KR101263635B1 - 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자에 관한 것으로, 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성함으로써, 상대적으로 빠른 성장 속도 및 낮은 성장 온도를 갖는 효과적인 방식으로 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 방향으로 성장시킬 수 있어 더욱 효율적으로 기능 소자를 제조할 수 있고, 전기 화학 증착법을 통해 낮은 굴절률을 갖는 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 돌출되는 방향으로 성장 형성시킴으로써, 효과적인 유효 굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 LED 소자의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자를 제공한다.

Description

기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자{Fabricating Method for Functional Element and Functional Element Fabricated Thereby}
본 발명은 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성함으로써, 상대적으로 빠른 성장 속도 및 낮은 성장 온도를 갖는 효과적인 방식으로 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 방향으로 성장시킬 수 있어 더욱 효율적으로 기능 소자를 제조할 수 있고, 전기 화학 증착법을 통해 낮은 굴절률을 갖는 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 돌출되는 방향으로 성장 형성시킴으로써, 효과적인 유효 굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 LED 소자의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자에 관한 것이다.
나노 기술은 원자, 분자 수준에서 물질을 물리적 혹은 화학적으로 제어하여 유용한 구조와 기능을 발현시키는 기술로, 이를 통해 종래와는 전혀 다른 원리의 디바이스를 구현할 수 있으며, 그 활용 가능성이 무궁무진할 것으로 기대되고 있다. 나노 기술은 향후 과학기술의 핵심적인 분야가 될 것으로 예상되고 있으며, 다른 기술들에 비해 기반이나 속도 면에서 훨씬 급속하게 성장하고 있다.
이와 함께, 물질의 나노 구조를 이용하여 새로운 전자소자나 광소자 등의 기능소자를 개발하려는 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 나노 분말, 나노 와이어, 나노 튜브, 나노 로드, 나노 복합체 등 나노미터 크기의 구조물에서는 기존의 박막이나 벌크 형태에서와는 전혀 다른 광학적, 전기적, 자기적, 유전적 특성이 발현된다. 이러한 특성을 이용해 저전력으로 동작 효율을 높이거나, 기능소자의 성능을 향상시키려는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특히, 종횡비가 큰 1차원 나노 구조체는 넓은 표면적을 가질 수 있고 전위 밀도가 작고 결정성(crystallinity)이 높으며 나노 크기에 의한 양자크기 효과와 같은 물리적 특성을 지니기 때문에, 전자소자와 반도체 발광소자, 광소자뿐만 아니라, 환경관련 소재에 응용될 수 있고, 특히 반도체 나노 구조체의 경우, 단일 전자 트랜지스터 소자뿐만 아니라, 새로운 광소자 재료로 응용이 가능하다.
한편, 최근 들어서는 발광 소자인 LED의 수요가 급증하고 있는데, 이러한 LED는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소를 화합하여 생성할 수 있으며, 화합물 반도체층에서 빛이 생성되어 공기중으로 방출되도록 구성되며 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
그러나, 이러한 LED는 일반적으로 광추출 효율이 낮아지는 문제가 있는데, 광추출 효율이란 반도체층에서 생성된 빛과 반도체층에서 공기로 방출되는 빛의 비율을 의미하는 것으로, 이러한 광추출 효율의 감소는 반도체층과 공기와의 굴절률 차이로 인해 반도체층에서 생성된 빛이 공기로 방출되는 과정에서 내부 전반사가 일어나기 때문이다.
따라서, LED에 대한 광추출 효율 감소 문제를 해결하기 위해 LED 소자의 표면에 전술한 나노 구조체를 적용하는 등 표면 반사율을 조절하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있으나, 아직까지 충분한 성과를 보이지 못하고 있는 실정이다.

