KR100593438B1 - 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기재 상에 일방향으로 나노막대를 성장시켜 나노소재를 형성한 다음, 상기 나노막대의 팁 부위에 나노 형광체를 증착시킴으로써 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체를 제공한다.
나노 형광체, 나노소재
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 개략적인 제조도이고;
도 2a는 나노 형광체를 증착하기 이전의 산화아연 나노막대의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 2b는 Y2O3:Eu가 증착된 산화아연 나노막대의 SEM 사진이고;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 Y2O3:Eu가 증착된 산화아연 나노막대의 발광(photoluminescence) 스펙트럼(spectrum)이다.
본 발명은 나노 형광체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 광원이나 디텍터(detector) 및 프로브(probe) 등의 다양한 나노 분석 장치에 이용될 수 있는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체 (heterostructure) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
신소재 및 반도체 기술의 발전에 따라 지속적으로 이루어져 온 반도체 소자 의 고집적화 및 크기 감소로 인해, 기존에 사용하던 식각기술과 같은 탑다운(top down) 방식이 한계에 도달함에 따라, 원자 또는 분자 수준에서 원하는 기능을 발휘하는 나노소재를 만들기 위해 쌓아가기(bottom up) 방식으로의 전환이 필요하게 되었다. 쌓아가기 방식으로 나노소자를 제조하기 위해서는, 원하는 기능을 충족시켜 줄 수 있는 나노구조물을 단일 소재 안에 구현할 수 있는 기술의 개발이 필수적이라고 할 수 있다.
일반적으로, 백색광원을 제조하는 방법으로는 질화물 반도체인 GaN 계통의 발광소자를 이용하는 방법으로서 청색의 발광소자 칩위에 형광체를 결합하여 백색광을 제조하는 방법과, 적색, 녹색, 청색의 형광물질을 결합시킨 형태의 백색 발광 소자를 제조하는 방법이 연구되어 왔다.
그러나, 전술한 바와 같이 원하는 기능을 충족시켜 줄 수 있는 나노소자를 실현하기 위해 단일 나노구조물을 이용하여 단일 백색 발광 나노소자를 제조하는 데 대해서는 아직 보고된 바 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 단일 나노구조물이 단일 소재안에 형성된 나노구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에서는, 기재 상에 일방향으로 성장된 나노막대를 포함하는 나노소재 및 상기 나노막대의 팁 부위에 선택적으로 증착된 나노 형광체를 포함하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체가 제공된다.
본 발명에서는 또한, 기재 상에 일방향으로 나노막대를 성장시켜 나노소재를 형성하는 단계; 및 상기 나노막대의 팁 부위에 나노 형광체를 증착시키는 단계를 포함하는, 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 나노소재를 이루는 나노막대의 팁 부위에만 나노 형광체가 선택적으로 증착됨으로써 나노 형광체와 나노소재 사이의 계면이 매우 뚜렷한, 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체가 제조될 수 있다. 또한, 산화물, 황화물 형광체 및 이들의 배합 증착이 가능하고, 상기 이종접합구조체는 발광소자를 비롯한 디스플레이, 백색광원, 프로브 및 다양한 기록매체에 유용하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체를 제조하는데 있어서, 기재 상에 나노막대를 일방향, 바람직하게는 수직으로 성장시키기 위해 다양한 증착법이 이용될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 기재의 재료로는 나노소재용으로 이용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로는 유리, 실리콘 및 알루미나 등을 들 수 있다. 상기 기재 상에 나노막대를 형성하기 위한 재료 역시 나노소재용으로 이용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 그 예로는 ZnO, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, Ge, 카본나노튜브 및 이들의 조합을 들 수 있다.
예를 들어, 산화아연으로 나노소재를 제조하는 경우에, 아연-함유 유기금속과 산소-함유 기체 또는 산소-함유 유기물을 반응기에 주입하고, 상압 또는 그 이하의 압력 및 1,200 ℃이하의 온도 조건 하에서 상기 반응물질들을 반응시키면, 유기금속 화학증착법에 의해 기재 상에 증착, 성장이 일어나 산화아연 나노선 또는 나노막대 형태의 나노소재가 제조될 수 있다.
이러한 유기금속 화학증착법에 의하면, 금속 촉매를 사용하지 않으므로 나노선 또는 나노막대의 팁 부위에 금속 촉매가 잔류할 가능성이 없고 나노선 또는 나노막대가 기재에 대해 일방향, 바람직하게는 수직 방향으로 성장하게 되고, 그 두께와 길이가 균일하며 직경도 200nm 이하의 작은 범위, 바람직하게는 수 나노미터까지의 수준으로 조절가능하므로, 금속 증착을 통한 이종접합구조체의 제조가 수월하게 이루어질 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 나노 형광체의 구체적인 예로는 CaS:Eu, ZnS:Sm, Y2O2S:Eu, Gd2O3:Eu와 같은 적색 형광체, ZnS:Tb, ZnS:Ce, Cl, Gd2O2S:Tb, SrGa2S4:Eu, Y2SiO5:Tb와 같은 녹색 형광체, SrS:Ce, ZnS:Tm, YSiO5:Ce와 같은 청색 형광체, YAG(Yittrium, Alumium, Garnet)와 같은 백색광 및 여러 가지 산화물, 황화물 계 형광체 물질의 배합을 들 수 있다.
