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SUMMARY
CONTENTS
목차
I. Engineered 보강재를 이용한 환경친화성 바이오 신소재 개발 연구 28
제1장 서론 30
제2장 바이오 신소재 국내ㆍ외 기술개발 현황 34
제1절 바이오 신소재 관련 국내ㆍ외 기술개발 현황 34
제2절 전기방사법에 의한 나노섬유 관련 국내ㆍ외 기술현황 38
제3장 1차년도 연구결과 요약 40
제4장 2차년도 연구결과 요약 42
제5장 3차년도 연구내용 44
제1절 바이오 신소재의 내구성 실험 44
제2절 바이오 신소재의 환경친화성 분석 55
제3절 전기방사를 이용한 나노섬유의 제조 및 특성분석 64
제6장 결론 81
참고문헌 83
II. 가시광 감응 광촉매 나노코팅 입자 개발 86
제1장 서론 88
제1절 연구배경 88
제2절 광촉매 (Photocatalyst) 92
제3절 화학기상증착 (CVD) 96
1. CVD의 정의와 이용 96
2. CVD의 장점과 단점 97
3. CVD와 다른 코팅 기술과의 비교 97
제4절 유동층 (Fluidized Bed) 98
제5절 국내외 기술개발 현황 101
1. 국내 기술개발 현황 101
2. 국외 기술개발 현황 102
3. 국내외 유사기술과의 차별성 103
제6절 연구의 내용 및 범위 104
1. 개발목표 104
2. 개발내용 104
3. 연차별 주요 사업 내용 104
4. 기대성과 105
제2장 가시광 감응 광촉매 나노입자 제조 107
제1절 유동층 화학기상증착 (FB-CVD) 107
제2절 유동층 화학기상증착 장치 109
제3절 유동층 화학기상증착 실험 114
제3장 가시광 감응 광촉매 입자의 특성화 118
제1절 SEM/EDXS 분석 118
제2절 XRD 분석 121
제3절 XPS 분석 123
제4절 UV/Vis 반사율 측정 125
제5절 가시광 반응성 측정 125
제4장 결론 130
참고문헌 132
III. 카본 나노 물질의 형상제어 및 고효율 제조기술 개발 134
제1장 서론 136
제1절 개요 136
제2절 연구목표 및 내용 137
제2장 열분해법을 이용한 탄소나노튜브 합성 실험 141
제1절 실험장치 및 합성 기본 원리 141
제2절 자일렌-페로씬 용액을 이용한 탄소나노튜브의 합성 143
1. 합성시간에 따른 영향 144
2. 반응장치의 합성온도에 따른 영향 144
3. 합성되는 위치에 따른 영향 145
4. 자일렌에 포함된 페로씬의 농도에 따른 영향 147
제3절 에탄올-페로씬 용액을 이용한 탄소나토뷰브의 합성 149
1. 초음파 기화 방식을 이용한 탄소나노튜브의 합성 149
2. 촉매분말 (catalyst powder)을 이용한 탄소나노튜브의 합성 150
3. Hot plate 액적 기화 방식을 이용한 탄소나노튜브의 합성 152
4. 반응장치 내에서 탄소소스의 직접분사 방식을 이용한 탄소나노튜브의 합성 153
제3장 유해물질 흡착특성 및 검지성능 실험 결과 155
제1절 시료의 준비 155
제2절 흡착제의 BET 측정 및 질소 흡착 특성 분석 159
제3절 흡착실험장치 및 원리 160
제4절 벤젠분압에 따른 흡착 실험결과 161
제5절 유해물질 흡ㆍ탈착 실험결과 162
제6절 유해물질 검지 능력 실험 172
제4장 에너지전극 물질로서 탄소나노튜브 합성 174
제1절 그라파이트 박판 위에 탄소나노튜브 합성 174
제2절 니켈 박판 위에 탄소나노튜브 합성 177
제5장 결론 179
참고문헌 182
IV. 나노입자를 이용한 환경정화용 나노기공체 개발 184
제1장 서론 186
제1절 기술의 개요 186
1. 연구의 필요성 186
2. 새로운 나노기공체 제조 방법 제안 187
제2절 연구 목표 188
제2장 연구 내용 및 결과 190
제1절 실험 장치 및 실험 방법 190
1. 레이저 애블레이션 장치 및 실험 방법 190
2. 화학기상증착 장치 및 실험 방법 192
제2절 금속 나노입자 합성 및 나노기공체 제조 194
1. 금속 나노입자 합성 194
