WO2014168345A1 - 플라즈마를 이용한 티타늄 산화물 나노 구조의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 티타늄 산화물 나노 구조의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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WO2014168345A1
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정현석
이찬우
이석근
정경재
김동회
송희조
노준홍
김동욱
최수석
황용석
박재영
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for manufacturing nanostructures such as nanoparticles, and more particularly, to a method and apparatus for manufacturing titanium oxide nanostructures using plasma.
  • the material In order to use the material as a photocatalyst, it is required to be stabilized in a solution to be irradiated with light energy larger than the energy band gap of the used material. In order to be well distributed. Therefore, the production of stable and well-dispersed nano-sized particles is a very important factor in increasing the photoactivity.
  • nano-sized particles sizes typically less than 100 nm
  • the activity increases, the specific surface area at the interface increases, and the purity can be increased depending on the manufacturing method. If such nano-sized particles are used in the catalyst, the catalytic activity can be improved due to the change in surface properties such as surface area increase and surface bonding.
  • titanium oxide is attracting attention as a transition metal oxide layer material for semiconductor electrodes of dye-sensitized solar cells because of its unique optical and electrical properties suitable for solar energy conversion such as photocatalysts and photoelectric conversion devices.
  • Titanium oxides can be synthesized by traditional methods such as hydrothermal, flame, so-gel, and precipitation method, but previously proposed methods There are problems such as C1 residue on the surface or low crystallinity, which is a obstacle to using solar energy.
  • Recently, a technique for synthesizing precious metal nanoparticles such as Au and Ag in a liquid phase has been proposed. However, most of the proposed methods have been studied on the principle of solidifying in solution by vaporizing the electrodes.
  • the electrode is made of the components of the nanoparticles to be synthesized.
  • the precursor has been studied by gasifying and spraying or reacting with other gases to obtain nanoparticles of a desired composition through rapid temperature drop.
  • these methods require the synthesis of nanoparticles or gaseous precursors as the electrode material is consumed, thus continuing The problem is that the synthesis of nanoparticles is difficult and requires complex process procedures.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a method and apparatus for synthesizing titanium oxide nanostructures using plasma, but simple and continuous synthesis.
  • the titanium oxide nanostructure manufacturing method of the present invention comprises the steps of: injecting a titanium-containing precursor solution into the reaction chamber; And generating a plasma arc discharge in the titanium-containing precursor solution by applying a pillar-type power source to the two electrodes immersed in the titanium-containing precursor solution to generate a titanium oxide nanostructure.
  • the titanium oxide nanostructure manufacturing apparatus of the present invention having two electrodes located in the titanium-containing precursor solution, and causing a plasma arc discharge to the titanium oxide nanostructure in the titanium-containing precursor solution A reaction chamber for generating a; And a high voltage power supply device and a high voltage power storage device for applying a pulse power to the electrode.
  • two electrodes are placed in a titanium-containing precursor solution such as a polymeric sol containing a titanium element, and discharged to form nanostructures in the solution.
  • a titanium-containing precursor solution such as a polymeric sol containing a titanium element
  • Both the metal and oxygen required to obtain metal oxides are supplied from solution, making them different from existing technologies and more commercially available.
  • the electrode since the electrode does not need to be composed of a composition constituting the nanostructure and no additional gas supply is required, it is simple, easy, and can reduce mass production as well as reduce the process cost.
  • a plasma-type arc discharge is generated in a titanium-containing precursor solution by applying a fill-type power supply to two electrodes.
  • the voltage, pulse number, precursor type, etc. the size and uniformity of the titanium oxide nanostructures can be easily adjusted, and the titanium oxide and the carbon composite can be obtained by controlling the amount of carbon contained in the precursor. The choice is very wide.
  • the manufacturing apparatus according to the present invention uses only a solution precursor as a source of metal oxide nanostructures, and thus the apparatus configuration is very simple. Furthermore, it is possible to continuously form nanostructures, which is more suitable for mass production.
  • the present invention is suitable for mass production of titanium oxide nanostructures that can be used in the photocatalyst black and semiconductor fields.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a titanium oxide nanostructure manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method of manufacturing a titanium oxide nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing the current and voltage waveforms with respect to the time of liquid plasma discharge.
  • FIG. 4 is a photograph showing a discharge pattern according to the pressure (energy) of the liquid plasma discharge.
