표제지

제출문

보고서 초록

목차

제1장 서론 15

가. 연구개발의 중요성 및 필요성 15

나. 연구개발의 국내·외 현황 18

(1) 해외 기술개발 동향·시장 18

(2) 국내 기술개발 동향·시장 18

다. 연구개발대상 기술의 차별성 19

(1) 차별성 19

(2) 주관기관의 관련기술 보유현황 19

제2장 연구개발의 목표 및 내용 21

가. 연구의 최종목표 21

나. 연도별 연구개발의 목표 및 평가방법 21

(1) 제 1차년도 21

(2) 제 2차년도 22

(3) 최종 평가 23

다. 연도별 추진체계 24

제3장 연구개발 결과 및 활용계획 25

가. 연구개발 결과 및 토의[원문불량;p.195] 25

나. 연구개발 결과 요약 212

(1) 제 1차년도. 212

(2) 제 2차년도. 214

다. 연도별 연구개발목표의 달성도 217

(1) 최종목표 217

(2) 연도별 연구개발목표의 달성도 217

(3) 최종 평가 및 달성도 221

라. 연도별 연구성과 (논문·특허 등) 222

(1) 제 1차년도 222

(2) 제 2차년도 223

(3) 특허 및 국내·외 전문 학술지 (논문) 게제 성과 자료 225

마. 관련분야의 기술발전 기여도 234

(1) 기술적 측면 234

(2) 환경적 측면 234

(3) 경제적·산업적 측면 234

(4) 일자리창출 측면 234

바. 연구개발 결과의 활용계획 234

제4장 참고문헌 237

부록 241

〈그림 1.1〉왼쪽 : Au 나노입자의 촉매활성의 입자크기 선택성 (Texas A & M 대학교 D.W.Goodman 그룹). 오른쪽 : Pd을 Ta foil위에 증착시켜 만든 표면 구조의 촉매 활성을 측정한 결과 입자 크기가 2-3 나노미터일 때 가장 낮은 온도에서 촉매 활성을 관찰할 수 있었다. 15

〈그림 1.2〉ALD에 대한 설명 : 두개의 전구체를 번갈아가면서 증착시켜 원자 수준으로 박막의 두께를 조절할 수 있으며, 이 방법을 이용하여 복잡한 구조에 균일하게 나노박막이나 나노입자를 증착시킬 수 있다.... 17

〈그림 3.1〉본 실험에서 사용된 장비의 개략적인 모식도. 26

〈그림 3.2〉톨루엔 제거실험을 위해 사용된 실험 장비 전체 사진(아래)과 사극자 질량 분석기(위). 27

〈그림 3.3〉사극자 질량분석기의 가동을 위해서는 고진공 장치가 필수적이며, 고진공의 측정을 위해서는 압력 측정 장치가 필수적이다. 본 과제에서 연구기자재로써 압력 증착장치를 구비하였다. 28

〈그림 3.4〉메틸렌 블루 제거 실험에 대한 개략적인 설명도. 29

〈그림 3.5〉위의 메틸렌 블루의 UV/Vis 스펙트럼에서 봉우리 세기는 Beer-Lambert 법칙에 의해서 농도에 비례하기 때문에 Uv/vis 스펙트럼들 (아래)는 농도의 변화 (위)로 전환될 수 있다. 본 보고서에서 모든 메틸렌 블루 수용액의 농도는 이러한 방식으로 측정되었다. 30

〈그림 3.6〉실험에 사용된 UV/Vis spectrometer (위)와 광촉매 반응기 (아래) 31

〈그림 3.7〉본 실험실에는 박막 증착이나 화학반응 이후에 시료를 공기에 노출시키지 않고 초고진 공조건에서 XPS 표면분석을 할 수 있는 시스템이 구비되어 있다. 본 장비를 이용하여, 산화물 표면 위에 다른 산화물 박막의 성장, 산화물 표면위에 금속나노입자의 성장, 촉매반응 시 반응물의 흡착... 32

〈그림 3.8〉XPS 분석기 (위) 및 X-선 광원 (아래) 33

〈그림 3.9〉ALD에 대한 설명 : 두 가지 전구체를 번갈아가면서 증착시켜 워낮 수준으로 박막의 두께를 조절할 수 있으며, 이 방법을 이용하여 복잡한 구조에 균일하게 나노박막이나 나노입자를 증착시킬 수 있다.... 34

