다양한 방법으로 합성된 Zinc Titanate Nano Composites의 특성

박태균 강원대학교 일반대학원 2026 국내박사

다양한 합성 방법을 적용하여 제조된 Zinc Titanate 나노복합체의 형성과 특성을 체계적으로 규명하였다. 나노소재는 21세기 첨단 과학기술을 선도하는 핵심 재료로서 정보통신, 에너지, 환경, 바이오 등 광범위한 산업 영역에 응용되고 있으며, 특히, 금속 산화물을 기반으로 한 세라믹 나노소재는 유전특성, 광촉매 성능, 안정된 화학적 성질로 인해 많은 주목을 받고 있다. ZnO–TiO₂계에서 형성되는 다양한 화합물 중에서 ZnTiO₃는 육방정계 구조를 가질 경우 낮은 유전 손실과 우수한 주파수 안정성을 나타내어 마이크로파 유전체 소자, 저온소성 적층세라믹(LTCC), 광촉매, 가스 센서 등 다방면에서 응용될 수 있다. 그러나 ZnTiO₃는 열적으로 안정한 범위가 매우 좁아 합성 과정에서 쉽게 Zn₂TiO₄와 rutile TiO₂로 분해되는 문제가 있어 순수 상의 확보가 어렵다는 한계가 존재한다. 이러한 이유로 다양한 합성 공정의 적용과 비교 연구가 필요 하다. 본 연구에서는 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)을 다양한 합성 방법으로 복합화 하여 형성된 Zinc Titanate 나노복합체의 구조적·광학적 특성과 열적 안정성을 규명 하는데 목적을 두었다. 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)은 물리적 및 화학적 특성이 우수하며 각각 3.37eV 및 3.2eV(아나타제)의 넓은 밴드 갭을 갖는다. 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)의 우수한 특성이 결합된 물리 화학적 특성을 이용해 두 산화물을 결합하여 더 나은 특성을 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서 Zinc Titanate 나노입자의 합성은 졸-겔법과 고에너지 볼밀을 이용한 물리적인 합성법으로 하였다. Zinc Titanate 나노입자의 특성은 SEM, TEM, XRD, UV-Vis-NIR 등을 이용하였으며, 합성된 입자들의 열변화 과정을 TG-DTA를 이용하였다. 졸-겔법으로 합성한 시료의 입자크기는 수 나노미터의 구형의 입자형태를 하고 있으며, 소성 전에는 비결정이나 소성 후에는 결정상으로 전이된 것을 볼 수 있었다. 그리고 합성된 시료를 900℃로 소성하여 이를 Rietveld법으로 결정상을 조사하였으며, 합성한 시료의 주 결정상은 Zn₂TiO₄가 생성되었고, ZnTiO₃와 Zn₂Ti₃O₈등이 함께 소수 상들로 나타났다. 그러나 고에너지 볼밀을 이용하여 TiO₂의 anatase상을 이용하여 합성한 경우 주 결정상은 ZnTiO₃이고 소수상은 Zn₂TiO₄으로 나타났으며, TiO₂의 rutile상을 이용한 경우에는 주 결정상은 Zn₂TiO₄이고 소수상은 ZnTiO₃상이 각각 나타났다. □ 핵심주제어 ZnO-TiO₂ 나노복합체, 유전체, 광촉매, 졸-겔 합성, 고에너지 볼 밀링, 상전이

