배재대학교신소재공학과

핵심연구내용 [송정환 교수]

Impedancemeric NOx Gas Sensor

여러 센서 관련 요소기술로서는 재료탐색, 디바이스 구조 설계 및 제조기술 시스템 기술 등이 검토되어야 한다．그 중에서도 환경오염 가스 농도 측정 센서에 있어서 가장 주목받고 있는 것이 화학센서 디바이스 구조이다.

일반적으로 NOx 가스센서는 네른스트 전위차 센서, amperermetric 센서， 혼합 전위차 센서 등 다양한 디바이스 구조를 가지는 센서들이 연구되고 있다. 이런 센서 디바이스는 고온에서의 안정성뿐만 아니라 우수한 가스감융 성능을 갖고 있다．그러나 이러한 가스센서는 특성 항상을 위해 귀금속을 사용하여 비교적 높은 감도와 높은 NOx 선택성을 겸비하지만 구조상, 검지극과 참조극이 필요하고, 여전히 복잡한 디바이스 구조를 가지며 대부분의 가스 센서의 수용체(Receptor)에 대한 감지 메 커니즘은 피검가스에 노출되면 전기저항의 변화만을 감지하는 기반으로 되어 있어 피검가스에 대한 측정에 있어서 여전히 부족한 점이 있다.

본 연구에서의 적층형 고체 전해질 임피던스형 가스센서 디바이스는 피검가스에 대한 정보를 감지히는 수용체 재료와 이러한 정보를 전기 신호로 변횐하는 변환기(Transducer)로 구성되어 있다. 이와 같은 가스센서는 전기저힝뿐만 아니라 정전용량을 동시에 측정할 수 있어 검지 능력을 향상시킬 수 있는 특징을 가지고 있고 단순힌 구조로 센서 디바이스를 제조할 수 있어 소자의 마이크로화 및 자유로운 센서구조 설계, 대폭적인 비용절감이 기대된다.

Stack-structured Gas Sensor of Nano-Oxide Receptor / Solid-electrolye Transducer and Its Impedancemetric NOx Sensing Properties

Nano-powder synthesis

이상적인 nano-powder로서 1) 가능한 미립일 것, 2) 입도분포가 좁을 것, 3) 융집하지 않을 것, 4) 될 수 있는 한 구 형일 것, 5) 고순도일 것을 요구한다.

Nano-powder를 제조하기 위해 이용되고 있는 분말합성법으로 액상 반응법이 있다. 이런 방법에는 대표적으로 oxalate 분해법, 알콕사이드 가수분해법, sol-gel법, 수열합성법 등이 있다. 액상 반응법의 특징은 1) 불순물이 적다, 2) 마이크로적으로 본 화학조성이 균일하다, 3) 입도가 미세하고 분포가 날카롭다, 4) 소결성이 좋고 저온 소결이 가능하다, 5) 균일하고 치밀힌 소결체를 얻을 수 있다는 장점과 낮은 생산효율과 양산성, cost가 비싸다는 단점을 가지고 있다.

본 연구에서는 액상법 중, 용매로서 Glyco류를 이용한 합성법인 Glycol process, Glycothermal법을 이용하여 nano-powder를 제조하고 있다.

The glycol has multiple functions: it acts as a nonaqueous solvent, stabilizer, and reducing agent; limits particle growth; and prevent agglomeration.

The glycol/glycothermal process have proven to be useful in the synthesis of metal sulfide and oxide nano-powders because of their simple and economic procedure, low reaction temperature, and lack of the need for a mineralizer for processing.

Glycothermal Synthesis and Characterization of 3Y-TZP Nanoparticles

Figure. 3Y-TZP powder obtained by the glycothermal method at various reaction temperatures for 24 h.
(a) co-precipitated precursor, at (b) 160 °C, (c) 180 °C, (d) 200 °C, and (e) 220 °C.

Glycothermal Synthesis and Photocatalytic properties of Anatase TiO₂ Nanoparticles

Figure. Anatase TiO₂ nanoparticles synthesized by glycothermal treatment with various B/W volume ratio
(220 °C for 12 h): B/W = (a) 0/8, (b) 1/7, (c) 3/5, (d) 4/4, (e) 6/2, (f) 8/0.

