KR101219440B1 - ＺｎＯ 나노와이어 대면적 성장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ZnO 나노와이어 대면적 전지소자 성장 시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 기판이 장착을 위한 기판 홀더가 내부에 배치되며, 성장 용액이 주입되는 ZnO 성장 배스 및 상기 ZnO 성장 배스를 감싸며 상기 ZnO 성장 배스 전체에 고르게 일정한 열을 제공하는 순환 더블 자켓형 배스를 포함하는 ZnO 나노와이어 대면적 전지소자 성장 시스템의 구성을 개시한다. 본 발명에 따르면, 균일한 밀도와 길이 및 직경을 가지는 대면적의 ZnO 나노와이어 전지소자를 성장시킬 수 있다.

Description

ＺｎＯ 나노와이어 대면적 성장 시스템{System For Fabricating Large Area ZnO nanowire}
본 발명은 ZnO 나노와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZnO 나노와이어를 대면적으로 성장시킬 수 있는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 관한 것이다.
나노 태양전지, 나노 발전기, 나노 LED 등과 같은 전자 소자에 ZnO 나노와이어가 사용되고 있다. 예컨대 ZnO 나노와이어는 태양전지에서 투명전극으로 사용된다. ZnO 나노와이어는 스퍼터링(Sputtering), 상압 화학기상증착법(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)을 이용하여 기판에 증착된다. 이때, 텍스처링과 전기전도도 개선을 위해 고온에서 증착하는 것이 일반적이다.
한편 최근 들어 전자 소자에 사용되는 ZnO 나노와이어에 대한 대면적화가 요구되고 있다. 그러나 아직까지 대면적 ZnO 나노와이어의 제조를 위해서 적절한 환경을 제공할 수 있는 시스템이나 장치가 개발되지 않고 있어 대면적 ZnO 나노와이어 제조를 위한 시스템의 개발이 시급한 실정이다. 더욱이 대면적을 가지면서 ZnO 나노와이어들의 밀도, 직경 및 길이 등이 균일하게 성장할 수 있도록 지원할 수 있는 시스템의 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 대면적을 가지는 ZnO 나노와이어를 제조할 수 있는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 균일한 밀도와 길이 및 직경을 가지는 대면적 ZnO 나노와이어를 성장시킬 수 있는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템을 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템은 ZnO 성장 배스 및 순환 더블 자켓형 배스를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 순환 더블 자켓형 배스는 내부에 고르게 분포하여 내포된 열을 상기 ZnO 성장 배스의 전체에 중탕 방식으로 전달하는 오일, 외부로 열이 발산되는 것을 방지하기 위하여 배스 외부에 마련되는 단열재를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 있어서, 상기 순환 더블 자켓형 배스는 내부에 고르게 분포하며 내포된 열을 상기 ZnO 성장 배스의 전체에 중탕 방식으로 전달하는 오일과, 외부로 열이 발산되는 것을 방지하기 위하여 배스 외부에 마련되는 단열재를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 있어서, 상기 ZnO 성장 배스는 일측이 개구되고 상기 기판 홀더가 배치되는 공간을 가지는 성장 배스와, 상기 성장 배스 내에 마련되며 주입된 성장 용액을 흡입하는 입력 펌프 및 흡입된 성장 용액을 성장 배스 내에서 분출하는 출력 펌프와, 상기 성장 배스의 개구된 영역을 덮는 커버와, 상기 커버 일측에 마련되어 상기 성장 배스 내부로 성장 용액을 주입할 수 있도록 마련된 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템은, 상기 성장 배스의 일측에 마련되어 상기 성장 용액의 배출시킬 수 있는 배출 수단과, 상기 성장 배스 내벽에 마련되는 테프론 코팅층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 있어서, 상기 성장 배스의 내측 공간은 상기 배출 수단이 위치한 영역으로 일정한 경사를 가지도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 있어서, 상기 성장 배스는 스테인리스 스틸 재질일 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템은, 상기 배출 수단과 연결되는 파이프라인과, 상기 배출 수단과 연결되는 파이프라인과 연결되며 상기 성장 배스 내에 존재하는 용액의 배출을 일시적으로 저장하는 폐액 보조 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템은, 상기 순환 더블 자켓형 배스에 분포하는 오일을 가열하기 위한 오일 보조 챔버를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 오일 보조 챔버는 상기 오일이 임시 저장 또는 이동하는 공간을 제공하는 오일 챔버와, 상기 오일 챔버 전면에 일정한 열을 제공하는 오일 히터와, 상기 순환 더블 자켓형 배스 일측과 연결되는 적어도 하나의 파이프라인을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템에 있어서, 상기 오일 히터는 상기 오일 챔버 전면을 감싸는 열선과, 상기 열선에 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템은, 상기 오일 보조 챔버와 파이프라인으로 연결되며 상기 순환 더블 자켓형 배스와 파이프라인으로 연결되어 상기 오일 보조 챔버의 오일 순환을 지원하는 오일 순환 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 밀도와 길이 및 직경이 균일한 ZnO 나노와이어를 대면적으로 성장시킬 수 있기 때문에, 이전에 비하여 보다 큰 대면적 전지소자를 용이하게 제조할 수 있도록 지원한다.
