KR100694449B1 - 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법, 보다 상세하게는 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)을 이용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서 표면적이 30 m2/g 이상인 카본블랙을 사용하여 상대적으로 저온에서도 효율적으로 금속 산화물을 기체 상태의 금속으로 환원시켜 다양한 금속 산화물 나노 구조체를 제조할 수 있는 방법에 대한 것이다.
본 발명에 있어서 금속 산화물은 바람직하게는 MO, M2O3 또는 MO2 (여기서, M은 1종 이상의 금속 원소이고, O는 산소 원자임)의 양론비를 가지는 금속 산화물, 가장 바람직하게는 산화아연, 산화갈륨 또는 산화티탄을 의미한다.
나노 선, 나노 구조, 금속 산화물, 열적 환원반응, Carbothermal Reduction, 카본블랙

Description

금속 산화물 나노 구조체의 제조방법{Method for Preparing Metal Oxide Nanostructure}
도 1은 금속 산화물 나노 구조체 제조를 위한 반응기의 모식도.
도 2는 탄소를 이용한 열적 환원반응에서 탄소의 종류를 변화시키면서 제조한 산화아연 나노 구조체의 주사전자현미경 사진[(가): 흑연 사용, (나) ~ (마): 각각 단위무게당 표면적이 100 m2/g, 200 m2/g, 800 m2/g, 1600 m2/g인 카본블랙 사용]
도 3은 탄소를 이용한 열적 환원반응에서 탄소의 종류를 흑연 및 각각 단위무게당 표면적이 100 m2/g, 200 m2/g, 800 m2/g, 1600 m2/g인 카본블랙을 사용하여 제조한 산화아연 나노 구조체의 X-선 광전자 분광분석기의 분석결과를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화아연 나노봉을 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 5는 본 발명에 따르지 않는 비교예에 따라 실험한 후 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화아연 나노 구조체를 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화아연 나노 구조체를 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화갈륨(Ga2O3) 나노 구조체를 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 산화티탄(TiO2) 나노 구조체를 촬영한 주사전자현미경 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 석영 튜브 2: 탄소와 금속 산화물의 혼합물로 구성된 원재료
3: 원재료의 용기 4: 기판
본 발명은 금속 산화물, 바람직하게는 MO, M2O3, MO2 (여기서, M은 1종 이상의 금속 원소이며 O는 산소 원자임)의 양론비를 가지는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법, 보다 상세하게는 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)을 이용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 표면적이 30 m2/g 이상인 카본블랙을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
금속 산화물, 특히 산화아연, 산화갈륨, 산화티탄, 산화주석, 산화 인듐 등의 MO, M2O3, MO2의 양론비를 지니는 금속 산화물의 나노 구조체들은 반도성, 압전성, 강유전성, 강자성 등의 다양한 성질을 지닌다. 특히 최근 들어서는 이러한 나노 구조체를 여러 종류의 촉매, 투명전도막, 센서, 광전 소자 및 에너지 전환 소자에 이용하려는 연구가 활발하다.
기존에 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법으로는 여러 가지가 알려져 있으나, 그 중 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)을 이용하는 방법이 단순하고, 비용이 저렴하며, 많은 양의 분말과 탄소 분말을 혼합하여 고온으로 가열하면 반응 단계 (a)와 (b)를 거치 금속 산화물 나노구조체를 얻을 수 있기 때문에, 최근 이 분야에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 금속 산화물 나노 구조체 제조를 위한 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)은 다음과 같은 단계들을 거친다.
먼저 원재료로서 금속산화물 분말과 탄소 분말을 혼합하여 고온으로 가열하면 반응 단계 (a)와 (b)를 거치게 된다.
MxOy(s) + yC(s) → xM(g) + yCO(g) (a)
yCO(g) + MxOy(s) → yCO2(g) + xM(g) (b)
상기 반응식에서, M은 1종 이상의 금속 원소를 나타내고, x 및 y는 금속의 원자가에 의해 결정되는 수이다.