〈그림 3.10〉과제 수행 초기의 ALD 장비의 라인 배치에 대한 개괄적인 모식도. 36

〈그림 3.11〉1차 개조 후의 ALD 장비의 라인 배치에 대한 개괄적인 모식도. 37

〈그림 3.12〉1차 개조 후 물 주입 경로를 화살표로 표시. 닫혀있는 밸브는 어두운색임. 37

〈그림 3.13〉1차 개조 후 TTIP 주입 경로를 화살표로 표시. 어두운 색은 닫혀있는 밸브. 38

〈그림 3.14〉1차 개조 후 퍼징단계에서 N₂의 이동경로를 화살표로 표시. 어두운 색은 닫혀있는 밸브. 38

〈그림 3.15〉2차 개조 후의 ALD 장비의 라인 배치에 대한 개괄적인 모식도. 39

〈그림 3.16〉2차 개조 후 물 주입 경로를 화살표로 표시. 어두운 색은 닫혀있는 밸브. 39

〈그림 3.17〉2차 개조 후 TTIP 주입 경로를 화살표로 표시. 어두운 색은 닫혀있는 밸브. 40

〈그림 3.18〉2차 개조 후 퍼징 경로를 화살표로 표시. 어두운 색은 닫혀있는 밸브. 40

〈그림 3.19〉ALD 공정 조절 화면. 본 화면에서 현재 확립된 전구체 및 펌핑 라인의 구조를 볼 수 있다. 41

〈그림 3.20〉온도 및 펌핑 속도 조절 장치 (throtttle valve). 전구체, 반응 용기, 라인의 온도가 따로따로 조절되는 것이 중요하며 각각의 온도를 최적화 시켜야 한다. 41

〈그림 3.21〉용기 및 그 내부에 설치되었던 분사장치. 분사장치는 오히려 펌핑과 퍼징을 방해하는 것으로 나타나 현재 설치되어있지 않음. 42

〈그림 3.22〉반응 용기의 압력 측정 장치. 43

〈그림 3.23〉유량조절계 및 공정라인. 다양한 밸브들을 볼 수 있다. 43

〈그림 3.24〉장비 전체 사진. 44

〈그림 3.25〉본 실험에서 광촉매 반응을 이용한 톨루엔 제거 실험에 사용된 장비의 개략적인 모식도. 47

〈그림 3.26〉본 실험에서 산화 반응을 이용한 톨루엔 제거 실험에 사용된 장비의 개략적인 모식도. 47

〈그림 3.27〉본 실험에서 톨루엔 흡·탈착 실험에 사용된 장비의 개략적인 모식도. 48

〈그림 3.28〉본 실험에서 사용된 GC 장비를 이용하여 얻은 데이터. CO₂와 톨루엔의 농도 변화를 측정하여 각 촉매의 반응성을 측정한다. 48

〈그림 3.29〉본 실험에서 사용된 GC 장비. 본 장비에는 자동 기체 주입기가 연결되어 있어 일정시간 간격으로 분석 기체를 주기적 주입하여 광촉매 반응 및 열분해 반응의 촉매 반응성 측정한다. 49

〈그림 3.30〉본 실험에서 사용된 반응기의 전체 (상)와 광촉매 반응기 (하·좌) 및 톨루엔 산화 반응기 (하·우)의 사진이다. 50

〈그림 3.31〉톨루엔 흡·탈착실험에 사용된 반응기 사진이다. 모든 기체가 ACF를 통과할 수 있도록 반응기의 부피를 최소화하기 위해 반응기를 SUS tube로 교체하여 필터형으로 제작하였다. 51

〈그림 3.32〉실리콘 폴리머를 전구체로 이용하여 시료 표면에 초발수 코팅을 증착시키기 위한 장비의 개략적인 모식도. 53

〈그림 3.33〉본 실험에 의해 제조된 초발수성 코팅된 Ni 분말의 물에 대한 접촉각 53

〈그림 3.34〉본 실험에 의해 제조된 초발수성 코팅된 Ni 분말의 물에 대한 접촉각 54

〈그림 3.35〉본 실험에 의해 제조된 초발수성 코팅된 탄소 섬유의 SEM 이미지와 물에 대한 접촉각 54

〈그림 3.36〉분말 ALD를 위해서 제작된 반응용기의 실제사진. 56

〈그림 3.37〉반응 용기의 평면도(상)와 측면도(하) 56

〈그림 3.38〉a) 구입한 Daegussa P-25 TiO₂촉매와 같은 시료를 물 전처리를 거친 촉매의 메틸렌 블루 광해리 활성에 관한 연구결과이다. 반응시간이 지나면서 메틸렌 블루의 농도가 작아지는 것을 UV/Vis absorption spectrometer를 이용하여 연구하였다.... 62

