습식 코팅법에 의한 다기능성 TiO2 박막제조

Abstract

습식 코팅법에 의한 다기능성 TiO2 박막제조

지난 수십년간 TiO2 박막제조는 우수한 전자, 광학, 화학적 특성을 갖기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 따라서 TiO2 박막은 optical filter, antireflection film, self-cleaning coating, high efficient dielectric, solar cell로서 많은 응용 분야로서 적용되고 있다. 이런 TiO2 박막은 sol-gel, sputtering, chemical vapor deposition (CVD), layer-by-layer (LBL) 법, liquid phase deposition (LPD) 법과 같은 다양한 방법들에 의해 제조된다. 하지만 건식법은 고가의 장비와 고진공, 복잡한 제조 공정이 필요하며 대면적 코팅이 어려운 단점이 있다. 하지만 습식 공정법인 sol-gel법과 LPD 법은 박막 제조 공정이 간단하고 막 두께를 나노 스케일로 제어하기 용이하며 대면적 코팅에 유리한 장점을 갖고 있다.

본 연구에서는 내오염성 코팅박막으로써 초친수 혹은 초발수 특성을 갖는 박막과, 바이오칩으로 이용되는 발수/친수 패터닝 기판과 같은 다기능성 TiO2 박막을 습식법을 이용하여 성공적으로 제조하였다.

Sol-gel법을 이용하여 초친수성이며 높은 투과율을 갖는 TiO2 박막을 UV를 조사하지 않고 제조하였다. 제조된 박막의 투과율을 높이기 위하여 계면활성제 Tween 80을 첨가하였다. TiO2 용액에서 Tween 80의 함량이 0.0, 1.0, 3.0, 5.0 wt%일 때, 파장 550 nm에서 측정된 TiO2 박막의 투과율은 각각 약 74.31 %, 74.25 %, 79.69 %, 81.99 %였다. Tween 80의 첨가유무에 따라 제조된 박막은 약 4.0~4.5°의 초친수 접촉각을 나타내었다. 400℃ 이상에서 열처리된 TiO2 박막은 아나타제 타입의 결정구조를 보였으며, UV를 조사하였을 때 메틸 오렌지 용액을 분해시키는 광촉매 특성을 보였다.

광촉매 특성을 지닌 초친수 TiO2 박막을 LPD법에 의해 유리 기판 위에 성공적으로 제조하였다. 제조된 TiO2 박막은 70 ℃에서 박막표면에 TiO2 나노 입자들을 형성하였다. TiF4 용액의 침적시간이 증가됨에 따라 박막의 두께도 일정하게 증가되었다. TiO2 박막은 약 5° 이하의 접촉각과 가시광영역에서 약 75~90 %의 투과율을 보여주었다. 또한 제조된 TiO2박막은 자외선 조사에 의해 메칠오렌지 용액을 분해하는 광촉매 특성을 보여주었다.

초발수 TiO2 박막을 습식 공정법에 의해 유리 기판 위에 성공적으로 제조하였다. Micro-nano 복합구조의 거친 표면을 갖는 박막을 제조하기 위하여 LBL 법과 LPD 법이 이용되었다. 초발수 박막은 LBL 법에 의해 texture 구조를 갖는 (PAH/PAA) 박막을 제조 한 후 그 위에 LPD 법에 의해 TiO2 나노 입자를 적층시키고 그 표면을 fluoroalkyltrimethoxysilane (FAS)를 사용하여 발수 처리를 하여 제조하였다. (PAH/PAA)10 박막의 표면에 45분 동안 TiO2 를 적층한 박막은 RMS roughness 가 65.6 nm 로 거친 표면을 보여주었고 발수 처리 이후에 접촉각 155° 정도의 초발수 특성과 함께 80 % 이상의 투과율을 보여주었다.

