KR100785525B1 - 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 분포되어있는 형태의 발광 나노와이어 이종구조 및 이의 제조방법 - Google Patents

산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 분포되어있는 형태의 발광 나노와이어 이종구조 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 규칙 또는 불규칙하게 ZnS 양자점(quantum dot)을 분포시켜줌으로써, 산화아연의 주발광 파장역과 황화아연의 불순물 발광 파장역의 중간영역이면서 보다 넓은 가시광선 영역에서의 발광성능을 발현할 수 있는 발광 나노와이어 이종구조가 제공된다. 본 발명에 따른 발광 나노와이어 이종구조는 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 불규칙하게 분포되어 있으며, 산화아연 고유의 주발광 파장영역과 황화아연의 불순물 레벨 발광 파장영역의 중간영역의 파장대에서 발광특성을 보이는 것을 특징으로 한다.
발광, 나노와이어, 산화아연, 황화아연, 양자점, 수용액법

Description

산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 형태의 발광 나노와이어 이종구조 및 이의 제조방법{Heterostructure of luminescence ZnO nano-wire comprising ZnS quantum dot and method for fabricating the same}
도 1은 본 발명에 따른 발광 나노와이어 이종구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 발광 나노와이어의 이종구조에 있어서, 상기 산화아연(ZnO) 나노와이어를 제조하기 위한 장치(20)를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 상기와 같은 열-탄소 공법을 이용하여 관상로 내부에서 성장시킨 산화아연(ZnO) 나노와이어를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 4는 상기와 같이 성장된 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 황화아연(ZnS) 양자점을 도포시켜 주기 위한 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 5a는 상기 실시예 1에 의해 제조된 황화아연(ZnS) 양자점이 표면에 분포되어 있는 산화아연(ZnO) 나노와이어를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 촬영한 사진이며, 도 5b는 도 5a를 보다 고배율로 확대한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 6은 상기 실시예와 비교예에 의한 순수한 산화아연 나노와이어에 대한 XRD 분석 그래프이다.
도 7은 상기 실시예 1에 의해 제조된 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 산화아연 나노와이어에 대한 XRD 분석 그래프이다.
도 8은 상기 비교예, 즉 순수 산화아연 나노와이어에 대한 PL(photo luminescence) 측정 결과 그래프이다.
도 9는 상기 실시예 1, 즉 표면에 황화아연이 도포되어 있는 산화아연 나노와이어에 대한 PL(photo luminescence) 측정 결과 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: ZnO 나노와이어
110: ZnS 양자점
200: 실리콘 기판
210: 제1 관상로
220: 제2 관상로
230: 아연원료
본 발명은 이종구조를 가지는 발광 나노와이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 규칙 또는 불규칙하 게 ZnS 양자점(quantum dot)을 분포시켜줌으로써, 산화아연의 주발광 파장역과 황화아연의 불순물 발광 파장역의 중간영역이면서 보다 넓은 가시광선 영역에서의 발광성능을 발현할 수 있는 발광 나노와이어 이종구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
1차원의 나노와이어는 전계 효과 트랜지스터, single electron transistors, 광다이오드, 화학 센서, 논리 소자 등과 같은 나노 전자소자에서의 응용 가능성으로 인해 최근에 광범위하게 연구되고 있다.
이원계 산화물 반도체인 산화아연은 육방정계를 가지는 워짜이트(wurzite)결정구조로, 3.37 eV의 넓은 밴드갭과 상온에서 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지를 가지는 직접 천이형 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질이다.
또한, 산화아연은 가시광선 영역에서 높은 투과성과 굴절율 및 큰 압전상수를 가지는 물질로서, 평판 디스플레이에 사용되는 산화인듐의 대체재로 사용되거나 또는 발광소자, 레이저 다이오드 등의 저전압에서 사용되는 단파장의 물질로 사용되고 있다. 또한 전계방출 디스플레이나 태양전지의 투명전극, 가스센서, 자외선 차단막 등으로 활용된다.
