KR100836890B1 - Method for vertical growth of zno nanowires on ito substrate - Google Patents

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김봉수
윤하나
서관용
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Abstract

A method for manufacturing zinc oxide nanowires is provided to produce single crystal zinc oxide nanowires having uniform size, shape, and density vertically grown on an ITO substrate using a chemical vapor deposition method. A method for manufacturing zinc oxide nanowires on an ITO substrate includes the steps of: physically covering the ITO substrate with a metal foil having a macro hole; mixing ZnO and Zn powders; and manufacturing the zinc oxide nanowires by heat-treating the ITO glass covered with the metal foil and a crucial containing the ZnO/Zn mixture powder in an atmosphere of inert gas and oxygen gas. The ZnO and Zn powders are mixed in a weight ratio of ZnO : Zn ranging from 1:0.2 to 1:5.

Description

ITO 기판을 이용한 산화아연 나노선의 수직성장 방법{Method for Vertical Growth of ZnO Nanowires on ITO Substrate}Method for Vertical Growth of ZnO Nanowires on ITO Substrate}

도 1은 금속 박으로 ITO 기판을 감싼 일 실시예이며,1 is an embodiment of wrapping an ITO substrate with a metal foil,

도 2는 본 발명에 따른 열처리 방법을 도시한 일 실시예이며,2 is an embodiment showing a heat treatment method according to the present invention,

도 3a은 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope) 사진이며,3A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate through Example 1,

도 3b는 실시예 1을 통해 형성된 빈 공간의 알루미늄 박 내부, 외부 및 ITO 기판상 형성된 산화아연 나노선의 주사전자현미경사진이며,FIG. 3B is a scanning electron micrograph of zinc oxide nanowires formed on the inside, outside and ITO substrate of an aluminum foil formed through Example 1,

도 4는 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 X선 회절패턴(X-ray diffraction pattern)이며,4 is an X-ray diffraction pattern of zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate through Example 1,

도 5a는 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이며 도 5a의 오른쪽 상부에 첨부된 사진은 산화아연 나노선의 제한시야전자회절(SAED; Selected Area Electron Diffraction) 패턴이며,FIG. 5A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a zinc oxide nanowire formed on an ITO substrate through Example 1, and a photograph attached to the upper right of FIG. 5A shows a limited field electron diffraction (SAED; selected) of a zinc oxide nanowire. Area Electron Diffraction) pattern,

도 5b는 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 고분해능 투과전자현미경(HRTEM; High Resolution TEM) 사진이며 도 5b의 오른쪽 상부에 첨부된 사진은 상기 도 5b의 산화아연 나노선의 고속푸리에변환 패턴이며,5b is a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of a zinc oxide nanowire formed on an ITO substrate according to Example 1, and a photograph attached to the upper right of FIG. 5b is a fast Fourier transform of the zinc oxide nanowire of FIG. 5b. Pattern,

도 6은 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선에 대하여 전자현미경에 부착된 에너지분산장치(EDS; Energy Dispersive Spectroscope)를 이용하여 측정한 에너지분산분석 결과이며,6 is an energy dispersive analysis result measured using an energy dispersive spectroscope (EDS) attached to an electron microscope for zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate according to Example 1,

도 7은 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 전계방출특성을 측정한 그래프(graph)이다.FIG. 7 is a graph measuring field emission characteristics of zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate through Example 1. FIG.

디스플레이 시장을 주도하던 브라운관(CRT)은 다양한 영역에서 평판디스플레이로 대체되고 평판디스플레이를 주축으로 하는 새로운 시장이 형성되고 있다. 브라운관의 뒤를 이어서 각광을 받고 있는 평판디스플레이로는 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display), 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode), 플라즈마표시장치(PDP; Plasma Display Panel), 전계방출 디스플레이(FED; Field Emission Display)등이 거론되고 있으며 그 중에서도 고화질, 고효율, 저소비전력을 장점으로 하는 전계방출 디스플레이(FED)가 차세대 정보디스플레이소자로 크게 주목을 받고 있다. 전계방출 디스플레이는 에미터(Emitter)로부터 무수히 많은 전자를 방출, 상을 맺히게 하는 원리로 구동되며, 음극판 패널(Cathode)과 양극판 패널(Anode)로 구성되어 있다. 기본적으로 음극판에서 방출된 전자가 양극판의 형광체에 부딪혀 영상을 나타내도록 설계되어 작동 방식이 기존 브라운관과 유사하면서도 평판으로 되어 있어 차세대 평판 브라운관이라고도 한다. 전계방출 디스플레이의 음극판 패 널은 전자를 방출하는 마이크로 팁(FEA; Field Emitter Array)으로 구성되어 있고 양극판 패널은 형광체가 도포되어 사람이 볼 수 있는 영상을 나타내는 부분이다. 전계방출 디스플레이는 초박형, 저전력 소비, 저공정 비용, 뛰어난 온도특성, 고속 동작 등의 고른 장점을 갖추고 있어 소형 컬러TV에서 산업용 제품과 컴퓨터 등에 이르기까지 광범위하게 활용될 수 있을 것이라 예상되고 있다. The CRT, which has led the display market, is being replaced by flat panel displays in various areas, and new markets are being formed mainly on flat panel displays. Flat panel displays following the CRT include liquid crystal displays (LCDs), light emitting diodes (LEDs), plasma display panels (PDPs), and field emission displays (FEDs). Emission Display, etc. Among them, field emission display (FED), which has high quality, high efficiency, and low power consumption, is drawing attention as the next generation information display device. A field emission display is driven on the principle of emitting and entraining a myriad of electrons from an emitter, and is composed of a cathode panel and a cathode panel. Basically, electrons emitted from the cathode plate are designed to display the image by hitting the phosphor of the anode plate. The negative electrode panel of the field emission display is composed of a micro tip (FEA) that emits electrons, and the positive electrode panel is a part where the phosphor is applied to represent an image that can be viewed by a human. Field-emitting displays are expected to be widely used in small color TVs, industrial products and computers, with the advantages of ultra-thin, low power consumption, low process cost, excellent temperature characteristics and high speed operation.