  • FIG. 5 is a graph showing the resistance of the plasma channel according to the energy of the high voltage power storage device.
  • the titanium-containing precursor solution is preferably used an ethanol base solution containing a titanium element.
  • the apparatus for producing titanium oxide nanostructures of the present invention further comprises an injection and extraction system for injecting and extracting the titanium containing precursor solution into the reaction chamber.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a titanium oxide nanostructure manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the titanium oxide nanostructure manufacturing apparatus 100 includes a high voltage power supply device 10, a high voltage power storage device 20, a reaction chamber 30, and the like.
  • a high voltage power supply device 10 a high voltage power storage device 20, a reaction chamber 30, and the like.
  • a layered switch a layered switch.
  • the reaction chamber 30 has two electrodes 32, 34. And the electrodes 32, 34 are positioned soaked in the titanium containing precursor solution 36 in the reaction chamber 30.
  • the electrodes 32, 34 may consist of tungsten electrodes.
  • the high voltage power supply device 10 and the high voltage power storage device 20 generate a plasma arc discharge by applying a pell method power source to the electrodes 32 and 34, thereby producing a titanium oxide in the titanium-containing precursor solution 36.
  • a pell method power source to apply a pell method power source to the electrodes 32 and 34, thereby producing a titanium oxide in the titanium-containing precursor solution 36.
  • the charge switch 15 is opened and the discharge switch 25 is closed to form the electrode of the reaction chamber 30 in the form of a pillar.
  • An arc discharge can be generated between (32, 34).
  • Current, voltage, and pressure measuring devices (40, 50, 60) are intended for process monitors.
  • the titanium-containing precursor solution 36 may use a commercialized liquid precursor used to form titanium oxide, in particular depending on the microstructure and crystallinity, surface properties and porosity of the titanium oxide. It has the effect of freely adjusting the size.
  • a titanium containing titanium element is used as the titanium-containing precursor solution 36.
  • nano structure can be obtained by the composition of a composite composed of titanium oxide and carbon material. Titanium oxide carbon composite nanostructures have different electrical behavior depending on the carbon content, so that the material having the desired physical properties can be obtained by controlling the carbon content in the precursor.
  • composition design of the titanium oxide carbon composite nanostructure is further needed, it is also possible to further include a powdery additional material in the titanium-containing precursor solution 36, wherein the titanium oxide carbon composite nanostructure is dispersed and adsorbed on the powder material. New structures can be obtained. Titanium-Containing Precursor Solution (36) The process temperature can be maintained at room temperature, making the process easy to operate.
  • Reference number 70 is the injection and extraction system Idi i. Further comprising an injection and extraction system 70 for injecting and extracting the titanium-containing precursor solution 36 into the reaction chamber 30, carrying out a series of processes for supplying the solution and recovering the nanostructures. There are advantages you can make.
  • FIG. 2 is a sequence of a method for manufacturing titanium oxide nanostructures according to an embodiment of the present invention.
  • the method may be performed using the titanium oxide nanostructure fabrication apparatus 100 described with reference to FIG. 1, but other apparatuses may be used.
  • a titanium-containing precursor solution 36 is introduced into the reaction chamber 30 (step s 10).
  • the pulsed power was applied to generate a plasma arc discharge in the titanium-containing precursor solution 36 to generate the titanium oxide nanostructures- (step s 20).
  • the present invention generates a plasma on the titanium-containing precursor solution 36, and is charged in the titanium-containing precursor solution 36 as a strong electric field is applied between the electrodes 32 and 34.
  • the ionic material that is present is rapidly accelerated to produce other ionic materials, resulting in the presence of highly reactive materials inside the titanium containing precursor solution 36 to induce reaction.
  • the temperature inside the plasma generator reaches thousands of degrees. And a rapid temperature drop at the interface of the surrounding titanium.-containing precursor solution 36 to produce nanostructures.
  • the gong-chi 100 further equipped with the injection and extraction system 70 allows the supply of a solution and a series of ' processes of obtaining a nanostructure dispersed solution. To be able to continuously perform the All.
  • the device As the titanium-containing precursor solution 36, a precursor in the form of a polymeric sol, which is used to prepare titanium oxide, was used.
