KR102291144B1 - 가스 토치를 이용한 전이금속 산화물의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 전이금속 산화물을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전이금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 가스 토치를 이용한 전이금속 산화물을 제조하는 방법은 종래의 방법 대비 단시간 및 저비용으로 경제적 제조가 가능하면서도, 결정성 및 순도가 높은 산화물을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 화염을 가하는 시간을 조절하여 생성되는 전이금속 산화물의 나노 구조 형태를 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

가스 토치를 이용한 전이금속 산화물의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 전이금속 산화물을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물{Method for producing a transition metal oxide using a gas torch and a composition for treating inflammatory diseases comprising the transition metal oxide prepared by the method}

본 발명은 가스토치를 이용하여 전이금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

산화아연(ZnO)은 육각형 단위셀(hexagonal unit cell)을 갖는 우르자이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는 직접 광대역 밴드갭 반도체이다. 실온(RT)에서 3.37eV의 광대역 밴드갭과 60meV의 엑시톤 결합 에너지를 가지므로 UV 스펙트럼 영역의 자외 발광이 가능한 자외선(UV) 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 광전자 소자에 가장 유망한 재료 중 하나이다. 광대역 밴드갭은 또한 ZnO 재료의 응용 분야를 트랜지스터, 센서, 태양 전지 및 투명 전극 분야로 확장한다. 더욱이, ZnO는 나노 입자가 염증성 유전자의 발현을 감소시켰다는 보고가 있으며, 화장품용 자외선(UV) 흡수제, 광촉매, 고무와 플라스틱의 활성 필러, 탈취제, 코팅작업에서의 항바이러스제 등으로 그 응용범위가 넓기 때문에 최근 들어 매우 주목받는 물질이다.

최근에, ZnO을 비롯한 전이금속 산화물 나노 구조는 나노크기에서 기인하는 독특한 전기적 및 광학적 특성으로 인해 전자 및 광전자 공학에의 응용 가능성이 높아 상당한 관심을 끌고있다. 전이금속 산화물 나노 구조는 열 증발, 열탄소 환원, 화학 기상 증착, 펄스 레이저 증착, 연소 합성, 수열합성법 및 졸-겔법을 포함한 다양한 합성법에 의해 제조되고 있다. 그러나, 대부분의 방법은 복잡한 공정 절차, 특정 장치, 복잡한 합성 조건 및 긴 합성 시간이 필요하다. 따라서, 전이금속 산화물 나노 구조체의 제조를 위한 간단한 절차, 간단한 조건 및 짧은 반응 시간을 갖는 새로운 합성 방법을 개발하는 것이 필요하다.

이와 관련하여, 종래에 이산화탄소(CO₂) 플라즈마를 이용하여 전이금속 산화물을 제조하는 기술이 개발된 바 있으나, 상기와 같은 이산화탄소 플라즈마를 이용하는 방법 역시 이를 발생할 수 있는 특정 장치가 필요하며, 장치 자체가 고가의 장비로써, 고비용이 소요된다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은, 가스 토치를 이용하여 전이금속을 열처리하는 방법을 개발하였으며, 상기와 같은 가스 토치를 이용한 방법은 저비용으로도 단시간에 전이금속의 산화가 가능하면서도 열처리 시간 조절을 통해 형상 제어가 용이함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

대한민국공개특허 제10-2014-0041003호 대한민국공개특허 제10-2015-0142492호

본 발명의 목적은 전이금속 산화물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO) 및 산화주석(SnO)을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전이금속 산화물을 제조하는 컨베이어벨트 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산화아연을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 전이금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 아연(Zn)에 화염을 직접 가하여 산화아연(ZnO)을 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 마그네슘(Mg)에 화염을 직접 가하여 산화마그네슘(MgO)을 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 주석(Sn)에 화염을 직접 가하여 산화주석(SnO)을 제조하는 방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은 컨베이어벨트; 상기 컨베이어벨트 상에 이송되는 전이금속; 및 상기 컨베이어벨트에 인접하여 배치되어 상기 전이금속에 화염을 방사하는 가스 토치(gas torch);를 포함하는, 전이 금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 컨베이어벨트 시스템을 제공한다.