이 같은 전계방출 디스플레이의 중요한 기술적 요소로는 전자 방출원인 에미터의 가공기술과 재료의 안정성을 들 수 있는데, 아직까지는 실리콘 팁(Si tip)이나 몰리브덴 팁(Mo tip)이 주로 사용되고 있지만 안정성에 큰 문제가 있어서 가공하기 쉬우면서도 안정성이 높은 새로운 재료의 개발에 대한 필요성이 대두되어왔다. 전계방출 디스플레이의 핵심기술은 먼저 전자방출용 에미터를 종횡비(aspect ratio)가 크게 합성할 수 있어야 하고, 제작된 에미터에 인가전압을 걸었을 때 시간에 따라 특성이 저하되지 않아야 하며, 안정한 구조의 에미터를 재현성 있게 제작하는 것이라 할 수 있다. 또한 전계방출 디스플레이는 유리를 기판으로 사용하기 때문에 저온 성장 기술이 필수적이고, 아울러 고효율 전자방출을 위해서는 에미터를 수직으로 성장시키거나 또는 수직으로 세우는 기술이 필요하다. Important technical elements of the field emission display include the processing technology of the emitter, which is the electron emission source, and the stability of the material.Silicone silicon (Si tip) or molybdenum tip (Mo tip) is still used mainly, but the stability is large. There is a need to develop new materials that are easy to process and have high stability due to problems. The core technology of the field emission display must first be able to synthesize the electron emission emitter with a large aspect ratio, and should not deteriorate with time when applied voltage is applied to the manufactured emitter. It can be said that the emitter of is produced reproducibly. In addition, since the field emission display uses glass as a substrate, low temperature growth technology is essential, and a technique for growing the emitter vertically or vertically is required for high efficiency electron emission.

지금까지 새로운 전계방출 디스플레이의 재료로써 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)가 큰 주목을 받아 왔으나 발광이 불균일하고, 깜빡거림이나 탄소나노튜브 파괴 등의 문제점이 발생하여, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 소재의 필요성이 대두되고 있다. Until now, carbon nanotubes (CNTs) have received great attention as a material for new field emission displays, but light emission is uneven and flickering or carbon nanotube destruction occurs, which can solve such problems. The need for new materials is emerging.

산화아연 나노선은 낮은 구동전압과 큰 종횡비를 갖는 등 탄소나노튜브가 지 니고 있는 우수한 성질들을 고루 갖추고 있을 뿐만 아니라, 기계적, 화학적, 열적 내구성이 매우 우수하여 탄소나노튜브가 지니고 있는 문제를 해결할 수 있는 새로운 전계방출 디스플레이 재료로 주목받고 있다.Zinc oxide nanowires not only possess the excellent properties of carbon nanotubes such as low driving voltage and large aspect ratio, but also solve the problems of carbon nanotubes due to their excellent mechanical, chemical and thermal durability. Is attracting attention as a new field emission display material.

지금까지는 ITO(Indium Tin Oxide)기판과 같은 유리 기판을 사용할 경우 기판이 고온 공정을 견딜 수 없으므로 액상을 이용하여 산화아연 나노선을 합성하는 저온 성장 방식을 주로 사용하였으나, 액상법을 이용하여 산화아연 나노선을 합성할 경우에는 다량의 불순물이 포함되어 있거나, 결정이 완벽하지 않은 경우가 많아 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다. Until now, when glass substrates such as ITO (Indium Tin Oxide) substrates were used, the low temperature growth method of synthesizing zinc oxide nanowires using liquid phase was mainly used. When synthesizing the route, a large amount of impurities are included or the crystals are not perfect, which causes a problem of inefficient efficiency.

반면에 기존의 화학 기상 증착법을 이용하여 산화아연 나노선을 합성할 경우 수직 성장한 단결정 나노선을 다량 합성할 수 있었으나, 고온의 실험조건으로 인하여 녹는점이 낮은 ITO기판 상에서의 나노선 합성에 어려움 있었으며, 금과 같은 금속 촉매를 사용해야 하는 한계와 산화아연 나노선의 형태(morphology), ITO기판 상의 수직성장, 산화아연 나노선들의 균일한 성장 등을 조절하는데 어려움이 있었다. On the other hand, when synthesizing zinc oxide nanowires using conventional chemical vapor deposition, it was possible to synthesize large amounts of vertically grown single crystal nanowires, but it was difficult to synthesize nanowires on low-melting ITO substrates due to high temperature experimental conditions. There were limitations to using metal catalysts such as gold, morphology of zinc oxide nanowires, vertical growth on ITO substrates, and uniform growth of zinc oxide nanowires.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 화학 기상 증착법을 이용하여 촉매를 사용하지 않고 ITO기판 상에서 크기, 형상 및 밀도가 균일하며 ITO 기판과 수직으로 배향 성장한 단결정 산화아연 나노선의 제조 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method for producing single crystal zinc oxide nanowires having a uniform size, shape, and density on an ITO substrate and oriented perpendicular to the ITO substrate without using a catalyst by using chemical vapor deposition. Is in.

