[논문]폐수처리용 붕소 도핑 다이아몬드 전극의 수명에 미치는 제조공정 변수의 영향

최용선; 이영기; 김정열; 김경민; 이유기

doi:10.3740/mrsk.2017.27.3.137

폐수처리용 붕소 도핑 다이아몬드 전극의 수명에 미치는 제조공정 변수의 영향
Influence of Manufacturing Conditions for the Life Time of the Boron-Doped Diamond Electrode in Wastewater Treatment 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.3, 2017년, pp.137 - 143

최용선 (위덕대학교 일반대학원 정보전자공학과) , 이영기 (위덕대학교 그린에너지공학부) , 김정열 (위덕대학교 그린에너지공학부) , 김경민 (위덕대학교 일반대학원 정보전자공학과) , 이유기 (위덕대학교 그린에너지공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Boron-doped diamond (BDD) electrode has an extremely wide potential window in aqueous and non-aqueous electrolytes, very low and stable background current and high resistance to surface fouling due to weak adsorption. These features endow the BDD electrode with potentially wide electrochemical applications, in such areas as wastewater treatment, electrosynthesis and electrochemical sensors. In this study, the characteristics of the BDD electrode were examined by scanning electron microscopy (SEM) and evaluated by accelerated life test. The effects of manufacturing conditions on the BDD electrode were determined and remedies for negative effects were noted in order to improve the electrode lifetime in wastewater treatment. The lifetime of the BDD electrode was influenced by manufacturing conditions, such as surface roughness, seeding method and rate of introduction of gases into the reaction chamber. The results of this study showed that BDD electrodes manufactured using sanding media of different sizes resulted in the most effective electrode lifetime when the particle size of alumina used was from $75{\sim}106{\mu}m$ (#150). Ultrasonic treatment was found to be more effective than polishing treatment in the test of seeding processes. In addition to this, BDD electrodes manufactured by introducing gases at different rates resulted in the most effective electrode lifetime when the introduced gas had a composition of hydrogen gas 94.5 vol.% carbon source gas 1.6 vol.% and boron source gas 3.9 vol.%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 니오븀을 기판으로 한 BDD 전극을 제조함에 있어 제조공정 변수가 BDD 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하였다.

가설 설정

BDD 전극의 수명은 기판에 대한 전처리 공정, BDD 박막 성막공정, 전극의 사용환경에 따라 좌우된다. BDD 박막 성막공정과 전극의 사용환경에 따른 변수를 제외하면 BDD 전극의 수명은 전처리 공정에 따라 달라진다고 할 수 있다. 전처리 공정이 수명에 영향을 미치는 이유는 BDD 전극 역시 기판에 BDD 박막을 성막하는 공정을 거치기 때문이다.
전처리 공정이 수명에 영향을 미치는 이유는 BDD 전극 역시 기판에 BDD 박막을 성막하는 공정을 거치기 때문이다. 전처리 공정은 코팅층인 BDD 박막과 기판과의 접착력에 직접적으로 영향을 미치고, 기판과 코팅층과의 접착력은 전극의 수명에 가장 중요한 영향을 미치는 변수가 된다. BDD 전극을 제조함에 있어 전처리 공정은 기판에 대한 표면조도 부여 공정, 기판 세정 공정, 핵입히기 공정으로 구분할 수 있다.

