KR100953825B1 - 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법 - Google Patents

급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노구조물의 형성 전후의 원하지 않는 반응을 억제하여 고품질의 금속산화물 나노구조물을 제작할 수 있는 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법은 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들이 그 주위에 설치된 챔버를 준비하는 단계, 챔버 내에 금속 소스 및 기판을 장입하는 단계, 금속 소스로부터 기판 방향의 유속을 갖는 캐리어 가스를 챔버 내로 공급하는 단계, 기판 상에 금속산화물 나노구조물을 형성하기 위하여, 할로겐 램프를 이용하여 금속 소스를 가열하는 단계, 및 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물을 냉각하는 단계를 포함한다.
금속산화물, 나노구조물, 급속 열증착, 할로겐램프

Description

급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법{Method of manufacturing metal oxide nanostructures using rapid thermal vapor deposition}
도 1은 종래 기술에 따라 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물들을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법을 수행하기 위한 급속 열증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따라 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물들을 개략적으로 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 기판 150: 금속 소스
200: 나노구조물 300: 급속 열증착 장치
310: 챔버 320: 가스 인입부
330: 가스 배출부 340: 가열부
350: 할로겐 램프 360: 냉각부
본 발명은 금속산화물 나노와이어 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 급속 열증착 방법을 이용한 금속산화물 나노와이어 형성방법에 관한 것이다.
최근 금속산화물 나노구조물은 센서 소자, 예를 들어 가스 센서 및 바이오 센서를 위한 소자로서 활용되고 있다. 따라서, 더 우수한 센싱력을 갖는 센서의 제조를 위하여 고품질을 갖는 금속산화물 나노구조물을 요구하고 있다.
종래에는, 금속산화물 나노구조물은 통상적인 세라믹 소재의 열처리를 위한 로(furnace) 또는 이와 유사한 형태의 장비를 이용하여 제조하였다. 이러한 로를 이용한 종래의 금속산화물 나노구조물 제조방법은 고온 공정이 가능하고, 금속 소스를 원재료로서 용이하게 사용할 수 있고, 또한 사용하는 장비가 상대적으로 간단한 장점을 가진다. 그러나, 금속산화물 나노구조물의 성장을 위한 반응온도까지 도달하기 위한 가열시간과 금속산화물 나노구조물의 성장 후 상온까지의 냉각시간이 매우 장시간이 소요되는 단점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물들을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 나노구조물(20)을 예시적으로 도시한다. 이러한 나노구조물(20)은 일정한 배열 또는 배향을 가질수록 그 품질이 우수하다고 할 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이 종래 기술에 따라 나노구조 물(20)을 형성하는 경우에는, 나노구조물(20)의 성장을 위한 반응온도까지 도달하기 위한 가열시간이 장시간이 소요되며, 이에 따라 기판(10) 상에 원하지 않은 제1 불순물(30), 예를 들어 산화물 등이 우선적으로 형성될 우려가 있다. 특히, 나노구조물의 형성을 위하여 금속산화물 및 카본(carbon)의 혼합물을 소스로 쓰는 경우에는 상술한 제1 불순물(30)의 형성이 두드러질 수 있다. 일반적으로 대부분의 금속산화물 소스는 고온 공정을 요구하므로, 카본을 촉매로 사용하여 상대적으로 낮은 온도에서 나노구조물 형성을 위한 반응을 유도한다. 그러나, 종래의 기술과 같이 가열시간이 장시간인 경우에는, 카본에 의하여 상대적으로 낮은 온도에서도 금속 산화물 소스가 반응하여 증발할 수 있으며, 이에 따라 기판(10) 상에 원하지 않은 제1 불순물(30)을 우선적으로 형성하게 될 수 있다. 이어서, 나노구조물(20)의 형성온도에 도달하게 되면, 나노구조물(20)이 제1 불순물(30) 상에 형성될 우려가 있으며, 이는 나노구조물(20)의 균일한 배열 또는 배향을 갖는 성장을 저해할 수 있다. 이에 따라, 나노구조물(20)의 품질이 저하된다.
