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[공학]이온교환을 통한 반도체 양자점 합성

[이온교환을 통한 반도체 양자점 합성]1. 서론반도체 나노결정이 구의 형태를 띠는 0차원의 경우를 양자점이라 한다. 화학적인 방법을 통해 합성된 양자점은 개별 입자 하나하나의 크기와 성질을 조절할 수 있기 때문에 반도체 나노결정의 물리화학적인 특성을 연구하는데 매우 좋다.대부분 연구한 반도체 나노결정은 상대적으로 합성이 쉬운 Ⅱ-Ⅵ족 화합물이다. 대표적인 화합물로는 CdS와 ZnS로 이번 논문에서도 소개될 것이다.제올라이트는 반도체 결정이 성장하는 3차원의 슈퍼격자와 유사한 void channel system이라는 구조를 가지고 있기 때문에 여러 면에서 유용하게 사용되고 있다.제올라이트의 구조는 나노미세기공을 포함 하는 것으로 이것에 의해 양이온들이 쉽게 이온교환이 발생하는 것이다.이제 반도체 양자점 합성과 제올라이트의 대한 구체적인 설명과 함께 논문 두 편을 다룰 것이다.첫 번째 논문에서는 mordenite 제올라이트 내에서 Cd와 Zn의 이온교환에 의해 얻어진 ZnS와 ZnCdS 나노결정의 성장을 알아보고 두 성장의 특성과 차이점을 알아 볼 것이다.두 번째 논문에서는 천연 제올라이트 두 종류 mordenite, clinoptilolite에서 만들어진 ZnS와 CdS 결정의 생성과 특성에 대해서 알아볼 것이다.2. 본론2-1) 제올라이트와 반도체 양자점 합성1) 제올라이트의 구조 및 특성제올라이트는 장석류 광물의 일종으로서 1756년 스웨덴의 광물학자인 Cronsted에 의해 발견되어 “끓는(zeo) 돌(lite)”이라는 의미로 명명된 광석이다. 제올라이트는 내부에 있는 나노크기의 미세기공 속에 보통 물 분자들이 가득 채우고 있는데 이 광석을 가열하면 내포된 물분자가 증발하여 수증기를 발생한다. 이러한 사실에 기인하여 Cronsted는 제올라이트를 ‘끓는 돌’이라고 명명하게 된 것이다.순수한 의미에서 제올라이트는 3~20Å 정도 크기의 균일한 미세기공을 지니고 있는데 40여종의 천연 제올라이트와 80여종의 합성 제올라이트까지 합쳐 현재 약 130여종의 다양한특성을 나타낸다. 이는 다른 비정질의 이온교환 물질(각종 이온교환 수지)에서는 찾아보기 어려운 제올라이트의 독특한 이온교환 특성이다.제올라이트의 이온교환 특성을 응용한 것으로 현재 국내외에서 실용화되고 있는 주요 응용분야로는 토질 및 수질 개량제로의 이용, 각종 산업 및 도시폐수의 처리, 방사성 폐기물 처리, 합성세제의 세척보조제로의 이용 등을 들 수 있다.다음은 흡착 및 분자체 특성에 대한 것이다.정상의 조건에서는 제올라이트 구조상의 공동 내에는 양이온들 주위에 많은 양의 물이 존재하지만 350 ∼ 400o C로 몇 시간 가열하면 쉽게 탈수된다. 이 탈수된 제올라이트는 적합한 크기와 형태의 무기 및 유기분자들을 선택적으로 흡착함으로서 결과적으로 서로 다른 분자들을 각각 분리할 수 있는 뛰어난 분자체능(molecular sieving)의 특성을 갖게 된다. [그림 4] 선택적 흡착특성은 제올라이트의 공동의 크기와 형태에 따라 물론 다른 양상을 보인다. 또한 동일한 제올라이트의 공동 내의 양이온들의 성격에 따라 소위 유효구경(effective pore size)의 크기는 달라진다. 예컨데, 합성 제올라이트인 zeolite A의 경우, K로 치환시킨 것은 3Å 크기의 구경을 갖는데 비해서 Na과 Ca으로 치환시킨 것은 각각 4Å 및 5Å의 크기를 보인다. 제올라이트의 선택적 흡착 특성은 이 광물의 공동과 분자들의 형태와 크기뿐만 아니라 작용하는 분자의 극성 정도에 따라서도 지배된다. 즉 단독으로는 모두 흡착반응이 가능한 분자들이 서로 섞여서 반응할 때에는 제올라이트는 이들 중에서 보다 극성인 분자만을 선택적으로 흡착하는 특성을 갖는다. 따라서 통상의 조건에서는 강한 극성 물질인 물분자들이 항상 제올라이트내에 존재하게 된다. 여기에 또한 특정 분자에 대한 포화정도도 물론 제올라이트의 선택적 흡착성에 영향을 미치는 주요한 인자로서 경우에 따라 고려되어야 한다. 흡착능력은 역시 광종에 따라 다소 차이를 보이나 현재 건조중량의 최고 약 30%까지 흡착될 수 있는 합성제올금속화학증착법과 같은 기술을 이용하여 수 나노미터 수준의 양자우물을 기판위에 형성시키는 연구가 집중적으로 이루어져 왔다. 양자우물은 밴드갭이 서로 다른 두 개의 물질을 샌드위치 형태로 구성한 것으로 연구의 목적에 따라 다양한 배열이 가능하지만 주로 밴드갭이 작은 물질을 밴드갭이 더 큰 물질 사이에 끼운 형태를 만들게 된다. 가운데 적층되는 물질의 두께는 대략 수 나노미터의 수준으로 이 두깨가 여기된 전자와 정공이 형성하는 엑시톤(Exciton)의 보어반경보다 작게 되면 두께 방향으로 양자제한효과가 발생하여 밴드갭이 커지고 또한 양자우물 구조의 바깥쪽 부분에 있는 물질의 밴드갭이 더 크기 때문에 엑시톤은 가운데 반도체 층에 갇혀 높은 광자발광효율을 보이게 된다.양자점의 경우는 반도체 결정이 구의 형태를 띠는 0차원의 경우로 3차원의 전 방향에 걸쳐 양자제한 효과가 발생하는데 엑시톤이 양자점에 공간적으로 제한되어 전기적 광학적인 특성이 크게 변화한다.