제안 방법

999 %, 대성산업가스주식회사)를 사용하였다. BDD 전극을 제조함에 있어 제조공정 변수가 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기판에 대한 조도부여와 다이아몬드 핵을 기판에 입히는 핵입히기(seeding) 과정 및 인입가스의 혼입비율을 달리한 전극을 제조하였다.
BDD 전극을 제조함에 있어 제조공정 조건이 BDD 전극의 수명에 어떠한 영향을 미치는지에 알아보기 위하여 전처리 조건 및 붕소 혼입비율을 달리한 BDD 전극을 제작하고, 이들에 대한 수명테스트를 실시한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
기판의 표면조도 및 핵입히기 방법과 BDD 전극의 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여 별도의 조도부여 과정을 거치지 않은 니오븀(Nb, RNDKOREA) 기판, #16 알루미나 미디어(동광연마, Brown Aluminum Oxide, 입도 1,400~1,180 µm)로 샌딩(sanding)처리한 니오븀 기판, #150 알루미나 미디어(75~106 µm)로 샌딩처리한 니오븀 기판 등 3종류의 기판을 준비하고, 이들 기판에 대하여 연마법에 의한 핵입히기 처리와 초음파법에 의한 핵입히기 처리를 한 후 BDD 박막 성막공정은 동일하게 하여 제조된 6종류의 전극을 대상으로 수명평가를 하였다. 인입가스의 혼입비율이 BDD 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 표면조도 및 핵입히기 방법에 따른 수명비교 실험에서 가장 우수한 수명을 보인 조건으로 표면조도 및 핵입히기 처리를 하고, BDD 박막을 성막함에 있어 인입가스의 혼입비율을 달리한 4종류의 전극을 제조하였다.
인입가스의 혼입비율이 BDD 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 표면조도 및 핵입히기 방법에 따른 수명비교 실험에서 가장 우수한 수명을 보인 조건으로 표면조도 및 핵입히기 처리를 하고, BDD 박막을 성막함에 있어 인입가스의 혼입비율을 달리한 4종류의 전극을 제조하였다. 본 실험에서는 수소(H₂)와 메탄(CH₄) 및 TMB의 혼입비율을 각각 달리 하여 10시간동안 BDD박막을 성막한 전극에 대한 수명평가를 하였다.
BDD 전극을 제조함에 있어 전처리 공정은 기판에 대한 표면조도 부여 공정, 기판 세정 공정, 핵입히기 공정으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 먼저 기판의 표면조도 및 핵입히기 방법을 달리한 6종류의 BDD 전극을 사용하여 전처리 조건이 BDD 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하였다.
기판의 표면조도 및 핵입히기 방법과 BDD 전극의 수명과의 상관관계를 평가하기 위하여 별도의 조도부여 과정을 거치지 않은 니오븀(Nb, RNDKOREA) 기판, #16 알루미나 미디어(동광연마, Brown Aluminum Oxide, 입도 1,400~1,180 µm)로 샌딩(sanding)처리한 니오븀 기판, #150 알루미나 미디어(75~106 µm)로 샌딩처리한 니오븀 기판 등 3종류의 기판을 준비하고, 이들 기판에 대하여 연마법에 의한 핵입히기 처리와 초음파법에 의한 핵입히기 처리를 한 후 BDD 박막 성막공정은 동일하게 하여 제조된 6종류의 전극을 대상으로 수명평가를 하였다. 인입가스의 혼입비율이 BDD 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 표면조도 및 핵입히기 방법에 따른 수명비교 실험에서 가장 우수한 수명을 보인 조건으로 표면조도 및 핵입히기 처리를 하고, BDD 박막을 성막함에 있어 인입가스의 혼입비율을 달리한 4종류의 전극을 제조하였다. 본 실험에서는 수소(H₂)와 메탄(CH₄) 및 TMB의 혼입비율을 각각 달리 하여 10시간동안 BDD박막을 성막한 전극에 대한 수명평가를 하였다.