〈그림 3.39〉그림 3.38의 실험 결과는 4번의 반복실험을 통한 평균치이다. 실험 사이의 오차는 다른 시료들 사이의 반응성 차이와 비교해 보았을 때 굉장히 작다. 63

〈그림 3.40〉그림 3.38에서 사용한 두 가지 촉매에 대한 XRD pattern을 보여주고 있다 64

〈그림 3.41〉DRS를 이용한 band gap 측정 결과 및 측정 band gap 값들이 그림에 나타나 있다. 또한 BET 표면적 결과도 표에 나타나 있다. 65

〈그림 3.42〉물 전처리 이후에 얻은 IR 데이터이다. 66

〈그림 3.43〉물 전처리 전후의 얻은 XPS 데이터이다. Ti 2p, O 1s, C 1s 내각 준위 스펙트럼들이다. 67

〈그림 3.44〉다양한 플라즈마 처리 후 254 nm UV 를 이용한 광촉매 활성 실험 결과. 물처리 및 에탄올 처리 이외에는 촉매활성의 개선을 확인할 수 없었다. 68

〈그림 3.45〉본 실험에서 사용된 P-25 TiO₂시료들의 BET 표면적을 측정하여 정리한 표이다. 73

〈그림 3.46〉본 실험에서 사용한 시료들의 TEM 사진이다. 74

〈그림 3.47〉시간에 따른 톨루엔, 감소량, 산소의 감소량, 그리고 CO₂의 증가량을 도식하였다. 처음 30분 동안은 빛을 조사하지 않았으며 그 후 365 nm 자외선을 조사하였다. 75

〈그림 3.48〉그림 3.47과 같은 조건의 실험 도중 XPS로 분석한 결과이다. 톨루엔 흡착 후와 광촉매 반응 후 얻은 C 1s 스펙트럼들이다. 76

〈그림 3.49〉a)는 산소가 있는 경우와 없는 경우의 톨루엔의 제거 속도에 대한 실험결과이다. 초기 30분 동안은 빛을 쪼여주지 않았으며 그 후 365 nm 자외선을 조사하였다. b)는 산소를 주입하지 않은 경우 반응기 안에 남아있는 미량의 산소가 없어지는 것을 반응시간의 함수로... 77

〈그림 3.50〉그림 3.49의 결과를 XPS로 확인하였다. a)는 산소와 톨루엔의 혼합가스에 시료가 노출된 후 얻은 결과이며 b)는 톨루엔만 반응기에 주입시킨 후 얻은 결과이다. 산소가 없을 때 톨루엔이 더 잘 흡착되어 C 1s 봉우리의 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 78

〈그림 3.51〉오븐에서 열처리하기 전과 후의 광촉매활성 변화에 대한 연구, 조건은 그림 2-3과 일치한다. a) 톨루엔 제거효율의 변화 b) 산소의 상대분압 감소 c) CO₂발생량 79

〈그림 3.52〉물처리한 시료위에는 실험 초반에는 톨루엔 흡착이 가능하다. 그러나 이후 광촉매 실험을 하고 다시 톨루엔 흡착실험을 반복할 경우 톨루엔 흡착이 관찰되지 않는다. 즉 물처리한 시료는 톨루엔 흡착이 용이하고 이는 초기 광촉매 효율을 높여주나 , 시간이 지나면 톨루엔... 80

〈그림 3.53〉XPS를 이용한 그림 3.51 반응성 실험과 같은 조건에서 일어나는 표면구조의 변화에 대한 연구. 반응기체 주입 후, 빛 조사이후 얻은 C 1s 스펙트럼들이다. 빛을 조사하지 않은 상태에서는 톨루엔에 의한 탄소의 상대적인 양의 증가가 거의 없는 것을 볼 수 있으며, 빛... 81

〈그림 3.54〉시료를 열처리하기 전과 후의 O 1s 스팩트럼들을 비교하였다. OH 그룹이 열처리 후 그 양이 감소하였음을 알 수 있다. 82

〈그림 3.55〉반응기체에 물이 있는 경우와 없는 경우의 열처리 시료의 광촉매활성의 차이를 비교하였다. 모든 조건은 앞과 같으며 산소와 물의 상대분압 비율은 30:1이었다. 83

