Graphene based Nanocomposites for Effective Visible Light-induced Photoelectrochemical and Photocatalytic Applications

Mohammad Ehtisham Khan 영남대학교 대학원 2017 국내박사

효과적인 가시광선 유도 광전기화학 및 광촉매 응용을 위한 그래핀 기반 나노복합체 모하마드에티샴칸 영남대학교 대학원 화학공학과 지도교수: 조무환 교수, 이진태 교수 초 록 최근 몇 년 동안 에너지 및 환경 관련 유해에 대한 떠오르는 위험성이 태양에너지 이용에 대한 광범위한 연구를 촉진했다. 염료는 다양한 분야에서 광범위하게 사용되지만 물에 배출되면 환경 오염의 원인이 될 수 있다. 또한 대부분의 염료는 독성, 발암성이 있고 유해하므로 인간 및 동물의 건강에 악영향을 미친다. 염료는 텍스타일, 플라스틱, 고무, 종이, 콘크리트 및 의학을 포함한 여러 산업분야에서 섬유산업을 주요 사용자로 사용하여 상당한 응용 분야를 갖는다. 비균질 광촉매 반응은 적절한 파장의 빛으로 조사된 반도체 촉매 (예 : WO3, CeO2, CdS 및 ZnS)를 사용하여 유기물의 불순물 및 오염 물질의 광물화를 위해 고도의 반응성 산소화학종 (예 : ˚OH, ˚-O2 및 H2O2)을 생성한다. 따라서, 개선된 광촉매 및 광전기 화학 성능을 갖는 그래핀 기반 나노복합체의 합성을 위한 용이하고 친환경적이며 환경 친화적인 전략을 개발하는데 상당한 관심과 중요성이 있다. 이 연구는 높은 전하 재조합 비율로 인하여 일사량의 5% 미만의 효과 밖에 가지지 않는 가시광선에서 순수 Au 및 Ag의 기능성을 증진시키기 위하여 금속 금 및 은 나노 입자 (Au 및 Ag NP)를 현저하게 환원시키는 전기화학적 활성 생물막 (EABs)을 사용하는 생물학적 기술 개발을 목표로 한다. 또한 그래핀 시트는 높은 전도성 기판 및 전하 재조합 속도를 감소 시키는데 도움이 되는 전자 포획 능력으로 사용된다. EAB를 사용하는 단순하고 환경 친화적인 접근법은 계면 활성제 또는 캡핑제를 사용하지 않고 금-그래핀 (Au-G) 및 은-그래핀 (Ag-G) 나노복합체를 합성하는 데 유용했으며 그 결과는 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 및 그래핀의 특이 전자 효과의 상승작용은 광촉매 및 전기화학 장치의 개발에 큰 도움이 된다. 나노 구조의 크기와 모양을 제어된 형태로 200 ˚C에서 템플리트가 없고 계면활성제가 없는 수열 공정을 사용하는 WO3 나노막대-그래핀 나노 구조의 제조가 수행되었다. 견고한 나노복합체 구조, 우수한 전도성, 넓은 표면적 및 우수한 유연성을 가진 WO3 나노막대-그래핀 나노 구조는 광 캐패시티브 (photocapacitive) 및 광촉매 염료 분해 응용과 같은 향상된 성능을 담당하는 것으로 보인다. 카드뮴 황화물 나노입자-그래핀 나노복합체 (CdS-Graphene)는 CdS 나노입자가 그래핀 시트 위에 고정/장식 된 간단한 방법으로 제조되었다. CdS-Graphene 나노복합체의 광촉매 및 광전기화학 성능이 크게 향상 된 것은 CdS 나노입자 및 그래핀 시트의 향상된 광 흡수 거동 및 높은 전기 전도성의 상승 효과에 기인한 것으로, 이는 재결합 속도를 감소시킴으로써 전하 분리를 촉진하고 광생성 된 전자-홀 쌍의 수명을 연장시킨다. 합성된 좁은 밴드갭 CdS-Graphene 나노복합체는 가시광선에 의한 광촉매 및 광전기화학 기반의 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있다. 최적화된 전자빔 조사 (60kGy 및 90kGy)는 광학 및 구조 특성에 의지하는 광전기화학적 성능을 위하여 따라 그래핀 나노 판의 결함 관련 기술에 사용된다. 제안된 방법은 향상된 광전기화학 성능을 위해 전자빔 조사를 사용하여 원래의 그래핀 나노 플레이트의 특성 (광학, 분광 및 광 전기 화학)을 미세 조정하는 신뢰할 수 있는 방법이다. 세륨 산화물 나노입자는 손쉬운 저비용 열수반응을 이용하여 그래핀 시트 위에 가공되고 성장되었다. 그러므로 Ce3+-이온, 표면 산소 결손 및 결함 유발 거동은 CeO2 나노입자와 그래핀 시트 사이의 빠른 전하 이동으로 인한 광생성 전자-정공 쌍의 재결합 억제에 기여한다. 이 발견은 CeO2-Graphene 나노 구조가 실제 응용에 사용될 수 있는 향상된 광촉매 및 광캐패시턴스 성능을 나타냄을 보여준다. 키워드: 그래핀 시트, 결함이 있는 그래핀, 금, 은, WO3, CdS, CeO2, 전기화학적 활성 생물막, 광촉매 분해, 광캐패시턴스, 광전기화학. 모하마드에티샴칸 2017 년 6 월 Graphene based Nanocomposites for Effective Visible Light-Induced Photoelectrochemical and Photocatalytic Applications Mohammad Ehtisham Khan Graduate School of Yeungnam University Major in Chemical Engineering Advisors: Prof. Moo Hwan Cho and Prof. Jintae Lee ABSTRACT In recent years, emergent alarms about energy and environment related harms have stimulated widespread research on solar energy utilization. Dyes are used widely in a range of fields, but their discharge into water can be a reason for environmental pollution. In addition, most of the dyes are toxic, carcinogenic and harmful, resulting in adverse impacts on human and animal health. Dyes find considerable applications in several industries, including textile, plastic, rubber, paper, concrete, and medicine with the textile industry as the main user. Heterogeneous photocatalysis involves the utilization of a semiconductor catalyst (such as, WO3, CeO2, CdS and ZnS,) irradiated with light of an appropriate wavelength to generate highly reactive transitory oxidative species (i.e. ˚OH, ˚O2-, and HO2) for the mineralization of organic impurities and pollutants. Accordingly, there has been considerable interest and significance in developing a facile, green and environment-friendly strategy for the synthesis of graphene based nanocomposites with improved photocatalytic and photoelectrochemical performance. This work aims towards biogenic developments of significant reduction of metal gold and silver nanoparticles (Au and Ag NPs) using electrochemically active biofilms (EABs), since the functionality for pure Au and Ag can be excited in visible light that only accounts for less than 5% of solar irradiance because of the high charge recombination rate, as well as graphene sheets is used as a highly conducting substrate and electron capture ability which was helpful to reduce the charge recombination rate. Simplistic and environmentally friendly approach using EABs was utilize for the synthesis of an Au–Graphene (Au–G) and Ag-Graphene (Ag-G) nanocomposites without the use of surfactants or any capping agents and further results shows the synergistic effects of the surface plasmonic resonance of metal NPs and the specific electronics effect of graphene holds great promise for the development of photocatalysts and electrochemical devices. The fabrication of WO3 nanorods-Graphene nanostructure using a template-free and surfactant-less hydrothermal process at 200 ˚C for controlled formation of size and shape of nanostructures. The robust nanocomposite structure, better conductivity, large surface area, and good flexibility of the WO3 nanorods–graphene nanostructure appears to be responsible for the enhanced performances such as, photocapacitive and photocatalytic dye degradation applications. The cadmium sulphide nanoparticles (CdS NPs) graphene nanocomposite (CdS-Graphene), prepared by a simple method, in which CdS NPs were decorated successfully onto graphene sheets. The significantly enhanced photocatalytic and photoelectrochemical performance of the CdS-Graphene nanocomposite was attributed to the synergistic effects of the enhanced light absorption behaviour and high electron conductivity of the CdS NPs and graphene sheets, which facilitates charge separation and lengthens the lifetime of photogenerated electron–hole pairs by reducing the recombination rate. The as-synthesized narrow band gap CdS-Graphene nanocomposite can be used for wide range of visible light-induced photocatalytic and photoelectrochemical based applications. The optimized electron beam irradiation (60 kGy and 90 kGy) approach for defects-related engineering of graphene nano-platelets for optical and structural properties dependent photoelectrochemical performances. Proposed method is a reliable way of fine-tuning the properties (optical, spectroscopic and photoelectrochemical) of pristine graphene nanoplatelets using electron beam irradiation for enhanced photoelectrochemical performance. The Cerium oxide nanoparticles (CeO2 NPs) were fabricated and grown on graphene sheets using a facile, low cost hydrothermal approach. Therefore, the Ce3+-ion, surface-oxygen-vacancies, and defects-induced behavior can be attributed to the suppression of the recombination of photo-generated electron–hole pairs due to the rapid charge transfer between the CeO2 NPs and graphene sheets. These findings displays the CeO2-Graphene nanostructures revealed enhanced photocatalytic and photocapacitive performance that could be used for real applications. Keywords: Graphene sheets, defected graphene, gold, silver, WO3, CdS, CeO2, electrochemically active biofilms, photocatalytic degradation, photocapacitance, photoelectrochemical. Mohammad Ehtisham Khan August 2017

