[논문]수용액 합성법에 의한 ZnO 나노분말의 합성

구진희; 양준석; 조수진; 이병우

doi:10.6111/jkcgct.2016.26.5.175

수용액 합성법에 의한 ZnO 나노분말의 합성
Synthesis of zinc oxide nanoparticles via aqueous solution routes 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.5, 2016년, pp.175 - 180

구진희 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 양준석 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 조수진 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 이병우 (한국해양대학교 조선기자재공학과)

초록
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본 연구에서는 수용액 상에서 침전법과 수열합성법을 이용하여 나노크기의 ZnO 분말을 합성하였다. 두 합성방법 모두 출발원료로는 Zn-nitrate hexahydrate($Zn(NO_3)_2{\cdot}6H_2O$)와 NaOH 수용액을 사용하였고, 이들의 혼합용액에 합성조건 즉 반응 pH, 온도 및 Zn precursor의 몰 농도를 달리하여 ZnO 분말을 얻을 수 있었다. 두 합성법 모두에서 단일 상 ZnO는 낮은 Zn 농도 높은 pH 및 높은 온도 조건에서 합성되기 쉬웠다. 합성된 분말의 형상은 flake(plate), multipod 및 rod 형태로 합성 조건에 따라 그 형태의 조절이 가능하였다. 침전법에 비해 수열합성법은 $100^{\circ}C$ 이하인 비교적 낮은 합성온도에서도, 본 연구의 Zn 농도 전 구간(0.1~1 M)과 넓은 pH 범위에서 결정성이 우수한 ZnO 단일 상을 합성할 수 있는 장점을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZnO nanoparticles were synthesized by aqueous preparation routes of a precipitation and a hydrothermal process. In the processes, the powders were formed by mixing aqueous solutions of Zn-nitrate hexahydrate ($Zn(NO_3)_2{\cdot}6H_2O$) with NaOH aqueous solution under controlled reaction conditions such as Zn precursor concentration, reaction pH and temperature. Single ZnO phase has been obtained under low Zn precursor concentration, high reaction pH and high temperature. The synthesized particles exhibited flakes (plates), multipods or rods morphologies and the crystallite sizes and shapes would be efficiently controllable by changing the processing parameters. The hydrothermal method showed advantageous features over the precipitation process, allowing the precipitates of single ZnO phase with higher crystallinity at relatively low temperatures below $100^{\circ}C$ under a wider pH range for the Zn precursor concentration of 0.1~1 M.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ZnO 나노구조 합성에 여러 수용액합성법들이 발표 되었으나 아직 반응 pH 및 합성 온도와 전구체(precursor)의 농도에 따른 분말의 형상 및 크기 조절에 대한 명확한 연구결과를 찾기는 힘들어 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서 본연구에서는 수용액상에서 기본적이고 핵심적인 ZnO 합성반응을 관찰하기 위해 합성 시 분말의 형태에 영향을 미치는 분산제, capping agent 등 부가 첨가제들을 전혀 사용하지 않고 분말합성을 수행하였다.

