[논문]아민첨가제를 사용하여 합성된 ZnO의 입자형상 및 광학적 특성

현혜현; 현미호; 이동규

doi:10.12925/jkocs.2016.33.1.23

아민첨가제를 사용하여 합성된 ZnO의 입자형상 및 광학적 특성
Particle Shapes and Optical Property of Synthesized ZnO with Amine Additives 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.33 no.1, 2016년, pp.23 - 29

현혜현 (충북대학교 공과대학 공업화학과) , 현미호 (충북대학교 공과대학 공업화학과) , 이동규 (충북대학교 공과대학 공업화학과)

초록
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육방정계 우르자이츠형의 산화아연은 n형 반도체로써 3.37 eV의 넓은 밴드갭 에너지와 60 meV의 큰 엑시톤 바인딩 에너지를 가진 물질이다. 가스센서, 발광 다이오드, 염료 감응 태양 전지, 염료오염의 분해 등의 넓은 범위에서 활용이 가능하다. 합성 시 마이크로파 수열합성법을 사용하게 되면 높은 수율, 빠른 반응속도, 에너지 절약의 장점이 있다. 아민첨가제는 수산이온 생성 및 킬레이트 효과로 인해 산화아연 입자 형상을 조정하는 역할을 한다. 본 논문에서는 전구체로는 질산아연육수화물을 사용하였고, 형상조정제로는 에탄올아민, 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 헥사메틸렌테트라민을 사용하였다. 수산화소듐을 사용하여 용액을 pH 11로 조정하였다. 합성된 산화아연은 별모양, 막대형, 꽃모양, 원추형의 다양한 형상을 확인할 수 있었다. 아민첨가제에 의한 물리 화학적 특성과 광학적 특성을 분석하기 위해 XRD, SEM, EDS, FT-IR, UV-vis 스펙트럼, PL 스펙트럼을 사용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Zinc oxide of hexagonal wurzite, is known as n-type semiconductor. It has a wide band gap energy of 3.37 eV and large exciton binding energy of 60 meV. It can be widely applied to gas sensors, laser diodes, dye-sensitized solar cells and degradation of dye waste. The use of microwave hydrothermal synthesis brings a rapid reaction rate, high yield, and energy saving. Amine additives control the different particle shapes because of the chelate effect and formation of hydroxide ion. In this study, zinc nitrate hexahydrate was used as zinc precursor. In addition, ethanolamine, ethylenediamine, diethylenetriamine, and hexamethylenetetramine are used as shape control agent. The pH value was controlled as 11 by NaOH. The shapes of zinc oxide are star-like, rod, flower-like, and circular cone. In order to analyze physical, chemical, and optical properties of ZnO with diverse amine additives, we used XRD, SEM, EDS, FT-IR, UV-Vis spectroscopy, and PL spectroscopy.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