직접액체연료전지를 위한 N-헤테로고리화합물 구조를 가진 액체유기수소운반체의 전기화학적 탈 수소화 연구

이한주 숭실대학교 대학원 2021 국내석사

최근 수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 수소의 효율적인 저장과 운송에도 많은 관심이 집중되고 있다. 수소의 저장 및 운송을 위한 방법 중 하나는 액체유기수소운반체(liquid organic hydrogen carrier, LOHC)를 이용하는 것이다. LOHC는 탄소-탄소 이중결합에 수소를 저장할 수 있는 액상 유기화합물로, LOHC를 사용하면 낮은 압력에서 액체 상태로 수소의 운송이 가능하다. 따라서 추가적인 시설을 건설할 필요 없이 기존 석유시설을 그대로 사용할 수 있어 안전, 저장 그리고 운송에 대한 효율성이 매우 높다. 하지만 LOHC에서 수소를 추출하는 과정(탈 수소화)에서 고온, 고압의 촉매반응이 필요해 에너지 및 공정 효율성이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 LOHC의 전기화학적 탈 수소화를 통해 이를 해결하고자 하였다. LOHC 후보물질과 촉매 물질은 전기화학적 실험을 통하여 스크리닝 하였고, N-헤테로고리화합물 구조인 piperidine을 가장 적합한 LOHC로, Pd을 가장 적합한 산화 촉매로 선정하였다. 여러 LOHC 후보 중, piperidine은 전기화학적으로 산화가 가장 용이하였으며, 특히 Pd 전극에서 가장 높은 전기화학적 산화 전류를 나타내었다. 이후 푸리에 변환 적외선 분광법을 이용한 piperidine의 전기화학적 산화 생성물 분석을 하였으며, C-H, C-N 결합과 관련한 흡수 피크의 감소와 C=C, C=N 그리고 aromatic C-H 결합 관련 흡수 피크의 증가를 확인하였다. 이를 통해 piperidine의 전기화학적 산화 반응이 탈 수소화 반응임을 확인하였다. 또한 핵자기 공명 분광법을 통해 산화생성물의 구조가 2,3,4,5-tetrahydropyridine, 1,1’-bipiperidine임을 확인하였다. 특히 Pd 촉매를 사용하면 1,1’-bipiperidine이 더 우세하게 형성됨을 관찰함으로써 piperidine의 전기화학적 산화 경로가 촉매 물질에 의존하는 것을 확인하였다. Recently, as interest in hydrogen energy has increased, a lot of attention has also been paid to efficient hydrogen storage and transport. One of the ways to store and transport hydrogen is to use a liquid organic hydrogen carrier (LOHC). A LOHC is a liquid organic compound that stores hydrogen in C=C bonds, being capable of carrying hydrogen in a liquid state at low pressure. Therefore, as LOHCs can be used in conjunction with th existing proven petroleum facilities, the efficiency and safety of storage and transportation of LOHCs is high. However, the process of extracting hydrogen from a LOHC (dehydrogenation) requires high-temperature and high-pressure catalytic reaction, which results in poor energy and process efficiency. In this study, we tried to solve this problem through electrochemical dehydrogenation of LOHC. To realize this, LOHC and catalyst material candidates were screened through electrochemical experiments. As a result, piperidine, a N-heterocyclic structured compound, and Pd were selected as the most suitable LOHC and catalyst material, respectively. Of the several LOHC candidates, piperidine was most active for electrochemical oxidation and exhibited the highest electrochemical oxidation current at th Pd electrode. The electrochemical oxidation product of piperidine was characterized using Fourier transform infrared spectroscopy. It was observed that the intensity of absorption peaks associated with C-H and C-N bonds decreased, while the peak intensity of C=C, C=N, and aromatic C-H bonds increased. These results confirmed that the electrochemical oxidation reaction of piperidine was a dehydrogenation reaction. In addition, through proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, the oxidation products of piperidine were found to be 2,3,4,5-tetrahydropyridine, and 1,1'-bipiperidine. Especially 1,1'-bipiperidine was mainly formed when the Pd catalyst was used, which indicates that the electrochemical oxidation reaction pathway of piperidine depends on catalyst material.

