화염 분무 열분해법에 의한 MO(M=Zn, Mg, Ni and Ba) 나노 입자의 제조

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002 Vol. 8, No. 1

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002 Vol. 8, No. 1

서대종, 류경옥, 강윤찬^, 박승빈

한국과학기술원 샘명화학공학과

한국화학연구원 화학소재부^

Synthesis of MO(M=Zn, Mg, Bi and Ba) Nano particle by flame spray pyrolysis

Dae Jong Seo, Ryu Kyung Ok, Yun Chan Kang^ and Seung Bin Park

Department of Chemical & Biomolecular Engineering, KAIST

Advanced Materials Division, Korea Research Institute of Chemical Technology^

서  론

최근 십 수년간 나노 입자는 벌크 입자와는 다른 기계적, 광학적, 화학적, 전기화학적 특징들로 인해 많은 관심을 받아왔다. 입자의 크기가 100 나노 미터 이하로 작아지는 경우 입자의 내부에 존재하는 분자의 수와 입자의 표면에 존재하는 분자의 수의 비가 벌크 입자와는 크게 달라지게 되고 입자의 여러 가지 특성도 입자 내부의 분자보다는 입자 표면의 분자에 크게 영향을 받게 된다. 이러한 벌크 입자와의 상이한 특징으로 인하여 나노 입자는 다양한 관심의 대상이 되어왔다.[1]

이러한 나노 입자의 제조는 지금까지 다양한 방법으로 시도되었다. 먼저 벌크 입자를 나노 크기까지 기계적으로 분쇄할 수 있다. 그러나 이러한 분쇄는 많은 어려움이 따르고 제조된 입자도 표면의 결함이나 분쇄 중 불순물 유입 등의 문제점을 가지고 있다. 기계적인 분쇄 외에도 chemical vapor deposition, laser ablation, sputtering 등의 기상법이나 sol-gel, precipitation 등의 액상법도 나노 입자의 제조를 위해 사용되었다. 그러나 이러한 방법들은 생산 속도가 너무 느리고, 자본 집약적인 장치를 요구하거나 시작 물질의 가격이 고가여서 제조되는 나노 입자의 가격 또한 고가로 이용에 어려움이 있다.[2]

고온 에어로졸 분해법 또는 분무열분해법이라고 불리우는 방법은 구형의 입자를 제조하는 방법으로 최근 형광체 제조 등의 분야에서 많은 연구가 진행되었다. 이러한 분무열분해법은 전구체 용액의 농도나 액적의 크기를 조절하여 직접 입자의 크기를 조절할 수 있으므로 이를 이용한 나노 입자의 제조도 시도되었다. 또한 MgO와 ZnO의 경우 이미 언급한 방법 외에도 전구체 물질을 변화시키면 제조되는 입자의 일차 입자들이 분리되어 나노 입자를 생성하는 것이 관찰되었다.[3,4]

본 연구에서는 일반적인 에어로졸 분해법보다 고온을 제공할 수 있는 화염을 이용한 에어로졸 분해법을 이용하여 전구체 물질의 종류에 따른 다양한 단성분계 산화물의 나노입자의 제조 여부를 확인하여 보았다.[5,6]

실  험

ZnO, MgO, NiO BaO 등의 나노 입자를 제조하기 위하여 Zinc와 Magnesium, Nickel, Barium의 질산염과 아세트산 염을 각각 사용하여 입자를 제조하였다. 각각의 전구체 물질은 증류수에 용해시켜 0.3M의 전구체 용액을 제조하였다. 화염을 형성하기 위하여 연료로는 프로판 가스, 산화제로는 산소를 사용하였고 화염의 온도를 유지하기 위해 액적을 화염 내부로 이동시키는 운반기체는 산소를 사용하였다. 다양한 화염조건을 이용하여 각각의 전구체 물질들의 아세트산 염과 질산염의 전구체 용액에서 제조된 입자들의 형태를 확인하여 보았다.

