KR20040063030A - METHOD FOR PREPARING TiO2 PHOTO CATALYST - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화티타늄 광촉매의 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 플라즈마 전처리를 통한 화학기상증착(Chemical vapor deposition : 이하 CVD라 함)법을 이용하여 고효율의 산화티타늄 광촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a titanium oxide photocatalyst, and more particularly, to a method for producing a high efficiency titanium oxide photocatalyst using a chemical vapor deposition (CVD) method through plasma pretreatment.
일반적으로 산화티타늄은 380nm 이하의 파장을 지닌 빛을 조사하면 전자(electrons)와 정공(holes)으로 나누어져 이것이 연속적으로 산화와 환원 반응을 일으키게 된다. 산화티타늄의 특징은 여기전자가 갖는 환원력보다도 정공이 갖는 산화력이 강한 점에 있다. 촉매의 표면에 흡착수라 불리는 물이 존재하고 이것이 정공에 의해서 산화가 되어 산화력이 높은 히드록시 라디칼을 생성한다. 산화티타늄 표면상의 히드록시 라디칼이 존재하고 있는 유기화합물과 반응하여 CO2와 물로 분해시키는 성질을 지니고 있어 휘발성유기화합물(VOC)들을 무해한 화합물로 분해시키거나 또는 병원균을 산화시켜 살균특성을 나타낸다는 것은 기지의 사실이다.Generally, titanium oxide is divided into electrons and holes when irradiated with light having a wavelength of 380 nm or less, which causes a continuous oxidation and reduction reaction. The characteristic of titanium oxide is that the oxidation power of a hole is stronger than the reducing power of an excitation electron. Water called adsorbed water is present on the surface of the catalyst, which is oxidized by the holes to produce highly oxidizing hydroxy radicals. Hydroxy radicals on the surface of titanium oxide react with organic compounds in the presence of CO 2 and water to decompose into volatile organic compounds (VOCs) into harmless compounds or oxidize pathogens to exhibit bactericidal properties. It is true of the base.
상기와 같은 특성으로 인하여 산화티타늄 광촉매에 대한 응용기술 개발이 진행되고 있으며, TiO2는 루타일(rutile), 아나타제(anatase) 및 브루카이트 (brookite)의 세 가지 결정구조로 존재하는데, 아나타제가 가장 좋은 광촉매 효율을 보이는 것으로 알려져 있다. 산화티타늄 광촉매의 제조 방법에는 졸-겔법(Sol-Gel법), 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition:CVD), 및 스퍼터링법 등이 있으며, 간편하다는 측면에서 졸-겔법이 많이 사용되었나 최근에는 성장속도가 빠르고 균일하며 밀착력이 좋은 막을 얻을 수 있다는 점에서 CVD법이 크게 각광을 받고 있다. 또한, CVD법은 400℃이하의 저온에서 결정성이 좋은 아나타제 구조를 얻을 수 있기 때문에 유용한데, 그 이유는 소다 유리의 경우 약 450℃정도에서 연화(softening)가 발생하여 변형될 우려가 있고, 소다 유리 내의 나트륨 이온이 결정화를 위한 열처리 시, 박막으로 확산되어 NaxTiyOz층을 형성하며, 이 나트륨이 확산된 층은 전자-전공 재결합의 중심으로 작용하여 촉매로서의 효율을 감소시키는 단점이 있기 때문이다.Due to the above characteristics, development of application technology for titanium oxide photocatalyst is being progressed, and TiO 2 exists in three crystal structures of rutile, anatase and brookite. It is known to exhibit good photocatalytic efficiency. Titanium oxide photocatalysts are prepared by sol-gel (Sol-Gel), chemical vapor deposition (CVD), and sputtering methods. The CVD method has attracted much attention in that a fast, uniform and good adhesion film can be obtained. In addition, the CVD method is useful because it is possible to obtain an anatase structure with good crystallinity at a low temperature of 400 ° C. or lower, because softening occurs at about 450 ° C. in the case of soda glass, and may deform. When the sodium ions in the soda glass are heat-treated for crystallization, they diffuse into a thin film to form a Na x Ti y O z layer, which acts as a center of electron-electron recombination to reduce the efficiency as a catalyst. Because of this.
또한, 보통 저온 증착한 아나타제 구조의 박막은 두께가 증가할수록 유기물질의 분해 효율이 좋아지며, 임계 두께 이상에서는 효율의 변화가 나타나지 않는것으로 보고되어 있고, 산화티타늄이 아나타제 다결정질 필름의 <112> 방향으로 성장되었을 때 다공질의 원주형 구조로서의 성장이 가장 좋아서, 광촉매 효율을 증가시킨다고 알려져 있다.In addition, the thin film of the anatase structure usually deposited at low temperature improves the decomposition efficiency of the organic material as the thickness increases, and it is reported that the change in efficiency does not appear above the critical thickness. It is known that the growth as a porous columnar structure is best when it is grown in the direction, thereby increasing the photocatalytic efficiency.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다결정질 산화티타늄이 비정질 유리기판 위에서 <112> 방향으로 우선배향하여 다공질의 구조를 가지도록 하는 광촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, a technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing a photocatalyst in which a polycrystalline titanium oxide is preferentially oriented in an <112> direction on an amorphous glass substrate to have a porous structure.