  • the high voltage power supply 10 used a DC power supply (Glassman PK series, 50 kV, 80 mA), and the high voltage power storage device 20 (Maxwell Laboratories Inc., O. iF) was charged with the charge switch 15 closed. Will accumulate and have a voltage of 14 to 19 kV. At this time, when the charge switch 15 is opened and the discharge switch 25 is closed, the charge is transferred through the circuit connected to the high voltage power storage device 20.
  • FIG. 3 is a graph showing the current and voltage waveforms with respect to the time of liquid plasma discharge.
  • the energy of the electrical storage device was 30J.
  • FIG. 4 is a photograph showing the discharge pattern according to the voltage (energy) of the liquid plasma discharge
  • FIG. 5 is a graph showing the resistance of the plasma channel according to the energy of the high voltage power storage device.
  • discharge pictures having an exposure time of lsec are shown as cases in which the high voltage power storage device energy is less than 10 J / pulse. If the energy of the high voltage storage device is less than 10 J / pulse, you can see the streamer discharge.
  • the plasma channel resistance in the solution is shown from the case where the high voltage power storage device energy is 10 J / pulse. It can be seen that the arc discharge is obtained when the high voltage power storage device energy is 10 J / pulse or more.
  • FIG. 6 is a result of analyzing the titanium oxide composite nanostructure formed by axing— ' plasma discharge according to the experimental example of the present invention.
  • the energy storage device was set to 90J, the XRD analysis of the components when the pulses were performed 100 times, 300 times, and 500 times, and the microstructure was FESEM. Photo was taken. -
  • Figure 6 (a) is the XRD pattern, when the reference to the component of the resultant is stirred O type was investigated represented by the Ti0 2, rutile Ti0 2 and a high temperature type metastable merchant TiO. It can also be seen that as the number of pulses increases, the unstable TiO phase decreases. It can be seen that most of the titanium series is excellent in strength without impurity peaks that can be introduced from the precursor.
  • the shape of the obtained titanium oxide composite nanostructure is a mixed structure of nanosheets and nanoparticles.
  • the diameter of the nanoparticles was found to be excellent-very small as a few tens of nanometers and contains no impurities other than carbon.
  • FIG. 7 is a result of analyzing the nano-sheet portion of the titanium oxide composite nanostructure formed by the liquid plasma discharge according to the experimental example of the present invention.
  • A) of FIG. 7 is a TEM photograph
  • (b) is a SAED pattern
  • (c) is an HRTEM photograph
  • (d) is an EDS mapping image.
  • the nano sheet portion of the titanium oxide composite nanostructure formed by the liquid plasma discharge was a composite of Ti0 2 and carbon.
  • FIG. 8 is a result of analyzing the nanoparticle portion of the titanium oxide composite nanostructure formed by the liquid plasma discharge according to the experimental example of the present invention.
  • A) of FIG. 8 is a TEM photograph
  • (b) is a SAED pattern
  • (c) is an HRTEM photograph
  • (d) is an EDS mapping image.
  • the nanoparticle part of the titanium oxide composite nanostructure formed by the liquid plasma discharge was composed of rutile Ti0 2 and TiO-.
  • the titanium oxide carbon composite nanostructure can be manufactured in the form of nano-sized particles and sheets, and has no impurities and excellent crystallinity, thereby providing catalyst particles having increased photoactivity. It can be seen that manufacturing is possible.
  • the present invention As described above, according to the present invention, a rapid discharge and recombination of a compound is induced by causing arc discharge in a solution by a plasma to easily and quickly generate nanometer-sized titanium oxide nanostructures. can do.
  • the present invention has the advantage of simplifying the process and the mechanical equipment and easy mass production since all raw materials are satisfied through the solution.