Glycothermal Synthesis of ZnO Nanopowder

Figure. The ZnO nanopowders synthesized via the glycothermal process at
(200°C for various reaction times: (a) 30min, (b) 12h, and (c) 24h.

Low-temperature Synthesis of CuS Nanopowders using a Simple Glycolate method

Figure. The CuS nanopowders synthesized using glyco(ate method at various reaction temperatures
for 1 h: (a) 50 °C, (b) 70 °C, (c) 100 °C, and (d) 150 C.

Solid-state electrolyte

Synthesis and Conductive Properties of Li_1+xAI_xTi_2-x(PO₄)₃ (x = 0, 0.3, 0.5) by Sol-Gel Method

J.H. Song, et al., Kor. J. Mater Res., 22, 346-351(2012)

Li_1+xAI_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP) is a promising solid electrolyte for all-solid-state Li ion batteries. In this study, LATP is prepared through a sol-gel method using relatively the inexpensive reagents TiCl₄. A single crystalline phase of the LiTi₂(PO₄)₃ (LTP) system was obtained at a calcination temperature above 650°C. The LTP sintered at 900~1000°C for 6 h had a relatively low apparent density of 75-80%. The LATP (x = 0.3) pellet sintered at 900°C for 6 h was denser than those sintered under other conditions and showed the highest ion conductivity of 4.50 x 10_-5 S/cm at room temperature. However, the ion conductivity of LATP (x = 0.3) sintered at 1000°C decreased to 1.81 x 10_-5 S/cm, leading to Li volatilization and abnormal grain growth. For LATP sintered at 900°C for 6 h, x = 0.3 shows the lowest activation energy of 0.42 eV in the temperature range of room temperature to 300°C.

Surface treatment technology of Plasma Electrolytic Oxidation on Al and Mg Alloys

• 고유가, 고효율 사회에 대응하는 에너지 절감형 경랑 및 내구성 강한 재료 요구증가
• 철을 대용할 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등 경금속 합금의 단점 보강 기술이 필요
• 신소재 특성에 맞는 친환경 표면처리 기술 개발 필요
• 내마모성, 내식성, 내전압성, 부착성 항상
• 고부가가치 및 고기능성 표면처리 기술 개발 필요
• 군수, 자동차, 항공, 건축, 해양, 레져 등의 산업분야 요구 확대
• 노트북, 휴대폰 등 IT 부품의 경량화, 박막화의 경쟁력 강화

Hydrophobic surfaces

Dynamic hydrophoicity of water droplets on the coated hydrophobic surfaces

단분자 유기재료를 이용한 발수성 박막코팅은 표면기능성 부여와 생산프로세스 등의 모든 공업분야에 있어서 가장 기초적이고 중요한 기술이다. 예를 들면 방수적, 방설, 방청, 누전방지, 마찰저항 감소 등 각종 발수 용도에 관한 재료설계의 기본적인 지침에 채용되고 있다.

일빈적으로 고체표면의 발수성 평가는 크게 정적 발수성과 동적 발수성으로 나눌 수 있다. 박막표면의 정적 발수성은 접촉각에 의해 평가되고 화학적인 인자인 표면에너지와 물리적 인자인 표면 거칠기, 형상에 의해 의존하는 것으로 보고되고 있다. 또한 동적 발수성을 평가하는데 이용되고 있는 것은 전락각과 히스테리시스이며 전락각은 서서히 경사각을 주어 고체 박막표면 위에 소정의 액적이 흐르기 직전의 최소 각도, 이때의 전진각과 후진각의 차이인 히스테리시스를 계측함으로써 고체표면에서의 동적 발수성을 평가하고 있다.