〈그림 3.56〉ALD로 TiO₂를 Si wafer에 증착 시킨 후, 두께를 각각 타원계측법과 SEM으로 측정한 결과, 두 기기에 의해 측정된 두께가 거의 일치함을 확인할 수 있다. 85

〈그림 3.57〉TiO₂/AAO 시료 (170 싸이클s)의 cross-section image와 EDS data. AAO 기판으로는 Whatman 사의 Anodisc 13 (pore size : 200~300 nm, 전체 두께 : 60 μm, 직경 : 13nm)을 사용하였다. 86

〈그림 3.58〉TiO₂/AAO 시료의 광촉매 활성 측정실험 결과. 톨루엔의 상대적인 분압 변화가 측정되어 있다. 실험조건은 톨루엔 5 mtorr, 산소 20 mtorr, 질소 80 mtorr 였다. 88

〈그림 3.59〉ALD 공정으로 TiO₂(500 싸이클)를 탄소섬유 종이에 증착 시킨 후, SEM으로 측정한 결과. TiO₂/탄소섬유 시료의 topology (a)와 cross-section imanes (b). 90

〈그림 3.60〉TiO₂/탄소섬유 시료 (180 싸이클)의 cross-section image와 EDS data. 91

〈그림 3.61〉ALD로 TiO₂를 탄소섬유에 증착 시킨 후, XPS로 분석한 Ti 2p, O 1s, C 1s spectra. C 1s 각각의 최대 크기 값으로 표준화시킨 스펙트럼들도 보여지고 있다. 박막의 두께에 따른 결합 에너지의 변화가 각각의 경우에 대해서 정리되어 있다. 92

〈그림 3.62〉Ti 2P 대 C 1s 의 비율을 박막의 두께에 대한 함수로 도식하였다. 93

〈그림 3.63〉진공 및 UV (365nm)조사 조건에서의 TiO₂/carbon paper 시료의 톨루엔 (휘발성 유기 화합물) 제거 효율 측정 (a) 및 O₂(b) CO₂(c) 변화율. 95

〈그림 3.64〉Pulsed-CVD 와 ALD 공정을 비교한 그림. 98

〈그림 3.65〉Pulsed-CVD TiO₂를 carbon paper에 증착 시킨 후, XPS로 분석한 결과. 필름 두께에 따른 Ti 2p 의 변화를 보여주고 있다. 99

〈그림 3.66〉Pulsed-CVD TiO₂를 carbon paper에 증착 시킨 후, XPS로 분석한 결과. 필름 두께에 따른 O 1s의 변화를 보여주고 있다. 100

〈그림 3.67〉Pulsed CVD로 TiO₂를 carbon paper에 증착 시킨 후, SEMDM로 분석한 결과. 50 싸이클를 이용하여 증착시켰다. 101

〈그림 3.68〉Pulsed CVD로 TiO₂를 carbon paper에 증착 시킨 후, SEMDM로 분석한 결과. 200 싸이클을 이용하여 증착시켰다. 102

〈그림 3.69〉그림 3.68과 같은 시료의 XRD 결과를 박막 증착 전 시료의 데이터와 비교하였다. 103

〈그림 3.70〉본 실험에서 사용된 시료의 O 1s 내각준위 스펙트럼을 P-25 TiO₂시료의 스펙트럼과 비교하였다. 104

〈그림 3.71〉위는 본 실험에서 제조한 박막시료들의 톨루엔 제거효율을 정리한 것이다. 초기 300 mtorr의 톨루엔을 주입했는데 대부분 제거되는 것을 볼 수 있다. P-25 TiO₂시료 (아래)의 경우 훨씬 미량의 톨루엔도 제거시키지 못하는 성질을 보인다. 105

〈그림 3.72〉대기압 및 암실조건에서의 TiO₂/탄소섬유 시료의 휘발성 유기 화합물 제거 효율 측정 방법 (a) 및 반응 전후의 색 변화 결과 (b) 106

〈그림 3.73〉TiO₂박막시료들이 진공 조건에서 톨루엔 흡수 후에 변하는 것을 눈으로 확인할 수 있다. 107

〈그림 3.74〉AAO가 TiO₂코팅 전후에 톨루엔 흡착성질의 변화를 보임을 나타내는 모식도 111

〈그림 3.75〉a) 본 실험에서 사용된 AAO의 SEM 사진. 균일하게 형성된 기공을 볼 수 있다. b) TiO₂ 증착 후에 AAO를 녹여낸 후에 얻은 TEM사진. c) 다양한 시료들의 톨루엔 흡착실험 결과.... 112

