KR20210151398A - 전기방사를 이용한 금속산화물 나노섬유의 제조 방법, 이에 의해 제조된 나노섬유 및 이를 포함하는 압전 재료 - Google Patents

전기방사를 이용한 금속산화물 나노섬유의 제조 방법, 이에 의해 제조된 나노섬유 및 이를 포함하는 압전 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기방사에 의해 제조된 금속산화물 나노섬유, 이의 제조 방법, 및 상기 나노섬유를 포함하는 압전 재료에 관한 것이다. 상기 제조 방법은, i) 금속산화물의 전구체 물질과 고분자 물질을 혼합하여 방사용액을 형성하고, 여기서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 6wt% 이하의 양으로 함유하는 단계; ii) 전기방사를 통해 상기 방사용액을 방사하여, 나노섬유를 형성하는 단계; 및 iii) 상기 나노섬유를 700℃ 이상에서 열처리하여, 고분자 물질을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

전기방사를 이용한 금속산화물 나노섬유의 제조 방법, 이에 의해 제조된 나노섬유 및 이를 포함하는 압전 재료 {Method for preparing metal oxide nanofiber by electrospinning, nanofiber prepared thereby, and piezoelectric material comprising the same}
본 발명은 전기방사에 의해 제조된 금속산화물 나노섬유, 이의 제조 방법, 및 상기 나노섬유를 포함하는 압전 재료에 관한 것이다.
압전소자(Piezoelectric Device), 적층 세라믹 콘덴서(MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor)와 반도체 등의 전자 소자 재료로서 다양한 금속 산화물이 사용되고 있다. 예를 들어, 티탄산바륨(BaTiO3, Barium Titanate)은 압전소자, 커패시터, 서미스터와 같은 다양한 분야에 널리 응용된다. 특히, 티탄산바륨은 높은 유전 상수를 가지고 있는 페로브스카이트 구조의 물질로서 산화아연(ZnO, Zinc Oxide) 등과 같은 우르자이트(Wurtzite) 결정 구조의 물질에 비해 월등히 높은 압전 특성을 가지며, 지르코늄산납(PZT, Lead Zriconate Titanate) 등의 물질과 달리 납을 함유하지 않아 생체 친화적 특성을 가져 활용가능성이 높은 물질으로 여겨지기에, 활발히 연구되고 있다.
상기 금속산화물은 통상 나노입자 형태로 사용되는데, 이러한 나노입자 형태의 금속산화물을 제조하는 종래의 제조 방법으로는, 고상반응법, 침전법, 수열합성법, 졸-겔법 등이 제시되어 있다. 이러한 금속산화물을 나노선, 나노막대 등과 같은 1차원 나노구조체 형태로 제조하기 위한 연구가 개발되고 있으나, 종래의 제조 방법에 의하면 나노구조체의 제조가 번거롭고, 제조 조건을 세밀히 조정하더라도 나노구조체의 형상을 제어하기가 곤란한 등의 기술적 난점이 있었다.
본 발명의 목적은, 형상의 제어가 가능하고, 우수한 압전 성능을 갖는 금속산화물 나노섬유, 이를 제조하기 위한 방법 및 이를 포함하는 압전 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 다음의 단계를 포함하는, 금속산화물 나노섬유의 제조 방법이 제공된다:
i) 금속산화물의 전구체 물질과 고분자 물질을 혼합하여 방사용액을 형성하는 단계,
여기서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 6wt% 이하의 양으로 함유하고;
ii) 전기방사를 통해 상기 방사용액을 방사하여, 나노섬유를 형성하는 단계; 및
iii) 상기 나노섬유를 700℃ 이상에서 열처리하여, 고분자 물질을 제거하는 단계.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물은 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 및 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 산화물일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone)일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 i) 단계에서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 4wt % 내지 6wt% 의 양으로 함유할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 i) 단계에서 상기 금속산화물의 전구체 물질과 상기 고분자 물질의 질량비는 6.5:3.5 내지 7:3인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 ii) 단계에서, 수집기와 방사기 사이에 20kV 내지 28kV의 전압을 인가하여 상기 방사용액을 방사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 ii) 단계에서, 상기 방사용액을 방사하는데 사용되는 팁의 직경은 28G 내지 30G일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 iii) 단계에서 상기 고분자 물질이 제거되어 상기 금속산화물 나노섬유에 기공이 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 iii) 단계의 열처리하여 고분자 물질을 제거하는 단계는 750℃ 이상에서 2 시간 이상 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유는 압전 재료로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유의 제조 방법에 의해 제조된 금속산화물 나노섬유가 제공된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유를 포함하는 압전 재료가 제공된다.