리튬이온전지 성능 향상을 위한 열유도 겔화법에 의한 합성과 그래핀 산화물로 개질된 SiOx/C 음극재의 연구

박소희 전북대학교 대학원 2026 국내석사

SiOx는 높은 이론용량을 갖는 유망한 리튬이온배터리(LIBs)용 음극 소재이지만, 구조적 불안정성, 낮은 전기전도도, 그리고 제어되지 않은 solid electrolyte interface(SEI) 성장으로 인해 실제 응용에는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 graphene oxide(GO)를 SiOx/C 음극에 다기능성 첨가제로 도입하여 LIBs 성능을 향상시키는 전략을 체계적으로 조사하였다. SiOx/C는 열유도 sol–gel 공정을 통해 합성되어 균일성과 제조 효율이 향상되었으며, 빠른 가교 반응을 통해 효과적인 SiOx/C 구조 형성이 가능하였다. GO의 도입은 SEI 층의 안정화를 촉진하여 사이클링 안정성을 향상시키고, 지속적인 전해질 분해를 억제하였다. 또한 GO 내 산소 기반 기능기들은 pseudocapacitive 특성을 부여하여 전체 용량 향상에 기여하였다. GO의 높은 전기전도도는 전자 전달을 가속화하여 우수한 rate capability를 구현하였다. 더불어 GO는 구조적 binder 역할을 수행하여 SiOx/C 입자들의 응집을 방지하고 장기 사이클링 동안 전극 구조를 안정적으로 유지하였다. 그 결과, 15% GO-SiOx/C 음극은 0.5 A/g에서 500사이클 후 583.8 mAh/g의 높은 가역용량을 나타냈으며, 1 A/g 조건에서도 350사이클 후 498.3 mAh/g의 우수한 수명 특성을 확보하였다. 사이클 후 분석 결과, GO가 적용된 전극은 구조적 안정성이 유지됨이 확인되었으며, 이는 GO가 SiOx의 부피 팽창을 완화하고 안정적인 SEI 형성을 촉진하는 데 효과적임을 뒷받침한다. 본 연구는 다양한 carbon 기반 소재와의 hybridization을 통해 SiOx 음극의 한계를 극복하고 성능을 향상시키는 데 활용될 수 있는 전략적 방향을 제시한다.

나노합성기술을 이용한 폴리에스테르 섬유용 유·무기 복합가공제 연구

박성민 경북대학교 대학원 2011 국내박사

In this study, Synthesis of nano-composite materials and their applications technologies for polyester fiber were studied. In chapter 1, The preparations of deodorizing and UV protecting fibers using TiO2 nanosol have been investigated. The TiO2 nanosol were made by sol-gel nano synthesis method, using TTIP as a precursor. According to the TTIP dosage, acid dosage, alkali dosage, agitation speed, nano sol synthesis was studied. In case of basic catalysts, 300nm-1000nm nano-sol were synthesized, while with acid catalyst, 50nm-230nm nano-sol was obtained. In case of using ammonia as a catalyst, with the amount of added ammonia, the size of nano-sol particles increased. In case of using nitric acid as a catalyst, with added nitric acid, particle size tended to decrease. Deodorizing rate of polyester fibers increased with the concentration of applied TiO2 nano-sol. and UV protection of cotton fibers increased with concentration of applied TiO2 nano-sol. In washing tests, laundering durability over 20 times was observed. In addition, when TiO2 nano-sol treated on polyester, damage in tensile strength and tear strength of PET were negligible by the TiO2 nanosol treatment. In chapter 2, Inorganic sols were made from TEOS by using sol-gel nano synthesis method. These nano-sols were successfully coated to polyester substrates transparent and durable superhydrophobic silica-surface at low temperature. In the coating of 5% o.w.s mixture solution of SiO2 dual nano sol(558.2nm : 965.4nm = 7 : 3) and UNIDYNE TG-5521 (SiO2 dual nano sol : UNIDYNE TG-5521 = 1 : 9) were used. The hydrophobic properties of the nano coatings were determined using contact-angle, FE-SEM and AFM measurements. By the this dual scale nano structure on fiber surface, water contact angle increased to 150°, which is vary high value when compared with the contact angle 120°, when treated with fluorine water repellent only. In chapter 3, For improved physical properties of water borne polyurethane coating layer, modified nano particles are incorporated to water borne polyurethane coating formation in stead of conventional micro-sized filler. Modified nano particle were made by using a novel technique for synthesis of silica nanostructures with flat plate shape. The synthetic method consisted of following main steps: the preparation of nano size template and the preparation silica coated template. It successfully prepared that transparent durable WBPU-coating films and coating layers on polyester substrates at low temperatures. This films and coating layers were produced with 7% o.w.s coating solution a mixture of modified SiO2 nano sol(980nm) and WBPU. The properties of the nanocomposite coating films and layers were examined using tensile strength, elongation, water permeability, hydrostactic pressure, and FE-SEM measurements. In case of 0.30mm film prepared with mixture of WBPU and modified SiO2 nano sol, 62kgf/cm2 of the tensile strength and elongation at break of this film was 1.5 times high than that of WBPU film. which is much higher level than solvent-based PU films. In chapter 4, SiO2 nano sols were synthesized by using sodium silicate instead of alkoxides or organo metallic compound of high cost. Particle size of SiO2 nano sols were controlled by the dosage of sodium silicate and hydrochloric acid. The properties of the SiO2 nano sols were characterized using particle analysis, elongation and TEM measurements. The lower the concentration of sodium silicate and hydrochloric acid, the smaller the sizes of silica particle and uniformity of particle size decreased. While, as the concentration of sodium silicate goes up higher than 50%, particles size and uniformity increased dramatically, because of cohesion. Synthesis of SiO2 nano sol by using sodium silicate is greatly affordable technology than using TEOS and could used in various textile functional finishing process. In chapter 5, Composite nanoparticles composed of low molecular weight poly(vinyl alcohol) (LMW-PVA) and montmorillonite (MMT) were prepared using electrospraying technique by regulating PVA solution concentration. FE-SEM, TEM, FT-IR, XRD and TGA were utilized to characterize morphologies and properties the LMW-PVA/MMT composite nanoparticles. MMT particles were exfoliated and well distributed within the obtained composite nanoparticles. It was showed that PVA/MMT nanocomposite particles could be used for improve durability and heat resistance of polyester and nylon coating fabrics. PVA/MMT nanocomposites particles were readily prepared by electric spray.