도 1은 본 발명에 따른 산화티타늄 광촉매의 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing an apparatus for producing a titanium oxide photocatalyst according to the present invention.
도 2는 RF 출력을 변화시키며 플라즈마 처리한 유리기판에 대한 AFM사진이다.2 is an AFM photograph of a plasma-treated glass substrate with varying RF output.
도 3은 RF 출력을 변화시키며 플라즈마 처리한 유리기판에 대한 거침도(roughness)의 변화를 나타낸다.3 shows a change in roughness for a glass substrate subjected to plasma treatment with varying RF output.
도 4는 RF 출력을 변화시키며 플라즈마 처리한 유리기판에 대한 컨택트 앵글의 변화를 나타내는 도면이다.4 is a view showing a change in contact angle with respect to a plasma-treated glass substrate while varying the RF output.
도 5는 RF 출력을 변화시키며 플라즈마 처리한 유리기판에 대한 표면에너지의 변화를 나타내는 도면이다.5 is a view showing a change in surface energy for a glass substrate subjected to plasma treatment with varying RF output.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 의해 제조된 산화티타늄 박막의 X선 회절분석 결과를 나타내는 도면이다.6 is a view showing the results of X-ray diffraction analysis of the titanium oxide thin film prepared by Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 의해 제조된 산화티타늄 박막의 로쩌링 방향 팩터(Lotgering orientation factor(F)), F(112)를 나타내는 도면이다.FIG. 7 is a view illustrating a Rosegering orientation factor (F) and F 112 of the titanium oxide thin films prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 의해 제조된 산화티타늄 막의 표면에 대한 SEM사진이다.8 is a SEM photograph of the surface of the titanium oxide film prepared according to Example 3 of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 의해 제조된 산화티타늄 막의 단면에 대한 SEM사진이다.9 is a SEM photograph of a cross section of the titanium oxide film prepared according to Example 3 of the present invention.
도 10은 비교예 1에 의해 제조된 산화티타늄 막의 표면에 대한 SEM사진이다.10 is a SEM photograph of the surface of the titanium oxide film prepared by Comparative Example 1.
도 11은 비교예 1에 의해 제조된 산화티타늄 막의 단면에 대한 SEM사진이다.FIG. 11 is a SEM photograph of a cross section of a titanium oxide film prepared by Comparative Example 1. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1. 증발기 2. 가열기1. evaporator 2. burner
3. 가스분사기 4. 거치대3. Gas sprayer 4. Cradle
5. 반응기 6. 가스공급관5. Reactor 6. Gas Supply Pipe
7. RF 플라즈마 생성기 8. 매칭 박스7. RF Plasma Generator 8. Matching Box
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여The present invention to achieve the first technical problem
(a) 가스공급관을 통해 공급되는 플라즈마화 기체를 RF 플라즈마 생성기(7)에 유입시키는 단계;(a) introducing a plasma gas supplied through a gas supply pipe into the RF plasma generator 7;
(b) 상기 플라즈마화 기체를 RF 플라즈마 생성기(7)를 사용하여 플라즈마화하고 반응기(5)에 유입시키는 단계;(b) plasmalizing the plasmalization gas using an RF plasma generator (7) and introducing it into the reactor (5);
(c) 상기 플라즈마를 이용하여 유리 기판의 표면을 개질하는 단계; 및(c) modifying the surface of the glass substrate using the plasma; And
(d) 증발기(1) 내에 있는 유기티탄화합물을 가열에 의해 증기화하고 상기 반응기(5)로 유입시켜 증착시키는 단계를 포함하는 산화티타늄 광촉매의 제조방법을 제공한다.(d) vaporizing the organic titanium compound in the evaporator 1 by heating and introducing the vapor deposition into the reactor 5 to provide a method for producing a titanium oxide photocatalyst.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플라즈마화 기체는 아르곤 또는 질소인 것이 바람직하다.According to one embodiment of the invention, the plasma gas is preferably argon or nitrogen.
또한, 상기 유기티탄화합물은 티타늄 테트라이소프로폭사이드인 것이 바람직하다.In addition, the organotitanium compound is preferably titanium tetraisopropoxide.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 RF 플라즈마 생성기(7)의 RF출력은 5W∼55W인 것이 바람직하다In another embodiment of the present invention, the RF output of the RF plasma generator 7 is preferably 5W to 55W.