또한 본 발명에 따르면, 본 발명은 ZnO 나노와이어 기반의 대면적 전지소자 개발 과정에서 성장을 위해 요구되는 균일한 온도 유지를 보다 손쉽게 수행할 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 본 발명은 ZnO 나노와이어 성장 과정에서 사용된 폐용액의 처리를 보다 용이하게 수행할 수 있도록 지원한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 ZnO 성장 배스 및 순환 더블 자켓형 배스의 구성을 보다 상세히 설명하기 위한 도면,
도 3은 도 1의 오일 보조 챔버의 구성을 보다 상세히 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템(10)은 ZnO 성장 배스(bath)(100), 순환 더블 자켓형 배스(200), 오일 보조 챔버(300), 오일 순환 펌프(400) 및 폐액 보조 챔버(500)를 포함할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 ZnO 나노와이어 성장 시스템(10)은 ZnO 성장 배스(100)에 기판과 고농도 성장 용액을 주입한 후, 성장 용액에 의한 균일한 밀도와 길이 및 직경을 가지는 ZnO 나노와이어 성장을 지원할 수 있다. 즉 본 발명의 ZnO 나노와이어 성장 시스템(10)은 상기 ZnO 성장 배스(100)의 온도가 일정한 온도 예를 들면 90도 ~ 95도 범위의 온도가 되도록 가열한다. 이를 위하여 상기 ZnO 나노와이어 성장 시스템(10)은 순환 더블 자켓형 배스(200)에 오일을 주입하고, 상기 주입된 오일을 오일 보조 챔버(300)를 이용하여 일정한 온도를 가지도록 제어할 수 있다. 한편 상기 ZnO 나노와이어 성장 시스템(10)은 ZnO 성장 배스(100)에서 필요로 하는 ZnO 나노와이어의 성장이 완료되면 주입된 고온 상태의 폐용액을 폐액 보조 챔버(500)를 통하여 임시 보관한 후 처리함으로써 고온을 가지는 고농도 폐용액의 처리를 보다 용이하게 처리할 수 있도록 지원한다. 이하 상기 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 ZnO 성장 배스(100)는 90도 이상의 고온과 압력을 견딜 수 있고 외부와 차단되어 열손실이 없는 구조로 형성될 수 있다. 그리고 상기 ZnO 성장 배스(100)에는 Zn0 나노와이어 성장을 위한 성장 용액이 투입되는 공간을 가지게 된다. 그리고 상기 ZnO 성장 배스(100)에는 ZnO 나노와이어 성장을 위한 기판이 배치될 수 있는 공간이 마련될 수 있다. 또한 상기 ZnO 성장 배스(100)는 ZnO 나노와이어 성장 이후 성장 과정을 위해 사용된 폐용액이 배출될 수 있는 배출 수단을 마련할 수 있다. 상기 ZnO 성장 배스(100)는 배스 내에서 주입된 성장 용액의 고른 농도 분포 형성 및 고른 열 분포 형성을 위하여 성장 용액을 ZnO 성장 배스(100) 내에서 순환할 수 있는 용액 순환 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 상기 ZnO 성장 배스(100)의 구조에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.
상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 상기 ZnO 성장 배스(100)를 감싸며 상기 ZnO 성장 배스(100)에 열을 가하는 구성이다. 이러한 순환 더블 자켓형 배스(200)는 내부에 일정 온도의 오일을 분포시킬 수 있다. 그리고 순환 더블 자켓형 배스(200)는 내부에 분포된 오일을 이용하여 상기 ZnO 성장 배스(100)에 일정한 열을 제공할 수 있다. 즉 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 내부에 분포한 일정 온도의 오일을 이용하여 상기 ZnO 성장 배스(100)를 데우는 중탕 역할을 수행하는 구성이다. 이를 위하여 순환 더블 자켓형 배스(200)는 내부에 분포되는 오일을 오일 보조 챔버(300)에 전달할 수 있고, 또한 오일 보조 챔버(300)에서 데워진 오일을 주입받을 수 있는 오일 순환 펌프(400)와 연결될 수 있다. 이러한 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 오일 보조 챔버(300)와 연결되는 파이프라인과, 오일 순환 펌프(400)와 연결되는 파이프라인이 연결되는 연결 수단을 포함할 수 있다. 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 일정한 온도 예를 들면 90도를 가지는 오일의 열이 상기 ZnO 성장 배스(100)로 전달되면서 외부로 열이 발산되지 않도록 하기 위하여 배스 외피가 단열 처리되거나, 단열재가 외피에 추가로 배치될 수 있다. 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)의 세부 구조에 대하여 상기 도 2에서 ZnO 성장 배스(100) 설명과 함께 보다 상세히 후술하기로 한다.