졸-겔 법에 의한 Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6)의 합성 및 구조분석

김현정 誠信女子大學校 大學院 2004 국내석사

본 연구에서는 졸-겔 법으로 Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6)의 분말과 박막을 제조하였다. 아세틸 아세테이트가 치환된 tin(Ⅳ) bis (acetylacetonate) dichloride와 titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) solution을 용매로는 ethanol과 2-propanol을 사용하여 졸 용액을 합성하였고 FT-IR Spectroscopy로 반응의 진행 정도를 관찰하였다. 겔 분말들에 대한 열분석은 TG/DTA를 이용해 측정하였으며 FE-SEM을 통해 입자크기와 균일도를 관찰하였다. 얻어진 겔 분말에 대해 열처리 온도를 변화시키면서 FT-IR Spectroscopy, XRD 등을 통해 구조변화를 관찰하였다. XRD 분석 결과 낮은 온도에서는 anatase상과 rutile 상이 보이다가 900 ℃ 이상의 온도에서 rutile 상으로 전이 되었으며 또한 tin의 농도가 낮아짐에 따라 anatase 상은 나타나지 않았다. Silicon wafer에 스핀코팅으로 제조된 박막은 치밀하고 균열이 없는 미세 조직을 보였으며 1100 ℃에서는 입자 성장을 관찰할 수 있었다. The powders and thin films of Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6) were synthesized by sol-gel process. Tin(Ⅳ) bis (acetylacetonate) dichloride and titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) solution were dissolved in ethanol and 2-propanol at room temperature. The progress of reactions were monitored by FT-IR Spectroscopy. The obtained Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6) gel powders were annealed in air with different heat treatments. The structural changes were investigated by FT-IR and XRD. The thermal analysis, particle size, structure of Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6) gel powders were studied by TG/DTA, FE-SEM. The average particle size was increased as heat treatments were increasing. The films of Sn_(x)Ti_(1-x)O_(2)(x=0.2, 0.4, 0.6) made through the spin coating method on silicon wafer were calcined with different heat treatments. The coated layer became dense but was not homogeneous. The phase separation was observed by TEM.