또한, 상기 반응기(5) 내부의 온도는 250∼410℃ 인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the temperature inside the said reactor 5 is 250-410 degreeC.
또한, 상기 반응기(5) 내부의 온도는 320∼390℃ 인 것이 더욱 바람직하다.Further, the temperature inside the reactor 5 is more preferably 320 to 390 ° C.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 표면개질단계의 반응기 내부의 압력은 200mTorr ∼1000mTorr인 것이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, the pressure inside the reactor of the surface modification step is preferably 200mTorr ~ 1000mTorr.
또한, 상기 유기티탄화합물 증착단계의 반응기 내부의 압력은 300mTorr∼100Torr인 것이 바람직하다.In addition, the pressure inside the reactor of the organic titanium compound deposition step is preferably 300mTorr ~ 100Torr.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 본 발명에 따라 플라즈마를 이용한 전처리 및 화학기상증착법을 이용하여 산화티타늄 광촉매를 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 장치는 유기티탄화합물을 수용하는 버블러 증발기(1), 상기 유기티탄화합물을 고온에서 분해하고 기판의 증착온도로 유지시키기 위한 가열기(2), 반응가스가 고르게 흘러 들어가게 하기 위한 가스분사구(3) 및 거치대(4)를 포함한다. 한편, 반응기로는 콜드 월(cold wall) 방식의 수직형 반응기(5)를 사용하였으며 상기 반응기(5)의 내벽으로 냉각수가 흐르도록 되어 있다. 상기 반응기(5) 상부에는 플라즈마를 생성하기 위한 RF 플라즈마 생성기(7)와 매칭 박스(8)가 구비되어 있으며 상기 RF 플라즈마 생성기(7)는 반응에 필요한 아르곤과 산소 및 고온에서 분해된 유기티탄화합물을 이송하기 위한 가스공급관(6)과 연결되어 있다.1 is a schematic view showing an apparatus for producing a titanium oxide photocatalyst using a pretreatment using plasma and chemical vapor deposition according to the present invention. The apparatus includes a bubbler evaporator (1) containing an organic titanium compound, a heater (2) for decomposing the organic titanium compound at a high temperature and maintaining it at a deposition temperature of a substrate, and a gas injection port (3) for allowing the reaction gas to flow evenly. ) And the cradle (4). On the other hand, a vertical wall reactor (5) of the cold wall (cold wall) was used as the reactor, the cooling water flows to the inner wall of the reactor (5). The reactor 5 is provided with an RF plasma generator 7 and a matching box 8 for generating a plasma. The RF plasma generator 7 is an organotium compound decomposed at argon, oxygen, and high temperature required for the reaction. It is connected to the gas supply pipe (6) for conveying.
상기와 같은 구성을 갖는 장치에서 유리 기판의 표면을 개질시키기 위해 아르곤 가스 또는 아르곤 가스와 산소를 함께 가스공급관(6)으로 흘려주어 RF 플라즈마 생성기(7)와 매칭 박스(8)에 의해 자동으로 제어된 플라즈마를 반응기(5) 내에 생성시키고, 이를 통해 유리 기판의 표면을 개질한다.In the apparatus having the above configuration, argon gas or argon gas and oxygen are flowed together into the gas supply pipe 6 to modify the surface of the glass substrate and are automatically controlled by the RF plasma generator 7 and the matching box 8. The generated plasma is generated in the reactor 5, thereby modifying the surface of the glass substrate.
플라즈마 생성기(7)로는 13.56㎒ RF 플라즈마 생성기(7)를 사용하였고, 이 때의 출력은 5∼55W인 것이 바람직하다. 출력이 5W미만인 때에는 표면개질의 효과를 거두기 어렵고 55W를 초과하는 때에는 코로나 방전이 일어날 수 있으며 유리 기판의 표면에 물리적인 손상을 줄 수 있기 때문에 바람직하지 않다.As the plasma generator 7, a 13.56 MHz RF plasma generator 7 was used, and the output at this time is preferably 5 to 55W. When the output is less than 5W, it is difficult to obtain the effect of surface modification, and when it exceeds 55W, corona discharge may occur and it is not preferable because it may cause physical damage to the surface of the glass substrate.
한편, 상기 플라즈마화 기체는 아르곤 또는 질소인 것이 바람직하다. 플라즈마화 기체로서 기타 네온, 헬륨 등을 사용하면 표면개질의 효과를 거두기 어렵고 원자량이나 분자량이 큰 기체를 이용하는 경우에는 표면에 물리적인 손상을 줄 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 표면 개질단계에서 반응기(5) 내의 압력은 200mTorr∼1000mTorr 범위인 것이 바람직한데, 200mTorr 미만인 때에는 코로나 방전이 일어날 염려가 있으며, 1000mTorr를 초과하는 경우에는 평균자유행로(mean free path)가 짧아져서 플라즈마가 생성되기 어렵기 때문에 바람직하지 않다.On the other hand, the plasma gas is preferably argon or nitrogen. The use of other neon, helium, or the like as the plasma gas is difficult to achieve the effect of surface modification, and when using a gas having a large atomic weight or molecular weight is undesirable because it may cause physical damage to the surface. In the surface reforming step, the pressure in the reactor 5 is preferably in the range of 200 mTorr to 1000 mTorr. When it is less than 200 mTorr, there is a risk of corona discharge, and when it exceeds 1000 mTorr, the mean free path is shortened and the plasma It is not preferable because is difficult to produce.