〈그림 3.76〉a) 나노 다이아몬드 위에 TiO₂를 200 ALD 싸이클로 증착시킨 후 얻은 TEM 사진. b) 시료 a)의 톨루엔 흡착성질을 다른 탄소나노구조와 비교하였다. 모든 시료들의 표면적을 같게 시료의 질량을 조절하였으며, TiO₂박막의 톨루엔 흡착반응성이 가장 좋다. 113

〈그림 3.77〉a) 그림 3.76에서 실험하였던 나노 다이아몬드 표면위에 TiO₂가 증착된 시료와 같은 시료를 500 ℃ 로 열처리 한 후 톨루엔 흡착 실험한 결과 흡착력이 현저히 저하되었다. b-d는 이 시료를 열처리하기 전과 후에 얻은 XPS 결과이다. 114

〈그림 3.78〉나노 다이몬드 입자를 이용한 톨루엔 흡착 실험결과이다. 300 ℃ 열처리 후 처음의 톨루엔 흡착량과 그 이후 진공조건을 만들고 다시 톨루엔을 채운 후 실행한 두 번째 실험의 흡착량이 모두 같다.... 115

〈그림 3.79〉다중벽 탄소나노튜브를 이용한 톨루엔 흡착 실험결과이다. 300 ℃열처리 후 처음의 톨루엔 흡착량과 그 이후 진공조건을 만들고 다시 톨루엔을 채운 후 실행한 두 번째 실험의 흡착량이 모두 같다.... 116

〈그림 3.80〉TiO₂/NiO 입자를 이용한 톨루엔 흡착 실험결과이다. 300 ℃ 열처리 후 처음의 톨루엔 흡착량과 그 이후 진공조건을 만들고 다시 톨루엔을 채운 후 실행한 두 번째 실험의 흡착량이 모두 같다.... 117

〈그림 3.81〉탄소섬유위에 TiO₂를 다양한 ALD싸이클 수로 증착시킨 후에 얻은 SEM 사진들이다. a)는 섬유모양을 확인할 수 있는 저배율 사진들이고 b)는 각 섬유표면 위의 구조를 확인할 수 있는 고배율 사진들이다. 122

〈그림 3.82〉탄소섬유위에 TiO₂를 각기 다른 증착량을 이용하여 증착시킨 후 얻은 XPS 결과들이다. a) O 1s b) Ti 2p c) C 1s 내각 준위 결과이다. 123

〈그림 3.83〉그림 3.81, 82에서 분석결과를 보여준 시료들을 암실조건에서 메틸렌 블루 흡착에 이용하였다. 시간에 따라 줄어드는 메틸렌 블루의 양이 흡착량에 해당한다. 124

〈그림 3.84〉분 실험에서 800 ALD 싸이클을 이용하여 얻은 시료와 시료와 P-25 TiO₂시료의 O 1s 내각 준위 스펙트럼을 비교하였다. 125

〈그림 3.85〉a) 400 ALD 싸이클로 증착시킨 시료의 암실조건에서의 흡착에 의한 메틸렌 블루 제거와 UV빛을 이용한 광촉매적인 제거를 비교하였다. b) a)와 같은 실험을 800 ALD 싸이클로 제조한 시료를 사용하여 실행하였다. 126

〈그림 3.86〉메틸렌 블루의 암실 흡착과 광촉매 실험전후에 얻은 S 2p 내각준위 스펙트럼 800 ALD 싸이클 시료를 이용한 실험결과이다. 127

〈그림 3.87〉암실 조건에서 800 ALD 싸이클로 제조한 시료를 메틸렌 블루 용액에 담가두면 메틸렌 블루가 흡착되고 3시간 뒤에 모든 흡착자리가 포화된다. 이 시료를 UV에 노출시키면 흡착된 메틸렌 블루가 광분해에 의해서 제거되고 다시 흡착이 가능해 진다.... 128

〈그림 3.88〉왼쪽은 나노다이아몬드의 TEM 사진. 오른쪽은 나노다이아몬드의 확대된 이미지와 Raman 스펙트럼 이다. 132

〈그림 3.89〉나노다이아몬드의 IR 스펙트럼. 많은 작용기들이 표면을 덮고 있음을 알 수 있다. 133

〈그림 3.90〉P-25 TiO₂의 경우에는 톨루엔과 벤젠의 혼합물에 분산시켰을 경우 양쪽에 모두 분산이 된다. 나노다이아몬드에는 톨루엔에는 분산이 되지 않고 물에만 선택적으로 분산이 되며, 이는 나노다이아몬드가 표면 작용기들에 의해 친수성 표면 성질을 보임을 의미한다. 134