2. 금속 나노입자 기공체 제조 202
제3절 탄소나노튜브 나노기공체 제조 219
1. 금속 표면상에서의 촉매 나노입자 생성 219
2. 금속섬유 필터 상의 탄소나노튜브 성장 및 나노기공체 합성 220
3. 탄소나노튜브 나노기공체 구조 형상 제어 225
제3장 결론 231
참고문헌 233
서지정보양식 235
I. Engineered 보강재를 이용한 환경친화성 바이오 신소재 개발연구 28
〈표 2-1〉 세계의 바이오 신소재 연구기관 및 연구개발 내용 37
〈표 5-1〉 생분해 환경 조건(퇴비 조건) 56
〈표 5-2〉 바이오 신소재의 생분해성 60
〈표 5-3〉 헤네켄 천연섬유 생분해성에 대한 전자빔 조사 영향 60
〈표 5-4〉 나노셀룰로오즈 보강 바이오 신소재의 생분해성 60
〈표 1-1〉 유동층 화학기상증착에서 사용할 수 있는 모재 및 코팅제 90
〈표 2-1〉 철과 티타니아 동시 증착 실험조건 (실험실 규모의 FB-CVD 장치) 116
〈표 2-2〉 철과 티타니아 동시 증착 실험조건 (실용화 규모의 FB-CVD 장치) 117
〈표 3-1〉 알루미나 비드에 철을 박막증착한 샘플의 표면 조성 120
III. 카본 나노물질의 형상제어 및 고효율 제조기술 개발 134
〈표 1-1〉 연구목표 및 내용 139
〈표 3-1〉 흡착 물질의 특성 171
〈표 2-1〉 레이저 애블레이션 기법으로 코발트 나노입자 합성을 위한 실험조건 196
〈표 2-2〉 CNT 합성조건에 따른 CNT 나노구조 형상 비교 226
[그림 1-1] 바이오 신소재의 순환시스템 31
[그림 1-2] 바이오 신소재 개발 관련기술 32
[그림 5-1] 천연섬유의 수분흡수량 46
[그림 5-2] 바이오 신소재 및 고분자매트릭스의 수분흡수량 46
[그림 5-3] 천연섬유의 내구성 시간 경과에 따른 열분해 특성 47
[그림 5-4] 고분자매트릭스 및 바이오 신소재의 내구성 시간에 따른 열분해 특성 48
[그림 5-5] 바이오 신소재 및 고분자매트릭스의 저장탄성률 및 Tan delta 변화 50
[그림 5-6] 내구성 시간에 따른 바이오 신소재 및 고분자매트릭스의 저장탄성률 변화 51
[그림 5-7] 내구성 실험 전후의 고분자매트릭스 표면변화 53
[그림 5-8] 내구성 실험 전후의 바이오 신소재 표면 변화 54
[그림 5-9] 바이오 신소재 생분해성 가속화 평가실험 개요도 57
[그림 5-10] 바이오 신소재의 생분해도와 이산화탄소 발생량 비교 61
[그림 5-11] 천연섬유 생분해도와 이산화탄소 발생량에 대한 전자빔 조사영향 62
[그림 5-12] 셀룰로오즈 나노섬유 및 이를 보강재로 한 바이오 신소재의 생분해도 및 이산화탄소 발생량 63
[그림 5-13] 전기방사장치 67
[그림 5-14] 셀룰로오즈 디아세테이트의 탈아세틸화 과정 68
[그림 5-15] 셀룰로오즈 아세테아트의 탈아세틸레이션 모식도 69
[그림 5-16] 셀룰로오즈 아세테이트의 다양한 용액에서 전기방사한 셀룰로오즈 아세테이트 나노섬유의 전자주사현미경 사진 71
[그림 5-17] 셀룰로오즈 아세테이트 방사용액(17 wt%)의 시간에 따른 점도변화 73
[그림 5-18] 아세트산 용액의 산 농도에 따른 점도 변화 73
[그림 5-19] 아세트산 용액의 산 농도에 따른 표면장력 74
[그림 5-20] 아세트산 용액의 산 농도에 따른 전기전도도 변화 74
[그림 5-21] 다양한 농도의 용매에서 방사된 나노섬유의 전자주사현미경 75
[그림 5-22] 아세트산 수용액의 아세트산 농도에 따른 평균 섬유 직경 변화 76
[그림 5-23] 용액 전도도와 셀룰로오즈 아세테이트 나노섬유 평균직경 연관성 76
[그림 5-24] 셀룰로오즈 아세테이트 나노섬유평균 섬유 직경과 접촉각 연관성 77
[그림 5-25] 상온에서 탈아세틸화 시간에 따른 FT-IR 스펙트럼 변화 79
[그림 5-26] 탈아세틸레이션 전후의 셀룰로오즈 아세테이트 형상 80
[그림 1-1] 유동층 화학기상증착 (FB-CVD) 장치의 개념도 91