본 발명에서 유리 기판을 플라즈마 전처리를 하는 이유는 산화티타늄 박막이 <112> 방향의 우선배향성을 갖도록 하기 위함이다. 산화티타늄 박막의 방향성은 증착온도에 의존하지만, 상기 온도와 별도로 비정질 유리 기판을 플라즈마로 전처리함으로써 상기 배향성을 <112>방향으로 조절하는 것이다.The reason for performing plasma pretreatment on the glass substrate in the present invention is to make the titanium oxide thin film have preferential orientation in the <112> direction. Although the orientation of the titanium oxide thin film depends on the deposition temperature, the orientation is controlled in the <112> direction by pretreatment of the amorphous glass substrate with plasma separately from the temperature.
버블러 증발기(1)에 담겨진 유기티탄화합물을 가열하여 증발시키고, 증발된화합물은 이송 가스인 아르곤 가스에 의해 반응기(5)에 유입된다. 상기 반응기(5)로 이송된 유기티탄화합물은 반응기(5)내의 고온 하에서 분해되어 거치대(4)에 장착된 유리 기판의 표면에 산화티타늄 막을 형성하게 된다.The organic titanium compound contained in the bubbler evaporator 1 is heated and evaporated, and the evaporated compound is introduced into the reactor 5 by argon gas, which is a conveying gas. The organic titanium compound transferred to the reactor 5 is decomposed under the high temperature in the reactor 5 to form a titanium oxide film on the surface of the glass substrate mounted on the holder 4.
본 발명에서의 상기 유기티탄화합물로는 다양한 종류의 유기티탄화합물을 사용할 수 있으나, 티타늄 테트라이소프로폭사이드(Titanium tetraisopropoxide, Ti(OC3H7)4)를 사용하였다. 또한, 플라즈마에 의한 표면개질 후의 산화티타늄 막의 형성에 있어서 증발기(1) 내에 담겨진 유기티탄화합물을 욕조(water bath)를 사용하여 30∼60℃로 가열하여 증발시키고 가스공급관(6) 내에 유기티탄화합물이 응축되는 것을 막기 위해 40∼70℃로 가열된 열선을 사용하였으며, 반응기(5) 내의 압력을 300mTorr∼100Torr로 유지시키고, 유기티탄화합물의 이송 가스인 아르곤 가스 유량을 20sccm∼80sccm으로 유지시키는 것이 바람직하다. 상기에서 유량과 압력은 수직형 반응기를 사용하는데 있어 반응가스의 반응기내 유속을 고려하여 결정한 것으로서, 상기 산화티타늄 증착단계의 반응기 내부의 압력이 300mTorr미만인 때에는 유기티탄화합물이 분해되는데 필요한 시간이 충분하지 않기 때문에 기판상에 분해되지 않은 유기티탄화합물이 증착될 염려가 있으며 100Torr를 초과하는 경우에는 불순물이 함께 증착될 염려가 있기 때문에 바람직하지 않다.As the organic titanium compound in the present invention, various kinds of organic titanium compounds may be used, but titanium tetraisopropoxide (Ti (OC 3 H 7 ) 4 ) was used. In addition, in the formation of the titanium oxide film after surface modification by plasma, the organic titanium compound contained in the evaporator 1 is heated and evaporated to 30 to 60 ° C. using a water bath, and the organic titanium compound in the gas supply pipe 6. In order to prevent the condensation, a heating wire heated to 40 to 70 ° C. was used, the pressure in the reactor 5 was maintained at 300 mTorr to 100 Torr, and the flow rate of argon gas, which is a transport gas of the organic titanium compound, to 20 sccm to 80 sccm. desirable. The flow rate and pressure are determined in consideration of the flow rate of the reaction gas in the reactor when using a vertical reactor. When the pressure inside the reactor during the titanium oxide deposition step is less than 300 mTorr, the time required for decomposition of the organic titanium compound is not sufficient. In this case, organic titanium compounds which are not decomposed on the substrate may be deposited, and when the content exceeds 100 Torr, impurities may be deposited together, which is not preferable.
