[논문]높은 유효 표면적을 갖는 3차원 TiO2 나노벽 유사구조의 성장

김미리; 김기출

doi:10.5762/kais.2021.22.4.413

높은 유효 표면적을 갖는 3차원 TiO2 나노벽 유사구조의 성장
Growth of 3D TiO2 Nano-wall-like Structure with High Effective Surface Area 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.4, 2021년, pp.413 - 418

김미리 (목원대학교 지능정보융합학과) , 김기출 (목원대학교 지능정보융합학과)

초록
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높은 유효 표면적을 갖는 나노소재는 고감도 가스센서와 바이오센서 및 높은 촉매효율을 구현하는 기능성 소재로 활용되고 있다. 본 연구에서는 Ti Sheet와 Urea를 이용하는 Chemical Bath Deposition(CBD) 공정으로 기판에 수직한 방향으로 성장하는, 높은 유효 표면적을 갖는 3차원 나노벽 유사구조의 Titanate Sheet를 합성하였다. CBD 공정에서 합성온도 및 합성시간 등을 조절하여 3차원 나노벽 유사구조의 최적 합성조건을 탐색하였다. 합성된 3차원 나노벽유사구조의 Ammonium Titanate를 공기 중에서의 열처리 공정을 통하여 다양한 용도로 활용되는 TiO2 3차원 나노벽유사구조로 변환시켰다. 연구결과 3차원 나노벽 유사구조의 Ammonium Titanate가 균일하게 성장되는 CBD 합성온도는 90 ℃이었고, 550 ℃ 이상에서 3시간 열처리하였을 경우, 3차원 나노벽 유사구조의 TiO2 상으로 변환되었다. 특히 700 ℃에서 열처리하였을 경우, Rutile 상이 우세한 TiO2 3차원 나노벽 유사구조를 얻을 수 있었다. 하지만 700 ℃의 열처리에서는 3차원 나노벽의 가장자리가 손상되는 현상이 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nano-materials with high effective surface areas have been applied to functional materials, such as high sensitive gas sensors and biosensors and high-efficiency catalytic materials. In this study, titanate sheets with a 3D nano-wall-like structure, high effective surface area, were synthesized vertically to the substrate by a chemical bath deposition (CBD) process using a Ti sheet and urea. The synthesis temperature and synthesis duration time were controlled to the optimal conditions of a 3D nano-wall-like structure in the CBD process. The synthesized ammonium titanate sheets with a 3D nano-wall-like structure were annealed in air to transform to TiO2 with a 3D nano-wall-like structure for various applications. As a result, the optimal temperature in the CBD process for the synthesis of a uniform ammonium titanate sheet with a 3D nano-wall-like structure was 90 ℃. TiO2 with a 3D nano-wall-like structure was obtained from the ammonium titanate sheet with a 3D nano-wall-like structure by annealing above 550 ℃ for three hours. In particular, TiO2 with a 3D nano-wall-like structure with a dominant rutile phase was obtained by post-annealing at 700 ℃. On the other hand, damage to the 3D nano-wall edge was observed after 700 ℃ post-annealing.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the 3D TiO₂ nano-wall-like structure grown by chemical bath deposition process
그림 Fig. 2. FE-SEM images of the 3D ammonium titanate nano-wall-like structures grown by CBD process on Ti sheet under various incubation temperature of a-b) 60 °C, c-d) 70 °C, e-f) 80 °C, g-h) 90 °C, i-j) 100 °C for 96 hrs. The magnification of FE-SEM images is 100,000 times. (Left column : top-side-view images, right column : 45° tilted-view images)
그림 Fig. 3. FE-SEM images of the 3D titanate nano-walllike structures grown by CBD process at 90 °C on Ti sheet for 96 hrs and various post annealing temperature of a-b) 450 °C, c-d) 500 °C, e-f) 550 °C, g-h) 600 °C, and i-j) 700 ºC for 3 hrs. The magnification of FE-SEM images is 100,000 times. (Left column : top-side-view images, right column : 45° tilted-view images)
그림 Fig. 4. XRD patterns of the 3D TiO₂ nano-wall-like structures grown by chemical bath deposition at 90 ºC on Ti sheet for 96 hrs and various annealing temperature of 450 °C, 500 °C, 550 °C, 600 °C, 700 °C for 3 hrs. Symbols of A, ▼ and R denote Anatase TiO₂(A), TiO_0.176(▼), Rutile TiO₂(R), respectively

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 분야에 적용이 가능한 3차원 TiO₂ 나노벽 유사구조를 저가의 CBD 공정으로 합성하였고, CBD 공정의 최적조건과 열처리 조건에 대하여 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 저가의 CBD 공정을 이용하여 3 차원이산화티타늄 나노벽 유사구조를 합성하였고, 합성 조건에 따른 형상학적 특성과 열처리 조건에 따른 결정학적 특성을 분석하여 제시하였다.