본 발명의 다른 목적은 상기 제안한 제조방법을 이용하여 제조된 ITO기판 상 수직 배향 성장한 단결정 산화아연 나노선의 전계방출효과를 측정하여 전계방출디스플레이(Field emission display)의 에미터(emitter)로의 활용을 제안하는데 있 다.Another object of the present invention is to measure the field emission effect of vertically oriented zinc oxide nanowires grown vertically on an ITO substrate prepared by using the proposed method, and propose to use the field emission display as an emitter. It is.

상기의 목적을 달성하기위한 본 발명의 산화아연 나노선의 제조방법은 ITO 기판 상에 산화아연 나노선(nanowire)을 형성시키기 위해, 매크로(macro) 홀이 형성된 금속 박(foil)으로 상기 ITO(Indium Tin Oxide) 기판을 물리적으로 감싸고, ZnO와 Zn 분말을 혼합하여, 상기 금속박에 싸인 ITO 기판과 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 불활성 기체 및 산소 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 한다. The method for producing a zinc oxide nanowire of the present invention for achieving the above object is to form a zinc oxide nanowire (nanowire) on an ITO substrate, the metal foil (macro) hole is formed of the ITO (Indium) Tin Oxide) physically surrounding the substrate, and mixed with ZnO and Zn powder, the crucible containing the ITO substrate and the ZnO / Zn mixed powder wrapped in the metal foil is prepared by heat treatment in an atmosphere of flowing inert gas and oxygen gas do.

상기 매크로 홀은 면적이 1 ㎟ 내지 40 ㎟인 특징을 가지며 상기 금속박에 상기 매크로 홀을 하나 이상 형성하여 ITO 기판을 감싸게 된다. The macro hole has an area of 1 mm 2 to 40 mm 2 and forms at least one macro hole in the metal foil to surround the ITO substrate.

매크로 홀이 존재하는 금속박을 ITO 기판에 감쌀 때, 단일한 금속박을 이용하여 ITO 기판의 윗면과 아랫면을 모두 감싸는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 ITO 기판의 모든 면을 감싸는 것이 가장 바람직하다. 또한 상기 매크로 홀이 ITO 기판 상 산화 아연 나노선을 성장시키고자 하는 위치에 놓이도록 감싸는 것이 바람직하다. When wrapping the metal foil in which the macro holes exist on the ITO substrate, it is preferable to cover both the upper and lower surfaces of the ITO substrate using a single metal foil, and most preferably, to cover all the surfaces of the ITO substrate. It is also preferable to enclose the macro holes so that they are in a position to grow the zinc oxide nanowires on the ITO substrate.

상기 금속박은 500℃에서 선열팽창계수가 10 x 10-6 /℃ 내지 40 x 10-6 /℃인 인 금속박을 사용하는 특징을 갖는데, 이는 금속박에 싸인 ITO 기판을 열처리할 때, 금속박과 ITO 기판과의 선열팽창계수 차이에 의해 금속박의 매크로 홀 주변에 열 소성변형(thermal plastic deformation)이 일어나 상기 금속박의 매크로 홀 부 근이 부풀어 올라 금속박이 ITO 기판과 분리된 빈 공간을 형성시키게 하기 위함이다. The metal foil has a feature of using a metal foil having a linear thermal expansion coefficient of 10 × 10 −6 / ° C. to 40 × 10 −6 / ° C. at 500 ° C., which is used when heat-treating an ITO substrate wrapped in a metal foil, This is to cause thermal plastic deformation around the macro holes of the metal foil due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal foils, causing the macro foils of the metal foils to swell to form an empty space separated from the ITO substrate.

선열팽창계수 차이에 의해 만들어진 상기 빈 공간은 산화아연 나노선 합성에 있어서 안정한 공간을 제공하고, 산화아연 나노선의 수직성장을 위한 최적의 조건을 형성할 수 있게 해준다. The void space created by the difference in coefficient of thermal expansion provides a stable space in the synthesis of zinc oxide nanowires, and enables the formation of optimal conditions for vertical growth of the zinc oxide nanowires.

상세하게는 금속박에 싸인 ITO 기판과 산화아연 나노선을 형성시키는 전구물질인 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 불활성 기체 및 산소 기체가 흐르는 분위기에서 열처리 할 때, 기화된 상기 전구물질이 불활성 기체 및 산소 기체의 흐름에 따라 금속박에 싸인 ITO 기판으로 이동하게 되고, 상기 기체의 유속의 흐름에 직접적인 영향을 받지 않는 상기 빈 공간 안에서 준평형상태(quasi-equilibrium)를 유지하며 ITO 기판 상에 산화아연 나노선이 생성, 성장 할 수 있게 되는 것이다. Specifically, when a crucible containing an ITO substrate wrapped in a metal foil and a ZnO / Zn mixed powder, which is a precursor for forming zinc oxide nanowires, is heat-treated in an atmosphere of inert gas and oxygen gas, the precursor vaporized is inert gas and As the oxygen gas flows, it moves to an ITO substrate wrapped in a metal foil, and maintains a quasi-equilibrium in the empty space that is not directly affected by the flow of the gas. Routes can be created and grown.

따라서 금속박의 선열팽창계수가 10 x 10-6 /℃ 이하이면 본 발명이 제안하는 제조방법의 열처리 온도에서 상기 빈 공간을 충분히 형성시킬 수 있을 정도의 열 소성변형을 얻을 수 없으며 선열팽창계수가 40 x 10-6 /℃ 이상이면 본 발명의 열처리 온도에서 큰 소성변형이 일어나 상기 빈 공간이 너무 커져 균일하며 조절된 형상의 산화아연 나노선을 얻기 힘들게 된다. Therefore, if the coefficient of thermal expansion of the metal foil is 10 x 10 -6 / ℃ or less, the thermal plastic deformation sufficient to form the empty space at the heat treatment temperature of the manufacturing method proposed by the present invention cannot be obtained, and the coefficient of linear thermal expansion is 40 If x 10 −6 / ° C. or more, a large plastic deformation occurs at the heat treatment temperature of the present invention, so that the empty space becomes too large to obtain a zinc oxide nanowire having a uniform and controlled shape.

