Fabrication and Characterization of Y₂Ti₂O₇ Powder and Thick Film by Chemical Processing

Vol. 27, No. 5 (2017)

289

화학적 공정을 이용한 Y 2 Ti 2 O 7 분말과 후막 제조 및 특성

이원준·최연빈·배동식

국립 창원대학교 신소재 공학과

Fabrication and Characterization of Y

Ti

O

Powder and Thick Film by Chemical Processing

Won-Joon Lee, Yeon-Bin Choi and Dong-Sik Bae

School of Nano & Advanced Materials Engineerin, Changwon National University, 20 Changwon 51140, Republic of Korea

(Received March 1, 2017 : Revised April 5, 2017 : Accepted April 5, 2017)

Abstract

The Y₂Ti₂O₇ solution coated on the glass substrate had excellent adhesion of 5B; pencil hardness test results indicated an excellent hardness of 6H. The thickness of the thick film was about 30µm. Decomposition of MB on the Y2Ti₂O₇ thin film shows that the photocatalytic properties were excellent.

Key words

1.

광촉매는 태양광이나 자외선을 흡수하여 전자와 정공 을 형성한다. 이중 형성된 정공은 강력한 산화작용을 하 는 수산화기(OH

기)와 산화환원 쌍인 H

/1/2 와 H

를 형 성하여 폐수 속의 유기물을 분해한다.

이러한 광촉매에 의한 수질정화에는 TiO

소재를 응용한 재료가 넓게 사 용되고 있다. 그러나 가혹한 폐수 정화조건에서는 보다 뛰어난 소재가 필요한데, 이러한 조건을 만족하는 재료 로는 pyrochlore 구조의 소재들이 활발히 연구되고 있다.

Pyrochlore 구조에는 대표적으로 Ca

Ta

O

과 Y

Ti

O

가 있다. 이중에서 Y

Ti

O

는 3.5ev의 밴드갭 에너지를 지 니며 pyrochlore라는 특별한 구조적 특성으로 인하여 우 수한 기계적 특성,

높은 화학적 안정성,

높은 열적 안정성

그리고 뛰어난 이온 전도도

를 가진다. 이러한

Y

Ti

O

의 응용으로는 물을 수소로 분해하는 차세대 광 촉매 소재,

핵폐기물 보관용기,

세라믹 안료,

발광체의 모재,

산소이온 전도체,

산화물분산강화 (Oxide Dispersion Strengthened)

등에 응용되고 있다.

기존에는 물리적 여과인 다기공성 멤브레인을 통하여 폐 수를 정화하였으나,

최근에는, 멤브레인 표면에 기능성 나노입자를 부착하여 물리적 정화와 동시에 화학적 기 능을 추가하여 정화의 효율을 극대화하는 연구가 활발 히 진행되고 있다.

Y

Ti

O

를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 전통적인 방법인 고상법,

전구체를 동 시에 침전시키는 공침법,

알콕사이드기를 이용하는 졸

겔법,

겔 연소법

그리고 수열합성법 / 용매열합성

법

방법 등이 있다. 이러한 방법 중 공침법은 공정

이 간단하고 대량 생산에 유리하며 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 기존의 물리적 폐

†Corresponding author

E-Mail : [email protected] (D. S. Bae, Changwon Nat'l Univ.)

©Materials Research Society of Korea, All rights reserved.

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수정화 시스템에 화학적 기능을 추가하기 위해, Y

Ti

O

분말을 공침법을 이용하여 열처리 온도에 따라 합성하 였으며, 합성된 분말의 특성을 평가하였다. 그리고 합성 된 Y

Ti

O

분말의 코팅특성을 알아보기 위해 무기 바인 더(SiO

) 를 혼합하여 유리기판에 코팅을 실시하였다. 그 리고 유기 오염물질 분해를 확인하기 위해, 메틸렌블루 (Methylene Blue, MB) 에 UV(F15T8BLB, 352 nm, SANKYO DENKI) lamp 를 조사하여 광촉매 특성을 평 가하였다.

2.