〈그림 3.91〉나노다이아몬드 위에 ALD로 TiO₂를 증착시키기 전 후 얻은 XRD 결과이다. TiO₂증착량은 ALD 싸이클 수가 증가할수록 증가하게 된다. 135

〈그림 3.92〉그림 3.91의 XRD 결과 중 나노다이아몬드와 TiO₂의 주 봉우리 부분을 확대한 그림이다. 136

〈그림 3.93〉나노 다이아몬드위에 TiO₂를 증착시킨 후에 얻은 XPS 결과이다. Ti 2p, O 1s, C 1s 내각 준위이며 ALD 싸이클 수가 증가하면서 TiO₂증착량이 커진다. 137

〈그림 3.94〉나노 다이아몬드 위에 100 및 500 ALD 싸이클로 TiO₂를 증착시킨 후 얻은 TEM 사진들이다. 확대된 이미지에서 원자 수준의 분해능으로 anatase 격자가 형성되었음을 알 수 있다. 138

〈그림 3.95〉P-25 TiO₂ 광촉매를 이용한 톨루엔 분해 실험결과. 데이터처리를 위하여 톨루엔을 흘려주면서 톨루엔의 분해에 의한 CO₂의 발생을 GC로 검출하고 (a) 이후 톨루엔 없이 빛 을 쪼여주면서 같은 실험을 하여 (b) a-b로부터 실질적으로 톨루엔의 분해에 의한 CO₂의 발생... 139

〈그림 3.96〉a) 100 및 ALD 싸이클로 TiO₂를 나노다이아몬드 위에 올린 시료, b) 500 싸이클로 증착시킨 시료, c) P-25 TiO₂의 톨루엔 광촉매 분해에 의한 CO₂발생을 비교하였다. 140

〈그림 3.97〉그림 3.96와 같은 실험들에서 얻은 톨루엔 농도의 시간에 따른 변화량. 그림 3.96, 97 에서 시간이 지남에 따라서 광촉매의 활성이 피독화에 의해서 줄어듦을 볼 수 있고, 100 ALD 싸이클을 이용한 시료의 피독화가 제일 덜하다. 141

〈그림 3.98〉광촉매 반응이 진행되는 동안 (35 시간) 그림 3.96, 97의 세 시료들에 의해 (a) 생성되는 CO₂의 총량과(b) 제거되는 톨루엔의 양을 비교한 결과. 본 실험 결과는 그림 3.97, 98의 결과를 적분하여 얻은 결과이다. 142

〈그림 3.99〉그림 3.96, 97의 세 시료들을 반응성 실험 전 후 IR로 분석하였다. 143

〈그림 3.100〉그림 3.99 중 반응 후 주로 변한 부분을 확대하였다. 144

〈그림 3.101〉본 연구에서 개발된 새로운 발수 코팅을 제조하기 위해 사용한 실험 방법의 모식도. 149

〈그림 3.102〉위는 본 연구에 Ni 입자들의 SEM사진들이다. 이 입자들로 이루어진 표면의 물 접촉각은 높지 않으나 (아래 왼쪽) 발수 코팅 후에 초발수 현사이 나타난다 (아래 오른쪽). 150

〈그림 3.103〉탄소섬유위에 Ni을 촉매로 이용하여 CVD로 탄소 나노구조를 성장시켰다. 여기에 발수코팅을 입힐 경우 초발수 현상, 즉 물의 접촉각이 150° 이상인 현상을 관찰할 수 있다. 151

〈그림 3.104〉본 연구에서 새로 개발한 발수 코팅이 입혀진 Ni 입자들을 센 산과 센 염기용액에 분산시킨 뒤 말려서 에폭시 접착제 위에 고르게 발려놓고, 물의 접촉각을 측정한 결과 초발수성이 계속 유지된다는 것을 볼 수 있다. 152

〈그림 3.105〉스테아산 박막이 입혀진 Ni 입자들의 경우 산상 용액의 접촉각은 시간이 지날수록 작아진다. 하지만 본 연구에서 개발한 발수 코팅의 경우에는 시간이 지나도 높은 접촉각이 유지된다. 153