상기 매크로 홀의 면적 또한 금속박의 선열팽창계수와 유사한 이유로 매크로 홀의 면적이 1 ㎟ 이하이면 매크로 홀 부근의 상기 빈 공간을 충분히 형성시킬 수 없고, 40 ㎟ 이상이면 너무 큰 빈 공간이 형성되고 분위기 기체의 유속의 영향을 직접적으로 받게 된다. If the area of the macro hole is also similar to the coefficient of thermal expansion of the metal foil, if the area of the macro hole is 1 mm 2 or less, the void space near the macro hole cannot be sufficiently formed. If the area of the macro hole is 40 mm 2 or more, too large empty space is formed, and the flow rate of the atmosphere gas. Will be directly affected.

따라서 상기 빈 공간에서 기화된 상기 전구물질의 준평형상태를 유지하며 효율적으로 산화아연 나노선을 성장시키기 위해 상기 금속박에 존재하는 매크로 홀은 직사각형의 형태로 직사각형의 장축이 분위기 기체의 흐름에 수직인 방향으로 위치함이 바람직하다. Therefore, in order to maintain the quasi-equilibrium state of the precursor vaporized in the empty space and to efficiently grow zinc oxide nanowires, the macro holes present in the metal foil have a rectangular shape, and the long axis of the rectangle is perpendicular to the flow of the atmosphere gas. It is preferred to be located in the direction.

이때 상기 금속 박은 본 발명의 열처리 온도에서 기화가 미미하여야 하며 ITO 기판과 반응하지 않고 제조되는 산화아연 나노선에 불순물로 함유되어서는 안 되므로 알루미늄박을 사용하는 것이 가장 바람직하다. At this time, the metal foil is most preferable to use aluminum foil because it must be minimal vaporization at the heat treatment temperature of the present invention and should not be contained as impurities in the zinc oxide nanowires produced without reacting with the ITO substrate.

도 1은 금속 박으로 ITO 기판을 감싼 실시예와 열처리에 의해 형성되는 빈 공간을 도시한 것이다. 상기의 예에서 금속 박의 직사각형의 단일한 매크로 홀이 ITO 기판의 중앙에 위치하도록 ITO 기판을 감싼 경우이며 도 1에서 하부의 원은 열처리에 의해 형성된 매크로 홀 주위의 빈 공간의 단면도를 도시한 것이다. 1 shows an embodiment in which an ITO substrate is wrapped with a metal foil and an empty space formed by heat treatment. In the above example, the rectangular single macro hole of the metal foil is wrapped around the ITO substrate so as to be located at the center of the ITO substrate, and the lower circle in FIG. 1 shows a cross-sectional view of the empty space around the macro hole formed by heat treatment. .

산화아연 나노선의 전구체인 ZnO와 Zn 분말의 혼합물은 ZnO : Zn의 질량비가 1:0.2 내지 1:5 로 혼합되는 특징을 갖는다. 최적의 나노선 합성을 위해서는 낮은 수준의 과포화 상태(low level of supersaturation)를 유지시켜주는 것이 필수적이다. Zn는 ZnO에 비해서 저온에서 높은 증기압(vapor pressure)을 갖기 때문에, 반응 초기 단계에서 전구체 증기(precursor vapor)를 공급하는데 있어서 중요한 요소에 해당한다. 이러한 이유로, Zn의 질량이 ZnO에 비해서 20% 미만(ZnO:Zn=1:0.2)으로 합성에 제공되는 경우 합성 초기의 전구체 증기의 양이 부족하여 나노선의 제조를 위한 최적의 조건을 유지하기가 어렵다. 반면에, Zn의 질량이 ZnO에 비해서 5배 이상(ZnO:Zn=1:5)으로 합성에 제공되는 경우에는 합성 초기의 전구체 증기의 양이 과도하게 생성, 공급되어 나노선을 제조하는데 어려움이 발생한다.A mixture of ZnO and Zn powder, which are precursors of zinc oxide nanowires, is characterized in that the mass ratio of ZnO: Zn is 1: 0.2 to 1: 5. Maintaining a low level of supersaturation is essential for optimal nanowire synthesis. Since Zn has a higher vapor pressure at lower temperatures than ZnO, it is an important factor in supplying precursor vapor in the initial stage of the reaction. For this reason, if the mass of Zn is provided in the synthesis at less than 20% (ZnO: Zn = 1: 0.2) compared to ZnO, the amount of precursor vapor at the beginning of the synthesis is insufficient to maintain optimal conditions for the production of nanowires. it's difficult. On the other hand, when the mass of Zn is more than five times higher than that of ZnO (ZnO: Zn = 1: 5), the amount of precursor vapor in the initial stage of synthesis is excessively generated and supplied, making it difficult to manufacture nanowires. Occurs.