액체유기수소운반체인 아제페인을 연료로 사용하는 직접액체연료전지 연구

서원철 숭실대학교 대학원 2021 국내석사

최근 차세대 에너지 운반체로서 많은 관심을 받고 있는 수소는 부피당 에너지밀도가 낮아 효율적인 저장 및 운송이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하려는 방법 중 하나로, 액체상태의 유기화합물에 수소 원자를 화학적으로 결합하여 수소를 저장하는 방식이 활발히 연구되고 있으며, 이러한 유기화합물을 액체유기수소운반체 (Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)라 한다. LOHC는 낮은 온도와 압력에서 액체상태로 수소를 저장할 수 있어 기존 석유화학 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 때문에 기존 화석연료 기반의 내연기관과 유사한 방식으로, LOHC를 수소 연료전지와 연계하기 위해서는 LOHC에서 수소를 추출하는 탈수소화 공정이 별도로 필요하며, 이는 시스템의 에너지와 비용 효율성을 저하시킨다. 이에 본 연구는 수소가 아닌 LOHC를 연료로 사용하는 직접액체연료전지를 개발해 이를 해결하고자 하였다. LOHC를 연료로 사용한 직접액체연료전지는 산화극에서 직접 LOHC의 전기화학적 탈수소화 반응을 유도하는 시스템으로서 별도의 LOHC 탈수소화 공정을 요구하지 않는다. 본 연구에서는 원활한 전기화학적 탈수소화 반응을 유도하기에 적절한 LOHC로 질소 원자가 탄소 고리에 포함된 유기화합물인 Azepane을 선정하였고, 이 물질의 전기화학 및 생성물 분석을 통해 Azepane이 전기화학적으로 탈수소화가 가능한 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, Azepane을 직접연료로, 산화극과 환원극에 Pt/C 촉매를 적용하여 직접액체연료전지를 설계 및 제작하였다. 제작한 연료전지는 성공적으로 구동되었으며, 70 °C에서 0.994 V의 높은 개방회로전압과 13 mW/cm2의 최대전력밀도를 나타내었다. 본 연구결과는 LOHC를 연료로 사용하는 직접액체연료전지의 첫 개발 사례이다. Hydrogen has recently received attention as a next generation energy carrier. However, hydrogen has a problem which is difficult to store and transport efficiently due to its low volumetric energy density. To solve this problem, liquid organic hydrogen carrier (LOHC), a method to store hydrogen by chemically bonding hydrogen atoms to a liquid organic compound, has been actively studied. LOHC has the advantage to store hydrogen in a liquid phase at low temperature and pressure, which allows to use the existing petrochemical infrastructure without additional investment. Thus, like the existing fossil fuel-based internal combustion engine, utilizing LOHC with the hydrogen fuel cell requires an additional dehydrogenation process to extract hydrogen from LOHC which degrades the energy and cost efficiency of the system. Therefore, we attempt to solve this problem by developing a direct liquid fuel cell using LOHC as fuel. Direct liquid fuel cell using LOHC as fuel does not require additional dehydrogenation process. Instead, it directly induces LOHC's electrochemical dehydrogenation from the anode. In this study, azepane, an organic compound containing a nitrogen atom in a carbon ring, was selected as a suitable LOHC for inducing the electrochemical dehydrogenation, and it was confirmed that azepane can be electrochemically dehydrogenated through product analysis. Based on this, a direct liquid fuel cell was designed and manufactured directly by applying azepane as a fuel and Pt/C catalyst to anode and cathode. The direct liquid fuel cell was successfully operated, and showed a high open circuit voltage of 0.994 V and a maximum power density of 13 mW/cm2 at 70 °C. The results of this study are the first case of the development of direct liquid fuel cell using LOHC as fuel.

二酸化炭素의 化學吸收擧動에 대한 硏究

최병식 釜山大學校 2008 국내박사

기-액간 반응을 수반한 물질전달에서 기체를 흡수하는 흡수액의 수력학적 거동은 흡수속도에 영향을 미치기 때문에 기체흡수 메커니즘 해석에 이들의 특성을 고려해야 한다. 또한 기-액간 불균일계 반응에서 기상에서 액상으로 전달되는 CO2와 같은 경우, 용질의 확산속도가 반응속도에 영향을 미치기 때문에 이들 용질의 확산현상이 결부된 반응메커니즘 해석이 필요하다. 본 연구는 반응물이 용해된 액체에 흡수된 CO2의 화학흡수속도를 측정하여 (i) 점탄성 Xanthan gum(XG) 수용액에서 MEA와 CO2의 화학흡수, (ii) 이온성액체2-hydroxyethyl- ammonium lactate(HEL)와 CO2의 화학흡수, (iii) 이온성 액체 1,1,3,3-tetramethylguanidinium trifluoroacetate(TMGA) 촉매에 의한 CO2와 glycidyl methacrylate (GMA)의 화학흡수 등 크게 3가지의 반응을 수반한 물질전달 메커니즘을 해석하여 흡수액의 특성과 용질의 확산현상이 흡수속도와 반응 메커니즘에 미치는 영향에 대해 다음과 같이 고찰하였다. 1. 반응물 MEA가 포함된 XG 수용액에 CO2가 흡수될 때, 경막설에 준해 CO2의 흡수메커니즘을 해석하였으며, XG의 농도가 증가함에 따라 물질전달계수는 감소하는 경향을 보였으나 이는 뉴튼유체의 점도증가만을 고려한 액체보다 높은 값을 가짐을 알 수 있었고, 이를 점탄성을 나타내는 De를 관계식에 결부시켜 해석하였다. 이러한 결과는 XG 수용액의 탄성특성에 기인한 것으로 판단되며 CO2와 MEA의 화학반응에서도 촉진계수 β를 증가시키는 요인으로 작용한다는 것을 알 수 있었다. 2. 기-액간 불균일계에서 용질의 확산효과가 반응메커니즘에 미치는 영향을 알아보기 위해 HEL과 CO2, 그리고 TMGA촉매에 의한 CO2와 GMA의 화학흡수 실험을 통해 CO2의 반응속도론을 고찰해 보았다. 각각의 연구에서 CO2와 반응물간의 반응메커니즘을 규명하기 위해 경막설에 준한 흡수해석을 행하였으며, 준 1차 반응속도상수의 해석으로부터 단일단계 반응속도상수를 도출하였다. 본 연구를 통해 기-액간 불균일계 반응에서 액상에 존재하는 CO2의 농도구배는 균일하지 않음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 용질의 확산속도가 반응속도에 영향을 미치기 때문에 이들 용질의 확산현상이 결부된 반응메커니즘 해석이 필요함을 확인할 수 있었다. 각각의 반응온도에 대한 반응속도상수와의 관계를 Arrhenius 플롯의 관계직선으로부터 단일단계반응의 활성화에너지와 반응열을 산출하였으며, 사용된 용제의 물성에 따른 반응속도상수의 관계를 용해도 매개변수를 사용하여 나타내었다. To investigate the effect of the rheological behavior of non-Newtonian liquid on the gas absorption, Xanthan gum(XG) was used as a viscoelastic material in this study. The absorption rates of CO2 were measured in aqueous XG solution containing monoethanolamine(MEA) and they were compared with those estimated by the mass transfer with chemical reaction based on the film theory. The aqueous XG solution was an elastic non-Newtonian liquid, and kLa was correlated with an empirical formula having the rheological behavior of XG solution such as Deborah number as follow: The chemical absorption rate was estimated from the mass balance accompanied by chemical reaction based on the film theory using the value of kLa, and increase of kLa by the elastic properties of the aqueous XG solution causes increase of chemical absorption rate of CO2 at a given MEA concentration. The effect of the 2-hydroxy ethylammonium lactate(HEL) ionic liquid on the absorption rates of CO2 in non-aqueous solutions such as N,N- dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidinone, dimethyl sulfoxide, and N,N-dimethylformamide, using the film theory accompanied by the zwitterion mechanisms of the reaction between CO2 and 2-hydroxy ethylammonium lactate was experiment. Absorption data of CO2 were used to obtain pseudo-first-order reaction rate constant, from which the elementary reaction rate constants were evaluated. It was found that the dependence of the logarithms of the reaction constants on the solubility parameter of the solvent was close to linear. Lastly, the reaction was performed using ionic liquid catalyst such as 1, 1, 3, 3-tetramethylguanidinum trifluoroacetate(TMGA) to obtain the reaction rate constants as a combined form by measuring the absorption rate of CO2. We prepared TMGA and determined the reaction rate constants using the measured initial absorption rate of CO2 and the mass transfer mechanism of CO2 accompanied by chemical reactions based on the film theory. Effect of solvents such as toluene, N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP), and dimethyl sulfoxide(DMSO) on the catalytic activities was observed. Solubility parameter of solvent influenced on the reaction rate constants. The heat of reaction between GMA and TMGA and the activation energy of the irreversible reaction of CO2 could be obtained.

