KR100443197B1 - A method for producing semiconductor oxide particles coated with titanium oxide - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물 반도체 입자를 형성시키는 1 단계와 1 단계에서 형성된 입자를 티탄화합물 용액에 분산시키면서 특정한 파장을 가지는 빛을 조사하여 입자의 표면에 산화티탄 박막을 코팅시키는 2 단계 및 상기 2 단계에서 코팅된 입자를 일정한 방법으로 처리하여 안정화시키는 3 단계로 입자를 제조함으로써 기존에 자외선 조사로서 광촉매능을 나타내던 광촉매와 달리 자외선보다 긴 파장을 가지는 가시광선에 의해서도 우수한 광촉매 특성을 나타내는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide, and more particularly, to irradiate light having a specific wavelength while dispersing the particles formed in the first step and the first step of forming the oxide semiconductor particles in the titanium compound solution Unlike the photocatalyst, which exhibits photocatalytic ability as UV irradiation, the particles are prepared in two steps of coating the titanium oxide thin film on the surface of the particles and three steps of stabilizing the coated particles in the second step. The present invention relates to a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide, which exhibits excellent photocatalytic properties even with visible light having a longer wavelength.

Description

산화 티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조 방법{A method for producing semiconductor oxide particles coated with titanium oxide}A method for producing semiconductor oxide particles coated with titanium oxide}

본 발명은 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물 반도체 입자를 형성시키는 1 단계와 1 단계에서 형성된 입자를 티탄화합물 용액에 분산시키면서 특정한 파장을 가지는 빛을 조사하여 입자의 표면에 산화티탄 박막을 코팅시키는 2 단계 및 상기 2 단계에서 코팅된 입자를 일정한 방법으로 처리하여 안정화시키는 3 단계로 입자를 제조함으로써 기존에 자외선 조사로서 광촉매능을 나타내던 광촉매와 달리 자외선보다 큰 파장을 가지는 가시광선(태양광의 주성분)에 의해서도 우수한 광촉매 특성을 나타내는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide, and more particularly, to irradiate light having a specific wavelength while dispersing the particles formed in the first step and the first step of forming the oxide semiconductor particles in the titanium compound solution Unlike the photocatalyst, which exhibits photocatalytic ability as UV irradiation, the particles are prepared in two steps of coating the titanium oxide thin film on the surface of the particles and three steps of stabilizing the coated particles in the second step. The present invention relates to a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide, which exhibits excellent photocatalytic properties even with visible light having a larger wavelength (the main component of sunlight).

반도체는 띠 간격 에너지(band-gap energy) 이상의 에너지를 가진 빛이 조사될 경우에는 가전자대(valence band)의 전자가 전도대(conduction band)로 여기하여, 가전자대에는 정공(positive hole, h+)의 농도가 증가하고 전도대에서는 전자(electron, e-)의 농도가 증가한다.When the semiconductor is irradiated with light with energy above band-gap energy, electrons in the valence band are excited as the conduction band, and positive holes (h + ) are in the valence band. increasing the concentration of the conduction band and the electron-increasing the concentration of the (electron, e).

빛의 조사에 의해 증가된 정공이나 전자는 열적평형을 위하여 직접재결합(direct recombination)하거나 반도체 표면으로 이동한 후 재결합 할 수 있다.Holes or electrons increased by light irradiation can be recombined directly after recombination or transfer to the semiconductor surface for thermal equilibrium.

상기 반도체 표면으로 이동한 정공과 전자가 반도체 표면에 흡착된 이온이나 분자와 결합하면 빛이 조사되지 않는 경우 다른 생성물이 얻어진다. 이런 과정을 광촉매작용(Photocatalysis)이라 부르고 광촉매작용이 일어나는 반도체를 광촉매라 한다.When holes and electrons that migrate to the semiconductor surface are combined with ions or molecules adsorbed on the semiconductor surface, other products are obtained when light is not irradiated. This process is called photocatalysis and the semiconductor in which the photocatalysis occurs is called photocatalysis.

광촉매 특성을 나타내는 물질은 산화티탄 (TiO2), 산화아연 (ZnO), 산화철 (Fe2O3) 등이 있으며, 특히, 산화티탄은 항균, 항오, 자기 정화능 및 친수성 등의 성질을 가지고 있어 항균성 제품의 제조, 수질과 토양의 정화 등 각종 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다.Titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ) and so on exhibit photocatalytic properties. In particular, titanium oxide has properties such as antibacterial, antifouling, self-purifying and hydrophilic properties. It is widely used in various industries such as manufacturing antimicrobial products, water quality and soil purification.

산화티탄은 전기전도도를 나타내는 주된 운반체가 전자인 n형 반도체이다. 일반적으로 산화티탄의 광촉매능은 빛에 의해 생성된 정공 또는 전자와 표면의 화학종 사이에서 일어나는 반응이 커질수록 증가한다.Titanium oxide is an n-type semiconductor whose primary carrier showing electrical conductivity is electrons. In general, the photocatalytic ability of titanium oxide increases as the reaction between the holes or electrons generated by light and the species on the surface increases.

그러나, 산화티탄의 띠 간격 에너지가 rutile의 3.0(λ= 410nm) 또는 anatase 3.2(λ= 380 nm) 전자볼트이므로 띠간격 에너지보다 큰 에너지를 갖는 410 nm 이하의 파장을 가진 자외선에 의하여 광촉매능을 가지기 때문에, 자외선보다 긴 파장을 가지는 주로 가시광선 영역으로 이루어지는 태양광선에 의해서는 광촉매능의 효율이 매우 낮다.However, since the band gap energy of titanium oxide is 3.0 (λ = 410 nm) or anatase 3.2 (λ = 380 nm) electron volts of rutile, photocatalytic activity is achieved by UV light having a wavelength of 410 nm or less having an energy greater than the band gap energy. Therefore, the efficiency of photocatalytic ability is very low by the sunlight which mainly consists of visible region which has a wavelength longer than an ultraviolet-ray.

상기 산화티탄을 산업분야에 적용시킬 경우 광촉매능을 증진시키기 위하여별도의 자외선 조사가 반드시 필요하며, 따라서 산화티탄 외에도 자외선 조사에 필요한 각종 장비와 기술이 요구된다.When the titanium oxide is applied to an industrial field, a separate ultraviolet irradiation is necessary to enhance the photocatalytic ability, and thus, various equipment and techniques required for ultraviolet irradiation in addition to titanium oxide are required.

또한, 자외선은 인체에 각종 부작용을 일으키고 피부암을 유발시키기도 하여, 자외선 조사장치를 다루는 사람에게 유해한 효과를 나타낼 수 있으므로 자외선 보호장비 등을 별도로 준비해야하는 번거로움이 문제점으로 지적된다.In addition, ultraviolet rays cause various side effects on the human body and cause skin cancer, and may cause a harmful effect on the person handling the ultraviolet irradiation device, it is pointed out that the trouble of separately preparing ultraviolet protection equipment.

따라서, 자외선보다 긴 파장을 가지는 인체에 무해한 가시광선 등이 주로 포함된 태양광선으로 산화티탄의 광촉매능을 증진시키기 위한 연구가 계속 진행되고 있다.Therefore, researches for improving the photocatalytic ability of titanium oxide with solar rays mainly containing visible rays, which are harmless to the human body having a wavelength longer than ultraviolet rays, continue to be conducted.

그 일례로서, 도핑(doping)법을 적용시키는데, 산화티탄에 소량의 금속 양이온을 도핑하여 산화티탄의 금지대 내에 별도의 에너지 준위를 만들고, 그 에너지 준위로부터 가시광선을 조사하여 전자를 여기시키고자 하는 시도가 있었다.As an example, a doping method is applied, in which a small amount of metal cations are added to titanium oxide to create a separate energy level within the titanium oxide ban band, and to excite electrons by irradiating visible light from the energy level. There was an attempt.

그러나, 상기의 산화티탄 금지대내에 도핑하여 새로 생성된 에너지 준위가 광생성된 전자와 정공의 재결합 자리로 다시 이용됨으로서 상기 반도체 표면으로 이동하여 화학반응을 촉진시켜야 하는 전자와 정공의 농도가 줄어들기 때문에 광촉매능은 현저히 향상되지 않은 문제점이 있다(M. Anpo, Cata. Surv. Jpn. 1. 169.(1997)).However, the concentration of electrons and holes, which must be moved to the surface of the semiconductor to promote chemical reactions by doping into the titanium oxide ban and being used as a recombination site of photogenerated electrons and holes, is used again. Therefore, there is a problem that the photocatalytic ability is not significantly improved (M. Anpo, Cata. Surv. Jpn. 1. 169. (1997)).