상기 오일 보조 챔버(300)는 ZnO 성장 배스(100)와 유사한 재질로 형성되며 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)와 연결되어 순환 더블 자켓형 배스(200)에 분포한 오일에 열을 가하기 위한 구성이다. 이를 위하여 상기 오일 보조 챔버(300)는 오일 히터를 마련하고, 상기 오일 히터를 이용하여 챔버 내에 흐르는 오일 또는 챔버 내에 임시로 머무르는 오일에 열을 가할 수 있다. 이러한 오일 보조 챔버(300) 구조에 대하여 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상기 오일 순환 펌프(400)는 상기 오일 보조 챔버(300)와 상기 순환 더블 자켓형 배스(200) 사이에 배치되어 오일 보조 챔버(300)를 관통하여 이동하거나 또는 오일 보조 챔버(300)에 임시적으로 저장되는 오일을 순환 더블 자켓형 배스(200)에 공급하도록 오일 순환 흐름을 생성하는 구성이다. 이러한 오일 순환 펌프(400)는 오일펌핑을 통하여 오일의 순환 흐름을 생성하고, 이때 오일의 흐름 제공을 위하여 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)와 연결되는 파이프라인 및 상기 오일 보조 챔버(300)와 연결되는 파이프라인 사이에 배치될 수 있다. 한편 상기 오일 순환 펌프(400)가 오일 보조 챔버(300)를 관통하여 흐르는 오일을 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)로 전달하는 순서로서 순환 흐름을 설명하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 오일 순환 펌프(400)는 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)에 분포한 오일을 펌핑하여 상기 오일 보조 챔버(300)로 이동시키는 순환 흐름을 생성할 수 있으며, 이 경우 상기 오일 순환 펌프(400)는 전술한 오일 순환 흐름과는 반대 방향의 오일 순환 흐름을 생성하도록 지원하게 된다.
상기 폐액 보조 챔버(500)는 상기 ZnO 성장 배스(100)에 주입되어 ZnO 나노와이어 성장을 위해 사용된 폐용액을 배출하는 동안 폐용액을 임시로 저장하는 구성이다. 이러한 폐액 보조 챔버(500)는 ZnO 나노와이어 성장 시 대개 고온의 성장 용액을 사용하기 때문에 성장 과정이 완료된 이후 고온의 폐용액을 일시적으로 식혀 배출할 수 있도록 지원한다. 이를 위하여 상기 폐액 보조 챔버(500)는 상기 챔버에 유입된 고온 폐용액의 온도를 저감시키기 위하여 냉각기를 포함할 수 있다. 상기 냉각기는 수냉식 또는 공랭식 등의 방식 중 적어도 하나의 방식에 따라 제작될 수 있다. 한편 상기 폐액 보조 챔버(500)는 챔버에 유입된 고온 폐용액의 효율적인 방열을 위하여 적절한 방열 구조를 가질 수 있다. 즉 상기 폐액 보조 챔버(500)는 표면을 넓힐 수 있는 다양한 구조물을 또는 구조를 가질 수 있을 것이다.
한편 상술한 설명에서 오일 순환 펌프(400) 및 폐액 보조 챔버(500) 등은 생략 가능한 구성이다. 즉 상기 오일 보조 챔버(300)가 오일을 지속적으로 가열하게 되면, 오일 보조 챔버(300)에 머무는 오일은 오일 보조 챔버(300)가 제공하는 열에 의하여 열에너지를 가지게 되며, 이러한 열에너지는 보다 낮은 열을 가지는 오일들이 분포한 지역으로 이동하게 되어 순환 더블 자켓형 배스(200)의 오일을 순환시킬 수 있다. 그러나 이러한 자연적 순환 흐름을 위해서는 특정 위치에 분포한 오일의 온도가 다른 지역에 비하여 높게 나타날 수 있으므로, 균일 분포의 온도를 가지는 오일을 가지기 위해서는 오일 순환 펌프(400)를 이용할 수 있을 것이다. 또한 상기 폐액 보조 챔버(500)가 제거되면 상기 순환 더블 자켓형 배스(200) 일측을 관통하면서 상기 ZnO 성장 배스(100)의 일단을 관통하는 파이프라인이 마련될 수 있고, 이 파이프라인의 일측 끝단은 개폐가 가능한 밸브가 마련되어 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 폐액을 뽑아낼 수 있는 구조를 가질 수 있다.
추가로 상기 ZnO 나노와이어 성장 시스템(10)은 성장 용액의 주입, 성장 용액의 배출, 오일의 이동 등을 위하여 다양한 파이프라인을 가질 수 있다. 각 파이프라인들에 대해서는 이하에서는 설명하는 특정 구성들의 세부 설명과 함께 추가 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 ZnO 성장 배스(100) 및 순환 더블 자켓형 배스(200)의 구조를 보다 상세히 나타낸 구성이다.