액상환원공정 및 자발적 치환반응에 의해 제작된 망간계 슈퍼커패시터 소재의 성능 안정화에 대한 연구

신명식 성균관대학원 일반대학원 2014 국내석사

초고용량 커패시터는 전기화학 커패시터는 electrical double layer capacitors (EDLCs) 와 pseudo-capacitors 로 크게 두 종류로 나눌 수 있으며 고출력 전기에너지 저장장치로 리튬이차전지와 함께, 기존의 콘덴서와 이차전지가 수용하지 못하는 각각의 에너지, 출력 특성 영역을 채울 수 있는 고출력 에너지 저장 장치이다. 고속 충전/방전 특성의 전기에너지 저장 장치로 이차전지와 비교시 고출력, 장수명 특성을 가지고 있으며, 초고용량 커패시터 산업은 부품·소재 원천기술과 셀 제조 공정이 융합된 산업으로서 전기에너지 품질, 활용/저장 효율 향상을 유발하는 저탄소 녹색에너지 산업이다. 의사커패시터는 슈퍼커패시터의 전극으로 현재까지 가장 많은 연구의 대상이 되었던 루테늄은 높은 비용량값을 가지는 전이금속산화물이지만 가격이 매우 비싸며 상업적 적용에 어려움이 따른다. 따라서 저가의 전극물질로 바꾸는 다양한 시도가 요구되어져 왔다. 대표적인 물질로는 철, 바나듐, 코발트, 망간, 니켈 등의 금속 산화물을 들 수 있다. 이중 망간은 자원이 풍부하고 루테늄 및 니켈, 코발트에 비해 비교적 저가의 소재이며 친환경적인 장점을 가지고 있고 비교적 큰 용량을 보이지만 기계적 강도가 약해 충·방전 반복수명이 다른 전극소재에 비해 길지 못한 단점이 있다. 또한 이산화망간은 입자접촉에 의해 형성된 접촉저항의 증가로 출력밀도를 저하시키므로 고출력이 요구되는 조건에서는 사용이 제한된다. 이러한 문제점을 개선하고 망간의 기계적 강도를 높이기 위해 니켈 및 코발트의 alloy 및 코어-쉘 형태의 소재에 대한 요구가 높아지고 있다. 금속 나노 분말의 제조 방법에는 크게 고상, 습식, 기상 법으로 구분되는데 본 연구에서는 고비용, 고진공의 장치를 이용하지 않는 다음의 두 가지 습식공정을 이용하여 망간 분말을 제조하였다. 망간분말은 환원제와 분산제를 이용한 액상환원공정에 의해 입자형 및 판상형의 분말을 제조하였고, 니켈 및 코발트 반응을 시켜 alloy을 형성하였다. 또한 두 가지 물질의 alloy 뿐 아니라 니켈과 코발트를 동시에 반응시켜 3개의 성분의 alloy의 제작하였다. 그 외의 다양한 구조의 망간 분말은 환원력이 강한 알루미늄 호일과 금속간의 환원력 차이에 의한 자발적 치환 반응을 이용하여 형성하였다. 제작된 망간에 전처리 과정을 포함한 니켈 무전해 도금을 진행해 Mn-Ni core-shell 구조의 분말을 제작하였다. 이렇게 제작된 여러 망간계열분말을 슈퍼커패시터 전극으로 이용하였고, 커패시터의 성능을 알아보기 위한 Cyclic voltameter 실험은 Electrochemical Work Station(ZahnerⓇR Elektric IM6ex, Germany)을 사용하였으며 Field Emission-Scanning Electron Microscope(FE-SEM, JSM-7000F, JEOL, Japan)와 이에 내장되어있는 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS, Oxford)로 망간의 구조를 관찰하였고, X-ray Diffraction (XRD, D8 ADVANCE, Bruker, Germany), ICP-Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES, OPTIMA 4300 DV, PerkinElmer, USA), X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS, Shimadzu, Japan) 를 통해 정성 분석을 진행하였다. 또한 의사 커패시터의 용량 및 안전성 테스트는 WPG100(Wonatech, Korea) 을 이용하여 측정하였다.