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Abstract

간단하면서 지속적인 합성이 가능한 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법에서는 반응 챔버 내부에 티타늄 함유 전구체 용액을 투입한 후, 펄스 방식의 전원을 인가하여 플라즈마 아크 방전을 일으켜 티타늄 산화물 나노 구조를 생성한다. 본 발명에 따르면, 나노 구조를 구성하는 조성으로 전극을 구성할 필요가 없고 추가의 기체 공급이 필요 없으므로 기존의 방법에 비하여 간단하고, 용이하며, 공정 비용의 절감뿐만 아니라 대량 생산이 가능하다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
플라즈마를 이용한 티타늄 산화물 나노 구조의 제조 방법 및 제조 장치 【기술분야】
본 발명은 나노 입자와 같은 나노 구조의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것 으로， 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 티타늄 산화물 나노 구조를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
【배경기술】
재료를 광촉매로 사용하기 위해서는 이용된 재료의 에너지 밴드 갭보다 큰 빛 에너지로 조사될 띠]， 용액 내에서 안정하여야 하며， 입자효율 즉 입자의 총 표 면적과 실제의 조사된 표면적의 비를 증가시키기 위해서는 잘 분산되어야 한디-. 따 라서 안정하고 잘 분산되는 나노 크기 입자의 제조는 광활성도의 증가에 있어서 매 우 중요한 인자에 해당된디-.
한편， 나노 크기 (통상 lOOnm 이하의 크기 )의 입자는 벌크 재료와 비교하였을 때， 독특한 물리 화학적 성질을 갖는디-. 분말이 나노 크기 입지-가 되면 활성도가 증가하고， 계면에서의 비표면적이 증가하고， 제조하는 방법에 따라 순도를 증가시 킬 수 있디-. 이러한 나노 크기의 입자를 촉매에 이용한다면 표면적의 증대와 표면 결합과 같은 표면성질의 변화로 인해 촉매 활성도를 향상시킬 수 있게 된디-.
광촉매 물질 중 티타늄 산화물은 광촉매， 광전변환 소자 등과 같은 태양 에 너지 변환에 적합한 독특한 광학 및 전기적 성질을 갖고 있어 염료 감응 태양 전지 의 반도체 전극을 위한 전이금속 산화물층 재료로 주목받고 있는 물질이디-. 수열합 성 (hydrothermal), 화염분사 (flame), 졸―겔 (so卜 gel) 및 침전법 (precipi tate method)과 같은 전통적인 방법으로 티타늄 산화물을 합성할 수 있지만， 기존에 제 안된 방법들은 티타늄 산화물 표면에 C1과 같은 잔류물이 있거나 낮은 결정성 등의 문제를 갖고 있는데 이것은 태양 에너지를 이용하는 데 장해 요소로 작용한다. 최근 플라즈마를 이용하여 액상에서 Au, Ag와 같은 귀금속 나노 입자를 합성 하는 기술이 제안되고 있다. 그러나 기존에 제안된 방법들은 대부분 전극을 기화시 켜 용액 상에서 응고시키는 원리를 가지고 연구되어 왔디-. 여기서， 전극은 합성하 고자 하는 나노 입자의 성분으로 만들어진다. 또한， 전구체를 가스화하여 분사하거 나 다른 가스와 반응시켜 급격한 온도 하강을 통해 원하는 조성의 나노 입자를 얻 는 방법으로 연구되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들에서는 전극 물질이 소모되면서 나노 입자를 합성하거나 전구체를 가스화시켜 공급해야 하는 경우이어서 지속적인 나노 입자의 합성이 어렵고 복잡한 공정 절차가 필요하다는 문제가 있다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
<6> 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마를 이용하여 티타늄 산화물 나노 구조를 합성하되 간단하면서 지속적인 합성이 가능한 제조 방법 및 장치를 제공하 는 것이다.
【기술적 해결방법】
<7> 상기 과제를 해결하기 위히ᅵ， 본 발명의 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법 은 반응 챔버 내부에 티타늄 함유 전구체 용액을 투입하는 단계; 및 상기 티타늄 함유 전구체 용액 안에 침지된 두 개의 전극으로 필스 방식의 전원을 인가하여 상 기 티타늄 함유 전구체 용액 안에서 플라즈마 아크 방전을 일으켜 티타늄 산화물 나노 구조를 생성하는 단계를 포함한다 .
<8> 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치 는， 티타늄 함유 전구체 용액 내에 위치하는 두 개의 전극을 구비하고， 플라즈마 아크 방전을 일으켜 상기 티타늄 함유 전구체 용액에서 티타늄 산화물 나노 구조를 생성하는 반웅 챔버; 및 상기 전극으로 펄스 방식의 전원을 인가하기 위한 고전압 전원 장치 및 고전압 축전 장치를 포함한다.