본 발명의 산화티타늄 박막 증착단계에서는 아르곤 가스이외에 산소를 함께 사용할 수 있는데, 산소를 사용하는 경우에는 그 유량을 10sccm 이하로 유지시키는 것이 바람직하다. 본 발명에서 산소를 함께 사용하는 경우에는 유기티탄화합물의 증착속도가 증가된다. 이는 산소가 기판의 표면에서 옥소 또는 히드록소 그룹 등의염기로 작용하여 유기티탄화합물로부터 초기의 TiO2를 생성시키는 효율을 증가시킬 수 있기 때문이다.In the titanium oxide thin film deposition step of the present invention, oxygen can be used together with argon gas. When oxygen is used, the flow rate is preferably maintained at 10 sccm or less. When oxygen is used together in the present invention, the deposition rate of the organic titanium compound is increased. This is because oxygen can act as a base such as an oxo or hydroxyl group on the surface of the substrate to increase the efficiency of generating initial TiO 2 from the organotitanium compound.
한편, 유기티탄화합물을 증착시킬 때에 반응기 내의 온도는 250∼410℃ 인 것이 바람직하며, 320∼390℃ 인 것이 더욱 바람직하다. 상기 반응기 내의 온도가 250℃미만인 경우에는 <112> 우선배향성이 감소할 뿐만 아니라 증착속도가 낮기 때문에 바람직하지 않으며 410℃를 초과하는 때에도 <112> 우선배향성이 감소할 뿐만 아니라 소다 유리의 경우 연화(softening)가 발생하여 변형될 우려가 있고, 소다 유리 내의 나트륨 이온이 결정화를 위한 열처리 시, 박막으로 확산되어 NaxTiyOz층을 형성하며, 이 나트륨이 확산된 층은 전자-전공 재결합의 중심으로 작용하여 촉매로서의 효율을 감소시키는 단점이 있기 때문에 바람직하지 않다.On the other hand, when depositing an organotitanium compound, it is preferable that the temperature in a reactor is 250-410 degreeC, and it is more preferable that it is 320-390 degreeC. When the temperature in the reactor is less than 250 ° C., the preferred orientation is not only decreased, but the deposition rate is not preferable, and the preferred orientation is decreased even when it exceeds 410 ° C. softening) may occur and deform, and during heat treatment for crystallization, sodium ions in the soda glass diffuse into the thin film to form a Na x Ti y O z layer, which is a layer of electron-electrode recombination. It is not preferable because it has the disadvantage of acting as a center and reducing the efficiency as a catalyst.
상술한 방법과 같이 플라즈마를 이용한 표면개질 이후 화학기상증착법으로 산화티타늄 막을 제조할 경우, 다결정질 산화티타늄이 비정질 유리기판 위에서 <112> 방향으로 우선배향의 정도를 극대화하여 다공질의 구조를 가지도록 하는 고효율의 산화티타늄 광촉매를 제조할 수 있다.When the titanium oxide film is manufactured by chemical vapor deposition after surface modification using plasma as described above, the polycrystalline titanium oxide maximizes the degree of preferential orientation in the <112> direction on the amorphous glass substrate so as to have a porous structure. A high efficiency titanium oxide photocatalyst can be produced.
이하 본 발명을 하기 위해 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것 일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, which are only presented to aid the understanding of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
도 1에 도시된 장치를 사용하여 유리기판의 표면개질을 위해 반응기(5) 내 압력을 300mTorr로 유지시키고, 소다 유리 기판(1x1 cm2)을 반응기 내에 넣고 진공 하에서 기판을 10℃/min의 속도로 증착온도까지 가열하여, 온도를 390℃로 유지하였다. 다음으로 RF 출력 5W에서 10분간 플라즈마 처리를 하였다. 산화티타늄 박막을 증착하는 단계에서는 반응기(5) 압력을 500mTorr로 유지한 후, 가스공급관(6)을 약 55℃로 가열하였으며 이송가스인 아르곤 가스의 유량을 40sccm으로 일정하게 하고 티타늄 테트라이소프로록사이드는 기체상태로 50℃로 유지시켰다. 상기 반응 가스의 유량은 매스 플로우 콘트롤러(UNIT사 제조, UFC7000)를 사용하여 조절하였으며, 이송 가스인 아르곤 가스와 산소를 함께 사용하여 유기티탄화합물을 반응기(5) 내로 유입하고 고온으로 분해하여 유리 기판에 산화티타늄 막을 형성시켜 광촉매를 제조하였다.Using the apparatus shown in FIG. 1, the pressure in the reactor 5 was maintained at 300 mTorr for surface modification of the glass substrate, a soda glass substrate (1 × 1 cm 2 ) was placed in the reactor, and the substrate was subjected to a rate of 10 ° C./min under vacuum. The furnace was heated to a deposition temperature, and the temperature was maintained at 390 ° C. Next, plasma treatment was performed for 10 minutes at an RF output of 5W. In the step of depositing the titanium oxide thin film, the reactor 5 was maintained at 500 mTorr, and then the gas supply pipe 6 was heated to about 55 ° C., and the flow rate of argon gas, which is a transport gas, was constant at 40 sccm, and titanium tetraisoproprox Said was kept at 50 ° C. in a gaseous state. The flow rate of the reaction gas was controlled using a mass flow controller (UFC7000, manufactured by UNIT), and the organic titanium compound was introduced into the reactor 5 by using argon gas and oxygen, which are transport gases, and decomposed at high temperature to decompose the glass substrate. A titanium oxide film was formed on the photocatalyst to prepare a photocatalyst.
