어 있음을 알 수 있다.
5 wt.% HF의 혼합 전해질을 이용하여 1시간 동안 전기화학적 처리를 하였다. 이때, 인가전압을 20~120 V로 선정하였으며 그에 따른 나노 구조의 변화를 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
나노로드가 생성될 수 있는 적합한 양극산화 공정 조건을 결정하기 위해 각 실험마다 양극산화 시간 및 인가전압을 변화시킴으로서 각각의 조건에서 만들어지는 니오븀 산화물의 형상을 분석하였다. 양극산화법으로 제조된 Nb₂O₅ 나노로드의 표면구조는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Jeol Co.
5 mm 지름의 백금을 망 형태로 엮어 니오븀 디스크의 양극 산화에 필요한 상대전극으로 준비하였으며, 니오븀 디스크를 아세톤 용액으로 5분간 초음파 세척한 후 에탄올과 증류수를 이용하여 재차 세척하여 건조시켰다. 니오븀 디스크를 양극산화 반응기에 장착하고 컴퓨터로 제어되는 키슬리(Keithley, SouceMeter 2400) 전원 공급장치를 이용하여 양극산화하였다. 이때, 양극산화 반응에 사용된 전해액의 조성은 0.
일반적으로 양극산화 반응 초기에 생성되는 비정질의 니오븀 산화물 박막층이 부피팽창에 따른 미세 균열이 발생되며, 이를 통해 마이크로콘 형태의 결정질 니오븀 산화물이 성장하는 것으로 알려지고 있다. 본 실험에서는 마이크로콘 산화물 표면에 매우 조밀하게 생성되는 나노로드의 생성기구를 파악하기 위해 양극산화 처리 시간을 변화시켜 그에 따른 거동을 관찰하였으며 Fig. 5에 대표적인 미세조직을 나타내었다. 처리 시간이 짧을 경우에는 결정질의 마이크로콘 구조가 만들어지지 않기 때문에 나노로드 또한 생성되지 않는다.
나노로드가 생성될 수 있는 적합한 양극산화 공정 조건을 결정하기 위해 각 실험마다 양극산화 시간 및 인가전압을 변화시킴으로서 각각의 조건에서 만들어지는 니오븀 산화물의 형상을 분석하였다. 양극산화법으로 제조된 Nb₂O₅ 나노로드의 표면구조는 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Jeol Co. JSM 6700F)을 통해 표면 및 단면을 관찰하였고 이때 Nb₂O₅ 나노로드의 길이 및 직경의 크기를 조사하였다. 니오븀 산화물의 결정구조는 XRD(X-ray diffraction, Rigaku D/max-RB apparatus, Tokyo, Japan) 회절패턴을 검출하여 분석함으로써 Nb₂O₅의 존재를 확인하고자 하였다.
% HF 수용액을 이용한 양극 산화법으로 니오븀 금속 표면에 나노로드 구조를 포함한 다양한 형상의 Nb₂O₅ 나노 구조체 제조를 시도하였다. 이때 사용한 공정변수는 양극산화 처리 시간과 전압 등 이며, FE-SEM을 이용하여 니오븀 산화물의 표면 및 단면구조를 정밀하게 관찰하였다.
이상과 같은 실험에서 확인한 최적의 공정변수를 이용하여 보다 건전한 형태의 나노로드를 갖는 니오븀 산화물 제조를 시도하였다. 즉, 0.
한편, 니오븀 산화물에 대한 EDS 분석을 통해 그 조성을 파악하고자 하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. NaF와 HF 혼합 전해질을 사용하였음에도 불구하고 Nb, O, F 성분만이 검출되었다.

대상 데이터

니오븀 산화물의 나노로드 구조를 만들기 위해 0.25 mm(Goodfellow, 순도 99.9%) 두께의 니오븀 금속 디스크를 이용하였다. 0.

