[논문]LBL법에 의해 TiO2막이 코팅된 광촉매 글라스 비드 제조

이지선; 채유진; 이미재; 김세기; 황종희; 임태영; 현승균; 김진호

doi:10.3740/mrsk.2012.22.7.379

LBL법에 의해 TiO2막이 코팅된 광촉매 글라스 비드 제조
Fabrication of Photocatalyst Glass Beads Coated with TiO2 Thin Film by a Layer-by-Layer Process 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.22 no.7, 2012년, pp.379 - 383

이지선 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 채유진 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 이미재 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 김세기 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 황종희 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 임태영 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터) , 현승균 (인하대학교 금속공학과) , 김진호 (한국세라믹기술원 전자.광소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

$TiO_2$ thin films consisting of positively charged poly(diallyldimethylammonium chloride)(PDDA) and negatively charged titanium(IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide(TALH) were successfully fabricated on glass beads by a layer-by-layer(LBL) self-assembly method. The glass beads used here showed a positive charge in an acid range and negative charge in an alkaline range. The glass beads coated with the coating sequence of(PDDA/TALH)n showed a change in the surface morphology as a function of the number of bilayers. When the number of bilayers(n) of the(PDDA/TALH) thin film was 20, Ti element was observed on the surface of the coated glass beads. The thin films coated onto the glass beads had a main peak of the (101) crystal face and were highly crystallized with XRD diffraction peaks of anatase-type $TiO_2$ according to an XRD analysis. In addition, the $TiO_2$ thin films showed photocatalytic properties such that they could decompose a methyl orange solution under illumination with UV light. As the number of bilayers of the(PDDA/TALH) thin film increased, the photocatalytic property of the $TiO_2$-coated glass beads increased with the increase in the thin film thickness. The surface morphologies and optical properties of glass beads coated with $TiO_2$ thin films with different coating numbers were measured by field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), X-ray diffraction(XRD) and by UV-Vis spectrophotometry(UV-vis).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

(PDDA/TALH)20 박막의 결정구조의 분석을 위해 X-ray diffratometer(D/max-2500/PC, Rigaku corporation)를 사용하였고 X-ray 회절 분석에는 40 kV, 30 mA에서 Cu-Ka tube를 사용하여 2θ = 20°~70° 구간에서 측정하였다.
이는 30분만 UV를 조사하여도 TiO₂ 박막 코팅이 충분이 이루어졌기 때문에 광촉매 효과를 확인 할 수 있다는 것을 보여주며 TiO₂ 박막은 아나타제 결정성을 갖고 있음을 관찰 할 수 있다. 20회 코팅한 경우, 시간에 따른 광촉매 반응을 관찰하였다. 60분과 90분동안 UV를 조사하여도 광촉매효과가 30분 동안에 모두 이루어 졌기 때문에 값의 차이가 보이지 않음을 Fig.
04 M로 조절하였다. 글라스 비드 입자 표면에 양전하를 갖는 PDDA를 코팅하기 위하여 글라스 비드(4.0 wt%) 용액을 원심 분리한 후 원심관내의 물을 제거하고 PDDA 용액을 넣은 후 초음파 처리를 하여 원심관 밑에 침적된 글라스 비드 입자들을 분산시켰다. 분산된 상태에서 1분간 진동기해서 PDDA를 글라스 비드 입자 표면에 코팅한 후 원심 분리를 하여 입자를 침전시키고 PDDA 용액을 제거했다.
증류수를 넣고 다시 초음파로 분산시킨 후 다시 원심 분리하여 증류수를 제거하는 린스 과정을 2회 반복하였다. 글라스 비드 입자 표면에 코팅된 PDDA의 표면에 TALH를 코팅하기 위하여 TALH 용액을 원심 관에 첨가하여 초음파를 이용하여 입자를 분산시킨 후 1분간 진동기 후 원심 분리하여 TALH 용액을 제거하고 증류수를 이용하여 린스 과정을 2회 반복하였다. 이후부터 PDDA와 TALH를 1회 적층한 것을 1bilayer로 하고, bilayer 수를 n일 경우, (PDDA/TALH)n 으로 나타낸다.
본 연구에서는 광촉매 특성을 지닌 TiO₂나노입자를 LBL법을 이용하여 글라스 비드 표면에 TiO₂ 나노입자를 코팅하여 코팅된 입자의 표면 및 그에 따른 입자의 광학적 특성을 확인하였고, 제조된 박막에 UV를 조사하여 메칠 오렌지를 분해하는 광촉매 특성을 확인하였다.
0 wt%) 용액을 원심 분리한 후 원심관내의 물을 제거하고 PDDA 용액을 넣은 후 초음파 처리를 하여 원심관 밑에 침적된 글라스 비드 입자들을 분산시켰다. 분산된 상태에서 1분간 진동기해서 PDDA를 글라스 비드 입자 표면에 코팅한 후 원심 분리를 하여 입자를 침전시키고 PDDA 용액을 제거했다. 증류수를 넣고 다시 초음파로 분산시킨 후 다시 원심 분리하여 증류수를 제거하는 린스 과정을 2회 반복하였다.
희석된 메칠오렌지(75 mgL−1) 용액에 TiO2 박막을 담근후 UV를 30분부터 90분까지 조사하여 광촉매에 의해 분해되어 감소된 메칠오렌지용액의 흡광도를 UV-Vis spectrophotometer(V-570, JASCO)를 이용하여 측정 하였다.

