Fabrications of Inorganic Nanocomposites by Ceramic Processes and Their Applications

Abstract

이 논문은 반도체 나노입자와 세라믹 나노 분체의 복합물질을 합성하고 세라믹 공정을 통해서 구형 소결체 또는 증착 필름을 제조하여 산업에 적용할 수 있는 다양한 application을 소개한다. 본 논문에 적용한 반도체 나노물질은 친환경 광촉매인 WO3와 최근 opto-electronic 소재로 가장 각광받고 있는 메탈 할라이드 페로브스카이트이다. 지금까지 보고된 광촉매 나노입자와 나노 사이즈의 페로브스카이트 소재 합성은 대부분 용매를 이용한 습식법을 사용하며, 페로브스카이트 나노입자의 경우는 다양한 계면활성제를 표면에 도입하여 광특성 및 용액 안정성 확보한다. 이렇게 습식법으로 합성된 반도체 나노입자의 응용 및 가공 또는 패키징 역시 대부분 유무기 고분자를 적용하여 용액 공정을 따르게 된다. 이와 같이 유무기 하이브리드 나노입자 또는 나노입자 자체에 유기물이 없더라도 패키징 가공 시 유기물을 포함고 있는 composite은 고온 공정이나 세라믹 공정을 적용하는 것이 불가능하다. 본 논문에서는 습식 공정에서 유기물이 전혀 없는 WO3/zeolite nanocompsite과 cesium lead halide/metal oxide nanocomposite을 새로운 형태로 합성하고, 세라믹 공정을 통해서 종래에 보고되지 않은 프로세스 디자인과 이를 통해 얻어진 product의 적용 scene을 제시한다. WO3/zeolite nacomposite을 사용한 세라믹 공정은 1) rotary drum granulation 법으로써 분말 과립화 및 소결 공정이며, 페로브스카트 nanocomposite의 경우는 2) aerosol depositon법을 이용한 상온에서 세라믹 증착 필름을 제조하는 공정이다. 이와 같이 inorganic nanocomposite을 이용하여 위와 같은 세라믹 공정을 거쳐 얻어진 product는 기존의 고분자를 포함한 유무기 복합물질에 비해 열에 대한 내구성 및 기계적 물성이 뛰어나며 저렴한 공정비용과 대량 생산이 용이 하기 때문에 상업화에 대한 잠재력을 충분히 가지고 있다. Part-2 에서는 platinum이 소량 첨가된 WO3 nanorods가 ZSM-5 제올라이트 표면에 분산되어 있는 nanocomposite을 in-situ로 합성하여 분말 상태로 얻고, 이를 과립 성형 후 소결 과정을 거쳐서 에틸렌 가스 흡착제를 제작하였다. 에틸렌은 수확된 후 청과물들의 숙성 호르몬으로 작용하여 숙성을 가속화시킨다. 이때 에틸렌 농도를 감소시키거나 없애주면 청과물들의 숙성 진행을 더디게 하여 신선도를 연장시킬 수 있다. 본 논문에서 제시하는 ZSM-5/WO3-Pt nanocomposite의 과립 소결체는 종래에 보고되었던 WO3/다공성 흡착제에 비해 높은 에틸렌 흡착 능력을 보여주었으며, 실제 청과물에 적용했을 때 신선도가 유지되는 결과를 확인하였다. Part-3의 1장에서는 CsPbBr3 페로브스카이트 나노입자가 용매가 증발함에 따라 약 500 nm 크기의 Al2O3 입자 표면에서 전구체들의 결정화에 의해 nanocomposite 분말을 합성하였으며, 상온 분말 증착 시스템으로 알려진 aerosol deposition 법을 이용하여 다양한 기판에 증착하였다. 이는 Al2O3 매트릭스에 녹색 형광 특성을 갖는 CsPbBr3 나노입자를 임베디드 하여 기판에 증착된 형태로서 적층 및 패턴 형성이 용이하고 세라믹 물질을 호스트 매트릭스로 적용하였으므로 고온에서도 안정한 광특성을 확보할 수 있다 (초기 양자효율 8―9%, 20일간 200도 유지 조건 14―15%). 그리고 위 공정을 동일하게 적용하여 CdSe/CdS/ZnS 코어쉘 구조의 적색 양자점을 함께 도입하고 LCD BLU에 적용하여 다음과 같이 디스플레이 요구 특성을 확인하였다 (녹색 형광 파장/반치폭 522/17 nm, 적색 형광 파장/반치폭 625/25 nm, 색좌표 Cx 0.307, Cy 0.312, 색재현율 89% (Rec. 2020), 휘도 약 3500 nit). 또한 증착 필름의 기계적 안정성을 확인하기 위해 PET 기판에 증착한 필름을 7R 조건으로 10만회 밴딩 테스트 진행 후 필름 외관과 형광 특성이 변화 없음을 육안 확인하였다. Part-3의 2장에서는 1장에서 검증한 내용을 바탕으로 소재 및 공정 modification을 통해 습도 센서소자 제작 및 성능을 평가하였다. 그동안 정전용량 방식의 습도센서 분야에서 다양한 고유전 소재 접근과 몰폴로지에 따른 센싱 성능에 대한 연구가 많이 보고되었다. 본 논문에서는 정전용량 방식의 습도센서로는 최초로 메탈할라이드 페로브스카이트를 적용하였으며, 소자의 센싱 성능 및 안정성은 지금까지 보고된 적이 없는 가장 우수한 결과를 구현하였다 (sensitivity 17,773.5 pF/RH%, linearity 0.9954). 이 결과는 CsPb2Br5/BaTiO3 nanocomposite을 interdigital 전극 기판 위에 증착하였을 때 CsPb2Br5에 의한 계면 분극과 BaTiO3 몰폴로지 변화의 시너지 효과에 의해 소자에서 높은 capacitance 값을 얻을 수 있었다.