메조포러스 분자체에 담지된 무기분체의 자외선 차단기능에 관한 연구
Studies on the UV-cut effect of Inorganic particles incorporated in mesoporous molecular sieves
초록/요약
요약문 근래 CFC's 를 비롯한 V.O.C. 에 의해성층권에 존재하는 오존층의 파괴가 심각하게 발생됨에 따라 대기권의 자외선 차단 효과는 크게 감소되었으며, 이에 따라 태양 광선 중 단파장에 해당하는 자외선이 예전보다 많이 지표까지 도달하게 하여 생명체에 커다란 위험 요소가 되고 있다. 특히 과도한 자외선이 피부에 도달하여 자극을 주는 경우, 홍반, 흑화 뿐 아니라 피부암 등을 발생시킬 수 있는 위험이 점점 심각해지고 있어 자외선 차단에 대한 중요성이 매우 크게 부각되고 있는 실정이다. 이러한 자외선의 해로운 효과를 방어하기 위하여 자외선의 에너지를 열, 파동, 형광, 라디칼 등으로 변환하여 피부를 방어해 주는 유기계 자외선 흡수제와 자외선을 산란, 흡수하는 무기계 자외선 산란제가 사용되고 있으며, 특히 넓은 파장 영역의 자외선을 방어하고, 안전성이 높은 자외선 산란제의 중요성이 더 크게 대두되고 있다. 이산화티탄과 산화아연 등의 소재들은 굴절률이 높아 빛을 산란시키는 효과가 우수한 무기계 자외선 흡수제이며 표면 성질을 변화시키거나, 유무기 분체에 복합화 또는 계면활성제로분산 안정화시켜 응집을 방지하는 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 다양한 무기계 자외선 산란제의 분산성을 증대시키고 안전성을 향상시킬 목적으로, 최근 촉매, 흡착, 센서 등 다양한 응용분야에서 크게 각광 받고 있는 소재인 메조포러스 분자체 내에 무기자외선 산란제를 담지하여, 그 화학적 특성과 자외선 차단효과에 대하여 고찰함으로써 새로운 자외선 차단 연구 분야로서 메조포러스 분자체의 응용 영역을 제시하려 한다. 이를 위하여 이산화티탄 전구체의 종류, 함량, 소성 온도를 다양하게 변화시킨 후, 여러 가지 기공 구조의 메조포러스 분자체를 합성하고, 이산화티탄을 담지하였다. XRD, SEM, TEM 으로부터 메조포러스 분자체의 구조 변형없이 이산화티탄이 담지될 수 있음을 확인할 수 있었으며, 또한 titanium isopropoxide 를 전구체로 하여 45 wt% 까지 이산화티탄을 MSU-H 에 담지하고, 소성 온도는 1000 ℃ 에서 처리할 때 가장 뛰어난 in vitro 자외선 차단 효과가 나타남을 알 수 있었다. 산화아연과의 상승 효과를 확인하기 위하여 이산화티탄/산화아연의비에 따른 in vitro 자외선 차단 효과를 확인하였으나, 이산화티탄 단독으로 사용할 때가 더 효과적이었다. 이상으로부터 이산화티탄을 메조포러스 분자체에 담지함으로써 뛰어난 자외선 차단 효과를 갖는 물질을 개발할 수 있었다. 추가로 담지된 이산화티탄의 결정구조를 rutile 로 변환시키는 연구를 진행한다면 본 연구에서 보다 더 뛰어난 자외선 차단 효과를 가지는 무기계 자외선 산란제 담지 메조포러스 분자체를 개발할 수 있을 것이다. 더불어 MSU-H 보다 더 작은 입경을 갖는 메조포러스 분자체에 적용함으로써 자외선 차단 효과를 최대로 부여할 수 있는 메조포러스 분자체를 확인할 필요가 있다.