【유리한 효과】
<9> 본 발명에 따르면， 티타늄 원소를 포함하는 폴리머릭 졸과 같은 티타늄 함유 전구체 용액 안에 두 개의 전극을 넣고 방전을 시켜 용액 안에서 나노 구조가 형성 되도록 한다. 금속 산화물을 얻기 위해 요구되는 금속과 산소를 모두 용액으로부터 공급받음으로써 기존 기술과는 차별성이 있고 상업적으로 이용가능성이 더 높디-. 종래의 방법과 달리 나노 구조를 구성하는 조성으로 전극을 구성할 필요가 없고 추 가의 기체 공급이 필요 없으므로 기존의 방법에 비하여 간단하고， 용이하며， 공정 비용의 절감뿐만 아니라 대량 생산이 가능하다.
：10> 특히 본 발명에서는 두 개의 전극에 필스 방식의 전원을 인가하여 티타늄 함 유 전구체 용액 안에서 플라즈마 아크 방전을 일으킨디-. 이 때의 전압， 펄스 수, 전구체 종류 등올 조절하면 티타늄 산화물 나노 구조의 크기와 균일도를 용이하게 조절할 수 있으며， 전구체 안에 포함되는 탄소의 양을 조절함에 따라 티타늄 산화 물과 탄소 복합체를 얻을 수도 있으며 조성 선택의 폭이 매우 넓디-.
：11> 본 발명에 따른 제조 장치는 금속 산화물 나노 구조의 공급원으로 용액 전구 체만을 이용하므로 장치 구성이 매우 간단하며， 특히 용액 주입 및 추출 시스템을 더 구비하여 나노 구조 형성이 지속적으로 일어나도록 할 수 있어， 대량 생산애 보 다 적합하다ᅳ
<12> 이와 같이 본 발명은, 광촉매 흑은 반도체 분야에 이용될 수 있는 티타늄 산 화물 나노 구조의 대량 생산에 적합하다.
【도면의 간단한 설명】
<13> 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치의 개략 도이다.
<14> 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법의 순서 도이다.
<15> 도 3은 액상 플라즈마 방전의 시간에 대한 전류， 전압 파형을 도시한 그래프 이다.
<16> 도 4는 액상 플라즈마 방전의 껀압 (에너지)에 따른 방전 양상을 보이는 사진 이다.
<17> 도 5는 고전압 축전 장치 에너지에 따른 플라즈마 채널의 저항을 도시한 그 래프이다.
<18> 도 6은 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조를 분석한 결과이다.
<19> 도 7은 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조 중 나노 시트 부분을 분석한 결과이디-.
<20> 도 8은 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조 중 나노 입자 부분을 분석한 결과이다.
【발명의 실시를 위한 최선의 형태】
> 본 발명의 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법에 있어서, 상기 티타늄 함유 전구체 용액은 티타늄 원소를 포함하는 에탄올 베이스 용액을 이용하는 것이 바람 직하다.
22> 바람직한 실시예에 있어서， 본 발명의 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치는 상기 반웅 챔버 안에 상기 티타늄 함유 전구체 용액을 주입하고 추출하는 주입 및 추출 시스템을 더 포함한다 .
【발명의 실시를 위한 형태】
:23> 이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명 하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으 며， 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서 는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
<24> (실시예)
<25> 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치의 개략 도이다.
<26> 도 1을 참조하면， 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치 (100)는 고전압 전원 장치 (10)， 고전압 축전 장치 (20)， 반웅 챔버 (30) 등을 포함한다. 여기에 층전 스위 . 치 (15)， 방전 스위치 (25)， 기타 전류， 전압， 압력 측정 장치 (40， 50, 60)도 포함되 어 구성되어 있다.
<27> 반응 챔버 (30)는 두 개의 전극 (32, 34)을 구비한다. 그리고 이 전극 (32， 34) 은 반응 챔버 (30) 내의 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 내에 침지된 상태로 위치하게 된디-. 전극 (32， 34)은 텅스텐 전극으로 이루어질 수 있디-.
<28> 고전압 전원 장치 (10) 및 고전압 축전 장치 (20)는 전극 (32, 34)으로 필스 방 식의 전원을 인가하여 플라즈마 아크 방전을 일으킴으로써, 티타늄 함유 전구체 용 액 (36)에서 티타늄 산화물 나노 구조를 생성하게 한디-. 층전 스위치 (15)를 닫아 고 전압 전원 장치 (10)를 통해 축전 장치 (20)에 전하가 충전되면 충전 스위치 (15)를 열고 방전 스위치 (25)를 닫아 필스 형태로 반응 챔버 (30)의 전극 (32， 34)간에 아크 방전을 발생시킬 수 있다. 전류， 전압， 압력 측정 장치 (40, 50, 60)들은 공정 모니 터 용도이다.