2.1 Y

Ti

O

합성방법

공침법을 이용하여 Y

Ti

O

분말을 합성한 뒤, 합성된 분말을 무기 바인더와 혼합하여 Y

Ti

O

후막을 제조하는 실험 방법을 Fig. 1에 도식화하여 나타내었다. 0.3 mol 농도의 Y(NO

)

(Yttrium(III) nitrate hexahydrate, 99.99

%, SAMCHUN) 수용액에 NH

OH(Ammonium hydroxide, 25~28 %, DAEJUNG) 를 첨가하여 pH7로 적정하였다. 그 리고 0.3 mol 농도의 TiCl

(Titanium(IV) chloride, 99.9

%, SIGMA-ALDRICH) 수용액에 NH

OH(Ammonium hydroxide, 25~28 %, DAEJUNG) 를 첨가하여 pH7로 적 정하였다. 이후 두 용액을 혼합하고 250rpm에서 10분간 교반을 해준 뒤 증류수를 사용하여 5회 세척하였다. 얻 어진 침전물은 건조로를 사용하여 100

C 에서 24시간 동 안 건조를 한 뒤 박스로에 넣어 5

C/min 의 승온속도로 700~900

C 에서 열처리 한 뒤, 유발기에서 곱게 분쇄하 여 Y

Ti

O

분말을 회수하였다. 합성된 Y

Ti

O

분말을 무 기바인더(SiO

) 와 1:10비율로 혼합한 후, 알루미나 볼을

이용하여 200rpm에서 6시간동안 볼밀을 실시하여 코팅용 액을 제조한 뒤, 유리기판에 딥코팅을 실시하여 Y

Ti

O

후막을 제조하였다.

2.2 Y

Ti

O

분말 특성

Y

Ti

O

의 결정구조는 X선 회절 분석기(Model Mini- FluxII; Rigaku Co., Tokyo, Japan) 을 이용하여 확인하였 고, 미세구조는 전계방사주사전자현미경(FE-SEM)(MIRA II LMH) 을 이용하여 관찰하였다. 유리기판에 코팅을 실 시한 뒤 부착력을 알아보기 위하여 테이프평가(ASTM D3359-02) 와 연필경도시험(ASTM D 3363)을 하였다.

2.3 메틸렌블루 광분해 실험

유리 슬라이드 기판에 코팅된 광촉매 특성을 알아보기 위하여 메틸렌블루 광분해 실험(KS L ISO 10678)을 실 시하였다. 광촉매 효과를 확인하기 위해 자외선-가시광선 분광광도계(UV-vis spectrometer, SCINCO S-4100)를 사 용하였다. MB 0.2 ml를 99.8 ml의 증류수와 섞어 20ppm 수용액을 만들었다. 제조한 수용액은 알루미늄 호일로 감 싸 암실에서 보관하였다. 100 ml의 20ppm MB 수용액 을 암실에서 교반해 주면서 15, 30, 60, 120, 180분마다 용액을 주사기로 각각 3 ml를 취하여 UV Cell에 넣고 UV 분광(500~800 nm)을 얻었다. 동일한 방법으로 UV lamp 를 켜고 광반응을 한 샘플의 UV 분광을 얻었다.

100 ml 의 20ppm MB 수용액을 암실에서 교반해 주면서 Y

Ti

O

분말으로 코팅을 실시한 유리기판을 비커에 담근 뒤 UV lamp를 켜고 15, 30, 60, 120, 180분마다 용액 을 주사기로 각각 3 ml를 취하여 UV Cell에 넣고 UV 분광(500~800 nm)을 얻었다.

Fig. 1. Preparation procedure of Y₂Ti₂O₇ via co-precipitation method and Y₂Ti₂O₇ coating on glass substrate.

Fig. 2. X-ray Diffraction pattern of the synthesized Y₂Ti₂O₇ calcined at 700~900^oC by co-precipitation process at pH7.

3.

Fig. 2 는 합성된 Y

Ti

O

의 결정성을 알아보기 위한 열 처리 온도에 따른 XRD 분석 결과이다. 분석 결과 전 형적인 Y

Ti

O

픽(peak)이 확인되었다. 700

C 에서 비정 질의 픽이 확인되었으며 800

C 부터 결정성의 Y

Ti

O

픽 이 확인되는데, 이것은 Y

Ti

O

결정이 성장하는 것으로 판단되며,

열처리 온도가 증가할수록 Y

Ti

O

픽의 강 도가 강해지는 것을 알 수 있었다. 이는 반응온도가 증 가함에 따라 결정크기가 증가하는 것을 알 수 있다. Fig.