상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 ZnO 성장 배스(100)는 성장 배스(110), 커버(120), 주입구(130), 체결 부재(140), 기판 홀더(150), 입력 펌프(160), 출력 펌프(170), 배출 수단(180)을 포함할 수 있다.
상기 성장 배스(110)는 상기 기판 홀더(150)가 일측 또는 정 중앙에 배치될 수 있는 공간을 가지며 기타 상술한 ZnO 성장 배스(100)의 구성들이 배치될 수 있도록 일정한 공간 예를 들면 직육면체 형태의 공간을 가지는 구성이다. 이러한 성장 배스(110)는 일측이 개구되어 기판 홀더(150)에 배치된 기판이 기판 홀더(150)와 함께 또는 기판 홀더(150)가 성장 배스(110) 내에 고정형인 경우 기판만 출입할 수 있는 통로를 제공한다. 그리고 상기 성장 배스(110) 일측에는 입력 펌프(160)와 출력 펌프(170)가 마련될 수 있다. 상기 입력 펌프(160)와 출력 펌프(170)의 성장 배스(110) 내 위치로는 상기 성장 배스(110) 내측에 주입되는 성장 용액의 순환 흐름을 적절하게 유도 및 순환시킬 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 즉 도면을 기준으로 상기 성장 배스(110) 상측에 입력 펌프(160)가 마련되는 경우 상기 출력 펌프(170)는 상기 성장 배스(110) 하측에 마련될 수 있다. 한편 상기 성장 배스(110) 내벽은 주입된 성장 용액과의 화학 반응을 억제하기 위하여 일정 재질 예를 들면 테프론 등으로 코팅될 수 있다. 상기 테프론으로 내벽이 코팅된 성장 배스(110)는 성장 용액이 산성을 띠거나 또는 염기를 띠더라도 그에 반응하지 않게 되어 성장 배스(110)와 성장 용액과의 화학 반응을 억제할 수 있다. 한편 상기 성장 배스(110)는 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)에 주입되는 일정 온도의 오일로부터 열전달을 쉽게 받을 수 있도록 전체적으로 강철, 구리, Stainless steel 등 열전도율이 높은 재질로 형성될 수 있다.
상기 커버(120)는 일측이 개구된 상기 성장 배스(110) 일측을 덮는 구성이다. 즉 상기 커버(120)는 상기 성장 배스(110)에서 기판 출입을 위해 마련된 통로를 덮도록 배치된다. 이때 상기 성장 배스(110)에는 기판의 출입이 자주 발생할 수 있기 때문에 상기 커버(120)는 개폐가 용이한 구조를 가질 수 있다. 그리고 상기 커버(120) 일측에는 상기 커버(120)가 상기 성장 배스(110)로부터 이탈하는 것을 방지하며 상기 커버(120)를 고정시킬 수 있는 체결 부재(140)가 마련될 수 있다. 이러한 상기 커버(120)는 상기 성장 배스(110) 내에 주입된 성장 용액이 일정 온도를 오래도록 유지하기 위하여 단열재 예를 들면 PVC 재질로 형성될 수 있다. 추가로 상기 커버(120) 일측에는 상기 성장 배스(110) 내의 성장 용액 농도를 검출할 수 있는 성장 용액 농도 검출기가 마련될 수 있으며, 성장 용액 농도 검출기의 농도 검출 센서는 상기 커버(120)를 관통하여 성장 배스(110) 내에 배치될 수 있다. 여기서 상기 용액 농도 검출기의 표시부는 상기 커버(120) 외면 또는 상기 순환 더블 자켓형 배스(200) 외면 중 적어도 한 곳에 배치되어 성장 배스(110) 내 성장 용액 농도를 관측할 수 있도록 지원할 수 있다.
상기 체결 부재(140)는 앞서 언급한 바와 같이 상기 커버(120)의 개폐를 용이하게 지원하는 한편, 상기 커버(120)가 성장 배스(110)로부터 이탈되지 않도록 고정하는 역할을 수행한다. 이를 위하여 상기 체결 부재(140)는 상기 성장 배스(110) 일측에 상기 커버(120)를 결합시키는 볼트 너트 구조물이 될 수 있다. 또한 상기 체결 부재(140)는 상기 커버(120)를 상기 순환 더블 자켓형 배스(200) 일측에 고정시키는 구조물이 될 수 도 있다.