또한 상기 ZnO와 Zn 분말의 혼합 시 산화아연 나노선의 밴드갭 에너지를 조절하기 위하여 전이금속, 주석, 인듐 또는 황, 또는 이들의 조합에서 선택된 밴드갭 조절 물질을 더 포함하여 혼합될 수 있다. 밴드갭 에너지를 조절하기 위해 사용되는 전이금속은 마그네슘, 카드뮴, 망간, 크롬 또는 코발트, 또는 이들의 조합에서 선택된 물질이 바람직하다. In addition, in order to control the bandgap energy of the zinc oxide nanowires when the ZnO and the Zn powder are mixed, a bandgap control material selected from a transition metal, tin, indium or sulfur, or a combination thereof may be further included. The transition metal used to control the bandgap energy is preferably a material selected from magnesium, cadmium, manganese, chromium or cobalt, or a combination thereof.

도 2는 본 발명에 따른 열처리 방법을 도시한 일 실시 예이며, 도 2를 기반으로 본 발명의 열처리 방법을 상세히 설명한다. Figure 2 is an embodiment showing a heat treatment method according to the present invention, will be described in detail the heat treatment method of the present invention based on FIG.

도 2에 도시된 바와 같이 열처리시 불활성 기체 및 산소 기체를 일정량 흐르게 하고 금속박에 싸인 ITO 기판은 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니와 물리적으로 분리되어 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 기준으로 상기 불활성 기체 및 산소 기체가 흐르는 방향으로 놓이게 된다. 또한 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니는 바람직하게 열처리 장치(furnace)내의 석영 관(quartz tube)에서 가장 고온인 부위에 위치하며, 상기 ITO 기판은 상기 도가니와 떨어진 거리를 조절하여 최적의 온도조건을 조성할 수 있다. ITO 기판이 놓인 곳에 또 다른 발열체와 온도조절장치(controller)를 이용하여 도가니가 놓인 부분과 상관없이 개별적으로 온도를 조절하는 방법도 가능하다. As shown in FIG. 2, an ITO substrate in which a predetermined amount of inert gas and oxygen gas flows during heat treatment and is wrapped in a metal foil is physically separated from a crucible containing the ZnO / Zn mixed powder, and based on the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder Inert gas and oxygen gas flow in the direction of flow. In addition, the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder is preferably located at the hottest part of the quartz tube in the heat treatment apparatus, and the ITO substrate is controlled at a distance away from the crucible for optimum temperature conditions. Can be formulated. It is also possible to control the temperature individually, regardless of where the crucible is placed, using another heating element and a controller where the ITO substrate is placed.

상기 산화아연 나노선의 전구체인 ZnO/Zn 분말의 혼합물을 담은 도가니(알루미나 도가니)와 상기 금속 막에 싸인 ITO 기판을 열처리 할 때, 기화된 전구체는 불활성 기체의 흐름에 따라 이동하게 되므로 상기 아르곤을 포함하는 상기 불활성 기체를 10 sccm 이상으로 흘려 기화된 전구체의 원활한 이동을 유도하고 300 sccm 이하로 흘려 상기 빈 공간에서 기화된 전구체가 준평형상태를 유지하도록 만든다. 또한 불활성 기체와 함께 산소 기체를 0.1 sccm 내지 5 sccm으로 흘려주는 것이 바람직한데 이는 기화된 Zn을 산화시키기 위한 것으로 0.1 sccm 이하이면 상기 기화된 Zn 분말을 충분히 산화시키며 산화아연 나노선의 성장을 유도할 수 없으며 5sccm이상으로 흘려도 기화된 Zn의 산화가 더 이상 산화아연 나노선의 성장에 도움이 되지 않는다. When heat treating a crucible (alumina crucible) containing a mixture of ZnO / Zn powder, which is a precursor of zinc oxide nanowires, and an ITO substrate wrapped in the metal film, the vaporized precursor moves in accordance with the flow of an inert gas, thus containing argon. By flowing the inert gas to 10 sccm or more to induce a smooth movement of the vaporized precursor and to 300 sccm or less to make the vaporized precursor in the empty space to maintain a quasi-equilibrium state. In addition, it is preferable to flow oxygen gas at 0.1 sccm to 5 sccm together with the inert gas, which is for oxidizing Zn vaporized Zn. If it is 0.1 sccm or less, the vaporized Zn powder can be sufficiently oxidized to induce growth of zinc oxide nanowires. And the oxidation of evaporated Zn no longer helps the growth of zinc oxide nanowires even if it flows over 5sccm.

위와 같은 조건으로 분위기 기체를 흘리며 열처리 할 때, 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 700 ℃ 내지 850 ℃로 유지시켜 상기 산화아연 나노선 전구물질의 기화를 유도하고 상기 금속박에 싸인 ITO 기판을 상기 도가니보다 저온인 450℃ 내지 600℃로 유지시켜 산화아연을 증착시킨다. 상기 도가니의 가열 온도와 상기 ITO 기판의 가열 온도는 ITO 기판 상에 성장하는 산화아연 나노선의 핵 생성 구동력과 성장속도에 영향을 미치는데, 상기 도가니를 700 ℃ 이하로 열처리 하면 충분한 산화아연 나노선 전구물질의 기화를 유도하지 못하며 850 ℃ 이상으로 열처리 하여도 더 이상 산화아연 나노선의 성장에 도움이 되지 않는다. 또한 ITO 기판의 온도가 450℃이하이면 핵 생성 구동력은 커지는 반면 성장이 느려지고 600℃ 이상이면 성장 속도가 빠른 반면 핵 생성 구동력이 작아, 450℃ 내지 600℃의 온도범위를 벗어나면 균일한 크기와 일정한 밀도를 가지며 ITO 기판 상 특정한 방향으로 성장한 수직 산화아연 나노선의 배열을 얻기 힘들어 진다. When heat-treating the atmosphere gas under the above conditions, the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder is maintained at 700 ° C. to 850 ° C. to induce vaporization of the zinc oxide nanowire precursor and the ITO substrate wrapped in the metal foil. Zinc oxide is deposited by maintaining at a temperature of 450 ° C. to 600 ° C., which is lower than that of the crucible. The heating temperature of the crucible and the heating temperature of the ITO substrate affect the nucleation driving force and the growth rate of the zinc oxide nanowires growing on the ITO substrate. It does not induce vaporization of the material, and heat treatment above 850 ℃ no longer helps the growth of zinc oxide nanowires. In addition, if the temperature of the ITO substrate is lower than 450 ° C, the nucleation driving force is increased, but the growth is slow and if the temperature is higher than 600 ° C, the growth rate is fast while the driving force of the nucleation is small. It is difficult to obtain an array of vertical zinc oxide nanowires having a density and grown in a specific direction on an ITO substrate.

