양극산화법에 의한 이산화티탄 나노튜브 형성에 관한 연구 = A Study on The Formation of TiO2 Nanotubes by Anodic Oxidation

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 금속소재 중 의료용 임플란트에 가장 널리 사용되는 티타늄 소재에 전해액의 종류, 시간, 전압을 고려한 양극산화법을 통하여 나노구조의 표면 형상을 제조 하고, 소재 표면, 계면구조, 열처리에 의한 결정상 관찰을 통하여 이산화티탄 나노구조의 물리·화학적인 특성 평가를 실시하였다.
양극산화법을 통한 이산화티탄 나노튜브의 형성을 위하여 1 M H3PO4 + 0.3 M HF 수용액과 0.1 M NHF4 + 2% H2O 가 함유된 에틸렌글리콜 비수용액의 두 가지 전해액을 사용했으며 양극산화 시간, 가해준 전압에 의한 나노튜브의 표면 및 단면 구조를 FE-SEM을 통하여 관찰 하였다. 수용액에서 형성된 이산화티탄 나노튜브의 길이는 양극산화 시간이 30분이 지난 후 일정한 값을 유지하였으며, 최대 800 nm 까지 성장되었다. 이산화티탄 나노튜브는 25 V 이하에서는 형성 되지만, 그 이상의 전압에서는 형성되지 않았으며 수용액에서의 이산화티탄 나노튜브의 직경은 인가전압에 비례 하는 것으로 나타났다. 비수용액에서의 이산화티탄 나노튜브는 시간이 증가함에 따라 길어 졌으며 20~70 V의 전압에서 나노튜브가 형성되었다. 비수용액서도 수용액에서처럼 나노튜브의 직경은 인가전압에 비례 하는 것으로 나타났지만 비수용액의 전해액에서는 H+의 생성을 최대한 억제함으로 인해 수용액의 전해액에서 보다 더욱 더 긴 나노튜브를 형성시킬 수가 있었다.
이산화티탄 나노튜브는 결정구조에 따라 무정형(amorphous), 예추석(anatase), 금홍석(rutile) 의 구조를 가지며 열처리 온도 및 시간의 영향에 따라 비정질인 amorphous상에서 anatase 및 rutile의 구조로 결정상이 변화하게 된다. 본 연구를 통해 열처리 온도에 따라 이산화티탄 나노튜브는 비정질인 amorphous상에서 결정질인 anatase, rutile상으로 결정구조가 변화되는 것으로 나타났다. 250 ℃의 낮은 온도에서 10시간 이상 열처리를 실시했을 때 이산화티탄 나노튜브는 비정질인 amorphous 상에서 결정질인 anatase 상으로 결정 구조가 변화하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 700℃까지는 이산화티탄 나노튜브의 분해가 일어났으며 800 ℃ 에서는 분해된 산화물 입자들의 소결현상이 관찰 되었다. 250 ℃의 낮은 열처리 온도에서 장시간(30시간)실시 했을 때 이산화티탄 나노튜브의 형상이 변화되지 않음을 관찰할 수 있었으며 그 결과 이산화티탄 나노튜브의 구조를 변화시키지 않으면서도 anatase 결정구조를 얻을 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 Ⅰ 장 서 론 1
• 제 Ⅱ 장 이 론 3
• 제 1 절 티타늄 3
• 1) 티타늄의 특성 3
• 2) 생체의료용 티타늄 6
• 제 2 절 티타늄 임플란트의 표면 개질 8
• 1) 양극산화 처리 9
• 2) 블라스팅 및 산 처리 10
• 3) 알칼리 침적 및 열처리 12
• 4) 하이드록시아파타이트 코팅 13
• 제 3 절 양극산화 공정 기술 15
• 1) 양극산화 개요 16
• 2) 마이크로 구조의 이산화티탄 제조 20
• 3) 나노 구조의 이산화티탄 제조 21
• (1) 이산화티탄 나노튜브 형성 메커니즘 25
• (2) 이산화티탄 나노튜브의 응용 29
• 제 Ⅲ 장 실험 방법 30
• 제 1 절 시편 준비 30
• 제 2 절 양극산화 실험 31
• 제 3 절 열처리 실험 33
• 제 4 절 분석 방법 35
• 제 Ⅳ 장 결과 및 고찰 36
• 제 1 절 양극산화법을 이용한 이산화티탄 나노튜브의 형성 36
• 1) 수용액에서 형성된 이산화티탄 나노튜브 36
• (1) 시간에 따른 이산화티탄 나노튜브 형성 36
• (2) 전압에 따른 이산화티탄 나노튜브 형성 39
• 2) 비수용액에서 형성된 이산화티탄 나노튜브 43
• (1) 시간에 따른 이산화티탄 나노튜브 형성 43
• (2) 전압에 따른 이산화티탄 나노튜브 형성 47
• 제 2 절 이산화티탄 나노튜브의 열처리 52
• 1) 열처리에 따른 이산화티탄 나노튜브의 결정구조 변화 53
• (1) 열처리 온도 효과 53
• (2) 열처리 시간 효과 55
• 2) 열처리에 따른 이산화티탄 나노튜브의 형상 변화 57
• (1) 열처리 온도 효과 57
• (2) 열처리 시간 효과 60
• 제 Ⅴ 장 결 론 63
• 참고문헌 65
• Abstract 71