X 선 회절기(X-ray diffractometer)를 이용해 입자의 결정구조와 상을 분석하였으며, 입자의 형태는 주사 전자 현미경(SEM, Scanning electron microscopy)과 투과 전자 현미경(TEM, Transmission electron microscopy)를 사용하여 분석하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 화염에 의한 에어로졸 분해법에 의해서 제조된 ZnO 입자의 SEM 사진이다. 같은 화염 조건에서 제조한 ZnO 입자라고 하더라도 전구체 물질의 종류에 따라서 다른 형태적 특징을 보였다. Zinc nitrate를 전구체 물질로 사용한 경우에는 제조된 입자는 아직 일차 입자들이 모인 마이크론 크기의 입자의 형태를 보이고 있다. 그러나 Zinc acetate를 사용하여 제조한 ZnO의 경우에는 일차 입자들이 모두 분리되어 나노 입자의 형태를 띄고 있다. 전구체 종류에 따라 제조되는 입자의 형태적인 특성은 큰 차이를 보이지만 제조된 입자의 결정성에는 큰 차이가 보이지 않는다. Fig. 2는 Zinc nitrate와 Zinc acetate를 각각 전구체 물질로 이용하여 화염에 의한 에어로졸의 분해법에 의해 제조된 입자의 XRD 패턴이다. 보이는 바와 같이 전구체 물질의 차이나 입자 형태의 차이에도 불구하고 제조된 ZnO 입자는 같은 결정성을 보였다. Fig. 3,4,5는 각각 Magnesium acetate, Nickel acetate, Barium acetate를 이용하여 제조한 MgO, NiO, BaO 입자의 SEM 사진들이다. 그림에서 알 수 있듯이 모두 나노 입자의 생성을 확인할 수 있었다.

화염에 의한 에어로졸 분해법에 의해서 각각의 물질들은 서로 다른 화염조건에서 나노 입자의 생성을 나타냈다. 그러나 각각의 물질들의 공통점은 같은 조건에서 질산염을 사용하는 경우보다는 아세트산염을 사용하는 경우 나노 입자의 제조가 용이하였다는 점이다. 또한 일반적인 분무열분해법에서는 오직 MgO와 ZnO의 경우만이 나노 입자의 생성이 가능한 것으로 알려져 있고 NiO 등의 경우에는 아세트산염을 사용하는 경우에도 제조되는 입자는 일반적인 분무열분해법에서 제조되는 크기의 입자가 제조된다. 그러나 화염을 이용한 에어로졸 분해법에서는 고온의 화염을 이용하여 극한의 제조 조건을 제공함으로써 일반적인 분무열분해법에서는 마이크론 크기의 입자가 제조되는 NiO 등에 대해서도 나노 입자의 제조가 가능하다.

감사

본 연구는 2000-2001 한영 국제 공동 연구 과제의 일부입니다. 과학기술부에서 지원받아 수행되었습니다.

참고문헌

1. C. Bickmore, B. Galde, T. Yadav and J. Freim,: U. S. Patent 5,984,997 (1998)

2. C. Bickmore, K. F. Waldner, D. R. Treadwell and R. M. Laine, J. Am. Ceram. Soc., 79[5] 1419 (1996)

3. T.J. Gardner and G. L. Messing, Am. Ceram. Soc. Bull., 64 1498 (1984)

4. X. Zhao, B. Zheng, C. Li and H. Gu, Powder Tech., 100 20 (1998)

5. Y. C. Kang, D. J. Seo, S. B. Park and H. D. Park, Jap. J. Appl. Phys. 1, 40[6A] 4083 (2001)

6. J. karthikeyan, C. C. Berndt, J. Tikkanen, J. Y. Wang, A. H. King and H. Herman, Nanostruct. Mater. 8[1] 61 (1997)

(a) from zinc nitrate

(b) from zinc acetate

Fig. 1 SEM images of ZnO prepared by flame aerosol decomposition.

Fig. 2 XRD pattern of ZnO particles prepared by flame aerosol decomposition.

Fig. 3 SEM image of MgO nanoparticles prepared by flame aerosol decomposition.

Fig. 4. SEM image of NiO nanoparticles prepared by flame aerosol decomposition.

Therories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

Fig. 5. SEM image of BaO nanoparticles prepared by flame aerosol decomposition.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002 Vol. 8, No. 1