상기 주입구(130)는 상기 커버(120) 일측에 마련되어 외부에서 상기 성장 배스(110) 내측으로 성장 용액을 주입할 수 있는 통로 역할을 수행한다. 이러한 주입구(130)는 성장 배스(110) 내의 기판 홀더(150) 상에 배치된 기판을 이용하여 ZnO 나노와이어를 성장시키는 과정 중에 성장 용액을 주입할 수 있도록 지원할 수 있다. 즉 상기 주입구(130)는 성장 배스(110) 내에서 ZnO 나노와이어를 성장시키는 동안 증발된 성장 용액을 보충할 수 있는 통로 역할을 수행한다. 이에 따라 상기 주입구(130)는 성장 배스(110) 내에 성장 용액이 존재하지 않는 상태에서 성장 용액을 주입하는 통로 역할을 할뿐만 아니라, 성장 배스(110) 내에 일정량의 성장 용액이 존재하는 상태에서도 성장 용액 보충을 위한 주입 통로 역할을 수행할 수 도 있다. 이에 따라 상기 주입구(130)는 상기 성장 용액의 주입 이후 성장 배스(110) 내에 주입된 성장 용액이 역류되지 않는 구조를 가지거나, 역류되지 않는 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 특히 순환 더블 자켓형 배스(200)에 분포하는 일정 온도의 오일로부터 열을 받는 용액의 상태를 고려하여, 상기 주입구(130)는 내부 성장 용액이 외부로 역류되지 않도록 지원하는 판막과 같은 역류 방지 구조물이 배치되는 것이 바람직하다.
상기 기판 홀더(150)는 상기 성장 배스(110) 내측에 배치되며, 기판이 장착과 고정되는 홀더이다. 이러한 기판 홀더(150)는 상기 성장 배스(110) 내의 성장 용액 순환 흐름에 가장 양호한 지역 예를 들면 중심부 등에 위치할 수 있으며, 대면적 ZnO 나노와이어 제조를 위하여 지면과 수직된 상태로 상기 성장 배스(110)에 배치될 수 있다. 한편 상기 성장 배스(110) 내에 배치되는 기판 홀더(150)는 성장 배스(110) 내의 성장 용액의 원활한 흐름 제공을 위하여 성장 배스(110)의 바닥면과 일정 길이만큼 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 기판 홀더(150)는 상기 커버(120)에 견착 고정될 수 도 있다. 이에 따라 상기 커버(120)를 상기 성장 배스(110)로부터 분리하여 기판 홀더(150)를 취출함으로써 기판을 용이하게 출입시킬 수 도 있다. 상기 기판 홀더(150)는 성장 배스(110) 내 일측 또는 상기 커버(120) 내측면 일측에 견착 고정될 수 있으며, 또한 탈착형으로 제작되어 해당 구성들로부터 착탈될 수 있다. 이러한 기판 홀더(150)의 배치 위치와 배치 구조는 상기 ZnO 성장 배스(100)를 통하여 제작하고자 하는 대면적 ZnO 나노와이어의 크기나 형태 등에 따라 설계자가 임의적으로 조절할 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 입력 펌프(160)는 상기 성장 배스(110) 일측에 마련되어 상기 성장 배스(110)에 주입된 성장 용액을 흡입하는 펌프이다. 그리고 상기 입력 펌프(160)는 상기 성장 배스(110) 내 흡입한 성장 용액을 출력 펌프(170)에 전달한다. 상기 출력 펌프(170)는 상기 성장 배스(110) 타측에 마련되어 상기 성장 배스(110) 내에서 상기 입력 펌프(160)가 전달한 성장 용액을 분출하는 구성이다. 이러한 상기 입력 펌프(160) 및 출력 펌프(170)는 성장 배스(110) 내 성장 용액을 순환시킴으로써 성장 용액의 농도를 고르게 분포시키는 역할을 수행할 수 있다. 한편 상기 입력 펌프(160)와 상기 출력 펌프(170)에 의한 성장 용액의 흡입과 분출을 지원하기 위하여 상기 ZnO 성장 배스(100)는 상기 입력 펌프(160)와 상기 출력 펌프(170)를 연결하는 파이프라인이 더 포함할 수 있다. 여기서 본 발명의 ZnO 성장 배스(100)는 입력 펌프(160)와 출력 펌프(170)가 별도로 마련되는 것으로 설명하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 입력 펌프(160)는 입력구로 대체될 수 있으며, 상기 출력 펌프(170) 또한 출력구로 대체될 수 있다. 그러면 상기 ZnO 성장 배스(100)는 상기 입력구와 상기 출력구를 연결하는 파이프라인을 더 포함하는 한편, 상기 파이프라인 내측에서 일정 방향으로 성장 용액의 흐름을 생성할 수 있는 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 배출 수단(180)은 상기 성장 배스(110) 일측에 마련되어 상기 성장 배스(110) 측벽 일부를 관통하는 배출구와, 상기 배출구와 연결되어 상기 폐액 보조 챔버(500)까지 연결되는 파이프라인, 상기 배출구의 개폐를 지원하는 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 배출 수단(180)은 상기 성장 배스(110) 내에 주입되어 사용된 후 폐용액을 상기 폐액 보조 챔버(500)로 이동시키기 위한 구성이다. 이때 상기 성장 배스(110) 내에서 기판 상에 ZnO 나노와이어를 성장시키는 동안에는 성장 용액이 폐액 보조 챔버(500)로 이동되면 안 됨으로 해당 시간 동안에는 배출구가 폐쇄되도록 배출구의 밸브가 제어되어야 한다. 그리고 상기 배출 수단(180)은 상기 용액의 용이한 배출을 위하여 상기 성장 배스(110) 내에서 성장 용액의 흐름이 자연스럽게 배출될 수 있는 위치에 마련될 수 있다. 이를 위하여 상기 성장 배스(110) 내측 구조는 성장 용액이 상기 배출구 방향으로 용이하게 흐를 수 있도록 일정 경사를 가질 수 있다. 즉 상기 배출 수단(180)은 상기 성장 배스(110) 내측 중 경사가 가장 낮은 지역에 위치하게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 ZnO 성장 배스(100)는 상기 커버(120)에 마련된 주입구(130)를 통하여 성장 용액을 상기 성장 배스(110) 내부에 주입하도록 지원한다. 그리고 상기 ZnO 성장 배스(100)는 순환 더블 자켓형 배스(200)에 분포된 오일로부터 열을 전달받아 성장 배스(110) 내에 분포하는 성장 용액을 중탕하여 기판 홀더(150)에 배치되는 대면적 기판 상에 균일한 밀도와 직경 및 길이를 가지는 복수의 ZnO 나노와이어가 고르게 성장할 수 있도록 지원할 수 있다.