발광 특성을 알아보기 위해 광루미네선스 (Optical Spectrum Analyzer, Fluoro Mate FS-2, SCINCO, Korea)를 통해 분석을 실시하였다. 광활성을 확인하기 위하여 염료용액으로 메틸렌블루를 사용하였으며 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, Scinco, Korea)로 시간에 따른 분해와 광촉매 활성을 측정하였다.
모든 산화아연 사용시 염료용액에 의해 비슷한 경향의 흡수 피크가 나타났고, 최대 흡수 피크 역시 가시광선 영역인 663 nm 부근에서 측정되었다. 기존의 염료용액의 흡광도와 60분 후의 흡광도를 비교해서 탈색 효율 즉, 분해 성능을 확인하였다.
합성물의 구성 원소를 확인하기 위해 원소분석기 (Energy Dispersive Spectroscopy, IXRF Analyzer Model 550i, Germany)를 이용하였다. 또한, 광 흡수 특성을 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, SCINCO, Korea)를 사용하여 각각의 흡수 파장과 흡광도를 측정하였다. 발광 특성을 알아보기 위해 광루미네선스 (Optical Spectrum Analyzer, Fluoro Mate FS-2, SCINCO, Korea)를 통해 분석을 실시하였다.
또한, 광 흡수 특성을 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, SCINCO, Korea)를 사용하여 각각의 흡수 파장과 흡광도를 측정하였다. 발광 특성을 알아보기 위해 광루미네선스 (Optical Spectrum Analyzer, Fluoro Mate FS-2, SCINCO, Korea)를 통해 분석을 실시하였다. 광활성을 확인하기 위하여 염료용액으로 메틸렌블루를 사용하였으며 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, Scinco, Korea)로 시간에 따른 분해와 광촉매 활성을 측정하였다.
전구체로 질산아연 육수화물을 사용하였고, 수산화소듐(NaOH)을 이용해 pH를 조절하였다. 아민첨가제는 에탄올아민, 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 헥사메틸렌테트라아민을 사용하였고, 각 아미노기에 따른 형상 변화 및 그에 의한 광촉매 활성 평가를 통해 최적의 촉매성능을 나타내는 형상과 조건을 연구 하였다.
5 g을 넣어준 후 암흑에서 30분 동안 교반시킨다. 안정된 용액에 자외선을 조사해 10분 간격으로 60분 동안 흡광도를 측정해 분해성능을 확인한다.
전구체로 질산아연과 아민첨가제를 사용하고, 1 M의 수산화소듐을 이용하여 pH를 11로 조절한 가운데 합성된 산화아연 입자의 SEM 결과를 Fig. 1에 나타내었다. (a),(b)는 에탄올아민, (c),(d)는 에틸렌디아민, (e),(f)는 디에틸렌트리아민, (g),(h)는 헥사메틸렌테트라민을 사용한 결과이다.
아민첨가제에 따른 산화아연 입자형상을 확인하기 위해 전계방사형 주사 전사 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, ULTRAPLUS, Carl Zeiss NTS GmbH, Germany)을 사용하였다. 합성된 물질의 결정성은 X선 회절분석기 (X-Ray Diffractometor, Model D8 Discover with GADDS, Bruker AXS., USA)로 분석하였고 그 결과는 JCPDS (Joint Commitee on Powder Diffraction Standards) 카드를 이용하여 확인하였다. 합성물의 구성 원소를 확인하기 위해 원소분석기 (Energy Dispersive Spectroscopy, IXRF Analyzer Model 550i, Germany)를 이용하였다.
, USA)로 분석하였고 그 결과는 JCPDS (Joint Commitee on Powder Diffraction Standards) 카드를 이용하여 확인하였다. 합성물의 구성 원소를 확인하기 위해 원소분석기 (Energy Dispersive Spectroscopy, IXRF Analyzer Model 550i, Germany)를 이용하였다. 또한, 광 흡수 특성을 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, SCINCO, Korea)를 사용하여 각각의 흡수 파장과 흡광도를 측정하였다.
마이크로파 수열합성법으로 아민첨가제에 의한 산화아연 입자를 합성하였다. 합성에 사용된 첨가제의 종류와 농도 변화에 따른 형상변화와 그 광촉매 활성을 평가하였고, 분석된 결과를 통해 다음과 같은 결론을 낼 수 있었다.
본 연구에서는 마이크로파 수열합성법을 이용하여 산화아연을 합성하였다. 형상조절제로 아민첨가제를 넣어 아미노기의 종류와 몰농도에 의한 형상 변화의 영향을 확인하였다. 전구체로 질산아연 육수화물을 사용하였고, 수산화소듐(NaOH)을 이용해 pH를 조절하였다.

대상 데이터

광촉매 활성 평가를 확인하기 위해 염료로 메틸렌블루 (Methylene Blue, C16H18ClN3S·3H2O, 95%, Samchun Chemicals. Co., Ltd., Korea)를 사용하였다.
아연 전구체로 질산아연 육수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn(NO3)2·6H2O, 98%, Samchun Chemicals.
형상조절제로 아민첨가제를 넣어 아미노기의 종류와 몰농도에 의한 형상 변화의 영향을 확인하였다. 전구체로 질산아연 육수화물을 사용하였고, 수산화소듐(NaOH)을 이용해 pH를 조절하였다. 아민첨가제는 에탄올아민, 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 헥사메틸렌테트라아민을 사용하였고, 각 아미노기에 따른 형상 변화 및 그에 의한 광촉매 활성 평가를 통해 최적의 촉매성능을 나타내는 형상과 조건을 연구 하였다.
형상조절제로 아미노기의 개수에 따라 에탄올아민(EA, HO(CH2)2NH2 , 99%, Aldrich Chemical Company, Inc., USA), 에틸렌디아민(ED, C2H4(NH2)2 , 99%, Aldrich Chemical Company, Inc., USA), 디에틸렌트리아민(DET, (NH2CH2CH2)2NH, 98%, Junsei Chemical Co., Ltd., Japan) 그리고 헥사메틸렌테트라민(HMT, (CH2)6N4 , 99%, Junsei Chemical Co., Ltd., Japan)을 사용하였다.

이론/모형

마이크로파 수열합성법으로 아민첨가제에 의한 산화아연 입자를 합성하였다. 합성에 사용된 첨가제의 종류와 농도 변화에 따른 형상변화와 그 광촉매 활성을 평가하였고, 분석된 결과를 통해 다음과 같은 결론을 낼 수 있었다.
본 연구에서는 마이크로파 수열합성법을 이용하여 산화아연을 합성하였다. 형상조절제로 아민첨가제를 넣어 아미노기의 종류와 몰농도에 의한 형상 변화의 영향을 확인하였다.
아민첨가제에 따른 산화아연 입자형상을 확인하기 위해 전계방사형 주사 전사 현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, ULTRAPLUS, Carl Zeiss NTS GmbH, Germany)을 사용하였다. 합성된 물질의 결정성은 X선 회절분석기 (X-Ray Diffractometor, Model D8 Discover with GADDS, Bruker AXS.