Sol-Gel 공정변수가 합성된 β-SiC 분말의 특성에 미치는 영향

염미래 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사

탄화규소(silicon carbide)는 우수한 열기계적 특성 및 화학적 안정성을 가진 비 산화물계 세라믹으로 최근 고순도 탄화규소는 고출력, 고주파, 고온전자 재료 등의 쓰임이 확대되고 있다. 이에 따른 입도 및 크기 등이 제어된 고순도 SiC 분말의 중요성이 증가 되고 있다. 이에 본 연구에서는 SiC 분말합성에 사용되는 방법 중 하나인 sol-gel법을 사용하여 기존에 보고된 합성된 SiC분말의 강한 응집 등의 문제점을 해결하기 위하여 SiC 분말의 제조 공정변수가 분말에 미치는 영향에 관해서 조사하였다. 첫 번째는 sol-gel 공정시 TEOS의 가수분해에 사용되는 촉매로 질산을 선택하여 질산수용액의 양을 acid/TEOS 0.04~0.1 mol으로 변화시켜 촉매의 양이 합성된 분말에 미치는 영향을 조사하였다. 두 번째는 C/Si mole ratio를 1.4에서 3.8로 변화시켜 SiO2-C hybrid precursor내 C/Si mole ratio가 합성된 SiC 분말에 미치는 영향을 알아보았다. 마지막으로 제조된 SiO2-C hybrid precursor의 탄소열환원 온도를 1700~1900℃로 변화시켜 합성온도가 SiC 분말에 미치는 영향을 조사하였다. TEOS의 촉매로 사용된 질산수용액을 0.07 mol 사용하여 합성된 분말의 경우 비교적 균질한 입도를 갖는 β-SiC 분말을 얻을 수 있었다. C/Si mole ratio를 1.4에서 3.8로 변화시켜 합성한 SiC 분말의 경우 C/Si mole ratio가 3.4로 합성된 분말의 수율이 86%로 가장 높은 것으로 나타났다. 합성된 분말의 입자크기는 C/Si mole ratio가 1.4~2.2 일 때 약 2~3 ㎛로 나타났으며 C/Si mole ratio가 3.0이상이 되면 약 1 ㎛이하의 분말이 생성되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 온도 조건하에서 합성된 SiC 분말의 경우 SiO2-C hybrid precursor 내의 carbon의 양이 증가됨에 따라 합성된 분말의 평균입자크기는 감소하였고 분말의 입도분포는 bimodal 형상이 나타났다. C/Si mole ratio를 1.8로 고정하여 SiC 분말 합성온도를 1700℃에서 1900℃로 변화를 주어 합성된 분말의 경우 1900℃에서 합성된 분말에서 α-SiC가 관찰되었다. 또한 동일한 온도 1900℃에서 C/Si mole ratio를 1.4~3.0으로 변화시켜 합성된 실험의 결과 XRD 그래프에서 carbon의 양이 증가됨에 따라 α-SiC가 peak이 작아지거나 나타나지 않았다. 따라서 C/Si mole ratio가 동일한 온도범위 내에서는 합성된 분말의 입도 및 크기에 영향을 미치며, β에서 α로의 상변태 시점에도 영향을 미치는 것으로 생각되었다.

메조포러스 물질의 합성과 응용에 관한 연구

한승준 昌原大學校 大學院 2004 국내석사

Highly ordered pure-silica MCM-41 materials possessing well-defined morphology have been successfully prepared with surfactant used as a template. The synthesis of mesoporous silica material has received considerable attention due to the need to develop more efficient materials for catalysis, separations, and chemical sensing. The surface modified MCM-41 was used as adsorbent for biomolecules. Silica-supported organic groups and DNA adsorption on surface modified MCM-41 were investigated by FT-IR and UV-Vis spectrometer. The use of MCM-41 as the modification of electrode sufaces were investigated electrochemical properties of metal mediators with biomolecules. The modified ITO electrodes increased peak currents for the redox process of [Ru(bpy)_(3)]^(2+) relative to the bare electrode. The electrochemical detection of DNA by cyclic voltammetry when the current is saturated in the presence of the mediator appeared more sensitive due to a higher catalytic current on the MCM-41 supported electrodes modified by amine, thiol and carboxylic acid functional groups. The functional groups on the inner, outer, dual surface of MCM-41 interact and react with the NH_(2) groups of DNA. Ordered mesoporous materials with organic group could find applications as DNA sensors.