최근에 금속 양이온 대신에 질소나 산소의 음이온을 도핑시키고자 하는 연구가 진행되고 있으며, 400 nm 이상의 파장을 가지는 빛에서도 광촉매능을 갖는 산화티탄이 보고되었다(R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Tage, SCIENCE Vol 293, 13(269-271) July 2001.; T. Ihara, M. Miyoshi, M. Ando, S. Sugiharaand Y. Iriyama, J. Mater. Sci. 36 (2001), 4201-4207).Recently, studies have been conducted to dope anions of nitrogen or oxygen in place of metal cations, and titanium oxides having photocatalytic activity in light having a wavelength of 400 nm or more have been reported (R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Tage, SCIENCE Vol 293, 13 (269-271) July 2001 .; T. Ihara, M. Miyoshi, M. Ando, S. Sugiharaand Y. Iriyama, J. Mater.Sci. 36 (2001), 4201-4207).

그러나, 상기 방법은 질소나 산소 분위기에서 레이져 등을 사용하여 산화티탄을 부분적으로 가열하기 때문에 도핑의 균질성이 떨어지고 시간이 지남에 따라 도핑된 질소나 산소가 배출되어 버리는 문제점이 있다.However, since the method partially heats the titanium oxide using a laser or the like in a nitrogen or oxygen atmosphere, the homogeneity of the doping is poor and the doped nitrogen or oxygen is discharged over time.

상기한 방법들 외에, 산화티탄의 표면적을 증가시키고 산화티탄 내부의 전자와 정공의 재결합을 억제하여 표면으로 이동하는 전자, 정공의 농도를 높이기 위해 산화티탄을 작은 크기의 알갱이로 만드는 연구(대한민국 특허출원 제 2000-0067090호) 가 있으며 이를 기질 위에 접착시키는 방법(대한민국 특허출원 제2000-006570호, 대한민국 특허출원 제1999-0046492호)이 보고되었다.In addition to the above methods, research has been made to make titanium oxide into small grains to increase the concentration of electrons and holes that move to the surface by increasing the surface area of titanium oxide and inhibiting recombination of electrons and holes in titanium oxide (Korean patent) Application No. 2000-0067090) and a method of adhering it onto a substrate (Korean Patent Application No. 2000-006570, Korean Patent Application No. 1999-0046492) have been reported.

그러나 이 방법은 산화티탄의 띠 간격 에너지를 줄이지 못하므로 가시광선 영역에서의 광촉매능은 향상되지 않는 문제점이 있다.However, this method does not reduce the band gap energy of titanium oxide, so that the photocatalytic ability in the visible light region does not improve.

따라서, 자외선보다 긴 파장을 가지면서 인체에 유해하지 않은 태양광선의 조사로도 높은 광촉매 특성을 나타내며, 번거로운 장비 등으로 인한 사용상의 문제점을 해결할 수 있는 광촉매의 개발이 절실한 실정이었다.Therefore, the development of a photocatalyst that has a longer wavelength than ultraviolet rays and exhibits high photocatalyst characteristics even by irradiation of sunlight that is not harmful to the human body and can solve problems in use due to troublesome equipment and the like.

이에, 본 발명의 발명자들은 산화티탄이 아닌 다른 반도체, 즉, 산화티탄의 띠 간격 에너지보다 낮은 띠 간격 에너지를 갖는 산화물 반도체를 작은 입자로 제조하고 티탄화합물 용액에 분산시킨 후 일정한 에너지를 가지고 있는 특정 파장의 빛을 조사하여 산화물 반도체 표면에 산화티탄을 코팅시켰다. 이렇게 제조된산화티탄이 코팅된 산화물 반도체에서 가시광선 영역의 빛을 조사하면, 산화물 반도체에서 생성된 정공과 전자들이 코팅된 산화티탄으로 이동되어 산화티탄의 표면에서 화학 반응을 진행시킴을 알게되어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention can prepare a semiconductor having a constant energy after dispersing a semiconductor other than titanium oxide, that is, an oxide semiconductor having a band gap energy lower than the band gap energy of titanium oxide into small particles and dispersing it in a titanium compound solution. The light of the wavelength was irradiated to coat titanium oxide on the surface of the oxide semiconductor. When the titanium oxide coated oxide semiconductor was irradiated with light in the visible region, holes and electrons generated in the oxide semiconductor were transferred to the coated titanium oxide, thereby performing a chemical reaction on the surface of the titanium oxide. The invention has been completed.

따라서, 본 발명은 산화티탄보다 낮은 띠 간격 에너지를 가지는 산화물 반도체를 작은 입자로 제조하는 단계와 상기 입자에 특정파장의 빛을 조사하여 정공과 전자를 발생시켜 상기 입자를 산화티탄으로 코팅시키는 단계와 상기 코팅된 입자를 소결처리하여 안정성을 부여하는 단계를 포함하여 이루어지고, 자외선보다 긴 파장을 가지면서 인체에 무해한 태양광선에서도 높은 광촉매 특성을 나타내는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a method for manufacturing an oxide semiconductor having a band gap energy lower than that of titanium oxide, using small particles, and irradiating light with a specific wavelength to generate holes and electrons to coat the particles with titanium oxide. Sintering the coated particles to provide stability, and provides a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide having a longer wavelength than ultraviolet rays and exhibiting high photocatalytic properties even in sunlight harmless to the human body Its purpose is to.

도 1 은 실시예 1 에 의하여 제조된 산화니켈 입자의 표면 전자 현미경 사진이다.1 is a surface electron micrograph of nickel oxide particles prepared according to Example 1. FIG.

도 2 는 실시예 2 에 의하여 제조된 산화철 입자의 표면 전자 현미경 사진이다.FIG. 2 is a surface electron micrograph of the iron oxide particles prepared in Example 2. FIG.

도 3 은 실시예 3 에 의하여 제조된 산화텅스텐 입자의 표면 전자 현미경 사진이다.3 is a surface electron micrograph of the tungsten oxide particles prepared in Example 3.

도 4 는 도 3 을 확대하여 나타낸 산화텅스텐 입자의 표면 전자 현미경 사진이다.4 is a surface electron micrograph of tungsten oxide particles shown in an enlarged view of FIG. 3.

도 5 는 광음향 분석기(Photoacoustic spectroscopy)의 개략적 구조를 나타낸 것이다.5 shows a schematic structure of a photoacoustic spectroscopy.

도 6 은 산화티탄을 석영플레이트에 코팅한 후 얻은 UV-VIS 스펙트럼이다.6 is a UV-VIS spectrum obtained after coating titanium oxide on a quartz plate.

도 7 은 실시예 1 에 의하여 제조된 산화니켈 입자와 산화티탄이 코팅된 산화니켈 입자의 광음향 스펙트럼이다.7 is a photoacoustic spectrum of nickel oxide particles and titanium oxide coated nickel oxide particles prepared in Example 1. FIG.

도 8 은 실시예 1 에 의하여 제조된 산화티탄이 코팅된 산화니켈 입자를8 shows nickel oxide particles coated with titanium oxide prepared in Example 1

석영플레이트에 코팅한 후 얻은 UV-VIS 스펙트럼이다.It is the UV-VIS spectrum obtained after coating on a quartz plate.

도 9 는 실시예 2 에 의하여 제조된 산화철 입자와 산화티탄이 코팅된 산화철입자의 광음향 스펙트럼이다.9 is a photoacoustic spectrum of iron oxide particles and titanium oxide coated iron oxide particles prepared by Example 2.

도 10 은 실시예 2 에 의하여 제조된 산화티탄이 코팅된 산화철 입자를 석영플레이트에 코팅한 후 얻은 UV-VIS 스펙트럼이다.10 is a UV-VIS spectrum obtained after coating titanium oxide coated iron oxide particles prepared in Example 2 on a quartz plate.

도 11 는 실시예 3 에 의하여 제조된 산화텅스텐 입자와 산화티탄이 코팅된 산화텅스텐 입자의 광음향 스펙트럼이다.11 is a photoacoustic spectrum of tungsten oxide particles and titanium oxide coated tungsten oxide particles prepared in Example 3.

도 12 은 실시예 3 에 의하여 제조된 산화티탄이 코팅된 산화텅스텐 입자를 석영플레이트에 코팅한 후 얻은 UV-VIS 스펙트럼이다.12 is a UV-VIS spectrum obtained after coating the titanium oxide coated tungsten oxide particles prepared in Example 3 on a quartz plate.

도 13 은 실시예 4 에 의하여 제조된 산화 제 1 구리와 산화티탄이 코팅 된 산화 제 1 구리 입자의 광음향 스펙트럼이다.FIG. 13 is a photoacoustic spectrum of cuprous oxide and titanium oxide coated copper oxide prepared in Example 4. FIG.

도 14 는 실시예 4 에 의하여 제조된 산화 제 1 구리와 산화티탄이 코팅된 산화 제 1 구리 입자의 광음향 신호의 상 이동(Phase Shift)을 비교한 것이다.FIG. 14 compares phase shifts of photoacoustic signals of cuprous oxide and titanium oxide coated copper oxide prepared in Example 4. FIG.