그러나 이러한 전락각은 시간 함수나 액적의 제거 속도에 관한 정보는 포함되어 있지 않다. 최근에는 실질적인 관점에서, 디스플레이 표면, 건축이나 수송기계 등 각종의 공업 재료들은 크기나 기능 등에서 박막표면의 경사각이 정해져 있는 경우가 대부분이기 때문에, 엄밀힌 등적 발수성을 평가하는 것은 전락하는 경사각이 아니고 어느 일정한 경사각에 있어서 어느 정도의 속도로 액적을 제거할 수 있는가이다. 발수성 박막표면에 있어 액적의 제거 성능은 전락을 개시하는 경사각과 더불어 일정한 경사각에 있어서의 액적의 전락 (가)속도도 중요한 평가 힝목으로 인식되고 있다.

본 연구에서는 Si 기판상에 단분자 실란을 이용하여 코팅박막을 제조히고 직접적인 관찰에 의해 발수코팅된 다양한 박막표면(형상, 화학조성, 패턴구조 등)에서 물(또는 Oil)에 대한 정적 접족각 및 동적 발수성(전락각, 전락가속도) 에 대한 것이다.

A fresh approach to eliminate the polarization effec

차세대 GaN계의 질화물 재료 및 디바이스는 적외선에서 자외선까지 전영역의 파장을 조절할수 있기 때문에 매우 흥미있는 재료로서 박막구조에 대한 제조 및 평가의 전반적인 연구가 진행되고 있다.

GaN계 디바이스는 주로 사파이어 기판 위에 c-축으로 성장된 육방정형의 결정구조로 제작되고, 이런 결정구조는 보통 분극을 발생시키는 방향으로 박막성장을 이룬다. GaN계 발광디바이스의 성능은 크게 개선되어져 왔지만 현재의 디바이스는 이 런 분극현상(poIarization effect)이라 붙리우는 기술적인 면에서 쉽게 해결되지 않은 기본적인 요인에 의해 디바이스의 성능이 제한되고 있다.

현재의 디바이스에 있어서 기판의 성장방향과 관련되어 압전 효과에 의한 전기장 발생뿐만 아니라, 임의의 불순물 주입없이 성장한 양자구조 등에서 의도하지 않게 시료 내부에 걸리는 전기장은 미약하지만 전이 에너지가 적색영역으로 이동하는 양자가둠 Stark 효과를 야기시킨다. 이런 분극현상은 디바이스의 성능올 기본적으로 제한하는 내부전계를 일으키고 이와 같은 전계는 빌광을 일으키기 위해 필요한 과정인 전자와 정공의 효율적인 재결합을 방해하는 문제점이 되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 결정성장 방향을 조절하는 연구의 일환으로서

1. a) 대규모집적회로 (ULSI) 기술 등에 많이 이용되는 실리콘 기판을 사용하고
2. b) 그 위에 성장되는 질화물은 상기에서 기술한 분극현상을 억제하기 위한 비극성의 걸정구조면을 가지는 비극성 a면으로 성장하는 GaN/AIN의 제조에 대한 연구 및 물성평가
3. c) GaN/AIN on Si에 있어서 계면반응을 억제하고 GaN/AIN을 비극성의 결정구조면으로 성장시키기 위해 기대되는 비극성면의 삽입층을 할용한 연구 및 물성평가에 관한 것이다.

Nonpolar a-plane GaN film on Si(100) produced using a specially designed lattice-matched butter

Growth of MnS Thin Film on c-Sapphire by Pulsed Laser Deposition

J.H. Song, et al., KoK J. Mater Res., 17, 475-479 (2007)

Pulsed laser deposition was utilized to grow MnS this films on c-sapphire substrate using a KrF excimer laser at growth temperatures that ranged from room temperature to 700°C. While the growth rate decreased as Ts increased, the overall quality of the film improved. Variations in the Ts resulted in the MnS films exhibiting different growth mechanisms. The oriented (200) rocksalt MnS film was grown at room temperature. In the case of higher Ts, 200-500°C, the films consisted of mixed phases of rocksalt and wurtzite. The main structure of the films was altered to (111) rocksalt when the temperature was increased to in excess of 600°C. This behavior may very well be the result of elements such as surface energy and atomic arrangement during the growth process. The optical band gap of the obtained a-MnS film was estimated to be 332 eV.