다양한 방법으로 합성된 Zinc Titanate Nano Composites의 특성 = Characterization of Zinc Titanate Nano Composites Prepared by Various Method

국문 초록 (Abstract)

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

목차 (Table of Contents)

• 목 차 Ⅰ
• List of Tables Ⅲ
• List of Figures Ⅲ
• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구목적 2
• 1.3. 연구내용 및 범위 2
• 제2장 이론적 배경 4
• 2.1. 나노소재와 나노복합체 4
• 2.2. 산화아연(ZnO)과 이산화티탄(TiO₂)의 특성 7
• 2.2.1. 산화아연(ZnO)의 특성 7
• 2.2.2. 이산화티탄(TiO₂)의 특성 13
• 2.3. 산화아연(ZnO)-이산화티탄(TiO₂)계 화합물과 ZnTiO₃ 나노복합체 17
• 2.3.1. 산화아연(ZnO)-이산화티탄(TiO₂)계 화합물의 연구배경 17
• 2.3.2. ZnTiO₃의 상평형 및 결정구조 17
• 2.3.3. 산화아연(ZnO)-이산화티탄(TiO₂) 복합체와 ZnTiO₃의 전자적 상호작용 20
• 2.4. ZnTiO₃ 나노복합체의 광촉매 및 에너지 응용 20
• 2.4.1. ZnO–TiO₂계에서 ZnTiO₃의 위치와 형성 20
• 2.4.2. 광촉매 응용 21
• 2.4.3. 에너지 응용 22
• 2.5. ZnTiO₃ 합성방법론 23
• 2.5.1. 고상반응법 (Solid-State Reaction Method) 23
• 2.5.2. Sol-Gel 공정 24
• 2.5.3. Sol-Combustion 공정 24
• 2.5.4. 수열합성 및 Solochemical 방법 25
• 2.5.5. 고에너지 볼 밀링 (High-Energy Ball Milling) 25
• 제3장 졸-겔 법에 의해 합성된 Zinc Titanate Nano Composites의 특성 27
• 3.1. 서론 27
• 3.2. 연구방법 28
• 3.3. 결과 및 고찰 30
• 3.4. 결론 39
• 3.4.1. 종합적 고찰 40
• 제4장 고에너지 밀링에 의해 제조된 Zinc Titanate Nano Composites의 특성 41
• 4.1. 서론 41
• 4.2. 연구방법 42
• 4.3. 결과 및 고찰 45
• 4.4. 결론 60
• 4.4.1. 종합적 고찰 61
• 제5장 결론 62
• 5.1. ZnO–TiO₂–ZnTiO₃ 계의 상형성 62
• 5.2. 졸-겔 공정에 의해 형성된 Zinc Titanate 나노복합체의 특성 62
• 5.3. 고에너지 볼 밀링으로 합성된 Zinc Titanate 나노복합체의 특성 63
• □ 참고문헌 65
• □ Abstract 69