Improved structural, optical, and ultraviolet sensing properties of ZnO thin films and nanorods by using lithium and aluminum doping

이욱빈 인제대학교 일반대학원 2018 국내석사

We have conducted the three researches on the influence of doping on structural, optical, and ultraviolet sensing properties of zinc oxide (ZnO) thin films and nanorods. Firstly, we prepared Li-doped ZnO (LZO) thin films spin-coated by the sol-gel method on Si substrates. The analysis of X-ray diffraction (XRD) patterns showed that the c-axis orientation was improved with increased Li doping concentration and the highest crystal quality was obtained at 2.5 at.% Li content. Analysis of photoluminescence (PL) spectra indicates an increase in the formation of substitutional Li at the Zn site. For investigating ultraviolet (UV) photoresponse properties, we fabricated metal-semiconductor-metal UV sensors through thermal evaporation of indium. LZO thin film-based UV sensors showed higher UV sensitivity and photoresponse rate compared with ZnO thin film-based UV sensor. Secondly, we prepared Al-doped ZnO (AZO) thin films using sol-gel spin-coating method. The XRD patterns revealed that the c-axis lattice constant increased and the average grain size decreased with the Al content. In field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images, the grain size decreased and the film density increased with increased Al concentration. The absorbance spectra showed that ultraviolet absorbance of the AZO thin films increased and absorption onset shifted towards longer wavelength with Al content. The PL spectra indicated that the intensity of the visible emission significantly decreased and the visible emission peak was red-shifted with Al content. The AZO thin film-based UV sensor exhibited a higher responsivity than ZnO thin film-based UV sensor. We finally fabricated ZnO nanorod array (NA) on undoped ZnO and AZO seed layer using hydrothermal method. In FE-SEM, the average grain size and density of AZO seed layer decreased and increased, respectively, compared with that of undoped ZnO seed layer, resulting in increase in the length and density of ZnO NA on AZO seed layer. The XRD patterns and PL spectra showed that the intensity of (002) peak and UV emission for ZnO NA on AZO seed layer were higher than that of ZnO NA on undoped ZnO seed layer. On the other hand, the intensity of visible emission for ZnO NA on AZO seed layer was lower than that for ZnO NA on undoped ZnO seed layer. The UV-vis spectra exhibited the absorbance of ZnO NA on AZO seed layer in UV region increased compared to ZnO NA on undoped ZnO seed layer. The responsivity and sensitivity of UV sensor based on ZnO NA on AZO seed layer were higher than that based on ZnO NA on undoped ZnO seed layer.

