본문내용
1. 나노와이어 제조 기술
1.1. 열화학기상증착법
열화학기상증착법(Thermal-CVD)은 반응가스의 화학적 반응에 의해 기판에 증착되는 방법이다. 반응가스가 기판에 증착되어 나노와이어가 성장하는 과정은 다음과 같다. 먼저 반응로 내부에서 반응기체가 가열되어 기체상태가 되면, Ar gas에 실려 기판 위로 이동하게 된다. 기판 표면에서 기체상태의 원료물질들은 액체 상태로 변하게 되는데, 이때 기판 표면에 증착된 촉매금속(Au)이 원료물질의 상변화를 도와주는 역할을 한다. 마지막으로 액체 상태의 원료물질이 고체상태로 석출되면서 나노와이어가 형성된다. 이러한 기구를 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 메커니즘이라고 한다.
열화학기상증착법은 다음과 같은 장단점이 있다. 장점으로는 첫째, 반응가스의 종류가 다양하여 다양한 물질의 나노와이어를 합성할 수 있다. 둘째, 고순도의 물질을 합성할 수 있다. 단점으로는 첫째, 반응가스의 유속이 일정하지 않아 기판 위의 증착 균일도가 좋지 않다. 둘째, 반응로 내부의 온도 변화에 따라 반응 상태가 영향을 받는다.
따라서 열화학기상증착법은 다양한 물질의 나노와이어를 합성할 수 있고 고순도의 물질을 만들 수 있는 장점이 있지만, 증착 균일도와 온도 제어에 어려움이 있다는 단점이 있다.
1.2. 수열합성법
수열합성법은 액상합성법의 한 종류로, 고온고압 하에서 물 또는 수용액을 이용하여 물질을 합성하는 방법이다. 이는 뜨거운 물과 높은 압력 하에서 물질의 용해도에 의존하는 단결정 합성 방법으로, 직접 용융이 어려운 경우에 많이 사용된다.
수열합성법에서는 반응 용기(Autoclave) 안에 원료 물질을 넣고 물을 대부분 채운 다음 밀폐시켜 고온 조건으로 가열한다. 이때 용기 내부에 온도차를 만들어 대류 현상이 일어나게 되면, 용해된 원료 물질이 온도가 낮은 부분으로 이동하여 과포화 상태가 되면서 종결정 위에 정출된다. 이 과정을 통해 결정성이 우수한 물질을 합성할 수 있다.
수열합성법을 사용하면 반응 속도가 빠르고 분산성이 좋아 균일한 결정상의 미세 입자를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 또한 입자의 크기, 형상, 조성 및 순도를 비교적 잘 제어할 수 있다는 것도 장점이다. 그러나 높은 시설비와 운용비용이 들며, 성장 속도가 느리고 용액의 소비로 인한 추가 비용이 발생한다는 단점도 있다.
수열합성법은 수열 결정화법, 수열 침전법, 수열 반응법, 수열 분해법, 수열 산화법 등 다양한 형태로 나뉜다. 수열 결정화법은 비정질이나 저결정성 침전물을 수열 조건에서 결정화시키는 방법이며, 수열 침전법은 수열 조건 하에서 알코올기나 염을 가수분해 또는 중화시켜 결정성 좋은 침전을 얻는 방법이다. 수열 반응법은 용매와 함께 또는 고체와 용액 성분을 수열 조건에서 반응시켜 새로운 화합물 침전을 만드는 방법이다. 수열 분해법은 수열 조건에서 화합물을 분해시켜 유용 화합물을 얻는 방법이고, 수열 산화법은 금속 등을 고온고압 수열 조건에서 직접 산화시켜 산화물을 제조하는 방법이다.
수열합성법의 특징을 살펴보면, 수 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 미립자 분말 합성이 가능하다는 점, 결정상의 분말을 합성할 수 있어 별도의 소성 공정이 필요 없다는 점, 원료 중 불순물이 열수에 용해되어 순도가 향상된다는 점, 용액 중에 고분산된 입자로 인해 입도 분포가 조밀하다는 점 등을 들 수 있다. 이러한 특징으로 인해 수열합성법은 나노 및 첨단 세라믹 소재 합성에 널리 활용되고 있다.
2. 무기합성법
2.1. 고온-고상법
고온-고상법(high-temperature solid-state reaction)은 '전통적인 방법'이라고도 하며, 다양한 조성을 가진 세라믹 분말을 합성할 때 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 방법은 각 조성의 원소를 포함하는 산화물이나 탄산염 등의 분말을 배합, 혼합한 후 고온에서 반응시키는 것이다.
고상 반응에서 가장 중요한 것은 반응체 입자 사이에 직접 접촉하고 있는 곳으로부터 반응이 시작되며, 고체 내의 이온 또는 원자 확산에 의해 반응이 진행하는 것이다. 세라믹 분말을 합성할 때에는 가능한 한 저온에서 단시간 내에 반응을 완결시키는 것이 중요하다. 이는 고온에서 장시간 가열하면 반응체나 생성물의 입자가 성장하여 소결이 진행되기 때문에, 합성된 분말을 사용하여 소결하려는 경우 반응성이 저하되기 때문이다.
따라서 고상 반응에서는 작은 입자 크기, 균일한 혼합, 균일한 입자 크기가 중요하다. 입자의 크기가 작을수록 확산 거리가 짧아져 반응 시점이 많아지고, 단위 체적당 다른 종류의 입자와 접촉이 증가하기 때문에 반응을 빠르게 완결시킬 수 있다. 그러나 큰 입자로 출발하면 반응하는 데 시간이 오래 걸리므로 작은 입자 크기가 유리하다.
또한 서로 다른 출발 물질이 만나는 점에서 반응이 시작되므로, 완전한 반응을 위해서는 균일한 혼합과 입자 크기가 중요하다. 이를 위해 볼밀링과 같은 기계적 방법으로 분말을 혼합하고 분쇄하는 것이 일반적이다.
고상합성법은 간단하고 경제적이라는 장점이 있지만, 낮은 반응성으로 인해 높은 온도와 긴 반응 시간이 필요하다는 단점이 있다. 또한 기계적 방법으로 혼합과 분쇄를 하기 때문에 균일성과 입도 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
2.2. 졸-겔법
졸-겔(Sol-Gel)법은 가수분해 또는 탈...
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