상기 반응의 결과로 원재료인 고체 상태의 MxOy(s) 분말이 기체 상태의 M(g)로 환원된다. 이렇게 형성된 M(g)는 적절하게 고안된 반응기 속에서 다양한 나노 구조체의 MxOy(s)로 다시 산화된다(하기 (c) 및 (d) 단계 참조).
xM(g) + yCO(g) → MxOy(s) + yC(s) (c)
yC(s) + yCO2(g) → 2yCO(g) (d)
상기 반응식에서, M, x 및 y는 전술한 바와 동일하다.
다시 말하면, 위와 같은 반응 단계들을 통하여 금속 산화물 나노 구조체를 형성하는 공정을 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)이라고 한다.
기존의 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)에서는 원재료로 사용되는 탄소 분말로 흑연을 사용하여 왔다. 이런 경우, 상기 반응단계 (a)의 MxOy(s)와 C(s)의 고상 반응이 원활하지 않게 된다. 따라서, MxOy(s)를 M(g)로 원활히 환원시키기 위하여 고온반응이 필요하거나 부수적인 기체 조절 공급 장치를 추가하여야 했다.
또한, 최근 문헌에 따르면 단일벽 탄소 나노튜브(Single-walled carbon nanotube)를 이용하여 상기 고상 반응(반응 단계 (a))을 활성화시킬 수도 있으나, 단일벽 탄소 나노튜브는 소량으로 생산되는 값비싼 원료이므로 대량생산에 적합하지 못하다는 큰 단점을 갖는다{참고문헌: C.M. Lieber and P. Yang, US005897945A; H.T. Ng et al. Science 300, 1249 (2003); D. Banerjee et al. Appl. Phys. Lett. 83, 2061 (2003); C.X. Xu et al. Appl. Phys. Lett. 83, 3806 (2003); Z. L. Wang, Materials Today 7, 26 (2004); Y.H. Leung, Chemical Physics Letters 394, 452(2004)}.
따라서, 본 발명자들은 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)을 이용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조할 때, 가격이 저렴하면서도 표면적이 넓은 카본블랙을 사용하면 고상반응을 활성화시켜 상대적으로 저온에서도 다양한 형태의 금속 산화물 나노 구조체를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 탄소를 이용한 열적 환원반응에서의 고상반응을 활성화시켜 나노선(Nanowire), 나노봉(Nanorod), 나노판, 나노빗살(Nanocomb), 나노띠(Nanobelt), 나노스프링(Nanosping), 테트라포드(tetrapod) 등의 다양한 금속 산화물, 특히 산화아연, 산화갈륨, 산화티탄, 산화주석, 산화 인듐 등의 MO, M2O3, MO2의 양론비를 지니는 금속 산화물 나노 구조체를 상대적으로 저온에서도 제조할 수 있는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
이하 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 금속 산화물, 특히 산화아연, 산화갈륨, 산화티탄, 산화주석, 산 화 인듐 등의 MO, M2O3, MO2의 양론비를 지니는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법, 보다 구체적으로는 탄소를 이용한 열적 환원반응(carbothermal reduction)을 이용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 표면적이 30 m2/g 이상인 카본블랙을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에서는 종래에 사용되던 흑연 대신에 카본블랙을 원재료로 사용하여 금속 산화물 분말과 혼합하여 사용한다. 기존에 사용되어온 흑연은 단위 무게 당 표면적이 10 m2/g 미만으로서 상기 고상반응(반응단계 (a))이 원활치 않아 고온 또는 부수적인 기체 조절 공급 장치가 필요하였다.
그러나, 본 발명에서 사용하는 카본블랙은 30 m2/g 이상의 표면적을 가진다. 따라서 카본블랙을 금속 산화물 분말과 혼합해 가열할 경우, 흑연에 비하여 M(g)를 형성하는 C(s)와 MxOy(s)간의 고상 반응이 촉진되어 상대적으로 저온에서도 금속 산화물 나노 구조체를 제조할 수 있다.