더 나아가, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 산화아연을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 가스 토치의 불꽃으로 전이금속에 직접 화염을 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법은 종래의 방법 대비 단시간 및 저비용으로 경제적 제조가 가능하면서도, 결정성 및 순도가 높은 산화물을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 화염을 가하는 시간을 조절하여 생성되는 전이금속 산화물의 나노 구조 형태를 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 생성물의 (a) XRD 패턴 및 (b) EDX 스펠트럼을 나타낸 결과이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 생성물의 SEM 이미지이다: (a) 저배율 이미지 및 (b) 고배율 이미지.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 나노 구조의 CL 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명에 따른 MgO 생성물의 EDX 스펙트럼을 나타낸 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 MgO 생성물의 SEM 이미지를 나타낸 결과이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

전이금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법

본 발명은 전이금속(transition metal)에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 화염의 바깥쪽 끝(tip) 부분으로 가열하는 것일 수 있다. 일반적으로 화염의 바깥쪽 부분은 화염의 안쪽 부분보다 높은 온도인 것으로 알려져 있으며, 바깥쪽 끝(tip) 부분의 불꽃(flame)이 가장 고온인 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 500℃ 내지 2500℃의 온도인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화물의 나노 구조(나노 입자의 형태)를 제어하는 것일 수 있다. 예를들어, 상기 산화물의 나노 구조는 나노와이어형, 구형, 막대형, 트리포드형, 입방체형, 박스형, 스타형, 테트라포드형 또는 멀티포드형 등의 형태가 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 전이금속은 주기율표에서 4~7주기, 3~12족 까지의 원소들을 의미하며, 바람직한 예로는 아연(Zn)을 들 수 있다.

아연에 화염을 직접 가하여 산화아연을 제조하는 방법

본 발명은 아연(Zn)에 화염을 직접 가하여 산화아연(ZnO)을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 화염의 바깥쪽 끝(tip) 부분으로 가열하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 500℃ 내지 2000℃의 온도인 것일 수 있다. 바람직하게는, 500℃ 내지 1500℃인 것일 수 있고, 500℃ 내지 1300℃의 온도인 것이 가장 바람직하다.

일반적으로, 아연의 417℃의 융점 및 907℃의 승화점을 갖는 것으로 알려져있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 방법으로 생성된 산화아연은 육각형 우르자이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조를 갖는 나노 입자인 것일 수 있다(실험예 1 및 2 참조).

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 산화아연은 폭이 50nm 내지 150nm이며, 길이가 0.5㎛ 내지 5㎛인 와이어 형상의 입자인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화아연의 나노 구조(나노 입자의 형태)를 제어하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화아연의 나노 구조는 나노본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화아연의 나노 구조(나노 입자의 형태)를 제어하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화아연의 나노 구조는 나노와이어형, 구형, 막대형, 트리포드형, 입방체형, 박스형, 스타형, 테트라포드형 또는 멀티포드형 등의 형태가 가능하다. 바람직하게는, 나노와이어형, 테트라포드형 또는 멀티포드형 등의 형태인 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 5초 이상 10초 미만 가하여 나노와이어(nanowire) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 5 내지 9초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 나노와이어 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 10초 이상 13초 이하 가하여 테트라포드(tetra-pod) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 이때, 테트라포드 형태와 멀티포드(multi-pod)형태가 혼재하여 생성될 수 있다(실험예 2 참조). 바람직하게는 10초 내지 11초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 테트라포드 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 13초 이상 20초 미만 가하여 멀티포드(multi-pod) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 14초 내지 16초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 멀티포드 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 20초 이상 30초 미만 가하여 나노와이어(nanowire) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 30초 이상 화염을 가할 경우 ZnO 형태가 녹아내려 특정 형태가 나타나지 않을 수 있다. 바람직하게는 20 내지 25초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 나노와이어 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명에서는 ZnO 나노 구조를 합성하는 빠르고 경제적이며 간단한 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 ZnO 나노 구조 제조방법은 나노 구조의 증발-응축 성장을 포함한다. 이 방법에서, 아연 소스 물질을 용융시키고 기화시키기위한 열은 가스 토치의 불꽃에 의해 공급된다. Zn 증기는 산소와 반응하여 ZnO 핵을 형성 한 다음, ZnO 핵이 ZnO 나노 구조로 성장한다. 이 방법은 매우 짧은 처리 시간, 매우 간단한 합성 조건(대기 중에서 이용 가능) 및 간단한 합성 절차로 이루어진다는 장점이 있다. 본 발명에서, 멀티포드(multi-pod) ZnO 나노 구조는 대기압에서 공기 중에서 합성되었다. 특히, ZnO 나노 구조와 같은 멀티 포드는 네트워크 및 분지형(branched) 나노 스케일 장치 및 염증 질환 치료 등 의약 분야에서의 잠재적인 응용으로 인해 관심도가 높은 구조이다.