실시예 2Example 2
표면 개질시 RF 출력을 30W로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산화티타늄 광촉매를 제조하였다.A titanium oxide photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the RF output was 30 W during surface modification.
실시예 3Example 3
표면 개질시 RF 출력을 50W로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산화티타늄 광촉매를 제조하였다.A titanium oxide photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the RF output was 50 W during surface modification.
실시예 4Example 4
표면 개질시 RF 출력을 55W로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산화티타늄 광촉매를 제조하였다.A titanium oxide photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the RF output was 55 W during surface modification.
비교예 1Comparative Example 1
플라즈마를 이용한 표면개질 단계를 시행하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법 산화티타늄 광촉매를 제조하였다.A titanium oxide photocatalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the surface modification step using plasma was not performed.
시험예 1Test Example 1
플라즈마 전처리에 따른 유리기판의 특성변화 시험Characteristics Change Test of Glass Substrate by Plasma Pretreatment
소다 유리 기판의 온도를 390℃로 유지시키고, RF 출력을 0∼60W로 변화시키면서 표면 처리를 10분간 한 다음 AFM사진을 이용하여 유리 기판의 표면 변화를 살펴보고 이를 도 2에 나타내었으며, 거침도(roughness)의 변화를 도 3에 나타내었다. RF 출력이 증가함에 따라 표면의 거침도도 증가하였음을 확인 할 수 있는데, 이는 플라즈마에 의하여 유리 기판에 이온 충격(ion bombarding) 에너지가 가해졌기 때문이며 높은 운동에너지를 가진 이온이나 중성자 등이 유리 표면에 조사되어 표면에 존재하는 원자들을 확산시키거나 제거시켰기 때문이라고 판단된다. 이처럼 유리 기판을 플라즈마 처리하게 되면, 플라즈마 처리를 하지 않은 상태보다 TiO2가 확산될 수 있는 사이트가 많아지기 때문에 상대적인 흡착성이 증가할 수 있다는 것을 알 수 있다.The temperature of the soda glass substrate was maintained at 390 ° C., the surface treatment was performed for 10 minutes while the RF output was changed from 0 to 60 W, and then the surface change of the glass substrate was examined using an AFM photograph and shown in FIG. 2. The change in roughness is shown in FIG. 3. It can be seen that the roughness of the surface increased as the RF output increased. This is because ion bombarding energy was applied to the glass substrate by plasma, and ions and neutrons having high kinetic energy were applied to the glass surface. It is believed that this is because the atoms that were irradiated and diffused or removed from the surface. When the glass substrate is plasma-processed as described above, it can be seen that relative adsorption can be increased because more sites where TiO 2 can be diffused than in the state without plasma treatment.
플라즈마 처리된 유리 표면의 성질 및 구조에 미치는 효과에 대해서는 여러 보고가 있다. Zhou et al.에 따르면 나트륨-칼슘 실리케이트 유리에 아르곤 플라즈마를 처리하면 실리케이트 유리 구조가 중합이 일어나서 유리 표면에 나트륨 이온이 고갈된다고 보고 하였다(X.Zhou, P.F. Johnson, R.A. Condrite Sr., Y.M. Guo, Mater. Lett. 9 (1990) 207.). 즉, 플라즈마가 조사된 비정질 유리 기판은 나트륨 이온의 고갈로 인해, 유리 기판의 표면은 Si-O- 의 논브리징(non-bridging)상태로존재하며 열역학적으로 매우 불안정한 상태임을 알 수 있다. 표면이 이와 같은 상태로 존재하게 되면 표면 에너지(surface energy)가 증가하는 것이 예상되는데 이를 확인하기 위해 컨택트 앵글(contact angle)과 표면에너지를 측정하여 도 4 및 5에 나타내었다. 상기 컨택트 앵글은 SEO사의 Thoenix 300 contact angle 측정 장비를 사용하여 측정하였고, 용매로는 물을 사용하였다. 한편, 표면에너지는 Girifalcon-Good-Fowkers-Young 모델에 의해 측정하였다.There are several reports on the effects on the properties and structure of plasma treated glass surfaces. According to Zhou et al., Treatment of sodium-calcium silicate glass with argon plasma results in polymerization of the silicate glass structure resulting in depletion of sodium ions on the glass surface (X. Zhou, PF Johnson, RA Condrite Sr., YM Guo, Mater. Lett. 9 (1990) 207.). That is, in the amorphous glass substrate irradiated with plasma, due to the depletion of sodium ions, the surface of the glass substrate is present in a non-bridging state of Si-O- and is thermodynamically unstable. Surface energy is expected to increase when the surface is present in such a state. To confirm this, contact angles and surface energy are measured and shown in FIGS. 4 and 5. The contact angle was measured using Thoenix 300 contact angle measuring equipment of SEO, water was used as a solvent. On the other hand, the surface energy was measured by a Girifalcon-Good-Fowkers-Young model.