본 발명의 금속산화물 나노섬유 제조방법은, 금속산화물로 이루어진 나노섬유를 제조하여 우수한 압전 성능을 제공할 수 있다.
또한 본 발명은, 금속산화물 나노섬유를 제조하는 합성 조건을 제어할 수 있으며, 금속산화물 나노섬유를 대량으로 생산할 수 있다.
또한 본 발명은, 방사용액의 조건과 전기방사 조건을 제어하여, 금속산화물 나노섬유의 직경을 제어할 수 있다.
도 1은 전기방사를 이용한 티탄산바륨 나노섬유 제조 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제조 방법을 통해 제조된 티탄산바륨 나노섬유의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 사진을 도시한다.
도 3은 (A) 본 발명의 제조 방법을 통해 제조된 티탄산바륨 나노섬유 및 (B) 전기 방사 후, 650℃에서 열처리한 티탄산바륨 나노섬유의 X선 회절 분석법(XRD, X-Ray Diffraction) 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제조 방법을 통해 제조된 티탄산바륨 나노섬유의 나노섬유 기공도를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5는 (A) 본 발명의 제조 방법을 통해 제조된 티탄산바륨 나노섬유 및 (B) 티탄산바륨 나노입자의 압전 특성을 나타내는 그래프를 도시한다.
이하, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 “함유”한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명의 금속산화물 나노섬유, 및 이의 제조 방법을, 본 발명의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
1. 금속산화물 나노섬유의 제조 방법
본 발명의 일 양태에 따르면, 다음의 단계를 포함하는, 금속산화물 나노섬유의 제조 방법이 제공된다:
i) 금속산화물의 전구체 물질과 고분자 물질을 혼합하여 방사용액을 형성하는 단계,
여기서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 6wt% 이하의 양으로 함유하고;
ii) 전기방사를 통해 상기 방사용액을 방사하여, 나노섬유를 형성하는 단계; 및
iii) 상기 나노섬유를 700℃ 이상에서 열처리하여, 고분자 물질을 제거하는 단계.
도 1은 금속산화물로서 티탄산바륨을 사용한 본 발명에 따른 상기 나노섬유의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 상기 흐름도의 첫 번째가 전술한 i) 단계이고, 두 번째 및 세 번째가 각각 전술한 ii) 단계 및 iii) 단계에 해당한다.
먼저, 금속산화물의 전구체 물질과 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 형성하는 i) 단계에 대해 설명한다.
상기 금속산화물은 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 및 산화 아연(ZnO)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 구체적으로는, 상기 i) 단계의 금속산화물은 티탄산바륨일 수 있다.
상기 금속산화물의 전구체 물질은 상기 금속산화물을 구성하는 각 금속을 함유하는 유기금속 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 티탄산바륨의 전구체 물질의 경우, 티탄 공급원 물질로서 티탄 부톡사이드, 티탄 이소프로폭사이드 등을 사용할 수 있고, 바륨 공급원 물질로서 바륨 아세테이트, 바륨 클로라이드 등을 사용할 수 있다.
상기 i) 단계의 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone)일 수 있다.상기 i) 단계에서, 방사용액을 형성할 때, 상기 금속산화물의 전구체 물질과 상기 고분자 물질은 적절한 비율로 혼합될 수 있고, 예를 들어 질량비는 6.5:3.5 내지 7:3의 비율로 혼합될 수 있다.