제안 방법

Zn의 출발원료로 Zn-nitrate hexahydrate(Zn(NO3)2· 6H2O)를 사용하였고, 수용액의 pH를조절하기 위해 NaOH를 사용하였으며 합성에 미치는 수용액 중 Zn 농도, 반응 pH 및 합성온도의 영향에 대해 연구하였다.
O) 를 Zn의 출발원료로 사용하였고 NaOH 수용액으로 pH 를 조절한 침전법과 수열합성법을 이용하여 ZnO 나노분말을 합성하였다. 반응 pH 및 온도, Zn 전구체(precursor) 의 몰농도(이하 Zn 농도)를 달리하여 ZnO의 형상 및크기를 조절하였으며, 두 합성방법 및 합성된 분말들의 물성에 대한 비교연구를 수행하였다.
본 연구에서는 Zn-nitrate hexahydrate(Zn(NO3 )2 · 6H2O) 를 Zn의 출발원료로 사용하였고 NaOH 수용액으로 pH 를 조절한 침전법과 수열합성법을 이용하여 ZnO 나노분말을 합성하였다.
수용액에서 침전법과 수열합성법을 사용하여 ZnO 나노분말을 합성하였다. Zn의 출발원료로 Zn-nitrate hexahydrate(Zn(NO₃)₂· 6H₂O)를 사용하였고, 수용액의 pH를조절하기 위해 NaOH를 사용하였으며 합성에 미치는 수용액 중 Zn 농도, 반응 pH 및 합성온도의 영향에 대해 연구하였다.
합성된 분말은 hexagonal wurtzite 구조의 특성상 대부분 6-fold 대칭성을 가지고 있었다. 이렇게 비교적 손쉬운 수용액 합성법들을 이용하여 합성조건의 조절을 통해 ZnO 단일상 합성 및 형태가 조절된 나노분말의 합성이 가능하였다.
출발물질인 Zn-원(source)으로 Zn-nitrate hexahydrate (Zn(NO3 )2 · 6H2O)를 사용하였으며 상온에서 증류수에 용해시켜 각각 0.1, 0.3, 0.5 및 1.0 M의 수용액을 만들 었다.
침전법에서와 같이 출발물질로 Zn-원으로 Zn-nitrate hexahydrate를 사용하였으며 상온에서 증류수에 용해시켜 각각 0.1, 0.3, 0.5 및 1.0 M의 수용액을 만들었다. 농도 조절된 Zn-전구체 수용액에 1.
합성된 ZnO 분말을 분석하기 위해 분말 형태는 전계 방출주사전자현미경(FE-SEM, Mira3, Tescan)에 의해 분석하였고 합성 분말 상(phase)은 X-선 회절분석기(Xray diffractometer(XRD), Rigaku D-Max-2200, Cu-K α )를 이용하여 분석하였다.

성능/효과

3 M의 Zn 농도의 경우 중성의 pH 7에선 침전법에 비해 ZnO 합성온도가 높아짐을 확인할 수 있었으며(Fig. 2(a), (b)), Zn 농도 1 M의 경우 침전법을 통해서는 수용액 가열 한계온도인 100^oC까지 가열하여도 ZnO 단일 상을 합성할 수 없었으나, 고압을 이용하는 수열합성법에서는 100^oC 이하에서 단일 상의 ZnO를 합성할 수 있었다(Fig. 2(c), (d)).
3 및 1 M 수용액에 대해 pH 7에서 침전법 및 수열합성법을 통해 얻어진 ZnO 분말들의 반응온도에 따른 XRD 결과를 보여주고 있다. 0.3 M에서 1 M로 농도가 증가함에 따라 두 합성법 모두에서 ZnO 상을 합성하는 온도가 높아짐을 확인할 수 있었다. 침전법에 비해 강염기 하 고온 고압에서 침전물의 재 용해 및 석출과정이 필요한 수열합성법의 경우 0.
즉 수용액 침전법의 경우 반응온도가 80o C에 이르면, 본 연구에서 가장 높은 Zn 농도인 1 M을 제외한 0.1, 0.3, 및 0.5 M의 경우 7 ≤ pH ≤ 11의 영역에서 단일 상의 ZnO 침전을 얻을 수 있었다.
침전법과 수열합성법 모두 합성되는 침전물은 Zn(OH)₂와 ZnO였으며, 상대적으로 낮은 Zn 농도, 높은 반응 pH 및 높은 합성온도일수록 단일상의 ZnO가 합성되기 쉬웠고 합성된 ZnO 분말은 flake(plate), multi-pod, 및 rod 형태를 가지며 합성조건별로 분말형상의 예측 및 조절이 가능하였다. 단순 침전과 달리 고온 수증기압을 이용하여 1차 침전물의 재용해 및 재침전을 이용하는 수열합성법에서는 80^oC 이상 가열 시 모든 Zn 농도(0.
3 M에서 1 M로 농도가 증가함에 따라 두 합성법 모두에서 ZnO 상을 합성하는 온도가 높아짐을 확인할 수 있었다. 침전법에 비해 강염기 하 고온 고압에서 침전물의 재 용해 및 석출과정이 필요한 수열합성법의 경우 0.3 M의 Zn 농도의 경우 중성의 pH 7에선 침전법에 비해 ZnO 합성온도가 높아짐을 확인할 수 있었으며(Fig. 2(a), (b)), Zn 농도 1 M의 경우 침전법을 통해서는 수용액 가열 한계온도인 100^oC까지 가열하여도 ZnO 단일 상을 합성할 수 없었으나, 고압을 이용하는 수열합성법에서는 100^oC 이하에서 단일 상의 ZnO를 합성할 수 있었다(Fig.