화학 공정 설계 및 최적화, 열병합 방법 연구 : Gas-to-Liquid 공정, S-I Cycle 열화학 수소 생산, 이산화탄소 분리 공정, 특수 분리 공정

신재선 동국대학교 2018 국내박사

화학 물질(chemical product)은 현대 생활에 필수적이며, 질소, 산소, 염소, 황산, ethylene과 같이 대량으로 생산되는 bulk chemicals와 chloropropylene oxide(에폭시 수지, 이온 교환 수지 및 기타 제품 제조에 사용), dimethyl formamide(의약품의 반응 중간체), n-butyl acid(음료 및 향료, 향수 등 사용), 그리고 barium titanate powder(축전기 제조에 사용)와 같이 소량으로 생산되는 fine chemicals, 의약품, 살충제, 염료, 향수 및 향료와 같은 화학적인 구성보다는 효과 및 기능을 이유로 생산되는 functional chemicals 등 다양한 형태로 우리 생활의 거의 모든 측면에서 포함되어 있다. 화학 공정(chemical process)은 위와 같은 화학 물질들을 화학적 변형(reaction) 및 물질 분리를 통하여 대규모로 제조하여 새로운 물질적 이익을 창출하는데 목적이 있으며, 고분자, 의약품, 식품, 음료수 등의 생산 시설과 발전소, 정유소, 기타 정제 시설, 천연가스 처리 및 생화학 플랜트, 수질 및 폐수 처리, 오염 제어 등 다양하다. 화학 공학을 이용한 화학 공정의 설계 및 응용 기술 분야의 기본 과제는 자연의 현상들을 몇 가지 수학적인 잣대를 빌어 이들을 사람들의 언어로 모델화 하고 인간의 실생활에 접목하고자 하는 분야라 할 수 있다. 화공 엔지니어가 하고자 하는 일의 한 형태는 혼합물을 원료로 사용하여 다른 형태의 혼합물이나 특정 선분의 순도가 높은 물질로 변형함으로써 인류의 생활을 윤택하게 하는 다양한 제품을 생산하고 그것으로부터 일정 수준의 이윤을 추구하는 일이다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 4차 특별 보고서에 따르면 최근 10년간의 전 세계 평균 온도는 약 14.5로서 이는 100년 전 보다 1 가량 상승 하였으며, 지난 50 년간 전 세계의 평균 온도는 급격하게 상승 중이다. 국립 기상 연구소에서 발표한 자료에 의하면 지구 온난화의 영향으로 따뜻한 낮과 밤의 수가 지구의 평균 온도 상승 속도에 비해 급격하게 증가하고 있음을 알 수 있다. 특히 우리나라의 경우 연 평균 기온이 지난 100 년간 약 1.5이상 상승하였고 최근 몇 년간 겨울철 지속기간이 약 한 달간 단축 되었으며 여름철 집중호우와 비정상적인 고온현상이 반복되는 등 지구 온난화에 따른 부정적인 영향이 심각하게 드러나고 있다. 이러한 이상 기온 현상의 근본적인 원인은 온실효과를 부추기는 이산화탄소의 대량 방출이며, 이는 과도한 화석 에너지 사용에 의한 결과임은 널리 알려진 사실이다. 에너지경제 연구원이 발표한 에너지 통계에 의하면 2008년의 우리나라의 연간 1차 에너지 소비량의 86.0%가 석탄, 석유 및 천연가스로 조사되었다. 이는 에너지 생산시 온실효과를 부추기는 이산화탄소 배출량이 상당할 뿐만 아니라 화석연료에 대한 에너지 의존도가 높은 만큼 국가 경제가 국제 유가 변동에 큰 영향을 받음을 뜻한다. 그러므로 유가 파동에 의해 국가 경제가 혼란에 빠지는 것을 막고 지구 온난화에 의한 재난으로부터 국민을 보호하기 위한 대체 에너지 개발 및 상용화는 시급해 보인다. 이러한 관점에서 BTL, CTL, GTL 공정의 중요성이 높아지고 있으며, FT(Fischer-Tropsch) 반응은 합성가스(CO+H2)에서 액체 연료로 활용 가능한 탄화수소 화합물을 제조할 수 있는 반응으로서 이들 공정에서 중요한 역할을 차지한다. 셰일 가스(Shale Gas)는 이미 북미를 중심으로 상업적 생산이 이루어지는 대표적인 비전통 자원으로 근래의 석유 가격의 지속적인 상승에도 불구하고, 천연가스 가격의 안정을 주도한 가장 핵심적인 요인으로 알려져 있다. 셰일 가스는 비 전통가스 중에서 가장 주목을 받고 있는 신(New) 가스자원으로 부존량이 많고, 상대적으로 상업적 생산을 위한 기술력이 가장 많이 요구되고 있다. 원유가격이 고가격대인 지금의 상황에서는 천연가스와 액화연료의 발열량 기준 가격의 차이가 확대되고 있다. 따라서, 저렴한 천연가스를 원료로 하여 GTL 기술에 의해 부가가치 높은 액화 연료로 전환하려는 움직임이 가속되고 있다. 태양열, 지열, 파력, 풍력에 의한 발전 에너지는 친환경적이라는 측면에서 대체 에너지로서 매우 우수한 장점이 있으나 이러한 방법들은 효율이 낮거나 저장 및 이송 등의 상용화의 측면에서 한계점을 지니고 있다. 반면, 수소에너지는 연소시 높은 에너지를 발생하면서도 연소 생성물이 친환경적이므로 미래의 대체 에너지로서 가장 적합한 조건을 갖추고 있다. 더욱이 수소에너지는 에너지 생산에 필요한 공급원을 안정적으로 확보할 수 있는 장점 외에도 저장 기술이 충분히 뒷받침 된다면 다른 신재생 에너지에 비해 활용도가 높다는 장점이 있다. 수소는 단위 무게당 포함된 화학에너지가 가장 큰 연료로써 사용 시 물만 발생하고 다른 공해 물질이 전혀 없으며 원재료인 물은 자연에 풍부하게 존재하고 사용 후 다시 물로 복귀하므로 무한․청정에너지라 할 수 있다 수소 생산을 위한 열화학 공정은 1960년대 초에 “Energy Depot”이라는 프로젝트로부터 시작되었다. 이 프로젝트는 지구상에 존재하는 공기, 물로부터 연료를 생산하는 목적으로 진행 되었으며 연료 후보로는 수소, 암모니아, Hydrazine이 포함되어 있었다. 열원으로는 고온의 이동식 원자로를 개념적으로 사용하는 것을 가정하였다. 비교 공정으로 물의 수전해를 기준으로 삼았으며 열효율을 24%로 가정하였다. 이후 열화학 사이클에 의한 물 분해 연구가 본격적으로 진행되었다. 특히 1967년 Ispra에서 International Round Table on Direct Production of hydrogen with Nuclear Heat이 열리면서 여러 열화학 Cycle에 의한 수소생산에 대한 이론적 고찰이 시작되었다 GTL이나 S-I Cycle 같은 화학 공정에서 활용되는 다양한 가스 혼합물들은 수증기 및 이산화 탄소 등을 포함하고 있다. 이러한 물질들은 파이프 및 반응기와 같은 장치에서 Freezing 등의 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 반드시 제거해 주어야 한다. 산성가스를 제거하는 방법은 크게 용매 흡수법, 흡착법, 심냉 분리법, 막 분리법, 혼성 분리법으로 나눌 수 있다. 일반적으로 대용량의 가스를 처리하는 방법으로는 용매 흡수법이 용이하다. 용매 흡수법은 대상가스를 흡수제와 접촉시킴으로써 용해되거나 물리적, 화학적으로 반응하는 성질을 이용하여 분리하는 기술로서 신뢰성이 높고 가장 널리 상업화 되어 있는 공정이다. 용매 흡수법을 이용하여 이산화탄소를 제거할 경우 흡수탑을 사용하기 때문에 이산화탄소를 흡수하는 탑 하부에서 물이 함께 제거되게 된다. 따라서, 이후의 수분 제거 공정을 따로 설치할 필요가 없어 경제적인 효과를 함께 얻을 수 있으며, 대부분의 흡수제는 물과 함께 혼합되어 사용되기 때문에 별도의 공정을 추가하지 않고 기존의 공정을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 액상 혼합물은 혼합물간의 상대휘발도 차이를 이용하는 일반적인 증류 공정을 이용하여 분리할 수 있다 [9]. 그러나, 증류 공정에서 분리하고자 하는 혼합물의 끓는점이 비슷하거나, 공비점을 형성하는 공비혼합물의 경우 일반적인 증류탑을 이용한 증류로는 각각의 물질을 고순도로 분리하는 것이 불가능하다. 이러한 경우 일반적인 증류공정 대신 특수 분리 증류공정을 이용할 수 있다. 특수 분리 증류공정에는 공비증류, 추출증류, 압력변환 증류 등이 있다 본 논문에서는 화학 반응 속도론 및 상평형을 이용한 물성 및 모델링을 기본으로 공정 설계 및 공정 운영에 대한 기술 개발을 수행하여 이를 바탕으로 천연 가스를 이용한 합성석유 제조 공정인 Gas-to-Liquid 공정과 열화학 수소 제조 공정 중 하나인 SI-Cycle 열화학 수소 생산 공정에 대한 공정 설계 및 최적화 연구를 수행하였다. 각 공정을 구성하는 반응 및 분리 공정에 대하여 다양한 공정을 적용하여 Case Study를 진행하고 가장 적합한 단위 공정을 선정, 공정 합성을 통하여 통합 공정에 대한 설계 및 최적화를 수행하였다. In recent years, due to difficulties in industrial applications and process technology to produce high value-added products, optimization in process design and process operation technology is essential task. As a result, the development in optimization process is very fast for the design of chemical processes. The purity, yield, energy savings and optimization are the vital variables to optimize to make the processes economically feasible. The current study analyzes the energy savings and process design conditions for the GTL, SI cycle process, Carbon dioxide Separation and Special Distillation processes.