상기 i) 단계에서, 방사용액을 형성할 때, 용매가 사용될 수 있다. 상기 용매로는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸술폭시드, 아세톤, 테트라하이드로푸란, 톨루엔, 및 물 등일 수 있다. 전기방사과정에서 용매는 신속히 증발되어야 하기 때문에 디메틸포름아미드 등과 같이 휘발성이 낮은 용매를 사용할 경우에는 휘발성이 높은 용매와 혼합하여 사용해도 좋다.
상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 6wt% 이하의 양으로, 구체적으로는, 4wt % 내지 6wt% 의 양으로 함유할 수 있다. 상기 고분자 물질은 상기 iii) 단계의 열처리 동안에 제거되면서 나노섬유에 기공을 형성하는데, 후술하는 실시예에 따르면 이러한 고분자 물질의 농도가 증가하면 기공도가 감소하는 경향이 있다. 따라서 나노섬유의 기공도를 고려했을 때 상기 고분자 물질을 6 wt% 이하의 양으로 사용하는 것이 좋다.
상기 i) 단계에서, 방사용액의 형성은, 적절한 온도 하에서 적절한 혼합 시간 동안 이루어질 수 있고, 예를 들어, 0℃ 내지 100℃의 온도에서, 구체적으로는, 상온에서 형성될 수 있다. 방사용액의 교반은, 1분 ~ 24시간의 시간 범위일 수 있으며, 당업자라면 반응 정도에 따른 적절한 교반 시간을 용이하게 선택할 수 있다.
다음으로, 전기방사를 통해 상기 방사용액을 방사하여, 나노섬유를 형성하는 ii) 단계를 설명한다.
상기 ii) 단계의 전기방사는, 전기방사 장치에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 방사용액을 전기방사 장치에 주입한 뒤, 방사 용액을 컬렉터 기판 또는 컬렉터 기판 상에 배치된 별개의 기판 등과 같은 타겟 기판 상에 방사하여 나노섬유를 형성할 수 있다.
상기 타겟 기판은 전도성을 가진 금속 기판으로서, 상기 나노섬유를 형성한 후에 상기 iii) 단계의 열처리를 수행하기 이전에 제거되거나 상기 iii) 단계의 열처리하는 단계를 수행한 후에 제거될 수 있다.
상기 전기방사 장치는, 0.2 ml/h ~ 1 ml/h 범위의 분사 유속으로 설정되고, 더욱 구체적으로는, 1 mL/h의 분사 유속으로 설정될 수 있다. 상기 전기방사 장치에 사용되는 팁의 직경은 28G(외경 0.36 mm) 내지 30G(외경 0.30 mm)일 수 있다. 상기 전기방사 장치에 인가되는 전압은 20 kV 내지 28 kV이고, 예시로서, 20 kV, 22 kV, 24 kV, 26 kV, 28 kV 이다.
상기 전기방사 장치의 방사구와 수집기(타겟기판)는 수직하게 위치할 수 있으며, 상기 전기방사 장치의 방사구와 수집기 사이의 거리는 예를 들어 15 cm로 고정할 수 있다.
전술한 바와 같은 방사 용액의 분사 속도, 인가 전압, 방사 팁 직경, 방사구와 수집기 사이의 거리 등과 같은 전기방사 조건은 방사 용액의 구성 성분, 목적하는 나노섬유의 형상 등에 따라 달라질 수 있으며, 이는 당업자가 적절히 설정할 수 있다.
다음으로 상기 나노섬유를 열처리하여 고분자 물질을 제거하는 iii) 단계를 설명한다.
상기 iii) 단계의 열처리는, 상기 금속산화물 나노섬유를 전기로에 투입하여, 바람직한 열처리 온도까지 일정한 온도로 승온한 뒤, 바람직한 열처리 온도를 일정 시간 동안 유지하는 것이다.
