KR100805264B1 - 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터제조된 오산화이바나듐 나노선 박막 - Google Patents

오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터제조된 오산화이바나듐 나노선 박막 Download PDF

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박재현
하정숙
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, a) 졸-겔 (sol-gel) 방법에 의해서 오산화이바나듐 나노선 (V2O5 nanowire) 용액을 제조하는 단계; b) 상기 오산화이바나듐 나노선 용액을 물에 희석시키고, 랑뮈에-블라제 트러프 (Langmuir-Blodgett trough)에 투입하는 단계; c) 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액을 유기 용매에 희석시킨 다음, 이를 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 오산화이바나듐 나노선 용액 표면 상에 도포하는 단계; d) 상기 랑뮈에-블라제 트러프에 장착된 배리어 (barrier)를 사용하여 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면 압력을 조정하는 단계; e) 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 침지 막대 (dipping arm)에 기판을 고정한 다음, 상기 기판을 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과 접촉시키는 단계; 및 f) 상기 기판을 상기 침지 막대로부터 분리한 후 가열하는 단계를 포함하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 균일하고 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선 박막을 제조할 수 있어서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 제조 및 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있다.
오산화이바나듐 나노선 박막, 졸-겔 방법, 랑뮈에-블라제 트러프

Description

오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막 {Method for preparing V2O5 nanowire film and the V2O5 nanowire film prepared therefrom}
도 1은 종래 통상적인 랑뮈에-블라제 트러프에 대한 개요도이다.
도 2a 및 2b는 각각 종래 통상적인 LB 방법 및 LS 방법에 대한 개략적인 공정 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법에 대한 개략적인 공정도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명에 따른 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법에 의해서, 1회 스탬핑 작업을 수행한 후의 패턴화된 기판에 대한 원자력 현미경 사진 (atomic force microscopy) 및 복수 회 스탬핑 작업을 수행한 후의 패턴화된 기판에 대한 원자력 현미경 사진이다.
본 발명은 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 균일하고 밀도가 높 은 오산화이바나듐 나노선 박막을 제조할 수 있어서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 제조 및 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막에 관한 것이다.
오산화이바나듐 (V2O5) 입자는 전기화학적 활성이 매우 우수하여 2차 전지의 활물질로 사용이 가능하며, 또한 나노사이즈의 오산화이바나듐은 촉매, 전자착색소자, 센서, 정전기방지 코팅용 소재 또는 반도체 회로의 나노 도선 제작 등에도 활용이 가능하다.
종래에 이러한 오산화이바나듐 입자는 고상법, 기상법 및 졸겔법 등과 같은 다양한 방법들에 의해서 제조하였으며, 고상법은 암모늄 바나데이트를 열분해하여 오산화이바나듐 입자를 제조하는 방법으로서, 제조가 용이하나 얻어진 입자의 형상이 불규칙적이고 그 크기가 수 마이크로미터 이상으로서 매우 크다는 단점이 있다. 또한, 기상법은 레이저 또는 플라즈마와 같은 열원을 사용한 합성 방법으로서, 제조공정의 제어가 어렵고 비경제적이라는 단점이 있다. 이에 반해서, 졸겔법은 소정의 용매에 오산화이바나듐 분말을 용해시켜서 졸 상태의 오산화이바나듐 용액을 제조하는 과정을 통해서 나노사이즈의 판상 또는 리본상의 오산화이비나듐 입자를 제조하는 방법으로서, 경제적이며 제조가 용이하고 나노사이즈의 미세한 오산화이바나듐 나노선 (nanowire)을 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 액체-기체 계면으로부터 기판 등의 고체 표면에 단층막 또는 다층막 을 이전하는 방법으로서, 랑뮈에-블라제 트러프 (Langmuir-Blodgett trough; LB trough)를 이용한 방법이 공지되어 있다 (K. A. Blodgett, JACS . 1935, 57, 1007). 도 1에는 랑뮈에-블라제 트러프에 대한 개요도가 도시되어 있으며, 트러프 내에 물 등과 같은 분산매를 넣고, 상기 분산매와 공기 사이의 계면에 위치하는 양친매성 분자막을 기판 등의 고체 표면으로 이전하게 된다. LB 트러프 이용 방법은, 비휘발성 또는 비수용성 물질이 수면 상에 존재할 때 이 물질의 분자들과 수면과의 부착력 (adhesion)이 분자들 간의 응집력 (cohesion)보다 크면 분자들이 수면 위에서 확산 이론에 따라 분산되고, 분산된 분자들은 단분자 박막을 형성하므로 이를 기판 등의 고체 표면에 나노 두께의 박막으로 이전할 수 있는 원리를 이용한 방법이다. 이때, 수면 상에 분자가 분산되기 위해서는 분자 자체가 양친매성 (amphiphilicity)을 지녀서, 상기 양친매성 분자가 수면과 접촉하였을 경우, 친수성 부분은 물에 잠기고 소수성 부분은 수면과 반대 방향으로 배향됨으로써, 상기 양친매성 분자가 공기와 물의 계면 상태에만 위치하여야 한다.