성능/효과

5 wt.% HF 전해질에서 40 V를 인가하여 각각 40분, 90분 간 처리한 결과를 보여주고 있는데, 단지 시간 경과에 따라 마이크로콘이 다소 성장할 뿐이며 나노로드의 모양과 크기는 거의 변화가 없음을 관찰할 수 있다. 따라서 나노로드는 결정질의 마이크로콘 산화물의 생성과 동시에 발생되지만 본 실험에서와 같이 양극산화 처리 시간에는 그 성장 거동이 영향받지 않음을 알 수 있으며, 전해질과 인가전압에 따른 나노로드의 생성거동에 대한 후속 연구가 필요할 것이라 생각된다.
1) 기존의 개발되고 보고된다양한 나노 구조 중 나노와이어, 나노튜브, 나노리본 및 나노로드는 일차원(one-dimension, 1D) 나노 구조로 분류된다. 이러한 일차원 구조의 나노 물질들은 대단히 우수한 전기적, 광학적, 기계적, 열적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
니오븀 산화물은 30 V 이상의 조건에서 생성 가능하지만 어느 임계값을 초과하면 오히려 용출 반응이 과도해짐으로써 금속의 부식이 진행된다. 즉, 본 실험의 경우 40 V에서 정렬도가 우수하고 일정한 모양과 크기를 갖는 양호한 마이크로콘 니오븀 산화물을 제조할 수 있었으며, 이때 산화물 표면은 약 15 nm 직경의 나노로드가 조밀하게 쌓여 있는 구조임을 알 수 있었다.

후속연구

% HF 전해질에서 40 V를 인가하여 각각 40분, 90분 간 처리한 결과를 보여주고 있는데, 단지 시간 경과에 따라 마이크로콘이 다소 성장할 뿐이며 나노로드의 모양과 크기는 거의 변화가 없음을 관찰할 수 있다. 따라서 나노로드는 결정질의 마이크로콘 산화물의 생성과 동시에 발생되지만 본 실험에서와 같이 양극산화 처리 시간에는 그 성장 거동이 영향받지 않음을 알 수 있으며, 전해질과 인가전압에 따른 나노로드의 생성거동에 대한 후속 연구가 필요할 것이라 생각된다.
이와 같은 나노 로드로 구성된 니오븀 산화물은 대단히 큰 표면적을 갖기 때문에 염료감응 태양전지에 응용 시 염료의 흡착 면적을 최대화할 수 있어 태양전지 효율 향상에 기여할 수 있으며, 바이오 소재 등에 대한 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	니오븀 산화물의 나노구조체를 0.5M NaF와 1.5wt% HF의 혼합 전해질을 이용해 20-120V의 인가전압에서 양극산화법으로 제조한 결과,어떤 결론을 얻을 수 있는가?	니오븀 산화물은 30 V 이상의 조건에서 생성 가능 하지만 어느 임계값을 초과하면 오히려 용출 반응이 과도해짐으로써 금속의 부식이 진행된다. 즉, 본 실험의 경우 40 V에서 정렬도가 우수하고 일정한 모양과 크기를 갖는 양호한 마이크로콘 니오븀 산화물을 제조할 수 있었으며, 이때 산화물 표면은 약 15 nm 직경의 나노로드가 조밀하게 쌓여 있는 구조임을 알 수 있었다.
	니오븀 금속의 양극산화는 일반적으로 어떻게 이루어지는가?	최근 들어 마이크로콘(micro-cone) 구조의 결정형니오븀 산화물에 대한 연구 또한 관심의 대상이 되고 있다.10-12) 니오븀 금속의 양극산화는 불산과 인산(또는 황산) 혼합액을 전해질로 사용하여 다공성 니오븀 산화물을 제조하는 것이 일반적이다.13,14) 또한, 열처리 방법을 통해 니오븀 산화물 나노와이어를 제조한 사례가 보고 되고 있다.
	양극산화법이 전기화학적 증착법에 비해 가진 장점은?	나노 구조화된 금속산화물을 제조하기 위해서는 전기 화학 기술을 이용한 금속표면개질법이 공정제어가 매우 간단하고 경제적인 장점이 있다. 특히, 전기화학적 증착법에 비하여 양극산화법은 상대적으로 넓은 면적의 금속 산화물을 적절히 제어 할 수 있으며, 제조 중에 음이온 도핑이 가능할 뿐만 아니라 매우 균일하며 규칙적으로 정렬된 나노 구조 산화물을 제조할 수 있는 장점이 있다.3-5) 일반적으로 금속을 양극으로 하고 직류전원을 이용하여 정전압으로 직류전류를 흘리면 금속 표면에 산화피막이 형성되고 일정한 피막 두께가 되면 전류가 거의 흐르지 않게 된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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