상기 iii) 단계에서, 상기 열처리는, 상기 금속산화물 나노섬유로부터 상기 고분자 물질을 제거할 수 있는 온도 범위에서 수행될 수 있고, 구체적으로는 700 ℃ 이상의 온도에서, 더욱 구체적으로는 750 ℃ 내지 800 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 충분히 높지 못하면 금속산화물 나노섬유를 구성하기 위한 금속산화물 결정이 충분히 형성되기 곤란할 수 있다.
상기 iii) 단계에서, 열처리를 위한 전술한 온도는, 적절한 속도, 예를 들어 12.5 ℃/min의 속도로 승온될 수 있다.
상기 iii) 단계에서, 상기 열처리는, 다양한 시간 범위에서 수행될 수 있고, 구체적으로는, 1 분 내지 24 시간 범위의 시간, 더욱 구체적으로는 2시간 이상 동안 수행될 수 있다.
상기 열처리하는 단계에서 이루어지는 상기 고분자 물질의 제거는 상기 고분자 물질을 구성하는 탄소, 수소, 산소 등과 같은 원소가 서로 결합하여 기체화되어 구현될 수 있다. 이와 같이 상기 고분자 물질이 제거됨에 따라, 그물망 구조체의 금속 산화물 나노섬유 구조체 사이에 기공이 형성될 수 있고, 비표면적이 증가될 수 있다. 또한, 상기 열처리에 의하여 나노섬유가 금속산화물 물질만을 포함하는 단일 상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유의 제조 방법에 의해 제조된 금속산화물 나노섬유가 제공된다.
일반적으로, 나노섬유는 직경이 나노미터 단위인 초극세사로 이루어진 섬유를 의미한다. 나노섬유는 비표면적이 다른 나노 구조에 비해 큰 특징을 가지고 있어 다양한 분야에서의 활용도가 높다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 금속산화물 나노섬유를 포함하는 압전 재료가 제공된다.
일반적으로, 압전 재료는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 재료로, 압전 재료에 인가되는 기계적 힘, 예를 들어 진동에 의해 압전 전위가 발생하는 압전 효과를 나타내는 것을 의미한다. 압전 재료는 압전 액추에이터, 특히, 압전스피커, 압전진동자. 압전모터, 초정밀이동 스테이지, 압전 트랜스, 점화기용 전원에 사용될 수 있고, 발전용(energy harvesting)으로도 이용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1: 티탄산바륨 나노섬유의 제조
본 발명의 금속산화물의 일 실시예로서 티탄산바륨을 사용하는, 금속산화물 나노섬유 제조 방법을 서술한다.
먼저, 4.5g 아세트산 용액과 4.75g 메탄올 용액을 혼합한 뒤, 여기에 0.51g의 바륨아세트산 분말을 첨가하여 바륨아세트산 혼합물을 제조한 뒤, 이를 교반했다. 이후, 0.68g의 티타늄부톡시드 용액과 0.41g의 아세틸아세톤 용액을 혼합하여 티타늄부톡시드 혼합물을 제조한 뒤, 이를 교반했다.
상기 바륨아세트산 혼합물 및 상기 티타늄부톡시트 혼합물을 혼합하여, 티탄산바륨 전구체 물질이 포함된 용액을 준비했다.
상기 티탄산바륨 전구체 물질이 포함된 용액에, 0.50g 내지 0.65g의 폴리비닐피롤리돈 분말을 첨가하여, 티탄산바륨 전구체 물질 및 폴리비닐피롤리돈의 혼합물을 제조했다. 상기 티탄산바륨의 전구체 물질과 상기 폴리비닐피롤리돈은 적절한 비율로서 혼합될 수 있고, 상기 방사용액에 첨가된 폴리비닐피롤리돈 분말의 총량은 0.50 g, 0.55 g, 0.60 g 혹은 0.65 g이다.
이후, 상기 티탄산바륨 전구체 물질 및 폴리비닐피롤리돈의 혼합물을 교반하여 방사용액을 형성했다.