마그네슘에 화염을 직접 가하여 산화마그네슘을 제조하는 방법

본 발명은 마그네슘(Mg)에 화염을 직접 가하여 산화마그네슘(MgO)을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 화염의 바깥쪽 끝(tip) 부분으로 가열하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 500 내지 2000℃의 온도인 것일 수 있다.

일반적으로, 마그네슘은 650℃의 융점 및 1090℃의 승화점을 갖는 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 방법으로 생성된 산화마그네슘은 정육면체(cubic) 모양의 결정 구조를 갖는 나노 입자인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화마그네슘의 나노 구조(나노 입자의 형태)를 제어하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화마그네슘의 나노 구조는 나노와이어형, 구형, 막대형, 트리포드형, 입방체형, 박스형, 스타형, 테트라포드형 또는 멀티포드형 등의 형태가 가능하다.

주석에 화염을 직접 가하여 산화주석을 제조하는 방법

본 발명은 주석(Sn)에 화염을 직접 가하여 산화주석(SnO)을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 화염의 바깥쪽 끝(tip) 부분으로 가열하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염은 500 내지 2500℃의 온도인 것일 수 있다.

일반적으로, 주석은 231℃의 융점 및 2000℃의 승화점을 갖는 것으로 알려져 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 방법으로 생성된 산화주석은 루틸(rutile) 결정 구조를 갖는 나노 입자인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화주석의 나노 구조를 제어하는 것일 수 있다.

전이 금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 컨베이어벨트 시스템

본 발명은, 컨베이어벨트;

상기 컨베이어벨트 상에 이송되는 전이금속; 및

상기 컨베이어벨트에 인접하여 배치되어 상기 전이금속에 화염을 방사하는 가스 토치(gas torch);를 포함하는,

전이 금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 컨베이어벨트 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 컨베이어벨트 시스템에 있어서, 상기 컨베이어벨트는 목적하는 시간 동안 전이금속이 화염에 직접 가해질 수 있는 속도로 진행되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 컨베이어벨트 시스템에 있어서, 상기 전이금속이 상기 가스 토치에서 방사된 화염에 열처리 되는 시간은 5 내지 30초인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 컨베이어벨트 시스템에 있어서, 상기 전이금속은 상기 컨베이어벨트 상에 일정간격 이격된 상태로 이송되는 것일 수 있고, 연속적으로 이송되는 것일 수도 있다.

본 발명에 따른 컨베이어벨트 시스템에 있어서, 상기 가스 토치는 상기 컨베이어벨트의 일정 높이의 상방에 배치되는 것일 수 있고, 측면에 배치되는 것일 수 있으나, 전이금속이 불꽃의 바깥쪽 끝(tip) 부분에 닿을 수 있는 거리라면 방향의 제한 없이 어느 위치에나 배치되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 컨베이어벨트 시스템에 있어서, 상기 전이금속은 바람직하게는 아연(Zn)인 것일 수 있고, 전이금속 산화물은 산화아연(ZnO)인 것일 수 있다.

이때, 상기 화염을 가하는 시간을 조절하여 산화아연의 나노 구조(나노 입자의 형태)를 제어하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화아연의 나노 구조는 나노와이어형, 구형, 막대형, 트리포드형, 입방체형, 박스형, 스타형, 테트라포드형 또는 멀티포드형 등의 형태가 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 5초 이상 11초 미만 가하여 나노와이어(nanowire) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 5 내지 10초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 나노와이어 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 11초 이상 13초 미만 가하여 테트라포드(tetra-pod) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 11초 내지 12초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 테트라포드 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 13초 이상 18초 미만 가하여 멀티포드(multi-pod) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 바람직하게는 14초 내지 16초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 멀티포드 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 화염을 18초 이상 30초 미만 가하여 나노와이어(nanowire) 형태의 산화아연을 생성하는 것일 수 있다. 30초 이상 화염을 가할 경우 ZnO 형태가 녹아내려 특정 형태가 나타나지 않을 수 있다. 바람직하게는 19 내지 25초 가하는 것일 수 있고, 상기 범위로 화염을 가할 때 나노와이어 형태가 더 선명하게 생성되는 효과가 있다(실험예 2 참조).