후속연구

이액상법 중 수용액을 이용하는 침전법 및 수열합성법은 같은 조성의 원료를 이용할 수 있는 간단한 방법들로, 수용액의 pH 및 온도에 따른 용해도 차이를 이용하여 침전을 얻는 침전법[3, 11, 12] 및 같은 조성을 열-수압 장치(autoclave)를 이용한 수열조건에서 반응 pH 및 합성온도에 따른 재 용해 및 침전을 이용하여 합성하는 수열합성법[3, 13, 14]으로 구분된다. ZnO 나노구조 합성에 여러 수용액합성법들이 발표 되었으나 아직 반응 pH 및 합성 온도와 전구체(precursor)의 농도에 따른 분말의 형상 및 크기 조절에 대한 명확한 연구결과를 찾기는 힘들어 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 따라서 본연구에서는 수용액상에서 기본적이고 핵심적인 ZnO 합성반응을 관찰하기 위해 합성 시 분말의 형태에 영향을 미치는 분산제, capping agent 등 부가 첨가제들을 전혀 사용하지 않고 분말합성을 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO 나노구조 제조 시 용액법의 장점은?	ZnO 나노구조는 크게 기상합성법[9, 10]과 용액법으로 제조할 수 있다. 기상합성법은 대형의 증착 장비, 고가의 조절장치와 나노분말 합성에 장시간이 필요하나 용액법을 이용할 경우엔 빠른 시간에 분말을 합성할 수 있고, 생성물의 조성과 분말입도의 조절도 쉬우며, 비교적 저온에서 나노구조를 얻을 수 있는 등의 장점이 있다. 이액상법 중 수용액을 이용하는 침전법 및 수열합성법은 같은 조성의 원료를 이용할 수 있는 간단한 방법들로, 수용액 의 pH 및 온도에 따른 용해도 차이를 이용하여 침전을 얻는 침전법[3, 11, 12] 및 같은 조성을 열-수압 장치(autoclave)를 이용한 수열조건에서 반응 pH 및 합성온도에 따른 재 용해 및 침전을 이용하여 합성하는 수열합성법[3, 13, 14]으로 구분된다.
	ZnO이란?	최근 물질의 분자 및 원자 수준까지 제어 및 조작이 가능한 나노 기술을 활용한 나노 소재는 전자, 전기, 바이오, 환경, 화학 및 에너지 등 여러 분야에 걸쳐 사용 되고 있다. ZnO는 wurtzite 구조를 가지며 II-VI족 화합물 반도체로서 상온에서 3.37 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 가지고 있어 자외선 광소자로의 응용성이 높으며, 엑시톤 결합에너지가 60 meV로 GaN(~25 meV) 등의 화합물 반도체보다 커 상온에서 높은 효율의 광소자 재료로 사용될 수 있을 것으로 기대되고 있다[1-3].
	ZnO의 장점은?	ZnO는 합성 및 성장조건에 따라 다양한 모양의 나노 결정을 형성시킬 수 있는 장점이 있어 rod, wire, tube, belt, sheet 등 다양한 형태로 성장이 가능하여 그 응용이 기대되고 있다[5-8]. 특히 1차원의 나노 rod(또는 wire)는 표면적이 박막보다 넓어 반응성이 좋아 광(촉매)화학 및 나노광학적인 응용도 기대되고 있어 활발한 연구가 이루어지고 있다.

참고문헌 (16)

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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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