상기 LB 트러프 이용 방법에는 나노박막을 형성하고자 하는 기판의 침지 방향이 상기 액체-기체 계면과 수직인가 수평인가에 따라서 랑뮈에-블라제 방법 (LB 방법) 또는 랑뮈에-셰퍼 (Langmuir-Shaeffer) 방법 (LS 방법)으로 분류되며, 도 2a 및 2b에는 각각 LB 방법 및 LS 방법에 대한 개략적인 공정 개요도를 도시하였다. 도 2a 및 2b에 도시된 LB 방법 및 LS 방법의 성공적인 수행을 위해서는, 이전되는 물질에 따라서, 트러프 내에 채워진 이전 대상 물질의 농도, 상기 농도 조절을 위한 적당한 유기 용매의 선택 및 트러프에 장착된 배리어 (barrier)를 사용한 계면 압력의 조절 등과 같은 사항들에 주의하여야 한다.
그러나, 상술한 LB 트러프 이용 방법이 갖는 장점들을 충분히 활용하여 더욱 균일하고 더욱 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선을 기판 상에 이전할 필요성은 증대되고 있음에도 불구하고, 현재까지 졸-겔 방법에 의해서 합성된 오산화이바나듐 나노선을 LB 트러프를 이용하여 기판 등에 이전하는 방법은 개시된 바가 없다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 균일하고 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선 박막을 제조할 수 있어서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 제조 및 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 상기 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,
a) 졸-겔 (sol-gel) 방법에 의해서 오산화이바나듐 나노선 (V2O5 nanowire) 용액을 제조하는 단계;
b) 상기 오산화이바나듐 나노선 용액을 물에 희석시키고, 랑뮈에-블라제 트러프 (Langmuir-Blodgett trough)에 투입하는 단계;
c) 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액을 유기 용매에 희석시킨 다음, 이 를 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 오산화이바나듐 나노선 용액 표면 상에 도포하는 단계;
d) 상기 랑뮈에-블라제 트러프에 장착된 배리어 (barrier)를 사용하여 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면 압력을 조정하는 단계;
e) 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 침지 막대 (dipping arm)에 기판을 고정한 다음, 상기 기판을 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과 접촉시키는 단계; 및
f) 상기 기판을 상기 침지 막대로부터 분리한 후 가열하는 단계
를 포함하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 b) 단계의 희석 오산화이바나듐 나노선 용액은 상기 졸-겔 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 1ml에 대해서 물 200ml 내지 2000ml를 혼합한 수용액일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄은 염화 디옥타데실디메틸암모늄, 브롬화 디옥타데실디메틸암모늄 또는 요오드화 디옥타데실디메틸암모늄일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 유기 용매는 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 희석 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 농도는 0.1 mg/ml 내지 10mg/ml일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 c) 단계의 도포는 해밀토니안 주사기 (Hamiltonian syringe)를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 d) 단계의 계면 압력은 30 mN/m 내지 40 mN/m로 조정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 e) 단계의 기판은 그 표면에 패턴화된 폴리머층이 적층된 스탬프일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 폴리머는 폴리디메틸실록산일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 기판과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과의 접촉은 상기 기판의 평면과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면이 상호 평행하도록 접촉될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 기판과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과의 접촉은 상기 기판의 평면과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면이 상호 수직하도록 접촉될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 e) 단계 이후에 상기 스탬프를 물 또는 에탄올로 세척하고, 상기 스탬프 표면 상에 질소 가스를 불어주는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 f) 단계의 가열은 60℃ 내지 70℃의 온도에서 3분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 패턴화된 폴리머층의 표 면 상에 결합된 오산화이바나듐 나노선 박막을 상기 스탬프와는 다른 기판 상에 미세접촉 프린팅 (micro-contact printing) 방법에 의해서 전이시킬 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,
상기 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막을 제공한다.