에센셜오일의 구성 성분이 뇌파와 감성에 미치는 영향

장윤정 숭실대학교 대학원 2018 국내박사

TBTDET 전구체와 다양한 반응기체를 이용한 탄탈륨 탄화질화막 (TaCxNy) 박막의 화학기상증착공정 연구 : Chemical vapor deposition of tantalum carbo-nitride (TaCxNy) thin film using tert-butylimido tris-diethylamido tantalum and various reactive gases

김석훈 포항공과대학교 대학원 2010 국내박사

반도체 소자의 크기가 감소함에 따라 게이트 절연막에서 누설 전류 등의 문제가 발생하였고, 이를 해결하기 위해서 기존 실리콘 산화막(SiO2)을 고유전율 절연막(high-k gate dielectric)으로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 또한, 게이트 전극에서도 궁핍(depletion) 현상에 따른 산화막 두께의 증가, 도핑에 따른 붕소 원자의 산화막 내 침투(B penetration), 고유전율 절연막과의 열적 안정성 등의 문제가 발생하였고, 이를 해결하기 위해서 기존에 사용하는 폴리실리콘(poly Si) 전극을 새로운 금속 전극으로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 금속 전극물질은 우수한 열적 안정성, 낮은 비저항, 반도체 소자에서 요구하는 일함수 등 다양한 물성이 요구된다. 그러나, 대부분의 금속 전극물질은 위의 다양한 물성을 충족시키지 못하고 있다. 여러 후보 물질 중에서 TaN 박막은 열적 안정성이 우수하고, 낮은 비저항 값을 가지고 있어 차세대 게이트 전극물질로 주목받고 있다. TaN 박막은 4.5~4.6eV정도의 일함수 값으로 보고되고 있으며, 이를 반도체 소자에서 요구하는 일함수 값으로 조절하기 위해서 박막 내 란탄계 원소 등을 함입시키거나 금속탄화 결합(TaC, graphite) 을 형성시키는 방법이 연구되고 있다. 이들 공정 중에서 TaN 박막 내 금속탄화 결합을 형성시키는 공정이 란탄계 원소를 함입시키는 공정보다 용이하기 때문에 본 연구에서는 TaCxNy 박막 내 조성에 따른 박막의 물성 및 박막증착공정에 대해서 평가하였다. 박막증착공정으로 높은 증착속도를 가지는 화학기상증착공정(CVD, Chemical vapor deposition)을 수행하였다. Ta 전구체로 가장 많이 사용하고 있는 tert-butylimido tris-diethylamido tantalum(TBTDET) 전구체와 다양한 반응기체(Ar, H2, NH3, C2H4)를 이용하여 TaCxNy 박막을 증착하고, 증착온도에 따른 TaCxNy 박막의 조성, 화학결합, 비저항, 일함수 등의 변화를 확인하였으며, TBTDET 전구체의 열분해 거동 및 화학기상증착공정에서 일어나는 화학반응을 실시간 진단공정을 개발하여 평가하였다. 380˚C 이하에서 증착온도가 증가함에 따라 TaCxNy 박막의 증착속도는 약 10Å/min까지 증가하였다. 이와 같이 증착속도가 증가하는 이유는 표면에서의 반응속도가 증가하기 때문이다. 표면에서 TBTDET 전구체가 분해되는 활성화에너지 (activation energy)가 약 56.8kcal/mol로 나타났다. 380˚C 이상에서 TaCxNy 박막의 증착속도는 증착온도에 관계없이 거의 일정한 속도를 나타내었다. 이 같은 현상은 물질전달속도가 표면반응속도보다 느리기 때문에 나타난다. 즉, TBTDET 전구체의 물질전달속도에 따라 박막의 증착속도가 결정된다. TBTDET 전구체의 물질전달속도는 주입되는 전구체의 속도에 따라 결정되고, 주입되는 전구체의 속도는 버블러(bubbler)의 온도에 의해 결정된다. 위 공정에서 얻은 증착속도는 유사한 조건의 원자층 기상증착공정(ALD, Atomic layer deposition) 에 비해서 10여 배 이상 빠른 속도이다. 화학기상증착공정으로 증착한 TaCxNy 박막은 TaC, graphite, TaN, Ta3N5, Ta2O5 같은 여러 화학결합상으로 이루어져 있다. 이들 화학결합상의 비율은 증착온도에 영향을 받았다. 증착온도가 증가함에 따라 TaCxNy 박막 내 존재하는 TaN 상은 증가하였으나 Ta3N5 상은 감소하였다. 이 같은 현상은 TaN 상이 Ta3N5 상보다 고온에서 열역학적으로 선호되는 상이기 때문이다. 또한, TaC, graphite, Ta2O5 상들은 증착온도가 증가할수록 감소하였다. 특히, Ta2O5 상은 TaCxNy 박막이 증착된 후 공기 중에서 유입되는 산소에 의해서 형성되는 결합으로 보고되고 있으며, 증착온도가 증가할수록 TaCxNy 박막의 밀도가 증가하여 공기 중 산소 유입이 억제되기 때문에 감소하였다. 600˚C에서 증착한 TaCxNy 박막은 TaN 상의 비율이 매우 높게 나타났으며, 이로 인하여 TaCxNy 박막의 결정성이 TaN 상의 (111) 또는 (200) 방향으로 나타난다. 위의 결과들로부터 증착온도가 TaCxNy 박막의 물성 및 증착속도에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 증착온도에 따라 TaCxNy 박막의 비저항 및 일함수도 영향을 받는다. 증착온도가 증가함에 따라 TaCxNy 박막의 비저항이 3.6×103 μΩ•cm까지 감소하였다. 이 같은 현상은 TaCxNy 박막 내 전도성 결합인 TaN 상이 증가하고, 절연성 결합인 Ta3N5 상과 Ta2O5 상이 감소하였기 때문이다. 또한, TaCxNy 박막의 일함수는 4.25~4.50eV 사이로 변화하였다. 4.5~4.6eV의 일함수를 가지는 TaN 상이 많은 TaCxNy 박막에 약 4.3eV의 일함수를 가지는 TaC 상이 유입될수록 TaCxNy 박막의 일함수를 감소하였다. 이와 같은 전기적 특성의 변화는 TaCxNy 박막 내 화학결합 비율이 영향을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 즉, TaCxNy 박막의 비저항 및 일함수 값은 박막 내 존재하는 탄화물상과 질화물상에 따라 조절할 수 있었다. 앞에서 연구한 화학기상증착공정은 TBTDET 전구체의 열적 거동에 따라 나타나는 것이다. 이에 화학기상증착공정에서 일어나는 화학반응을 실시간 진단장비를 이용하여 평가하였다. FT-IR을 이용하여 기상과 표면에서 온도에 따라 일어나는 TBTDET 전구체의 화학반응을 관찰하였으며, 화학반응에 의해서 생성되는 부산물 등에 대해서 잔류기체분석으로 확인할 수 있었다. 350˚C부터 표면에 흡착된 TBTDET 전구 During the last few decades, poly silicon has been widely used as a gate electrode in the metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) applications. In the sub-50 nm regime, the poly silicon electrode shows several problems such as gate depletion, high gate resistance, high gate tunneling leakage current, and boron penetration into the channel region. Tantalum nitride (TaN) film is the most promising candidate due to its low resistivity and excellent thermal stability. The carbon incorporation in the TaN film using plasma treatment can be used to modify the work function. The TaN films have been mostly deposited with atomic layer deposition (ALD) for Cu diffusion barrier. However, the growth rate of the TaN film deposited with ALD is much lower than 1nm/cycle. In this thesis, we studied the tantalum carbo-nitride (TaCxNy) films deposited with chemical vapor deposition (CVD) technique using tert-butylimido tris-diethylamido tantalum (TBTDET) and various gases (Ar, H2, NH3, and C2H4). TaCxNy film deposited with CVD was studied as a function of the deposition temperature, and the film properties (film composition, chemical bond, resistivity, and work function) were evaluated. The