3 은 FESEM을 이용하여 합성된 Y

Ti

O

의 미세구조를 관찰한 결과이다. 10~30 nm 크기의 구형의 미세한 입자 들이 합성된 것을 관찰할 수 있었으며 열처리 온도가 증 가할수록 입자 크기가 증가하는 경향성을 관찰할 수 있 었다. Fig. 4은 합성된 Y

Ti

O

의 EDS 분석결과이다.

Y

Ti

O

의 이론적 화학양론비는 Y:Ti:O = 2:2:7인데, EDS 분석결과 성분비는 화학양론비와 유사하게 확인되었으 며, 특별한 불순물은 검출되지 않았다. Fig. 5는 pH7조 건 900

C 에서 열처리하여 합성된 Y

Ti

O

분말을 무기 바인더와 혼합하여 유리기판에 코팅을 실시한 샘플의 표 면과 절단면의 미세구조를 FESEM을 이용하여 관찰한 결 과이다. Fig. 5(a)의 표면 이미지에서 Y

Ti

O

가 무기 바 인더와 잘 섞여 골고루 분포하고 있는 것을 확인할 수 있었으며 사진상의 흰 구형의 입자는 EDS분석 결과 Y

Ti

O

임을 확인할 수 있었다. Fig. 5(b)는 절단면의 이 미지에서 코팅층의 두께는 28.44 µm로 확인되었으며, 전 체적으로 균일하였다. Fig. 6은 유리기판 위에 무기 바 인더와 Y

Ti

O

분말을 혼합하여 코팅을 실시한 뒤, 테이 프평가와 연필경도시험을 실시한 결과이다. 유리기판에 코 팅된 Y

Ti

O

용액은 5B의 아주 우수한 부착력을 가지 고 있었고, 연필경도시험결과 6H의 우수한 경도 값을 확 인할 수 있었다. Fig. 7은 pH7, 800

C 조건에서 열처리 하여 합성한 Y

Ti

O

분말을 유리기판에 코팅한 뒤 광촉 매 분해 실험을 실시한 UV 분광 분석결과이다. UV를 조사한 시간이 증가함에 따라 메틸렌 블루의 흡수피크 가 감소하고 있음을 확인할 수 있는데 이는 광촉매 효

과에 의해 메틸렌블루가 분해되면서 농도가 감소하고 있 음을 나타낸다.

4.

공침법을 이용하여 열처리 온도에 따라 Y

Ti

O

분말을 합성하였으며, 합성된 Y

Ti

O

분말과 무기 바인더를 혼 합하여 유리기판에 코팅하고 광촉매 분해 실험을 실시 하였다. 합성된 분말은 전형적인 Y

Ti

O

픽의 결정성을 나타내었으며, 700

C 와 800

C 사이에서 결정성장을 확인 할 수 있었다. Y

Ti

O

의 형상은 구형의 10~30 nm 크기 의 아주 미세한 분말이었으며, 이론적 화학양론비를 충 족하는 것을 확인할 수 있었다. 무기 바인더를 이용하 여 합성된 Y

Ti

O

분말을 유리기판에 코팅을 실시한 결 과, 5B의 우수한 부착력과 6H의 우수한 경도값을 갖는

Fig. 3. FE-SEM image of the Y₂Ti₂O₇ calcined at different temperature by co-precipitation process at pH7; (a) 700^oC, (b) 800^oC and (c) 900^oC.

Fig. 4. EDS analysis of the Y2Ti₂O₇ calcined at 900^oC by co- precipitation process at pH7.

것을 확인하였으며, 코팅의 두께는 28.44 µm로 균일한 코 팅 두께를 가지고 있었다. 광촉매 분해 실험결과 메틸 렌 블루가 분해되면서 농도가 감소하였으며, 이를 통해 광촉매 특성을 확인할 수 있었다.

Acknowledgement

This research was financially supported by the Ministry

of Trade, Industry, and Energy (MOTIE), Korea, under the

“Public Institution Linkage Regional Industry Develop- ment Program” supervised by the Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) (R0004917).

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Fig. 6. Optical image, Tape test and Pencil hardness test of Y₂Ti₂O₇ coating on glass substrate.

Fig. 7. Photocatalyst characteristics of the Y₂Ti₂O₇ calcined at 800

oC coating on glass substrate.

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