[논문]Trimethylsilyl Chloride를 Silylation Agent로 사용한 Ba0.6Sr0.4TiO3 나노입자의 표면개질 연구

이찬; 한우제; 박형호

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.127

Trimethylsilyl Chloride를 Silylation Agent로 사용한 Ba0.6Sr0.4TiO3 나노입자의 표면개질 연구
Surface Modification of Ba0.6Sr0.4TiO3 by Trimethylsilyl Chloride as a Silylation Agent 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.127 - 132

이찬 (연세대학교 신소재공학과) , 한우제 (연세대학교 신소재공학과) , 박형호 (연세대학교 신소재공학과)

초록
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본 연구에서는 liquid-solid solution 합성법을 통해 고유전 페로브스카이트 구조의 barium strontium titanate(Ba_0.6Sr_0.4TiO₃, BSTO)를 합성하여 trimethylsilyl chloride(TMCS)를 silylation agent로 이용한 표면개질을 진행하였다. Silylation 표면개질을 활용하여 기존 BSTO 나노입자 표면에 있던 -OH 리간드와 TMCS가 갖고 있는 Cl을 반응시켜 나노입자 표면의 리간드를 -Si, -CH₃로 치환하였다. 다양한 TMCS 농도의 변화를 주어 silylation을 진행했고, Fourier-transform infrared spectroscopy 및 X 선 회절 분석, 전계방사 주사전자현미경을 통해 silicon network 및 결정구조, 나노입자의 크기를 확인하였다. 접촉각 변화 관찰을 통해 가장 많이 silylation된 BSTO 나노입자에서 120.9°인 소수성 특성을 확인하였다. 나노입자의 silylation을 통해 D.I water 내 BSTO 나노입자의 소수화 정도를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, barium strontium titanate (BSTO) with high dielectric perovskite structure was synthesized by liquid-solid solution synthesis and the surface was modified using trimethylsilyl chloride (TMCS) as a silylation agent. Silylation surface modification is a method of reacting -OH ligand on the surface of BSTO nanoparticles with Cl in TMCS to generate HCl and replacing the ligand on the surface of nanoparticles with -Si, -CH3. Silylation was optimized by varying the concentration of TMCS, and the structure of the silicon network was confirmed by Fourier-transform infrared spectroscopy. In addition, the crystallinity of BSTO nanoparticles was confirmed by X-ray diffractometer and the size of the nanoparticles was calculated using Scherrer equation. The field emission scanning electron microscopic image observed the change of the surface-modified BSTO particle size, and the contact angle measurement confirmed the hydrophobic property of the contact angle of 120.9° in the optimized nanoparticles. Finally, the surface-modified BSTO dispersion experiment in de-ionized water confirmed the hydrophobic degree of the nanoparticles.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic flow chart of (a) synthesis of BSTO NPs, (b) silylation of BSTO NPs.
그림 Fig. 2. FT-IR spectra of silylated BSTO NPs with different silylation agent concentration.
그림 Fig. 3. XRD spectra of silylated BSTO NPs with different silylation agent concentration.
그림 Fig. 4. SEM images of BSTO NPs with different silylation agent concentration: (a) pristine, (b) 10 vol.% TMCS, (c) 30 vol.% TMCS, and (d) 50 vol.% TMCS.
그림 Fig. 5. Contact angle image of BSTO NPs with different silylation agent concentration: (a) pristine, (b) 10 vol.% TMCS, (c) 30 vol.% TMCS, and (d) 50 vol.% TMCS.
그림 Fig. 6. BSTO NPs dispersion test in D.I water with different silylation agent concentration: (a) pristine, (b) 10 vol.% TMCS, (c) 30 vol.% TMCS, and (d) 50 vol.% TMCS, (e) surface of 50 vol.% TMCS.

AI 본문요약
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문제 정의

표면 개질 농도 증가에 따라서 이차상 형성이 없고 나노입자 크기가 증가함을 관찰하였고 접촉각 분석을 통해 소수성화를 확인하였다. D.I water 내 BSTO 나노입자 분산 실험을 통해 표면개질의 정도에 따른 BSTO 나노입자의 소수성 정도를 관찰하였으며 이 연구는 나노입자를 기반으로 하는 다양한 복합체 형성에 대한 연구에 표면개질을 통한 나노입자의 표면특성 개선에 대한 정보를 제공할 것이다.
또한 표면개질을 진행한 나노입자를 고분자내 분산시켜 고분자의 유전율을 높이는 nanocomposite 형성을 위해 fluorination, silylation과 같은 다양한 종류의 표면개질이 있지만 polymer와 nanocomposite을 형성하기 위해서는 polymer와 비슷한 리간드를 갖고, 동일한 소수성 특성을 갖게 하는 표면개질이 nanocomposite을 형성하는데 유리하다. 따라서 본 연구에서는 소수성을 띄고 대부분의 polymer에 상용성이 있는 Si- 기로 표면개질을 하기 위해 trimethylsilyl chloride(TMCS)를 silylation agent로 이용하여 BSTO 나노입자의 표면개질을 진행했고 이에 따른 나노입자의 표면특성 변화가 연구되었다.