다이오드 응용분야에 있어서 산화아연과 황화아연의 응용가능성 및 파급효과는 더욱 크다고 할 수 있으며 나노크기의 넓은 에너지 띠간격(wide band gap) 물질인 산화아연 및 황화아연은 소형, 고집적 및 저전압 구동 소자의 구성을 가능케 한다.
직접천이형 반도체인 산화아연과 황화아연은 질화갈륨(GaN)과 더불어 높은 에어지 간격(각각 3.37eV, 3.6eV)으로 인해 단파장영역(350~400nm)에서 발광(emission)을 하며 이런 특징을 이용해 청색발광 다이오드(blue light emitting diode) 및 레이저 다이오드(laser diode)로 사용되며 디스플레이, 고효율 램프 및 고속반응 소자로의 응용이 가능하다.
이와 같은 산화아연의 에너지 띠간격은 도핑 및 그 구조를 변화시킴으로써 조절이 가능하며 일반적으로 황(S), 질소(N)등이 이용되고, 그 효율을 높이기 위해 산화아연-황화아연 코어/쉘 (Core-shell)구조를 이용해 양자우물(quantum well)을 형성시키는 방법 및 원리에 대한 연구가 많이 수행되었으며 본 발명에서는 기존의 코어/쉘 구조와는 다른 산화아연 나노와이어-황화아연 양자점의 구조를 구현하였다.
나노와이어는 주로 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)및 펄스레이저(Pulse Laser)증착법을 이용해 제조되며 본 발명에서는 CVD법을 이용해 구현하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 산화아연의 주발광 파장역과 황화아연의 불순물 발광 파장역의 중간영역이면서 보다 넓은 가시광선 영역에서의 발광성능을 발현할 수 있는 발광 나노와이어 이종구조를 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기와 같은 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법을 제공하는데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발광 나노와이어의 이종구조는 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 불규칙하게 분포되어 있으며, 산화아연 고유의 주발광 파장영역과 황화아연의 불순물 레벨 발광 파장영역의 중간영역의 파장대에서 발광특성을 보이는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법은 (a) 1-헥사데실라민(1-Hexadecylamine)과 1-옥타데신(1-Octadecene)이 1:2 ~ 2:1의 무게비로 혼합되어 있는 용매에 황(S)을 첨가하여 황 수용액을 제조하는 단계; (b) 황 수용액에 c-축 배양된 산화아연(ZnO) 나노와이어를 침전시키고 황 수용액을 냉각시키는 단계; (c) 나노와이어가 침전되어 있는 황 수용액에 디에틸 징크(Diethyl-Zinc)를 첨가하고 일정시간 동안 일정온도에서 가열해주어 황화아연 양자점을 생성시키는 단계; (d) 가열된 합성용액을 냉각한 후 알콜을 첨가하여 생성된 황화아연 양자점을 투입된 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 침전시켜주는 단계; 및 (e) 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 산화아연 나노와이어를 불활성기체 분위기에서 열 처리해 주는 단계를 포 함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수도 있고, 그 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
산화아연(ZnO)은 380nm 부근의 파장대에서 발광현상을 보이는 산화물 반도체 물질로서 널리 알려져 있으며, 황화아연(ZnS)은 320nm 부근의 단파장 영역에서 발광현상을 보이는 것으로 알려져 있다.
일반적인 반도체 발광물질에서 그러하듯이 상기 두 물질도 주 발광현상 이외 에 불순물 레벨에서의 발광현상이 관찰되며, 구체적으로 산화아연의 경우에는 불순물 레벨에서의 발광현상이 511nm, 황화아연의 경우에는 420nm 부근에서 나타난다.
이러한 불순물 레벨에서의 발광현상 또한 발광 반도체 소자에서 응용이 가능하다.
본 발명에서는 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양저점을 형성해 주는 이종구조(heterostructure)를 구현해 줌으로써, 산화아연의 주 발광 파장대에서의 발광현상과 황화아연의 불순물 레벨에서의 발광현상을 결합하여 새로운 레벨에서의 발광을 구현하였으며, 구체적으로 가시광선 영역인 400nm 이상의 파장에서의 발광현상을 구현하였다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 나노와이어 이종구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발광 나노와이어의 구조(10)는 산화아연(ZnO) 나노와이어(100)의 표면에 황화아연(ZnS) 양자점(quantum dot; 110)이 불규칙하게 분포되어 있다.