성능/효과

1. 합성한 입자의 SEM 분석 결과 아민첨가제의 종류에 따라 다양한 형상을 확인할 수 있었다. 에탄올아민은 별모양, 에틸렌디아민은 로드형, 디에틸렌트리아민은 꽃모양, 헥사메틸렌트테트라민은 원추형의 입자가 생성 되었다.
2. 에틸렌디아민의 로드형 산화아연 입자는 아연과 산소사이의 결합길이가 짧아 결속이 단단해 결정성이 높으며, EDS 분석 결과 아연과 산소가 1:1의 원자비를 갖는다. 그 외의 아민 첨가제의 경우에도 거의 1:1과 흡사한 원자비를 갖는다.
3. 광 발광 측정 분석 결과 380 nm부근에서 자외선 피크, 580 nm부근에서 가시광선 피크가 관찰되었고, 에탄올아민을 사용하여 합성한 산화아연 입자의 피크가 모두 높을 것을 확인할 수 있었다.
4. 자외선 가시광선 분광법 분석결과 680 nm에서 최대 흡수 피크가 확인되었고, 에탄올아민이 첨가된 산화아연 입자에서 38%의 탈색효율을 확인하였다. 다른 아민첨가제의 경우에는 33 ~ 35%의 탈색효율을 알 수 있었다.
결과적으로 산화아연 입자의 형상에 따라서 다른 광루미네선스 값이 분석되었고, 입자의 형상이 별모양에서 광 발광 특성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
모든 산화아연 사용시 염료용액에 의해 비슷한 경향의 흡수 피크가 나타났고, 최대 흡수 피크 역시 가시광선 영역인 663 nm 부근에서 측정되었다.
6 ㎛로 확인되었다. 아민첨가제의 농도가 증가하였을 때 길이는 거의 변화하지 않았지만, 비교적 정교한 원추형 입자를 얻을 수 있었다.
대체적으로 자외선 영역의 피크가 높을수록 가시광석 영역의 피크가 낮아지는 경향을 보였는데, 에탄올아민이 첨가된 (a)의 경우 자외선, 가시광석 영역이 모두 가장 높은 것을 확인 할수 있다. 입자가 별모양으로 표면적이 넓어 광학적 특성에 유리하고, EDS 결과로 알 수 있듯이 성장과정에서의 산소 공공에 의한 결함으로 가시 광선 영역에서의 방출 피크의 세기가 높게 나타남을 알 수 있었다.
이는 아연 금속 양이온과 아미노기의 킬레이트화 반응에 의해 복소 고리 모양의 착물이 형성되어 나타나는 결과로 생각된다[19]. 헥사메틸렌테트라민을 사용하였을 때 아미노기의 수가 가장 많아 아연 금속 양이온에 대한 킬레이팅 효과가 매우 컸으며 그에 따라 아연의 원소비율 또한 가장 높은 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

같은 pH 조건에서 에틸렌디아민의 결정성이 가장 높은 이유는 아연이온과 산소이온의 결합길이가 가장 짧아 결속이 단단하기 때문이다[18]. 따라서 같은 조건에서 결정성을 높이기 위해서는 로드형의 에틸렌디아민을 사용하는 것이 보다 좋은 결과를 얻게 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화아연은 어떤 산업에서 이용되고 있는가?	산화아연(ZnO)는 이산화타이타늄과 함께 가장 대표적인 광촉매로서 우수한 열적 안정성, 독특한 화학적 특성, 무독성 및 압전성을 가져 광범위한 응용성을 가진 물질이다. 또한, 넓은 밴드갭 에너 지(3.37 eV)를 가지고 있어 UV 영역에서 우수한 투과성을 보이며 이에 발광다이오드에 응용이 가능하다. 높은 엑시톤 바인딩 에너지(60 meV)의 특성으로는 열적 안정성이 높아 태양전지, 가스센서 등에 투명전극으로 사용할 수 있다. 이외에 유기염료의 분해, 화장품, 안료, 페인트 등의 산업 전반에 널리 활용되고 있다[1,2]. 대표적인 산화아연의 결정구조는 육방정계 우르자이츠형이 있고, 아연층과 산소층이 교대로 이온결합과 공유 결합을 통해 결합하고 있는 형태이다[3].
	산화아연이란 무엇인가?	산화아연(ZnO)는 이산화타이타늄과 함께 가장 대표적인 광촉매로서 우수한 열적 안정성, 독특한 화학적 특성, 무독성 및 압전성을 가져 광범위한 응용성을 가진 물질이다. 또한, 넓은 밴드갭 에너 지(3.
	대표적인 산화아연의 결정구조는 무엇인가?	이외에 유기염료의 분해, 화장품, 안료, 페인트 등의 산업 전반에 널리 활용되고 있다[1,2]. 대표적인 산화아연의 결정구조는 육방정계 우르자이츠형이 있고, 아연층과 산소층이 교대로 이온결합과 공유 결합을 통해 결합하고 있는 형태이다[3]. 산화아연의 광촉매 활성은 자외선 영역에서 확인되는 방출로 관찰되며, 이는 밴드갭 에너지 차이에 의해서 나타나게 된다.

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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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