본 발명에 따르면, 균일하고 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선 박막을 제조할 수 있어서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 제조 및 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법은, a) 오산화이바나듐 나노선 용액의 제조 단계; b) 물에 희석 및 랑뮈에-블라제 트러프에의 투입 단계; c) 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액을 유기 용매에 희석시키고, 상기 오산화이바나듐 나노선 용액 표면 상에 도포하는 단계; d) 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면 압력을 조정하는 단계; e) 기판을 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과 접촉시키는 단계; 및 f) 기판을 분리 후 가열하는 단계를 포함하며, 도 3에는 본 발명에 따른 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법에 대한 공정도가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 먼저 졸-겔 (sol-gel) 방법에 의해서 합성된 오산화이바나듐 나노선 (V2O5 nanowire) 용액을 물에 희석하는 단계를 수행한다. 졸-겔 방법에 의한 오산화이바나듐 나노선 용액의 제조는 당업계에 공지된 일반적 제조방법에 따 라서 수행될 수 있으며, 급랭법 (quenching method) 또는 화학적 제법 (chemical method) 등과 같은 방법들을 예로 들 수 있다. 예를 들어, 급랭법에 따르면, 오산화이바나듐 분말을 출발물질로 하여 비정질 상태로 가열용융시키고, 용융물을 증류수에 급랭시킨 다음, 교반하여 용해시킴으로써 오산화이바나듐 졸을 제조하게 되며, 화학적 제법에 따르면 오산화이바나듐 분말을 과산화수소에 1차 용해시킨 다음, 용액을 증류수와 교반하여 2차 용해시킴으로써 오산화이바나듐 졸을 제조하게 된다.
다음 단계로, 상기 제조된 오산화이바나듐 졸을 물에 희석시킨 후, 랑뮈에-블라제 트러프에 투입하는 단계를 수행한다. 이때, 오산화이바나듐 졸과 물의 혼합 부피비는 상기 오산화이바나듐 나노선 1ml에 대해서 물 200ml 내지 2000ml를 혼합하는 것이 바람직하다.
이어서, 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액을 유기 용매에 희석시킨 다음, 이를 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 오산화이바나듐 나노선 용액 표면 상에 도포하는 단계를 수행한다.
할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 (dioctadecyldimethylammonium X; DODAX)은 [CH3(CH2)17]2N(CH3)2 +X-의 화학식으로 표시되며, 소수성 부위 및 친수성 부위를 동시에 보유하는 양친매성 분자로서, 이온화된 DODA+ 분자들은 수용액-공기 계면 상에서 소수성을 띄는 알킬 사슬 부위는 공기 중으로, 친수성을 띄는 질소 원자 부위는 수용액 내로 향하도록 배치된다. 따라서, 상술한 바와 같은 랑뮈에-블라제 트러프 (Langmuir-Blodgett trough; LB trough)를 이용한 박막 이전 방법에 유용하게 사용될 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 사용가능한 양친매성 분자로서 할로겐화 디옥타데실암모늄을 예로 들었지만, 암모늄 양이온을 가진 양친매성 유기물질이면서 물의 계면에 주로 존재하는 유기물질이라면 유사한 역할을 수행할 수 있다.
상기와 같이 DODA+ 분자들을 오산화이바나듐 나노선 수용액-공기 계면 상에 도포할 경우, 수용액 중의 오산화이바나듐 나노선은 음전하를 띄고 있으므로 양전하를 띄는 DODA+ 분자들과 정전기력에 의해서 고균일 및 고밀도로 결합하게 된다.
본 발명에서 사용가능한 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄의 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 할로겐기의 종류에 따라서 염화 디옥타데실디메틸암모늄, 브롬화 디옥타데실디메틸암모늄 또는 요오드화 디옥타데실디메틸암모늄을 들 수 있으며, 이를 희석시키기 위한 유기 용매로는 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매를 예로 들 수 있다.