대상 데이터

0 wt% 용액을 준비하였다. TiO₂ 박막은 LBL법을 이용하여 제조하는데 양전하를 띠는 poly(diallyldimethylammonium chloride)(PDDA, 20 wt% in water)와 음전하를 갖는 titanium(IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide(TALH, 50 wt%)를 사용하였다. Fig.
TiO2 박막을 코팅하기 위해 글라스 비드(size: 2.5 µm, 신 세라믹) 분말이 사용되었다.

이론/모형

글라스 비드 입자의 표면에 음전하를 갖는 TiO₂ 전구체 용액 TALH와 양전하를 갖는 전해질 폴리머 PDDA를 사용하여 균일한 코팅 막을 LBL 법에 의해 제조하였다. 글라스 비드 표면에(PDDA/TALH) 박막의 bilayer 수가 증가됨에 따라 각진 모서리와 평편한 비드 표면이 완만한 곡선의 모서리와 입자들이 응집되어 코팅되어 있는 표면 구조로 변화되었다.
2에 나타내었다. 제조된 나노입자의 표면 미세구조와 성분분석을 확인하기 위하여 Field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였다. (PDDA/TALH)₂₀박막의 결정구조의 분석을 위해 X-ray diffratometer(D/max-2500/PC, Rigaku corporation)를 사용하였고 X-ray 회절 분석에는 40 kV, 30 mA에서 Cu-Ka tube를 사용하여 2θ = 20°~70° 구간에서 측정하였다.