산화아연을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물

본 발명은, 상기 방법으로 제조된 산화아연을 포함하는 염증 질환 치료용 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 염증 질환 치료용 조성물은 염증성 사이토카인의 생성 및 mRNA 발현을 감소시켜 염증 반응을 억제하는 효과를 나타내는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 염증 질환 치료용 조성물은 정제, 과립, 캡슐, 분말, 시럽, 연고, 좌제 및 피하, 근육, 정맥 또는 점적 주사제 등의 일반적인 약제학적 조성물의 형태로 투여될 수 있으며, 1일 10~1000 mg을 1회 내지 수회에 나누어 복용할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 염증 질환 치료용 조성물은 계면 활성제 및 공용매를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 조성물은 약효에 악영향을 미치지 아니하는 범위 내에서 약제학적으로 통상 사용되는 물질, 예를 들면, 산화아연 나노입자의 용해도 및 위장관내 흡수를 증가시키고 경구 투여시에 물과 함께 분산 및 유화됨으로써 용출을 증가시키고 생체 이용율 향상에 널리 활용될 수 있는 지방산 또는 지방산 알코올과 같은 첨가제, 백당, 맥아이온 엿, 정백당, 젤라틴, 설탕 및 물엿과 같은 당류, 스테아린산 마그네슘, 탈크와 같은 활택제, 미세결정셀롤로우스, 인산일수소칼슘, 전분, 만니톨과 같은 부형제, 제제가 산화되는 것을 방지하는 항산화제, 착향제, 방부제, 방향제, 감미료, 색소, pH 조절제 및 점도 조절제를 추가로 포함할 수 있으며, 이들은 산화아연 나노입자에 대하여 통상적으로 사용되는 사용량으로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 조성물은 산화아연 나노입자, 계면 활성제 및 공용매를 혼합하고, 80

에서 가열 용해시킨 후 통상적인 방법을 이용하여 경구용 제제로 제형화 할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1-8> 가스 토치를 이용한 산화 아연 나노 구조 합성

휴대용 가스 토치(KTS-2402, (주)코베아)의 화염(불꽃)을 사용하여 금속성 Zn의 열 가열을 통해 산화 아연(ZnO) 나노 구조를 합성하였다.

합성 공정은 대기 분위기의 실온에서 수행되었다. 원료로서 Zn 분말(시그마알드리치)을 사용했다. 이때, 별도의 촉매 및 기질은 사용되지 않았다. Zn 분말을 알루미나 도가니에 넣고 휴대용 미니 가스 토치의 불꽃으로 하기 표 1과 같이 5 내지 30초 동안 가열하였다. 이때, 상기 가스 토치의 불꽃은 500 내지 1300℃로 가장 고온의 끝부분(tip)의 온도가 약 1000 내지 1300℃이며, 최대 작동 온도는 1300℃이다. 알루미나 도가니에서 백색 생성물(실시예 1 내지 8의 ZnO)을 수득하였으며, 상기 각 생성물을 수집하여 특성을 분석하였다.

	가스 토치 가열(열처리) 시간
실시예 1	5초
실시예 2	12초
실시예 3	14초
실시예 4	15초
실시예 5	16초
실시예 6	20초
실시예 7	25초
실시예 8	30초

<실험예 1> 가스 토치를 이용하여 생성된 산화 아연 생성물의 특성 분석

1-1. XRD 및 EDX 측정을 통한 생성물의 상, 결정구조 및 성분 분석

생성물의 상(phase) 및 결정 구조를 확인하기 위해 Cu Kα 방사선(1 = 1.54 A)을 갖는 X-선 회절계(XRD)를 통해 상기 실시예 4(15초 열처리)의 ZnO 생성물의 결정질 구조를 분석하였다. 또한, 생성물의 성분을 에너지 분산형 X-ray(EDX)로 분석하였다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 생성물의 (a) XRD 패턴 및 (b) EDX 스펠트럼을 나타낸 결과이다.

