탄소 및 질화 붕소 나노 소재 합성 및 응용 = Carbon and boron nitride nanomaterials synthesis and applications

국문 초록 (Abstract)

첫번째 연구로는 아크 방전법을 사용하여 텅스텐-질화 붕소 코어 쉘 나노 입자를 합성하였다. 질화 붕소는 우수한 열중성자 차폐 특성을 갖지만, 중성자 차폐를 통해 방출되는 감마선을 추가적으로 차폐하는 것이 필요하며, 높은 투과성을 가지는 감마선은 텅스텐과 같이 높은 원자번호를 갖는 원자와의 하이브리드화를 통해 보완될 수 있다. 텅스텐-질화 붕소 코어 쉘 나노 입자는 텅스텐과 질화 붕소가 코어 쉘 형태의 하이브리드 구조를 가지며, 특성화를 통해 텅스텐과 질화 붕소의 존재를 확인하였다. 합성된 나노 입자는 바이페놀계 에폭시에 분산하여 차폐재를 제작하였고, 중성자와 감마선의 차폐 시험을 통해 우수한 차폐 성능을 확인하였다. 두번째 연구로는 화학기상증착법을 사용하여 기판에서 탄소나노튜브를 성장시켰다. 탄소 전구체 분해에 대한 활성화 에너지를 낮추기 위해 촉매를 사용하였고, 촉매 입자 크기 제어를 위해 역마이셀 나노 입자의 스핀 코팅과 전자빔 증착법을 통한 금속 박막 증착을 이용하여 두 가지 형태로 제작되었다. 첫번째로 역마이셀 나노 입자는 나노 크기의 촉매 주변에 계면활성제가 둘러싼 형태를 가지고 있으며, 촉매 사이의 응집 및 열에 의한 촉매 성장을 제어할 수 있다. 두 번째는 전자빔 증착법을 이용하여 알루미나 버퍼층과 금속 박막을 증착하였다. 버퍼층은 금속과 기판 사이의 결합을 막고, 촉매 입자를 고정시켜 입자 크기를 제어하는 역할을 한다. 이러한 촉매 크기 제어를 통해 수 nm의 탄소나노튜브가 합성되었고, 라만 분광 분석을 통해 특성화되었다. 이러한 탄소나노튜브는 높은 전기전도성 구현을 위한 단일층 제어 및 산업화를 위한 대량생산이 필요하다. 이렇게 합성된 탄소나노 튜브는 커패시터와 배터리 음극재와 같이 기존 소재 대비 전기전도도 개선이 가능하며 그 응용성이 크다

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the first study, tungsten-boron nitride core-shell nanoparticles are synthesized via the arc discharge system. Boron nitride has excellent thermal neutron shielding properties, but it is necessary to additionally shield gamma rays emitted through neutron shielding. The tungsten-boron nitride core-shell nanoparticles have a hybrid structure in which tungsten and boron nitride form a core shell, and the existence of tungsten and boron nitride is confirmed through characterization. The synthesized nanoparticles are dispersed in biphenyl epoxy to make a shielding material, and excellent shielding performance is confirmed through a shielding test of neutrons and gamma rays. In the second study, carbon nanotubes are grown on substrates using chemical vapor deposition. A catalyst is used to lower the activation energy for the decomposition of the carbon precursor, and two types of catalysts are fabricated using spin coating of reverse micellar nanoparticles and metal thin film deposition through electron beam evaporation to control the catalyst particle size. First, reverse micellar nanoparticles have a form in which a surfactant surrounds a nano-sized catalyst and can control aggregation between catalysts and catalyst growth by heat. Second, an alumina buffer layer and metal thin film are deposited using electron beam deposition. The buffer layer serves to prevent bonding between the metal and the substrate and to control the particle size by fixing the catalyst particles. Several nanometers of carbon nanotubes are synthesized by controlling the size of the catalyst and characterized through Raman spectroscopy. Such carbon nanotubes require mass production for industrialization and control of a single wall for implementation of high electrical conductivity. Carbon nanotubes synthesized in this way can improve electrical conductivity compared to existing materials such as capacitors and battery anode materials, and their applications are great.

목차 (Table of Contents)

• 1장. 아크 방전법을 이용한 텅스텐-질화 붕소 코어 쉘 나노 입자의 합성 1
• I. 서론 1
• 1. 아크 방전(Arc discharge) 1
• 2. 육각형 질화 붕소(Hexagonal-Boron nitride) 6
• 3. 방사선 차폐 6
• II. 실험 9
• 1. 시료 및 시약 9
• 2. 실험 방법 9
• 1) 텅스텐-질화 붕소 나노 입자의 합성 9
• 2) 텅스텐-질화 붕소 나노 입자 차폐재 제작 10
• 3) 분석 장치 10
• III. 결과 및 토론 11
• 1. 텅스텐-질화 붕소 코어 쉘 나노 입자의 특성화 11
• 2. 방사선 차폐재 제작 및 특성화 24
• IV. 결론 26
• V. 참조 27
• 2장. 직경 제어된 촉매를 이용한 탄소나노튜브 합성 30
• I. 서론 30
• 1. 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 30
• 2. 역마이셀 나노 입자 31
• 3. 단일벽 탄소나노튜브의 화학기상증착 합성법 31
• II. 실험 32
• 1. 시료 및 시약 32
• 2. 실험 방법 32
• 1) 역마이셀 나노 입자의 합성과 기판 코팅 32
• 2) 물리적 금속 촉매 증착 33
• 3) 화학기상증착법을 사용한 탄소나노튜브 합성 35
• 4) 분석 장치 35
• III. 결과 및 토론 37
• 1. 역마이셀 촉매의 특성화 37
• 2. 역마이셀 촉매를 이용한 탄소나노튜브 합성 43
• 3. 버퍼층을 이용한 탄소나노튜브 합성 47
• IV. 결론 50
• V. 참조 51
• ABSTRACT 53