상기 결과들을 살펴보면, RF 출력이 증가할 수록 표면의 거침도가 증가하지만 50W의 RF 출력일 때의 컨택트 앵글이 가장 작고 따라서 표면에너지는 가장 크다는 것을 알 수 있다. 이처럼 RF 출력이 50W를 초과하는 경우에 다시 표면에너지가 작아지는 이유는 50W 이상의 출력에서는 유리 기판에 있어서 화학적인 변화이외에 물리적으로 식각 등이 일어나기 때문이며, 이에 의해 상기 논브리징 상태가 감소하기 때문인 것으로 판단된다.Looking at the above results, it can be seen that the roughness of the surface increases as the RF output increases, but the contact angle at the RF output of 50 W is the smallest and thus the surface energy is the largest. The reason why the surface energy decreases again when the RF output exceeds 50 W is because physical etching, in addition to the chemical change, occurs in the glass substrate at the output of 50 W or more, and thus the non-bridging state is reduced. do.
시험예 2Test Example 2
플라즈마 전처리에 따른 산화티타늄 박막의 특성 변화 시험Property Change Test of Titanium Oxide Thin Films by Plasma Pretreatment
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 산화티타늄 박막의 결정구조를 확인하기 위하여 X선 회절 분석장치(Rigaku사, model Miniflex)를 사용하여 40kV, 30mA, CuK 조건으로 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.In order to confirm the crystal structure of the titanium oxide thin films prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 using X-ray diffractometer (Rigaku, Model Miniflex) measured by 40kV, 30mA, CuK conditions 6 is shown.
상기 도 6에서 보는 바와 같이 모든 산화티타늄 막이 아나타제 결정구조를 가지는 것을 확인 할 수 있으나, 플라즈마를 이용하여 표면개질 전처리를 한 실시예 1 내지 4의 산화티타늄 막이 플라즈마 전처리를 하지 않은 비교예 1의 산화티타늄막보다 <112> 방향으로 우선배향의 정도가 훨씬 높은 걸 확인 할 수 있다.As shown in FIG. 6, all of the titanium oxide films have an anatase crystal structure, but the titanium oxide films of Examples 1 to 4 subjected to surface modification pretreatment using plasma were not subjected to plasma pretreatment. It can be seen that the degree of preferential orientation is much higher in the <112> direction than the titanium film.
또한, 본 발명의 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 우선배향의 정도를 비교하기 위하여 로쩌링 방향 팩터(Lotgering orientation factor(F))를 도입하여, RF 출력에 따른 F(112)에 대한 결과를 도 7에 나타내었다.In addition, by introducing a Rogering orientation factor (F) in order to compare the degree of preferred orientation of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 of the present invention, the result for the F (112) according to the RF output Is shown in FIG. 7.
로쩌링 방향 팩터, F는 하기 수학식1과 같이 정의되며, 여기서 P와 P0는 각각 특정방향으로 배향된 막과 표준 파우더의 모든 방향과 특정방향으로 배향된 방향과의 피크 강도의 분율이다.The Roseling direction factor, F, is defined as in Equation 1 below, where P and P 0 are the fractions of the peak intensity between the films oriented in the specific direction and all directions of the standard powder and the directions oriented in the specific direction, respectively.
상기 도 7에서 보는 바와 같이 플라즈마를 이용한 표면개질 전처리하지 않은 산화티타늄 막의 F(112)가 전처리 하지 않은 산화티타늄 막 보다 증가 한 것을 확인 할 수 있으며, 실시예 3의 50W에서 플라즈마 전처리한 산화티타늄 막의 F 값이 0.85로 거의 1에 가까운 값을 나타내는 것을 알 수 있고 이는 비정질 기판 위에 단일 방향으로의 우선배향이 가능함을 나타내고 동시에 <112> 방향으로 우선배향된 산화티타늄 막이 더욱 깊은 다공질의 원추형 구조로 성장하여 광촉매 효율을 증가시킬 수 있음을 나타낸다.As shown in FIG. 7, it can be seen that the F 112 of the surface-modified titanium oxide film without plasma was increased than the titanium oxide film without pretreatment as shown in FIG. 7. It can be seen that the F value is 0.85, which is close to 1, indicating that it is possible to preferentially align a single direction on the amorphous substrate, and at the same time, the titanium oxide film preferentially oriented in the <112> direction grows into a deeper porous conical structure. Thereby increasing the photocatalytic efficiency.