먼저, 도 1(a)에 나타난 바와 같이, 모든 XRD 패턴은 ZnO의 육각형 우르자이트(hexagonal wurtzite) 구조에서 관찰되는 패턴과 일치하며, 회절 패턴으로부터 계산된 격자 상수인 a=0.32nm 및 c=0.52nm(JCPDS 36-1451)도 우루자이트 구조의 격자 상수와 일치한다. 이는 상기 생성물이 우르자이트 구조를 갖는 ZnO임을 나타낸다.

31.8°, 34.4°, 36.2°, 47.5° 및 56.6°에서의 피크는 각각 (100), (002), (101), (102) 및 (110) 결정면에 해당한다. Zn과 같은 불순물에 해당하는 피크는 패턴에서 검출되지 않았으며, 이는 생성물이 순수한 단상 ZnO임을 나타냈다. XRD 패턴에서, (101) 회절 피크의 강도가 다른 피크의 강도보다 더 강하게 나타났다. 일반적으로, 우르자이트 결정 구조를 갖는 ZnO 분말에서는 ZnO (101) 회절 피크가 ZnO (002) 및 (100) 피크보다 강하게 나타난다. 우르자이트 ZnO의 특징인 (101) 회절 피크의 강도는 우르자이트 구조를 갖는 결정질 ZnO 분말의 JCPDS 표준 데이터 중에서 가장 강하다. 또한 이러한 XRD 패턴은 우르자이트 결정 구조를 가지며 와이어 또는 포드가 [002] 방향(c-축)을 따라 성장한 나노 와이어(nanowires), 나노-테트라 포드(nano-tetrapods) 및 나노-멀티 포드(nano-multi-pods)를 포함하는 ZnO 나노 입자에서 일반적으로 관찰된다. ZnO의 우르자이트 결정 구조에서, 아연 및 산소 중심은 사면체이다. 각 음이온은 4 면체 모서리에 4 개의 양이온으로 둘러싸여 있으며 그 반대도 마찬가지이다. (101) 회절 피크는 우르자이트 구조에서 Zn-O의 4 면체 배열에 기인한다. 증거로서, Co-도핑된(Co-doped) ZnO 나노 입자에서 관찰된 (101) 피크 강도의 감소는 아연 원자 위치에 코발트(Co) 원자가 치환함으로써 발생한 4 면체 환경의 변화에 기인한다.

한편, EDX 스펙트럼에 나타난 피크는 Zn 및 O의 원소에 해당한다. Zn 및 O 이외의 다른 원소는 검출되지 않았으며, 이는 생성물이 고순도의 ZnO임을 나타낸다.

결과적으로, XRD와 EDX 분석을 통해, 실시예 4의 ZnO 나노 구조가 육각형 우르자이트 결정 구조를 가지며, 순도는 매우 높다는 것을 확인하였다.

1-2. FESEM 측정을 통한 생성물의 형태 분석

상기 실시예 4의 ZnO 생성물의 형태는 15kV의 전압에서 작동되는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM)에 의해 관찰되었다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 생성물의 SEM 이미지이다: (a) 저배율 이미지 및 (b) 고배율 이미지.

SEM 이미지는 ZnO 생성물이 중심 코어로부터 성장된 여러개의 나노 와이어를 갖는 다중 포드 모양의 ZnO 나노 구조로 구성되어 있음을 보여주었다. 나노 와이어의 평균 직경 및 길이는 각각 130nm 및 750nm이다. 나노 와이어는 성장 방향을 따라 일정한 직경을 유지하며, 이는 성장이 이루어지는 동안 성장 조건이 일정하게 유지되었음을 나타낸다. 이러한 다중 포드 형 ZnO 나노 구조의 성장이 가능하게 된 성장 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다.

먼저, 가스 토치의 불꽃에서 발생된 열은 Zn 원료 분말을 기화시켜 Zn 증기를 생성한다. Zn 증기는 공기 중의 산소와 반응하여 다면체 형태의 ZnO 핵을 형성한다. ZnO 결정의 성장 특성으로 인해, [0001] 결정 방향으로의 성장 속도는 다른 방향보다 빠르다. 결과적으로, 다면체 ZnO 핵의 (0001) 결정면에서의 결정 성장이 우선적으로 발생하여, 다중-포드 형태를 갖는 ZnO 나노 구조의 형성을 초래한다. ZnO 멀티-포드는 원료 분말과 토치 사이의 거리가 일정하게 유지 될 때 우수한 재현성으로 제조되었다.