상기와 같은 발광 나노와이어의 이종구조(heterostructure)의 경우 산화아연 고유의 주발광 파장영역과 황화아연의 불순물 레벨 발광 파장영역의 중간영역의 파장대, 구체적으로 410~420nm의 파장 대역에서 발광특성을 보이는 것을 특징으로 한다.
도 2는 발광 나노와이어의 이종구조에 있어서, 상기 산화아연(ZnO) 나노와이어를 제조하기 위한 장치(20)를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 산화아연 나노와이어는 제1 관상로(210) 내부에 로딩되어 있는 제2 관상로(220) 내부에 안착된 (111) 방향으로 배향된 실리콘 기판(200) 상에 RF 스퍼터(RF-sputter)를 이용하여 촉매물질인 금(Au)을 증착하고, 이를 이용하여 산화아연 나노와이어를 생성-성장시키게 된다.
보다 상세하게는, 유체의 흐름을 보다 집중시켜 주기 위하여 제1 관상로(210) 보다 직경이 작은 제2 관상로(220) 내부에 금 촉매가 코팅된 실리콘 기판(200)을 로딩하고, 제2 관상로(220)의 입구부분에는 아연(Zn)과 탄소(carbon) 분말이 1:1의 비율로 혼합된 아연원료(230)를 배치하고, 제1 관상로(210) 외부에 배치되는 열원(heat source)에서 가열을 해주기 되면, 탄소와 혼합되어 있는 아연원료(230)가 서서히 기화되면서 금이 코팅된 실리콘 기판(200) 상에서 산화아연(ZnO) 나노와이어를 서서히 성장시키게 된다.
이때, 성장속도가 너무 빠르면 구형으로 성장되므로, 성장속도를 조절해주는 것이 중요한데, 이를 위하여 석영(quartz) 재질의 제1 관상로(210)의 입구에 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스를 불어 넣어 주어, 아연원료(230)에서 기화된 아연이 실리콘 기판(200)에 증착되는 속도를 조절해 줄 수 있도록 해준다.
아연원료(230)를 산화아연(ZnO) 나노와이어로 성장시키기 위한 산소(O2) 원료는 상기 아르곤가스와 함께 혼합하여 제1 관상로(210)로 흘려줌으로써 공급된다.
또한, 아연원료(230)과 실리콘 기판(200)과의 거리는 증착 단계에서 아연원료(230)의 증기압과 직접관련이 있으므로 일정한 거리를 유지하는 것이 좋다. 즉 아연원료(230)와 실리콘 기판(200)과의 거리가 너무 가까울 경우엔 나노와이어가 아닌 박막으로 성장할 수 있고, 너무 멀게 되면 원료의 공급이 원활하지 못해 나노와이어가 성장하지 못하게 된다.
따라서, 제1 관상로(210) 내부에 제1 관상로(210)의 직경보다 작은 직경을 가지며 석영재질의 제2 관상로(220)를 별도로 설치하여 아연원료(230)와 실리콘 기판(200)을 모두 제2 관상로(220) 내부에 배치하게 되면 상기와 같은 문제를 최소화 할 수 있게 된다.
구체적으로, 제2 관상로(220)는 제1 관상로(210) 내부에 장착되며, 증착단계에서 원료의 통과경로를 줄여주므로 아연 증기압을 부분적으로 높여주게 되며, 동시에 불어 넣어주는 아르곤가스와 산소 가스의 경로를 제어해 주므로 나노와이어의 성장을 촉진시켜 주게 된다.
상기에서 아연원료(230)는 탄소와 함께 혼합되어 가열되므로 이를 열-탄소(carbo-thermal) 공법이라고도 한다.
도 3은 상기와 같은 열-탄소 공법을 이용하여 관상로 내부에서 성장시킨 산화아연(ZnO) 나노와이어를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 3에 나타난 바와 같이 상기와 같은 열-탄소 공법을 이용하여 성장시킨 산화아연(ZnO) 나노와이어는 c-축으로 배향되어 비교적 고밀도로 성장되어 있음을 알 수 있다.