뿐만 아니라, 종래 기술을 이용하는 경우, 나노구조물(20)이 형성된 후, 저온 예를 들어 상온까지 냉각시간도 장시간이 소요된다. 따라서, 상술한 바와 같은 원리에 의하여, 형성된 나노구조물(20)의 표면, 또는 나노구조물(20) 사이에 제2 불순물(40)을 형성할 수 있다. 제2 불순물(40) 또한 나노구조물(20)의 품질을 저하한다.
한국등록특허 제616733호에는, 고온 열증착 장비를 이용하여 산화아연계 나노구조물을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에 의하면, 나노구조 물 제조 전후에 원하지 않는 반응이 발생하여 나노구조물의 품질을 저하할 우려가 있다.
한국등록특허 제679987호에는, 펄스 레이저 증착법에 의한 산화물 나노구조체의 합성방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하면, 비록 고품질의 나노구조물을 형성할 수 있는 가능성은 있으나, 레이저를 사용하므로 나노구조물이 형성되는 면적이 작으며, 넓은 면적에 나노구조물을 형성하기에는 그 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 나노구조물의 형성 전후에 원료 등을 급속하게 가열 및 냉각하여 원하지 않는 반응을 억제하여 우수한 품질의 나노구조물을 형성할 수 있는 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노구조물 제조방법은, 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들이 그 주위에 설치된 챔버를 준비하는 단계; 상기 챔버 내에 금속 소스 및 기판을 장입하는 단계; 상기 금속 소스로부터 상기 기판 방향의 유속을 갖는 캐리어 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 단계; 상기 기판 상에 금속산화물 나노구조물을 형성하기 위하여, 상기 할로겐 램프를 이용하여 상기 금속 소스를 가열하는 단계; 및 상기 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물을 냉각하는 단계를 포함한다.
상기 가열단계에 있어서, 최종 가열 온도는 700℃ 내지 1200℃의 범위에 포 함될 수 있다. 또한, 상기 가열단계에 있어서, 가열 속도는 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 상기 냉각단계에 있어서, 냉각 속도는 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함될 수 있다.
상기 금속 소스는 고상 분말(powder) 또는 액상 전구체일 수 있다. 또는 상기 금속 소스는 금속 또는 상기 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 상기 금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속 소스는 카본(carbon)을 더 포함할 수 있다.
상기 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스, 산소 (O2)가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
상기 기판은 실리콘, 유리 또는 사파이어를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판은 그 표면에 상기 금속산화물 나노구조물의 형성을 위한 촉매 금속을 포함할 수 있다. 상기 촉매 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 또는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다 른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법을 수행하기 위한 급속 열증착 장치(300)를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 급속 열증착 장치(300)는 금속 소스(150) 및 기판(100)이 장입되는 챔버(310), 챔버(310) 내로 캐리어 가스를 공급하는 가스 인입부(320), 챔버(310)로부터 상기 캐리어 가스를 배출하는 가스 배출부(330), 장입된 금속 소스(150) 및 기판(100)을 가열하는 가열부(340), 및 이들을 냉각하는 냉각부(360)를 포함한다. 