상기 유기 용매에 의해서 희석된 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 농도는 0.1 mg/ml 내지 10mg/ml인 것이 바람직하다.
특히, 할로겐화 디옥타데실암모늄의 도포량은 물 위에 단분자층으로 할로겐화 디옥타데실암모늄층을 형성하고자 하는 경우에 문제가 되며, 할로겐화 디옥타데실암모늄의 도포량이 일정 수준 이상이면 물 속에 녹아 들어가서 마이셀 (micelle)을 형성하면서 V2O5와 함께 복합체 (composite) 형태로 뭉치게 되는 문제점이 있다. 또한, 고농도의 할로겐화 디옥타데실암모늄 용액을 사용하는 경우에는, 해밀토니안 주사기를 사용한 도포시에 더욱 세심한 주의 하에 매우 소량씩 도포하여야 한다.
한편, 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 도포는, 고밀도의 균일한 도포를 보장하기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이, 해밀토니안 주사기 (Hamiltonian syringe)를 사용하여 수행될 수 있다.
다음 단계로는, 랑뮈에-블라제 트러프에 장착된 배리어 (barrier)를 사용하여 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면 압력을 조정하여야 하는데, 이는 고밀도의 단일층 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 박막이 수용액-공기 계면 상에 고르게 분포하도록 하기 위한 과정이다. 바람직하게는, 상기 계면 압력은 30 mN/m 내지 40 mN/m로 조정된다.
오산화이바나듐 나노선의 밀도 및 박막 두께는 계면 압력과 스탬핑 횟수를 제어함으로서 조절할 수 있는데, 4.5nm 내지 5nm 정도 두께의 단일층 박막을 제조하고자 하는 경우에는 계면 압력이 30 mN/m 내지 40 mN/m로 조정되는 것이 바람직하다. 그러나, 제조하고자 하는 오산화이바나듐 박막의 특성 및 안정화 시간 동안 흡착되는 오산화이바나듐의 양이 차이가 난다는 점을 고려할 때, 목적 및 실험 조건에 따라서 상기 계면 압력은 다양한 범위로 조절될 수 있다.
상기 계면 압력 조정 단계 이후에는, 랑뮈에-블라제 트러프의 침지 막대 (dipping arm)에 기판을 고정한 다음, 이를 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과 접촉시키는 단계를 수행한다. 이때, 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄의 소수성 부위와 기판과의 친화력에 의해서 수용액-공기 계면 상에 존재하던 할로 겐화 디옥타데실디메틸암모늄 분자층이 기판으로 이전되면, 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄과 정전기력에 의해서 결합된 오산화이바나듐 나노선도 함께 기판으로 이전되게 된다.
상기 접촉 단계는 상기 기판의 평면과 상기 계면이 상호 평행하도록 수행될 수도 있고, 상호 수직이 되도록 수행될 수도 있으며, 전술한 바와 같이, 전자의 경우를 랑뮈에-블라제 방법 (LB 방법)이라 하고, 후자의 경우를 랑뮈에-셰퍼 (Langmuir-Shaeffer) 방법 (LS 방법)이라 한다.
LB 방법의 경우에는, 물 위에 존재하는 필름에 대해서 원하는 공정 압력을 유지하면서 침지시키기 때문에, 기판의 표면 조도 (roughness 또는 topology)와 관계 없이 필름을 형성하고자 할 때 매우 유용한 기술이다.
또한, LS 방법의 경우도, 물 위에 존재하는 필름을 있는 그대로 전이시킬 수 있다는 점에서 LB 방법과 유사하나, 이미 만들어진 필름을 그대로 기판에 붙이는 것이기 때문에, 기판의 표면 조도가 크면서 패턴이 매우 미세한 경우에는 패턴을 따라 고르게 전이될 수 없다는 문제점이 있다. 그러나, 스탬프를 물의 표면과 수평하게 하여 스탬핑 할 수 있기 때문에 패턴의 전이에 매우 유용한 기술이다.
