합성 오팔 제조를 위한 전기영동 초격자 형성 공정 연구

Abstract

오팔(opal)은 함수규산염 광물로 5-10 %의 수분을 함유한 구형의 비정질 이산화규소(SiO2·nH2O)로 이루어져 있다. 오팔의 종류는 기본 바탕색에 따라서 화이트오팔, 블랙오팔, 워터오팔, 파이어오팔 등으로 나뉘며 무지개색을 띄는 것은 귀하게 여겨진다[1, 2]. 오팔은 나노 사이즈의 구형의 실리카가 무질서한 구조를 갖거나 일정하게 쌓여 3차원적으로 층을 이루고 있으며 실리카 구와 구 사이에 빈 공간이 존재한다. 이 공간 사이에서 빛이 간섭, 회절되어 무지개색이 발생하게 되는데, 실리카 구의 규칙적인 배열에서 오팔의 색이 발생한다[1].

합성 오팔은 전형적인 오팔의 성장구조를 가지고 있으나 규칙성이 뛰어나 천연 오팔과 쉽게 구별할 수 있다. 그러나, 대부분 합성 오팔의 제조방법이 기밀로 유지되어 공개되지 않고 있으며, 합성 오팔을 만들고자 하는 선행연구에서는 기본적인 실리카 구의 합성방법과 침전방법만이 제시되어 있을 뿐 오팔 body를 형성하기 위한 구체적인 방법에 대해서는 제시되지 않고 있다.

본 연구는 stöber법을 바탕으로 전구체인 TEOS(Tetraethyl orthosilicate)의 농도와 투입속도를 조절하여 다양한 크기의 SiO2 sphere를 합성하였으며, FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4800)과 입도분석기(Particle size analyzer, Microtrac S-3500)를 통하여 합성된 실리카 구의 형태와 평균 사이즈 변화를 관찰하였다. 그리고 오팔 특유의 산란광을 형성하는 배열을 형성하기 위하여 자연 침전방법과 DC voltage조절을 통한 EPD(electrophoretic deposition) 공정을 실행하였다. 안정적인 침전공정을 유지하기 위하여 실리카 구가 포함되어 있는 슬러리의 pH환경에 따른 zeta potential을 측정하여 침전조건에 최적화된 pH 영역을 선정하였다. 결론적으로 EPD(electrophoretic deposition) 공정을 사용했을 때 자연 침전공정보다 침전 시간이 줄어들었으며, 실리카 입자들이 더욱 규칙적으로 배열되었음을 확인하였다. 더욱이 실리카 구가 정렬된 오팔 광결정들을 여러가지 온도로 열처리하여 배열구조의 변화 및 소결 효과를 확인하고자 하였고, FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)으로 변화된 형태를 관찰하였다.