이렇게 단위 무게 당 표면적이 30 m2/g 이상인 카본블랙과 금속 산화물 분말을 혼합한 원재료를 적절하게 고안된 반응기에 넣어 원하는 나노 구조체의 제조에 적합한 조건에서 탄소를 이용한 열적 환원반응(Carbothermal Reduction)을 수행한다.
도 1은 금속 산화물 나노 구조체 제조를 위한 온도 구배가 있는 반응기의 모 식도이다. 부호(1)은 석영 튜브이며, 부호(2)는 탄소 분말과 금속 산화물 분말의 혼합물로 구성된 원재료이고, 부호(3)은 고온에서 안정한 원재료의 용기이며, 부호(4)는 금속 산화물의 나노 구조체가 형성될 기판이다.
상기의 석영 튜브를 튜브형 고온로에 장착하는데, A에서 B까지 온도가 감소하는 방향으로 구배를 가지도록 한다. 원재료를 담고 있는 용기(3)은 탄소가 흑연일 경우 통상 1000 ~ 1400 oC의 범위에 놓이며, 기판 (4)는 원하는 구조에 따라 적절하게 이보다 낮은 온도에 위치하며, 또는 경우에 따라서는 용기(3)의 위에 위치하기도 한다. 이렇게 구성된 반응기에서, 원재료(2)의 금속 산화물은 탄소에 의해 산소를 뺏기며 기체상태 M(g)로 환원되어 온도 구배를 따라 이동하다가 기판(4) 상에 금속 산화물 나노 구조체를 형성한다. 또한 온도 구배가 없이 기판(4)이 용기(3) 위에 위치하는 경우에도 역시 기체상태로 환원된 M(g)가 금속 산화물의 상태로 기판 위에 나노 구조체를 형성한다.
본 발명의 방법에 있어서 카본블랙과 금속 산화물 분말의 혼합비는 반응 온도 즉, 원재료 용기의 가열 온도 및 기판 상의 온도, 제조하고자 하는 금속 산화물 나노 구조체의 종류, 사용하는 카본블랙의 표면적, 가열 시간 등에 따라 의존하며, 그 혼합비가 특정 범위로 반드시 한정되어야 하는 것은 아니나, 바람직하게는 10:1 내지 1:10 (중량비)의 범위로 존재하는 것이 좋다.
또한, 본 발명에서 사용하는 카본블랙은 그 표면적이 30 m2/g 이상이어야 한다. 카본블랙의 표면적이 30 m2/g 미만이면 고상반응을 활성화시키는 기능이 약하여 원하는 정도의 저온에서 반응을 진행하는 것이 곤란해지게 된다. 바람직하게는 카본블랙의 표면적은 100 내지 2500 m2/g 인 것이 유리하다.
본 발명의 방법에 있어서 카본블랙과 금속 산화물 분말의 혼합물인 원재료를 담은 용기를, 기존의 방법에서는 산화아연 등의 금속 산화물의 나노 구조체가 형성되기 힘들었던 600 내지 1,000 oC 이하의 상대적으로 저온의 온도 범위에서 가열하여도 금속 산화물 나노 구조체가 형성될 수 있다.
본 발명의 방법에서는 용기의 가열 온도는 600 oC 내지 1500 oC의 범위에 존재하는 것이 유리하다. 가열 온도가 600 oC 미만이면 표면적이 넓은 카본블랙을 사용하여도 금속 산화물 나노 구조체가 형성되는 정도가 미미하며, 가열 온도가 1500 oC 이상이면 에너지 소모가 많을 뿐만 아니라, 금속 산화물 나노 구조체가 오히려 환원되는 경우가 있기 때문이다.
용기의 가열 시간은 반응 조건에 따라 변화되는 것으로 특별히 한정되는 것은 아니다.
기판의 온도 또한 형성하고자 하는 금속 산화물 나노 구조체의 종류 및 원재료 용기의 가열 온도, 원재료의 혼합비, 카본블랙의 표면적 등에 의존하며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 기판으로는 Si, Ge 등 통상 사용되는 반도체 기판, 글래스(Glass) 기판, ZnO와 유사한 구조를 가지는 GaN, 사파이어(Sapphire) 기판, 그리고 ZnO, MgO 등의 산화물 기판으로 이루어진 군에서 기판을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Si, 사파이어(Sapphire), GaN 기판이 유리하다.
