Metallic Nano Particles(Zero Dimensional nano material)

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1 Metallic Nano Particles(Zero Dimensional nano material)
Gold Silica 섬유에 부착된 은 나노입자 NanoReactor

2 수업내용 목적: 나노입자(분말)의 전반적인 특성을 이해한다. 나노분말의 정의 나노분말의 역사 (분체의 역사)
Size Effect (나노분말의 중요성) 나노 분말 제조의 개요 Quantum dot 나노입자 교과서 4,5,7,9,10,11,14,15,17장 관련

3 참고: 크기와 색상의 마술 왜 이런 현상이 나타나나? 동일한 종류의 입자일 경우, 입자가 크면 흡수하는 에너지가 많아 진다. 따라서 에너지가 적은 파장이 긴 쪽의 복사선을 방출하게 된다.

4 Color어떻게 만들어 내는가? 양자점:크기효과 색소: Merocyanine 나노구조

5 나노분말의 역사 4세기경 로마의 유리잔 제작업체가 제작한 금, 은 나노입자가 포함된 이른바 Lycurgus cup이 기원
1857년 Michael Faraday가 이 현상을 설명 1905년 A. Einstein은 큰 원자의 존재에 대하여 예시하였고(colloid라 부름), 후에 colloid입자의 Brownian 운동이 발견되었다. Lycurgus cup

6 Lycurgus cup Optical Spectrum Analysis
BandGap에너지는 전기적 방법 혹은 광학적 방법으로 측정이 가능하다. 나노복합재료에서 실례를 제시할 예정 BandGap of Silver oxide: eV

7 BandGap Energy BandGap Energy of various materials; bandGap에너지는 물질의 종류, 상태, 크기에 따라 변한다

8 나노분말의 정의 입자의 형상에 따른 크기 정의 (1) (2) (3)
(1) 번과 같이 입자의 모양이 같고 크기만 다를 때는 가장 큰 입자의 직경을 입자 크기로 사용 (2) 번의 경우에도 가장 큰 직경의 입자크기를 분말의 크기로 사용 (3) 번은 크기가 같은 입자의 응집체(aggregate)로 이때는 응집체의 크기를 입자의 크기로 한다. 나노분말(입자)이란 어떤 경우에도 크기가 약 100 nm이하인 것을 의미한다. 100 nm의 크기는 크기효과(size effect)가 나타나는 경계영역이다.

9 나노분말의 형태

10 초미립자(ultrafine particles,UFP),나노입자
미소입자의 분류 초미립자(ultrafine particles,UFP),나노입자 분체(파우더) Clusters 미립자(fine particles) 조입자(coarse particles) 원자, 분자

11 입자관련기술의 변화 현재 기술적, 경제적으로 가장 관심이 큰 나노입자 분야는 응용이다.

12 분체의 종류와 응용

13 나노입자에서 나타나는 새로운 현상 체적특성은 벌크상의 특성을 의미 자세한 사항은 교과서 p참고

14 Size Effect(크기효과)-1 Bulk의 미소화 +  (1) 체적(volume)효과 - Kubo 효과 (양자크기효과)
원자가 전자의 에너지준위: Bulk :연속적(band)  UFP:이산적 비열, 자화율 변화, 광흡수 증대, 광선택적 흡수 - 강자성(Ferromagnetic) 입자의 단자구화 Bulk ferromagnetics 수십nm 수 nm: 다자구 단자구 초상자성 (multidomain) (single domain) (superparamagnetic) 여기 된 상태에서 에너지를 내 놓아야 하는데, 다른 곳으로 전달 및 Energy loss발생  Ultrafine Particles(UFP)

15 Size Effect(크기효과)-2 브라운 운동은 입자와 주위의 원자와의 역학적 상호관계에 의하여 생성된다(아인쉬타인).
- 기체내 운동 : 비연속적 효과 (Noncontinuum effect) 입자크기 ~ mean free path Knudsen 수 - 광학적 특성 입자크기 ~ 빛의 파장 형상인자 *산란(scattering): 기하학적  Mie  Rayleigh 산란 Tyndall 크기가 작아지면 운동의 예측이 불가능하다. 브라운 운동 예측불가 크기가 작아지면 크기에 따라 산란특성이 변한다.

16 Nano Size 가 된다는 것은: 표면에너지란?
Definition: 표면의 원자/분자가 가진 여분의 에너지로 새로운 단위면적(영역)을 만드는데 필요한 에너지에 대하여 실제의 표면이 가진 에너지. 표면에너지가 크다 함은 새로운 영역을 만들기 쉽다는 것을 의미. B A C 이 경우 표면에서는 어떤 변화가 있는가? 첫 번째 물질(A)을 만들 때 필요했던 결합이 깨어진다. 표면의 원자/분자의 숫자가 많아진다. 이 경우에(B,C) 표면에너지는 깨어진 결합수를 N, 결합의 강도를 ε, 표면의 원자/분자의 밀도를 ρ라고 할 때 표면에너지(r) 다음과 같이 주어진다. 결합강도의 1/2을 의미. 본 예의 경우 표면 에너지는 A>B=C이고 B+C>A인 상황이 된다.