대상 데이터

실험대상 BDD 전극은 니오븀을 기판으로 하고, HFCVD로 제조한 BDD 전극을 사용하였다. BDD 박막을 성막하기 위하여 탄소원 가스로서 메탄(CH₄, 99.995 %, 대성산업가스주식회사)을 사용하였으며, 붕소원 가스로서 TMB (Trimethylboron, 0.1 % C₃H₉B in H₂, Air Liquide Advanced Materials, USA)를 사용하였고, 운반가스로서 수소(H₂, 99.999 %, 대성산업가스주식회사)를 사용하였다. BDD 전극을 제조함에 있어 제조공정 변수가 전극의 수명에 미치는 영향을 평가하기 위하여 기판에 대한 조도부여와 다이아몬드 핵을 기판에 입히는 핵입히기(seeding) 과정 및 인입가스의 혼입비율을 달리한 전극을 제조하였다.
본 연구에서는 #150 알루미나 미디어로 샌딩처리를 하고, 초음파법으로 핵입히기 처리를 한 기판을 사용하여 수소(H₂)와 메탄(CH₄) 및 TMB의 혼입비율을 각각 (a) 97.6 vol%. 1.
실험대상 BDD 전극은 니오븀을 기판으로 하고, HFCVD로 제조한 BDD 전극을 사용하였다. BDD 박막을 성막하기 위하여 탄소원 가스로서 메탄(CH₄, 99.

이론/모형

수명평가는 실제 사용 환경보다 가혹한 운전조건에서 수명을 평가하는 가속수명 테스트(ALT, Accelerated Life Test)법을 사용하였다. 모든 전극에 대한 수명평가는 다음과 같은 조건으로 동일하게 실시하였으며, 각각 3회에 걸쳐 평가를 하였다.

성능/효과

1) 기판표면의 조도가 BDD 전극의 수명을 22~42 % 향상시키는 결과가 나타났다.
2) 샌딩 방법으로 기판에 조도를 부여하는 경우에 알루미나 미디어의 입자가 작을수록 수명이 향상되는 것으로 나타났다.
3) 다이아몬드 핵을 기판에 입히는 경우에 있어 초음파법을 이용하는 것이 연마법을 이용하는 것보다 4~8 % 의 수명향상 효과가 있는 것으로 나타났다.
4) #150 알루미나 미디어로 샌딩 처리를 하고 초음파 법으로 핵입히기 처리를 한 BDD 전극은 샌딩 처리를 하지 아니하고 연마법으로 핵입히기 처리한 BDD전극에 비해 그 수명이 48 % 향상되었다.
5) 붕소의 혼입비율이 높을수록 결정의 크기가 작아지고 박막의 치밀도가 높아지며, BDD 전극의 수명이 향상되었으나, 붕소의 혼입비율이 너무 높으면 다이아몬드 상 박막의 형성이 이루어지지 않았다.
샌딩처리를 하지 아니한 기판의 표면거칠기는 0.4 µm로서 기판의 표면적이 평가대상 시편 중 가장 크고, 표면거칠기의 균일도 역시 가장 우수하나 BDD 전극의 수명은 가장 나쁜 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 기판의 표면적이 넓어 기판과 BDD 박막층과의 접촉면적이 커진다고 하더라도 표면조도가 너무 미세하면 기판표면의 요철구조에 BDD 박막층이 스며드는 효과가 상쇄되어 기판표면과 BDD 박막층간의 기계적 결합이 약해지는 것에 기인한 것이라고 판단된다.
3은 전처리 방법을 달리한 BDD 전극의 평균수명을 비교한 그림이다. 표면조도와 수명과의 관계는 Fig.3에서 보듯이 연마법에 의한 핵입히기든 초음파법에 의한 핵입히기든 샌딩 처리를 하지 않은 전극보다 샌딩 처리를 한 전극의 수명이 22~42 % 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 기판에 조도를 부여하면 기판 코팅층간의 접착력이 향상된다는 선행연구 결과와 일치하는 것이다.
핵입히기 방법과 수명과의 상관관계를 살펴보면 기판의 표면조도가 같은 경우에는 초음파법으로 핵입히기 처리를 한 BDD 전극의 수명이 연마법으로 핵입히기 처리를 한 BDD 전극보다 4~8 % 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 Fig.