가열부(340)는 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프(350)를 포함한다. 할로겐 램프(350)는 챔버(310)의 상부 및/또는 하부에 설치될 수 있고, 또는 챔버(310)를 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 급속 열증착 장치(300)는 가열부(340)에 전력을 공급하는 전원을 더 포함하며, 또한 필요한 경우 가스 배출부(330)는 진공펌프를 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 할로겐 램프(350)에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 할로겐(halogen) 원소는 주기율표 제17족의 원소로서 플루오르(F), ·염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I), 아스타틴(At)을 의미한다. 특히, 할로겐 램프에 사용되는 물 질은 I2, Br2, Cl2, IBr, CH3Br, CH2Br2, 또는 CH2Cl2 등이며, 통상적으로 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 또는 이들의 혼합가스를 베이스로 0.1∼1% 할로겐 가스를 혼합한 가스 또는 10∼50%의 질소가스와 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 또는 이들의 혼합가스를 베이스로 하여 0.1∼1% 할로겐 가스를 혼합한 가스를 이용한다. 할로겐 램프는 텅스텐(W) 등의 필라멘트의 증발을 억제하기 위하여, 상기의 할로겐 원소를 포함한 가스를 유리구 내에 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율을 개선한 것이다. 유리구 안에 주입된 할로겐 원소는 필라멘트로부터 증발한 텅스텐 증발원자와 반응하여 할로겐화 텅스텐을 형성하고, 상기 할로겐화 텅스텐은 다시 필라멘트와 충돌하여, 그 열에 의하여 다시 분해된다. 이때, 결합물질 내의 텅스텐 원자는 필라멘트로 다시 돌아가고, 할로겐 원소는 유리구 내에서 텅스텐 증발 원자와 다시 반응한다. 이러한 반복과정을 할로겐 재생사이클이라고 한다. 상기 할로겐 재생사이클에 의하여 필라멘트를 재생하므로, 할로겐 램프는 백열전구에 비해 더 높은 온도에도 필라멘트가 견딜 수 있고, 이로 따라 더 밝은 광을 방출할 수 있고 또한 수명도 길어진다. 할로겐 램프는 내부에 봉입된 기체의 종류에 따라 다양한 복사열을 방출한다. 주로 방출하는 파장은 가시광선과 적외선영역의 파장이다. 할로겐 램프는 통상적으로 1000℃ 이상의 고온의 복사열을 방출할 수 있으며, 또한 얇은 텅스텐 필라멘트를 사용하므로, 세라믹 봉과 같은 저항발열체를 사용하는 종래의 로(furnace)에 비하여 급속한 온도상승 및 하강이 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들(350)이 그 주위에 설치된 챔버(310)를 준비한다(S10). 챔버(310)는 석영관으로 형성될 수도 있고, 또는 할로겐 램프(350)로부터 열복사에너지를 매질을 거치지 않고 직접적으로 전달받을 수 있도록 노출된 형태일 수도 있다. 할로겐 램프들(350)은 상술한 바와 같은 할로겐 물질을 포함할 수 있다. 하기의 공정에서 원하는 가열온도, 및 가열속도를 대응하여 할로겐 램프들(350) 내에 포함된 할로겐 물질의 종류 및 할로겐 램프들(350)의 갯수 등을 변화할 수 있다.
챔버(310) 내에 금속 소스(150) 및 기판(100)을 장입한다(S20). 하기에 설명하는 바와 같이 금속 소스로부터 증발되는 금속원소는 챔버(310) 내를 흐르는 캐리어 가스에 의하여 이동하게 되므로, 상기 캐리어 가스의 유속방향에 대하여 챔버(310)내의 금속 소스(150)의 위치는 기판(100)의 위치보다 선행되어야 한다.
기판(100)은 실리콘, 유리 또는 사파이어를 포함할 수 있다. 또한, 기판(100)은 그 표면에 원하는 금속산화물 나노구조물의 형성을 용이하게 하기 위하여 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 또는 철(Fe) 들을 포함하는 촉매금속이 코팅되어 있거나 또는 원하는 형상을 갖는 패턴으로 패터닝되어 있을 수 있다. 기판(100)의 크기는 챔버의 크기에 따라 한정되며, 예를 들어 직경 4인치의 원판일 수도 있다. 따라서, 본 발명은 상대적으로 넓은 면적에 걸쳐 나노구조물의 형성이 가능하다.