〈그림 3.106〉a) 발수 코팅이 된 NiO 나노입자의 TEM사진. b-d) 발수코팅된 Ni 입자의 XPS 결과. 154

〈그림 3.107〉왼쪽 그림은 전형적인 흑연 구조 박막의 라만 스펙트럼이다. NiO 나노입자를 PI 필름과 같은 쳄버에서 열처리하여 흑연구조의 박막을 얻었다. 흑연구조에서 보이는 D, G 봉우리들을 확인할 수 있다.... 155

〈그림 3.108〉P-25 TiO₂나노입자들은 물과 톨루엔의 혼합물에 분산되면 양쪽의 용매에 모두 분산이 된다. TiO₂를 발수 코팅을 할 경우에는 톨루엔에만 선택적으로 분산되는 효과가 있다. 뒷면에 검은 선은 TiO₂나노입자들이 용매에 잘 분산되어 있는 경우 잘 안 보이며, 분산되지... 156

〈그림 3.109〉증류수에 톨루엔을 몇 방울 떨어뜨리면 서로 섞이지 않기 때문에 불균일 혼합물이 형성된다. 여기에 발수 코팅을 한 Ni 입자들을 분산시키게 되면 발수 코팅은 비극성인 톨루엔과만 선택적으로 상호작용을 하게 되어 톨루엔이 있는 곳에 Ni 입자들이 엉겨 붙게 된다.... 157

〈그림 3.110〉본 실험에서 CO 제거 실험에 대한 개략적인 모식도이다. 161

〈그림 3.111〉본 실험에서 사용한 시료인 TiO₂/NiO 200 싸이클의 TEM 사진이다. 162

〈그림 3.112〉NiO 와 TiO₂/NiO 시료의 Ti 2p 스펙트럼을 비교한 결과이다. 싸이클 수가 증가할수록 Ti 2p 봉우리의 세기가 증가함을 알 수 있다. 163

〈그림 3.113〉NiO 와 TiO₂/NiO 시료의 IR 분광법 결과를 비교하였다. 164

〈그림 3.114〉TiO₂를 IR 분석 장비를 이용하여 분석한 결과이며, 1336Cm-1 부근에 흡수 곡선이 없음을 알 수 있다.(이미지참조) 165

〈그림 3.115〉반응기 내부 흡착에 의한 기체의 변화량을 보정하기 위해 촉매 없이 190 ℃에서 반응성 실험을 진행하였다. 166

〈그림 3.116〉CO 산화반응성의 결과처리 방법이다. CO 산화반응은 1:1 (반응한 CO:생성된 CO₂)로 반응하기 때문에 CO₂의 측정값을 이용하여 CO 기체의 변화량을 예측할 수 있다. 167

〈그림 3.117〉반응 온도가 170℃일 때의 CO 산화의 싸이클 수에 따른 반응성을 측정한 결과이다. 사각형안의 부분이 촉매의 흡착량을 보여주며, 싸이클 수가 증가함에 따라 흡착량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 168

〈그림 3.118〉반응 온도 190℃일 때의 CO 산화의 싸이클 수에 따른 반응성을 측정한 결과이다. 사각형안의 부분이 촉매의 흡착량을 보여주며, 싸이클 수가 증가함에 따라 흡착량이 줄어드는 것을 알 수 있다. 169

〈그림 3.119〉TiO₂/나노다이아몬드 촉매를 이용한 CO 산화 실험 결과이며, TiO₂에서는 CO 산화 반응이 일어나지 않음을 확인하였다. 170

〈그림 3.120〉NiO의 terrace부분은 CO 산화 반응이 생기며 binding이 강한 edge부분에는 CO 흡착이 주로 일어난다. TiO₂가 NiO에 증착시 binding이 강한 edge부분에 선택적으로 증착되어 CO흡착을 막지만 terrace부분은 반응성을 유지해준다. 171

〈그림 3.121〉ALD를 이용하여 합성한 TiO₂를 NiO 분말에 증착 시킨 후, XPS 분석한 결과이다. ALD 싸이클 수에 따른 Ti 2p의 변화를 보여주고 있다. 175

〈그림 3.122〉본 실험에서 사용된 TiO₂/NiO 200 싸이클 촉매의 TEM 사진이다. 176

〈그림 3.123〉TiO₂/NiO 200 싸이클 촉매를 이용하여 200 ℃에서 톨루엔 산화 실험을 진행하여 GC를 이용하여 얻은 a) CO₂와 b) 톨루엔의 결과이다. 177

