순환유동층 반응기에서 실리카 겔 입자의 대기압 플라즈마 $TiO_2$ 박막 증착

Abstract

PECVD를 이용하여 순환유동층 반응기(18mm-ID*1000mm-high)에서 균일한 $TiO_2$ 박막의 증착에 관한 연구를 진행하였다. PECVD 증착이 가장 잘 이루어지는 최적의 조건을 찾기 위해 수력학적 특성 고찰을 통해 L-valve의 통기되는 기체 유속을 18.3mm/s, 상승관의 기체 유속을 0.55m/s로 결정하였다. 박막 증착의 지지체로는 100μm의 실리카 겔을 사용하였고 titanium tetraisopropoxide (TTIP, 98%)를 전구체 및 산소를 반응 기체로 사용하였다. 고순도의 헬륨을 플라즈마 생성 기체로 사용하였다. 플라즈마의 power, 산소 농도, 전구체 유량 및 처리 시간을 달리하면서 증착 실험을 수행하였고 플라즈마 글로우 방전 영역의 확장을 위해 아르곤 기체의 농도를 달리하며 첨가하였다. 생성된 박막은 XRD, SEM, EDS, BET 및 XPS를 이용하여 분석하였다. 350W부터 입자 표면에서 $TiO_2$ 박막이 관찰되었다. 또한 3.6vol%의 산소 농도 및 0.4g/min으로 전구체를 주입하였을 때 광촉매적 활성이 우수한 anatase 성분이 가장 높게 관찰되었다. 처리 시간이 증가함에 따라 입자 표면에서의 Ti 성분 또한 증가함을 확인할 수 있었는데 5시간 처리의 경우, 50wt%의 Ti 성분이 검출되었다. 아르곤 농도가 8.18vol%로 주입될 때 입자 표면 전체에 균일한 크기의 구형의 $TiO_2$ 결정이 증착되었음을 확인할 수 있었는데 이 조건에서 생성된 $TiO_2$ 광촉매는 sol-gel에 의해 생성된 TiO2 광촉매보다도 비표면적이 훨씬 큰 값을 보였다. 미세한 실리카 겔(69μm)은 입자 사이의 응집력에 의해 순환유동층 반응기에서 순환이 잘 이루어지지 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 조립질 실리카 겔(163 또는 100μm)을 첨가한 이중 입자 혼합물을 만들어서 입자의 순환을 개선시켰다. 69μm의 미세 입자에 100μm의 조립질 실리카 겔을 첨가하였을 때 69μm의 미세 입자 표면에 더 많은 $TiO_2$ 결정이 증착됨을 확인할 수 있다. 이는 미세 입자 및 조립질 입자의 입도 차가 작아서 입자의 순환이 더 원활하게 이루어졌기 때문이다. 미세 입자(69μm) 표면에 $TiO_2$ 박막 증착이 가장 잘 이루어지는 조건은 100μm의 입자에 혼합하여 3.64vol%의 아르곤 및 7.6vol%의 산소가 주입되었을 때이다.