[그림 1-2] 광촉매의 반응 메커니즘 94
[그림 1-3] 광촉매의 반응 경로 94
[그림 1-4] 유동층내 흐름영역과 압력강하 100
[그림 2-1] 실험실 규모 유동층 화학기상증착 (FB-CVD) 장치의 사진 109
[그림 2-2] 실용화 규모 유동층 화학기상증착 (FB-CVD) 장치의 사진 110
[그림 2-3] 실용화 규모 FB-CVD 장치 개념도 111
[그림 2-4] 실용화 규모 FB-CVD 장치 조립도 112
[그림 3-1] 실험실 규모 장치에서 제조된 TiO₂/Al₂O₃ 입자의 표면과 단면 SEM 사진 119
[그림 3-2] 실용화 규모 장치에서 제조된 FeTiO₂/유리비드의 표면 SEM 사진 119
[그림 3-3] 알루미나 비드에 철을 박막증착한 샘플의 EDXS 결과 120
[그림 3-4] XRD pattern of TiO₂/Al₂O₃ 121
[그림 3-5] 각각 다른 막 두께에 따른 티타니아/글라스비드의 XRD 패턴(A: anatase, R: rutile) 122
[그림 3-6] 층온도에 따른 티타니아/글라스비드의 XRD 패턴(300 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃).(A: anatase, R: rutile) 123
[그림 3-7] 실용화 장치에서 제조된 티타니아/철 동시증착 비드의 철 증착 예 124
[그림 3-8] 실용화 장치에서 제조된 티타니아/철 동시증착 비드의 티타니아 증착 예 124
[그림 3-9] FeTiO₂ 광촉매 박막증착 비드의 UV/Vis 반사율 측정 125
[그림 3-10] BLED용 시스템 개념도와 반응기 126
[그림 3-11] 가시광촉매 반응기 127
[그림 3-12] BLED 조사 가시광 감응 광촉매 반응장치 127
[그림 3-13] 철 승화온도에 따른 가시광 감응 광촉매의 반응성 측정 결과 128
[그림 3-14] 가시광촉매 비드의 흡착성 실험 129
III. 카본 나노물질의 헝상제어 및 고효율 제조기술 개발 134
[그림 1-1] 탄소나노튜브에 대한 연구 138
[그림 2-1] 탄화수소계 연료-페로씬에 의한 금속 용액 141
[그림 2-2] 탄소나노튜브 제조용 열분해 반응 장치 142
[그림 2-3] 탄소나노튜브 제조용 열분해 반응장치 설치 전경 142
[그림 2-4] Pyrolysis process 143
[그림 2-5] 합성시간에 따른 탄소나노튜브의 길이 변화 144
[그림 2-6] 페로씬 6.5 mol%가 포함된 자일렌 용액을 이용하여 합성온도에 따라 성장시킨 탄소나노튜브에 대한 Raman scattering 145
[그림 2-7] 페로씬 6.5 mol%가 포함된 자일렌 용액을 이용하여 합성 위치에 따라 성장시킨 탄소나노튜브의 SEM 이미지 및 TGA 분석 결과 146
[그림 2-8] 자일렌에 포함된 페로씬의 농도에 따라 성장시킨 탄소나노튜브에 대한 TEM 이미지 및 TGA 분석 결과 148
[그림 2-9] 에탄올-페로씬 용액으로 제조한 탄소나노튜브의 TGA 측정값 149
[그림 2-10] 촉매분말을 이용한 탄소나노튜브의 합성 151
[그림 2-11] 촉매분말을 이용한 탄소나노튜브의 합성 결과 151
[그림 2-12] hot plate의 기화 방식을 이용한 탄소나노튜브의 합성 결과 152
[그림 2-13] 에탄올 직접 분사장치를 이용한 탄소나노튜브의 합성 153
[그림 2-14] 에탄올 직접 분사장치를 이용한 탄소나노튜브의 합성 결과 153
[그림 2-15] 탄소나노튜브의 Raman 분석 결과 154
[그림 3-1] 다중벽 나노튜브의 SEM 이미지- (a) 원시료, (b) 1시간 sonication과 HCL 하루 처리, (c)와 (d) 70도에서 30% HNO₃ 용액으로 처리 156
[그림 3-2] 단일벽 나노튜브와 활성탄의 SEM 이미지- (a) 단일벽탄소나노튜브 원시료, (b) 단일벽탄소나노튜브HCL 처리, (c) 단일벽탄소나노튜브 HNO₃ 처리 (d) 활성탄 (granule type) 157