이러한 반도체 나노결정에 대한 연구는 특히 Ⅱ-Ⅳ족 반도체 화합물에서 집중적으로 연구되었다.화학적인 방법을 통해 합성된 양자점은 전자와 정공이 쌍을 이루는 엑시톤이 보다 작은 크기의 나노결정에 의해 공간적으로 제한되기 때문에 벌크의 반도체결정과는 달리 마치 하나의 개별적인 원자와 같이 불연속적인 밴드 구조를 갖기 때문에 인공원자로 불리기도 한다.[그림 6][그림 7] CdSe 양자점의합성과정화학적인 방법을 통해 합성된 양자점은 개별 입자 하나하나의 크기와 성질을 조절할 수 있기 때문에 반도체결정의 물리화학적인 특성을 연구하는데 매우 좋은 실험적인 모델로 이용될 수 있다. 또한 양자점은 산업적인 응용 면에서 무기물질 자체의 안정성뿐만 아니라 광자발광효율 및 전계발광효율이 높기 때문에 디스플레이의 발광소자 및 태양전지의 소재로 많은 연구가 진행되고 있다. 화학적인 방법을 통해 만들어지는 양자점은 표면에 리간드가 배위되어 있기 때문에 적절한 화학반응을 통해 원하는 유기작용기를 표면에 만들 수 있게 되고 이를 이용하여 나노-이종구조를 형성하는 두 물질의 밴드갭과는 전혀 다른 광자발광을 보이게 된다. 또한 전자와 정공이 공간적으로 분리되어 복사재결합 확률이 낮기 때문에 광전자 디바이스를 구성할 때 높은 효율을 기대할 수 있다.반도체 양자점의 응용에 있어 지금까지 가장 활발하게 연구되고 있는 분야는 전계발광소자(Light emitting diode)와 태양전지(hotovoltaic cell) 분야이다. 이 두 종류의 나노소자, 나노기술 분야와 함께 활발하게 연구되고 있는 전도성 고분자와 나노입자의 블렌딩을 통해서 만들어진다. 나노입자를 이용한 전계발광소자는 Alivisatos 교수 연구팀에 의해 파라페닐렌비닐렌(PPV)과 CdS 나노입자와의 블렌딩을 통해서 처음 만들어졌다. 이후 소자의 발광효율을 높이기 위한 연구가 꾸준히 이루어져, 현재까지 가장 효율이 높은 조사는 MIT의 Bawendi 그룹에 의해서 만들어졌다. 이 소자는 TPD 분자박막을 정공의 이동층으로 Alq 분자박막을 전자의 이동층으로 사용하여, CdSe/ZnS 나노 입자의 터널링에 의한 전하이동 역할을 줄여주고 발광효율을 극대화할 수 있도록 정교하게 설계하였다.나노입자의 태양전지로의 응용은 CdSe 나노입자의 형태조절이 성공함에 따라 가능하게 되었다. Alivisatos 교수 연구팀은 CdSe 나노막대를 P3HT(poly-3-hexylthiophene)과 블렌딩함으로써, 태양빛에 의해 여기된 전자가 CdSe 나노막대를 통해 흐르고, 이 때 남게 되는 정공은 P3HT로 옮겨져서 이동하는 방식으로 태양전지가 작동하는 것을 보여주었다.2-2) 논문 Review[논문1] Growth and characterization of ZnS and ZnCdS nanoclusters in mordenite host1) 실험목적mordenite 제올라이트 속에서의 ZnS와 ZnCdS의 나노결정의 성장은 Zn과 Cd의 이온교환을 후 H2S를 흘려보낸 다음 얻을 수 있다. 이 때 두 나노결정의 성장 공정에 대해 차이점으로 토론해 본다.2) 실 샘플들을 보면 흡수 가장자리에서 Cd의 농도가 감소하고 상대적으로 Zn의 농도가 증가할 때 blue shift가 일어남을 알 수 있다. 이것은 ZnCdS 결정을 포함한 샘플들의 광학 행동에서의 차이점이 Cd이온의 존재에 의존하고 있기 때문이다. 제올라이트 matrix 안에서 반도체 결정의 밴드갭 에너지를 추측하기 위해서, 광자에너지에 대하여 흡수 스펙트라의 도함수에 의해 얻을 수 있고 [Fig 6]에서 보여준다. 밴드갭 에너지는 도함수의 최고값을 고려하여 얻을 수 있고 각 밴드갭 에너지를 [Table 4]에 제시되었다. 벌크 CdS와 ZnS의 벤드갭 에너지는 상대적으로 2.4eV, 3.7eV 이다.밴드갭 에너지는 Zn의 농도가 증가할 때 피크가 비대칭이 되고, 한 밴드갭 에너지는 다른 성분의 결정에 관여한다.4) 결론Na-mordenite는 얇은 바늘 형태의 결정들의 묶음의 형태의 결정화된 제올라이트로서 나노결정의 합성과 특성에 대해 알 수 있었다. ZnS와 ZnCdS의 나노결정의 성장은 Cd/Zn의 농도비를 다르게 한 Cd, Zn 용매의 혼합물에서 NaMORD의 이온교환에 의해 수행될 수 있었다. 이온 교환된 후 H2S를 흘려보내므로 공정은 마무리되었다. 이것은 열수작용 방법과 달리, 결과는 matrix 안에서만 나노결정을 형성함을 얻을 수 있다.샘플들은 3원의 체계 ZnCdS에서 Cd 농도가 감소할 때 흡수 가장자리에서 blue shift가 일어남을 알 수 있었다.Cd 농도를 조절하면서 제올라이트 내에서 합성한 반도체 나노결정을 기초로 한 광촉매와 비선형 광학에 응용할 수 있다.[논문2] Formation of semiconductor clusters in zeolites1) 실험목적CdS와 ZnS 결정을 제올라이트 mordenite와 clinoptilolite의 미세기공 구조 안에서 합성을 하고 mordenite와 clinoptilolite에서의 합성한 반도체의 광학적 특성과 성질에 대해 알아본다.2) 실험Mordenites(Na8[(AlO2)8(SiO.