다음에 소개되는 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되어지는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.The following embodiments are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms.

(실시예 1)(Example 1)

알루미늄박에 5 ㎜ x 2 ㎜의 크기를 갖는 매크로 홀을 만들고 상기 매크로 홀이 ITO 기판의 중앙에 위치하도록 ITO 기판을 감싸고, 알루미나 도가니에 ZnO 분말(99.99%, Aldrich)과 Zn 분말(99.998%, Aldrich)을 1:1의 질량비로 혼합하여 담았다. Make a 5 mm x 2 mm macro hole in aluminum foil and wrap the ITO substrate so that the macro hole is located in the center of the ITO substrate, and in the alumina crucible, ZnO powder (99.99%, Aldrich) and Zn powder (99.998%, Aldrich) was mixed in a mass ratio of 1: 1 and contained.

가열 노(furnace)의 1인치 직경의 석영관(quartz tube) 내부에 아르곤 기체 140sccm과 산소 3sccm를 흘려주고, 상기 ITO 기판이 상기 알루미나 도가니를 기준으로 아르곤 기체와 산소가 흐르는 방향에 위치하도록 ITO 기판과 알루미나 도가니를 두 개의 가열 영역으로 구분되어 있는 가열 노(Furnace) 안에 넣는다. An ITO substrate is placed in a 1-inch diameter quartz tube of a heating furnace to flow 140 sccm of argon gas and 3 sccm of oxygen, and the ITO substrate is positioned in a direction in which argon gas and oxygen flow based on the alumina crucible. And alumina crucibles are placed in a furnace, which is divided into two heating zones.

알루미나 도가니가 놓인 가열 영역은 770 ℃, 기판이 놓인 가열 영역은 500 ℃로 가열하여 10분 동안 반응을 진행하였다. The heating region in which the alumina crucible was placed was heated to 770 ° C., and the heating region in which the substrate was placed was heated to 500 ° C. for 10 minutes.

반응이 끝난 후에 가열 노를 식히고, ITO 기판을 전체적으로 감싸주었던 알루미늄박을 제거하였다. 합성이 끝난 후 기판 상 밝은 회색빛의 산화아연이 기판 위에 합성된 것을 확인할 수 있었다.After the reaction was completed, the heating furnace was cooled, and the aluminum foil that completely wrapped the ITO substrate was removed. After the synthesis was completed, it was confirmed that light gray zinc oxide was synthesized on the substrate.

(측정예)Measurement example

도 3a은 상기의 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope) 사진이다. 도 3에서 알 수 있 듯이 나노선의 직경이 약 80 nm 내지 100 nm이며, 길이가 수 마이크로미터(㎛) 가량 되는 균일한 밀도의 산화아연 나노선이 일정한 형태와 크기로 형성되었음을 확인할 수 있었다.FIG. 3A is a scanning electron microscope (SEM) photograph of zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate through Example 1 above. FIG. As can be seen in Figure 3, the diameter of the nanowires was about 80 nm to 100 nm, it was confirmed that the zinc oxide nanowires of uniform density having a length of several micrometers (㎛) was formed in a constant shape and size.

도 3b는 알루미늄 박의 5 ㎜ x 2 ㎜의 크기를 갖는 매크로 홀을 중심으로 형성된 빈 공간에서 빈 공간을 형성하는 알루미늄박의 외부면과 알루미늄박의 내부면과 ITO 기판 상에 형성된 산화아연 나노선의 주사전자현미경 사진이다. 도 3b에서 알 수 있듯이 열처리시 분위기 기체에 의해 직접적으로 영향을 받는 알루미늄 박의 외부면에는 무질서한 나노선의 군집(cluster)형태로 산화아연 나노선이 만들어지고, 준평형상태를 유지하는 빈 공간 내부에서 균일한 나노선이 형성됨을 알 수 있다. Figure 3b is a view of the zinc oxide nanowires formed on the outer surface of the aluminum foil and the inner surface of the aluminum foil and the ITO substrate forming an empty space in the empty space formed around a macro hole having a size of 5 mm x 2 mm of the aluminum foil Scanning electron micrograph. As can be seen in Figure 3b, the outer surface of the aluminum foil directly affected by the atmosphere gas during the heat treatment, the zinc oxide nanowires are made in the form of disordered nanowire cluster (cluster), inside the empty space maintaining the quasi-equilibrium state It can be seen that a uniform nanowire is formed.

