[논문]이종 접합 구조를 갖는 TiO2/WO3 이중 박막의 광유기 친수 특성

오지용; 이병로; 김화민; 이창현

doi:10.4313/jkem.2015.28.11.715

이종 접합 구조를 갖는 TiO2/WO3 이중 박막의 광유기 친수 특성
Photoinduced Hydrophilicity of Heterogeneous TiO2/WO3 Double Layer Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.11, 2015년, pp.715 - 720

오지용 (대구가톨릭대학교 전자전기공학과) , 이병로 (경희대학교 물리학과) , 김화민 (대구가톨릭대학교 신소재화학공학과) , 이창현 (대구가톨릭대학교 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The photoinduced hydrophilicity of $TiO_2/WO_3$ double layer films was fabricated by using a conventional rf-magnetron sputtering method. The photoinduced hydrophilic reaction of the $TiO_2$ surface was enhanced by the presence of $WO_3$ under the $TiO_2$ layer by irradiation of a 10 W cylindrical fluorescent light bulb. However, when the $TiO_2$ and $WO_3$ layers were separated by an insulating layer, the surface did not appeared high hydrophilic, under the same light bulb. The enhanced photoinduced hydrophilic reaction can be explained by the charge transfer between $TiO_2$ and $WO_3$ layers. It was also demonstrated that visible light passing through the $TiO_2$ layer could excite $WO_3$. Thus, visible light can be used for the hydrophilic reaction in the present $TiO_2/WO_3$ system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들 두 박막 사이에서의 전하 전이(charge transfer) 과정과 TiO₂ 표면의 친수 변환에 대한 WO₃층의 가시 광 여기에 의한 효과들을 논의할 것이다. 또한 이중층의 구조를 갖는 TiO₂/WO₃ 박막이 형광등과 같은 실내 불빛에 의해서도 고도의 친수성을 생성할 수 있음을 보고하고자 한다.
본 연구에서는 TiO₂ 표면의 광유기(photoinduced) 친수성 반응을 향상시키기 위해서, 보통의 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 TiO₂/WO₃와 같은 이종의 이중 층 (heterogeneous double layers)의 박막을 제작하였으며, 이들의 광유기 친수 성질을 조사하였다. 이들 두 박막 사이에서의 전하 전이(charge transfer) 과정과 TiO₂ 표면의 친수 변환에 대한 WO₃층의 가시 광 여기에 의한 효과들을 논의할 것이다.
와 같은 이종의 이중 층 (heterogeneous double layers)의 박막을 제작하였으며, 이들의 광유기 친수 성질을 조사하였다. 이들 두 박막 사이에서의 전하 전이(charge transfer) 과정과 TiO₂ 표면의 친수 변환에 대한 WO₃층의 가시 광 여기에 의한 효과들을 논의할 것이다. 또한 이중층의 구조를 갖는 TiO₂/WO₃ 박막이 형광등과 같은 실내 불빛에 의해서도 고도의 친수성을 생성할 수 있음을 보고하고자 한다.

제안 방법

50 × 50 mm2의 크기를 갖는 기판을 증류수, 알코올 그리고 아세톤을 사용하여 연속적으로 초음파 세척하여 타겟으로 부터 60 cm의 거리에 장착한 후, 3 × 10-3 Torr의 Ar 분위기에서 증착이 실시되었다.
고주파 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 다음과 같은 4종류의 박막, 단일 층의 TiO₂ 박막과 WO₃ 박막, 그리고 이중층의 TiO₂/WO₃ 박막과 삼중 층의 TiO₂/SiO₂/WO₃ 박막들을 제작하였다. 상용의 Corning#7059 glass를 기판으로 사용하였으며, 스퍼터링 타겟은 순도 99.
7 nm/min이다. 따라서 이 증착률과 증착 시간을 이용해서 각 박막들의 두께를 제어하였다. 예를 들면, 단일 층의 경우는 모두 200 nm의 두께로 제어하고, 2중층의 경우, TiO₂와 WO₃는 각각 100 nm로 제어하였다 그리고, 3중층에 대해서는 TiO₂는 100 nm, SiO₂는 20 nm, 그리고 WO₃는 80 nm로 제어함으로써 모든 시료의 총 두께는 200 nm가 되도록 하였다.
박막 A, B, C 그리고 D에 대하여, UV광 조사에 의한 광유기 친수성이 그림 5(a)에 평가되었다. 여기서 각 박막들은 0.1 mW/cm²의 세기를 갖는 UV광에 의해 조사되었으며, 조사하는 동안 광 조사 시간의 함수로서 접촉각의 변화를 측정한 것이다. 반면, 그림 5(b)는 10 μW/cm²의 세기의 매우 약한 UV광을 포함하고 있는 형광등으로 조사하면서, 광 조사 시간의 함수로 나타낸 접촉각의 변화이다.