한편 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 상기 ZnO 성장 배스(100)를 완전하게 감싸는 구조를 가질 수 있다. 이러한 순환 더블 자켓형 배스(200)는 고온의 오일이 특정 화학 반응을 발생시키지 않도록 상기 오일과 외부 환경의 접촉을 차단한다. 이때 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 앞서 언급한 바와 같이 오일의 열을 외부로 빼앗기지 않도록 지원하기 위하여 외벽이 단열 재질 예를 들면 PVC 재질로 마름될 수 있다. 이러한 순환 더블 자켓형 배스(200)는 내부에 상기 ZnO 성장 배스(100)가 배치되는 공간 및 상기 ZnO 성장 배스(100)에 열을 공급하는 오일이 주입될 수 있는 공간을 가지는 통형으로 제작될 수 있다. 통형으로 제작되는 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 오일이 가지고 있는 열을 흡수하지 않는 재질 예를 들면 세라믹이나 황토 등 다양한 재질로 형성이 가능하며, 전술한 바와 같이 PVC 재질로 형성될 수 도 있다. 또한 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 강철이나, Stainless steel 등으로 제작된 후 외장을 PVC 단열재로 마감하여 내부 열이 외부로 발산되는 것을 방지할 수 있다. 상기 순환 더블 자켓형 배스(200) 측벽 중 일측에는 내부에 분포하는 오일이 오일 보조 챔버(300)로 이동할 수 있도록 오일 출력홀(210)이 마련되며, 오일 순환 펌프(400)가 전달하는 오일이 주입되는 오일 입력홀(220)이 마련될 수 있다. 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 상술한 오일 출력홀(210)과 오일 입력홀(220)을 통하여 내부에 분포하는 오일들을 순환하도록 함으로써, ZnO 성장 배스(100)에 일정한 온도를 가지는 오일이 분포하도록 지원한다. 한편 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 상기 ZnO 성장 배스(100)의 배출 수단(180)과 폐액 보조 챔버(500) 사이에 배치되는 파이프라인이 관통하는 홀을 마련할 수 있으며, 상기 파이프라인 관통 영역은 내부에 분포한 오일이 새지 않도록 봉입될 수 있다.
상기 순환 더블 자켓형 배스(200)는 상기 오일 출력홀(210) 및 오일 입력홀(220) 영역에서 각 오일 출력홀(210)과 오일 입력홀(220)을 막는 밸브를 더 마련할 수 도 있다. 그러나 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)의 오일 순환을 위하여 밸브가 배치되더라도 해당 밸브들은 거의 항상 개방 상태로 유지될 수 있다. 그리고 오일 교환이나 순환 더블 자켓형 배스(200)의 이상 점검 등을 위하여 상기 오일 출력홀(210) 및 상기 오일 입력홀(220)에 배치된 밸브의 개폐 여부가 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 오일 보조 챔버(300) 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 오일 보조 챔버(300)는 오일 챔버(310)와 오일 히터(320)를 포함할 수 있다. 이러한 오일 보조 챔버(300)는 순환 더블 자켓형 배스(200)에 분포한 오일 중 이동된 오일을 상기 오일 히터(320)를 이용하여 가열하고, 가열된 오일을 오일 순환 펌프(400)로 전달할 수 있다.