도 4는 상기의 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 X선 회절패턴(X-ray diffraction pattern)이며, 도 4의 결과에서 알 수 있듯이 산화아연과 ITO 성분만이 관찰되었다. 또한 (002) 피크(peak)가 매우 크게 나타나는 것을 알 수 있는데, 이로 미루어 투과전자현미경을 통하여 분석한 산화아연 나노선의 성장방향이 [001]방향임을 알 수 있으며 ITO 기판 전체적으로 합성된 나노선이 수직 성장한 것을 재확인 할 수 있었다.FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern of zinc oxide nanowires formed on the ITO substrate through Example 1, and only zinc oxide and ITO components were observed as can be seen from the results of FIG. 4. In addition, it can be seen that the (002) peak is very large, indicating that the growth direction of the zinc oxide nanowires analyzed by the transmission electron microscope is the [001] direction, and the nanowires synthesized throughout the ITO substrate are vertical. I could reaffirm my growth.

도 5a는 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope) 사진이며 도 5a의 오른쪽 상부에 첨부된 사진은 산화아연 나노선의 제한시야전자회절(SAED; Selected Area Electron Diffraction) 패턴이다. 도 5a에서 알 수 있듯이 산화아연 나노선이 단일한 결정으 로 이루어져 있으며, c축([001]) 성장방향을 지니고 있음을 알 수 있게 해준다. FIG. 5A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a zinc oxide nanowire formed on an ITO substrate through Example 1, and a photograph attached to the upper right of FIG. 5A shows a limited field electron diffraction (SAED; selected) of a zinc oxide nanowire. Area Electron Diffraction) pattern. As can be seen in FIG. 5A, the zinc oxide nanowires are composed of a single crystal and have a c-axis ([001]) growth direction.

도 5b는 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 고분해능 투과전자현미경(HRTEM; High Resolution TEM) 사진이며 도 5b의 오른쪽 상부에 첨부된 사진은 상기 도 5b의 산화아연 나노선의 고속푸리에변환 패턴이다. 도 5b와 첨부된 고속푸리에변환 패턴에서 알 수 있듯이 생성된 산화아연 나노선 단결정 내부에 적층결함(stacking fault)이나 전위(dislocation)결함 등이 존재하지 않는 결함이 없는(defect-free) 단결정임을 알 수 있다. 5b is a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of a zinc oxide nanowire formed on an ITO substrate according to Example 1, and a photograph attached to the upper right of FIG. 5b is a fast Fourier transform of the zinc oxide nanowire of FIG. 5b. Pattern. As can be seen in FIG. 5B and the attached fast Fourier transform pattern, it can be seen that it is a defect-free single crystal in which no stacking fault or dislocation defect is present in the resulting zinc oxide nanowire single crystal. Can be.

또한 상기 도 4의 X선 회절패턴 및 도 5a 또는 도 5b의 전자회절 패턴을 통해 산화아연 나노선이 부르자이트 (Wurtzite) 구조를 가짐을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the zinc oxide nanowires have a wurtzite structure through the X-ray diffraction pattern of FIG. 4 and the electron diffraction pattern of FIG. 5A or 5B.

도 6은 상기의 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선의 전자현미경에 부착된 에너지분산장치(EDS; Energy Dispersive Spectroscope)를 이용한 에너지분산분석 결과이며, 이를 통하여 알루미늄 성분이 전혀 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 알루미늄이 산화아연 나노선의 합성에 촉매나 혹은 기타 역할로 참여하지 않았음을 알 수 있다. FIG. 6 is an energy dispersion analysis result using an energy dispersive spectroscope (EDS) attached to an electron microscope of zinc oxide nanowires formed on an ITO substrate through Example 1, whereby no aluminum component is observed. I could confirm that. Therefore, it can be seen that aluminum did not participate as a catalyst or other role in the synthesis of zinc oxide nanowires.

도 7은 상기의 실시예 1을 통해 ITO 기판 위에 형성된 산화아연 나노선을 이용하여 전계 방출 특성을 측정한 결과이다. 전계 방출 특성 측정을 위해 두 개의 판, 즉 음극판과 양극판을 넣어 장치를 구성하였는데 실시예 1에 의해 제작된 산화아연 나노선이 수직 성장 되어있는 ITO 기판 자체를 음극판으로써 사용하였고, 형광체가 도포 되어있는 또 다른 ITO기판을 양극판으로써 사용하였다. 전계 방출 특성 평가를 위한 실험은 상온에서 2 x 10-6 Torr의 진공 상태로 만들어준 챔버 속에서 수행되었다. 양극판과 산화아연 나노선 에미터 팁(emitter tip)과의 거리는 570 ㎛이고 측정 영역은 26 mm2이다. 에미터 팁 끝에서 방출된 전류는 0.2초 간격으로 기록 되었고 100 V ~ 1200 V까지 전압을 가하면서 측정하였다. 7 is a result of measuring the field emission characteristics using the zinc oxide nanowires formed on the ITO substrate in Example 1 above. To measure the field emission characteristics, two devices, the negative electrode plate and the positive electrode plate, were put together. Another ITO substrate was used as the positive electrode plate. Experiments for field emission characterization were performed in a chamber made at room temperature in a vacuum of 2 x 10 -6 Torr. The distance between the anode plate and the zinc oxide nanowire emitter tip is 570 μm and the measurement area is 26 mm 2 . The current released at the tip of the emitter tip was recorded at 0.2 second intervals and measured with voltage from 100 V to 1200 V.

상기의 조건으로 측정된 합성된 산화아연 나노선의 턴온(turn-on) 전계는 3.3 V/㎛로 측정되었으며, 이때의 전류밀도는 3.8 ㎂/㎠로 나타났다. 그리고 쓰레스홀드(threshold) 전계는 5.1 V/㎛였으며, 이때의 전류밀도는 90 ㎂/㎠로 측정되었다. 상기와 같은 전계방출특성은 기존에 실리콘 기판위에 수직성장된 산화아연 나노선에 비해서 향상된 결과를 보여주며, 기존의 보고와 비교할 때 실제로 전계방출디스플레이에 에미터로 이용하기에 충분한 가능성이 있음을 알 수 있다. The turn-on electric field of the synthesized zinc oxide nanowires measured under the above conditions was measured at 3.3 V / µm, and the current density was found to be 3.8 mA / cm 2. The threshold electric field was 5.1 V / µm, and the current density was measured at 90 mA / cm 2. The above field emission characteristics show improved results compared to zinc oxide nanowires grown vertically on silicon substrates, and compared with the previous reports, it is found that the field emission characteristics are sufficient to be used as emitters in field emission displays. Can be.