[그림 3-3] 다중벽탄소나노튜브와 단일벽탄소나노튜브의 Raman scattering 분석 결과 158
[그림 3-4] BET와 질소흡착능력-(a) 다중벽탄소나노튜브 HCL+HNO₃, (b) 단일벽탄소나노튜브-non, (c) 단일벽탄소나노튜브-HNO₃ 처리 (d) 단일벽탄소나노튜브-HCL 처리 (e) granule type의 활성탄 (f) 분말 형태의 활성탄 160
[그림 3-5] 유해물질 흡, 탈착 실험장치의 개략도 161
[그림 3-6] 벤젠 분압에 따른 흡착제의 흡착 능력 평가 162
[그림 3-7] 상온에서 활성탄에 대한 벤젠의 흡착 및 물리흡착량 162
[그림 3-8] 각 흡착제의 벤젠에 대한 화학적 흡착량 163
[그림 3-9] 각 흡착제의 벤젠에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 165
[그림 3-10] 각 흡착제의 클로로벤젠에 대한 화학적 흡착량 165
[그림 3-11] 각 흡착제의 벤젠에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 166
[그림 3-12] 각 흡착제의 톨루엔에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 167
[그림 3-13] 각 흡착제의 자일렌에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 167
[그림 3-14] 각 흡착제의 나프탈렌에 대한 화학적 흡착량 168
[그림 3-15] 각 흡착제의 나프탈렌에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 168
[그림 3-16] 각 흡착제의 에틸벤젠에 대한 화학적 흡착량의 TGA 미분값 169
[그림 3-17] 질산 처리한 단일벽탄소나노튜브의 유해물질에 대한 화학적 흡착량 170
[그림 3-18] 유해물질 센서용 전극 172
[그림 3-19] 톨루엔과 벤젠에 대한 측정 결과 173
[그림 4-1] 그라파이트 박판 위에 합성된 탄소나노튜브의 SEM 이미지 174
[그림 4-2] 그라파이트 박판 위에 합성된 탄소나노튜브의 TEM 이미지 175
[그림 4-3] 그라파이트 박판 위에 합성된 탄소나노튜브를 이용한 백금 촉매 코팅 176
[그림 4-4] 니켈 박판 위에 합성된 탄소나노튜브의 SEM 이미지 177
[그림 4-5] 니켈 박판 위에 합성된 탄소나노튜브의 Raman spectrum 이미지 178
[그림 4-6] 니켈 박판 위에 합성된 탄소나노튜브의 TEM 이미지 178
[그림 1-1] 나노기공체 제조 방법 188
[그림 2-1] 나노입자 합성 장치 구성도 191
[그림 2-2] 나노입자 합성 장치 사진 191
[그림 2-3] 화학기상증착 장치 구성도 193
[그림 2-4] 화학기상증착 장치 사진 193
[그림 2-5] Q-switch delay 시간에 따른 laser energy 보정 195
[그림 2-6] 타겟 시편 물성에 따른 나노입자 합성 특성 195
[그림 2-7] 질소 가스 분위기에서의 레이저 에너지 크기에 따른 코발트 나노입자 응집체 크기 분포; (a) 질소가스 유량: 1.5 slm, (b) 3 slm 197
[그림 2-8] 질소 가스 분위기에서의 레이저 포크싱 면적 크기에 따른 코발트 나노입자 응집체 크기 분포; (a) 질소가스 유량: 1.5 slm, (b) 3 slm 199
[그림 2-9] 질소 가스 분위기에서의 레이저 포크싱 면적 크기에 따른 코발트 나노입자 응집체 크기 분포; (a) 질소가스 유량: 1.5 slm, (b) 3 slm 200
[그림 2-10] 질소 가스와 아르곤 가스 분위기에서의 코발트 나노입자의 합성 특성 비교 201
[그림 2-11] 질소 가스 분위기에서의 레이저 애블레이션 조건에 따른 니켈 나노입자 응집체의 크기 분포 변화 203
[그림 2-12] 마이크로 섬유 필터 상에 나노입자 응집체 부착 상태 (dP = 1.5 mbar @ Uf= 2.2 cm/s)(이미지참조) 204
