TiO2 박막 제조 및 광촉매 특성 실험

본 내용은 " [인하대학교] 무기화학실험 TiO2 박막 제조 실험 결과보고서 (A0) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.10.14

문서 내 토픽

• 1. Doctor blading법을 이용한 TiO2 박막 제조

  FTO 기판을 scotch tape로 고정한 후 Ti paste를 도포하고 슬라이드 글라스로 균일하게 펼치는 박막 제조 방법입니다. 형성된 박막의 두께는 scotch tape와 FTO 기판의 높이 차에 의해 결정되며, 열처리 과정을 거쳐 TiO2 박막이 됩니다. 박막 품질에 영향을 미치는 주요 변수는 paste의 점성도와 blade와 기판 간의 간격입니다.

• 2. Spin coating법을 이용한 TiO2 박막 형성

  FTO 기판을 spin coater 위에 고정하고 TiO2 용액을 떨어뜨린 후 4000 rpm에서 30초간 회전시키는 박막 형성 방법입니다. rpm이 빠르고 처리시간이 길수록 더 얇은 박막이 형성됩니다. 박막 품질에 영향을 미치는 변수는 용액의 점성도, 농도, 스핀속도 및 스핀시간입니다.

• 3. TiO2의 광촉매 효과와 Methylene blue 환원 반응

  TiO2 박막 위에 Methylene blue를 코팅한 후 자외선에 노출시키면 광촉매 반응이 일어납니다. TiO2의 밴드갭(3.2eV)에 해당하는 자외선을 받으면 valance band의 전자가 conduction band로 여기되어 표면으로 이동하고 Methylene blue를 환원시킵니다. 환원된 Methylene blue는 무색으로 변하며, 빛이 차단된 부분은 색 변화가 없습니다.

• 4. 반도체 밴드갭과 파장의 관계

  E=hcλ 공식을 이용하여 밴드갭 에너지와 파장의 관계를 계산합니다. TiO2의 밴드갭 Eg=3.2eV에 해당하는 파장은 387.5nm이며, Si 반도체의 밴드갭 Eg=1.1eV에 해당하는 파장은 1127.3nm입니다. λ=1240 eV·nm/Eg 공식으로 계산됩니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Doctor blading법을 이용한 TiO2 박막 제조

  Doctor blading은 TiO2 박막 제조에 있어 매우 효율적이고 실용적인 방법입니다. 이 기술은 간단한 장비로도 구현 가능하며, 박막의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 특히 대면적 박막 제조에 적합하고 재현성이 우수하여 산업적 응용에 매우 유리합니다. 다만 박막의 균일성을 완벽하게 달성하기 위해서는 전구체 용액의 점도, 블레이드의 각도, 이동 속도 등 여러 변수를 정교하게 조절해야 합니다. 또한 건조 및 열처리 과정에서 균열이 발생할 수 있으므로 이를 최소화하기 위한 최적화된 공정 조건 개발이 중요합니다.

• 2. Spin coating법을 이용한 TiO2 박막 형성

  Spin coating은 TiO2 박막 형성에 있어 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 이 기술은 매우 균일하고 얇은 박막을 빠르게 제조할 수 있으며, 박막 두께를 회전 속도와 시간으로 간단하게 제어할 수 있습니다. 특히 소규모 실험실 환경에서 재현성 있는 결과를 얻기에 매우 적합합니다. 그러나 기판의 크기가 제한적이고, 전구체 용액의 손실이 발생하며, 대면적 박막 제조에는 부적합하다는 단점이 있습니다. 또한 박막의 두께가 회전 속도에 따라 지수적으로 감소하므로 매우 얇은 박막 제조 시 정밀한 제어가 어려울 수 있습니다.

• 3. TiO2의 광촉매 효과와 Methylene blue 환원 반응

  TiO2의 광촉매 효과는 환경 정화 및 에너지 응용 분야에서 매우 중요한 특성입니다. Methylene blue 환원 반응은 TiO2 광촉매 성능을 평가하는 표준적인 방법으로, 가시광선 또는 자외선 조사 시 TiO2 표면에서 생성된 전자-정공 쌍이 유기 오염물질을 분해하는 메커니즘을 잘 보여줍니다. 이 반응의 효율성은 TiO2의 결정 구조, 표면 적 면적, 불순물 도핑 등 여러 요소에 의해 영향을 받습니다. 특히 anatase 상의 TiO2가 rutile 상보다 더 우수한 광촉매 활성을 나타내는 경향이 있으며, 표면 개질을 통해 가시광선 영역에서의 활성을 향상시킬 수 있습니다.

• 4. 반도체 밴드갭과 파장의 관계

  반도체의 밴드갭과 파장 사이의 관계는 광전자 소자 설계에 있어 기본적이고 중요한 개념입니다. 밴드갭 에너지(Eg)와 흡수 가능한 광의 파장(λ) 사이에는 Eg = hc/λ의 역비례 관계가 성립합니다. TiO2의 경우 약 3.0-3.2 eV의 밴드갭을 가지므로 자외선 영역의 광만 흡수할 수 있습니다. 이는 태양광 활용 효율을 제한하는 요인이 되므로, 밴드갭을 좁혀 가시광선 흡수를 가능하게 하는 도핑이나 이종 접합 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 정확한 밴드갭 측정과 파장 관계 이해는 더욱 효율적인 광촉매 및 태양전지 개발에 필수적입니다.