상기 방사 용액을 방사구에 주입한 후 주사기 펌프에 위치시킨 다음 1 mL/h의 유속으로 고정하였으며, 이때, 팁(Tip)의 직경은 28G(외경 0.36 mm) 내지 30G(외경 0.30 mm)이다. 이때 수집기와 방사구는 수직하게 위치하고, 수집기는 전도성을 가진 금속 기판으로 설계하였다. 방사구와 수집기 사이의 거리는 15 cm로 고정하였으며, 20 kV 내지 28 kV의 전압을 인가하여 나노섬유 구조체를 제조하였다. 상기 전기방사 과정에서 수집기와 방사구 사이에 인가된 전압은 20 kV, 22 kV, 24 kV, 26 kV, 28 kV이다. 상기 나노섬유 구조체를 전기로에 투입하고 공기 분위기 750 ℃까지 12.5 ℃/min의 속도로 승온한 뒤 2시간 동안 유지하여 열처리를 수행하여 티탄산바륨 나노섬유 구조체를 얻었다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 티탄산바륨 나노섬유를 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy)으로 촬영하여 도 2에 도시했다. 도 2에 도시된 바와 같이, 균일하게 합성된 티탄산바륨 나노섬유를 확인할 수 있다.
2. 금속산화물 나노섬유의 평가예
평가예 1: XRD 패턴
본 발명의 전술한 실시예 1에 따른 티탄산바륨 나노섬유의 구조적 물성을 측정하기 위해, X선 회절 분석법(XRD, X-Ray Diffraction)을 사용했다.
이를 통해, 실시예 1에 따른 티탄산바륨 나노섬유의 상을 확인하여 구조적 물성을 분석했다. X선 회절 분석법을 통해, 실시예 1에 따른 티탄산바륨 나노섬유에 티탄산바륨 결정이 형성되어 이차상 없이 단일상만으로 이루어진 것이 관찰되었고, 이는 결정성이 높음을 입증하는 매우 좁은 중간선폭이 도시된 도 3A의 그래프의 XRD 피크로 확인할 수 있다. 이는, 상기 열처리에 의하여 나노섬유가 티탄산바륨 물질만을 포함하는 단일 상으로 형성될 수 있음을 나타낸다.
한편, 도 3B의 그래프는 본 발명의 열처리 온도 범위 이하의 온도인 650℃에서 형성된 티탄산바륨 나노섬유의 XRD 그래프이다. 도 3A의 XRD 그래프와는 달리, 도 3B의 그래프는 낮은 온도에서 열처리된 티탄산바륨 나노섬유가 단일상 구조가 아닌 2차상 구조를 갖는다는 것을 보여준다.
평가예 2: 나노섬유의 기공도
본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산바륨 나노섬유의 나노섬유 기공도를 측정하기 위해, 액체 질소 흡착을 이용하는 기공도(표면적) 측정기(BET)를 사용했다.
이를 통해, 상기 나노섬유 이내에, 고분자 물질이 제거되어 생긴 기공이 분포하고 있음을 알 수 있다. 상기 나노섬유에 생성된 기공은, 나노섬유의 비표면적을 비약적으로 증가시킨다.
도 4의 그래프는, 폴리비닐피롤리돈의 농도 4.41% 및 5.24%에서, 기공의 크기에 따른 기공의 부피를 도시하는 그래프이다. 상기 도 4에서, 폴리비닐피롤리돈의 농도 4.41%에서 측정된 티탄산바륨 나노섬유의 기공 부피는 검은색 실선으로 도시되어있고, 폴리비닐피롤리돈의 농도 5.24%에서 측정된 티탄산바륨 나노섬유의 기공 부피는 청색 실선으로 도시되어있다.
상기 그래프를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산바륨 나노섬유에 포함된 대다수의 기공은 30 내지 40 nm의 크기에서 분포하고, 방사용액 내 폴리비닐피롤리돈의 농도가 증가할수록 상기 티탄산바륨 나노섬유의 기공 부피가 감소한다. 구체적으로는, 폴리비닐피롤리돈의 농도 4.41 wt%의 경우, 상기 티탄산바륨 나노섬유의 평균 기공 부피는 0.097 cc/g이고 평균 비표면적은 35.688 m2/g이었고, 반면, 폴리비닐피롤리돈의 농도 5.24 wt%의 경우, 상기 티탄산바륨 나노섬유의 평균 기공 부피는 0.060 cc/g이고 평균 비표면적은 22.290 m2/g이었다. 이를 통해, 방사용액 내 고분자 물질의 농도가 증가하면 금속산화물 나노섬유의 기공도가 감소하는 것을 알 수 있다.