more초록/요약
Abstract Recently, the UV-cut effect of atmosphere, largely and gradually, decreased, by the serious destruction of ozone layer, which exists in stratosphere, by V. O. C. (volatile organic compounds) such as CFC's (chlorofluorocarbons). It follows that the UV rays, which is a part of sunlight with shorter wavelength, arrives on the surface of the earth, more than before, so that it becomes the huge hazard in the living subject. Specially, because the stimulus to the skin by excess exposure of the UV light on the skin, makes erythema, darkening and even more dangerous result such as skin cancer, the importance of UV shielding becomes more and more embossed. To protect of the hazardouseffect of UV rays, organic UV absorbents which convert UV energy to other forms of energies such as heat, wave, fluorescence, radical and etc., and inorganic UV diffusing materials which diffuse the UV light, are used. And the importance of UV diffusing materials are increasing greatly, because of the UV-cut effect through wide range of wavelength and the excellent skin safety compare to the organic UV absorbents. Because titanium dioxide and zinc oxide are good inorganic UV diffusing materials, which have high refractive index, so that a lot of research are accomplishing related with the modification of the surface, the complexation of organic and inorganic materials, stabilization of dispersion using surfactants to protect from coalescence and etc. In this studies, to achieve the excellent dispersion level and skin safety, mesoporous molecular sieves, which are greatly concerned for applying to various field such as catalysts, absorbents, sensors and etc., are used for supportmaterials, and the inorganic UV diffusing materials are incorporated in mesoporous molecular sieves. The chemical characteristics and UV-cut effects of these materials are studied for introducing new research field related to UV shielding research area and mesoporous molecular sieves. Various titanium dioxide incorporated mesoporous molecular sieves, which have different pore structures, are synthesized by changing titanium precursors, amounts, calcination temperatures. XRD, SEM, TEM data show that the titanium dioxide is incorporated inside of pore without destruction of structure of mesoporous molecular sieves. And the optimized condition for in vitro UV-cut effect is revealed as follow: titanium isopropoxide as titanium precursor, 45 wt% uptake of titanium dioxide into MSU-H and 1000 ℃ as calcinations temperature. To check the synergy effect of titanium dioxide and zinc oxide, varioustitanium dioxide with zinc oxide incorporated mesoporous molecular sieve, with varying the ratio of titanium dioxide to zinc oxide, are synthesized and characterized, including in vitro UV-cut effect. But no synergy effect is showed and the sample containing titanium dioxide only is more effective for UV-cut. From these study, titanium dioxide incorporated mesoporous molecular sieves having excellent UV-cut effect are developed successfully. More research about the structure transformation of incorporated titanium dioxide to rutile structure, would give developed inorganic UV-cut materials with more UV-cut effect. And It is anticipated that the mesoporous molecular sieve with smaller particle size than MSU-H, be used for better UV-cut materials.
more목차
목 차
요 약 문 i
목 차 iii
그림 차례 v
표 차례 vii
1. 서론 1
1.1. 자외선 특징과 영향 1
1.2. 자외선 차단 소재 2
1.3. 본 연구의 목표 3
2. 이론적 배경 4
2.1. 자외선 4
2,1.1. UV-A (자외선-A)의 특징 및 영향 4
2.1.2. UV-B (자외선-B)의 특징과 영향 4
2.1.3. UV-C (자외선-C)의 특징과 영향 5
2.1.4. 자외선 차단 지수 5
2.2. 자외선 차단제 8
2.2.1. 자외선 흡수제 8
2.2.2. 자외선 산란제 8
2.3. 주요 무기계 자외선 산란제 9
2.3.1. 이산화티탄 9
2.3.2. 이산화티탄의 결정 구조 10
2.3.3. 산화아연 및 기타 소재 14
2.3.4. 무기 자외선 차단제의 복합화 및 응용 14
2.4. 메조포러스 분자체 (Mesoporous Molecular Sieve) 16
2.4.1. 메조포러스 분자체의 종류 16
2.4.2. 메조포러스 분자체 물질의 합성 20
2.4.3. 메조포러스 분자체의 응용 및 Morphology 20
2.4.4. 메조포러스 분자체내 이산화티탄의 담지 27
3. 실험 방법 30