졸-겔 공정을 이용한 Forsterite-PMMA composite의 합성과 특성 연구

강진 숙명여자대학교 일반대학원 1998 국내석사

본 연구에서는 H2O2-assisted 졸-겔 공정에 의해 포스테라이트, 엔스테타이트, 실리케이트 등의 다양한 비결정성 무기 물질을 합성하고 기계적 특성의 개선을 위해 PMMA(Poly methyl methacrylate)유기고분자와 무기-유기 컴파지트를 합성하여 그 특성을 살펴보았다. 기존의 무기-유기 컴파지트를 합성하는데 있어서는 무기부분과 유기부분의 상 분리가 문제가 되므로 이들 두 부분사이에 화학적 결합을 유도하기 위한 반응기를 도입하였으나, 본 연구에서는 이러한 상호 결합없이 단순한 물리적 혼합에 의존하여 컴파지트를 구성하였다. 합성된 컴파지트는 균열, 수축현상 없이 단일체 형태로 만들어지며 틀의 형태에 따라 모양을 변화시킬 수 있었다. 기계적 특성을 조사한 결과, 컴파지트의 Modulus of Rupture(MOR)는 144MPa로 순수한 PMMA(200MPa에서도 파괴되지 않음)에 비해 기계적 강도가 약하긴 하나 건조겔에 비해서는 기계적 강도가 크게 향상되었으며 이로 인해 절단, 연마 등이 가능해졌다. 투광도는 가시광선의 영역에서 약 88%정도의 투광도를 보이며 이는 순수한 PMMA의 투광도의 98%에 해당된다. PMMA와 같이 무색투명하여 각종 광학소재로 활용할 수 있는 가능성을 안고 있다. 포스테라이트 에어로겔을 통해 살펴 본 무기격자체는 BET 표면적이 806㎡/g이고 주로 500Å 정도의 mesopore를 갖는다. 이에 비해 컴파지트는 BET 표면적이 5.8㎡/g이며 거의 기공이 존재하지 않는 non-porous한 물질이다. 중합반응 후 컴파지트의 무기부분은 무게비로 10% 이하였다. DT/TGA로 열분해 과정을 관찰한 결과 컴파지트가 순수한 PMMA에 비해 분해 온도가 25~30℃정도 높았다. 분자단위에서의 국부적 환경을 조사하기 위하여 Eu+3를 탐침이온으로 혼입하여 형광 방출 스펙트럼을 살펴보았다. 컴파지트는 578, 590, 612nm부근에서 봉우리가 나타났고, 순수한 PMMA는 590, 612nm 부근에서 봉우리가 나타났다. 컴파지트의 방출 스펙트럼을 겔의 그것과 유사하며 컴파지트내의 혼입이온 주위의 환경은 겔 격자의 환경을 따르는 것으로 관찰되었다. The organic-norganic composite was synthesized. The inorganic phase of the composite was forsterite, enstatite, or silicate prepared by the H2O2-assisted sol-gel method. The organic phase of the composite was poly(methyl methacrylate) radically polymerized from methyl methacryrate. The inorganic component was synthesized via the H2O2-assisted sol-gel method. then the MMA monomer was infiltrated into the el network via solvent exchange between alcohol and MMA. By radically polymerizing the MMA infiltrated into the gel network, the organic-inorganic composite was prepared. The composite was synthesized by physical blending via centrifugation without chemical bonding between the inorganc and organic phases, unlike in the conventional route which encouraged the chemical bonding between those phases to supress the phase separation. The composite was prepared as a monolith without cracks and shrinkage which used be limiting factors in preparing amonolith in decent shape. The composite was machinable and it could be cut, polished, of moulded. The modulus of Rupture(MOR) of the forsteric-PMMA composite was 144MPa, which indicated the strength of the composite was much weaker than the sole PMMA (sole PMMA was unbreakable. MOR up to 200MPa). Compared to the weakness of the xerogel monolith of forsterite, the mechanical strength of the composite ws largely improved. The optical transparency of the composite was exceptionally good. The transparency of the composite in the visible range was about 88% against air. Compared to a block of the sole PMMA, the transparency of the composite was near to 98%. The pore characteristics of the inorganic gel network was studied on the forsterite aerogel prepared by hypercrytical drying. The BET surface area of the aerogel was 800㎡/g, and it had mostly mesopores of around 500Å big. The composite was a non-porous solid whose the surface area was only 5.8㎡/g. The weight fraction of the inorganic part, which was analyzed by elemental analyses and ICP/MS, was less than 10%. The decomposition temperature of the composite observed by thermal analysis was 25~30℃ higher than that of the sle PMMA. The local environment of the composite was srudied by taking the emission spectrum from Eu+3 doped as a luminescent probe. The emission spectrum from the composite had broadd peaks at 578, 590, 612nm. Whereas, the spectrum from the sole PMMA had the peaks at 590, 612nm. The emission spectrum observed from the composite conformed to that from the inorganic gel. Therefore, the local environment around the dopant in the organic-inorganic composite was that of the inorganic moiety.