<29> 티타늄 함유 전구체 용액 (36)은 티타늄 산화물을 형성하는 데에 이용되는 상 용화된 액체 전구체를 사용할 수 있으몌 특히 그 선택에 따라 티타늄 산화물의 미 세구조 및 결정성， 표면 특성 및 기공의 크기를 자유롭게 조절할 수 있는 효과가 있다. 여기서는 특히 티타늄 함유 전구체 용액 (36)으로 티타늄 원소를 포함하는 애 탄을 베이스 용액을 이용한다. 나아가 티타늄의 산화 반응을 돕기 위해 티타늄 원 소와 산소가 사슬처럼 연결되도록 티타늄 원소를 포함하는 폴리머릭 졸을 이용하 면， 티타늄 산화물과 탄소 물질로 이루어진 복합체의 조성으로 나노 구조를 얻을 수 있게 된다. 티타늄 산화물 탄소 복합체 나노 구조는 탄소 함유량에 따라 전기적 인 거동이 달라지므로 전구체 안의 탄소 함유량을 조절하여 원하는 물성을 가진 재 료를 얻을 수 있다. 티타늄 산화물 탄소 복합체 나노 구조의 조성 디자인이 더욱 필요한 경우， 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 안에 분말 형태의 추가 물질을 더 포함 시키는 것도 가능하며， 이 때 분말 물질에 상기 티타늄 산화물 탄소 복합체 나노 구조가 분산 흡착된 새로운 구조가 얻어질 수 있디-. 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 의 온도는 실온 정도로 유지할 수 있으므로 공정 운영이 용이하다 .
<30> 참조번호 70은 주입 및 추출 시스템이디ᅵ. 반응 챔버 (30) ᅵ안에 상기 티타늄 함유 전구체 용액 (36)을 주입하고 추출하는 주입 및 추출 시스템 (70)을 더 포함하 게 되면， 용액올 공급하고 나노 구조를 회수하는 일련의 공정을 지속적으로 수행하 게 할 수 있는 장점이 있다.
<31> 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법의 순서
도이다. 도 1을 참조하여 설명한 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치 (100)를 이용 하여 이 방법을 수행할 수 있으나 다른 장치를 이용하여도 할 수 있다.
<32> 먼저， 반응 챔버 (30) 내부에 티타늄 함유 전구체 용액 (36)을 투입한다 (단계 s 10).
<33> ' 그런 다음， 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 안에 침지된 두 개의 전극 (32， 34)
으로 펄스 방식의 전원을 인가하여 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 안에서 플라즈마 아크 방전을 일으켜 티타늄 산화물 나노 구조를 생성한디- (단계 s 20).
<34> 보통， 기체에 열을 가하여 수천도가 되면 기체 분자를 원자로 해리되고， 또
다시 전자와 양전하를 가진 이온으로 전리된다. 이외ᅵ 같이 고온에서 전자와 이은으 로 분리된 기체로서 그 전리도가 남은 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적 으로 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 플라즈마라고 부른 다.
<35> 본 발명은 일반적인 기상 플라즈마와는 다르게 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 상에서 플라즈마를 발생시키는 것으로， 전극 (32， 34)간에 강한 전기장이 인가됨에 따라 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 내의 전하를 띠고 있는 이온성 물질이 빠르게 가속되어 또 다른 이온성 물질들을 만들어내고， 결국 티타늄 함유 전구체 용액 (36) 내부에 반응성이 큰 물질들이 존재하도록 하여 반웅을 유도한다. 또한 필스로 고전 압을 인가하여 짧은 시간애 큰 에너지를 전극 (32， 34)간에 공급함으로써 플라즈마 발생 기등 내부의 온도는 수천도에 이르는데， 이 때 반웅성이 있는 물질들이 생성 되며， 물질간에 반응을 하고 주변 티타늄.함유 전구체 용액 (36)의 경계면에서 급격 한 온도 하강이 이루어지면서 나노 구조를 생성할 수 있다.