도 15 는 실시예 4 에 의하여 제조된 산화티탄이 코팅된 산화 제 1 구리15 is a cuprous oxide coated with titanium oxide prepared in Example 4

입자를 석영플레이트에 코팅한 후 얻은 UV-VIS 스펙트럼이다.It is the UV-VIS spectrum obtained after coating the particles on the quartz plate.

도 16 은 크세논 램프의 자외선을 차단하지 않은 빛을 실시예에서 제조된 시료가 코팅된 석영플레이트에 조사했을 때 상대적 메틸렌블루의 분해 광촉매능을 비교한 그림이다.FIG. 16 is a diagram comparing the decomposition photocatalytic ability of relative methylene blue when irradiated with a sample of the sample prepared in Example was irradiated with the ultraviolet light of the xenon lamp.

도 17 은 자외선을 차단시킨 크세논 램프의 빛을 실시예에서 제조된 시료가코팅된 석영플레이트에 조사했을 때 상대적 메틸렌블루의 분해 광촉매능을 비교한 그림이다.17 is a diagram comparing the decomposition photocatalyst ability of the relative methylene blue when the light of the xenon lamp blocking the ultraviolet rays is irradiated on the quartz plate coated with the sample prepared in Example.

본 발명은 산화티탄을 포함하여 구성되는 광촉매의 제조방법에 있어서, 1) 3.0 전자볼트 미만인 띠 간격 에너지를 가지는 산화물 반도체를 형성할 수 있는 금속염 용액을 수송용 기체 중에 초음파로 분산시킨 후 다단계로 구성된 100 ∼ 1200 ℃의 전기로를 통과시켜 작은 입자를 만드는 단계; 2) 상기 1 단계에서 제조된 산화물 반도체 입자를 티탄화합물 용액에 분산시키고 빛을 조사하면서 교반시켜 입자 표면을 산화티탄으로 코팅시키는 단계; 및 3) 상기 2 단계에서 제조된 산화티탄으로 코팅된 입자를 원심분리하여 수거한 다음 기체 중 또는 진공상태에서 소결시키는 단계를 포함하여 이루어지는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법을 그 특징으로 한다.The present invention provides a method for producing a photocatalyst comprising titanium oxide, comprising: 1) multistage dispersing a metal salt solution capable of forming an oxide semiconductor having a bandgap energy of less than 3.0 electron volts in a transport gas and ultrasonically. Making small particles through an electric furnace at 100-1200 ° C .; 2) coating the surface of the particle with titanium oxide by dispersing the oxide semiconductor particles prepared in step 1 in a titanium compound solution and stirring while irradiating light; And 3) collecting the titanium oxide coated particles prepared in step 2 by centrifuging the particles, and then sintering in a gas or in a vacuum state. do.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 산화물 반도체 입자를 형성시키는 1 단계와 1 단계에서 형성된 입자를 특정한 파장을 가지는 빛을 조사하여 입자의 표면에 산화티탄 박막을 코팅시키는 2 단계 및 상기 2 단계에서 코팅된 입자를 일정한 방법으로 소결처리하여 안정성을 부여하는 3 단계를 포함하여 이루어진 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a step of coating the titanium oxide thin film on the surface of the particle by irradiating light having a specific wavelength to the particles formed in the first step and the step of forming the oxide semiconductor particles in a step and a method It relates to a method for producing oxide semiconductor particles coated with titanium oxide comprising three steps to give stability by sintering.

본 발명에 의한 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법을 각 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the oxide semiconductor particles coated with titanium oxide according to the present invention will be described in detail for each step as follows.

제 1 단계는 산화물 반도체를 작은 입자로 제조하는 단계이다.The first step is to prepare the oxide semiconductor into small particles.

먼저, 금속의 산화물 중에 반도체의 특성을 나타내는 산화물 반도체를 직경이 10 ㎛ 이하, 바람직하기로는 예컨대 직경이 10 ㎚ ∼ 10 ㎛ 인 입자로 제조하여 빛의 조사면적을 최대한 넓게 하므로써 다량의 정공과 전자가 발생되도록 하여야 한다.First, an oxide semiconductor exhibiting the characteristics of a semiconductor in a metal oxide is made of particles having a diameter of 10 μm or less, preferably, for example, 10 nm to 10 μm in diameter, so that a large amount of holes and electrons Should be generated.

이때, 사용되는 산화물 반도체는 가시광선에서 전자와 정공을 형성할 수 있는 특성이 요구되기 때문에 사용된 산화물 반도체의 띠 간격 에너지는 산화티탄보다 낮은 3.0 전자볼트 미만이어야 한다.At this time, since the oxide semiconductor used is required to form electrons and holes in visible light, the band gap energy of the used oxide semiconductor should be less than 3.0 electron volts lower than titanium oxide.

본 발명에서 제조되는 산화물 반도체를 구체적으로 예를 들면, 산화 니켈 (NiO, 띠 간격 에너지 약 3.0 전자볼트), 산화철(Fe2O3,띠 간격 에너지 약 2.2 전자볼트), 산화텅스텐 (WO3,띠 간격 에너지 약 2.5 전자볼트) 또는 산화 제 1구리(Cu2O, 띠 간격 에너지 약 2.0 전자볼트)가 입자로 제조될 수 있다. 이들 산화물 반도체를 생성하기 위하여 사용되는 금속화합물의 종류는 니켈, 철, 텅스텐 및 구리 중에서 선택된 금속의 질산염, 암모늄염, 아세트산염 및 1개 이상의 질소원자나 산소원자가 포함되는 리간드를 1 개 이상 가진 금속의 착화합물이 있다.Specific examples of the oxide semiconductor produced in the present invention include nickel oxide (NiO, about 3.0 electron volts of band gap energy), iron oxide (Fe 2 O 3, about 2.2 electron volts of band gap energy), tungsten oxide (WO 3, Band gap energy of about 2.5 electron volts) or cuprous oxide (Cu 2 O, band gap energy of about 2.0 electron volts) may be made of particles. The metal compounds used to produce these oxide semiconductors are complex compounds of metals having nitrates, ammonium salts, acetates of metals selected from nickel, iron, tungsten and copper and ligands containing one or more nitrogen or oxygen atoms. There is this.

상기 금속 화합물 중에서 선택된 금속 화합물을 용매에 녹인 0.001 ∼ 5 M 용액을 초음파로 분무하여 100 ∼ 1200 ℃로 가열된 다단계 전기로를 통과시키므로서 산화물 반도체 입자를 제조할 수 있다. 이때, 사용되는 용액의 농도가 0.001 M 미만이면 입자의 크기는 작아지지만 생산성이 떨어지고, 5 M 을 초과하면 초음파로 분무하기 어려운 제조상의 문제점이 있다.Oxide semiconductor particles may be prepared by spraying a 0.001 to 5 M solution in which a metal compound selected from the metal compounds in a solvent is ultrasonically passed through a multi-stage electric furnace heated to 100 to 1200 ° C. At this time, if the concentration of the solution used is less than 0.001 M, the particle size is small, but the productivity is lowered, if it exceeds 5 M there is a manufacturing problem difficult to spray by ultrasonic.

다단계 전기로는 바람직하게는 크게 용매를 증발시키는 부분, 화합물을 분해하는 중간 부분 및 생성된 산화물 입자를 소결하는 부분 등 최소 3 부분 이상으로 구분되는 것이 사용되는 것이 좋다.The multi-stage electric furnace is preferably one that is divided into at least three parts, such as a large portion of the evaporation of the solvent, an intermediate portion of the compound decomposition, and a sintering of the resulting oxide particles.

용매 증발 부분에서는 초음파로 분무된 금속 화합물 용액방울로부터 물이 증발되면서 표면장력의 영향으로 구형 입자의 모양을 가지는 각종 금속의 질산염, 암모늄염, 아세트산염 또는 착화합물이 형성되며, 이때 온도는 100 ∼ 150 ℃ 이다.In the solvent evaporation part, water is evaporated from the droplets of ultrasonically sprayed metal compounds, and nitrates, ammonium salts, acetates or complexes of various metals having the shape of spherical particles are formed under the influence of surface tension, and the temperature is 100 to 150 ° C. to be.

화합물 분해 부분에서는 질산염, 암모늄염, 아세트산염 또는 착화합물이 열분해되어 산화물 입자가 생성되는데, 이때 온도는 200 ∼ 600 ℃ 이다.In the compound decomposition portion, nitrates, ammonium salts, acetates or complex compounds are pyrolyzed to produce oxide particles, with temperatures of 200 to 600 ° C.