평가예 3: 압전 특성
본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 티탄산바륨 나노섬유의 압전 특성을 측정하기 위해, PFM(Piezoresponse force microscopy) 분석을 이용하였다.
본 발명에 따라 제조된 상기 티탄산바륨 나노섬유의 압전 특성(d33,eff, 유효압전상수, effective piezoelectric coefficient)은, 다음과 같은 측정 방법에 따라, 64pm/V로 측정되었다.
Figure pat00001
이는, 기존의 티탄산바륨 나노입자의 압전 특성인 ~28pm/V (도 5B의 그래프 참조, Deng, Zhao, et al. "Synthesis and characterization of bowl-like single-crystalline BaTiO 3 nanoparticles." Nanoscale research letters 5.7 (2010): 1217.)과 비교하여 현저히 향상된 값으로, 본 발명의 나노섬유 형태가 기존의 나노입자 형태에 비해 훨씬 우수한 압전 성능을 갖는 것을 나타낸다.
이는 도 5A의 그래프에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 티탄산바륨 나노섬유의 압전 특성과 도 5B의 그래프에 도시된 기존의 티탄산바륨 나노입자의 압전 특성의 비교를 통해 알 수 있다. 상기 그래프 및 측정 방법을 통해 계산된 두 티탄산바륨 화합물의 압전 특성은, 본 발명의 티탄산바륨 나노섬유가 기존의 티탄산바륨 나노입자의 압전 특성보다 약 3배 가량 뛰어난 것으로 보여진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 다음의 단계를 포함하는, 금속산화물 나노섬유의 제조 방법:
    i) 금속산화물의 전구체 물질과 고분자 물질을 혼합하여 방사용액을 형성하는 단계로서,
    여기서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질을 6wt% 이하의 양으로 함유하는 단계;
    ii) 전기방사를 통해 상기 방사용액을 방사하여, 나노섬유를 형성하는 단계; 및
    iii) 상기 나노섬유를 700℃ 이상에서 열처리하여, 고분자 물질을 제거하는 단계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 티탄산연(lead titanate, PbTiO3), 티탄산지르콘산연(lead zirconate titanate, PZT), 티탄산바륨(barium titanate, BaTiO3), 산화나이오븀화칼륨(KNbO3), 산화탄탈륨화 리튬(LiTaO3), 산화텅스텐화 나트륨(Na2WO3), 및 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택되는 것인,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP, Polyvinylpyrrolidone)인,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 i) 단계에서 상기 방사용액은 성분 총 중량을 기준으로 상기 고분자 물질 4wt % 내지 6wt% 의 양으로 함유하는,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 i) 단계에서 상기 금속산화물의 전구체 물질과 상기 고분자 물질의 질량비는 6.5:3.5 내지 7:3인,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 ii) 단계에서, 수집기와 방사기 사이에 20kV 내지 28kV의 전압을 인가하여 상기 방사용액을 방사하는,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 ii) 단계에서, 상기 방사용액을 방사하는데 사용되는 팁의 직경은 28G 내지 30G인,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 iii) 단계에서 상기 고분자 물질이 제거되어 상기 금속산화물 나노섬유에 기공이 형성되는,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 iii) 단계의 열처리하여 고분자 물질을 제거하는 단계는 750℃ 이상에서 2 시간 이상 수행되는,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노섬유는 압전 재료로 사용되는,
    금속산화물 나노섬유의 제조 방법.
  11. 제1항의 제조 방법에 의해 제조되는,
    금속산화물 나노섬유.
  12. 제11항의 금속산화물 나노섬유를 포함하는,
    압전 재료.


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