도 4는 상기와 같이 성장된 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 황화아연(ZnS) 양자점을 도포시켜 주기 위한 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점을 도포시켜 주기 위해서는, 먼저 황(S) 수용액을 제조한다(S410).
황 수용액은 1-헥사데실라민(1-Hexadecylamine)과 1-옥타데신(1-Octadecene)이 1:2 ~ 2:1의 무게비로 혼합되어 있는 용매에 황(S)을 첨가하여 제조된다.
이때, 황(S)은 80~120℃의 온도에서 0.5~2시간 동안 탈가스(degassing) 시킨 것이 사용된다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 황 수용액에 상기 도 2의 방법으로 제조된 c-축 배양된 산화아연(ZnO) 나노와이어(nano-wire)를 침전(dipping)시키고 가열된 황 수용액을 30~60℃의 온도로 냉각시킨다(S420).
다음으로, 상기 산화아연 나노와이어가 침전되어 있는 황 수용액에 산화아연 양자점 형성의 아연원료로서 디에틸징크(diethyl zinc)를 첨가하고 일정시간 동안 일정온도에서 가열해 줌으로써 황화아연(ZnS) 양자점(quantum dot)을 생성한다(S430).
이때, 가열시간은 1~3시간 정도이고, 가열온도는 200~400℃로서 황화아연(ZnS) 양자점이 설정되어 있는 원하는 입자크기를 가지는 범위에서 상기 시간과 온도를 제어해 주게 된다.
다음으로, 상기와 같이 가열된 수용액을 냉각한 후 알콜(alcohol)을 첨가하여 생성된 황화아연(ZnS) 양자점을 투입된 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 침 전 시켜주게 된다(S440).
이때, 냉각온도는 약 50~70℃이며, 사용되는 알콜은 제한이 없으나, 상기와 같이 냉각되는 온도 이상의 비점을 가지는 알콜을 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 이러한 조건을 만족시키는 알콜로서 1-부탄올(1-butanol)을 사용하였다.
이와 같이 알콜을 첨가해주게 되면 생성된 황화아연 양자점이 산화아연 나노와이어의 표면에 침전되면서 붙게 된다.
마지막으로, 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 산화아연 나노와이어를 불활성기체 분위기에서 열처리 해준다(S450).
열처리는 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 부착되어 있는 황화아연(ZnS) 양자점이 보다 높은 결합력을 가지고 부착될 수 있도록 함과 동시에, 불필요한 유기물들을 제거해 주기 위한 공정이다.
이때 사용되는 불활성가스로는 아르곤 가스이며, 열처리 온도는 350~450℃ㅇ에서 30분 정도 열처리 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 산화아연 나노와이어 이종구조에 의할 경우 발광 파장영역대가 변화되면서 보다 넓은 영역에서 발광이 가능한 나노와이어가 될 수 있다는 것을 구체적인 실시예들을 들어 설명한다.
다만,여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
1. 실시예 및 비교예
< 실시예 1>
제2 관상로는 직경 1인치의 제1 관상로내로 장입된다. 제1 관상로는 20~30℃/min.의 속도로 승온시켜 900℃까지 올려주며 아르곤 가스(Ar)와 산소가스(O2)를 각각 500sccm, 1sccm 흘려주며 나노와이어를 성장시킨다.
이후, 상기와 같이 준비된 나노와이어를 반응기 내에 장입한 후 황화아연 양자점을 합성하는데, 핵생성이 나노와이어 위에서 형성된 후 성장되므로 보다 강한 결합력 및 표면의 결함을 최소한으로 줄이면서 이종구조를 실현할 수 있다.
구체적으로, 황화아연 양자점은 수용액 합성법에 의해 준비되며, 합성초기부터 준비된 산화아연 나노와이어 표면에서 성장되게 된다.
황화아연 양자점의 제조방법은 5g의 1-헥사데실라민과 5g의 1-옥타데신을 사용하여 100℃에서 1시간 동안 탈가스 시킨 황 3mmol을 첨가하여, 황 수용액을 제조한다.