<36> 이와 같이 본 발명에 따르면， 금속 산화물을 얻기 위해 요구되는 금속 원소 와 산소를 모두 용액에서 공급받기 때문에.용액만 필요하고 전극 물질 소모가 없 디-. 따라서， 공정상의 편리성을 증진시킬 수 있으며， 주입 및 추출 시스템 (70)을 더 구비한 징-치 (100)를 이용하게 되면， 용액을 공급하고 나노 구조가 분산된 용액 을 얻는 일련의 '과정을 지속적으로 수행할 수 있게 됨에 따라 공정상 이점을 가진 다.
<37> (실험예)
<38> 도 1에 도시한 바와 같은 장치를 구성하여 실험하였디-. 티타늄 함유 전구체 용액 (36)으로는 티타늄 산화물 제조에 이홍되는 폴리머릭 졸 형태의 전구체를 사용 하였다. 고전압 전원 장치 (10)는 DC 파워 서플라이 (Glassman PK series, 50kV, 80mA)를 이용하였고, 충전 스위치 (15)가 닫힌 상태에서 고전압 축전 장치 (20) (Maxwell Laboratories Inc. , O. iF)는 전하가 쌓여서 14 내지 19kV의 전압을 갖게 된다. 이 때 충전 스위치 (15)는 열고 방전 스위치 (25)를 닫으면 고전압 축전 장치 (20)에 연결된 회로를 통해서 전하의 이동이 이루어진디-. 반응 챔버 (30) 내부 의 전극 (32, 34)간에 고전압이 인가되기 때문에 티타늄 함유 전구체 용액 (36)상에 서 전류의 채널이 형성되면서 급격한 방전이 이루어진다. 층전-방전으로 이루어진 위의 일련의 과정들을 100번 반복하면 투명한 티타늄 함유 전구체 용액 (36)에서 나 .노 구조의 침전이 일어남에 따라 흔탁히ᅵ지며，- 반응 챔버 (30)를 열고 침전물을 수집 하여 워싱 후 동결건조 등의 방식으로 건조하면 티타늄 산화물 탄소 복합체 나노 구조를 얻을 수 있었다.
<39> 도 3은 액상 플라즈마 방전의 시간에 대한 전류， 전압 파형을 도시한 그래프 이다. 축전 장치의 에너지는 30J이었다.
<40> 도 3을 참조하면 90 μ sec 부근에서의 브레이크다운으로 전압의 급격한 강하 게 일어나면서 댐끰하는 전류 사인파가 얻어지는 것을 볼 수 있다. 따라서， 아크 방전이 일어나는 것을 확인할 수 있다-.
<41> 도 4는 액상 플라즈마 방전의 전압 (에너지)에 따른 방전 양상을 보이는 사진 이고， 도 5는 고전압 축전 장치 에너지에 따른 플라즈마 채널의 저항을 도시한 그 래프이다. -
<42> 도 4를 참조하면 고전압 축전 장치 에너지가 10J/pulse 미만인 경우들로서， 노출 시간이 lsec인 방전 사진들을 도시한다. 고전압 축전 장치 에너지가 10 J /pulse 미만이면 스트리머 (streamer) 방전이 일어나는 것을 볼 수 있디-.
<43> 도 5를 참조하면， 고전압 축전 장치 에너지가 10J/pulse인 경우부터 용액 안 의 플라즈마 채널 저항을 도시한디ᅳ. 고전압 축전 장치 에너지가 10J/pulse 이상인 경우에 아크 방전이 얻어짐을 볼 수 있다.
<44> 도 6은 본 발명 실험예에 따라 액싱— '플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조를 분석한 결과이디-. 축전 장치 에너지를 90J로 설정하고, 펄 스를 100번, 300번， 500번 수행하였을 때의 성분을 XRD 분석하고 미세구조는 FESEM 사진을 촬영하였다. -
<45> 도 6(a)는 XRD 패턴인데， 이를 참조하면， 결과물의 성분은 저은형인 아나타 제 Ti02, 고온형인 루타일 Ti02 그리고 준안정상인 TiO로 조사되었다. 펄스 수가 증 가할수록 불안정한 TiO 상이 감소하는 것도 확인할 수 있다. 전구체로부터 흔입될 수 있는 불순물 피크 없이 대부분 강도가 우수한 티타늄 계열임을 알 수 있디-.
