열플라즈마로 합성된 TiO2 분말의 응용

김승세, 오성민, 박동화

인하대학교 화학공학과

Application of Titanium Dioxide Powders synthesized by Thermal Plasma

Seung-se Kim, Seung-min Oh, Dong-Wha Park

Department of Chemical Engineering, Inha University

1 서론

최근 나노구조에 대한 연구는 세계적으로 큰 관심을 모으고 있으며, 전 세계적으로 나노구조 재료에 대한 시장이 급격히 성장하고 있다[1,2]. 나노상 재료는 통상 100 nm이하로 이루어지며, 일반적인 재료에 비해 기계, 전기, 전자, 화학적인 특성이 탁월하여 기능성 소재 및 환경분야를 중심으로 모든 분야에서 각광을 받고 있다[3,4]. 최근 다양한 응용분야를 가지는 초미립 복합재료에 대한 연구가 여러 가지로 진행되고 있다. 나노상 재료가 가지는 우수한 특성과 더불어 단일성분 재료들의 특성을 공유할 수 있는 나노상 복합재료는 종래와는 다른 새로운 우수한 특성을 보여준다. TiO2 분말은 탁월한 특성을 가지고 있어 화장품, 촉매, 세라믹, 첨가제 등으로 폭넓게 사용되고 있으며 환경분야에서는 광촉매로서 응용되어지고 있다[5]. 최근에 광조사시의 높은 산화력과 환원력을 이용하여 물과 공기 중 유기물질의 광분해 연구가 활발히 진행되어지고 있다.

본 연구의 목적은 열플라즈마를 이용하여  나노사이즈의 Titanium dioxide를 제조하고 입자크기와 상조성에 따른 VOCs의 분해 효과를 보고자 한다. TiO2의 제조시 원료물질로 TiCl4를 이용하였고 반응기에서 생성되어 포집한 분말은 X-ray diffractometer, Scanning electron microscope와 Transmission electron microscope로 분석하였다. 필터에서 포집된 분말은 반응기 tube나 vessel에서 포집된 분말보다 anatase의 함량이 더 많고 더 작은 사이즈 크기의 입자를 얻을 수 있었다. 입자는 구형의 모양을 나타내었다. 제조된 분말의 광활성 실험에는 UV lamp를 이용하여 VOCs의 일종인 acetaldehyde의 분해실험을 시행하였다.

2. 실험방법

TiO2제조 실험장치의 계략도는 Fig. 1과 같다. 장치는 플라즈마 발생부, 반응 및 포집부로 구성된다. 원료물질은 액상 TiCl4를 Ar gas로 bubbling하여 reaction tube 상부로 주입하였다. 배출가스는 금속 filter를 사용하여  합성된  TiO2 분말을 포집한 후 배기부에서 배출가스중의 염산 또는 염소가스를 scrubber로부터 처리하였다. Table 1에서는 실험조건을 나타내었다. 제조된 TiO2 분말의 광분해 특성을 분석하기 위하여 acetaldehyde의 분해실험을 순환식 UV 반응장치를 사용하여 수행하였다. UV 반응장치의 계략도는 Fig. 2에 나타내었다. UV 반응장치는 acetaldehyde 혼합부, UV reactor, pump로 이루어져있다. 제조한 분말을 에탄올에 고르게 분산시켜 6개의 quartz관에 얇게 coating하여 UV에 노출하였다. UV lamp는 360 nm의 주파장대를 갖는 빛을 방사하는 100 W UV 형광등을 사용하였다. 반응기 내부온도는 약 100℃로 유지하고 운반 및 희석기체는 공기를 사용하여 10000 ppm으로 고정하였다. 반응기 내부로 도입된 기상 acetaldehyde는 reservoir에서 공기로 희석시킨 후 펌프로 충분히 순환시키면서 실험하였다. 제조된 TiO2는 XRD (PW 1710, Philips co.)와 SEM (Hitachi S-4200) 을 통해 분말의 상조성과 입경분포를 분석하였으며 광활성 실험에서의 반응물의 농도변화는 Gas chromatography (Chrompack CP9001, FID)를 사용하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1에서 제조된 TiO2의 XRD 분석 결과는 Fig. 3에 나타내었다. XRD 피크의 분석결과 anatase 상의 함량이 약 80%이고 rutile의 함량은 20%를 나타내었다. Ar carrier gas의 유량을 변화시켜 rutile의 함량을 조절할 수 있었다. 이것은 유량증가에 따라 고온영역의 플라즈마 불꽃 중심부로 들어가는 TiCl4의 함량이 증가하기 때문이라고 고찰된다[6]. Fig. 4에는 SEM 분석 결과를 나타내었다. 입자의 size는 30 nm에서 150 nm의 분포를 나타내고 구형의 입자들이 형성됨은 관찰할 수 있었다.

Fig. 5에서는 제조한 분말의 광활성 실험에 의한 acetaldehyde의 분해 실험 결과를 나타내었다. anatase의 함량에 따른 분해 효과를 비교하기 위해 실험조건을 달리하여 만든 size는 비슷한 분포를 가지나 rutile의 함량이 각각 20%와 40%의 TiO2와  Degussa P25를 이용한 분해실험도 같이 수행하였다. 그 결과 anatase의 함량이 많은 TiO2가 더 빠른 시간에 높은 분해율을 보이는 것은 확인할 수 있었다.

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

Fig. 1 Schmetic 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

Fig. 2 Schematic diagram of photochemical reactor

Fig. 4 SEM photograph of TiO2 powder collected filter

Fig. 3 XRD pattern of synthesized TiO2 using plasma processing

Fig. 5 Photodegradation of Acetaldehyde