LBL법과 LPD법을 이용하여 유리 기판 위에 발수/친수 패터닝 기판을 제조하였다. 발수 표면은 거친 표면을 갖는 TiO2 박막을 FAS를 이용한 표면 개질에 의하여 만들어졌고, LBL법과 LPD법을 이용하여 높은 조도를 갖는 micro - nano복합구조를 제작하였다. 거친 표면의 TiO2박막을 FAS를 이용하여 발수처리를 하여 초발수 박막을 제조하였다. 제조된 발수 표면은 300㎛, 3.0 mm 의 dot size를 갖는 shadow mask 를 이용하여 자외선을 조사하여 패터닝 되었다. 최종적으로 자외선이 조사된 발수 표면은 친수 표면으로 바뀌었다.|In the past several years, there has been increasing interest in the fabrication of TiO2 thin films because they present useful optical, electrical, and chemical properties such as high refractive index, high relative dielectric constant, remarkable solar energy conversion, and photocatalysis. Therefore TiO2 thin film can be a promising material for an optical filter, antireflection film, a self-cleaning coating, a high efficient dielectric, and a solar cell. TiO2 thin film has been fabricated by several methods such as a sol– gel synthesis, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) layer-by-layer (LBL) and liquid phase deposition (LPD). However, dry processes that require a high temperature, a high qualitative vacuum system and intricate equipments have a limit of film area or thickness, mechanical instability, and high cost. However wet method such as LBL and LPD method has lots of advantages such as a simple process, low temperature deposition, no limit of thickness and needless of complicated equipments. In addition, the thickness of thin film can be controlled with a nanoscale.

In this study, multi-functional TiO2 thin film were successfully fabricated by wet method. Superhydrophilic and transparent TiO2 thin film without irradiation of ultraviolet rays was successfully fabricated on a glass substrate by sol-gel method. In addition, surfactant Tween 80 was used for increasing the transmissivity of thin film. When the contents of Tween 80 in TiO2 solution was 0, 1, 3, 5wt%, the contact angle of TiO2 thin film was respectively 74 %, 75%, 79%, 82%. Fabricated TiO2 thin film showed the photocatalytic property that decomposed methylene blue and decreased the absorbance of solution after UV irradiation. Superhydrophilic TiO2 thin films with photocatalytic property were successfully fabricated on a glass substrate by LPD method. The TiO2 thin film formed nano particles on a surface at 70℃. As an immersion time in TiF4 solution increased, the thickness of thin films gradually increased. TiO2 thin film showed a water contact angel of below ca. 5º and the transmittance of ca. 75~90 % in visible range. In addition, TiO2 thin film showed the photocatalytic property to decompose methyl orange solution by the illumination of UV light.

Superhydrophobic TiO2 thin films were successfully fabricated on a glass substrate by wet process. LBL method and LPD method were used to fabricate the thin films of micro-nano complex structure with a high roughness. To fabricate superhydrophobic TiO2 thin films, the (PAH/PAA) thin films were assembled on a glass substrate by LBL method and then TiO2 nanoparticles were deposited on the surface of (PAH/PAA) thin film by LPD method. Subsequently, hydrophobic treatment using fluoroalkyltrimethoxysilane (FAS) was carried out on the surface of prepared TiO2 thin films. The TiO2 thin film fabricated with 45 minutes immersion time on (PAH/PAA)10 showed the RMS roughness of 65.6 nm, water contact angel of 155° and high transmittance of above 80 % after the hydrophobic treatment.

Hydrophobic/hydrophilic patterned substrates were fabricated on a glass substrate by wet method. Micro-nano complex structure with a high roughness was fabricated by a LBL self-assembly and a LPD method and Hydrophobic surface was obtained by modifying TiO2 thin films with a rough surface using FAS and hydrophilic surface was prepared by decomposing FAS on an exposed to UV light. Prepared hydrophobic surface was pattered by an irradiation of UV light using shadow mask with 300㎛ or 3 mm dot size. Finally, the hydrophobic surface exposed to UV light was changed to a hydrophilic surface.; In the past several years, there has been increasing interest in the fabrication of TiO2 thin films because they present useful optical, electrical, and chemical properties such as high refractive index, high relative dielectric constant, remarkable solar energy conversion, and photocatalysis. Therefore TiO2 thin film can be a promising material for an optical filter, antireflection film, a self-cleaning coating, a high efficient dielectric, and a solar cell. TiO2 thin film has been fabricated by several methods such as a sol&#8211