공학/기술| 2007.01.26| 11페이지| 3,000원| 조회(992)

반도체, 제올라이트, 양자점 합성, 반도체 합성

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[방막공학] 박막제조

1. 실험 목적화학 기상 증착 공정의 기본 원리를 이해하고 직접 실험을 통하여 박막을 만들어보고 그 특성을 분석하여 실제 연구에 응용할 수 있는 기본적인 능력을 배양하는 데에 본 실험의 목적이 있다.2. 실험 원리1) 기상 증착법기상 증착법에는 크게 두가지로 분류할 수 있다. 그 중 하나는 물리적인 변화에 의한 증착을 하는 PVD와 화학적 변화에 의한 증착을 하는 CVD이다.이 둘의 차이는 증착시키려는 물질이 기판으로 기체상태에서 고체상태로 변태될 때 어떤 과정을 거치느냐에 따른 것이다.1 PVD 원리증착시키려는 물질이 기판에 증착될 때 기체상태가 고체상태로 바뀌는 과정이 물리적인 변화에 의한 PVD는 크게 Sputtering과 Evaporation이 있다. Sputtering은 플라즈마를 형성한 다른 기체의 운동에너지를 이용해서 증착물질을 기화하는 방법인 반면, evaporation은 증착할 물질을 기화하는데 있어서 열에너지를 이용하는 방법이다.a Sputtering의 원리Sputtering은 진공 중에서 불활성 기체 (주로 Ar, Kr, Xe 등)의 글로 방전(Glow discharge)을 형성하여 양이온들이 음극 바이어스된 타겟(Target)에 충돌하도록 함으로써 운동량 전달에 의해 타겟의 원자가 방출되도록 하는 방법이다.타켓이 전도체일 경우에는 DC 바이어스를 사용할 수 있지만 부도체인 경우에는 공간전하(Space charge)가 축적되는 것을 막기 위해서 RF(13.56MHz)나 Pulsed DC 전원을 이용해서 바이어스를 인가해야 한다. 방출된 원자들은 진공조 안에서 자유롭게 운동하게 되며 기판에 입사되는 원자들은 증착층을 형성한다. 스퍼터링된 원자들은 운동량 전달에 의해 비교적 높은 운동에너지를 가지므로 기판 표면에서 증착층을 형성할 때 열역학적으로 안정한 위치로 표면확산이 일어나게 되며, 따라서 치밀한 조직을 갖는 피막을 형성한다.Sputtering 기술의 큰 약점 중 하나는 증착속도가 느려서 생산성이 떨어진다는 점이다. 스퍼터링 공정에서의 증착n은 금속재료를 증착시키기 위해 고진공(5x10-5 ~ 1x10-7torr)에서 전자빔이나 전기 필라멘트를 이용해 보트를 가열하여 보트위에 금속을 녹여 증류시키는 방법이다. 이때 증류된 금속은 차가운 웨이퍼 표면위로 응축되는 것이다.evaporation의 방법으로는 thermal evaporation과 e-beam evaporation, 그리고 이 둘을 조합하는 방법이 있다. Evaporation 방법은 오래된 film deposition 방법으로서 공정이 단순하고 증착 속도가 빠르며 장비의 가격이 저렴한 장점이 있는 반면 film quality가 나쁜 단점이 있다. Thin film HIC의 제작 공정에 있어서 evaporation 방법의 필요성은 빨리 두껍게 올려야 하는 AuSn, PbSn 등의 eutectic alloy의 증착 때문이다. 일반적으로 sputtering 방법은 증착 속도가 느리고 증착할 수 있는 두께의 한계가 있으며 alloy나 ceramic 등과 같이 여러 물질이 조합된 물질을 증착할 경우에 조성비를 조절하는데 어려움이 있다.{{그림 3. Evaporation 원리{{{{{{{{{{{Cu 증기{Cu 입자 증착{Cu Wafer그림 3에서는 Evaporation의 원리를 보여주는 그림으로 이 때 1000 이상의 고온의 상태가 유지되어야 한다. 그러나 이것으로 인해 쌓여있던 막이 녹을 위험이 있다는 단점이 있다.2 CVD 원리CVD는 기체상태의 화합물을 가열된 모재표면에서 반응 시켜고 생성물을 모재표면 에 증착시키는 방법이다. 화학증착은 현재 상업적으로 이용되는 박막제조기술로 가장 많이 활용되고 있으며 특히 IC등의 생산 공정에서는 매우 중요한 단위공정이다.그 이유는 화학증착이 높은 반응온도와 복잡한 반응경로 그리고 대부분의 사용기체가 매우 위험한 물질이라는 단점에도 불구하고 고유한 장점들을 가지고 있기 때문이다. 화학증착법의 장점으로는 첫째, 융점이 높아서 제조하기 어려운 재료를 융점보다 낮은 온도에서 용이하게 제조할 수 있고 둘째, 순도가 에너지에 의해 반응을 촉진시켜 박막형성을 행하는데, 이 과정에 서는 열을 필요로 하지 않으므로 저온화가 가능하다.- 광 CVD빛을 조사하여 광화학반응에 의해 박막형성을 하며, 플라즈마법과는 달리 반응과정 중에 고에너지의 하전 입자나 전계가 관여하지 않으므로 하지나 적층막에서의 손상을 고려하지 않아도 되며 양호한 막이 형성된다.- MO-CVD유기금속화합물의 열분해를 이용한 박막형성법으로 성장층의 조성, 특성의 정밀제어가 가능하다.- 레이저 CVD레이저 CVD법의 장점은 1선택적인 반응을 진행 2화학반응공정을 임의로 제어할 수 있다. 단점으로는 모든 파장을 커버할 수 없기 때문에 선택적으로 일부재료에서만 사용가능하다. 레이저 CVD법에 의한 H막의 특성은 플라즈마법과 동등한 수준이고 성막속도는 보통 램프광을 이용한 광 CVD법보다는 빠르지만 대면적화가 곤란하여 이것을 고려한 레이저광원이나 장치구성 개발이 필요하다.2) Plating도금 공정은 thin film deposition 공정만을 사용할 때, 필연적으로 가질 수 밖에 없는 두께의 한계를 극복하기 위해 적용된다. 도금의 종류에는 전해 도금과 무전해 도금이 있다.1 Electro plating (EL)도금법의 중심이 되는 방법이며, 입히는 것은 순금속뿐만 아니라 합금도 가능하다. 도금하고자 하는 금속을 음극으로 하고 전착시키고자 하는 금속을 양극으로 하여, 전착시키고자 하는 금속의 이온을 함유한 전해액 속에 넣고, 통전하여 전해함으로써 바라는 금속이온이 물건의 표면에 전해 석출하는 것을 이용한 것이다.2 Electroless plating (ELP)기판(substrate)에 전기를 줄 수 없는 epoxy나 기타 plastic류 같이 전기가 통하지 않는 곳에는 전기가 통하지 않아 이 위에 금속이 석출되어 도금이 될 수가 없습니다. 이러한 경우 가장 많이 무전해 도금을 통하여 이 위에 도금을 하게 됩니다.a 환원 도금 : 환원 반응에 의해 금속이 석출 되는 도금 방식이다.b 치환 도금 : 산화/환원력의 차이의 의. 상온에서 Si와 O2가 반응하는 것을 방지하기 위해 SiO2의 막을 형성한 기판을 사용한다.실험실에서 오랫동안 방치되기 때문에 편의상 SiO2 막을 형성시킨 것이다.{{{Si SiO2 (3000 )3) 실험 순서1 기판 세정a 준비된 SiO2 / Si 기판을 HF 희석용액에 20초간 담근 후, DI-Water로 Rinsing한다.b 불활성 기체(N2, Ar 등) 로 blowing하여 Drying한다.2 증착 공정 진행 순서a 시편을 준비하여 cleaning하여 drying 시킨다.b Sample을 반응기 안에 Loading하다.c 공정 온도, 압력 반응기체의 유량을 설정하고 공정변수에 따라 실험한다.i) H2 gas공정 온도 : 250압력 : 0.807 torr유량 : 100 sccm전력 : 150 Wii) 전구체를 15분간 주입한다.공정 온도 : 65압력 : 0.085 torr(전구체는 공기 중에서 반응하기 때문에 glove box를 이용하여 bubbler에 담는다.)d 공정이 끝나면 wafer를 unloading 하여 Four-point probe을 사용하여 막의 두께와 막의 저항을 측정한다.e 측정한 막 두께와 막 저항을 사용하여 비저항을 구한다.4) CVD 반응 공정도7page 참고4. 결과 및 고찰1) 결과 및 계산1 막의 두께 : 6752 막의 저항 : 967.5 m /square3 비 저 항{(967.5` TIMES ` { 1.0`m Omega } over { square } TIMES { 1.0` TIMES 10^{ 6 } mu Omega } over { 1.0 TIMES `10^{ 3 } m Omega } `) TIMES (675 TIMES 1.0 ANGSTROM TIMES { 1.0 TIMES `10^{ 2 } `cm } over { 1.0` TIMES `10^{ 10 } ANGSTROM } )#=`6.531` mu Omega cm/square2) 결론 고찰이번 실험에서는 기상 증착 공정의 기본 원리를 이해하고 CVD원리를 이용하여 박막을 공정온도는 65 로 유지시켜 주었다. 보통 전구체 선정이 어렵기 때문에 전구체 선정을 위한 많은 노력을 요구한다는 것을 알게 되었다. 그리고 사용되는 기판으로는 SiO2 / Si 기판을 사용하였는데 원래는 Si 기판을 사용하여나 하나 Si는 공기 중에서 O2와 반응을 하여 오랫동안 상온에 방치하게 두면 Si 기판에 SiO2의 막이 형성하게 된다.이런 반응을 방지하기 위해 Si 기판 위에 SiO2의 막을 형성 시킨 것이다. 실험실의 여건상 기판을 상온에 오랫동안 방치하기 때문에 이렇게 한 요인도 있다.준비된 기판을 세정하고 본격적으로 CVD 증착반응기의 증착 공정에 임하였다. 조교님의 설명을 들으며 반응기구들의 원리를 이해하게 되었다. Chember에서 plasma 상태가 되었을 때 분홍색이 띄는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 반응기 부분별로 heating tape가 붙어있는 것을 볼 수 있었는데 이러는 이유는 온도에 민감하여 온도를 유지해 주기 위해 저항체의 역할을 하는 heating tape을 붙이는 것이라고 했다.원래의 과정들을 모두 다 하기에는 너무나 오랜 시간이 걸리기 때문에 우리는 실험 원리에 대해서 자세히 알아보고 CVD 증착반응기에 반응기체의 유량을 설정하고 압력을 설정하는 등의 과정을 한 다음 과정들은 생략하였다. 그래서 이미 만들어진 기판을 가지고 막의 저항과 막의 두께를 측정하여 비저항을 구하였다. 이 기판을 보고 Cu가 얇게 입혔다는 것을 SiO2 / Si 기판 위에 파란색을 띈다는 것으로 확연하게 알 수 있었다. 그리고 CVD 증착반응기를 한 번 그려 봄으로서 눈으로만 봤던 것을 그려보게 되니 그 원리에 대해 각 반응기구에 대해 좀 더 자세히 알 수 있었던 것 같다.5. 참고 문헌광·전자 화학 공학 소재 실험 1 교재네이버 백과사전{http://blog.naver.com/tungsten1.do?Redirect=Log&logNo=120013396773{http://kin.naver.com/browse/db_detail.php?d1id=절기