입자 소결 부분에서는 생성된 입자가 고온으로 가열되므로 소결되면서 입자끼리 뭉쳐져서 산화물이 직경 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 10㎚ ∼ 10 ㎛ 인 입자로 제조되며, 이때 온도는 600 ∼ 1200 ℃ 이다.In the particle sintered portion, the produced particles are heated to a high temperature, so that the particles are agglomerated as they are sintered so that an oxide is made of particles having a diameter of 10 μm or less, preferably 10 nm to 10 μm, and the temperature is 600 to 1200 ° C.

분무된 용액 입자의 이동을 위하여 전기로 속에 일정한 유속을 가지는 용액 수송용 기체를 통과시킨다. 이때, 사용되는 기체는 공기, 질소, 산소, 일산화탄소, 수소, 헬륨 및 아르곤 중에서 선택된 하나 또는 두 종류 이상이 혼합된 기체가 사용될 수 있으며, 상기 기체가 전기로를 통과하는 평균 유속은 1 ∼ 10 L/ min 이가 유지되도록 한다.A solution transport gas having a constant flow rate is passed through the electric furnace for movement of the sprayed solution particles. At this time, the gas used may be a gas selected from one or two or more selected from air, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, hydrogen, helium and argon, the average flow rate of the gas passing through the electric furnace is 1 ~ 10 L / min Let this be maintained.

본 발명의 제 2 단계는 상기 1 단계에서 제조된 산화물 반도체 입자의 표면에 산화티탄을 코팅시키는 단계이다.The second step of the present invention is a step of coating titanium oxide on the surface of the oxide semiconductor particles prepared in step 1.

먼저, 티탄화합물의 농도가 0.001 ∼ 10 M 인 용액을 제조한 후 상기 1 단계에서 제조된 산화물 반도체 입자를 적당량 넣고 계속 저으면서 특정 파장을 가지는 빛을 조사한다.First, after preparing a solution having a concentration of the titanium compound of 0.001 to 10 M, the appropriate amount of the oxide semiconductor particles prepared in step 1 is continuously stirred and irradiated with light having a specific wavelength.

이때 조사되는 빛은 사용된 산화물 반도체의 종류, 티탄화합물의 농도 및 코팅시키고자하는 산화티탄 박막의 두께에 따라 달라진다.The light irradiated here depends on the type of oxide semiconductor used, the concentration of the titanium compound, and the thickness of the titanium oxide thin film to be coated.

먼저, 조사되는 빛 에너지가 산화물 반도체의 띠간격 에너지보다 작을 때에는 원칙적으로 산화티탄의 박막을 형성하지 않는다.First, when the light energy to be irradiated is smaller than the band gap energy of the oxide semiconductor, a thin film of titanium oxide is not formed in principle.

따라서 조사되는 빛 에너지는 사용되는 산화물 반도체의 띠간격 에너지 보다 커야 한다. 즉, 조사되는 빛 에너지가 산화물 반도체의 띠 간격 에너지를 초과하고 산화티탄의 띠 간격 에너지(rutile 3.0 전자볼트, anatase 3.2 전자볼트)미만일 경우, 상기 과정에 의해 생성된 산화물 반도체의 표면에 산화티탄이 코팅되어지되, 일단 산화티탄이 코팅된 입자의 표면에서는 더 이상 전자나 정공이 광생성되지않으므로 산화티탄이 코팅되는 속도가 현저히 떨어져 일정 두께의 산화티탄이 코팅된 산화물 반도체을 얻을 수 있다.Therefore, the light energy to be irradiated should be larger than the band gap energy of the oxide semiconductor used. That is, when the light energy irradiated exceeds the band gap energy of the oxide semiconductor and is less than the band gap energy of the titanium oxide (rutile 3.0 electron volts, anatase 3.2 electron volts), titanium oxide is formed on the surface of the oxide semiconductor produced by the above process. Once coated, the surface of the titanium oxide-coated particles no longer generates electrons or holes, so the rate at which titanium oxide is coated is significantly lowered to obtain an oxide semiconductor coated with titanium oxide having a predetermined thickness.

또한, 조사되는 빛 에너지가 산화티탄의 띠 간격 에너지(rutile 3.0 전자볼트, anatase 3.2 전자볼트)보다 큰 경우에는 산화물 반도체 위에 산화티탄이 코팅되어지되 코팅된 산화티탄에서 광생성된 전자나 정공에 의하여 티탄화합물 용액중의 티탄화합물이 계속 분해되면서 상기 산화물 반도체 표면에 두꺼운 산화티탄 막을 형성시키게 되고, 산화물 반도체 표면 위에 산화티탄의 코팅 두께가 너무 두꺼우면 산화물 반도체에서 광생성된 전자나 정공이 산화티탄의 표면까지 도달하기 어려우므로 가시광선의 조사에 의한 광촉매능이 현저히 감소된다,In addition, when the light energy to be irradiated is larger than the band gap energy of the titanium oxide (rutile 3.0 electron volt, anatase 3.2 electron volt), the titanium oxide is coated on the oxide semiconductor, but is generated by electrons or holes generated from the coated titanium oxide. As the titanium compound in the titanium compound solution continues to decompose, a thick titanium oxide film is formed on the surface of the oxide semiconductor. If the coating thickness of the titanium oxide is too thick on the surface of the oxide semiconductor, electrons or holes generated in the oxide semiconductor are formed of titanium oxide. Since it is difficult to reach the surface, the photocatalytic ability by the irradiation of visible light is significantly reduced.

또한, 상기의 경우에는 티탄화합물의 양을 조절하므로서 코팅되는 산화티탄 두께의 조절이 가능하지만, 입자표면의 산화티탄의 두께가 균일하지 못하게 되므로 광촉매능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.In addition, in the above case, it is possible to control the thickness of the titanium oxide to be coated by controlling the amount of the titanium compound, but since the thickness of the titanium oxide on the particle surface becomes uneven, there is a problem that the photocatalytic ability is remarkably decreased.

상기 빛의 조사 과정이 끝난 후 용매로 입자를 세척하고 분리하여 산화티탄이 아닌 티탄화합물을 제거하므로서 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자를 얻을 수 있다.After the light irradiation process is finished, the oxide semiconductor particles coated with titanium oxide may be obtained by washing and separating the particles with a solvent to remove titanium compounds other than titanium oxide.

이때, 상기 티탄화합물은 티탄 알콕사이드(Ti(OR)4, R=CnH2n+1, n은 1 내지 10의 정수), 할로겐화 티탄(TiF4, TiCl4, TiBr4) 및 질산 티탄 등 상기 산화물 반도체의 표면에서 생성된 정공과 전자와의 반응으로부터 산화티탄 박막을 형성할 수 있는 물질중에서 선택된 하나가 사용될 수 있다.In this case, the titanium compound is a titanium alkoxide (Ti (OR) 4 , R = C n H 2 n + 1 , n is an integer of 1 to 10), halogenated titanium (TiF 4 , TiCl 4 , TiBr 4 ) and titanium nitrate One selected from materials capable of forming a titanium oxide thin film from reaction of holes and electrons generated on the surface of an oxide semiconductor may be used.

티탄화합물을 용해시키는 용매로는 알콜(ROH), 물, 에테르(ROR), 할로겐화 탄화수소류(CnH2n+2-mXm, n은 1 내지 10의 정수, m은 1 내지 2n+2의 정수, X=Cl, F, Br), 액체 탄화수소 및 니트릴계의 유기화합물 중에서 선택된 하나가 사용될 수 있다.The solvent for dissolving the titanium compound is alcohol (ROH), water, ether (ROR), halogenated hydrocarbons (C n H 2n + 2-m X m , n is an integer of 1 to 10, m is 1 to 2n + 2 And an integer selected from X = Cl, F, Br), a liquid hydrocarbon, and a nitrile-based organic compound may be used.

본 발명에 따르면 빛의 조사량과 티탄화합물의 총량은 제조하고자 하는 티탄 막의 두께, 산화물 반도체의 입자의 크기에 의해 결정될 수 있으며, 본 발명에 따른 방법으로 코팅되는 산화티탄 막의 두께는 10 ㎛ 이하, 일반적으로는 10 ㎚ ∼ 10 ㎛의 범위이다.According to the present invention, the irradiation amount of light and the total amount of the titanium compound may be determined by the thickness of the titanium film to be prepared and the size of the particles of the oxide semiconductor, and the thickness of the titanium oxide film coated by the method according to the present invention is 10 μm or less. It is the range of 10 nm-10 micrometers.

제 3 단계는 제 2 단계에서 제조된 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체의 입자를 소결처리하여 안정화시키는 단계이다.The third step is to stabilize the particles of the oxide semiconductor coated with titanium oxide prepared in the second step by sintering.