후속연구

¹³⁾ 응력이 커지게 되면 기판과 BDD 박막과의 접착력이 떨어지기 때문에 전극의 수명에 악영향을 끼치게 된다. 따라서 결정의 크기가 작아지고 치밀도가 높아지는 현상이 전극의 수명향상에 미치는 영향과 응력의 상승으로 인해 수명이 짧아지는 영향을 고려한 붕소 혼입비율 및 응력을 해소하기 위한 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
¹³⁾ 이러한 선행연구 결과는 표면거칠기와 접착력의 상관관계가 코팅방법, 기판재료 및 코팅물질계에 따라 달라질 수 있다는 점을 시사하는 것이다. 따라서 니오븀을 기판으로 하고, HFCVD법으로 BDD 전극을 제조함에 있어서도 수명에 최적인 표면조도는 추가적인 연구를 통한 확인이 필요하다.
5ppm에 도달하였을 경우에는 성막속도가 낮아지는 것으로 보고되었다. 이러한 연구결과들에 비추어 볼 때 붕소의 혼입비율에 따라 특정구간에서는 BDD 박막의 성막속도가 향상되기도 하고, 성막속도가 낮아지기도 하는 경향이 있는 것으로 추정되나, 명확한 이유는 추가적인 연구를 통한 확인이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기판재료로 실리콘을 사용할 때 단점은?	BDD 전극은 실리콘이나 밸브금속(Ti, Zr, Nb, Ta 등) 등의 기판에 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 제조되어 지는데, 설비투자비가 비교적 저렴하고, 대면적의 BDD 전극을 제조하기에 유리한 필라멘트 가열 화학 기상 증착법(HFCVD, Hot Filament Chemical Vapor Deposition)이 선호되고 있다. 기판재료로서 실리콘은 결정구조가 다이아몬드 박막과 유사하여 별도의 전처리가 없이도 양질의 박막을 얻을 수 있어 많은 연구자들이 BDD 전극의 기판으로 활용하고 있으나, 깨어지기 쉽고, 기판을 대형화하는데 한계가 있다는 단점이 있다. 금속 기판의 경우 수소취성이나 상 변태의 문제가 없고, 가격 측면에서도 탄탈륨보다 훨씬 저렴한 니오븀이 선호되고 있다.
	기판재료 중 금속기판에 니오븀이 선호되는 이유는?	기판재료로서 실리콘은 결정구조가 다이아몬드 박막과 유사하여 별도의 전처리가 없이도 양질의 박막을 얻을 수 있어 많은 연구자들이 BDD 전극의 기판으로 활용하고 있으나, 깨어지기 쉽고, 기판을 대형화하는데 한계가 있다는 단점이 있다. 금속 기판의 경우 수소취성이나 상 변태의 문제가 없고, 가격 측면에서도 탄탈륨보다 훨씬 저렴한 니오븀이 선호되고 있다.7) BDD 전극뿐만 아니라 전기화학적 공정을 활용하는 분야의 가장 중요한 관심사는 전극의 효율 향상과 더불어 제조비용을 절감하는 것으로서 최근에는 전극의 수명향상 및 저가의 기판재료를 활용하려는 연구가 활발하다.
	붕소가 도핑된 다이아몬드(BDD, Boron Doped Diamond) 전극의 특성은 무엇인가?	또한 최근에는 다이아몬드 전극에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 붕소가 도핑된 다이아몬드(BDD, Boron Doped Diamond) 전극은 다른 어떠한 불용성 전극에 비해 넓은 전위창(potential window)을 가지고 있고, 전극표면의 오염에 의한 활성저하 현상에 대한 저항성이 강하며, 전기화학적 안정성이 매우 강하여 물의 전기화학적 처리 분야에 있어 매우 효과적인 전극이다.3,4) BDD 전극의 이러한 특성으로 인하여 BDD 전극은 전기화학적 고도산화공정(EAOP, Electrochemical Advanced Oxidation Processes)에 응용될 수 있는 중요한 재료로 여겨지고 있다.

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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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