17 Size Effect(크기효과)-3 (2) 표면(surface)효과 - 표면적 및 표면에너지 증가 표면에너지 大
입방체 입자의 크기와 표면원자의 비율 표면상태와 표면에너지 모서리에 있는 원자가 접촉면적이 커서 다양한 결합 및 반응에 참여하기 쉽다. (촉매, 흡착, 성장, 반응성등) 구리미립자의 입경과 표면에너지

18 Size Effect(크기효과)-4 Size effect of gold(Au) on their melting point  융점 강하, 용해도증가, 비점 강하 (증기압 증가), 소성온도 저하, 촉매활성증가, 결정구조의 변화(단결정화) 금속초미립자의 융점 및 소결온도 기타 다양한 특성은 예를 들면 용해속도(DDS에서 중요) 제외

19 나노입자기술의 주요한 분야 분말제조 분말평가 분말응용 기술분야 핵심기술 기반기술 공정설계 및 장비제작 공정제어(형상 물성제어)
분말회수 분말표면개질 화학공정설계 화학반응제어 유체역학, 분체공학 분말평가 형상분석 성분 및 표면분석 상 및 결함분석 표면화학 국소영역분석 구조분석 분말응용 분산(액상, 고상) 코팅(박막) 성형(건식, 압출/사출) 소결(무가압, 가압) 콜로이드화학, 고분자공학 정밀가공, 유체역학 탈지, 미세조직제어 평가기술은 기기분석 참고, 응용은 후에 다룸. 교과서의 성형, 소결및 분산기술은 응용기술임

20 나노분말제작 기술요소 공정설계 및 장비제작기술 공정제어기술(형상 및 물성제어기술)
사용하는 원료에 따라 다르게 되는데 원료가 기체인 경우는 연소법, 열분해법, 가수분해법등의 기체반응공정을 개발할 수 있다. 액상의 경우에도 끓는점이 낮으면 역시 기체반응법을 사용 가능하다. 기화가 잘 되지 않는 경우 액체를 작은 입자 형태로 분무하여 고온에서 열분해 시키거나 다른 화합물 가스와 반응시켜 제작하는 에어로졸법을 사용 가능하다. 액상에서의 반응법은 매우 다양하지만 공침법, 솔-겔법, 수열법등이 여기에 속한다. 고상반응은 기체원료와 반응시키거나 다른 고상과 반응시켜 분말을 제작한다. 공정설계 및 장비제작에서 가장 중요한 점은 공정제어의 용이성, 재현성, 확장성이다. 공정제어기술(형상 및 물성제어기술) 목표로 하는 분말의 형상, 크기, 물성을 얻기 위하여 나노분말의 제작공정을 제어하는 기술을 말하며, 일반적인 화학공장에서의 공정제어와는 다르다. 같은 장비를 이용하여 다양한 특성을 갖는 제품의 제조를 목표로 제어기술이 개발되어야 한다.

21 나노분말제작 기술요소 분말회수 기술 제작이 끝난 나노분말을 최종적으로 회수하는 기술을 말한다. 반응의 형태에 따라 다르기는 하지만 기상반응을 이용하는 경우나 액상반응을 이용하는 경우에 특히 중요하다. 특히 기상반응의 경우 합성된 나노분말 입자가 유동하는 기체에 실려 움직이므로 이를 회수하는 것은 매우 중요한 문제이다. 필터를 사용하여 기계적으로 포집 하거나 분말입자를 하전 시켜 정전기적으로 포집하는 방법 등 이 있다

22 나노분말제작 기술요소 분말의 표면개질 기술 금속나노분말은 높은 표면에너지의 영향으로 활성이 대단히 강하고 대기중에서 폭발적으로 산화(알루미늄나노입자, 로케트추진제)하는 경향이 있으며 쉽게 응집한다. 즉, 나노분말을 안정적으로 취급하기 위하여는 이를 방지하기 위한 대책을 강구하여야 한다. 이들 방법은 보통 2가지 방법으로 표면을 개질한다. 첫째 방법은 분말표면만을 선택적으로 산화시켜 치밀한 산화막이 더 이상의 산화를 막도록 하는 방법. 둘째 방법은 금속 나노분말의 표면에 내 산화성이 큰 탄소(흑연) 혹은 기능성 유기물 등을 코팅하여 분말의 산화를 방지하는 방법. 탄소개질 알루미늄입자

23 분체와 나노분말의 제작법의 분류 Build-Up(Bottom-up)
크게 Build-up과 Break-down법으로 나눌 수 있다. Break-down(top-down)으로는 UFP는 제작불가능 하다. Build-Up(Bottom-up)

24 Break-down 건식 분쇄법 습식 분무법 분산법 에멀젼법 이 방법으로는 나노분말의 합성 및 제작이 불가능하다.

25 각종금속 나노입자의 제작법 기상법

26 액상법

27 생각할 점 Tyndall, Mie, Rayleigh 산란은 무엇인가? 확실히 알자.
왜 금입자는 크기가 작아지면 녹는점이 낮아지는가? Size Effect로 설명하여라. quantum dot 입자는 어떤 사이즈 효과(크기가 작아지면 나타나는 현상 중에 어떤것)를 이용한 것인가? 자세히 설명하시오. rod, whisker, wire의 정의와 차이점 응용분야는 어떻게 다른가?