상기와 같이, 기판 상에 박막 또는 필름을 전이시키기 위한 방법으로서 LB 방법 또는 LS 방법을 선택할 수도 있지만, 기판으로서 표면에 패턴화된 폴리머층이 적층된 스탬프를 사용하는 경우에는 소정의 패턴을 전이시키는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 폴리머로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 폴리디메틸실록산 (PDMS) 등의 물질이 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 스탬프 표면에 소정의 패턴을 전이하는 경우에는, 패턴 영역 외의 디옥타데실디메틸암모늄 분자층 및 오산화이바나듐 나노선을 제거하기 위해서, 선택적으로 상기 스탬프를 물 또는 에탄올로 세척한 다음 질소 가스를 강하게 불어주는 단계를 더 수행할 수도 있다. 이어서, 상술한 바와 같이 스탬프 표면으로 전이된 패턴은 또 다른 기판 상에 미세접촉 프린팅 (micro-contact printing) 방법에 의해서 전이되는 것이 가능하다.
마지막으로, 상기 필름의 전이 또는 패턴의 전이 단계 이후에는, 상기 기판 또는 스탬프를 침지 막대로부터 분리한 후 가열하는 단계가 필수적으로 수행되어야 하는 바, 이는 패턴 디벨로핑 (pattern developing)의 이유 때문이다. 특히, 패턴의 크기가 매우 작은 경우 이러한 가열에 의한 패턴 디벨로핑 단계는 필수적인데, 가열 단계에 의해서 도장 위의 필름을 건조시키는 과정에서 시간을 줄일 수도 있고, 가열 단계는 패턴 크기 및 패턴의 모양에도 영향을 미친다.
이때, 상기 가열은 60℃ 내지 70℃의 온도에서 3분 내지 10분 동안 수행되는 것이 바람직한데, 가열 온도가 70℃를 초과하는 경우에는 필름의 열손상 문제가 발생할 수도 있으며, 가열 시간이 3분 미만인 경우에는 패턴 전이시 필름에 물기가 남아서 물에 의한 패턴의 왜곡 가능성이 있고, 10분을 초과하는 경우에는 폴리머 스탬프를 사용하여 패턴을 전이하고자 하는 경우에, 스탬프 자체가 변형되거나 탄력성을 잃어서 패턴 전이시 스탬프와 기판 사이의 습윤성 (wetting)이 나빠지는 문제점이 있어서 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서, 상기 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막을 제공한다.
본 발명에 따른 오산화이바나듐 나노선 박막은 균일도 및 밀도가 매우 높아서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 또는 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐의 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
실시예
LB 트러프는 침지 막대 및 압력 측정용 종이 기판 (perimeter=39.24mm)을 구비한 모델로서, 핀란드의 KSV사의 KSV2000모델을 사용하였다. 또한, 오산화이바나듐 나노선은 암모늄(메타)바나데이트 (99%, Aldrich) 0.4g, 산성 이온 교환 수지 (DOWEX50WX8-100 ion exchange resin, Sigma-Aldrich) 1g 및 100ml DI-water (Millipore) 100ml를 섞어서 실온에서 6개월 이상 성장시킨 것을 사용하였다 (sol-gel법).
상기와 같이 제조된 오산화이바나듐 나노선 용액을 물에 1/2000로 희석시킨 후, LB 트러프를 채웠다. 이어서, DODAB (>98%, TCI)를 0.1ml/ml의 농도로 클로로포름 (>=99.8%(GC), stabilized with ~1% ethanol, Fluka)에 용해시켜, 초음파 처리 (ultrasonication)를 한 후, 해밀토니안 주사기를 사용하여 LB 트러프 위에 도포하였다.
다음 단계로, 원하는 공정 압력까지 (단분자층 형성의 경우 35mN/m) 배리어 를 닫은 후, 약 48시간 동안 안정화 시간을 부여하여 계면 압력을 공정 압력으로 유지하면서 침지 막대에 기판 또는 PDMS 스탬프 (DOW Corning사의 DC 184-A 및 DC 184-B를 10:1의 무게비로 잘 섞은 후, 실리콘 마스터에 붓고 기포가 없을 때까지 공기 중에 두었다가 오븐에 2시간 이상 소성시켜 완성)를 물려주고 필름을 전이하였다. 곧 이어서, 기판 또는 스탬프에 대해서 블로잉 처리를 행 한 후, 필요에 따라서 DI-water에 의한 세척 및 린스 작업과 질소 가스에 의한 블로잉 처리를 통해서 DODAB (V2O5와 정전기력에 의해서 결합되지 않고 남은 부분을 의미하며, V2O5와 정전기력에 의해서 결합된 DODAB는 이온 교환에 의해서 DODA+/V2O5 하이브리드 박막을 형성한다)만을 선택적으로 제거하였다.
