TiO2 박막 제조 및 광촉매 반응 실험

문서 내 토픽

1. 광촉매 (Photocatalyst)

광촉매는 광역 반도체로 충분한 에너지의 빛을 받으면 전자-정공쌍이 형성되어 산화-환원 반응을 일으킨다. 전도띠의 전자는 표면 물질을 환원시키고 hydroxyl radical은 산화시킨다. 광촉매의 반응성은 표면적, 결정구조, 자외선 강도, 전자-정공 분리 효율 등에 영향을 받으며, 두께가 일정한 박막의 경우 반응성은 자외선 강도에 비례한다. 광촉매 물질은 재결합 시간이 길고 표면 전자 이동 속도가 빠를수록 우수하다.
2. 이산화티타늄 (TiO2)

TiO2는 밴드갭 약 3.2eV 이상의 자외선이 조사되면 전자와 정공이 발생하여 광촉매 반응을 일으킨다. 결정구조는 rutile, anatase, brookite 등이 있으며 anatase가 더 좋은 광촉매 효율을 보인다. TiO2는 높은 반응성과 안정성을 가지나 전자-정공 재결합률이 높아 효율이 떨어지는 단점이 있다. 파장 387nm 이하에서 산화환원력이 우수하지만 가시광 영역에서는 사용할 수 없다.
3. 박막 제조 방법 (Thin-film Fabrication)

박막은 두께 약 1μm 이하의 인공적으로 만들어진 고체 박막이다. 제조 방식은 액상법과 기상법으로 분류되며, 기상법은 PVD, CVD, 플라즈마 중합으로 나뉜다. PVD는 고체를 기체로 만들어 기판에 증착하고, CVD는 가스를 이용하여 기판면에서 화학반응을 일으킨다. 전기화학반응법은 무기염 수용액에서 산화환원 반응으로 박막을 얻으며 장치가 간단하고 넓은 기판에 적용 가능하다.
4. 투명 전도성 산화물 (TCO)

투명 전도성 산화물은 빛을 투과하면서 동시에 전기 전도성을 가진 반도체 재료이다. 밴드갭이 3.1eV 이상이어야 하고 전도전자 농도가 1×10¹⁹cm⁻³ 이상이어야 한다. 주요 종류는 ITO, FTO, TO, AZO 등이 있으며, FTO는 전도성이 우수하고 열안정성이 뛰어나다. 차세대 디스플레이, 투명 박막 트랜지스터, 태양전지 등 다양한 분야에 응용 가능하다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 광촉매 (Photocatalyst)

광촉매는 빛 에너지를 이용하여 화학 반응을 촉진하는 물질로서, 환경 정화 및 에너지 변환 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 특히 수질 오염 제거, 공기 정화, 그리고 태양광을 이용한 수소 생산 등 다양한 응용 분야에서 그 가치가 입증되고 있습니다. 광촉매의 효율성을 높이기 위해서는 밴드갭 에너지 조절, 표면 결함 제어, 그리고 이종 접합 구조 개발 등의 연구가 지속적으로 필요합니다. 향후 나노 구조화 및 도핑을 통한 성능 개선이 상용화의 핵심이 될 것으로 예상됩니다.
2. 이산화티타늄 (TiO2)

이산화티타늄은 가장 널리 연구되고 활용되는 광촉매 물질로서, 우수한 광촉매 활성, 화학적 안정성, 그리고 낮은 독성으로 인해 산업적 응용에 매우 적합합니다. 루타일과 아나타제 같은 다양한 결정 구조를 가질 수 있으며, 각 구조에 따라 광촉매 성능이 달라집니다. 그러나 넓은 밴드갭(약 3.2eV)으로 인해 자외선 영역에서만 활성을 보이는 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 질소 도핑, 금속 도핑, 그리고 탄소 기반 물질과의 복합화 등의 개선 방안들이 활발히 연구되고 있습니다.
3. 박막 제조 방법 (Thin-film Fabrication)

박막 제조 방법은 광촉매 소자의 성능을 결정하는 핵심 기술입니다. 스핀 코팅, 딥 코팅, 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 그리고 졸-겔 방법 등 다양한 기법이 있으며, 각 방법은 고유의 장단점을 가집니다. 박막의 두께, 결정성, 표면 형태, 그리고 결함 밀도 등이 광촉매 활성에 직접적인 영향을 미치므로, 정밀한 공정 제어가 필수적입니다. 최근에는 원자층 증착(ALD)과 같은 정밀 제어 기술이 고성능 박막 제조에 주목받고 있습니다.
4. 투명 전도성 산화물 (TCO)

투명 전도성 산화물은 광전자 소자에서 필수적인 재료로서, 높은 광투과율과 전기 전도성을 동시에 만족해야 합니다. ITO(인듐 주석 산화물)가 가장 널리 사용되지만, 인듐의 희소성과 높은 비용이 문제입니다. 따라서 AZO(알루미늄 도핑 산화아연), FTO(불소 도핑 산화주석) 등의 대체 물질 개발이 활발합니다. TCO는 광촉매 소자에서 전극 역할을 하며, 그 특성이 전자 수집 효율과 전체 소자 성능에 큰 영향을 미칩니다. 향후 더욱 우수한 광학 및 전기적 특성을 가진 새로운 TCO 물질의 개발이 필요합니다.

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