공학/기술| 2005.06.04| 7페이지| 1,500원| 조회(1,155)

cvd, 박막제조, 기상 증착법, PVD원리, 광전자화공소재

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[광전자화공소재] 광섬유 [fiber optics]

1. 실험 목적단일모드 광화이버(single mode fiber : SMF)내의 광 신호 전송실험을 통해 광통신을 이해하고 그 원리를 심도 있게 고찰한다.2. 실험 원리1) 광섬유의 정의 및 구조1 정의 : 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유모양의 도파관으로 광학섬유라고도 한다. 광섬유를 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라고 하며, 그 사용이 늘어나고 있다. 광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 {투명도가 좋은 유리로 만들어진다.2 기본 구조 : 광섬유는 빛을 전송하는 내부의 코어와 코어에서 빛의 전반사가 이루어지도록 굴절률을 달리한 클래딩으로 구성된다. 빛의 전반사와 관련하여 클래딩의 굴절률은 코어의 굴절률에 비해 1%정도 낮으며 굴절률이 1.47인 코어와 1.46인 클래딩이 일반적으로 사용이 된다. 그림 1은 광섬유 내에서 빛의 진행방향을 도식화 한 것이다. 코어로 주입된 빛은 임계각보다 큰 각도로 클래딩 접속면으로 입사되면, 입사각과 같은 각도로 반사하여 전파하게 된다. 만약 입사각이 임계각보다 작은 경우 클래딩 접속면에서의 빛은 급속히 감쇠하게 된다. 또한 빛이 대기에서 광섬유로 입사되는 경우 굴절하게 되며, 빛의 전파는 코어와 클래딩의 굴절률에 의해 결정된다. 이를 공식화한 것이 Snell의 법칙이다. 즉, 굴절률이 서로 다른 두 매질 간의 경계면에서 굴절률이 높은 매질에서 굴절률이 낮은 매질로 빛이 임의의 각으로 입사할 때 어느 임계각에 도달하게 되면 굴절현상이 없어지고 완전히 반사하게 된다. 이를 전반사(total reflection)라고 한다.광섬유에서의 빛의 전파는 내부반사에 의해 결정된다. 하지만, 이러한 분석은 자오 광선에 한정된다. 즉, 나선광선은 나선형태로 진행하게 되어 광섬유 축에 따른 빛의 전파가 이루어지지 않는다. 광통신 계에서 나선광선의 영향은 거의 무시되므로 자오 광선에 한하여 광통신 계를 분석하면 된다.섬유에서의 빛의 전파특성은 광섬유의 크기, 광섬유의 구성매질, 광섬유로 주입되는 빛의 특성에 의해 일 정리하면 과 같다.{가) 석영계 광섬유석영계 광섬유는 투명성이 극히 우수하여 전송 손실이 적고, 기계적 강도 또한 뛰어나 통신용 전송로로서 요구되는 기본적인 특성을 갖추고 있다. 석영계 광섬유는 크게 광이 통과하는 경로가 하나이며 코어의 직경이 가는 단일 모드 광섬유와 광이 통과하는 경로가 복수이며 코어의 직경이 큰 다중 모드 광섬유로 대별된다.i) 멀티 모드 광섬유전술한 바와 같이 멀티 모드 광섬유는 광의 전파 모드와 굴절률 분포에 따라 SI형 멀티 모드 광섬유와 GI형 멀티 모드 광섬유로 구분된다.SI형 멀티 모드 광섬유에서는 빛이 코어와 클래딩의 경계에서처럼 굴절률이 다른 경계면에 도달하면 일부는 투과되고 나머지는 반사된다. 그러나 굴절률이 높은 코어 부분으로부터의 빛의 진로가 경계면과 이루는 각도가 어떤 임계각보다 작아지면 빛은 클래딩 부분으로 투과되지 않고 모두 반사된다. 이런 현상을 전반사라고 한다. 이 원리에 의해 광섬유 코어 부분에 일정한 각도 이내의 빛이 입사되면 코어 안에서 전반사를 계속하면서 진행된다.광섬유가 급격하게 구부러지면 광 경로가 경계와 이루는 각도가 임계각 이상으로 커질 수 있으므로 빛이 클래딩 쪽으로 새어나가 손실이 증가하게 된다. 이런 SI형 멀티 모드 광섬유에서는 직진하는 광선과 큰 각도로 전반사하는 광선이 도파되는 경로 차이가 크므로 이에 비례해 출력단에 도착되는 시간 차가 생겨 수십 MHz/km 이상의 정보 전송이 어렵다. 이런 현상을 모드 분산(mode dispersion)이라 한다. 이런 시간 차를 줄일 수 있도록 설계된 것이 GI형 멀티 모드 광섬유이다. 이 광섬유는 코어 중심의 굴절률이 가장 크고, 클래딩쪽으로 갈수록 굴절률이 조금씩 줄어들어 언덕 모양의 굴절률 분포를 이룬다. 이렇게 되면 먼 경로로 구부러지는 빛의 속도는 굴절률의 감소에 의해 증가하므로, 직진하는 빛과 거의 같은 시간에 출력단에 도착하게 된다. 이 경우, 전술한 SI형 광섬유보다 100배 이상의 속도로 정보를 전송할 수 있게 된다.ii) 단일 나의 광섬유 내에 파장이 다른 다수의 광신호를 전송함으로써 용량을 증대시킬 수 있다.WDM은 1가닥의 광섬유에 파장이 다른 다수의 광신호를 동시에 전송할 수 있게 하는 기술로, 이 기술을 적용하면 광통신 회선의 용량을 대폭 확장할 수 있다. 이 WDM 방식에는 다수의 파장을 일괄적으로 증폭할 수 있는 광섬유 증폭기(EDFA)가 사용되는데, EDF는 그 핵심 소자이다.EDF는 석영계 광섬유의 코어에 희토류 원소인 에르븀(erbium)을 첨가하여 만든 특수 광섬유이다. 이 EDF를 사용하면 첨가된 에르븀의 작용으로 광신호를 간단하게 증폭할 수 있다. 1989년에 개발된 이래 광섬유 증폭기(EDFA)의 개발을 유발하였으며, 최근 광통신의 주류를 형성하고 있는 WDM 기술의 실용화에 초석이 되었다.