전기 방사법을 이용한 1차원 전자 기능성 나노 소재의 합성 및 응용

Abstract

최근 전자 기기의 발달에 따라 제품은 경량화, 소형화, 고집적화 되어 가고 있는데 이를 위한 소재 기술의 발달은 벌크 소재의 한계를 극복할 수 있는 새로운 물리적, 전기적, 기계적, 광학적 특성을 갖는 나노 크기에 관심을 가지고 연구가 진행되고 있다. 1차원 나노 소재, 즉 나노 로드, 나노 파이버, 나노 튜브, 나노 벨트 등의 경우, 나노 소재가 나타내는 특성들을 발현하는 동시에 소자 제작에 있어서 빌딩 블록으로 작용하여 태양 전지, 이차전지, 연료 전지 등의 에너지 소자 등과 가스 센서, 바이오센서, 디스플레이 소자 까지 폭넓게 이용 될 수 있다. 이런 1차원 소재의 합성은 일반적으로 VLS 법, template growth 법, 수열 합성법, 전기 방사법 등 다양한데 특히 전기 방사법은 제조 방법이 간단하고 높은 수율과 대량생산이 용이하다는 점에서 고분자, 금속 및 금속 산화물, 반도체 등의 1차원 나노 소재의 합성법으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 전기 방사 시 생성되는 나노 파이버의 경우, 용액 조건 (점도, 표면장력, 전기 전도도 등), 공정 조건 (인가 전압, 용액 공급 속도, 팁과 포집부 사이 거리 등) 및 환경 변수 (온도, 습도, 압력 등)에 많은 영향을 받을 뿐만 아니라 그 변수들 간의 상호 관계에 의해 최종 생성된 나노 파이버의 직경이나 형상 제어에 어려움이 있다. 또한 고분자 나노 파이버를 제외한 다른 소재의 경우, 후처리 공정을 통한 이차 가공이 필요하고 이를 제어하기 위해서는 초기 파이버의 합성 단계에서의 고분자, 전구체 등의 선정, 열처리 시간, 온도 조건 등 많은 변수 등을 고려해야 한다. 본 연구에서는 PVP를 고분자 매트릭스로 한 전기 방사법을 이용하여 용매 및 전구체 등의 조절을 통한 용액 조건과 공정 조건, 그리고 환경 변수 등의 조절을 통하여 PVP/전구체 나노 파이버를 합성한 후, 열처리 공정을 통하여 Fe2O3, SnO2 등과 같은 산화물 나노 파이버 및 튜브를 제조하였고, 이를 이용 하여 환원 공정을 통한 금속 나노 파이버를 합성하였다. 또한 이렇게 합성된 나노 파이버 및 튜브를 이용하여 이차 전지 전자파 흡수체 등으로의 활용 가능성을 확인 하였다.; One dimensional (1-D) nano-structured materials, including nanorods, nanowires and nanotubes have widely studied because of potential abilities to improve effective physical properties, induced by lateral quantum confinement. Also their high electrical conductivity and large surface to volume ratio can minimize electric circuits or devices. 1-D nano materials are usually fabricated by Vapor -Liquid-Solid method, template synthesis, electrodeposition in porous membrane and electrospinning process. Particularly, electrospinning process involves a conventional sol-gel process and thermal treatment that is simple, unique, and cost effective. An interesting aspect of the development in electrospinning process is the control of morphology such as nano-porous materials, core-shell structures, nanoribbons and nanotubes. In this study, I attempt to prepare the electro-functional 1-D nanostructured materials, which include Fe2O3 nanotubes, SnO2 nanotubes and Fe nanofibers. As synthesized nanotubes & nanofibers by electrospinning process, which will suggest the application possibility on various fields such as lithium ion battery and electromagnetic(EM) wave absorber. First, The diameter of Fe2O3 nanotubes were investigated to the control of PVP concentration, which could be same as viscosity manipulation. When PVP concentration increased from 4 wt.% to 10 wt.%, viscosity was increased from 39 cP to 186cP. The diameter of Fe nitrate/PVP nanofibers was increased, as well as increasing viscosity. After calcination of Fe nitrate/PVP nanofibers(4wt.% PVP), the Fe2O3 nanotubes had a high aspect ratio and a smooth surface without any beads. The average diameter of the nanotubes was approximately 167nm. Also, the insides of the Fe2O3 nanotubes were empty. Therefore, I made inferences of mechanism to form nanotubular structures from the result, (1) Homogeneous metal precursor and polymer solution was stretched by electrical force between tip to collector. (2) Solvent was rapidly evaporated during a decrease in diameters. (3) Phase separation occurred during solvent evaporation with different diffusion coefficient between PVP and metal precursor. (4) Finally metal oxide nanotubes were formed by heat treatment. Second, The diameter & shape of Sn chloride/PVP nanofibers were investigated to the control of Sn chloride concentration and applied voltage, which could be same as controlling solution and process parameters. The optimized electrospinning conditions of Sn chloride/PVP nanofibers was described as follow, 10 wt.% PVP, 20 vol.% Sn contents and 16 kV applied voltage. After calcination at 500oC, the average diameter of 124nm SnO2 nanotubes formed that the wall thickness was approximately 30nm. SnO2 nanotubes were assembled to coin-cell type lithium battery and characterized electrochemical performance which contained the anodic performance of SnO2-Li alloy/dealloy and the charge-discharge performance. SnO2 nanotubes showed excellent efficiency, compare with SnO2 nanoparticles. It represented that the hollow structure of SnO2 nanotubes reduced the strain and stress during alloy/dealloy reaction. Third, Fe nanofibers were synthesized from Fe2O3 nanotubes at 450oC in H2 atmosphere and characterized magnetic property and EM wave absorption ability. Fe nanofibers retained ther high aspect ratio. However, the Fe nanofibers had a rough surface. Also, the average diameter of the Fe nanofibers is slightly decreased compared to that of the Fe2O3 nanotubes. The difference in diameter was the result of shrinkage during the reduction from Fe2O3 to Fe. The EM wave absorption ability could estimate from the power loss, which was calculated by the measured S-parameter using Ploss/Pin equation. The power loss of the Fe nanofibers is increased up to 20 GHz without a decrease of power loss. Thus, I propose that Fe nanofibers should be used as magnetic fillers in EM wave absorbers for high frequencies because of their good EM wave absorption ability.