제안 방법

표면개질이 진행됨에 따라 peak shift나 intensity의 증가, 그리고 2차상이 관찰되지 않음을 확인하여 표면개질에 의한 결정화 정도의 변화가 없는 것을 확인하였다. 또한, XRD peak으로 확인된 (100), (110), (111), (200), (210), (211) 회절 피크에서 Scherrer 식을 이용하여 나노입자의 크기를 계산하였다.
I water와의 접촉각을 측정하였다. 마지막으로 표면개질된 BSTO 나노입자를 D.I water 내에 분산시켜 표면특성의 변화를 관찰하였다.
본 연구는 저온에서 BSTO 나노입자를 합성하고 TMCS를 통해 표면개질을 진행하였다. TMCS 농도 증가에 따라 표면개질 정도가 증가함을 확인하였다.
소수성 고분자와의 분산 특성을 확인하기 위해서 D.I water 내 BSTO 나노입자의 분산 실험을 통해 표면개질 정도에 따른 D.I water에서 분산상태를 관찰하였다.
I water 표면에 존재하는 것으로 보인다. 이를 통하여 표면개질에 따른 BSTO 나노입자의 소수성화를 확인하였다.
154 nm)을 갖는 X-선 회절(X-ray diffractometer (XRD), Rigaku, Ultima IV)을 사용하여 나노입자 결정을 분석했다. 전계방사 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), JEOL, JSM 7001F)을 이용하여 나노입자를 확인했고, 소수화 정도를 확인하기 위해 카본테이프에 나노입자를 고르게 부착시켜 contact angle meter(SurfaceTech, Korea)을 통해 D.I water와의 접촉각을 측정하였다. 마지막으로 표면개질된 BSTO 나노입자를 D.
합성된 BSTO 나노입자의 표면개질을 위해 TMCS((CH₃)₃SiCl, special grade, 98.0%, Samchun, South Korea)를 사용하여 silylation을 진행하였다. Silylation은 용매인 n-hexane(95%, Duksan, South Korea)에 10, 30, 50 vol.
합성된 silylated BSTO 나노입자는 Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR, Perkin Elmer, USA)를 통해 화학결합을 관찰했으며, Cu-Kα 방사선(λ = 0.154 nm)을 갖는 X-선 회절(X-ray diffractometer (XRD), Rigaku, Ultima IV)을 사용하여 나노입자 결정을 분석했다.

대상 데이터

Ba0.6Sr0.4TiO3(BSTO) 나노입자는 Ba, Sr, Ti 각각의 전구체인 질산바륨(Ba(NO3)2, 99.999% trace metals basis, Sigma-Aldrich, USA), 질산스트론튬(Sr(NO3)2, 99.999% trace metals basis, Sigma-Aldrich, USA)과 티타늄부톡사이드(Ti(OCH2CH2CH2CH3)4, reagent grade, 97%, Sigma-Aldrich)와 촉매인 수산화나트륨(NaOH, reagent grade, ≥ 98%, pellets (anhydrous), Sigma-Aldrich)과 용매인 부탄올(99.5%, Duksan, South Korea), D.I water가 사용되어 LSS 합성법으로 합성되었다.