{ii) DCFDCF(Dispersion Compensation Fiber)는 커다란 음(-)의 파장 분산을 갖도록 설계된 광섬유이다. 현재 세계에 부설되어 있는 광섬유의 대다수는 파장이 1.3㎛인 광섬유인데, 이러한 1.3㎛ 단일 모드 광섬유 전송로에 양(+)의 분산을 가지는 1.55㎛ 파장이 사용되는 경우 문제 발생의 원인이 된다. DCF는 바로 이 양의 분산을 음의 분산으로 보상해 주는 기능을 한다. 1.3㎛용 광섬유에 DCF와 1.55㎛용 광증폭기를 조합함으로써 1.55㎛ 대역에서 구동하는 대용량 장거리 통신용으로 업그레이드 할 수 있다.{iii) NZ-DSF광섬유에는 코어의 재료나 구조, 광의 파장에 따라 파형 열화의 원인이 되는 분산이 발생한다. 분산이란 전송 도중에 광의 펄스가 붕괴되는 현상을 말하는데, 광섬유의 분산은 초고속 장거리 광통신의 가장 큰 제한 요인의 하나가 되고 있다.기존 장거리망에 사용되는 광섬유는 대개 파장 1,310㎚에서 영분산을 갖는 SMF(Single Mode Fiber)인데, SMF에 파장 1,550㎚인 레이저를 통과시키면 17㎰/㎚㎞의 분산이 발생하여 전송거리를 제한하므로 이를 보상할 필요가 있다. 이러한 이유로 분산 보상을 하기 위 불균등하게 하고 C밴드 이외의 파장 영역을 사용해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 영분산 대역을 1,550nm 대역의 전후로 이동시킨 것이 비영분산 천이 광섬유(NZ-DSF : Non Zero DSF)이다.NZ-DSF는 실제 이용되는 광증폭기의 증폭영역이 1,530 1,565㎚이므로 광섬유의 영분산 파장이 이 영역 밖으로 벗어나도록 설계됐다. NZ-DSF는 국제전기통신연합(ITU)에서 심의한 G.655로 규격화되어 있다. 이 광섬유는 DSF의 세그먼트 코어나 듀얼형 구조를 약간 수정한 것으로 분산 값은 1,530 1,565㎚ 영역에서 1 6㎰/㎚㎞ 정도를 갖는다. 영분산 파장이 단파장쪽으로 있는 NZ-DSF는 양분산을 갖게 되고 장파장쪽으로 있는 광섬유는 음분산을 갖는다.3) 광섬유의 장단점어떤 전송기술을 통신망에 적용할 것인가를 결정하게 되는 주요 요인으로 전송용량, 경제성, 신뢰성 그리고 성장 가능성이다. 광 전송시스템은 기존의 동축케이블 전송시스템 혹은 무선 전송시스템에 비해 전송용량, 신뢰성 및 보안성이 매우 높으며, 무 중계거리가 매우 길고 크기와 무게 및 시스템 가격이 월등히 낮아 무한한 성장 가능성을 지니고 있다.가) 장점i) 저손실(low loss)광섬유는 다음과 같이 동선을 이용한 평형대 케이블, 동축케이블에 비해 저손실이다. 그리고 동선로에서 가장 손실이 적은 표준 동축케이블이 2.5(㎒)신호 전송 시 3.5(㏈/㎞) 수준인데 비해 광섬유는 1(㎓) 신호 전송시 0.4 1.0(㏈/㎞) 수준으로 손실이 아주 작다. 창문의 유리는 수(㎝)의 두께를 통과하면, 반 정도의 에너지가 소멸한다. 천체망원경 등에 사용되는 광학용 렌즈도 수(m)의 두께를 통과하면 에너지는 반으로 감소함에 비해 광섬유(파장 1.55(㎛))는 15(㎞) 전파하여 처음의 에너지가 반으로 되는 정도의 저손실이다. 이것은 광섬유 전송로의 가장 획기적인 장점으로서 세계적으로 개발의 초점이 되고 있다. 현재 광손실의 최저치는 파장 1.55(㎛)에서 0.2(㏈/㎞)이다. 특히,, 단일모드 광섬유(SMF, single mode fiber)에서는 수 십(㎓/㎞)로 극히 광대역이 된다.FT-3C(90(Mb/s), GI형 장파장) 광단국장치의 경우 한 쌍(2가닥)의 광섬유로 1,344 채널의 동시 통화가 가능하고, 2.5(Gb/s) 동기식 광전송시스템의 경우 32,256채널의 통화가 가능하다.최근 실용화되고 있는 광섬유의 전송용량은 수(Gb/s)에 이르고 있으며, 수십 내지 수백(Gb/s) 전송용량의 광섬유의 실용화도 곧 이루어질 것으로 보인다. 전송용량의 증대는 결국 기존의 음성 및 데이터 전송 외에 HDTV와 같은 광대역을 필요로 하는 서비스의 전송도 가능하게 하여 B-ISDN 시대의 도래를 가져올 것이다.iii) 세경(small diameter)광섬유케이블은 동축케이블 등에 매우 비해 가늘어(예를 들면, 18심의 동축케이블에 비해 단면적이 1/30) 종래의 동선 케이블과 같은 외경의 케이블에서 보다 많은 수의 심선을 수용할 수 있다. 광섬유는 머리카락 정도(남자 성인의 머리카락은 보통 75 100(㎛))보다 조금 굵은 125(㎛)가 표준으로 많이 사용된다. 케이블화 하여도 극히 세경화가 가능하다.iv) 경량(light weight)광섬유의 주요 원료인 유리는 구리의 1 / 4 정도 무게이고, 동축케이블 등에 비해 경량(예를 들면, 18심의 동축케이블에 비해 중량이 약 1/120이다)이므로 동선 케이블과 같은 외경의 케이블보다 가벼워 포설에도 매우 유리하다. 약 1(㎞)의 광섬유는 지름 13(㎜), 길이 130(㎜), 대략적인 무게 40(g)이면 광섬유 1(㎞)의 제조가 가능하다. 광섬유는 가소성(flexibility)이 좋아 시설공사도 용이하고 공사비용도 절감된다.v) 무유도(non-inductive)석영 등의 유리는 전기를 통하지 않으므로 외부영향(고전압선, TV, 라디오의 전파 등)에 의한 전자유도가 없고 적용분야(철도, 전력 등)에 있어서 매우 큰 장점이 있다. 케이블 제조시 비금속형으로 제조가능하고 고압 전력 케이블에 근접 병.