새로운 합성 방법을 이용하여 촉매를 사용하지 않고 ITO기판 상에서 크기, 형상 및 밀도가 균일하며 ITO 기판과 수직으로 배향 성장한 단결정 산화아연 나노선을 제조하였다. 합성된 나노선의 직경은 80 nm ~ 100 nm정도 되었으며, 길이는 수 마이크로미터(㎛)이었다. 전계방출특성 측정 결과 턴온(turn-on) 전계가 3.3 V/㎛에서 전류 밀도가 3.8 ㎂/㎠로 측정되었고, 5.1 V/㎛에서의 최대 전류 밀도는 90 ㎂/㎠로 측정되었다. 이러한 전계방출특성 수치를 통하여 합성된 나노선이 전계방출 디스플레이의 에미터로 적용하기에 충분한 가능성을 지니고 있음을 확인할 수 있었다. By using the new synthesis method, single crystal zinc oxide nanowires having a uniform size, shape and density on the ITO substrate without having a catalyst and oriented vertically with respect to the ITO substrate were prepared. The synthesized nanowires had a diameter of about 80 nm to 100 nm and a length of several micrometers (μm). As a result of measuring field emission characteristics, the current density was measured as 3.8 mA / cm 2 at a turn-on electric field of 3.3 V / µm, and the maximum current density was measured as 90 mA / cm 2 at 5.1 V / µm. These field emission characteristics indicate that the synthesized nanowires have sufficient potential to be applied as emitters for field emission displays.

Claims (10)

ITO 기판 상에 산화아연 나노선을 제조하는 방법에 있어서,In the method for producing zinc oxide nanowires on an ITO substrate, 매크로 홀이 형성된 금속박으로 상기 ITO 기판을 물리적으로 감싸고,Physically surrounding the ITO substrate with a metal foil having macro holes ZnO와 Zn 분말을 혼합하여,By mixing ZnO and Zn powder, 상기 금속박에 싸인 ITO 기판과 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 A crucible containing an ITO substrate and the ZnO / Zn mixed powder wrapped in the metal foil 불활성 기체 및 산소 기체가 흐르는 분위기에서 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.A method for producing zinc oxide nanowires, characterized in that the heat treatment is carried out in an atmosphere where an inert gas and oxygen gas flow. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속박에 면적이 1 ㎟ 내지 40 ㎟인 상기 매크로 홀을 하나 이상 형성 시키는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.A method for producing zinc oxide nanowires, characterized in that at least one of the macro holes having an area of 1 mm 2 to 40 mm 2 is formed in the metal foil. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 금속박은 500 ℃에서 선열팽창계수가 10 x 10-6 /℃ 내지 40 x 10-6 /℃인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.The metal foil has a linear thermal expansion coefficient of 10 x 10 -6 / ℃ to 40 x 10 -6 / ℃ at 500 ℃ manufacturing method of zinc oxide nanowires. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 금속박은 알루미늄박인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.The metal foil is a method for producing zinc oxide nanowires, characterized in that the aluminum foil. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ZnO와 Zn 분말의 혼합 시 ZnO:Zn의 질량비가 1:0.2 내지 1:5로 혼합되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.The method for producing zinc oxide nanowires, characterized in that the mass ratio of ZnO: Zn is 1: 0.2 to 1: 5 when the ZnO and Zn powder are mixed. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 아르곤을 포함하는 상기 불활성 기체를 10 sccm 내지 300 sccm 및 상기 산소 기체를 0.1 sccm 내지 5 sccm으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.The method for producing zinc oxide nanowires, characterized in that flowing the inert gas containing argon 10 sccm to 300 sccm and the oxygen gas at 0.1 sccm to 5 sccm. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열처리시 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 700 ℃ 내지 850 ℃로 유지시키고 상기 금속박에 싸인 ITO 기판을 450 ℃ 내지 600 ℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.Maintaining the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder at 700 ° C. to 850 ° C. during the heat treatment and maintaining the ITO substrate wrapped in the metal foil at 450 ° C. to 600 ° C. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 금속박에 싸인 ITO 기판은 상기 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니와 물리적으로 분리되어 ZnO/Zn 혼합 분말이 담긴 도가니를 기준으로 상기 불활성 기체 및 산소 기체가 흐르는 방향으로 놓이는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법. The zinc oxide nano oxides are characterized in that the ITO substrate wrapped in the metal foil is physically separated from the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder and placed in a direction in which the inert gas and the oxygen gas flow based on the crucible containing the ZnO / Zn mixed powder. Method of making the line. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 ZnO와 Zn 분말의 혼합 시 산화아연 나노선의 밴드갭 에너지를 조절하기 위하여 전이금속, 주석, 인듐, 황 및 이들의 조합에서 선택된 밴드갭 조절 물질을 더 포함하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노선의 제조방법.Zinc oxide nano, characterized in that the mixture further comprises a bandgap control material selected from transition metals, tin, indium, sulfur, and combinations thereof to control the bandgap energy of the zinc oxide nanowires when the ZnO and Zn powders are mixed. Method of making the line. 삭제delete
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