[논문]산화물 나노섬유에서의 나노입자 성장거동

변준혁; 김상섭

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문제 정의

본 소고에서는 전기방사법으로 합성된 산화물 나노섬유의 나노입자성장에 대한 기본적인 사항들을 소개하였다. 나노섬유에서의 입자성장과 벌크에서의 입자성장과 어떤 차이점이 있는지 기술하였고, 센서 분야에서 나노 입자 크기의 중요성을 소개하였다.
전기방사법으로 합성된 나노섬유의 경우 개별 나노섬유(individual nanofiber)가 미세한 입자, 즉 나노입자(nanograin)로 구성되어 있음이 알려져 있으며, 이러한 나노입자의 크기 조절이 전체 나노섬유의 물성을 좌우할 가능성이 크다. 따라서 본 소고에서는 나노섬유를 구성하고 있는 나노입자의 성장과 조절에 관련된 최근 연구 결과들을 중점적으로 기술하고자 한다.
이와 같은 나노입자의 존재는 대부분의산화물나노섬유에서발견되고있으며, 다결정(polycrystalline) 나노섬유의 물성을 좌우하는 가장 중요한 미세구조 인자로 여겨지고 있다. 본 소고에서는 이러한 나노입자의 성장과 조절에 관련된 선행 연구 결과들을 소개하고, 향후 산화물 나노섬유를 이용한 여러 가지 응용에서 나노입자의 조절에 필요한 기본적인 지식을 제공하고자 한다.
본 소고에서는 전기방사법으로 합성된 산화물 나노섬유의 나노입자성장에 대한 기본적인 사항들을 소개하였다. 나노섬유에서의 입자성장과 벌크에서의 입자성장과 어떤 차이점이 있는지 기술하였고, 센서 분야에서 나노 입자 크기의 중요성을 소개하였다.

제안 방법

나노입자 크기에 따른 가스 감응 특성을 알아보기 위해 SnO₂ 나노섬유를 합성한 다음 600℃에서 4 및 24시간 하소하여 합성된 SnO₂ 나노섬유 가스 센서의 CO 가스 감응도를 Fig. 11에 비교하였다. Fig.
한편, ZnO 나노입자 성정에 필요한 활성화 에너지를 구하기 위해 온도에 따른 입자성장 거동을 조사하였다. Fig.

성능/효과

하지만 나노크기 재료에서의 입자성장은 종종 특이한 거동을 보여주는 경우가 있으며, 실제로 Fe 나노결정 같은 경우 3에서 11정도의 입자성장지수 값을 보인다고 보고된 바 있다.¹⁷⁾ 결론적으로 NiO 나노섬유의 나노입자 성장은 입성장 초기에는 표면확산(surface diffusion) 기구에 의한 입자성장이 우세하게 일어난다. 하지만 하소시간이 점점 더 길어지고 입자가 약 30nm 이상까지 성장되었을 때는 입성장지수 값이 2.
4) 소결이 일어나게 되는 주된 구동력(driving force)은 물질의 표면에너지 감소이다. 물질은 가능하면 그 표면적을 줄여서 낮은 에너지 상태가 되고자 하는 경향이 있는데, 충분히 높은 온도가 주어지면 상대적으로 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 바뀜과 동시에, 표면 에너지를 줄이기 위해서 입자끼리 서로 붙으면서 성장하는 소결 현상이 일어나고 결국 낮은 에너지의 안정한 상태가 된다.
⁵⁾ 일반적으로 소결 과정 중 초기 입자보다 대략 10~100배의 결정립 성장이 발생하게 된다.⁴⁾ 입자성장을 좌우하는 주요 변수로는 원료분말의 입도 및 분포, 순도, 형상, 성형압, 밀도, 소결 온도, 소결 시간, 소결 분위기, 승온 및 냉각 속도 등이 있다.^4-6)
나노섬유에서의 나노입성장 거동에 관련된 결과들을 Table 2에 정리하였다. 세라믹 벌크재료와 나노섬유에서의 입성장지수 m과 그에 따른 입자성장 메커니즘 그리고 활성화 에너지를 비교하면, 벌크보다 나노섬유에서의 입성장 활성화 에너지가 대체적으로 훨씬 낮음을 알 수 있다. 이는 나노입자들의 원자들이 더 높은 화학적 포텐셜을 가지게 되고 하소온도 및 하소시간에 매우 민감하게 입자성장이 발생할 수 있다는 것을 의미 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전기방사 장치는 무엇으로 구성되는가?

전기방사 장치는 점성이 있는 용액을 밀어낼 수 있는 syringe 펌프, 고전압 발생장치, 그리고 나노섬유를 뽑아내기 위한 바늘, 그리고 방사된 나노섬유가 모이는 콜렉터(collector)로 구성되며, 전기방사 장치의 실제 예를 Fig. 1에 나타내었다.

전기방사는 무엇인가?

전기방사는 콜렉터와 주사기 바늘 사이에 고전압이 인가되면, 점성이 있는 액체가 나노섬유의 형태로 방사되는 현상이다. 이를 더 자세히 기술하면, 바늘 끝에 매달려 있는 점성용액에 전기장이 인가되면 방울의 표면에 쌍극자 배향이 공기 층과 용액의 계면에 유도되고 이 쌍극자 반발로 표면장력과 반대되는 정전기력이 발생한다.

전기방사 공정에서 용액의 점성을 제어하기위해 사용되는 고분자물질에는 무엇이 있는가?

전기방사 공정에서의 주된 변수들은 인가전압, 콜렉터와 바늘사이의 거리, 바늘크기, 용액의 점도, 용액농도, 온도 등을 들 수 있으며, 이러한 변수들의 조절에 따라 나노섬유의 형태나 직경이 달라지게 된다. 용액의 점성을 제어하기위해사용하는고분자물질로는polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO) 등이 주로 사용되고 있다.

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