상기 용액으로부터 분리된 입자를 공기, 질소, 산소, 일산화탄소, 수소, 헬륨 및 아르곤 중에서 선택된 하나 또는 두 종류 이상을 혼합한 기체 속이나, 진공 중에서 25 ∼ 1200 ℃의 온도에서 5 분 ∼ 24 시간 방치시킨다. 이 과정에서 입자의 내부에 있는 산화물 반도체와 코팅되어진 산화티탄의 구조와 조성을 안정화 시킬 수 있다.The particles separated from the solution are allowed to stand for 5 minutes to 24 hours in a gas mixed with one or two or more selected from air, nitrogen, oxygen, carbon monoxide, hydrogen, helium and argon or in a vacuum at a temperature of 25 to 1200 ° C. . In this process, the structure and composition of the oxide semiconductor inside the particles and the coated titanium oxide can be stabilized.

본 발명의 산화물 반도체 입자의 전자 현미경 사진을 첨부도면 도 1 ∼ 4 에 나타낸 바와 같이, 입자의 직경이 100 nm ∼ 1 ㎛ 이다.As shown in the accompanying drawings of the electron micrograph of the oxide semiconductor particle of this invention, FIGS. 1-4, the diameter of a particle | grain is 100 nm-1 micrometer.

종래의 산화티탄을 함유하는 광촉매가 산화티탄의 표면에 양이온을 도핑시켜 제조되어 사용되던 것과는 달리 본 발명의 방법에 따라 제조된 상기 광촉매는 산화티탄보다 낮은 띠 간격 에너지를 가지며 반도체처럼 행동하는 금속 산화물 반도체가 입자의 형태로 광촉매의 내부에 위치하고, 산화티탄이 상기 산화물 반도체의 표면에 코팅된 형태를 가진다.Unlike conventional photocatalysts containing titanium oxide, which are prepared by doping cations on the surface of titanium oxide, the photocatalyst prepared according to the method of the present invention has a lower band gap energy than titanium oxide and acts as a semiconductor. The semiconductor is located inside the photocatalyst in the form of particles, and titanium oxide is coated on the surface of the oxide semiconductor.

상기와 같은 형태를 가지는 광촉매는 촉매작용을 필요로 하는 화학물질과의 접촉면이 넒을수록 그 촉매능을 증가시킬 수 있으므로 최대한 작은 크기로 제조되는 것이 바람직하다.The photocatalyst having the above form is preferably manufactured in the smallest size as the contact surface with the chemical substance requiring the catalytic action increases the catalytic performance.

본 발명의 방법에 따라 제조된 광촉매는 내부에 위치한 산화물 반도체의 금속 화합물을 용해시킨 용액을 초음파로 분산시켜서 제조되므로 얻어지는 산화물 반도에 입자의 크기는 직경이 100 nm ∼ 1 ㎛ 로 작고, 상기 산화물 반도체를 산화티탄으로 코팅시킨 후 소결시켜 안정성이 부여되므로, 코팅이 이루어지지 않았을 경우 지속적인 산화의 발생으로 산화물 반도체의 변형이 일어나 광촉매 특성이 상실되는 것을 차단하여 제조후 일정기간 저장하여 사용할 수 있는 장점이 있다.The photocatalyst prepared according to the method of the present invention is prepared by dispersing ultrasonically a solution in which a metal compound of an oxide semiconductor located therein is ultrasonically dispersed. Thus, the particle size of the photocatalyst is 100 nm to 1 μm in diameter, and the oxide semiconductor is small. Is coated with titanium oxide and then sintered to provide stability. Therefore, if the coating is not performed, the oxide semiconductor is deformed due to continuous oxidation to prevent the loss of photocatalytic properties. have.

상기 과정에 의하여 제조된 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자는 광촉매, 표면 처리제, 페인트 재료 등으로 사용될 수 있으며 다른 물질과 함께 태양전지, 발광체 등의 원료로 쓰일 수 있으며, 특히 태양광에서 광촉매 효율이 높은 특성이 있다.Oxide semiconductor particles coated with titanium oxide prepared by the above process can be used as a photocatalyst, a surface treatment agent, a paint material, etc. and can be used as a raw material for solar cells, light emitters, etc. together with other materials, in particular, photocatalytic efficiency in sunlight There is a high characteristic.

또한, 상기 2 단계에 제조된 용액의 고체를 분리하지 않은 상태인 액상으로 산업상으로 적용시켜 사용될 수 있어, 적용되는 분야를 넓힐 수 있는 장점이 있다.In addition, the solids of the solution prepared in the two steps can be used to apply industrially to the liquid phase in a state that is not separated, there is an advantage to broaden the field of application.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하는 바, 다음 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples, which are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예 1 :Example 1: 산화티탄으로 코팅된 산화니켈(NiO) 입자 제조Preparation of nickel oxide (NiO) particles coated with titanium oxide

0.25M 아민 니켈 착물(Hexammine nickel(II) nitrate, [Ni(NH3)6〕(NO3)2) 용액을 6L/min 유속의 공기에 초음파로 분무하여 세부분으로 이루어진 가열로 내부(가열로 각 부분의 온도는 150℃/ 600℃/ 800℃ 임)를 통과시켜 산화니켈 분말을 얻었다.0.25M amine nickel complex (Hexammine nickel (II) nitrate, [Ni (NH 3 ) 6 ] (NO 3 ) 2 ) solution into the air at 6L / min flow rate by ultrasonic wave The temperature of each part was passed through 150 ° C./600° C./800° C.) to obtain nickel oxide powder.

상기 산화니켈 입자 0.1 g를 이소프로필알콜 40 ml에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.5 ml를 녹여 만든 0.04M 용액에 혼합하여 저으면서 1 시간 동안 빛(Xe Lamp, 1000 W)을 조사하였다. 반응 완료 후 용액은 2500 RPM으로 원심분리하여 고체만을 수거하였다. 상기에서 수거된 고체는 공기중의 500℃ 전기로에서 1시간 열처리를 하였다.0.1 g of the nickel oxide particles were mixed with 40 ml of isopropyl alcohol, 0.04 M solution of 0.5 ml of titanium isopropoxide, and stirred for 1 hour while stirring (Xe Lamp, 1000 W). After completion of the reaction, the solution was centrifuged at 2500 RPM to collect only solids. The collected solid was heat-treated for 1 hour in an air furnace at 500 ℃ in air.

아민니켈착물을 열분해법으로 얻은 산화니켈 입자의 표면 전자 현미경 사진을 첨부도면 도 1에 나타내었으며, 산화니켈 입자 평균 크기는 거대 입자 몇몇을 제외하고 평균 500 nm 정도로 나타났다.Surface electron micrographs of the nickel oxide particles obtained by pyrolysis of the amine nickel complex are shown in FIG. 1, and the average size of the nickel oxide particles was about 500 nm except for some of the large particles.

실시예 2 :Example 2: 산화티탄으로 코팅된 산화철(FeIron oxide coated with titanium oxide (Fe 22 OO 33 )입자 제조Particle manufacturing

0.25M 질산염〔Fe(NO3)3·9H2O, Iron(III) Nitrate Enneahydrate〕용액을 6L/min 유속의 공기에 초음파로 분무하여 세부분으로 이루어진 가열로 내부(가열로 각 부분의 온도는 150℃/ 600℃/ 800℃ 이었다.)를 통과시켜 산화철 분말을 얻었다.0.25M nitrate [Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, Iron (III) Nitrate Enneahydrate] solution is sprayed into the air at a rate of 6 L / min by ultrasonic wave, and the inside of the heating furnace (heating furnace 150 ° C./600° C./800° C.) to obtain an iron oxide powder.

상기 제조된 상기 산화철 입자 0.1g를 이소프로필알콜 40 ml에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.5ml를 녹여 만든 0.04M 용액에 혼합하여 저으면서 1 시간 동안 빛(Xe Lamp, 1000W)을 조사하였다. 반응 완료 후 용액은 2500 RPM으로 원심 분리하여 고체만을 수거하였다. 상기에서 수거된 고체는 대기중 500℃ 전기로에서 1시간 열처리를 하였다.0.1 g of the prepared iron oxide particles were mixed with a 0.04 M solution prepared by dissolving 0.5 ml of titanium isopropoxide in 40 ml of isopropyl alcohol and irradiated with light (Xe Lamp, 1000W) for 1 hour while stirring. After completion of the reaction, the solution was centrifuged at 2500 RPM to collect only solids. The collected solid was heat-treated for 1 hour in an air furnace at 500 ℃.

질산염 용액을 열분해법으로 얻은 산화철 입자의 표면 영상 현미경 사진을 첨부도면 도 2에 나타내었으며, 입자 크기는 대략 600 nm 정도이다.Surface image micrographs of iron oxide particles obtained by pyrolysis of the nitrate solution are shown in FIG. 2 and the particle size is about 600 nm.