성능/효과

5로 적정 된 TALH를 이용하여(PDDA/TALH) 박막을 5회, 10회, 20회 코팅한 입자의 표면구조를 나타낸 FE-SEM 이미지다. LBL법에 의해 표면에(PDDA/TALH) 막이 코팅된 글라스 비드의 코팅횟수가 증가함에 따라 bare 글라스 상태에는 모서리 부분이 각이 져 보이나 횟수가 증가함에 따라 모서리 부분이 라운드 됨을 관찰 할 수 있다. Fig.
코팅된 박막의 성분 분석을 통하여 코팅된 입자에서는 bare 글라스 비드 에는 관찰할 수 없는 Ti성분을 확인 할 수 있었다. XRD 분석 결과 글라스 비드에 코팅된 박막은(101)면의 주피크를 갖는 아나타제 결정구조의 TiO₂ 임을 확인하였다. 메칠 오렌지 용액에 TiO₂ 박막이 코팅된 글라스 비드를 침적한 후 UV를 조사하여 흡광도를 측정한 결과, 박막의 코팅 횟수가 증가됨에 따라 메틸오렌지를 분해하는 특성이 높았으며, UV조사 30분 후에 TiO₂에 의해 분해되어 파장 464 nm에서 흡광도가 0.
이는 작은 입자들에 코팅이 되면서 사이즈가 커지는 것을 의미한다. 또한 20회 코팅한 글라스 비드는 표면에 코팅된 입자들의 사이즈가 5회 또는 10회에 비해 더 커졌으며 모서리부분의 각진 부분도 라운드 형태로 바뀌었음을 관찰할 수 있다. 이것은 PDDA 혹은 충분히 코팅되었음을 나타낸다.
XRD 분석 결과 글라스 비드에 코팅된 박막은(101)면의 주피크를 갖는 아나타제 결정구조의 TiO₂ 임을 확인하였다. 메칠 오렌지 용액에 TiO₂ 박막이 코팅된 글라스 비드를 침적한 후 UV를 조사하여 흡광도를 측정한 결과, 박막의 코팅 횟수가 증가됨에 따라 메틸오렌지를 분해하는 특성이 높았으며, UV조사 30분 후에 TiO₂에 의해 분해되어 파장 464 nm에서 흡광도가 0.24로 급격히 감소하였다.
7). 이 결과는 PDDA/TALH 코팅횟수가 증가할수록 글라스 비드 표면에 코팅된 아나타제 TiO₂ 박막의 두께가 증가되고 그에 따라 광촉매 효과가 증가되었음을 보여준다. 20회 코팅한 박막에 대해서는 30분만 UV를 조사하여도 메칠오렌지 용액의 흡광도가 거의 0에 가까워졌다.
30°에서 아나타제상의 주 피크인 101면 회절피크가 관찰되어 아나타제 TiO₂ 결정구조를 가진 것으로 나타내었다. 일반적으로 아나타제 TiO₂ 박막을 얻기 위해서는 400℃ 이상의 열처리가 요구되지만,¹⁵⁾본 연구에서는 상온에서 아나타제 TiO₂ 박막을 제조 하였고, LBL법에 의해 제조된 TiO₂ 박막은 아나타제 결정성을 갖는 것을 관찰 할 수 있었다. Fig.
측정 결과로부터 글라스 비드 수용액은 pH2에서는 양전하의 값 31(mV)을 갖고 pH가 높아짐에 따라 zeta potential 값은 감소하여 pH4부터 음전하의 값을 가지며 pH8에서는 zeta potential 값이 −32.92(mV)값을 갖는다.
글라스 비드 표면에(PDDA/TALH) 박막의 bilayer 수가 증가됨에 따라 각진 모서리와 평편한 비드 표면이 완만한 곡선의 모서리와 입자들이 응집되어 코팅되어 있는 표면 구조로 변화되었다. 코팅된 박막의 성분 분석을 통하여 코팅된 입자에서는 bare 글라스 비드 에는 관찰할 수 없는 Ti성분을 확인 할 수 있었다. XRD 분석 결과 글라스 비드에 코팅된 박막은(101)면의 주피크를 갖는 아나타제 결정구조의 TiO₂ 임을 확인하였다.
여기에서는 464 nm 에서 UV 조사시간이 증가함에 따라 흡광도가 줄어드는 현상에서 TiO₂ 광촉매 산화반응에 의한 intermediate의 영향으로 생각된다. 희석된 메칠오렌지 용액은 2.56의 흡광도를 확인 하였으며 UV를 30분 조사하였을 때 n=5는 1.46, n = 10은 1.38, n = 20은 0.24로 감소된 흡광도를 확인하였다(Fig. 7). 이 결과는 PDDA/TALH 코팅횟수가 증가할수록 글라스 비드 표면에 코팅된 아나타제 TiO₂ 박막의 두께가 증가되고 그에 따라 광촉매 효과가 증가되었음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아나타제상을 갖는 TiO2는 어떤 물질을 생성하여 유기물을 분해하는 광촉매 특성을 보여주는가?	광촉매 TiO2 분말은 방향성 유기물인 악취나 담배연기 제거와 같은 개인생활에서부터 공장의 폐수처리 및 대기정화와 같은 대규모 공공사업에 이르기 까지 다양하게 응용되며 우수한 전자, 광학, 화학적 특성을 갖기 때문에 관련 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.1~4)근자외선(380 nm)광을 조사하면 전자(electron), 전공대(electron hole)가 형성되는데 아나타제상을 갖는 TiO2는 강한 산화력을 가진 하이드록시 라티칼(−OH)과 슈퍼옥사이드(O2−)를 생성해 유기물을 분해하는 광촉매 특성을 보여준다.3,4) 이러한 표면 반응을 광촉매 반응이라 하며, TiO2의 높은 결정성과 넓은 비표면적은 광촉매 성능을 향상시키기 위한 필수 요소이다.
	습식법의 종류는?	5,6) TiO2 박막은 습식법을 이용해 제조할 수 있다. 일반적인 습식법은 sol-gel, roll-to-roll coating, dip, spin, spray coating, chemical bath deposition(CBD), liquid phase deposition(LPD)법, layer-by-layer(LBL)법이 있다.7~12) 다양한 습식 공정법 중 하나 인 LBL법은 상온 또는 상압에서 물에 녹거나 분산되고 서로다른 전하를 갖는 물질의 정전기력을 이용해 전해질 폴리머나 나노입자들을 그 용액에 번갈아 침적하여 박막을 제조하는 기술이다.
	LBL법의 장점은?	7~12) 다양한 습식 공정법 중 하나 인 LBL법은 상온 또는 상압에서 물에 녹거나 분산되고 서로다른 전하를 갖는 물질의 정전기력을 이용해 전해질 폴리머나 나노입자들을 그 용액에 번갈아 침적하여 박막을 제조하는 기술이다. 이는 박막제조 공정이 간단하며 대면적 코팅에 유리하고 나노스케일로 막두께를 제어하기 쉬운 장점을 갖고 있다.13) Titanium(IV) bis(ammonium lactato) dihydroxide(TALH) 는 TiO2 코팅막을 제조하기 위해 많이 사용되고 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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