이와 같이 제조된 황수용액에 산화아연 나노와이어를 침전시키고, 이후 45℃로 냉각한 후, 디에틸 징크(diethyl zinc) 0.5mmol를 첨가한 후 300℃까지 가열하여 2시간 유지한 후, 다시 60℃로 냉각시킨다.
합성된 황화아연은 1-부탄올을 첨가하여 황화아연을 침전시킨다.
이와 같이 합성된 산화아연 나노와이어-황화아연 양자점 이종구조는 400℃에서 30분간 아르곤 가스(Ar) 분위기에서 열처리를 통해 보다 높은 결합력을 부여함 과 동시에 불필요한 유기물을을 제거해 주게 된다.
< 실시예 2>
먼저, 황화아연 양자점을 합성한 후 이를 산화아연 나노와이어 위에 뿌려주는 방식으로 도포한 후 열처리를 통해 고착시키는 방법으로서, 황화아연의 농도 및 흡착량은 도포 회수를 통해 조절해 주게 된다.
구체적으로, 제조된 황화아연 양자점을 산화아연 나노와이어 표면에 뿌려주는 방식으로 도포한 후, 400℃에서 약 30분간 아르곤분위기에서 열처리를 통해 제조된다.
< 비교예 >
상기 실시예 1에서 황화아연 양자점 도포 공정을 제외하고, 산화아연(ZnO) 제조공정에 의해 제조된 산화아연 나노와이어 제조공정까지만 수행한 것이다.
2. 특성분석
상기와 같이 제조된 산화아연-황화아연 나노와이어에 대하여 주사전자현미경(SEM), 투과주사현미경(TEM), SEM-EDS, XRD 분석을 실시하였다.
그 후, 상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 나노와이어의 발광특성을 측정하기 위하여 PL(photo luminescence)를 측정하였다.
3. 특성분석 결과의 분석
도 5a는 상기 실시예 1에 의해 제조된 황화아연(ZnS) 양자점이 표면에 분포되어 있는 산화아연(ZnO) 나노와이어를 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 촬영한 사진이며, 도 5b는 도 5a를 보다 고배율로 확대한 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 불규칙하게 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다.
도 6은 상기 실시예와 비교예에 의한 순수한 산화아연 나노와이어에 대한 XRD 분석 그래프이다.
본래 순수한 산화아연(ZnO) 나노와이어는 34.5°, 36.6°, 38.5°에서 순서대로 높은 강도의 회절피크를 나타내나, 도 6을 참조하면, 상기 실시예와 비교예에 의해 성장된 산화아연 나노와이어의 경우 34.5° 부근의 (001)면의 회절강도가 다른 주 회절피크들의 강도보다 강하다는 것을 알 수 있는데, 이는 c-축 배양되었다는 것을 나타내는 것이다.
도 7은 상기 실시예 1에 의해 제조된 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 산화아연 나노와이어에 대한 XRD 분석 그래프이다.
도 7을 참조하면, 34.5°부근의 주피크가 약 0.2°정도 저각도(low angle)로 이동하고 있음을 알 수 있는데, 이는 상기 황화아연(ZnS)의 고온에서의 도포과정 중에 황(S) 성분이 산화아연(ZnO)의 내부로 확산 침입으로 인한 것으로 판단된다.
또한, 이러한 황(S)성분의 확산은 황(S)의 이온반경이 1.84Å이고, 산소의 이온반경 1.4Å보다 크므로 물리적으로도 가능한 예측이다.
도 8은 상기 비교예, 즉 순수 산화아연 나노와이어에 대한 PL(photo luminescence) 측정 결과 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이 순수한 산화아연 나노와이어는 가시광선 보다 단파장인 약 379nm의 파장에서 발광피크가 나타나며, 그 폭도 매우 좁은 영역에 한정되어 있음을 알 수 있다.
도 9는 상기 실시예 1, 즉 표면에 황화아연이 도포되어 있는 산화아연 나노와이어에 대한 PL(photo luminescence) 측정 결과 그래프이다.
도 9를 참조하면, 표면에 황화아연이 도포되어 있는 산화아연 나노와이어의 경우엔 상기 순수한 산화아연 나노와이어보다 더 큰 파장역에서 발광피크가 나타나고 있음을 알 수 있다.