탄소를 이용한 열적 환원반응에 의해 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 경우는 이의 효율적 제조를 위해서 기판 상에 금속 촉매를 증착시켜 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 그 종류를 가리지 아니하나, 바람직하게는 Au, Cu, Pt, Pd, Ir, Co로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 방법에서는 별도의 기체 공급 장치가 반드시 존재하여야 할 필요는 없다.
본 발명의 방법은 탄소를 이용한 열적 환원반응에 의해 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법이라면, 금속 산화물의 종류에 상관없이 적용될 수 있으며, 보다 구체적으로는, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크로뮴, 몰리브데늄, 텅스텐, 망간, 테크네튬, 레늄, 철, 오스뮴, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 스칸디윰, 이트리움, 란타늄, 란탄계 원소(예를 들면, 세륨, 프라제오디미움, 네오디미움, 프로메티움, 사마리움, 이유로피움, 가도리늄, 테르비움, 디스프로지움, 홀미움, 에르비움, 투리움, 이테르비윰 및 루테티윰), 보론, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 규소, 게르마늄, 주석, 납, 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 원소의 산화물을 들 수 있다.
바람직하게는 MO, M2O3, MO2의 양론비를 지니는 금속 산화물에 적용될 수 있 다. 여기서, M은 단일 금속 원소 또는 2 이상의 금속 원소의 혼합 상태일 수 있다.
더욱 바람직하게는 금속 산화물이 산화아연, 산화갈륨, 산화티탄, 산화주석, 산화 인듐인 것이 유리하며, 특히 산화아연, 산화갈륨, 산화티탄인 경우 더욱 유리하다. 가장 바람직하게는 본 발명의 방법은 산화아연 나노 구조체를 제조하는 경우 적용하는 것이 더욱 좋다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 금속 산화물 나노 구조체는 반응 조건에 따라 나노선(Nanowire), 나노봉(Nanorod), 나노판, 나노빗살(Nanocomb), 나노띠(Nanobelt), 나노스프링(Nanosping), 테트라포드(tetrapod) 등 다양한 형태의 형상을 선택적으로 취할 수 있다.
통상 나노선은 직경이 10 ~ 50 nm이며 길이가 100 nm 이상이 되고, 나노봉은 직경이 50 nm ~ 200nm이고 길이가 100 nm 이상이며, 나노판은 두께가 50 nm 이상이며 폭이 1 ㎛ 이상인 구조를 갖는다. 또한, 나노 빗살은 상기의 나노봉 또는 나노선이 나노판 위에 빗살형으로 배열된 형태를 나노 빗살이라 한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예 및 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1]
본 실험예는 탄소의 표면적 효과를 보여주는 실험에 관한 것이다. 금속 산화물 분말로 산화아연 분말을 선택하여 탄소의 표면적 효과를 실험하였다.
도 1과 같은 구조의 반응기에서 Si 기판을 원재료의 용기 위에 위치시키며, 탄소(흑연 또는 카본블랙)와 산화아연 분말과 1:1 (중량비)로 혼합한 원재료 0.2 g을 800 oC로 대기 중에서 30분간 가열하는 방식으로 별도의 기체 공급장치 없이 산화아연 나노 구조체를 제조하는 실험을 수행하였다. 이때, 기판은 Si로 이루어진 것을 사용하였으며, 기판의 온도는 800 oC 이었다. 카본블랙은 단위무게 당 표면적이 각각 100 m2/g, 200 m2/g, 800 m2/g, 및 1600 m2/g인 것을 사용하였다.
기판 상에 형성된 산화아연 나노 구조체에 대한 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. 도 2는 탄소의 표면적 효과를 나타내는 주사전자현미경 사진으로서 (가)는 표면적이 3 m2/g인 흑연을 사용한 경우이고, (나) ~ (마)는 각각 단위무게 당 표면적이 100 m2/g, 200 m2/g, 800 m2/g, 1600 m2/g인 카본블랙을 원재료로 사용한 경우의 반응 생성물에 대한 사진이다.