실시예 3 : 산화티탄으로 코팅된 산화텅스텐(WOExample 3 Tungsten Oxide (WO) Coated with Titanium Oxide 33 ) 입자제조Particle Manufacturing

산화 텅스텐 분말 20 g을 350 ml 암모니아수에 녹인 다음 6L/min 유속의 공기에 초음파로 분무하여 세부분으로 이루어진 가열로 내부(가열로 각 부분의 온도는 150℃/ 600℃/ 800℃ 이었다.)를 통과시켜 산화텅스텐 분말을 얻었다.20 g of tungsten oxide powder was dissolved in 350 ml of ammonia water, and then ultrasonically sprayed into air at a flow rate of 6 L / min, and the inside of the furnace made of granules (the temperature of each part of the furnace was 150 ° C / 600 ° C / 800 ° C). The tungsten oxide powder was obtained by passing.

상기 제조된 산화텅스텐 0.1g를 이소프로필알콜 40 ml에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.5ml를 녹여 만든 0.04M 용액에 혼합하여 저으면서 1 시간 동안 빛(Xe Lamp, 1000W)을 조사하였다. 반응 완료 후 용액은 2500 RPM으로 원심분리하여 고체만을 수거하였다. 상기에서 수거된 고체는 대기중의 500℃ 전기로에서 1시간 열처리를 하였다.0.1 g of the prepared tungsten oxide was dissolved in 40 ml of isopropyl alcohol and dissolved in 0.04 M solution of 0.5 ml of titanium isopropoxide (titanium isopropoxide), followed by irradiation with light (Xe Lamp, 1000 W) for 1 hour. After completion of the reaction, the solution was centrifuged at 2500 RPM to collect only solids. The solid collected above was subjected to heat treatment for 1 hour in an electric furnace at 500 ° C. in the atmosphere.

암모니아수에 녹인 산화 텅스텐을 열분해법으로 얻은 산화 텅스텐 입자의 표면 전자 현미경 사진을 첨부도면 도 3 에 나타내었으며, 입자의 크기는 1000 nm를중심으로 분포되어있다. 도 4 는 도 3을 더욱 확대시킨 사진이다.Surface electron micrographs of the tungsten oxide particles obtained by pyrolysis of tungsten oxide dissolved in ammonia water are shown in FIG. 3, and the size of the particles is distributed around 1000 nm. 4 is an enlarged photograph of FIG. 3.

실시예 4 :Example 4: 산화티탄으로 코팅된 산화 제 1 구리(CuCuprous oxide (Cu) coated with titanium oxide 22 O) 입자 제조O) Particle Manufacturing

산화 제 1 구리 분말(Aldrich Chem. Co.) 0.1 g 과 이소프로필알콜 40 ml에 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.5ml를 녹여 만든 0.04M 용액에 혼합하여 저으면서 1 시간 동안 빛(Xe Lamp, 1000W)을 조사하였다. 반응 완료 후 용액은 대기중의 500℃ 전기로에서 1시간 열처리를 하였다.0.1 g of cuprous oxide powder (Aldrich Chem. Co.) and 40 ml of isopropyl alcohol were dissolved in 0.5 ml of titanium isopropoxide, and then mixed with a 0.04 M solution. 1000W). After completion of the reaction, the solution was heat treated for 1 hour in an air furnace at 500 ° C.

시험예 1 : 광음향 분광법에 의한 광학적 성질 측정Test Example 1 Measurement of Optical Properties by Photoacoustic Spectroscopy

상기 실시예 1 ∼ 4 에 의하여 제조된 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 광학적 성질을 광음향 분광법(Photoacoustic spectroscopy, PAS)으로 분석한 다음 첨부도면 도 7, 9, 11, 13, 14에 나타내었다.Optical properties of the oxide semiconductor particles coated with titanium oxide prepared in Examples 1 to 4 were analyzed by photoacoustic spectroscopy (PAS), and are shown in the accompanying drawings of FIGS. 7, 9, 11, 13, and 14. .

광음향 분광법은 빛이 시료에 흡수되어 시료를 가열하고 그 열이 시료 주위의 기체로 이동하여 기체의 압력을 변화시킴으로서 발생하는 진동(소리)을 마이크로폰으로 감지한다. 표면에서 흡수된 에너지에 의해 생성된 열파(thermal wave)는 마치 빛를 흡수하는 매개체에서 빛이 감소되는 것처럼 급격히 감소되므로 얻어진 광음향 신호는 표면으로부터 일정 깊이까지의 정보를 제공한다.Photoacoustic spectroscopy uses a microphone to sense the vibrations (sound) generated by light absorbed by the sample, heating the sample, and moving the heat into the gas around the sample to change the pressure of the gas. The thermal wave generated by the energy absorbed by the surface is abruptly reduced as if it is reduced in the medium that absorbs the light, so the resulting photoacoustic signal provides information from the surface to a certain depth.

시료 채취 깊이는 빛의 변조 주파수와 관계되며 주파수를 일정하게 유지시키면 그 깊이는 거의 비슷해지고 광음향 신호는 시료가 빛을 잘 흡수할수록 커진다.The sampling depth is related to the modulation frequency of the light, and if the frequency is kept constant, the depth will be about the same, and the optoacoustic signal will get larger as the sample absorbs light well.

그 외 광음향 스펙트럼의 신호 발생은 빛의 흡수에 의한 시료의 가열, 그로인한 시료 주위의 기체 가열과정을 거치면서 이루어지기 때문에 발생되는 광음향 신호는 조사되는 빛과 상 이동(Phase Shift)을 보여줄 수 있다.In addition, since the signal generation of the optoacoustic spectrum is performed by heating the sample by absorbing light and heating the gas around the sample, the generated photoacoustic signal shows the phase and the light to be irradiated. Can be.

시료의 표면에 빛이 흡수되어 바로 주위의 기체를 가열할 경우 상이 45°만큼 이동되지만, 빛이 표면에서 흡수되지 못하고 시료의 내부에 침투하면 할수록 상의 이동은 차츰 증가된다.If the light is absorbed on the surface of the sample and the surrounding gas is heated, the phase is shifted by 45 °, but as light is not absorbed from the surface and penetrates into the inside of the sample, the phase is gradually increased.

또한, 빛을 흡수하는 물질 위에 얇은 막이 코팅되어져 있을 때 그렇지 않은 경우 보다 상의 이동이 더 커진다.Also, when a thin film is coated over the light absorbing material, the phase shift is greater than otherwise.

즉, 광음향 스펙트럼의 결과로부터 광음향 신호의 크기에서 그 파장의 빛 흡수 정도를 알 수 있고, 광음향 신호의 상 이동으로부터 표면의 깊이나 다른 박막의 존재를 알 수 있다.In other words, the result of the photoacoustic spectrum shows the degree of light absorption at that wavelength in the magnitude of the photoacoustic signal, and the depth of the surface or the existence of another thin film from the phase shift of the photoacoustic signal.

첨부도면 도 7, 9, 11은 각각 산화티탄이 코팅된 산화니켈, 산화철, 산화텅스텐의 광음향 세기를 산화티탄이 입히기 전과 후를 비교한 것으로서, 상기의 경우 모두 원래의 산화물 반도체와 다른 형태의 광음향 신호의 크기를 나타내고 있으므로 상기 산화물 반도체 표면에 산화티탄이 존재하고 있음을 나타내는 결과라 하겠다.7, 9, and 11 illustrate the photoacoustic intensities of nickel oxide, iron oxide, and tungsten oxide coated with titanium oxide, respectively, before and after titanium oxide was coated. Since the magnitude of the photoacoustic signal is shown, the result indicates that titanium oxide is present on the surface of the oxide semiconductor.

도 7 에 나타낸 산화니켈은 P형 산화물 반도체로서, 도 9와 도 11에 각각 나타낸 n형 산화물 반도체인 산화철 및 산화텅스텐과 달리 광음향 신호의 세기가 감소했는데, 이런 현상은 n형 산화물 반도체인 산화티탄과 접촉되는 산화물 반도체의 특성에 기인한 것으로 여겨지나 확실한 이론은 아직 정립된 것은 없지만, 산화니켈의 표면에 산화티탄이 코팅되어 있다는 사실을 도출해 낼 수 있다.The nickel oxide shown in FIG. 7 is a P-type oxide semiconductor, and the intensity of the photoacoustic signal is reduced, unlike iron oxide and tungsten oxide, which are the n-type oxide semiconductors shown in FIGS. 9 and 11, respectively. It is thought to be due to the nature of the oxide semiconductor in contact with titanium, but no clear theory has been established, but it is possible to derive the fact that titanium oxide is coated on the surface of nickel oxide.

첨부도면 도 13과 도 14는 상용 산화 제 1 구리( Aldrich Chem. Co.) 표면에 산화티탄을 코팅시킨 경우의 광음향 스펙트럼의 세기와 상 이동 스펙트럼을 나타낸 것으로서, 광음향 신호의 세기 변화는 미미하나 상 이동이 있음을 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 방법에 의하여 산화 제 1 구리 표면 위에 산화티탄이 코팅되었음을 나타내는 결과라 할 수 있다.13 and 14 show the intensity and phase shift spectra of the photoacoustic spectrum when titanium oxide is coated on a commercially available cuprous oxide (Aldrich Chem. Co.) surface. It can be seen that there is a phase shift. That is, it can be said that the result shows that titanium oxide is coated on the first copper oxide surface by the method of the present invention.