제안 방법

3차원 이산화티타늄 나노벽 유사 구조물의 성장에서 온도와 숙성시간의 효과를 조사하기 위하여, Fig. 1에 나타낸 것과 같이 CBD 공정을 사용하여 Ammonium Titanate 나노구조물을 합성하였다. 3차원 나노벽 유사 구조를 갖는 Ammonium Titanate의 성장은 Teflon-Lined Autoclave 안에서 이루어졌고, 원료물질은 Urea (JUNSEI, 순도 98.
Teflon Beaker 안에 Urea 5 g을 증류수 40 ml에 용해시킨 후 10 mm × 10 mm 크기의 Ti Sheet를 담그고 오븐 안에서 일정한 온도(60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃)로 CBD 공정을 12시간 ~ 156시간까지 다양한 조건으로 진행하였다. Ammonium Titanate가 성장된 후수 열처리 된 Ammonium Titanate Sheet를 증류수에 세척한 후, 3 시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리는 대기 중의 오븐에서 진행하였으며, 열처리 온도는 450 ℃, 500 ℃, 550 ℃, 600 ℃, 700 ℃이었다.
CBD 공정으로 90^oC에서 합성된 3D Ammonium Titanate 나노벽 유사구조와 450 ^oC, 500 ^oC, 550 ^oC, 600 ^oC, 700 ^oC에서 각각 열처리된 3차원 나노벽 유사 구조의 결정학적 특성을 분석하기 위하여 XRD 분석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 90 ^oC에서 CBD 공정으로 성장된 3차원 나노구조물의 경우, TiO0.
CBD 공정으로 다양한 온도와 숙성시간으로 성장된 Ammonium Titanate 나노구조물의 표면형상과 열처리 후의 표면형상을 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM, JEOL JSM- 6500F)으로 관찰하였고, 그 결과를 Fig. 2 와 Fig. 3에 나타내었다. 또한 열처리 전후의 나노 구조물의 결정학적 특성을 X선 회절실험(X-Ray Diffraction, XRD, ThermoFisher Scientific, K-Alpha+, Cu K-Alpha radiation)을 통하여 조사하였고, 그 결과를 Fig.
CBD 공정으로 성장된 3D Ammonium Titanate 나노벽유사구조를 다양한 기능성 소재로 활용할 수 있는 3D TiO₂ 나노벽 유사구조로 상변환 시키기 위하여 열처리 공정을 수행하였다. 90 ℃ 조건으로 성장된 Ammonium Titanate Sheet를 증류수에 세척한 후, 대기 중에서 3시간 동안 열처리 공정을 수행하였다.
25 mm)를 사용하였다. Teflon Beaker 안에 Urea 5 g을 증류수 40 ml에 용해시킨 후 10 mm × 10 mm 크기의 Ti Sheet를 담그고 오븐 안에서 일정한 온도(60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃)로 CBD 공정을 12시간 ~ 156시간까지 다양한 조건으로 진행하였다. Ammonium Titanate가 성장된 후수 열처리 된 Ammonium Titanate Sheet를 증류수에 세척한 후, 3 시간 동안 열처리를 수행하였다.
다양한 CBD 공정 조건으로 수열합성 된 Ammonium Titanate 나노구조물의 표면형상을 관찰하기 위하여 FE-SEM 분석을 수행하였다. 96시간동안 CBD 공정을 수행한 시편을 수열합성 온도 각각에 대하여 시편을 수직 방향으로 관찰한 Top-Side View(Fig.
3에 나타내었다. 또한 열처리 전후의 나노 구조물의 결정학적 특성을 X선 회절실험(X-Ray Diffraction, XRD, ThermoFisher Scientific, K-Alpha+, Cu K-Alpha radiation)을 통하여 조사하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
Ammonium Titanate가 성장된 후수 열처리 된 Ammonium Titanate Sheet를 증류수에 세척한 후, 3 시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리는 대기 중의 오븐에서 진행하였으며, 열처리 온도는 450 ℃, 500 ℃, 550 ℃, 600 ℃, 700 ℃이었다. 열처리 과정을 통하여 Ammonium Titanate 나노구조물은 TiO₂ 나노구조물로 상이 변환된다.