공학/기술| 2005.05.13| 8페이지| 2,000원| 조회(1,155)

광섬유, Fiber, fiber optics

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[광전자화학소재] 유기LED 제조

1. 실험 목적본 실험에서는 유기 LED의 발광 원리를 이해하고, 소자의 제작 및 전기적, 광학적 특성을 평가함으로써 디스플레이 소자에 대한 이해를 넓히고자 한다.2. 실험 원리1) EL (Electroluminescence)1 EL의 정의물질을 빛이나 전자 빔 등으로 여기 시킬 때 빛을 방출하는 현상을 발광이라 하는데 수명이 짧은 것을 형광, 긴 것을 인광이라 한다. 발광 할 때 결정 속에 전위차가 있을 때 일어나는 현상을 전계 발광(EL) 이라고 한다.2 EL의 유래전계발광(Electroluminescence: EL) 현상은 1936년 Destriau에 의하여 발견된 이 후 조명 및 후면광원 등의 특정분야에 활발하게 적용되어 왔으나,휘도와 수명에서의 문제점을 안고 있어 사용분야가 극히 제한되었다. 1974년 일본의 Sharp사가 이 중절 연층구조의 ZnS:Mn 박막 EL 소자개발을 발표하면서 디스플레이로서의 적용 가능성이 제시되었다.EL을 이용하는 소자는 현재 평판디스플레이로 각광을 받고 있는 LCD와 같은 수광 형태의 소자에 비해 응답속도가 빠르고, 자체 발광형태이므로 휘도가 우수하며, 구조가 간단하여 생산시 제조가 용이하고, 경량박형의 장점을 갖고 있어 차세대 평판디스플레이로 유망시 되고 있다.3 EL의 분류EL은 크게 발광층으로 사용하는 물질의 종류에 따라 분류된다.a 무기 EL무기 EL의 경우는 높은 전기장에 의하여 가속된 전자의 충돌에 의하여 발광하게 되고, 박막의 두께와 구동방식에 의하여 세분되어 교류박막 EL, 교류후막 EL, 직류후막 EL 등으로 분류되어진다.b 유기 EL유기 EL의 경우는 전류의 흐름에의 한 발광을 하게 되고 발광층의 유기물질에 따라 저분자유기 EL과 고분자유기 EL로 분류된다.다음은 유기 EL의 특징들이다.1. 자체 발광형 : LCD와 커다란 차이점은 자체 발광형 이라는 것임. 자체 발광형 이라는 것은 소자자체가 스스로 빛을 내는 것으로 어두운 곳이나 외부의 빛이 들어 올 때도 시인성(視認性)이 좋다.2. 넓은 시야각 : 요없음필요필요없음필요없음필요없음소비전력OXXX두께OOOX무게OOOX저가격화OXXX표 1. 유기 EL과 다른 display와 비교4 EL의 메카니즘광발광(Photoluminescence : PL)이란 전자가 외부에서 빛을 받게 되면 HOMO에서LUMO로 여기되어 일중항 여기자를 형성한다. 이렇게 해서 형성된 일중항 여기자는 바닥 상태로 떨어지면서 그 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출하게 되며 이러한 현상을 PL이라 한다.전계발광(Electroluminescence : EL)은 먼저, 일함수가 높은 전극을 양극으로 하고 일함수가 낮은 전극을 음극으로 하여 순방향 바이어스를 소자에 인가함으로써 정공과 전자를 발광층에 주입한다. 전극에서 고분자로 전자와 정공이 주입될 때 무기물 반도체에서와 마찬가지로 전자는 음극에서 LUMO로, 정공은 양극에서 HOMO로 주입된다.유기물 분자 내에 전자가 주입되면 전자는 - 결합을 따라서 비편재화(delocalization )되어 - 전자를 형성한다. 이러한 비편재화는 전자가 보다 용이하게 움직일 수 있도록 도와준다. 유기물 분자는 무기물 반도체처럼 격자가 단단하지 못하므로 전극으로부터 주입된 전자와 정공은 격자의 진동에 따라 에너지 적으로 완화(전자- 격자 커플링 : electron - latticecoupling )되면서 각각 음성폴라론(negative polaron )과 양성폴라론(positive polaron )이라는 새로운 형태의 캐리어로 바뀌게 되고 각각 안정화된 위치에서 해당 에너지를 갖게 된다.이들 캐리어들은 유기물 분자에 인가된 전계 하에서 유기물 분자 사슬 내(혹은 사슬간)의 호핑을 통해 반대편 전극을 향해 진행하다가 발광체내의 어느 한 부분에서 만나 재결합 하여 PL에서와 같이 일중항 폴라론 여기자(singlet polaron excition)를 형성하게 된다. 이 일중항 여기자가 발광소멸을 할 때 폴라론의 에너지갭에 해당하는 빛을 발생하며 이것이 EL이고 발광된 빛은 흡수띠에 대해 스토크스 이동(Stokes ' 와 삼중항 여기자(Triple satate excition)가 생성되며, 이들 여기된 전자가 바닥상태(Ground satate)로 떨어지면서 빛에너지를 방출 하므로써 각각 형광과 인광으로 발광하게 된다. 이것을 전계발광(Electroluminescence:EL)이라고 한다.{그림 유기 LED의 발광 원리3 유기 LED의 구조유기LED의 구조는 투명전극인 양극(ITO)과 일함수가 낮은 금속 (Ca, Li, Al, Mg 등)을 사용한 음극 사이에 두께 100∼200nm 정도의 단층 또는 다층형 유기 박막층을 이루고 있다. 다층 유기박막 구조로 제작하는 이유는 정공과 전자의 이동도에 차이에 따른 케리어밀도를 발광층에서 최대화하고 층간전위장벽의 해소를 위하여 정공수송층 (HTL: Hole Transporting Layer)과 전자수송층 (ETL: Eletron Transporting Layer)등을 도입함으로써 저 전류 상태에서 최대발광효율을 얻기 위함이다. 그림 2는 전형적인 유기 발광 소자의 구조이다.{그림 유기 LED의 구조4 유기 LED의 발광 메카니즘유기 전기발광 Mechanism을 Band based model을 들어 발광 메카니즘을 그림 3에 나타낸다. 양극과 음극 쪽에서 각각 홀과 전자가 유기물과의 에너지 장벽을 뛰어넘어 홀-전자쌍(hole-electron pair)을 이루어 재결합함으로서 발광한다. 이때 전자(electron)는 일함수(work function)가 낮아야 쉽게 에너지 장벽을 뛰어 넘을 수 있게 고효율의 발광 소자를 구성하려면 두 전극 중 적은 Carrier가 방출되는 쪽의 에너지 장벽을 최소화하도록 구성해야하고, 최저의 구동전압을 얻으려면, 두 전극 중 많은 Carrier들이 나오는 쪽의 에너지 장벽을 낮춰야 한다.{그림 유기 LED의 발광 메카니즘5 유기 LED의 미래인간은 빛의 파장이 400~700nm(나노미터 : 10억분의 1미터)사이의 가시광선 범위에 있을 때 빛의 색을 볼 수 있다. 적색 같은 경우는 700nm대, 녹색은 56 질화갈륨(GaN)을 이용한 450nm 이하의 짧은 파장을 가진 고휘도 청색 LED 개발에 성공하게 되었다.청색 LED가 개발되기 전까지는 LED를 통해 총천연색을 구현하지 못했다. 총천연색을 만들기 위해서는 적색, 녹색, 청색의 세 가지 빛이 있어야 가능하기 때문이다. 그래서 청색 LED가 나오기 이전의 전광판들을 보면 사람이 노랗거나 빨갛게 나오는 것을 볼 수 있는데 이것은 적색 LED와 녹색 LED로만 제작했기 때문이다.그러나 청색 LED가 개발된 이후로는 모든 색깔의 빛을 만들어 낼 수 있는 RGB(Red/Green/Blue :TV나 모니터에 사용) 방식을 통해 완벽한 컬러 전광판을 볼 수 있게 되었다. 뿐만 아니라 짧고 안정적인 파장을 요구하는 광 메모리 장치나 가전 제품 등 여러 LED 응용 사업분야에서 청색 LED의 수요는 폭발적으로 증가하고 있다.LED의 개발은 적색, 녹색, 청색을 이용한 총천연색 전광판이나 기존 신호등에 비해 선명하고 반사도 적은 LED 신호등과 같은 새로운 용도의 개발을 가져왔다.특히 기존 전등 기구인 백열 전구의 경우 전기에너지의 90%를, 형광등은 70%를 열에너지로 낭비해 전력 소모가 심했지만, 발광다이오드의 경우 전기 에너지의 거의 100%를 빛 에너지로 변환이 가능하기 때문에 기존 전구를 대체할 새로운 발광체로 떠오르고 있다.3. 실험 방법1) 유기 LED의 전 처리 공정1 ITO기판 에칭유리기판 위에 코팅되어있는 ITO(30 /m2)를 3 3mm의 폭을 남기고 왕수 (염산:질산=3:1)에 담궈 약10여분 정도 에칭한다.2 ITO기판 세척다음과 같은 Cleaning 과정을 통하여 ITO를 세척한다.a 중성 세제용액에 넣고 약 10분간 초음파 세척한다.b 아세톤에 넣은 후 약 10분간 세척한다.c Trichloethylene에 넣고 약 10분간 초음파 세척한다.d 흐르는 증류수에 세척한 후 아세톤에 넣은 후 약 10분간 초음파 세척한다.e 증류수에 넣고 약 10분간 세척한다.f Iso-propyl alcohol에 넣고자 시료일 경우: 저항 가열식 진공증착기를 통하여 박막을 형성한다.b 고분자 시료일 경우: 스핀코팅 방식으로 박막을 형성한다.다음에 실험하게 될 포트리스 공정과 유사한 부분이 있어 이 과정을 생략하였다.아래에 보이는 표 2은 유기물 재료와 구동 방식에 대해 비교한 것이다.{구분장점단점원천기술보유업체저분자조기양산 가능대화면 곤란Kodak고분자고색상 가능재료의 신뢰성 미흡CDT수동형저가격,단순 제조공정고 소비전력Pioneer능동형대화면 용이,저 소비전력고가격Sanyo{{{표 2. 유기 EL의 재료와 구동 방식의 비교2 금속 전극재료음극으로 사용되는 Al을 진공증착을 통하여 형성한다.a 시료를 진공증착을 하기 전에 진공증착기의 진공 설정을 위해 한시간 가량 소모되었다.b 정공수송층 TPD를 40nm 진공증착 하였다.c 발광층 Alq3를 60nm 진공증착 하였다.d 전자수송층 Lif를 0.5nm 진공증착 하였다.e 금속 Al를 100nm 진공증착 하였다.3) 유기LED의 특성평가1 I-V-L(Current-Voltage-Luminance) 측정Kethley 2400 source meter와 Newport-1830C optical power meter을 사용하여 전압 변화에 따른 유기 LED소자의 전기적 특성을 평가한다.Step voltage를 0.4V로 잡고 유기 LED소자의 발광을 지켜보았다. 전압이 올라갈수록 전류값이 증가하고 18.8V가 되었을 때 발광하여 2~3초 후에 타버렸다.2 EL spectrum과 색좌표(CIE coordinates)를 측정한다.Spectroradiometer(Minolta CS-1000, LS-100)의 장치를 통하여 EL spectrum과 색좌표를 측정한다.이 과정은 하지 못했다.4. 실험 장치유기LED에 소자 제작 및 특성평가에 사용되는 장비들을 보여준다.{그림4. 유기LED 제조 및 특성평가 장치5. 결과 및 고찰1) 유기LED의 특성평가1 I-V-L(Current-Voltage-Luminance) 측정Kethley 2400 so었다.