금속 소스(150)는 고상 분말(powder) 또는 액상 용액일 수 있다. 또한, 금속 소스(150)는 금속, 예를 들어 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함하거나, 상기 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 금속 소스(150)은 카본(carbon)을 분말 또는 액상으로 더 포함할 수 있다. 이러한 금속 소스(150)로부터 금속산화물 나노구조물을 형성하는 반응에 대하여는 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
이어서, 금속 소스(150)로부터 기판(100) 방향의 유속을 갖는 캐리어 가스를 챔버(300) 내로 공급한다(S30). 상기 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스, 산소 (O2)가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상에 원하는 금속산화물 나노구조물을 형성하기 위하여, 할로겐 램프(350)를 이용하여 금속 소스(150)를 가열한다(S40). 할로겐 램프(350)는 챔버(300)에 하나 또는 그 이상의 갯수로 설치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 할로겐 램프(350)는 원하는 온도로 금속 소스(150)를 가열할 수 있으며, 점등되는 할로겐 램프(350)의 숫자를 변경하거나 인가되는 전력을 조절하여 원하는 가열온도를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는, 금속 소스(150)에 비하여 기판(100)의 온도를 낮게 조절할 수 있다. 최종 가열 온도, 즉 금속산화물 나노구조물의 형성을 위한 온도는, 예를 들어 700℃ 내지 1200℃의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 가열 속도는, 예를 들어 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함될 수 있다. 따라서, 원하는 가열 온도가 1200℃이고 가열 속도가 150℃/분인 경우에, 대략 25℃의 상온으로부터 상기 원하는 가열온도까지 걸리는 시간은 10분 이내가 된다. 따라서, 본 발명 은 금속 소스(150)를 열원으로서 금속 열선이나 세라믹 저항체를 이용한 종래 기술에 비하여 짧은 시간 내에 원하는 온도로 가열할 수 있다.
이하에서는, 금속 소스(150)를 이용하여 기판(100) 상에 금속산화물 나노구조물들(200)을 형성하는 과정을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 금속 소스(150)는 예시적으로 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)인 경우를 설명하기로 한다. 그러나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)의 용융온도는 대략적으로 각각 230℃, 420℃, 156℃이고, 비등온도는 대략적으로 각각 2625℃, 910℃, 2070℃이다. 표 1은 상기 금속 원소의 증기압과 온도와의 관계식을 나타낸다.
log p = - A/T + B + C logT + 10-3 DT
금속원소 A B C D 온도범위(K)
주석(Sn) 15500 8.23 - - 505 ~ 비등온도
아연(Zn) 6883 9.418 -0.0503 -0.33 473 ~ 692.5
아연(Zn) 6670 12.00 -1.126 - 692.5 ~ 1000
인듐(In) 12580 9.79 -0.45 - 용융온도 ~ 비등온도
여기서, p는 각 금속원소의 증기압(단위는 mmHg)이고, A,B,C,D는 상수, T는 절대온도이다.
표 2는 표 1의 식을 이용하여 구한 예시적인 온도에서의 상기 금속원소들의 증기압을 나타낸다.
금속원소 700℃(973K) 800℃(1073K) 900℃(1173K) 1000℃(1273K) 1100℃(1373K)
주석(Sn) 2.00×10-8 6.31×10-7 1.05×10-5 1.12×10-4 8.71×10-4
아연(Zn) 6.03×101 2.34×102 7.24×102 1.82×103 -
인듐(In) 3.31×10-5 5.01×10-4 4.90×10-3 3.31×10-2 1.66×10-1
금속 소스(150)가 순수한 금속(pure metal), 예를 들어 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)의 순수한 금속인 경우에는, 할로겐 램프(350)에 의하여 가열된 금속소스(150)는 각각의 용융온도 이상에서는 액상이 된다. 상기 액상화된 금속은 각 온도에 대응하는 표 2에 나타난 증기압의 크기로 기화된다. 챔버(300)를 흐르는 상기 캐리어 가스에 의하여 기화된 금속은 기판(100) 방향으로 유동하게 되고, 또한 상기 캐리어 가스 내에 포함된 산소 가스와 반응하여 산화된다. 이와 같이 순수한 금속을 사용하는 경우에는, 금속산화물의 형성을 위한 산소를 공급하기 위하여 상기 캐리어 가스는 반드시 산소 가스를 포함하여야 한다.
산소와 반응한 금속은 고상의 금속산화물이 되고, 그 중량에 의하여 이중 일부는 기판(100) 상에 증착된다. 특히, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 또는 철(Fe) 들을 포함하는 촉매금속이 도포되거나, 패터닝된 기판(100) 상의 영역에 주로 증착된다. 이는, 상기 촉매금속이 도포된 영역의 표면에너지를 낮추고 금속산화물을 위한 핵생성 자리(nucleation site)를 제공하여, 이에 따라 금속산화물의 증착을 용이하게 하기 때문이다. 이러한 증착이 계속되어 최종적으로 금속산화물 나노구조물을 형성한다. 또한, 금속 소스(150)는 금속분말이거나 또는 금속을 포함하는 금속전구체(precursor)와 같은 액상일 수도 있다. 또한, 금속 소스(150)는 상술한 금속 원소, 즉 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In) 중에 하나만을 포함할 수도 있고, 이들 금속이 혼합되거나 또는 이들 금속의 합금일 수도 있다. 또한, 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)과 다른 금속과의 혼합물 또는 합금일 수도 있다.