이처럼 본 발명에 따라 플라즈마 전처리를 한 후 증착된 산화티타늄 박막이 <112> 방향의 우선배향성을 가지는 이유는 다음과 같다.As described above, the titanium oxide thin film deposited after plasma pretreatment according to the present invention has preferred orientation in the <112> direction.
<112> 성장의 경우 그로잉 팁(growing tip)을 이루는 단면은 {001}과 {100}이며 {100}의 경우 높은 표면 에너지를 가진다. 따라서, 플라즈마 처리에 의해 높은 표면 에너지를 갖도록 활성화된 기판에 {100} 단면이 선택적으로 우선해서 성장하게 되고 이처럼 증착반응 초기에 성장된 결정 구조에 의해 <112> 우선배향성이 결정되게 되는 것이다. 즉, 본 발명에 따라 플라즈마 전처리를 하게 되면 <112> 우선배향성을 가지는 산화티타늄 박막을 높은 수율로 얻을 수 있다.In the case of growth, the cross sections constituting the growing tip are {001} and {100}, and {100} has a high surface energy. Therefore, the {100} cross-section is selectively preferentially grown on the substrate activated to have high surface energy by the plasma treatment, and the preferential orientation is determined by the crystal structure grown at the beginning of the deposition reaction. That is, the plasma pretreatment according to the present invention can obtain a titanium oxide thin film having a high degree of yield in a high yield.
시험예 3Test Example 3
플라즈마 전처리된 산화티타늄 박막의 표면과 단면의 구조 확인 시험Structure verification test of surface and cross section of plasma pretreated titanium oxide thin film
F(112)가 가장 큰 값을 나타낸 실시예 3에서 제조된 산화티타늄 박막과 비교예 1에서 얻어진 산화티타늄 박막의 표면과 단면의 상태를 SEM(HITACHI사 제조, model S-4200) 사진을 통해 확인하고 도 8 내지 11에 나타내었다. 상기 도 8 내지 11에서 알 수 있듯이 비교예의 경우보다 본 발명의 실시예 3에 의해 제조된 산화티타늄 박막의 표면 상태가 더욱 넓은 면적의 다공질 구조이며 원추형 구조를 갖는다는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 산화티타늄 박막의 단면이 원추간의 응집 없이 수직하게 성장한 것을 확인할 수 있다.The state of the surface and the cross-section of the titanium oxide thin film manufactured in Example 3 having the greatest value of F 112 and the titanium oxide thin film obtained in Comparative Example 1 was confirmed by SEM (Hitachi, model S-4200) photograph 8 to 11 are shown. As can be seen from FIGS. 8 to 11, it can be seen that the surface state of the titanium oxide thin film manufactured by Example 3 of the present invention is more porous and conical than that of the comparative example. In addition, it can be seen that the cross section of the titanium oxide thin film prepared according to the present invention grew vertically without agglomeration between cones.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 간단한 공정을 통해 <112> 방향으로 우선배향하고 있는 산화티타늄 박막을 제조할 수 있으며, 본 발명에 따라 제조된 산화티타늄 광촉매는 박막이 수직으로 성장되었기 때문에 동일한 양을 증착시켰을 경우 박막의 두께가 두꺼울 뿐만 아니라 매우 넓은 면적의 다공질 구조이므로 산화티타늄 광촉매의 효율이 증가한다.As described above, according to the present invention, a titanium oxide thin film which is preferentially oriented in the <112> direction can be manufactured through a simple process, and the titanium oxide photocatalyst prepared according to the present invention has the same amount since the thin film was grown vertically. When the film is deposited, the thickness of the thin film is not only thick, but the porous structure of a very large area increases the efficiency of the titanium oxide photocatalyst.
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100514356B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100613122B1 (en) * | 2005-06-03 | 2006-08-17 | 엄환섭 | Synthesis of n-doped tio2 nano powder by microwave plasma torch |
| KR100726336B1 (en) * | 2005-06-21 | 2007-06-11 | 한국원자력연구원 | Photocatalyst Titanium Dioxide Thin Film Chemoreceptible to Visible Light and Manufacturing Method Thereof |
-
2003
- 2003-01-04 KR KR10-2003-0000432A patent/KR100514356B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100613122B1 (en) * | 2005-06-03 | 2006-08-17 | 엄환섭 | Synthesis of n-doped tio2 nano powder by microwave plasma torch |
| KR100726336B1 (en) * | 2005-06-21 | 2007-06-11 | 한국원자력연구원 | Photocatalyst Titanium Dioxide Thin Film Chemoreceptible to Visible Light and Manufacturing Method Thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100514356B1 (en) | 2005-09-13 |
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