[그림 2-13] 나노입자 부착량에 따른 나노입자 기공체 필터의 여과효율 비교. 205
[그림 2-14] 나노입자 기공층의 열처리 온도에 따른 형상 변화 (dP = 6 mbar @ Uf= 4.2 cm/s)(이미지참조) 206
[그림 2-15] 열처리 온도에 따른 나노기공체 필터의 차압 변화 (dP = 6, 12 mbar @ Uf= 4. 2 cm/s)(이미지참조) 207
[그림 2-16] 나노입자 기공층의 열처리 온도에 따른 형상 변화 (dP = 15 mbar @ Uf= 4.2 cm/s)(이미지참조) 208
[그림 2-17] 열처리 온도에 따른 나노기공체 필터의 차압 변화 (dP = 15 mbar @ Uf= 4.2 cm/s)(이미지참조) 209
[그림 2-18] 소결 온도에 따른 나노입자 응집체의 크기 및 수농도분포 변화 210
[그림 2-19] 소결 온도에 따른 나노입자 응집체의 형상 변화 211
[그림 2-20] 소결온도에 따라 형상이 변형된 나노입자 응집체로 이루어진 나노기공체 필터의 차압 변화 (dP = 2 mbar @ Uf= 4. 2 cm/s)(이미지참조) 212
[그림 2-21] 나노입자 응집체 형상 변화에 따른 나노입자 기공체 필터의 여과효율 비교 (dP = 2 mbar @ Uf= 4.2 cm/s)(이미지참조) 213
[그림 2-22] 소결온도에 따라 형상이 제어된 나노입자 응집체로 이루어진 나노기공층 멤브레인 필터 표면 형상 비교 (dP = 10 mbar @ Uf= 4. 2 cm/s)(이미지참조) 215
[그림 2-23] 소결온도에 따라 형상이 변형된 나노입자 응집체로 이루어진 나노기공체 필터의 차압 변화 (dP = 10 mbar @ Uf = 4. 2 cm/s)(이미지참조) 216
[그림 2-24] 나노입자 응집체 형상 변화에 따른 나노입자 기공체 필터의 여과효율 비교 (dP = 10 mbar @ Uf = 4.2 cm/s)(이미지참조) 217
[그림 2-25] 나노입자 응집체 형상 변화에 따른 나노입자 기공체 필터의 여과효율 비교 (dP = 10 mbar @ Uf = 4.2 cm/s)(이미지참조) 218
[그림 2-26] 수소 가스 유량에 따른 스테인리스 스틸 금속 표면의 SEM 사진;희석 아르곤 가스유량:1,000 sccm, 환원온도 : 600 ℃, 환원시간 : 10 min; (a) 수소 가스 유량: 200 sccm, (b) 400 sccm, (c) 600.sccm 219
[그림 2-27] 스테인리스 스틸 섬유상 금속필터의 SEM 사진 221
[그림 2-28] 스테인리스 스틸 섬유상 금속필터로부터 성장된 CNT의 SEM 사진 221
[그림 2-29] 스테인리스 스틸 섬유상 금속필터에 직접 성장된 CNT의 TEM 사진 222
[그림 2-30] 기존 스테인리스 스틸 금속필터와 CNT가 성장된 금속필터의 압력손실과 여과효율 특성 비교 224
[그림 2-31] CNT가 성장된 금속필터 상에 시험 분진입자의 부착 상태를 보여주는 SEM 사진 224
[그림 2-32] CNT 합성조건에 따른 CNT 나노구조 비교, (a) CNT-filter A, (b) CNT-filter B, (c) CNT-filter C 225
[그림 2-33] CNT 합성조건에 따른 CNT 나노구조 비교, (a) CNT-filter B, (b) CNT-filter D, (c) CNT-filte E, (d) CNT-filte F, and (e) CNT-filter G 227
[그림 2-34]'CNT-filter B'의 CNT 합성조건에서 합성된 CNT의 TEM 사진 227
[그림 2-35] CNT 합성조건에 따른 CNT 나노기공층 필터의 가스 저항율 비교 228
[그림 2-36] CNT 합성조건에 따른 CNT 나노기공층 필터의 여과효율 비교 229
[그림 2-37] 마이크로 금속섬유 필터상에 성장된 (a) bush-like 또는 (b) web-like 나노구조의 CNT에 의한 NaCl 시험입자 부착 상태 비교 230