[논문]초음파 분무 열분해 공정을 이용한 TiOF2 분말의 합성과 광학적 성질

황보영; 이영인

doi:10.4150/kpmi.2016.23.4.307

초음파 분무 열분해 공정을 이용한 TiOF2 분말의 합성과 광학적 성질
Synthesis and Optical Property of a TiOF2 Powder via an Ultrasonic Spray Pyrolysis Process 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.4, 2016년, pp.307 - 310

황보영 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이영인 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$TiOF_2$, which has remarkable electrochemical and optical properties, is used in various applications such as Li-ion batteries, electrochemical displays, and photocatalysts. In addition, it is possible to utilize the template which is allowed to synthesize fluorine doped $TiO_2$ powders with hollow or faceted structures. However, common synthesis methods of $TiOF_2$ powders have some disadvantages such as the use of expensive and harmful precursors and batchtype processes with a limited production scale. In this study, we report a synthetic route for preparing $TiOF_2$ powders by using an inexpensive and harmless precursor and a continuous ultrasonic spray pyrolysis process under a controlled atmosphere to address the aforementioned problems. The synthesized powder has an average size of $1{\mu}m$, a spherical shape, a pure $TiOF_2$ phase, and exhibits a band-gap energy of 3.2 eV.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TiOF₂를 합성하기 위한 기존 전구체 및 합성 공정의 단점을 극복하기 위해, 상대적으로 저가이고, 불산의 사용이 요구되지 않는 불화티탄산(hydrofluotitanic acid, H₂TiF₆)을 전구체로 선택하여 초음파 분무 열분해 공정을 통해 약 1 마이크론의 크기를 갖는 TiOF₂ 분말의 합성을 시도하였다. 합성된 분말의 형상, 입도 및 결정 구조를 분무 열분해 온도에 따라 확인하였다.

제안 방법

본 연구에서는 저가의 무해한 전구체와 연속 공정이 가능한 초음파 분무 열분해 공정을 이용하여 구형 TiOF₂ 분말을 성공적으로 합성하였다. 질소 분위기에서 600^oC 이하의 온도에서 합성된 분말은 약 1 µm 크기의 평균 입도를 나타내었으며, X-선 회절분석 결과로부터 순수한 TiOF₂ 상을 갖는 것으로 확인되었고, 그 이상의 온도에서는 TiO₂가 형성되는 것을 관찰하여 합성된 분말의 결정구조를 제어할 수 있는 적절한 공정 조건을 제시하였다.
Powder, PANalytical, Netherlands)를 사용하여 분말의 결정구조를 확인하였다. 분말의 광학적 특성은 자외선/가시광선 분광광도계(UV-vis spectrophotometer, UV-2600, SHIMADZU, Japan)를 이용해 흡광도와 확산 반사율을 측정해 확인하였고, Kubelka-Munk 식을 기반으로 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 계산하여 내재적 성질과 비교하여 고찰하였다.
초음파 분무 열분해법의 공정 온도에 따른 결정구조의 변화를 확인하기 위해 질소분위기에서 관상 로 내부의 온도를 각각 400, 500, 600, 700^oC로 변화시켜 TiOF₂ 분말을 합성하였다. 그림 1은 합성된 TiOF₂ 분말의 공정온도에 따른 X-선 회절 분석 결과이다.
합성된 분말의 형상과 직경은 전계 방사형 주사 현미경(field emission-scanning electron microscopy, FE-SEM, JSM-6700F, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였고 X-선 회절분석기(X-ray diffractometer, XRD, X’Pert^₃ Powder, PANalytical, Netherlands)를 사용하여 분말의 결정구조를 확인하였다. 분말의 광학적 특성은 자외선/가시광선 분광광도계(UV-vis spectrophotometer, UV-2600, SHIMADZU, Japan)를 이용해 흡광도와 확산 반사율을 측정해 확인하였고, Kubelka-Munk 식을 기반으로 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 계산하여 내재적 성질과 비교하여 고찰하였다.

대상 데이터

TiOF₂ 분말을 제조하기 위한 전구체 용액은 불화티탄산수용액(hexafluorotitanic acid solution, 60 wt% H₂TiF₆ in H₂O, Sigma-Aldrich)을 사용하였다. 3.

데이터처리

일반적으로 초음파 분무 열분해법으로 합성된 분말은 열분해 및 결정화 과정에서 순간적으로 다수의 핵이 생성되고 이들 핵이 성장되어 입자를 형성하기 때문에 미세한 1차 입자가 응집된 2차 입자의 형태를 갖는다. 합성된 TiOF₂ 분말의 일차입자 크기는 (100)과 (200)면의 반가 폭을 바탕으로 식 (1)의 Scherrer’s equation을 이용해 계산하였으며, 그 결과를 표 1에 정리하였다. Scherrer’s equation에서 B는 각 피크의 반가 폭, θ는 각 피크의 회절 각도, λ는 x-선 회절 분석 시 이용한 파장(1.