대상 데이터

1에 나타낸 것과 같이 CBD 공정을 사용하여 Ammonium Titanate 나노구조물을 합성하였다. 3차원 나노벽 유사 구조를 갖는 Ammonium Titanate의 성장은 Teflon-Lined Autoclave 안에서 이루어졌고, 원료물질은 Urea (JUNSEI, 순도 98.0%), Ti Sheet(ALDRICH, 순도 99.7%, 두께 0.25 mm)를 사용하였다. Teflon Beaker 안에 Urea 5 g을 증류수 40 ml에 용해시킨 후 10 mm × 10 mm 크기의 Ti Sheet를 담그고 오븐 안에서 일정한 온도(60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃)로 CBD 공정을 12시간 ~ 156시간까지 다양한 조건으로 진행하였다.
3차원 나노벽 유사구조의 수직 성장은 수용액에 Metal이 용해되는 양을 pH, 온도, 시간 등을 조절하여 원하는 나노벽 유사구조를 성장시킬 수 있는데, 본 연구에서는 Ti Metal과 Urea 수용액을 사용하였다. Ti Metal이 Urea 속의 암모늄 이온과 만나 용해되는 과정은 다음의 Eq.

데이터처리

이때 열처리 수행의 온도는 각각 450 ℃, 500 ℃, 550 ℃, 600 ℃, 700 ℃이었다. 열처리 공정에 따른 3차원 나노벽 유사구조의 변형여부를 확인하기 위하여 FE-SEM 분석을 수행하여, Fig. 3에 나타내었다.

성능/효과

12시간 숙성하였을 경우, 나노벽의 성장은 미미하였으며, 숙성시간이 증가할수록 Ammonium Titanate 나노벽이 더 크고 높게 성장되었다. 하지만 숙성시간 96시간 이후에는 Ammonium Titanate 나노벽의 성장양상이 거의 변하지 않았다.
있다. CBD 공정온도 60 ℃에서는 수직방향의 Ammonium Titanate 나노구조물이 약간 성장하였고, 온도가 증가할수록 Ammonium Titanate 나노벽 유사구조가 점차적으로 더 크고 높게 성장되었다. 특히 90 ℃에서 Ammonium Titanate 나노벽 유사구조가 균일하게 잘성장된 것을 확인할 수 있다.
둘째, 성장된 Ammonium Titanate 3차원 나노벽 유사 구조를 공기 중에서 열처리하여 3차원 나노벽 유사 구조의 TiO₂ 상으로 변환할 수 있었다. 열처리 온도가 550 ^oC인 경우, Anatase 상과 Rutile 상이 모두 관찰되었으며, 열처리 온도가 700^oC 경우에는 Rutile 상이 상대적으로 증가하는 것으로 판단된다.
셋째, 3차원 나노벽 유사구조는 열처리 온도에 따라표면형상이 영향을 받았다. 열처리 온도 550 ^oC이하에서는 영향이 거의 없었지만, 600^oC에서는 나노벽의 가장자리가 미미하게 손상되었고, 700^oC에서 열처리한 경우에는 나노벽 가장자리의 손상 영역이 증가하였다.
하지만 숙성시간 96시간 이후에는 Ammonium Titanate 나노벽의 성장양상이 거의 변하지 않았다. 이와 같은 성장양상을 보았을 때, 3D Ammonium Titanate 나노벽 유사구조가 균일하게 성장되는 CBD 공정조건은 90 ℃ (Fig 2. g-h)에서 96시간 CBD 공정을 수행하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다.
첫째, CBD 공정에서 3차원 나노벽 유사구조를 균일하게 성장시키는 온도는 90^oC이었다. CBD 공정온도가 낮을 경우에는 3차원 나노벽의 성장이 미미하였고, 100 ^oC 이상에서는 3차원 나노벽 유사구조가 성장되지 않았다.

후속연구

또한 리튬이온 이차전지의 충방전 과정 중에서부피변화가 흑연을 사용하는 상용 리튬이온 이차전지보다 2.5배정도 작기 때문에 수명 특성이 매우 우수한 리튬이온전지의 음극 소재로 적용될 수 있을 것이다.
이상에서 살펴본 것처럼 저가의 CBD 공정으로 합성된 3차원 TiO₂ 나노벽 유사구조는 높은 유효 표면적을갖고 있기 때문에 높은 효율의 광촉매에 응용될 수 있을것이다. 또한 리튬이온 이차전지의 충방전 과정 중에서부피변화가 흑연을 사용하는 상용 리튬이온 이차전지보다 2.

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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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