나노소재상에 나노 형광체를 증착하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 통상적으로 이용되는 모든 증착방법이 사용될 수 있다. 따라서, 스퍼터링(sputtering), 열 또는 전자빔 증발법(thermal or e-beam evaporation), 펄스 레이저 증착법(pulse laser deposition), 분자 빔 증착법(Molecular beam epitaxy) 등과 같은 물리적인 성장방법 뿐만이 아니라, 화학증착법(CVD) 등과 같은 다양한 방법이 적용될 수 있다. 필요에 따라, 발광 효율을 높이기 위해 나노 형광체가 증착된 이종구조 나노소재를 산소, 아르곤, 질소, 수소 및 다양한 분위기에서 열처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 나노막대의 팁 부위에 희토류물질을 선택적으로 증착시킴으로써 이종접합구조체를 제조하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 적색, 녹색, 청색을 나타내는 산화물, 황화물 또는 유기 형광체를 이용하여 적색, 녹색, 청색 발광을 하는 광원을 얻을 수 있으며, 이러한 적색, 녹색, 청색 발광체를 조합하여 나노막대위에 증착시켜 백색광을 얻을 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는, 기재 상에 일방향으로 성장된 나노소재에 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체를 구현함으로써 백색 발광 소자를 포함한 발광소자의 기능을 향상시킬 수 있다.
이하, 하기 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것이 아님은 물론이다.
실시예
유기금속 화학증착 장치를 이용하여 유리, 실리콘, 또는 Al2O3 기재 위에 산화아연 나노막대를 성장시켰다. 반응물질로는 디에틸아연 및 O2를 사용하였고, 운반기체로 아르곤을 사용하였다. 개별적인 라인을 통해 O2 및 디에틸아연 기체를 각각 반응기내로 주입하였으며, 이때 흐름 속도를 각각 20 내지 100 sccm 및 1 내지 10 sccm의 범위로 조절하였다. 반응기 내에서 상기 반응물질의 전구체를 화학반응시켜 기재 상에 산화아연 나노막대를 증착, 성장시켰다. 약 1시간에 걸쳐 나노막대의 성장이 진행되는 동안 반응기 내의 압력은 1 내지 760 torr로, 온도는 200 내지 700 ℃로 유지하였다.
이어, 레이저 분자빔에피증착법을 이용하여 나노막대 위에 다양한 형광체를 100 내지 500 nm의 두께로 증착시켰다. 이때, 온도는 상온 내지 수백 ℃까지 다양한 범위로 조절하였다. 구체적으로는, 베이스 진공이 low-10-8 torr가 될 때까지 TMP(Turbo Molecular Pump)로 충분히 펌핑한 후, 원하는 성장온도에서 약 10분간 유지하여 시료를 충분히 안정화시킨 후에 레이저 어블레이션(laser ablation)을 시작하여 나노 형광체를 증착시켰다.
도 2a는 나노 형광체를 증착하기 전의 산화아연 나노막대의 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 2b는 Y2O3:Eu 나노 형광체가 증착된 산화아연 나노막대의 SEM 사진이다. 도 2a 와 2b를 비교해 보면, 나노 형광체가 나노막대의 팁 위에 선택적으로 증착되어 나노막대의 직경이나 형상에 큰 변화가 나타나지 않은 것을 알 수 있다.
전술한 방법에 따라 제조하여 얻은, Y2O3:Eu가 증착된 산화아연 나노선에 대하여 발광(photoluminescence) 측정을 통해 그 광학적 특성을 알아보았다. 여기 소스로는 325 nm 파장을 가지는 He-Cd 레이저를 사용하였다. 도 3은 산화아연 나노선에 선택적으로 증착된 Y2O3:Eu 형광체의 발광특성을 나타낸다. 도 3으로부터, 본 발명에 따라 제조된 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체는 단일의 나노소재에 단일의 나노구조물로서 증착된 형광체가 고유기능을 충분히 발휘하는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 의하면, 나노소재의 팁 부위에 선택적으로 나노 형광체가 증착되고 나노 형광체와 나노소재 사이의 계면이 매우 뚜렷한, 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체가 제조될 뿐만 아니라, 산화물, 황화물 및 다양한 형광체, 이들의 배합 증착이 가능하므로, 그로부터 제조되는 이종접합구조체는 백색광원, 발광소자 및 프로브 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 기재 상에 일방향으로 성장된 나노막대를 포함하는 나노소재; 및상기 나노막대의 팁 부위에 선택적으로 증착된 나노 형광체를 포함하는,나노 형광체/나노소재 이종접합구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 나노막대가 상기 기재 상에 수직으로 성장되어 있는 것을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 나노막대가 ZnO, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, Ge 및 카본 나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 재료로 형성된 것임을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체.
- 기재 상에 일방향으로 나노막대를 성장시켜 나노소재를 형성하는 단계; 및상기 나노막대의 팁 부위에 나노 형광체를 증착시키는 단계를 포함하는,나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 일방향이 상기 기재에 대해 수직방향인 것을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 나노막대가 ZnO, GaN, Si, InP, InAs, GaAs, Ge 및 카본 나노튜브 중에서 선택된 재료로 형성된 것임을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 나노 형광체의 증착이 스퍼터링, 열 또는 전자빔 증발법, 펄스 레이저 증착법, 분자 빔 증착법, 화학증착법, 또는 스핀 코팅에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 나노 형광체를 증착시킨 다음 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체의 제조방법.
- 제1항의 나노 형광체/나노소재 이종접합구조체를 포함하는 전자소자.
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