상기 오일 챔버(310)는 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)와 연결된 파이프라인과 연결되는 제1 연결홀(311)과, 상기 오일 순환 펌프(400)와 연결된 파이프라인과 연결되는 제2 연결홀(313)을 가질 수 있다. 그리고 상기 오일 챔버(310)는 보다 효과적인 오일 가열을 위하여 상기 제1 연결홀(311)과 제2 연결홀(313)을 각각 막는 제1 밸브(301) 및 제2 밸브(303)를 더 포함할 수 있다. 즉 상기 오일 챔버(310)는 제1 밸브(301) 및 제2 밸브(303)가 각각 제1 연결홀(311) 및 제2 연결홀(313)을 막아서 밀폐된 공간을 마련하고 오일 히터(320)로부터 전달된 열로 오일을 가열할 수 있다. 그리고 오일이 일정 온도로 가열되면, 가열된 오일을 오일 순환 펌프(400)로 전달하도록 제2 밸브(303)가 개방될 수 있다. 또한 상기 오일 챔버(310)는 별도의 밸브 마련 없이 상기 오일 챔버(310)를 관통하여 흐르는 오일에 오일 히터(320)의 열을 지속적으로 전달할 수 도 있다. 상기 오일 챔버(310)는 상기 오일 히터(320)의 열을 상기 오일에 잘 전달할 수 있는 재질 예를 들면 강철, Stainless steel, 황동이나 구리 등 열전도도가 높은 다양한 재질로 형성될 수 있다.
상기 오일 히터(320)는 상기 오일 챔버(310)를 전체적으로 가열할 수 있도록 분포될 수 있으며, 이러한 오일 히터(320)는 불꽃을 생성하여 오일 챔버(310)를 가열하는 히터 또는 열선을 이용하여 오일 챔버(310)에 열을 가하는 히터 등 다양한 형태가 채용될 수 있다. 특히 상기 오일 히터(320)는 상기 오일 챔버(310)에 고르게 열을 전달하기 위하여 열선을 이용한 전기식 히터가 채용될 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 상기 오일 히터(320)가 전기식 히터로 구성되는 경우 상기 오일 히터(320)는 상기 오일 챔버(310)를 균일하게 감싸는 열선과, 상기 열선에 일정한 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 그리고 상기 오일 히터(320)는 상기 열선의 규격에 따라 공급되는 전원에 의한 열을 오일 챔버(310)에 제공할 수 있다. 이때 상기 전원 공급 장치가 제공하는 전원의 크기 및 열선의 규격 등에 따라 상기 열선을 통하여 달성할 수 있는 온도를 다르게 설정할 수 있기 때문에 전기식 히터가 채용된 오일 히터(320)를 이용하는 경우 작업자는 오일 챔버(310)를 일정한 온도로 유지하는데 다른 방식의 히터에 비하여 보다 용이한 작업 과정을 거칠 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템(10)은 상술한 각 구성들 중 밸브 구동을 위한 구성을 더 포함할 수 있다. 즉 상기 성장 시스템(10)은 상기 밸브들의 개폐를 위한 밸브 개폐 장치와 밸브 개폐 시점 제어를 위한 마이크로프로세서를 더 포함할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템(10)은 ZnO 성장 배스(100)를 마련하고, 상기 ZnO 성장 배스(100)를 감싸며 상기 ZnO 성장 배스(100) 전체에 고르게 열을 전달할 수 있도록 제작된 순환 더블 자켓형 배스(200)를 마련한다. 그리고 본 발명의 성장 시스템(10)은 상기 순환 더블 자켓형 배스(200)의 고른 열전달을 위하여 오일을 이용하면서, 이 오일을 가열하기 위한 오일 보조 챔버(300)를 더 포함할 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템(10)을 기반으로 성정되는 ZnO 나노와이어 성장에 대하여 간략하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 ZnO 나노와이어를 기반으로 생성되는 전지소자는 기판, ZnO 시드층(ZnO seedlayer), 복수의 ZnO 나노와이어(ZnO nanowire)를 포함하여 구성되며, ZnO 나노와이어의 성장이 완료된 이후 마련되는 다층의 박막 실리콘 및 전극층이 더 형성될 수 있다.
상기 기판은 박막 실리콘 태양전지에 빛이 입사되는 부분으로, 박막 실리콘 태양전지 내에서의 내부 단락을 방지할 수 있도록 투명절연성 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판의 소재로 소다석회 유리, 일반 유리 또는 강화 유리 중에 하나를 사용할 수 있고, 폴리머 재질의 폴리머 기판을 사용할 수도 있다. 이외에도, 기판으로는 실리콘 기판 또는 사파이어 기판 등이 사용될 수 있으며, 기판으로 사용할 수 있는 재질은 이에 한정되지 않는다.
ZnO 시드층은 기판 위에 형성되는 ZnO 박막층이며, 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착될 수 있다. ZnO 시드층은 ZnO 나노와이어의 두께 및 수직 성장을 제어하기 위해 100 내지 400℃로 열처리 될 수 있다.