시험예 2 : UV-VIS 스펙트럼 측정Test Example 2 UV-VIS Spectrum Measurement

상기 실시예 1 ∼ 4 에 의하여 제조된 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자 0.1 g 과 이소프로필알콜 10 ml을 혼합하여 석영플레이트에 딥드로잉(Dip-Drawing, 10mm/min)법으로 코팅시켰다. 상기 석영플레이트를 450℃에서 1시간 동안 열처리 한 후 UV-VIS 스펙트럼을 측정한 결과를 첨부도면 도 6, 8, 10, 12 및 15 에 각각 나타내었다.0.1 g of the oxide semiconductor particles coated with titanium oxide prepared in Examples 1 to 4 and 10 ml of isopropyl alcohol were mixed and coated on a quartz plate by a deep drawing (Dip-Drawing, 10 mm / min) method. After the heat treatment of the quartz plate at 450 ° C. for 1 hour, the results of UV-VIS spectra were shown in FIGS. 6, 8, 10, 12, and 15, respectively.

UV-VIS 스텍트럼 측정에 의한 광흡수법은 상기 시험예 1 에 나타낸 광음향 분석법이 시료가 흡수하는 빛의 양을 직접 측정하는데 비해 광원에서 나온 빛을 분광하여 시료에 조사한 후 흡수되지 않고 통과한 빛을 분광한 후 측정하여 시료의 광도를 추정하는 것이다.In the light absorption method by UV-VIS spectrum measurement, the photoacoustic analysis method shown in Test Example 1 directly measures the amount of light absorbed by the sample. After spectroscopy is measured to estimate the luminous intensity of the sample.

따라서, 산화티탄이 코팅된 산화물 반도체로는 직접 UV-VIS 스펙트럼을 얻을 수 없으므로 얇은 막을 형성하여 실험하였다.Therefore, since the UV-VIS spectrum cannot be directly obtained from an oxide semiconductor coated with titanium oxide, a thin film was formed and tested.

도 6 은 산화티탄의 UV-VIS 스펙트럼으로 340 nm 이하의 파장, 즉, 3.2 전자볼트 이상의 에너지 대에서 광흡수가 일어남을 볼 수 있다.FIG. 6 shows the absorption of light at a wavelength of 340 nm or less, that is, 3.2 electron volts or more, in the UV-VIS spectrum of titanium oxide.

이와 달리 도 8 에 나타낸 산화티탄으로 코팅된 실시예 1의 산화니켈, 도 10 에 나타낸 실시예 2 의 산화철, 도 12에 나타낸 실시예 3의 산화텅스텐 및 도 15에 나타낸 실시예 4 의 산화 제 1 구리로부터 얻어진 스펙트럼에서는 산화티탄의 흡광도에 의한 340 nm 파장 이하의 피크 외에도 340 nm 보다 긴 파장 영역에서 산화물 반도체에 의한 흡수 스펙트럼을 관찰할 수 있다.Alternatively, the nickel oxide of Example 1 coated with titanium oxide shown in FIG. 8, the iron oxide of Example 2 shown in FIG. 10, the tungsten oxide of Example 3 shown in FIG. 12, and the first oxide of Example 4 shown in FIG. 15. In the spectrum obtained from copper, the absorption spectrum by the oxide semiconductor can be observed in the wavelength region longer than 340 nm in addition to the peak of 340 nm or less due to the absorbance of titanium oxide.

상기한 결과에 의하면, 340 nm 이하 파장의 경우 관찰되는 어깨 모양의 흡수는 산화물 반도체 위에 코팅되어 있는 산화티탄에 기인한다고 할 수 있으므로 산화물 반도체 표면 위에 산화티탄이 코팅되어 있음을 나타낸다고 할 수 있다.According to the above results, the shoulder-shaped absorption observed at a wavelength of 340 nm or less may be attributed to titanium oxide coated on the oxide semiconductor, indicating that titanium oxide is coated on the oxide semiconductor surface.

시험예 3 : 메틸렌 블루의 분해를 통한 광촉매능 측정Test Example 3 Measurement of Photocatalytic Activity by Decomposition of Methylene Blue

석영플레이트를 상기 실시예 1 ∼ 4 에서 제조된 산화티탄으로 코팅된 산화니켈, 산화철, 산화텅스텐 및 산화 제 1 구리로 코팅시킨 후 상기 석영플레이트 표면에 0.001 M 메틸렌 블루(3,9-bisdimethylaminophenzanothionium Chloride, C16H18ClN3S, F.wt. 374 : methylene blue)를 10mm/min 으로 딥드로잉(dip-drawing) 법으로 코팅시킨 후 570 ∼ 590 nm의 파장에서 흡광도가 0.02 ∼ 0.2 범위가 되도록 조절하였다.The quartz plate was coated with nickel oxide, iron oxide, tungsten oxide and cuprous oxide coated with titanium oxide prepared in Examples 1 to 4, and then 0.001 M methylene blue (3,9-bisdimethylaminophenzanothionium Chloride, C 16 H 18 ClN 3 S, F.wt.374: methylene blue) was coated by dip-drawing method at 10mm / min and then adjusted so that the absorbance was in the range of 0.02 to 0.2 at a wavelength of 570 to 590 nm. It was.

산화티탄으로 코팅된 석영 플레이트(A: 산화티탄)와 상기와 같은 방법으로 제조된 네 가지(B: 산화티탄으로 코팅된 산화니켈, C: 산화티탄으로 코팅된 산화철, D: 산화티탄으로 코팅된 산화텅스텐 및 E: 산화티탄으로 코팅된 일산화구리) 용액으로 코팅된 석영플레이트에 일정한 세기의 빛을 조사하여 메틸렌 블루의 분해 정도를 UV-VIS 스펙트럼으로 확인하였다.Quartz plate coated with titanium oxide (A: titanium oxide) and four (B: nickel oxide coated with titanium oxide, C: iron oxide coated with titanium oxide, D: coated with titanium oxide The degree of decomposition of methylene blue was confirmed by UV-VIS spectra by irradiating light of a constant intensity on a quartz plate coated with a tungsten oxide and an E: copper oxide coated with titanium oxide solution.

조사된 빛의 광원은 자연광에 가장 가까운 빛을 발생시키는 크세논 램프(Xe Lamp(ORIEL사), 1000W)를 사용하였으며, 이때 빛의 세기는 자외선을 포함하였을 때 8.9mW/㎠ 이었다. 그리고, 일반 유리 필터를 사용하여 자외선 영역의 파장인 310 nm 미만의 빛을 차단하였을 경우의 빛의 세기는 8.0mW/㎠ 이었다.As a light source of irradiated light, a xenon lamp (Xe Lamp (ORIEL Co., Ltd., 1000W)) generating the light closest to natural light was used. In this case, the intensity of the light was 8.9 mW / ㎠ when including ultraviolet light. It was. In addition, when the light of 310 nm which is the wavelength of an ultraviolet range was cut off using the general glass filter, the light intensity was 8.0 mW / cm <2>.

빛의 세기는 특정 파장(390nm)에서 측정되는 광량 측정 장치( IL 390B Light Bug, INTERNATIONAL Light Inc.)로 측정하였으며, 그 결과는 첨부도면 도 16 과 17에 각각 나타내었다.Light intensity was measured by a light quantity measuring device (IL 390B Light Bug, INTERNATIONAL Light Inc.) measured at a specific wavelength (390 nm), and the results are shown in FIGS. 16 and 17, respectively.

즉, 크세논 램프의 자외선을 차단하지 않은 빛을 A, B, C, D 및 E에 조사하면서 상대적 메틸렌 블루의 분해 광촉매능을 비교한 결과를 첨부도면 도 16 에 나타내었는데, 자외선을 차단하지 않고 조사한 경우 모든 시료는 높은 메틸렌 블루 분해능을 보였으며, 그 수치는 A 가 0.0017, B 가 0.0044, C가 0.0046, D 가 0.0032 및 E 가 0.0030 으로 나타났다.That is, the results of comparing the decomposition photocatalytic ability of the methylene blue while irradiating A, B, C, D and E with the light not blocking the ultraviolet rays of the xenon lamp are shown in FIG. 16. In this case, all samples showed high methylene blue resolution. The values of A were 0.0017, B of 0.0044, C of 0.0046, D of 0.0032 and E of 0.0030.