구체적으로, 약 416.8nm, 즉 가시광선 영역에서 발광피크가 나타나고 있으며, 그 폭도 상기 순수한 산화아연 나노와이어의 것에 비해 훨씬 넓은(broad) 폭을 가지고 있음을 알 수 있다.
이는 앞서 설명한 산화아연 나노와이어의 내부에 황(S)이 침투하여 산화아연 고유의 발광 특성과 황화아연의 불순물 레벨에서의 발광특성이 결합하여 그 중간영역인 약 410~420nm의 파장역에서 발광이 이루어진 것으로 판단된다.
즉, 산화아연 나노와이어와 황화아연 양자점은 표면에서 강한 결합 뿐만 아니라, 제조단계에서 황(S) 성분이 산화아연 내부로의 확산으로 인한 것으로서, 이로 인하여 산화아연의 발광피크의 위치가 불순물 준위로 이동한 것이다.
상기와 같이 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점을 도포시키는 기술을 통하여 산화아연 나노와이어의 발광 파장역을 조절하는 것이 가능하며, 보다 더 많은 실험을 통하여 가시광선 파장역 내에서 자유롭게 발광파장역을 조절할 수 있는 기술개발도 가능할 것이다.
이상 첨부된 도면 및 표를 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 산화아연 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 도포되어 있는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어에 의하면 기존의 나노와이어 코어-쉘(core-shell)구조에서 벗어난 새로운 형태의 이종구조(heterostructure)의 구현이 가능해져, 순수한 산화아연 나노와이어의 발광 파장역을 가시광선 영역 전영역을 포괄할 수 있도록 하는 것이 가능해 지게 된다.

Claims (12)

  1. 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 황화아연 양자점이 불규칙하게 분포되어 있으며, 상기 산화아연 고유의 주발광 파장영역과 상기 황화아연의 불순물 레벨 발광 파장영역의 중간영역의 파장대에서 발광특성을 보이는 것을 특징으로 하는 발광 나노와이어의 이종구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간영역의 파장대는 410~420nm인 것을 특징으로 하는 발광 나노와이어의 이종구조.
  3. (a) 1-헥사데실라민(1-Hexadecylamine)과 1-옥타데신(1-Octadecene)이 1:2 ~ 2:1의 무게비로 혼합되어 있는 용매에 황(S)을 첨가하여 황 수용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 황 수용액에 c-축 배양된 산화아연(ZnO) 나노와이어를 침전시키고 상기 황 수용액을 냉각시키는 단계;
    (c) 상기 나노와이어가 침전되어 있는 상기 황 수용액에 디에틸 징크(Diethyl-Zinc)를 첨가하고 일정시간 동안 일정온도에서 가열해주어 황화아연 양 자점을 생성시키는 단계;
    (d) 가열된 합성용액을 냉각한 후 알콜을 첨가하여 생성된 상기 황화아연 양자점을 투입된 상기 산화아연(ZnO) 나노와이어의 표면에 침전시켜주는 단계; 및
    (e) 표면에 황화아연 양자점이 분포되어 있는 상기 산화아연 나노와이어를 불활성기체 분위기에서 열 처리해 주는 단계를 포함하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1-헥사데실라민(1-Hexadecylamine)은 5g, 1-옥타데신(1-Octadecene)은 5g, 황(S)은 3mmol, 디에틸 징크는 0.5mmol 첨가되는 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 황(S)은 80~120℃에서 0.5~2시간 동안 탈가스 시킨 것임을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 냉각온도는 30~60℃인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서의 가열 시간은 1~3시간이고, 가열온도는 200~400℃인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후, (d) 단계 이전에는 가열된 황화아연 양자점이 생성된 수용액을 50~70℃로 냉각해주는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서의 열처리 온도는 350~450℃인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서의 열처리 시간은 30분인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
    .
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 사용되는 알콜은 1-부탄올(1-Butanol)인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 사용되는 상기 불활성 기체는 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 하는 이종구조를 가지는 발광 나노와이어의 제조방법.
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