<46> 도 6(b) 내지 (d)는 각각 펄스를 100번, 300번， 500번 수행하였을 때의
FESEM 사진을 보여준다. 도 6(b) 내지 (d)에서 볼 수 있는 바와 같이， 얻어진 티타 늄 산화물 복합체 나노 구조의 형상은 나노 시트와 나노 입자의 흔합 구조이디-. 나 노 입자의 직경은 수 -수십 나노미터 정도로 매우 작고 탄소 이외의 블순물이 포함 되어 있지 않아 우수한 것으로 나타났디-.
<47> 도 7은 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조 중 나노 시트 부분을 분석한 결과이다. 도 7의 (a)는 TEM 사 진이고， (b)는 SAED 패턴이며， (c)는 HRTEM 사진이고， (d)는 EDS 맵핑 이미지이다. 분석 결과 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화물 복합체 나노 구조 중 나노 시트 부분은 Ti02와 탄소의 복합체였디-.
<48> 도 8은 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화 물 복합체 나노 구조 중 나노 입자 부분을 분석한 결과이디-. 도 8의 (a)는 TEM 사 진이고， (b)는 SAED 패턴이며， (c)는 HRTEM 사진이고, (d)는 EDS 맵핑 이미지이디-. 분석 결과 본 발명 실험예에 따라 액상 플라즈마 방전으로 형성된 티타늄 산화물 복합체 나노 구조 중 나노 입자 부분은 루타일 Ti02와 TiO로 이루어져 있었디-.
<49> 이상 확인한 바와 같이， 본 발명에 따르면 나노 크기의 입자와 시트 형태로 티타늄 산화물 탄소 복합체 나노 구조를 제조할 수 있으며， 불순물이 없고 결정성 이 우수하므로 증가된 광활성도를 가진 촉매 입자로의 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.
<so> 이상 설명한 바와 같이 , 본 발명에 따르면， 플라즈마에 의해 용액 내쎄서 아 크 방전을 일으킴에 의해 화합물의 신속한 분해 및 재결합을 유도하여 나노미터 크 기의 티타늄 산화물 나노 구조를 간단하고 신속하게 생성할 수 있다. 또한ᅳ 본 발 명은 용액을 통해 원료 물질이 모두 충족이 되므로 공정 및 기계 장치가 단순화되 고 대량 생산이 용이한 이점이 있다.
<51> 이상， 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나， 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며， 본 발명의 기술적 사상 내애서 딩- 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실 시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상 세한 설명보다는 첨부된 청구범위와， 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변 형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
반응 챔버 내부에 티타늄 함유 전구체 용액을 투입하는 단계; 및
상기 티타늄 함유 전구체 용액 안에 침지된 두 개의 전극으로 펄스 방식의 전원을 인가하여 상기 티타늄 함유 전구체 용액 안에서 플라즈마 아크 방전을 일으 켜 티타늄 산화물 나노 구조를 생성하는 단계를 포함하는 티타늄 산화물.나노 구조 제조 방법 .
【청구항 2】
거 U항에 있어서， 상기 티타늄 함유 전구체 용액은 티타늄 원소를 포함하는 에탄올 베이스 용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 티타늄 산화물 나노 구조 제조 방법 .
【청구항 3】
제 1항에 있어서， 상기 티타늄 산화물 나노 구조는 탄소를 더 포함하며 나노 쉬트와 나노 입자의 흔합 구조인 것을 특징으로 하는 티타늄 산화물 나노 구조 제 조 방법ᅳ
【청구항 4】
티타늄 함유 전구체 용액 내에 위치하는 두 개의 전극올 구비하고， 플라즈 마 아크 방전을 일으켜 상기 티타늄 함유 전구체 용액에서 티타늄 산화물 나노 구 조를 생성하는 반응 챔버 ; 및
상기 전극으로 펄스 방식의 전원을 인가하기 위한 고전압 전원 장치 및 고전 압 축전 장치를 포함하는 티타늄 산화물 나노 구조 제조 장치 . .
【청구항 5】
제 4항에 있어서, 상기 반응 챔버 안에 상기 티타늄 함유 전구체 용액을 주입 하고 추출하는 주입 및 추출 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 산 화물 나노 구조 제조 장치 .
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