한편, PDMS 스탬프를 이용하여 패턴을 전이하고자 하는 경우, PDMS 스탬프를 기판에 적당한 시간 동안 접촉시키고 (전이하고자 하는 기판의 표면 조도에 따라 접촉 시간이 달라지며, 일반적인 평면 표면의 경우에는 대략 5초간 접촉시키고, 표면 조도가 큰 기판일수록 보다 길게 접촉시킴), 떼어주어 패턴을 전이시켰다.
도 4a 및 4b에는 상기 실시예에 따라서, 1회 스탬핑 작업을 수행한 후의 패턴화된 기판에 대한 원자력 현미경 사진 (atomic force microscopy) 및 복수 회 스탬핑 작업을 수행한 후의 패턴화된 기판에 대한 원자력 현미경 사진을 도시하였으며, 도 4a 및 4b를 참조하면, 기판 상에 균일하고 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선 패턴이 제조된 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 균일하고 밀도가 높은 오산화이바나듐 나노선 박막을 제조할 수 있어서, 반도체 회로 분야의 나노 도선 제조 및 2차전지용 고밀도 오산화이바나듐 필름 제조 등에 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (15)

  1. a) 졸-겔 (sol-gel) 방법에 의해서 오산화이바나듐 나노선 (V2O5 nanowire) 용액을 제조하는 단계;
    b) 상기 오산화이바나듐 나노선 용액을 물에 희석시키고, 랑뮈에-블라제 트러프 (Langmuir-Blodgett trough)에 투입하는 단계;
    c) 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액을 유기 용매에 희석시킨 다음, 이를 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 오산화이바나듐 나노선 용액 표면 상에 도포하는 단계;
    d) 상기 랑뮈에-블라제 트러프에 장착된 배리어 (barrier)를 사용하여 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면 압력을 조정하는 단계;
    e) 상기 랑뮈에-블라제 트러프의 침지 막대 (dipping arm)에 기판을 고정한 다음, 상기 기판을 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과 접촉시키는 단계; 및
    f) 상기 기판을 상기 침지 막대로부터 분리한 후 가열하는 단계
    를 포함하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 b) 단계의 희석 오산화이바나듐 나노선 용액은 상기 졸-겔 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 1ml에 대해서 물 200ml 내지 2000ml를 혼합한 수용액인 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄은 염화 디옥타데실디메틸암모늄, 브롬화 디옥타데실디메틸암모늄 또는 요오드화 디옥타데실디메틸암모늄인 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 유기 용매는 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매인 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 희석 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 농도는 0.1 mg/ml 내지 10mg/ml인 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계의 도포는 해밀토니안 주사기 (Hamiltonian syringe)를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 d) 단계의 계면 압력은 30 mN/m 내지 40 mN/m로 조정 되는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 e) 단계의 기판은 그 표면에 패턴화된 폴리머층이 적층된 스탬프임을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과의 접촉은 상기 기판의 평면과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면이 상호 평행하도록 접촉시키는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면과의 접촉은 상기 기판의 평면과 상기 할로겐화 디옥타데실디메틸암모늄 용액의 계면이 상호 수직하도록 접촉시키는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 e) 단계 이후에 상기 스탬프를 물 또는 에탄올로 세척하고, 상기 스탬프 표면 상에 질소 가스를 불어주는 단계를 더 포함하는 것을 특징 으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 f) 단계의 가열은 60℃ 내지 70℃의 온도에서 3분 내지 10분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 패턴화된 폴리머층의 표면 상에 결합된 오산화이바나듐 나노선 박막을 상기 스탬프와는 다른 기판 상에 미세접촉 프린팅 (micro-contact printing) 방법에 의해서 전이시키는 것을 특징으로 하는 오산화이바나듐 나노선 박막의 제조방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 제조된 오산화이바나듐 나노선 박막.
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