특히, 본 발명에 따라 제조된 산화티탄이 코팅된 산화물 반도체 입자인 B, C, D, E의 경우에는 산화티탄(A)자체보다 0.0013 ∼ 0.0030 정도로 월등히 높은 분해능을 나타내었으며, 이는 본 발명에 따라 제조된 광촉매의 유기물 분해능이 기존의 산화티탄보다 탁월하게 높음을 나타내는 결과이다.In particular, the titanium oxide coated oxide semiconductor particles prepared according to the present invention B, C, D, E showed a much higher resolution of 0.0013 ~ 0.0030 than the titanium oxide (A) itself, according to the present invention It is a result indicating that the resolution of organic matter of the prepared photocatalyst is superior to conventional titanium oxide.

또한, 일반 유리 필터를 통과시키므로서 310 nm 미만의 파장을 가지는 빛을 차단시킨 크세논 램프의 빛을 A, B, C, D 및 E에 조사하면서 시료에 따른 상대적 메틸렌 블루의 분해시 광촉매능을 비교한 결과를 첨부도면 도 17 에 나타내었다.In addition, the photocatalytic activity of the decomposition of the relative methylene blue according to the sample was compared while irradiating A, B, C, D, and E with the light of the xenon lamp that blocked light having a wavelength of less than 310 nm while passing through a common glass filter. One result is shown in FIG. 17.

상기의 경우는 크세논 램프의 빛에서 자외선을 일부 제거시킨 태양광선에 의한 유기물질의 분해정도를 살펴보고자 하는 경우로서, 산화티탄만으로 코팅된 석영플레이트인 A 는 그 분해능이 도 16과 비교하여 0.0017 에서 0.0004 로 현저히 감소하였으며, 본 발명의 방법에 따라 제조된 산화티탄이 코팅된 산화물 반도체로 코팅된 시료 B, C, D 는 자외선을 포함한 빛을 사용했을 때인 도 16과 유사한 분해능을 보여 각각 0.0018, 0.0026, 0.0030 의 수치를 나타내었다.In the above case, we want to examine the degree of decomposition of organic material by sunlight, which partially removes ultraviolet rays from the light of xenon lamp. The quartz plate A coated with titanium oxide only has a resolution of 0.0017 compared to FIG. Significantly reduced to 0.0004, samples B, C, D coated with a titanium oxide-coated oxide semiconductor prepared according to the method of the present invention showed a resolution similar to that of FIG. 16 using light including ultraviolet rays, respectively, 0.0018, 0.0026 , 0.0030.

산화티탄이 코팅된 산화 제 1 구리가 코팅된 시료 E는 산화구리의 산화가 더 진행되어 분해능이 감소하였으나 그 정도가 산화티탄(A) 보다는 낮게 나타났으므로 높은 산화티탄보다는 높은 분해능을 나타냄을 알 수 있다.It was found that the sample E coated with titanium oxide coated copper oxide showed a higher resolution than that of titanium oxide (A) because the oxidation of copper oxide proceeded further and the resolution decreased. Can be.

따라서, 본 발명의 방법에 따르면 자외선을 조사하지 않고 태양광선을 조사할 경우에도 자외선을 조사할 경우와 유사하게 높은 분해능이 나타나는 광촉매를 제조할 수 있다.Therefore, according to the method of the present invention, even when irradiating sunlight without irradiating ultraviolet rays, a photocatalyst exhibiting a high resolution similar to when irradiating ultraviolet rays can be produced.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 반도체 특성을 가지는 산화물 반도체를 작은 입자로 제조하여 표면적을 넓히고, 입자 표면을 특정 파장을 조사하면서 산화티탄으로 코팅시키므로써 자외선보다 큰 파장을 가지는 태양광선의 조사로도 우수한 광촉매능을 나타내어 별도의 자외선 조사가 필요없는 광촉매를 제조할 수 있으므로, 상기 광촉매가 사용되는 산업영역을 확대시킬 수 있고, 자외선 조사를 위한 별도의 장치 및 보호장구가 필요없어 경제적인 새로운 광촉매를 제조할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the oxide semiconductor having semiconductor characteristics is made into small particles to increase the surface area, and the surface of the particles is coated with titanium oxide while irradiating a specific wavelength, thereby irradiating sunlight having a wavelength larger than ultraviolet rays. Since it can produce a photocatalyst which does not require separate ultraviolet irradiation by exhibiting excellent photocatalytic ability, it is possible to expand the industrial area in which the photocatalyst is used, and it is possible to create a new economic photocatalyst without the need for a separate device and protective equipment for ultraviolet irradiation. There is an effect that can be produced.

Claims (8)

산화티탄을 포함하는 광촉매 제조방법에 있어서,In the photocatalyst manufacturing method containing titanium oxide, 1) 금속염 용액을 용액수송용 기체 중에 초음파로 분산시킨 후 다단계로 구성된 100 ∼ 1200 ℃의 전기로를 통과시켜 3.0 전자볼트 미만인 띠 간격 에너지를 가지는 산화물 반도체 입자를 만드는 단계;1) dispersing the metal salt solution ultrasonically in the solution transport gas and passing through an electric furnace of 100-1200 ° C. composed of multiple steps to form oxide semiconductor particles having a band gap energy of less than 3.0 electron volts; 2) 상기 1 단계에서 제조된 산화물 반도체 입자를 티탄화합물이 용해된 용액에 분산시키고 빛을 조사하면서 교반시켜 표면을 산화티탄으로 코팅시키는 단계; 및2) coating the surface with titanium oxide by dispersing the oxide semiconductor particles prepared in step 1 in a solution in which the titanium compound is dissolved and stirring while irradiating light; And 3) 상기 2 단계에서 제조된 산화티탄으로 코팅된 입자를 원심분리하여 수거한 다음 기체 중 또는 진공 상태에서 소결시키는 단계3) collecting the particles coated with the titanium oxide prepared in step 2 by centrifugation and then sintering in gas or vacuum 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.Method for producing an oxide semiconductor particle coated with titanium oxide, characterized in that comprises a. 제 1 항에 있어서, 금속염 용액은 금속의 질산염, 암모늄염, 아세트산 염 및 1개 이상의 질소원자나 산소원자를 포함하는 리간드가 1 개 이상 함유된 금속의 착화합물 용액인 것을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The oxide coated with titanium oxide according to claim 1, wherein the metal salt solution is a complex solution of metal nitrates, ammonium salts, acetates and metals containing at least one ligand containing at least one nitrogen or oxygen atom. Method for producing semiconductor particles. 제 1 항에 있어서, 산화물 반도체 입자는 산화니켈, 산화철, 산화텅스텐 및 산화구리 중에서 선택된 입자로 제조됨을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the oxide semiconductor particles are made of particles selected from nickel oxide, iron oxide, tungsten oxide, and copper oxide. 제 1 항에 있어서, 티탄화합물은 제 1 단계에서 제조된 산화물 반도체 입자의 표면에서 생성된 정공과 전자와의 반응에 의하여 산화티탄을 형성할 수 있는 물질 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the titanium compound is coated with titanium oxide, characterized in that selected from a material capable of forming titanium oxide by reaction of holes and electrons generated on the surface of the oxide semiconductor particles prepared in the first step Method for producing oxide semiconductor particles. 제 4 항에 있어서, 티탄화합물은 티탄 알콕사이드(Ti(OR)4, R=CnH2n+1, n은 1 내지 10의 정수), 할로겐화 티탄(TiF4, TiCl4, TiBr4) 및 질산 티탄 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The titanium compound according to claim 4, wherein the titanium compound is titanium alkoxide (Ti (OR) 4 , R = C n H 2n + 1 , n is an integer of 1 to 10), titanium halide (TiF 4 , TiCl 4 , TiBr 4 ) and nitric acid Method for producing an oxide semiconductor particle coated with titanium oxide, characterized in that selected from titanium. 제 1 항에 있어서, 제 2 단계에서 조사되는 빛은 산화물 반도체의 띠간격 에너지보다 크고 산화티탄의 띠 간격 에너지보다 적은 에너지를 갖는 것을 특징으로하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the light irradiated in the second step has an energy greater than the band gap energy of the oxide semiconductor and less than the band gap energy of the titanium oxide. 제 6 항에 있어서, 제 2 단계에서 조사되는 빛이 산화물 반도체의 띠간격 에너지 및 산화티탄의 띠 간격 에너지보다 큰 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 산화티탄으로 코팅된 산화물 반도체 입자의 제조방법.The method of claim 6, wherein the light irradiated in the second step has an energy greater than the band gap energy of the oxide semiconductor and the band gap energy of titanium oxide. 산화니켈, 산화철, 산화텅스텐 및 산화구리 중에서 선택된 산화물 입자의 표면이 산화티탄으로 코팅되어 있는 것으로, 자외선 영역과 가시광선 영역에서 광촉매 특성을 나타내는 것임을 특징으로 하는 산화물 반도체 입자.An oxide semiconductor particle characterized in that the surface of an oxide particle selected from nickel oxide, iron oxide, tungsten oxide, and copper oxide is coated with titanium oxide, and exhibits photocatalytic properties in the ultraviolet region and the visible region.
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