공학/기술| 2005.05.13| 9페이지| 2,000원| 조회(1,452)

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공업용수의 경도 측정 평가A좋아요

1. 실험목적 : 공업용수로 사용되는데 적합한 수질을 평가할 때 가장 중요시되는 물의 경도를 측정해 봄으로써 수질의 중요성에 대한 이해와 수질검사에 대한 개념이 형성되도록 한다.2. 실험이론1) 공업용수① 정의 : 공업의 생산과정에서 사용하는 물로서, 공업용수는 업종이나 용도에 따라 요구되는 수량이나 수질이 다르지만, 일반적으로 양이 많아야 하고 양질 ·저온 ·저렴해야 한다. 제품생산에 대량의 공업용수가 필요할 경우 용수단가(用水單價)가 제품원가에 직접 관계되므로 용수의 확보는 공장의 입지조건에서 중요한 비중을 차지하게 된다.② 종류 : 황무지수, 강물, 호수, 연못물과 같은 지상수와 샘물, 우물물과 같은 지하수 등③ 공업용수에 들어있는 불순물- Ca, Mg의 염류 : ? Ca, Mg의 염류는 경수의 주성분으로 정련제로서 비누를 사용하는 경우에 금속비누로 되어 비누 자체의손실? 이들이 섬유에 부착되므로 정련반이나, 다음에 오는 공정의 처리반을 만들어,제품의 광택과 촉감을 저하? 염료나 약제를 침전시키거나 그 효력을 저하※ 이들 염류의 존재가 염색에 있어서 매염제를 고착시키는 성이 있으므로 매염염료로 염색하는 경우 필요하다.- Fe : ? 제 1철은 거의 무색이지만 가열하거나 오랫동안 방치함에 따라서 제 2철로 되어 갈변한다.? 정련표백에 있어서 당홤갈색을 나타내고, 수산처리를 필요하게 한다.? 과산화수소로 표백하??? 경우 철이 존재하면 분해를 촉진시켜 섬유를 상하게 한다.- 녹애, 조류 등의 고형물 : ? 지하수인 경우는 별로 문제가 되지 않지만, 지상천연수인 때는 상당히 많으며, 표백이나 무지염색에서 때때로 실패 초래.- 유기물 : 그 양이 적은 때는 별지장이 없으나 다량 함유하는 때는 최종제품에 취기를 주게 된다.- 산 및 알칼리 : 지하수인 경우 그 어느 것이 존재하는 수가 있으며 염색이 단순한 때에는 문제가 되지 않았으나 오늘날과 같이 섬유나 염료이 종류가 증가되고 모든 침윤처리공정이 세밀히 연구됨에 따라서 pH도 엄격히 조절해 주지 않으면 처리목적을 이론의 발달, 기술의 향상, 능률의 증진 등으로 보아 전반적으로 수질의 개선을 꾀하는 것은 급선무의 일이다.② 섬유제품의 침윤처리에 쓰이는 물에 있어서 문제되는 3조건? 수량 : 처리종류에 따라서 단위당 사용량이 다른 것은 물론이지만, 염료?약제 등을 물을 매개로 하여 섬유에 작용시키는데 쓰이는 양은 비교적 적고, 이들 작용의뒤에 주는 수세에는 다량이 필요? 수질 : 섬유제품의 침윤처리에 관한, 경도가 가장 중요하지만, 유기물, 고형물, pH, 탁도 등에 대해서도 주의해야한다.수질은 또한 섬유제품의 침윤처리공정의 열원인 기관의 수명 관석의 부착에 의한 효율의 저하에도 관계된다.? 수온 : 비교적 경시되어 왔으나 기술의 복잡화에 따라서 그의 주의가 인식도게 되었다.⇒ 위 3조건 중 수량, 수질은 침윤처리업의 경영에 큰 영향을 주는 것으로 제품의 양부 뿐만 아니라, 생산원가에도 중대한 관계를 갖는다.3) 경수① 정의 : 칼슘이온이나 마그네슘이온을 비교적 많이 함유하고 있는 물② 단물 : 칼슘이온이나 마그네슘이온을 비교적 적게 함유하고 있는 물로, 연수(軟水)라고도 하며, 센물에 대응하는 말이다. 공업에서는 경도(硬度) 10 이하의 물을 말하며, 증류수는 경도 0인 단물이다. 그 밖에 빗물이나 수도물이 단물의 예가 된다. 경도란 물 100cm3 속에 산화칼슘1mℓ를 함유할 때를 경도 1이라고 한다. 또 마그네슘은 산화칼슘으로 환산한다(1.4 MgO=1CaO)③ 일시적 경수 : 경화염류가 중탄산염인 때는 끓이면 분해?침전되어 단물과 같이 된다.ex) Ca(HCO3)2 →CaCO3 + H2O + CO2※ 경화염류 : 센물의 원인을 만드는 금속염④ 영구적 경수 : ? 황산염 또는 염화물을 함유하는 센물과 같이 끓여도 단물로 되지 않은 물.? Cl-과 (SO4)2+ 같은 이온을 포함하고 잇는 영구적 경수를 단물로 만들어 주기 위해서는 끓여주는 것만으로는 안되고, 이온교환수지를 사용해야 한다.※ 이온교환수지 : 영구적 경수를 양이온만 교환될 수 있는 양이온교환수지에 통과시 : ? 경화염류의 함유량을 나타내는 물의 세기? 경도는 물의 세기를 나타내는 것으로 물에 용해되어 있는 2가 양이온금속의 함량을 이에 대응하는 탄산칼슘으로 환산한 값이다.② 경도 표시? 잉글랜드식 : 물 7만부 중에 1부의 탄산칼슘? 프랑스식 : 물 10만부 중에 1부의 탄산칼슘? 도이칠란드식 : 물 10만부 주에 1부의 산화칼슘이 들어있는 경우와 같은 불용성의 비누로 만드는 힘을 경도의 단위 1도로 한 것? 1° 잉글랜드식 경도 = 0.83도 아메리카식 경도= 0.5도 도이칠란드식 경도= 1.43도 프랑스식 경도⇒ 경도는 또한 Ca++., Mg++ 이온의 양을 이에 대응하는 탄산칼퓸의 ppm으로 확산해서 표시.도이칠란드시 경도 = CaCO3 ppm * 0.056③ 경도 종류? 일시경도 : ? 경화 염류 중 중탄산염으로 말미암은 경도? 칼슘, 마그네슘, 철 이온이 중탄산염으로서 용해되어 있는 상태로 이것을 끓이면 중탄산염이 탄산염으로 된다. 탄산염은 물에 녹지 않기 때문에 침전하며, 물은 연수가 된다. 