한편, 금속 소스(150)가 금속산화물, 예를 들어 예를 들어 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)의 산화물인 경우에는, 할로겐 램프(350)에 의하여 가열되면 금속원자에 결합된 산소가 분해되고, 분해된 금속원자는 상술한 바와 같이 각각의 온도에 대응한 증기압의 크기로 기화된다.
특히, 이러한 분해를 촉진하기 위하여, 카본(carbon)을 금속 소스(150)에 첨가할 수 있다. 상기 카본의 첨가에 의하여 금속원자와 산소의 분해가 촉진되고, 상기 카본은 분해된 산소와 결합하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)로 된다. 이러한 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)는 캐리어 가스에 의하여 가스 배출구(330)를 통하여 외부로 배출된다. 그러므로, 카본을 첨가하면, 산화물의 분해 온도를 낮출 수 있다. 상기 카본은 분말일 수도 있고, 액상 용매에 용해 또는 분산된 용액일 수 있다.
금속산화물을 금속소스로 사용하는 경우에는, 캐리어 가스는 경우에 따라서는 산소를 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이 카본은 산소와 반응하므로, 캐리어 가스에 포함된 산소에 의하여 카본이 모두 산화되어, 금속산화물인 금속소스를 분해하지 못할 수도 있다. 특히, 카본과 산소와의 반응은 상대적으로 낮은 온도에서 시작되므로, 종래 기술과 같이 가열 속도가 낮은 경우에는, 원하는 금속산화물 형성온도 보다 낮은 온도에서 카본이 모두 소진될 우려가 있다. 그러나 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법은 상대적으로 높은 가열속도를 가지고 있으므로, 상술한 문제점을 방지할 수 있다.
또한, 금속산화물 나노구조물의 순도를 높이기 위하여, 캐리어 가스를 사용하지 않고, 상압 또는 진공 중에서, 할로겐 램프(350)를 이용하여 금속 소스(150)를 가열하여 금속산화물 나노구조물을 형성할 수 있다. 이러한 경우에는 금속 소스(150)는 금속 산화물을 사용하는 등 산소를 공급할 수 있어야 함에 유의한다.
이어서, 기판(100) 상에 형성된 금속산화물 나노구조물(200)을 냉각하여 완성한다(S50). 냉각 속도는 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함될 수 있다.
상기 냉각은 할로겐 램프(350)를 점멸하고 챔버(300)를 둘러싸고 있는 냉각부(360)에 의하여 구현할 수 있다. 냉각부(360)는 냉매가 순환할 수 있는 배관 등이 형성될 수 있다.
