[논문]광촉매 응용을 위한 TiO2 나노 섬유의 미세구조 제어

이창규; 김완태; 나경한; 박동철; 양완희; 최원열

doi:10.4313/jkem.2018.31.6.417

광촉매 응용을 위한 TiO2 나노 섬유의 미세구조 제어
Control of Microstructure on TiO2 Nanofibers for Photocatalytic Application 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.6, 2018년, pp.417 - 421

이창규 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 김완태 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 나경한 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 박동철 (강릉원주대학교 신소재금속공학과) , 양완희 ((주)위드엠텍) , 최원열 (강릉원주대학교 신소재금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$TiO_2$ has excellent photocatalytic properties and several studies have reported the increase in its specific surface area. The structure of $TiO_2$ nanofibers indicates promising improved photocatalytic properties and these nanofibers can thus potentially be applied in air pollution sensors and pollutant removal filters. In this study, a $TiO_2$ nanofiber was fabricated by the electrospinning method. The fabrication processing factors such as the applied voltage, the distance between nozzle and collector, and the inflow rate of solution were controlled. The precursor was titanium (IV) isopropoxide and as-spun $TiO_2$ nanofibers were heated at $450^{\circ}C$ for 2 h to obtain an anatase crystalline structure. The microstructure was analyzed using field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD). The anatase phase was observed in the $TiO_2$ nanofibers after heat treatment. The diameter of $TiO_2$ nanofibers increased with the flow rate, but decreased with decreasing applied voltage and nozzle to collector distance. The diameter of $TiO_2$ nanofibers was controlled in the range of 364 nm to 660 nm. These nanofibers are expected to be very useful in photocatalytic applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 실험에서는 전기방사법을 통해 TiO₂ 나노 섬유 제조하고 공정 변수를 제어하여 미세구조의 변화를 SEM과 XRD를 통해 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 전기방사법을 이용하여 제조되는 TiO₂ 나노 섬유의 미세구조를 공정 변수를 제어하여 변화를 분석하였다. 전압이 증가할수록 TiO₂ 나노 섬유의 직경이 감소하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 고분자는 Polyvinylpyrrolidone (PVP, M.W. 1,300,000 Powder, Alfa Aesar)에서 제작된 것을 사용하였다. PVP를 용해할 용매로 Ethyl alcohol (EtOH, 99.

데이터처리

나노 섬유의 미세구조를 관찰하고 직경을 측정하였다. 그 후 TiO₂ 나노 섬유의 금속 산화물의 상을 확인하기 위해 XRD를 이용해 분석했다.

성능/효과

나노 섬유는 큰 비표면적으로 생기는 광촉매 특성이나 생체 친화적 특성이 우수하여 공기 필터뿐만 아니라 조직공학 등에 응용되고 있다. 따라서 각 응용분야에 맞는 미세구조를 만들기 위해서는 TiO₂ 나노 섬유의 직경을 일정하고 균일하게 제조하는 기술이 중요하다. 본 연구는 전기방사 공정에서의 변수를 제어하여 TiO₂ 나노 섬유의 미세구조를 일정하게 제조하였으며 20 kV의 전압, 1 ml/h의 유입 속도, 18 cm의 노즐-집전판 거리 공정조건에서 최대 의 비표면적을 보이는 364 nm의 최소 평균 직경을 얻을 수 있었고 상기 조건이 광촉매 응용을 위해 최적의 제조 공정조건임을 확인하였다.
따라서 각 응용분야에 맞는 미세구조를 만들기 위해서는 TiO₂ 나노 섬유의 직경을 일정하고 균일하게 제조하는 기술이 중요하다. 본 연구는 전기방사 공정에서의 변수를 제어하여 TiO₂ 나노 섬유의 미세구조를 일정하게 제조하였으며 20 kV의 전압, 1 ml/h의 유입 속도, 18 cm의 노즐-집전판 거리 공정조건에서 최대 의 비표면적을 보이는 364 nm의 최소 평균 직경을 얻을 수 있었고 상기 조건이 광촉매 응용을 위해 최적의 제조 공정조건임을 확인하였다. TiO₂ 나노 섬유를 일정하게 제조하는 기술은 광촉매 응용 분야에 필요한 미세구조를 정확하게 제조하여 효율을 향상시킬 것으로 기대된다.
하지만 전압이 증가할수록 직경의 감소폭은 줄어드는 것을 관찰하였다. 유입속도가 느릴수록, 노즐-집전판 거리가 멀수록 TiO₂ 나노 섬유의 직경이 감소함을 분석하였다.
나노 섬유의 미세구조를 공정 변수를 제어하여 변화를 분석하였다. 전압이 증가할수록 TiO₂ 나노 섬유의 직경이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 전압이 증가할수록 직경의 감소폭은 줄어드는 것을 관찰하였다.
전압이 증가할수록 TiO₂ 나노 섬유의 직경이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 전압이 증가할수록 직경의 감소폭은 줄어드는 것을 관찰하였다. 유입속도가 느릴수록, 노즐-집전판 거리가 멀수록 TiO₂ 나노 섬유의 직경이 감소함을 분석하였다.

후속연구

본 연구는 전기방사 공정에서의 변수를 제어하여 TiO₂ 나노 섬유의 미세구조를 일정하게 제조하였으며 20 kV의 전압, 1 ml/h의 유입 속도, 18 cm의 노즐-집전판 거리 공정조건에서 최대 의 비표면적을 보이는 364 nm의 최소 평균 직경을 얻을 수 있었고 상기 조건이 광촉매 응용을 위해 최적의 제조 공정조건임을 확인하였다. TiO₂ 나노 섬유를 일정하게 제조하는 기술은 광촉매 응용 분야에 필요한 미세구조를 정확하게 제조하여 효율을 향상시킬 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리카 나노 섬유의 특성은?	무기 나노 섬유의 대표적으로 실리카계 나노 섬유가 있다. 실리카 나노 섬유는 낮은 열전도율과 열팽창계수를 갖고 내열성이 우수하며 기계적 물성도 우수하기 때문에 많은 분야에 응용되고 있다 [9-12].
	전기방사 기술의 장점은?	따라서 작은 표면적으로도 높은 효율을 낼 수 있는 나노 재료가 여러 분야에 적용되고 있다 [1]. 나노 재료를 제조하는 방법은 여러 가지가 있지만 그중에서 전기방사 기술은 매우 효율적이고 경제적인 방법이며 간단한 공정으로 널리 사용되고 있다 [2]. 전기방사는 전기장을 이용하여 연속상의 나노 섬유를 만드는 방법으로 펌프를 통해 고분자 용액 을 일정한 속도로 유입하여 노즐을 통해 토출시킨다.
	전기방사 기술 과정 중 미세 섬유는 어떻게 얻을 수 있는가?	전극이 연결된 노즐의 고분자 용액에 전하가 계속 축전되면 상호 반발력에 의해 고분자 용액이 가지는 표면장력을 넘어서면서 노즐 끝단의 깔때기 형상이 jet로 방사 연신되면서 집전판으로 섬유들이 모아지게 된다. 전기방사 공정 중 액상의 jet이 집전판에 도달하기 전에 연신 및 용매의 휘발이 함께 수반되면서 무질서하게 배열된 미세 섬유를 얻을 수 있다 [3]. 이러한 전기방사 기술을 이용하여 나노 섬유 또는 나노 로드 형상의 소재를 제조할 수 있으며 고분자나 금속 산화물 나노 섬유 등을 효과적으로 제조할 수 있다 [4].

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