3.1. 여러 가지 메조포러스 분자체의 합성 30
3.1.1. MCM-41의 합성 30
3.1.2. SBA-15의 합성 31
3.1.3. PES-1의 합성 31
3.1.4. MSU-H의 합성 31
3.2. 무기계 자외선 산란제가 담지된 메조포러스 분자체의 합성 32
3.2.1. 이산화티탄이 담지된 분자체의 합성 32
3.2.2. 산화아연이 담지된메조포러스 분자체의 합성 33
3.2.3. 이산화티탄과 산화아연이 담지된 메조포러스 분자체의 합성 33
3.3. 특성 분석 34
3.3.1. SEM/EDX 34
3.3.2. DRS UV-Vis spectroscopy 34
3.3.3. XRD 34
3.3.4. TEM 34
3.3.5. in vitro SPF, PA (자외선 차단 효과) 측정 35
4. 결과 및 고찰 36
4.1. Titanium 전구체의 종류에 따른 자외선 차단 효과 36
4.1.1. Titanium 전구체 제법에 따른 자외선 차단 효과 36
4.1.2. Titanium 전구체 종류에 따른 자외선 차단 효과 36
4.2. 이산화티탄 담지 함량에 따른 자외선 차단 효과 40
4.3. 이산화티탄 소성 온도에 따른 자외선 차단 효과 43
4.4. 메조포러스 분자체의 종류에 따른 자외선 차단 효과 43
4.5. 이산화티탄과 산화아연을 담지한 메조포러스 분자체의 합성 52
5. 결론 58
참고 문헌 59
ABSTRACT 61
목차
그림 차례
Fig. 2.1. Crystal structures of titanium dioxide (left: anatase, right: rutile). 12
Fig. 2.2. Examples of micro-, meso-, and macroporous materials, showing pore size domains and typical pore size distributions [34]. 17
Fig. 2.3. Suggested structures of various mesoporous molecular sieves. 19
Fig. 2.4. Change of micelle structure of C16TMABr in aqueous solution. 21
Fig. 2.5. Schematic diagram of LCT (liquid crystal templating) mechanism for synthesis of mesoporous materials suggested by Mobil researchers [11]. 22
Fig. 2.6. Schematic representation of the four complementary electrostatic templation pathways to ordered mesostructures [12]. 23
Fig. 2.7. Possible application areas of mesoporous materials. 24
Fig. 2.8. Various morphology of mesoporous materials. 26
Fig. 2.9. Stabilization and reaction control procedures of titanium alkoxide using organic materials. 28
Fig. 2.10. Influence of H2O, H+ on stabilization and reaction kinetics of titanium isopropoxide. 29
Fig. 4.1. Titanium sol in aqueous solution stabilized by acid. 38
Fig. 4.2. High angle XRD data of various titanium dioxide with different crystal structure and/or particle size. 44
Fig. 4.3. High angle XRD data of titanium dioxide incorporated PES-1 with different calcination temperature condition. 45
Fig. 4.4. Low angle XRD data of titanium dioxide incorporated PES-1 with different calcination temperature condition. 46
Fig. 4.5. Absorbance data of titanium dioxide incorporated PES-1 with different calcination temperature condition, using in vitro SPF spectrophotometer. 48
Fig. 4.6. DRS UV-Vis spectroscopy data of titanium dioxide incorporated PES-1 with different calcination temperature condition. 49
Fig. 4.7. DRS UV-Vis spectroscopy data of various titanium dioxide incorporated mesoporous molecular sieves. 50
Fig. 4.8. SEM image of titanium dioxide and zinc oxide incorporated PES-1. 53
Fig. 4.9. TEM image and EDX data of titanium dioxide and zinc oxide incorporated PES-1. 54
Fig.4.10. MPF (Monochromic Protection Factor) data of titanium dioxide and zinc oxide incorporated PES-1 using different titanium dioxide / zinc oxide amounts. 56
목차
표 차례
Table 2.1. Classification and the meaning of PFA. 7
Table 2.2. Refractive indices of various powder materials. 11
Table 2.3. Physical and chemical comparisons between anatase and rutile. 13
Table 2.4. UV transmittances of some powder materials. 15
Table 4.1. In vitro SPF data of titanium dioxide incorporated PES-1 using different titanium precusor-stabilizing method. 39
Table 4.2. In vitro SPF data of titanium dioxide incorporated PES-1 using different titanium precusors. 41
Table 4.3. In vitro SPF data of titanium dioxide incorporated PES-1 with varying the amounts of titanium dioxide in the samples. 42
Table 4.4. In vitro SPF data of titanium dioxide incorporated PES-1 with different calcination temperature condition. 47
Table 4.5. Comparisons of some physical characteristics of various mesoporous molecular sieves. 51
Table 4.6. In vitro SPF data of titanium dioxide and zinc oxide incorporated PES-1 using different titanium dioxide / zinc oxide amounts. 55
Table 4.7. In vitro SPF data of various titanium dioxide and zinc oxide incorporated mesoporous molecular sieves. 57