성능/효과

4^o로 증가했으며, 30 vol.% 이상의 샘플에서는 111.8^o, 121.0^o로 -CH₃, -Si기가 증가함에 따른 소수성이 증가하는 결과를 확인하였다.
본 연구는 저온에서 BSTO 나노입자를 합성하고 TMCS를 통해 표면개질을 진행하였다. TMCS 농도 증가에 따라 표면개질 정도가 증가함을 확인하였다. 표면 개질 농도 증가에 따라서 이차상 형성이 없고 나노입자 크기가 증가함을 관찰하였고 접촉각 분석을 통해 소수성화를 확인하였다.
I water 내에 침전이 없고 표면개질이 진행되어 소수성을 띄는 Si_BSTO 10, 30 나노입자는 가라앉음을 확인하였다. 또한, 높은 농도에서 표면개질이 진행된 Si_BSTO 50 샘플은 다른 샘플과 다르게 D.I water 내에 분산되지 않고 표면에 존재하는 상태를 확인하였는데 이는 silylation이 진행됨에 따라 나노입자의 분산정도가 증가되어 다른 표면개질이 진행된 입자보다 표면적이 커져 D.I water 표면에 존재하는 것으로 보인다. 이를 통하여 표면개질에 따른 BSTO 나노입자의 소수성화를 확인하였다.
모든 나노입자에서 BSTO 나노결정이 갖는 Ti-O octahedral(495 cm−1) 결합이 관찰되었다.
I water에서 분산상태를 관찰하였다. 분산 3분뒤의 샘플을 확인하여 표면개질이 되지 않은 BSTO는 친수성 특성 때문에 여전히 D.I water 내에 침전이 없고 표면개질이 진행되어 소수성을 띄는 Si_BSTO 10, 30 나노입자는 가라앉음을 확인하였다. 또한, 높은 농도에서 표면개질이 진행된 Si_BSTO 50 샘플은 다른 샘플과 다르게 D.
TMCS 농도 증가에 따라 표면개질 정도가 증가함을 확인하였다. 표면 개질 농도 증가에 따라서 이차상 형성이 없고 나노입자 크기가 증가함을 관찰하였고 접촉각 분석을 통해 소수성화를 확인하였다. D.
4는 FE-SEM을 통한 silylated BSTO 나노입자의 상태와 크기를 분석한 이미지이다. 표면개질이 진행됨에 따라 SEM 이미지 상에서 나타나는 나노입자 표면의 변화는 없었으며, SEM 이미지 상에서 BSTO 나노입자는 대략 100 nm 크기의 입자상태를 확인했다. 또한, SEM 이미지 상의 표면개질된 BSTO 나노입자의 크기는 Scherrer 식을 통해 계산된 나노입자 크기와 상이한 결과를 나타낸다.
3은 다양한 TMCS silylation agent 농도에 따른 BSTO 나노입자의 XRD 패턴을 나타낸다. 표면개질이 진행됨에 따라 peak shift나 intensity의 증가, 그리고 2차상이 관찰되지 않음을 확인하여 표면개질에 의한 결정화 정도의 변화가 없는 것을 확인하였다. 또한, XRD peak으로 확인된 (100), (110), (111), (200), (210), (211) 회절 피크에서 Scherrer 식을 이용하여 나노입자의 크기를 계산하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노입자란 무엇인가?	흔히 나노입자는 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자로, 일차원구조의 나노튜브, 나노와이어와 함께 나노기술의 핵심에 자리하고 있는 0 차원 구조 물질이다. 물질의 크기가 벌크에서 나노사이즈로 작아지게 되면서 전체 표면적이 증가하여 일반적으로 볼 수 없던 새로운 특성들이 나타나기 때문에 다양한 종류의 물질과 방법을 통해 나노입자의 특성을 조절하는 연구가 활발히 진행되어 왔다.
	liquid-solid-solution과 같은 여러 합성 방법들은 무엇에 따라 다른 특성을 가지는가?	6) 대부분의 산화물 나노입자는 hydrothermal 합성, sol-gel 합성, oxalate 합성, liquid-solid-solution 등의 많은 방법을 통해 합성된다.7-13) 각각의 합성법은 나노입자가 형성되는 방식에 따라 다른 특성을 갖고 있다. Hydrothermal 합성은 특수 제작된 챔버 내에 고압과 고온을 통해 나노입자를 형성하는 방법으로 압력과 온도를 조절하는데 어려움이 있는 합성법이다.
	나노입자로 연구되고 있는 것 중 가장 많이 연구되는 것은?	물질의 크기가 벌크에서 나노사이즈로 작아지게 되면서 전체 표면적이 증가하여 일반적으로 볼 수 없던 새로운 특성들이 나타나기 때문에 다양한 종류의 물질과 방법을 통해 나노입자의 특성을 조절하는 연구가 활발히 진행되어 왔다.1,2) 주로 ZrO2, ZnS, Nb2O3, PbO, BaTiO3, SrTiO3, Ba(1-x)SrxTiO3와 같은 물질들이 나노입자로 연구가 되고 있으며,3-5) 그 중에서도 적층세라믹콘덴서(MLCC), 나노압전소자 등의 영역에서 페로브스카이트 구조로 높은 유전상수를 갖는 Ba(1-x)SrxTiO3가 가장 많이 연구되고 있다.6) 대부분의 산화물 나노입자는 hydrothermal 합성, sol-gel 합성, oxalate 합성, liquid-solid-solution 등의 많은 방법을 통해 합성된다.

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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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