상기 냉매는 냉동기의 능력, 압축기의 형식, 용도 등에 따라 각 특성에 알맞은 냉매를 택함으로써 냉각효과를 높일 수 있다. 상기 냉매로는 물, 순수(distilled water), 기름 등의 액체가 사용될 수 있다. 또한, 상기 냉매로는 기체가 사용될 수 있다. 현재 널리 사용되고 있는 냉매로는 암모니아, 플루오르화염화탄화수소계 냉매(프레온), 공비혼합냉매, 클로로메틸 등이 있다. 냉매가 구비할 통상적인 조건은 (1) 낮은 온도에서도 대기압 이상의 압력에서 증발하고 상온에서는 비교적 저압에서 액화하며, (2) 동일한 냉동능력에 대하여 소요동력이 적고, (3) 임계온도가 높고 응고온도가 낮으며, (4) 증발열이 크고 액체의 비열이 작으며 증발열에 대한 액체비열의 비율이 작아야 하며, (5) 같은 냉동능력에 대해 냉매가스의 용적이 작고, (6) 화학적으로 결합이 양호하여 냉매가스가 압축열에 의하여 분해되더라도 냉매가스가 아닌 다른 가스를 발생하지 않으며, (7) 점성도가 작고 열전도율이 좋으며, (8) 인화성 폭발성이 없으며 인체에 해롭지 않고 악취가 나지 않아야 하며, (9) 누출되면 발견하기 쉽고, (10) 가격이 저렴해야 한다는 것 등이다. 또한, 저온의 열을 고온의 물체로 운반하는 매체인 브라인(brine)을 냉매로서 사용할 수 있다. 상기 브라인은 증발기에서 증발하는 냉매의 냉동력을 냉장품에 전달하는 역할을 한다는 점에서는 냉매와 같으나, 상태변화 없이 액체상태로 열을 운반한다는 점에서 냉매와 구분된다. 일반적으로 사용되는 브라인은 염화칼슘 브라인, 소금물, 염화마그네슘 브라인, 에틸렌글리콜 등이 있다.
또한, 냉각부(360)는 우수한 열 방출력을 가지는 히트싱크로 구현할 수 있다. 즉, 냉각부(360)가 열전달이 빠른 물질로 형성되거나 또한 표면에 굴곡과 같이 넓은 표면적을 갖도록 하여 냉각 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 팬(fan)과 같은 공냉식 냉각구조를 가질 수 있다. 또한, 냉각부(360)는 상술한 바와 같은 냉각방식을 함께 포함할 수 있다.
도 4은 본 발명의 일실시예에 따라 기판(100) 상에 형성된 금속산화물 나노구조물들(200)을 개략적으로 도시한 단면도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속산화물 나노구조물 제조방법은 금속산화물 나노구조물(200)의 제조 시에 빠른 속도로 가열하고 또한 냉각함으로서 원하는 배열 또는 배향이 일정한 금속산화물 나노구조물들(200)을 형성할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 기판(100) 상에 또는 금속산화물 나노구조물들(200) 사이에 원하지 않는 불순물의 형성을 억제할 수 있다. 형성된 금속산화물 나노구조물들(200)은 공정조건들을 제어함에 의하여 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속산화물 나노구조물들(200)은 나노 로드(nanorod), 나노 와이어(nanowire), 나노월(nanowall), 나노 튜브(nanotube), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring) 등의 형상일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따른 급속 열증착을 이용한 금속산화물 나노와이어 형성방법은, 금속산화물 나노구조물의 제조 시에 빠른 속도로 가열하고 또한 냉각함으로서 원하는 배열 또는 배향이 일정하고 불순물의 형성이 억제된 금속산화물 나노구조물들을 형성할 수 있다. 또한, 상대적으로 넓은 기판을 사용할 수 있으므로, 고품질의 나노구조물을 대량생산할 수 있다.

Claims (12)

  1. 하나 또는 그 이상의 할로겐 램프들이 그 주위에 설치된 챔버를 준비하는 단계;
    상기 챔버 내에 금속 소스 및 기판을 장입하는 단계;
    상기 금속 소스로부터 상기 기판 방향의 유속을 갖는 캐리어 가스를 상기 챔버 내로 공급하는 단계;
    상기 기판 상에 금속산화물 나노구조물을 형성하기 위하여, 상기 할로겐 램프를 이용하여 상기 금속 소스를 가열하는 단계; 및
    상기 기판 상에 형성된 금속산화물 나노구조물을 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열단계에 있어서, 최종 가열 온도는 700℃ 내지 1200℃의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가열단계에 있어서, 가열 속도는 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각단계에 있어서, 냉각 속도는 150℃/분 내지 400℃/분의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 소스는 고상 분말(powder) 또는 액상 용액인 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 소스는 금속 또는 상기 금속의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 금속은 주석(Sn), 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 소스는 카본(carbon)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 가스, 질소(N2) 가스, 산소 (O2)가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유리 또는 사파이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 기판은 그 표면에 상기 금속산화물 나노구조물의 형성을 위한 촉매 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 촉매 금속은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 또는 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노구조물 제조방법.
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