대상 데이터

박막들을 제작하였다. 상용의 Corning#7059 glass를 기판으로 사용하였으며, 스퍼터링 타겟은 순도 99.99%의 TiO₂와 WO₃ 분말 (Koujundokagaku)을 사용하였다. 두 분말의 수분을 제거하기 위하여 600°C에서 3시간 동안 소결한 후, 압착기 (caver press)를 사용하여 11톤의 압력으로 2인치 원형 타입의 타겟을 몰딩하고, 이를 다시 10^–5 Torr의 진공과 1,000℃에서 2시간 동안 고형화하였다.
두 분말의 수분을 제거하기 위하여 600°C에서 3시간 동안 소결한 후, 압착기 (caver press)를 사용하여 11톤의 압력으로 2인치 원형 타입의 타겟을 몰딩하고, 이를 다시 10^–5 Torr의 진공과 1,000℃에서 2시간 동안 고형화하였다. 이와 같이 제작된 원형 pellets을 TiO₂ and WO₃ 박막을 제작하기 위한 스파터용 타겟으로 사용하였다.

이론/모형

한편, 물방울 접촉각(water contact angle)은 Kruss DSA100 goniometer를 사용하여 참고 문헌 [31]과 같은 보통의 실험 절차에 따라 표준화 된 방법을 따라 상온에서 측정하였으며, 광유기 친수성 반응은 black light bulbs (BLB, Toshiba Lighting & Technology)와 0.01 mW/cm2의 UV intensity를 포함하고 있는 10 W 형광등 (Toshiba Co., Tokyo, Japan)에 의한 광 조사 상태에서 접촉각의 변화로서 평가되었다.

성능/효과

그림 3은 4종류의 박막 표면에 대한 (a) SEM 과 (b) AFM상들을 나타낸 것이다. 그림 3(a)의 SEM 상으로부터 TiO₂ 표면은 아래층의 물질에 관계없이 크랙이나 핀홀이 없는 거의 동일한 표면을 나타내며(시료 A, C, D 참조), TiO₂ 입자의 지름은 약 30 nm인 것을 알 수 있다. 박막 C는 유리 기판에 증착된 WO₃ (WO₃/glass)박막의 표면을 나타내며, WO₃ 입자의 지름은 80~100 nm 사이에 분포되어 있다.
WO3 층 위에 성막된 TiO2 박막의 표면은 약 10 μW의 UV 광을 포함하고 있는 10 W의 형광등으로 조사되었을 때 매우 강한 친수성이 되는 것을 확인하였다.

후속연구

(2) TiO₂ 층을 통과한 가시광에 의해 WO₃층을 여기 시켜 전자–정공 쌍(electron-holepairs)을 생성시킨다. 이들 중 광 여기된 정공들은 WO₃ 층에서 TiO₂ 층으로의 전이되어 TiO₂의 표면에 축적되고, 이들은 TiO₂/WO₃ 이중 박막의 친수성 변환의 향상에 기여 하는 것으로 설명되었으며, 본 실험을 통해서 이중구조로 이루어진 TiO₂/WO₃ 박막은 형광등과 같은 실내등으로도 아주 높은 친수성 표면을 생성할 수 있음이 확인되었으며, 이 박막 구조는 김서림 방지(antofogging)와 자가세정(self-cleaning)을 필요로 하는 실내 구조물 위의 코팅제로 응용될 수 있음을 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TiO2에 자외선을 조사하면 어떤 현상이 생기는가?	TiO2는 효과적인 광촉매 물질로 알려져 있다 [1-4]. TiO2에 자외선을 조사하면, 전자와 정공 쌍이 생성되고, 이들은 각각 표면에 흡착물의 산화를 줄인다. 그리고 O2나 OH와 같은 라디칼 (radical)을 생성시킨다. 이들 라디칼은 대부분의 유기 화합물들을 해리할 수 있기 때문에 [5,6] 물과 공기 정화에 응용하기 위한 광범위한 연구들이 수행되고 있다 [7].
	표면의 젖음성 변환이 야외에서만 응용되고 있는 이유는?	이 현상들은 이미 자가 세정 외장타일과 김 서림 방지 거울과 같은 다양한 산업적인 제품에 응용되고 있다 [14]. 그러나 표면의 젖음성 변환 (wettability conversion)에는 태양과 같은 큰 세기의 UV광이 요구되기 때문에 현재는 야외 (outdoor)에서만 응용되고 있는 실정이다. 하지만 최근에는 TiO2 광촉매의 활성화를 개선하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.
	TiO2/WO3 이중 박막의 향상된 친수성 변환에 기여하는 전자-정공 쌍은 어떻게 생성되는 것인가?	TiO2/WO3 이중 박막의 향상된 친수성 변환은 다음의 두 단계로 설명될 수 있다. (1) TiO2 층과 WO3층 사이에서 전하의 전이(charge transfer)가 일어난다. 광 유기된 정공들은 TiO2 표면에 축적되는 반면, 전자들은 WO3 층 내에 축적된다. (2) TiO2 층을 통과한 가시광에 의해 WO3층을 여기 시켜 전자–정공 쌍 (electron-holepairs)을 생성시킨다. 이들 중 광 여기된 정공들은 WO3 층에서 TiO2 층으로의 전이되어 TiO2의 표면에 축적되고, 이들은 TiO2/WO3 이중 박막의 친수성 변환의 향상에 기여 하는 것으로 설명되었으며, 본 실험을 통해서 이중구조로 이루어진 TiO2/WO3 박막은 형광등과 같은 실내등으로도 아주 높은 친수성 표면을 생성할 수 있음이 확인되었으며, 이 박막 구조는 김서림 방지(antofogging)와 자가세정 (self-cleaning)을 필요로 하는 실내 구조물 위의 코팅제로 응용될 수 있음을 제안한다.

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저자의 다른 논문 :

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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