한편, 나노 와이어는 기상 성장 공정을 통해 성장되는 것일 수 있다. 기체-고체 성장 메커니즘에서, 촉매 입자 없이 나노 와이어가 성장 될 수 있다. 본 발명에서, 촉매가 사용되지 않았으며, 또한, SEM 이미지에 도시 된 바와 같이(도 2), 나노 와이어 팁(tip)에서 촉매 입자가 관찰되지 않았기 때문에 이는 다면체 핵에서의 나노 와이어의 성장이 기체-고체 메커니즘을 통해 이루어졌음을 나타낸다.

1-3. CL 분광법을 통한 생성물의 성분 및 조성 분석

음극선 발광(cathodoluminescence, CL) 스펙트럼을 실온에서 CL 분광법을 이용해 측정하여 ZnO 나노 구조의 광학적 특성을 평가하였다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO 나노 구조의 CL 스펙트럼이다.

CL 스펙트럼에서 380nm를 중심으로 한 날카로운 UV 피크가 관찰되었고, 다른 발광 피크는 관찰되지 않았다. ZnO에서 380nm에서의 UV 발광은 엑시톤(excitons)의 재결합에서 기인한다. 따라서, 강한 UV 발광은 ZnO 나노 구조의 높은 결정성을 나타낸다. 한편, ZnO에서 가시광 영역의 발광은 산소 공공, 아연 공공, 침입형 산소 원자 및 침입형 아연 원자와 같은 다양한 구조적 결함에 기인한다. 본 발명에 따른 실시예 4의 ZnO에서는, 가시광 영역의 발광이 관찰되지 않았으므로, 결함이 거의 없는 ZnO 나노 구조가 형성되었음을 확인하였다.

요약하면, 가스 토치의 불꽃(화염, falme)을 사용하여 Zn 분말의 열 가열을 통해 실시예 4의 다중 포드 형 ZnO 나노 구조를 합성하였다. 대기압의 공기 중에서 합성 공정을 수행하여 공정도 매우 간단하고 생산 비용도 크게 절감되었다. 원료로서 Zn 분말을 사용했다. ZnO 나노 구조는 촉매의 사용 없이 15 초의 매우 짧은 시간 내에 형성되었으며,이 합성 공정은 또한 에너지 효율적이고 시간적으로도 효율적인 방법임을 보여준다. XRD 분석은 ZnO 나노 구조가 육각형 우르자이트 결정 구조를 가짐을 밝혀냈다. ZnO 나노 구조체에 대해 강한 UV 발광이 관찰되었으며, 이는 ZnO 나노 구조체의 높은 결정성을 나타냈다. 결과적으로, 본 발명에 따른 가스 토치 화염을 직접 가하는 합성 공정은 높은 결정성 및 순도를 갖는 다중 포드 형 ZnO 나노 구조를 합성하는 방법 중에서 에너지, 시간, 단순성 및 비용과 관련하여 매우 효율적이며 경제적인 방법이다.

<실험예 2> 가스 토치 열처리 시간에 따른 산화 아연 생성물의 특성 분석

열처리 시간이 ZnO 나노 구조에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 가스 토치로 Zn 분말을 가열하는 시간을 달리하여 제조된 실시예 1 내지 8의 ZnO 생성물에 대하여 상기 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여 결정 구조를 확인하였고, 이를 하기 표 2에 나타내었다.

	가스 토치 가열(열처리) 시간	결정 구조	나노 구조 형태
실시예 1	5초	육각형 우르자이트	나노 와이어
실시예 2	12초	육각형 우르자이트	테트라 포드+멀티포드
실시예 3	14초	육각형 우르자이트	멀티 포드
실시예 4	15초	육각형 우르자이트	멀티 포드
실시예 5	16초	육각형 우르자이트	멀티 포드
실시예 6	20초	육각형 우르자이트	나노 와이어
실시예 7	25초	육각형 우르자이트	나노 와이어
실시예 8	30초	-	-

그 결과, 14초 내지 16초 열처리한 경우(실시예 3, 4 및 5)에만 육각형 우르자이트 결정 구조를 갖는 ZnO가 다중 포드 형태로 생성되었고, 12초 열처리(실시예 2)한 경우에는 테트라 포드(tetra-pod)와 멀티 포드(multi-pod) 형태의 ZnO 나노 구조가 생성되었으며, 10초 미만 또는 20초 내지 25초 열처리한 경우(실시예 1, 6 및 7)에는 테트라 포드 또는 멀티 포드 형태가 나타나지 않고, 육각형 우르자이트 결정 구조를 갖는 단일 나노 와이어 형태의 나노 구조의 ZnO가 생성되었다. 한편, 30초 이상 열처리한 경우(실시예 8)에는 산화물이 녹아내려서 멀티 포드, 테트라 포드 및 나노 와이어 형태가 모두 나타나지 않았다.