성능/효과

질소 분위기에서 600^oC 이하의 온도에서 합성된 분말은 약 1 µm 크기의 평균 입도를 나타내었으며, X-선 회절분석 결과로부터 순수한 TiOF₂ 상을 갖는 것으로 확인되었고, 그 이상의 온도에서는 TiO₂가 형성되는 것을 관찰하여 합성된 분말의 결정구조를 제어할 수 있는 적절한 공정 조건을 제시하였다. 또한 합성된 TiOF₂ 분말은 약 3.2 eV의 밴드 갭 에너지를 가지고 있었으며, 도너 준위(donor level)의 형성에 의한 가시광 대역의 흡수를 나타내어 자외선 및 가시광 영역에서의 광촉매로의 응용 가능성을 확인하였다.
2 eV의 밴드 갭 에너지를 갖는 것으로 보고된 바 있다[5,6]. 본 연구를 통해 합성된 TiOF₂ 분말의 밴드 갭 에너지는 약 3.2 eV로 확인되어 기존 연구와 잘 일치하는 것으로 확인되었다.
5 μm로 확인되었으며, 약 1 μm의 평균 입경을 가지고 있었다. 열분해 온도가 증가될수록 합성된 분말 표면의 거칠기가 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 고온에서의 빠른 열분해와 결정화로 인해 1차 입자의 응집도가 증가해 상대적으로 매끈한 표면을 갖는 것으로 사료된다.
분말을 성공적으로 합성하였다. 질소 분위기에서 600^oC 이하의 온도에서 합성된 분말은 약 1 µm 크기의 평균 입도를 나타내었으며, X-선 회절분석 결과로부터 순수한 TiOF₂ 상을 갖는 것으로 확인되었고, 그 이상의 온도에서는 TiO₂가 형성되는 것을 관찰하여 합성된 분말의 결정구조를 제어할 수 있는 적절한 공정 조건을 제시하였다. 또한 합성된 TiOF₂ 분말은 약 3.

후속연구

합성된 분말의 형상, 입도 및 결정 구조를 분무 열분해 온도에 따라 확인하였다. 더 나아가 자외선-가시광선 영역에서의 흡광도를 확인하고, KubelkaMunk식을 기반으로 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 측정하여, 이를 TiOF₂의 내재적 성질과 기존 보고된 결과와 비교함으로써, 합성된 TiOF₂ 분말의 광촉매 분야 응용 가능성을 고찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 분무 열분해법의 장점은?	초음파 분무 열분해법(Ultrasonic Spray Pyrolysis, USP)은 전구체 용액에 초음파를 인가하여 수 백 나노미터 또는 수 마이크로미터 수준의 액적(droplet)을 형성하고, 이를 운반 또는 반응 가스를 이용해 관상로(tube furnace) 내부로 이송한 후, 적절한 온도에서 순간적으로 용매의 증발과 전구체의 분해 및 결정화를 유도해 다양한 금속 및 세라믹 분말을 합성하는 기상 공정 중 하나이다[14-16]. USP 공정은 상대적으로 고온에서 전구체의 분해 및 결정화 반응이 진행되기 때문에, 전구체 종류에 대한 제약이 없으며, 하소(calcination) 및 세척 공정이 필요하지 않아 폐수의 발생을 최소화할 수 있고, 건조 과정에서 발생하는 응집에서도 상대적으로 자유롭다. 특히 전구체의 종류 및 농도에 크게 구애받지 않고, 액적의 발생 및 공급, 이송 과정과 열처리를 연속적으로 진행할 수 있어 전술한 배치형의 용액 기반 합성공정에 비해 대량생산에 유리하다는 장점을 가지고 있다.
	산소불화 티타늄이란?	산소불화 티타늄(titanium oxyfluoride, TiOF2)은 우수한 전기화학적 및 광화학적 특성을 나타내기 때문에, 리튬이온 배터리(Li-ion battery, LIBs), 전기변색 소자(electrochromic display), 광촉매(photocatalyst) 등 다양한 분야에 응용이 가능한 기능성 소재이다[1-3]. 예를 들면, TiOF2는 기존 탄소 및 주석 기반의 음극소재와 비교하여 1053 mAh/g의 높은 정전용량을 가지고 있고, 작동 전압이 1.
	TiOF2 분말 제조시 용액 기반의 합성 공정을 이용할 때 단점은?	일반적으로 TiOF2 분말은 수열합성법(hydrothermal method) 또는 용매열합성법(solvothermal method)을 이용하여 합성이 가능하며, 낮은 온도에서 크기와 형상이 제어된 TiOF2 분말을 합성할 수 있다는 장점이 있다[9-13]. 하지만 이와 같은 용액 기반의 합성 공정은 고가의 티타늄 알콕사이드(alkoxide)와 부식성 및 독성이 강한 불산(hydrofluoric acid)을 전구체로 사용해야 하는 단점이 있다. 또한 분말의 크기 및 형상을 제어하기 위해서는 전구체 농도를 낮은 수준으로 유지해야 하고, 제조 가능한 분말의 양이 반응기의 크기에 의존하는 배치(batch)형 공정이기 때문에, 연속생산 및 대량생산에 한계를 가지고 있다.

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