〈그림 3.124〉180℃에서 온도를 유지시켜 시간에 따라 a) CO₂와 b)톨루엔 변화량을 GC를 통해 측정한 반응성 결과이다. 178

〈그림 3.125〉시간에 따라 시료에 흡착되는 톨루엔의 변화량을 GC를 이용하여 측정한 결과이다. NiO 와 TiO₂/NiO 200 싸이클 시료의 흡착을 통한 톨루엔의 변화량을 비교하였다. 179

〈그림 3.126〉일정한 속도로 온도를 증가시키면서 생성되는 CO₂의 변화를 GC를 이용하여 측정한 TPR결과이다. a) NiO와 TiO₂/NiO 200 싸이클 시료의 온도를 0.25 ℃/min 속도로 30 에서 320 ℃까지 온도를 증시키며 CO₂의 변화량 측정하여 비교하였다.... 180

〈그림 3.127〉TiO₂가 각각 ALD 40, 400, 1000 싸이클을 통하여 NiO 위에 증착된 샘플의 Ti 2p 의 XPS 스펙트럼을 비교·도시하였다. 각각의 스펙트럼은 비교를 위하여 Ni 2p 봉우리의 크기로 정규화 되었다.... 182

〈그림 3.128〉자외선 영역의 빛 (365 nm)를 쬐었을 때의 각각의 샘플의 메틸렌 블루에 대한 광촉매적 분해 활성을 비교하였다. TiO₂가 증착된 NiO의 경우, 그 활성이 TiO₂가 증착되지 않은 NiO 와 거의 같거나 오히려 떨어짐을 확인할 수 있다. 183

〈그림 3.129〉빛이 있을 때와 없을 때의 각각 샘플의 메틸렌 블루 제거 효율 측정결과를 비교하였다. 광촉매 활성이 있는 P-25의 경우, 빛이 있을 때와 없을 때의 메틸렌 블루 제거 능력이 크게 차이가 있는 반면에 TiO₂가 증착된 NiO 와 TiO₂가 증착되지 않은 NiO 의 경우, 메... 184

〈그림 3.130〉ALD로 TiO₂를 NiO에 증착 시킨 후, XPS로 분석한 Ti 2p 내각 준위 스펙트럼이다. 각 스펙트럼은 Ni 2p 스펙트럼을 기준으로 봉우리의 크기를 정규화시켰다. 186

〈그림 3.131〉본 연구에 사용된 촉매의 XRD pattern을 보여주고 있다. TiO₂/NiO 시료에서 NiO; ●, Ni ;▲, TiO₂; ■의 결정성을 가짐을 확인 할 수 있으며, NiO 분말에 증착된 TiO₂는 열처리 (500 ℃) 후 anatase의 결정성을 보임을 알 수 있다. 187

〈그림 3.132〉TiO₂/NiO 450 싸이클 촉매의 a) UV 및 b) 가시광선 조사를 통한 톨루엔 광분해 활성을 GC 장비를 이용하여 측정한 연구결과이다. 188

〈그림 3.133〉TiO₂/NiO 750 싸이클 촉매의 가시광선 조사를 통한 톨루엔 광분해 활성을 기체크로마토그래프 장비를 이용하여 측정한 연구결과이다. 189

〈그림 3.134〉ALD 100 싸이클을 통하여 NiO를 증착시킨 TiO₂분말의 Ni 2p XPS 스펙트럼이다. 191

〈그림 3.135〉ALD 100 싸이클을 통하여 NiO를 증착시킨 TiO₂분말의 자외선 조사를 통한 톨루엔 광분해 활성을 GC 장비를 이용하여 측정한 연구결과이다. 192

〈그림 3.136〉GC를 이용하여 ACF의 흡·탈착 실험을 3 단계로 진행하였다. 단계 1 : 물과 톨루엔에 의해서 시료를 포화시키는 단계 ; breakthrough curve, 단계 2 : 물과 톨루엔 기체의 밸브를 잠가서 시료에 강하게 흡착되어있는 기체분자 외의 분자들을 제거하는 단계, 단계 3... 195

〈그림 3.137〉GC를 이용하여 측정한 Bare-ACF의 breakthrough curve 결과. 톨루엔과 물과의 경쟁흡착으로 인해 roll-up 현상이 나타난다. 196

〈그림 3.138〉Bare-ACF와 각각 100 ℃, 250 ℃에서 DLC 코팅을 한 ACF 시료의 breakthrough curve를 비교한 결과. 197

〈그림 3.139〉Bare-ACF와 각각 100 ℃, 250 ℃에서 DLC 코팅을 한 ACF 시료의 TPD 결과. 198