도 2(가)에서는 어떠한 산화아연의 나노 구조체도 형성되지 않았으며 단지 산화아연 나노 구조체의 효율적인 제조를 위하여 사용한 Au의 나노 입자만 관찰되었다. 그러나, 표면적이 100 m2/g인 카본블랙을 사용한 경우인 도 2(나)는 기판 표면에 약간의 아연이 도포되어 나노 도메인을 형성하고 있음을 보여준다. 이때, 금속촉매는 나노 도메인과 반응한 경우와 반응하지 않은 경우가 혼재하여, 따라서 본 실험 조건에서는 아연의 도포가 충분하지 않음을 나타낸다. 도 2(다)는 표면적이 200 m2/g인 카본블랙을 사용한 경우로, 도 2(나)에 비해 표면 대부분이 아연으로 도포된 것을 확인할 수 있다. 표면적이 800 m2/g인 카본블랙을 사용한 경우인 도 2(라)는 기판 표면에 나노 봉(Nanorod)이 일부 형성되었음을 보여주며, 마지막으로 표면적이 1600 m2/g인 카본블랙을 사용한 경우를 보여주는 도 2(마)에서는 도 2(라)에 성장하기 시작한 나노봉이 훨씬 더 자랐음을 확인할 수 있다. 따라서, 도 2는 표면적이 넓은 카본블랙을 원재료로 사용할 경우 효율적으로 산화아연의 나노 구조체를 제조할 수 있으며, 카본블랙의 표면적이 증가할수록 산화아연 나노 구조체가 보다 효율적으로 형성됨을 보여준다.
도 3은 도 2에 나타낸 나노 구조체의 x-선 광전자 분광분석기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과[가로축: 단위 m2/g(단, G는 흑연을 의미함), 세로축: 단위 원자%]이며, 원재료로 사용되는 탄소의 표면적이 증가함에 따라 기판의 표면에 더 많은 Zn 원자가 도포되는 경향성을 확연히 보여준다. 따라서, 도 2에서 보인 나노 구조체 형성에 대한 탄소의 표면적 효과를 XPS 분석을 통하여 다시 한번 확인하였다.
[실시예 1]
10 ~ 20 nm 크기를 지니는 금속 촉매 Au가 증착된 Si 기판 위에 산화 아연의 나노 구조체 제조를 실시하였다. 본 실험은 흑연을 사용할 경우의 온도 범위인 1000 ~ 1400 oC 보다 훨씬 낮은 850 oC의 온도 범위에서 표면적이 800 m2/g인 카본블랙과 ZnO 분말의 혼합물 1:1인 원재료 0.2 g을 30분간 가열하여 수행하였다. 이때 기판의 온도는 650 ~ 850 ℃이었다. 도 4는 본 실험 결과 형성된 산화아연 나노봉을 보여주는 주사전자현미경 사진이며, (가)와 (나)는 각각 20,000배와 100,000만 배의 배율에서 측정한 결과이다. 이 때 형성된 산화아연 나노 봉의 지름은 50 ~ 150 nm 였으며, 길이는 ~ 1 ㎛ 정도를 지녔다.
[비교예 1]
본 실험은 실시예 1의 대조 실험결과이다. 본 실험은 표면적이 800 m2/g인 카본블랙이 아닌 기존의 흑연(표면적: 3 m2/g)을 사용하여 실시예 1과 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 도 5는 이 실험의 결과를 보여주는 주사전자현미경 사진이며, (가)와 (나)는 각각 20,000배와 100,000만 배의 배율에서 측정한 결과이다. 실시예 1의 결과인 도 4와는 달리 어떠한 산화아연의 나노 구조체도 형성되지 않았으며, 단지 원래 Si 기판 위에 존재하는 크기가 10 ~ 50 nm인 Au 촉매의 형상만 보여준다.
