열플라즈마를 이용한 SiO2-TiO2 나노분말의 제조

공정구, 오성민, 박동화

인하대학교 화학공학과

Preparation of SiO2-TiO2	Nano-Particles by Thermal Plasma

Jeong-Gu Gong, Seung-Min Oh and Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University

1 서론

최근 나노재료에 대한 연구는 세계적으로 큰 관심을 모으고 있으며, 전 세계적으로 나노구조 재료에 대한 시장이 급격히 성장하고 있다[1,2]. 나노 재료는 통상 100 nm이하의 입자로 이루어지며, 일반적인 재료에 비해 기계, 전기, 전자, 화학적인 특성이 탁월하여 기능성 소재 및 환경분야를 중심으로  모든 분야에서 각광을 받고 있으며, 이에대한 연구가 광범위하게진행되고 있다[3,4]. 이러한 우수한 특성을 지니는 나노 재료들을 복합화 한 나노 복합재료는 더욱 기능이 향상된 새로운 특성을 보여준다.

TiO2분말은 탁월한 특성으로 화장품, 촉매, 세라믹, 첨가제등으로 폭넓게 사용되고 있으며 환경분야에서 광촉매로의 응용에 관심을 모으고 있다. 최근 이와 같은 TiO2의 특성향상을 위해 나노 복합체의 연구가 진행되어지고 있다[5]. SiO2-TiO2는 우수한 화학적, 열역학적, 광학적 특성으로 촉매와 촉매지지체로 중요한 역할을 한다. 또한, SiO2가 dopping된 TiO2분말은 향상된 특성을 얻는다[6].

열플라즈마 공정은 초고온, 고활성, 초급냉의 탁월한 특성으로 인해 나노분말합성에 있어서 첨단공정으로 주목받고 있다[7]. 또한, 연속공정이 용이하고 출발원료를 고체, 액체, 기체등으로 다양하게 선택할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열플라즈마 공정을 이용하여 SiO2을 doping함으로써 TiO2 미분체의 특성을 향상시키고 고품질의 SiO2-TiO2 복합산화물을 얻고자 한다.

2 실험

실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같다. 장치는 플라즈마 발생부, 반응부, 포집부 및 배기부로 구성된다. 토치부는 수냉시킨 텅스텐 음극봉과 노즐출구가 8mm인 동 양극으로 이루어졌다. 반응부와 포집부는 스테인레스 이중관으로 제작되었으며, 원료물질은 micro 펌프를 이용하여 반응관으로 주입하였다. 내부직경이 40mm인 반응관은 quenching영역인 포집부로 이어진다. 배출가스는 금속 filter를 사용하여 합성된 분말을 포집한 후, 배기부에서 배출가스 중의 염산 또는 염소가스를 scrubber로부터 처리하였다.

플라즈마제트는 대기압에서 아르곤가스로 방전시켰으며, 반응기 내부가 가압되는 것을 방지하기 위하여 약 750torr 정도로 조금 감압시켰다. 원료인 TiCl4와 SiCl4는 미리 혼합한 후 micro 펌프를 이용하여 액상으로 플라즈마 불꽃내부로 공급하였으며, 반응가스인 산소는 반응관의 중간, 포집용기의 상부에 각각 공급하여 실험을 수행하였다.

실험의 세부조건을 표 1에 나타내었다. 합성된 미립자는 반응관의 벽, 포집용기 및 filter에 부착된 것을 XRD(PW 1710, Philips co.), SEM(Hitachi S-4200), TEM(JEOL 2000FX/EDX), FTIR(BOMAM MB-Series)로 분석하였다.

Fig. 1. Schemetic diagram

of experimental apparatus

Table 1 Experimental conditions

Plasma power	300A, 8kW
Plasma gas(Ar, He)	15 l/min
Reaction gas(O2)	0-10 l/min
TiCl4	0.3-2 ml/min
SiCl4	0.3-2 ml/min

3 결과 및 토론

포집위치와 dopping에 따른 X-ray 회절분석의 결과는 Fig. 2.에 나타냈다. SiO2의 유입농도가 증가함에 따라 anatase의 함량이 증가함을 보이고 있다. 이것은 Si이온이 Ti이온보다 충분히 작아서 티타니아 격자 사이로 들어감으로써 anatase에서 rutile로의 상전이를 방해하기 때문이다. 또한, 반응관에서 포집한 경우에는 포집기에서 얻은 분말에 비해 rutile의 함량이 높음을 볼 수 있다. 이것은 반응관에서는 quenching에 의해 급격히 입자가 냉각되기 때문이다.

분말의 FTIR 분석결과로 Si-O-Ti 결합에 대한 피크강도을 Fig. 3에 나타냈다. SiO2 농도를 증가시킴에 따라 증가함을 보였다.  SiO2 농도가 일정농도 이상으로 증가되면 Si-O-Ti 결합의 결합 피크강도가 낮아진다.

Fig. 3. a) TEM and b) SEM  micrographs of the powder of 0.02SiO2·0.98TiO2

Fig. 2. X-ray diffraction patterns of

the powder as ratio of SiO2

(a)-(d) : collected on reaction tube

(e)-(f) : collected on collection vessel

Fig. 3. FTIR spectra of the powder as ratio          of SiO2 (collected on collection vessel)

(a) 2% SiO2   (b) 5% SiO2  (c) 10% SiO2

(d) 20% SiO2  (e) 0% SiO2(TiO2)

합성된 분말의 형태는 Fig. 3.의 전자현미경 사진으로부터 관찰할 수 있다. 포집기에서 얻어진 분말은 100 nm이하의 구형태로 나타났다.

참고문헌

1. M. N. Ritter and T. Abraham, □The Nanostructured Materials Industry", Am. Ceram. Soc. Bull., 76(6), 51-53(1997).

2. H. Gleiter, "Nanostructured Materials", Adv. Mater., 4(7/8), 474-481(1992)

3. C. Suryanyana and F. H. Froes, "The structure and Mechenical Properties of Metallic Nanocrystal", Metall. Trans., 23A, 1071-1081(1992).

4. A. P. Alivisatos, "Semiconductor Nanocrystall", MRS Bull., Aug., 23-32(1995)

5. Ron Dagani, "Putting The 'Nano' into Composites", C＊EN., 25-37(1999)

6. Mahandrimannana Andrianainariverio, "Mixed Oxides SiO2-ZrO2 and SiO2-TiO2 by a non-hydrolytic sol-gel route", J. Mater. Chemi., 1665-1671(1996)

7. Seung-Min Oh, Dong-Wha Park, □Preparation of AlN Powder by  Thermal Plasma Processing", Thin Solid Films, 189-194(1998)