TaCxNy films were deposited with CVD using TBTDET and argon gas between 350˚C and 600˚C. Below 380˚C, when the deposition temperature was increased, the growth rate was increased up to 10Å/min. The growth rate was increased because the surface reaction rate was increased and the activation energy was about 56.8kcal/mol. Above 380˚C, the growth rate of the film was almost independent of the deposition temperature. In this region, the growth rate was determined by the mass transfer rate of the TBTDET precursor. Also, the thickness of the TaCxNy film deposited with CVD during 1hour was 65.6nm, whereas the thickness of TaCxNy film deposited with thermal ALD using TBTDET and H2 during 400cycle (5hour) was about 24nm. The growth rate in the CVD process is about 12.5~13.7 times higher than that in the ALD process. The TaCxNy film was composed of the various phases such as TaC, graphite, TaN, Ta3N5, and Ta2O5. The phase composition in the TaCxNy film was dependent on the deposition temperature. When the deposition temperature was increased, the TaC, graphite (C-C), and Ta3N5 phases in the TaCxNy film were decreased whereas the TaN phase was increased. The TaN phase is thermodynamically more favorable in high temperature over the Ta3N5 phase. The Ta2O5 phase in the film from the air after deposition was decreased due to the increase in the film density. At 600˚C, the TaCxNy film was the TaN dominant film and showed the polycrystalline (111)/(200) TaN cubic structure. The TaCxNy film properties such as composition, phase composition, density, and crystallinity were dependent on the deposition temperature. With the increase in the deposition temperature, the conductivity and work function of the TaCxNy film were increased due to the change in the phase composition of the TaCxNy film. The resistivity of the TaCxNy film was decreased until 3.6×103 μΩ•cm due to the increase of the TaN phase and the suppression of the oxygen uptake in the TaCxNy film. The work function of the TaCxNy film was changed due to the carbon incorporation in the TaCxNy film. With the increase of the TaC phase in the TaCxNy film with n-channel MOS work function (~4.3eV), the work function of the TaCxNy film was decreased to 4.25±0.05eV. The phase composition in the TaCxNy film affected the electrical properties such as resistivity and work function. The decomposition behavior of the TBTDET precursor was observed to understand the chemical reaction in the TaCxNy CVD process using in-situ Fourier transform infrared (FT-IR) and in-situ quadrupole mass spectroscopy (QMS). Above 350˚C, in the surface FT-IR results, the chemisorbed species of TBTDET on the surface began to dissociate and the TaCxNy film was deposited with the CVD mode. QMS was used to monitor the chemical species formed in the CVD process. The mass signals of chemical species such as isobutylene, ethylene, methane, and hydrogen from the dissociation of the TBTDET precursor or the hydrogen elimination reaction were observed during the TBTDET dose step. The isobutylene, ethylene, and methane were the reaction products from the hydrogen elimination of the tbutylimido ligand and the diethylamido ligand in TBTDET. Also, above 500˚C, the dissociation of the TBTDET precursor in the gas phase was observed and the FT-IR peaks associated with ethylene appeared around 3200-2800cm-1 and 990-930cm-1. TaC phase in the TaCxNy film was decreased due to the dissociation of TBTDET and the desorption of the hydrocarbon species on the surface. The various reactive gases such as H2, NH3, and C2H4 were used to control the phase composition in the TaCxNy film deposited with CVD and the electrical properties (resistivity and work function) of the TaCxNy film were evaluated. Compared with Ar atmosphere, TaNx phase in the TaCxNy film deposited with H2 and C2H4 were not significantly changed, whereas TaNx phase was increased with NH3. So, the resistivity of the TaCxNy film deposited with NH3 was increased due to the increase of the Ta3N5 phase. Also, TaC phase in the TaCxNy film was suppressed with H2 and NH3, whereas TaC phase was increased with C2H4. So, the work function of the TaCxNy film deposited with C2H4 was decreased to 4.29±0.05eV due to the increase of the TaC phase in the TaCxNy film. For the n-channel MOSFET gate electrode, the TaC phase in the TaCxNy film was controlled by the deposition condition such as deposition temperature and reactive gas.