[실시예 2]
본 실시예에서는 표면적이 800 m2/g인 카본블랙을 사용하고, 원재료를 950 oC에서 가열하며 기판의 온도를 하기와 같이 조절하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 반응조건에서 실험을 수행하여 산화아연 나노 구조체를 형성하였다. 도 6은 이 실험의 결과를 보여주는 주사전자현미경 사진으로, 기판의 온도가 930 ℃인 경우((가))는 산화아연 나노 선을, 900 ℃인 경우((나))는 산화아연 나노 핀을 형성하였다.
[실시예 3]
본 실시예에서는 표면적이 800 m2/g인 카본블랙을 사용하고, 카본블랙과 ZnO가 1:4의 중량비를 가지는 원재료를 1050 oC에서 가열하며 기판의 온도를 하기와 같이 조절하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 반응조건에서 실험을 수행하여 산화아연 나노 구조체를 형성하였다. 도 7은 이 실험의 결과를 보여주는 주사전자현미경 사진으로, 기판의 온도가 950~1000 ℃인 경우((가))는 산화아연 나노 빗살을, 930 ~ 970 ℃인 경우((나))는 산화아연 테트라포드를 형성하였다.
[실시예 4]
본 실시예에서는 표면적이 1600 m2/g인 카본블랙을 사용하고, 산화아연 대신에 산화갈륨(Ga2O3) 분말을 사용하며, 원재료를 1,000 oC에서 가열하는 것을 제외하고 실험예 1과 동일한 반응조건에서 실험을 수행하여 산화갈륨 나노 구조체를 형성 하였다. 도 8은 이 실험의 결과를 보여주는 주사전자현미경 사진으로, (가)와 (나)는 각각 20,000배와 100,000만 배의 배율에서 측정한 결과이다. 20 nm 내외의 굵기를 가진 막대형 산화갈륨이 형성된 것을 확인할 수 있다.
[실시예 5]
본 실시예에서는 표면적이 1600 m2/g인 카본블랙을 사용하고, 산화아연 대신에 산화티탄(TiO2) 분말을 사용하며, 원재료를 1,000 oC에서 가열하는 것을 제외하고 실험예 1과 동일한 반응조건에서 실험을 수행하여 산화티탄 나노 구조체를 형성하였다. 도 9는 이 실험의 결과를 보여주는 주사전자현미경 사진으로, (가)와 (나)는 각각 5000배와 10,000만 배의 배율에서 측정한 결과이다. 20 nm 내외의 굵기를 가진 산화티탄 나노봉과 함께 삼각형의 산화티탄 나노판이 형성된 것을 확인할 수 있다.
상기의 실험결과에서 보듯이 탄소의 표면적이 넓은 카본블랙을 사용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 본 발명은 반응 온도를 최소 150 oC 이상 낮출 수 있어도 금속 산화물 나노 구조체가 형성되는 효과를 가짐을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 다양한 금속 산화물 나노 구조체의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
카본블랙은 비교적 저렴한 원료이기 때문에 본 발명에서는 금속 산화물 나노 구조체의 제조 원가가 현저히 낮아질 수 있는 장점도 있다.

Claims (6)

  1. 탄소를 이용한 열적 환원반응(carbothermal reduction)을 이용하여 금속 산화물 나노 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 표면적이 30 m2/g 이상인 카본 블랙을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물이 MO, M2O3 또는 MO2 (여기서, M은 1종 이상의 금속 원소이고, O는 산소 원자임)의 양론비를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 카본 블랙의 표면적이 100 m2/g 내지 2,500 m2/g 인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 카본블랙과 금속 산화물 분말을 1:10 내지 10:1의 중량비로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 600 ℃ 이상의 온도 범위에서 카본블랙을 가 열하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서 금속 산화물 나노 구조체가 직경이 10 ~ 50 nm이며 길이가 100 nm 이상인 나노선, 직경이 50 nm ~ 200nm이며 길이가 100 nm 이상인 나노봉, 두께가 50 nm 이상이며 폭이 1 ㎛ 이상인 나노판, 또는 상기의 나노봉 또는 나노선이 나노판 위에 빗살형으로 배열된 나노 빗살의 형태인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 나노 구조체의 제조방법.
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