이때 제거되는 경도를 일시경도라 한다.? 영구경도 : ? 황산염이나 영화물 때문에 갖게 되는 경도? 황산이온과 염산이온이 공존하는 경우에는 끓여도 칼슘, 마그네슘, 철 등이 탄산염으로 침전되지 않는다. 이때의 경도를 영구경도라고 한다.? 전경도 : 두 가지를 합친 경도④ 전경도 구하기? 전경도(ppm CaCO3)= (E.D.T.A의 ml x CaCO3 대용량 x 1000)/시료의 ml전경도(ppm CaCO3) x 0.02 = me/l 전경도? 일시경도(ppm CaCO3) = 전경도(ppm CaCO3) - 영구경도(ppm CaCO3)5) 시약 조사① E.D.T.A 용액 : ? 무색의 결정성 분말? 화학식 C10H16N2O8? 에틸렌디아민테트라아세트산이라고도 한다. 무색의 결정성(結晶性) 분말로, 녹는점240 ℃(분해)이다. 물에 대한 용해도는 22℃에서 100 mℓ의 물에 0.2 g 녹는다. 에탄올·에테르 등에는 녹지 않는다. 거의 모든 금속이온과 안정한 수용성 침전방지제 등 그 용도가 매우 넓다.② 경도완충용액 : 67.5g의 NH4Cl을 570mL의 conc. NH3OH에 녹이고 증류수를 가하여 1L로 한다.※ 완충용액 : 외부로부터 어느 정도의 산 또는 염기를 가해도 그것들의 영향을 받지 않고, 수소이온농도를 일정하게 유지하려고 하는 용액③ 경도지시약 : 0.5g의 염료; Eriochrome Black T를 100mL의 80%에틸알코올에 녹여 만들며 필요하면 걸러준다.※ Eriochrome Black T : 킬레이트적정에서 반응종점을 결정하는 데 쓰이는 검붉은색의 금속 광택을 가진 금속지시약.④ 인히비터 : 5.0g의 황화나트륨결정을 100mL의 증류수에 녹여 만들며, 탄탄하게 고무막으로 막아두어야 한다.⑤ 물 샘플 : 일시 및 영구경수는 0.40g의 탄산칼슘을 0.1N 염산 80mL에 녹인 다음 0.34g의 탄산수소나트륨을 첨가하고 증류수를 가하여 2.5L로 만들고 잘 섞는다.3. 실험방법① 시료제조표준칼슘용액, 경도완충용액, 경도지시약, 인히비터, E.D.T.A.용액 미리 제조되어있음.↓표준 E.D.T.A. 용액 제조물샘픔 제조1) 2)25mL의 표준칼슘용액을 250mL 삼각 플라스크에 넣은 후, 75mL의 증류수, 2.0mL의 경도완충용액, 4방울의 경도지시약을 가하고 잘 혼합 → 적색0.08g의 탄산칼슘을 묽은 염산(0.1N) 16mL에 녹임 → 염산은 녹을때까지 추가시켜준다.↓ ↓↓제조된 E.D.T.A. 영액으로 붉은 빛깔이 없어질 때까지 적정 → 적가한 EDTA용액 (A ml)↓0.07g의 탄산수소나트륨을 첨가하고 증류슈를 가하여 500mL로 만들고 잘 섞는다.↓이 적정으로부터 CaCO3 대응량이 1인 1L의 표준용액을 만들기 위하여 희석에 필요한 증류수의 양 (X=1000-40A)표준 E.D.T.A. 용액 제조 : 100mL volumetric flask에 뷰렛으로 필요한 증류수(X x0.1)에 제조된 E.D.T.A.용액을 채워주고 충분히 혼합시켜 준다.↓② 전경도 ③ 일시경도와 영구경도100mL의식히고 100ml의 메스실린더에 여과지를 사용하여 여과.표준 E.D.T.A 용액으로 적정↓ ↓여과지를 세척하지 않고 여과액에 증류수를 가하여 약 100mL로 맞춤.NO붉은색이 사라졌는가?위 용액을 250mL 삼각플라스크로 옮긴 후, 2.0mL의 경도완충용액, 2.0mL의 인히비터용액, 4방울의 경도지시약을 가입.Yes ↓ ↓전경도 계산? 전경도, (ppm CaCO3) =표준 E.D.T.A.의 mL x CaCO3 대응량 A x 1000시료의 mL? 전경도(ppm CaCO3) x 0.02 = me/L 전경도↑표준 E.D.T.A 용액으로↓적정 NO붉은색이 사라졌는가?Yes ↓전경도 계산식에 따라 영구경도를 측정.일시경도(ppm CaCO3) =전경도(ppm CaCO3)- 영구경도(ppm CaCO3)일시경도 계산↓→4. 실험장치5. 결과 및 고찰1) 실험계산 및 결과① 표준 E.D.T.A 용액 100mL 조제사용된 표준칼슘용액의 부피 : 25mL적정에 사용된 용액의 부피(A) : 15.1 mL표준 E.D.T.A 용액 100mL 조제에 필요한 증류수의 부피(X)Ｘ＝1000 - 40A = 1000 - 40(15.1)= 60.4 mL표준 E.D.T.A 용액 100mL 조제에 필요한 E.D.T.A 용액의 부피100 - X = 100 - 60.4= 39.6 mL② 전경도 측정물시료의 부피 : 100 mL경도완충용액의 부피 : 2.0 mL인히비터 용액의 부피 : 2.0 mL경도지시약의 방울 수 : 4 방울적정에 사용된 표준 E.D.T.A. 용액의 부피 : 13.4 mL전경도 (ppm, CaCO3) = 표준 E.D.T.A 의 mL x CaCO3 대응량 A x 1000시료의 mL= 13.4 x 15.1 x 1000 / 100= 2023.4③ 영구경도의 측정물시료의 부피 : 100 mL경도완충용액의 부피 : 2.0 mL인히비터 용액의 부피 : 2.0 mL경도지시약의 방울수 : 4 방울적정에 사용된 표준 E.D.T.A 용액의 부피 : 5.9 mL영구경도 (ppm, CaCO3) = 표준 O3)

공학/기술| 2004.11.05| 10페이지| 1,000원| 조회(1,834)

경도, 공업용수, 공업용수의 경도 측정

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