한편 ZnO 시드층이 형성된 기판은 본 발명의 성장 시스템(10)의 ZnO 성장 배스(100)에 배치된 후 주입되는 성장 용액에 의하여 복수의 ZnO 나노와이어를 성장시킬 수 있다. 이때 복수의 ZnO 나노와이어는 ZnO 시드층 위에 형성되고, 태양전지의 투명 전극 역할을 하는 것으로, 증류수에 몰농도가 같은 질산 아연 수화물(zinc nitrate hydrate)과 헥사메틸렌테트라민(HMT; hexamethylenetetramine)을 혼합한 수용액 내에서 성장된다. ZnO 나노와이어는 고종횡비가 크기 때문에 빛이 입사되는 표면적을 최대화시키는 텍스처링 또는 요철 기능을 한다.
복수의 ZnO 나노와이어의 성장이 완료되면 본 발명의 성장 시스템(10)은 배출 수단의 배출구를 개방하여 폐용액을 폐액 보조 챔버로 흘려보내고, 폐용액의 이동으로 속이 빈 ZnO 성장 배스 내에서 기판을 취출한 후, 박막 실리콘과 전극층을 형성함으로써, 대면적 전지 소자를 형성하도록 지원할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
10 : 성장 시스템 100 : ZnO 성장 배스
110 : 성장 배스 120 : 커버
130 : 주입구 140 : 체결 부재
150 : 기판 홀더 160 : 입력 펌프
170 : 출력 펌프 180 : 배출 수단
200 : 순환 더블 자켓형 배스 210 : 오일 출력홀
220 : 오일 입력홀 300 : 오일 보조 챔버
310 : 오일 챔버 320 : 오일 히터
400 : 오일 순환 펌프 500 : 폐액 보조 챔버

Claims (10)

  1. 기판 장착을 위한 기판 홀더가 내부에 배치되며, 상기 기판 홀더에 장착된 기판이 잠기게 성장 용액이 주입되는 일정 공간을 가지는 ZnO 성장 배스와;
    상기 ZnO 성장 배스를 감싸며 상기 ZnO 성장 배스 전체에 고르게 일정한 열을 제공하는 순환 더블 자켓형 배스;를 포함하고,
    상기 ZnO 성장 배스는
    일측이 개구되고 상기 기판 홀더가 배치되는 내측 공간을 가지는 성장 배스와;
    상기 성장 배스의 내측 공간의 중심부에 수직하게 배치되는 상기 기판 홀더;
    상기 성장 배스의 내측 공간에 마련되되 상기 기판 홀더의 상측에 배치되어 주입된 성장 용액을 흡입하는 입력 펌프;
    상기 성장 배스의 내측 공간에 마련되되 상기 기판 홀더의 하측에 배치되어 흡입된 성장 용액을 상기 성장 배스 내에서 분출하여 상기 입력 펌프와 함께 성장 용액을 상기 성장 배스 내에서 순환시키는 출력 펌프와;
    상기 성장 배스의 개구된 영역을 덮는 커버와;
    상기 커버 일측에 마련되어 상기 성장 배스 내부로 성장 용액을 주입할 수 있도록 마련된 주입구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순환 더블 자켓형 배스는
    내부에 고르게 분포하며 내포된 열을 상기 ZnO 성장 배스의 전체에 중탕 방식으로 전달하는 오일과;
    외부로 열이 발산되는 것을 방지하기 위하여 배스 외부에 마련되는 단열재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성장 배스의 일측에 마련되어 상기 성장 용액의 배출시킬 수 있는 배출 수단과;
    상기 성장 배스 내벽에 마련되는 테프론 코팅층;
    중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 성장 배스의 내측 공간은
    상기 배출 수단이 위치한 영역으로 일정한 경사를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성장 배스는
    스테인리스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 배출 수단과 연결되는 파이프라인과;
    상기 배출 수단과 연결되는 파이프라인과 연결되며 상기 성장 배스 내에 존재하는 용액의 배출을 일시적으로 저장하는 폐액 보조 챔버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 순환 더블 자켓형 배스에 분포하는 오일을 가열하기 위한 오일 보조 챔버;를 더 포함하고,
    상기 오일 보조 챔버는
    상기 오일이 임시 저장 또는 이동하는 공간을 제공하는 오일 챔버와;
    상기 오일 챔버 전면에 일정한 열을 제공하는 오일 히터와;
    상기 순환 더블 자켓형 배스 일측과 연결되는 적어도 하나의 파이프라인;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오일 히터는
    상기 오일 챔버 전면을 감싸는 열선과;
    상기 열선에 전원을 공급하는 전원 공급 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 오일 보조 챔버와 파이프라인으로 연결되며 상기 순환 더블 자켓형 배스와 파이프라인으로 연결되어 상기 오일 보조 챔버의 오일 순환을 지원하는 오일 순환 펌프;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ZnO 나노와이어 대면적 성장 시스템.
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JP3824567B2 (ja) * 2002-09-30 2006-09-20 株式会社荏原製作所 基板処理装置
KR100851281B1 (ko) * 2007-04-20 2008-08-08 연세대학교 산학협력단 도핑된 산화아연 나노선의 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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