RF 열 플라즈마를 이용한 다양한 출발원료로부터 나노 분말 합성

Abstract

열 플라즈마를 이용한 합성법은 고온(약 104 K), 고활성 및 초급냉 (> 106 K/s)의 특성을 이용하며, 산화물, 질화물, 탄화물 등의 다양한 형태의 나노분말을 제조하는 연구가 활발하게 보고되고 있다. 열 플라즈마 합성법은 출발원료가 공급되면서 고온의 플라즈마 영역에서 매우 빠르게 기화(Vaporization)되고, 기화된 원료물질은 핵생성, 입자성장 그리고 플라즈마 외부영역에서 급냉(Quenching)되면서 나노분말로 제조된다. 또한, 열 플라즈마 합성법은 출발원료가 초고온에서 분해되기 때문에 고체, 액체, 기체의 상태와 관계없이 합성할 수 있고, 반응시간이 10 ms 로 매우 짧은 장점이 있다. 본 연구에서는 카본 나노 시트와 탄화규소 나노 분말 합성에 관하여 연구하였다. 카본 나노 시트(Carbon nano sheet)는 2차원의 평면구조를 가지며, 큰 비표면적과 우수한 전기적, 기계적 물성을 가진 물질이다. 이러한 특성을 이용하여 연료전지의 촉매, 리튬 전지의 음극 소재로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 탄화규소(Silicon carbide, SiC)는 대표적인 비산화물계 세라믹스로 산화물계 세라믹스보다 우수한 성능을 가지고 있어 새로운 기능성 재료로 주목되고 있다. 고온 고강도, 고경도, 높은 열전도도, 우수한 산화저항과 내마모성 등의 특성을 갖는 SiC 소결체는 내화벽돌, 발열체, 보호관 등의 고온재료나 연마재로써 널리 이용되고 있다. 열 플라즈마 합성법은 출발원료, 공정압력, quenching gas 의 유량, 출발원료의 feeding 속도 등이 합성된 분말의 성분, 형태, 크기 등을 결정하는 주요 변수로 작용한다. 본 연구에서는 RF 열 플라즈마 합성법을 이용하여 다양한 출발원료로부터 나노 SiC 분말 및 카본 나노 시트를 합성하였으며, 합성된 나노 분말은 XRD, TEM, SEM, BET, RAMAN, TG-DTA 등의 분석 장비를 이용하여 미세구조, 입자형상, 비표면적 등의 특성을 분석하였다. 약 30 nm 크기의 SiC 분말을 합성하였으며, 5~7 layer 구조를 가지는 카본 나노 시트를 합성하였다.