고효율 태양광 수소생산을 위한 Cu-In-Se 양자점 및 BiVO₄ 광전극의 표면개질 연구

최인희 건국대학교 대학원 2026 국내석사

아조벤젠과 스틸벤을 기반으로 한 금속 검출용 화학센서의 합성 및 특성 분석

석웅철 嶺南大學校 2016 국내석사

최근 국내외 환경규제의 강화와 함께 오염물질에 대한 새로운 검출 방법의 기술이 요구되고 있다. 기존 오염물질의 검출 방법으로는 주로 원자 흡수 분광법, ICP-MS, 전기화학적 방법 또는 형광 분석법 등이 많이 사용되고 있다. 하지만 이러한 기술은 장치 위주의 기술로 주로 외국 장비에 의존하고 있는 실정이며, 원천 및 핵심 기술도 외국에 의존하고 있다. 즉 기존의 기술은 휴대가 용이하지 않고 현장 분석에 불편함이 있어서 즉각적인 정보산출이 어렵다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 한계점을 보완하고자 최근 각광받고 있는 분야가 바로 화학센서(Chemical sensor)분야다. 화학센서는 물리적, 화학적, 생물학적 정보를 센서에서 인식하여 전기적 신호나 소리, 광 등을 이용하여 대상물질을 판단할 수 있는 기술이다. 가장 기본적인 센서 기술로는 TMS(tele-monitoring system)과 같은 현장에서 대상 환경오염물질(NOx, SOx)을 검출하여 실시간(in-situ)으로 정보를 제공하는 기술을 말한다. 그 외에도 압력센서, 가스센서, 병원물질을 검출할 수 있는 바이오센서 등이 있다. 이러한 화학센서는 저렴하고 장치가 불필요하고, 시각적 정성분석은 대상물질에 대한 즉각적인 정보를 제공하여 실시간 현장 분석이 가능하게 해준다는 장점이 있다. 이러한 센서들 중에서 염료 또는 형광물질을 이용한 색(colorimetric) 및 형광(fluorescence)화학센서에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.[1-2] 검출 물질 중에서 금속 이온의 검출은 매우 중요한 분야로 손꼽히고 있다. 그 중 전이금속 및 중금속의 검출에 많은 연구가 진행되고 있다. 전이금속의 경우에는 산업뿐만 아니라 인체 내에서도 다양한 역학을 수행한다. 예를 들어 Cu(II)는 인체 내에서 3번째로 풍부한 금속이며, 헤모글로빈의 합성, 뼈의 발달, 신경 기능 안정뿐만 아니라 신진대사에서 중요한 역할을 담당한다. 하지만 일정 농도 이상이 되면 유독하며 위염(Gastritis), 윌슨병(Wilon’s disease), 알츠하이머(Alzheimer’s disease)와 같은 질병을 유발하게 된다. 중금속의 경우, Hg은 독성이 빠르게 나타나지는 않지만, 오랜 기간 체내에서 배출되지 않고 축적되면서 암과 같은 질병을 유발하게 되어 신체에 영향을 주게 된다.[3-6] Cu(II)와 Hg를 효율적으로 검출하기 위해 연구가 진행되었고, 아조벤젠과 같은 염료 뿐만 아니라 스틸벤, 로다민과 같은 형광물질 또는 나노비드(nonobead)나 양자점(quantum dot)을 응용한 센서도 보고되어 왔다.[7-11] Cu(II), Hg 이온 검출용 화학센서 외에도 Fe(II)[12], Ag[13], Cs[14] 등 다양한 금속 이온을 검출할 수 있는 화학 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 염료의 하나인 아조벤젠(azobenzene)은 벤젠 고리 사이에 아조결합(-N=N-)를 가진 화합물로, 방향족 아민을 산과 NaNO2와 반응시켜 디아조늄 염(diazonium salt)을 만들어준 뒤 여기에 반응성이 큰 방향족 화합물을 반응시켜 합성할 수 있다. UV에 의해 광이성화(photoisomerization)이 가능하며, cis 형태와 trans 형태를 가진다. 아조벤젠은 합성이 용이하며 열 적, 화학적으로 안정하고, 디아조화 반응과 커플링의 생성물은 가시광선 영역에서 흡수되는 공액화된(conjugated) π-전자들이 있기 때문에 염료에 널리 이용되고 있다.[15] 아조벤젠과 유사한 형태의 스틸벤(stilbene) 역시 널리 알려 염료로, 아조벤젠과 유사한 형태로 벤젠 고리 사이에 이중결합(-C=C-)을 가지고 있으며, 벤즈알데하이드와 알켄 또는 triphenylphosphine과의 반응인 위티그 반응(wittig reactiontion)을 통해 합성할 수 있다. 마찬가지로 광이성화에 의해cis 형태와 trans 형태를 가지며, 이중결합의 공액화된 π-전자의 여기(excitation)와 여기에 몇 가지 역학적 과정을 통해 형광을 나타낸다. 마찬가지로 합성이 용이하고 열적, 화학적으로 안정하며 흡수와 형광을 내는 특성으로 광학 기술에 많이 사용되고 있다.[16] 본 연구에서는 다양한 금속 이온들의 검출이 가능한 다양한 아조벤젠 및 스틸벤을 디자인, 합성하였고, 금속 이온과 아조벤젠 및 스틸벤의 반응 메커니즘에 대해 연구하였다. 덧붙여 합성한 아조벤젠과 스틸벤을 고분자 및silica bead에 적용시켜 분리를 용이하게 하기 위한 연구도 함께 진행하였다.