이러한 결과로부터, 가스 토치로 Zn 분말을 가열하는 시간을 조절하여 ZnO 생성물의 나노 구조 형태를 제어할 수 있음을 확인하였다.

<실시예 9> 가스 토치를 이용한 산화 마그네슘 나노 구조 합성

원료로서 Zn 분말 대신 Mg 분말(㈜ 순정화학)을 사용하고, 가스 토치의 화염을 10초간 가한 것을 제외하고 상기 실시예 1-8의 방법을 사용하여 산화 마그네슘을 합성하였다.

<실험예 3> 가스 토치를 이용하여 생성된 산화 마그네숨 생성물의 특성 분석

1-1. EDX 측정을 통한 생성물의 성분분석

Mg 분말(㈜ 순정화학)에 가스 토치의 화염을 10초간 가하여 생성된 생성물의 성분을 에너지 분산형 X-ray(EDX)로 분석하였다. 도 4는 본 발명에 따른 실시예 9의 MgO 생성물의 EDX 스펙트럼을 나타낸 결과이다.

EDX 스펙트럼에 나타난 피크는 Mg 및 O의 원소에 해당한다. Mg 및 O 이외의 다른 원소는 검출되지 않았으며, 이는 생성물이 고순도의 MgO임을 나타낸다.

1-2. FESEM 측정을 통한 생성물의 형태 분석

상기 실시예 9의 MgO 생성물의 형태는 15kV의 전압에서 작동되는 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM)에 의해 관찰되었다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예 9의 MgO 생성물의 SEM 이미지이다. SEM 이미지는 MgO 생성물이 정육면체(cube) 모양의 나노 입자로 구성되어 있음을 보여주었다. 정육면체 나노 입자의 한 변의 평균 길이는 450nm이다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특히 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

1. 전이금속(transition metal)에 화염(flame)을 직접 가하는 단계(단계 1);를 포함하고,
   상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염의 바깥쪽 끝(tip)부분인 것을 특징으로 하고,
   상기 화염의 바깥쪽 끝(tip)부분은 1,000 내지 1,300℃의 온도인 것을 특징으로 하며,
   상기 화염은 12 초 내지 16 초간 상기 전이금속에 가해지는 것을 특징으로 하고,
   상기 단계 1은 대기 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는,
   육각형 우르자이트 결정 구조 및 멀티 포드 형태의 전이금속 산화물을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전이금속은 아연, 마그네슘 또는 주석인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 전이금속은 아연인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 전이금속(transition metal)에 화염(flame)을 직접 가하는 단계(단계 1);를 포함하고,
   상기 화염은 가스 토치(gas torch)로 방사되는 화염의 바깥쪽 끝(tip)부분인 것을 특징으로 하고,
   상기 화염의 바깥쪽 끝(tip)부분은 1,000 내지 1,300℃의 온도인 것을 특징으로 하며,
   상기 화염은 5 초 내지 9 초 또는 20 초 내지 25 초간 상기 전이금속에 가해지는 것을 특징으로 하고,
   상기 단계 1은 대기 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는,
   육각형 우르자이트 결정 구조 및 나노와이어 형태의 전이금속 산화물을 제조하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전이금속은 아연, 마그네슘 또는 주석인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 전이금속은 아연인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 컨베이어벨트;
    상기 컨베이어벨트 상에 이송되는 전이금속; 및
    상기 컨베이어벨트에 인접하여 배치되어 상기 전이금속에 화염을 방사하는 가스 토치(gas torch);를 포함하는,
    전이 금속에 화염을 직접 가하여 전이금속 산화물을 제조하는 컨베이어벨트 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 전이금속이 상기 가스 토치에서 방사된 화염에 열처리 되는 시간은 5 내지 30초인 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 삭제

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