선행기술로는 한국공개특허 제10-2011-0138734호가 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성함으로써, 상대적으로 빠른 성장 속도 및 낮은 성장 온도를 갖는 효과적인 방식으로 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 방향으로 성장시킬 수 있어 더욱 효율적으로 기능 소자를 제조할 수 있게 하는 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 화학 증착법을 통해 기판의 표면에 낮은 굴절률을 갖는 수산화갈륨 나노 막대를 수직 돌출되는 방향으로 성장 형성시킴으로써, 효과적인 유효 굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 LED 소자의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기능 소자 제조 방법 및 이를 통해 제조된 기능 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은, 기판을 준비하는 준비 단계; 및 상기 기판의 표면에 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성시키는 증착 단계를 포함하고, 상기 증착 단계는 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루를 초순도 물에 희석시키는 방식으로 증착 용액을 형성하는 용액 형성 단계; 및 상기 기판과 대전판을 서로 이격되게 상기 증착 용액에 투입하고 음극 및 양극 전원을 각각 연결하여 전원을 인가하는 전원 인가 단계를 포함하고, 상기 수산화갈륨 나노 막대를 상기 기판의 표면으로부터 돌출되는 방향으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법을 제공한다.
이때, 상기 기능 소자 제조 방법은 상기 기판의 표면에 씨드층을 형성시키는 씨드층 형성 단계를 더 포함하고, 상기 증착 단계를 통해 형성되는 수산화갈륨 나노 막대는 상기 기판의 씨드층에 형성될 수 있다.
또한, 상기 씨드층은 산화주석(SnO2) 씨드층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 씨드층은 상기 기판의 표면에 스퍼터링 방법을 통해 증착 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판은 ITO 층이 형성된 LED로 적용되고, 상기 씨드층은 ITO 층에 형성될 수 있다.
한편, 상기 증착 단계에서 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도, 상기 증착 용액의 온도, 전원 인가 시간, 전원의 인가 전압, 상기 기판과 대전판 사이의 이격 거리 중 적어도 어느 하나 이상에 대한 조절을 통해 상기 수산화갈륨 나노 막대의 형태를 조절할 수 있다.
이때, 상기 증착 단계에서 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도는 각각 5mM 으로 적용될 수 있다.
또한, 상기 증착 단계에서 상기 증착 용액의 온도를 50℃ 에서 90℃ 사이의 온도 범위 중 어느 하나의 온도로 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 증착 단계의 전원 인가 단계에서 2V 전압의 전원을 인가하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 증착 단계의 전원 인가 단계에서 전원을 10시간 동안 인가하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 이상에서 설명한 제조 방법으로 제조된 기능 소자를 제공한다.
본 발명에 의하면, 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성함으로써, 상대적으로 빠른 성장 속도 및 낮은 성장 온도를 갖는 효과적인 방식으로 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 방향으로 성장시킬 수 있어 더욱 효율적으로 기능 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전기 화학 증착법을 통해 기판의 표면에 낮은 굴절률을 갖는 수산화갈륨 나노 막대를 수직 돌출되는 방향으로 성장 형성시킴으로써, 효과적인 유효 굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 LED 소자의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 증착 용액에서 분말 가루의 몰농도, 증착 용액의 온도, 전원 인가 시간, 인가 전압 등의 조절을 통해 수산화갈륨 나노 막대의 형태를 조절할 수 있어 상황에 따라 더욱 효율적이고 적합한 형태의 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법의 공정 흐름을 단계적으로 도시한 공정 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법의 증착 단계에서 전기 화학 증착법을 수행하기 위한 장치를 개념적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 제조된 기능 소자의 형태를 개념적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 제조된 LED 소자의 형태를 개념적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 생성된 수산화갈륨 나노 막대의 형상과 LED 소자의 특성 변화를 나타내는 도면,
도 6은 씨드층 유무에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면,
도 7은 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루 농도에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면,
도 8은 증착 용액에 NH4NO3 분말 가루의 첨가 유무에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면,
도 9는 증착 용액의 온도에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면,
도 10은 전원의 인가 전압에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면,
도 11은 전원의 인가 시간에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법의 공정 흐름을 단계적으로 도시한 공정 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법의 증착 단계에서 전기 화학 증착법을 수행하기 위한 장치를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 제조된 기능 소자의 형태를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 제조된 LED 소자의 형태를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법을 통해 생성된 수산화갈륨 나노 막대의 형상과 LED 소자의 특성 변화를 나타내는 도면이고, 도 6은 씨드층 유무에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법은 기판(400)에 수산화갈륨(GaOOH) 나노 막대(420)를 성장시켜 빛에 대한 반사율 또는 굴절률을 조절할 수 있도록 하는 기능 소자를 제조하는 방법으로, 기판(400)을 준비하는 준비 단계(S1) 및 기판(400)의 표면에 수산화갈륨 나노 막대(420)를 성장 형성시키는 증착 단계(S3)를 포함하여 구성된다. 이때, 준비 단계(S1)와 증착 단계(S3) 사이에 기판(400)의 표면에 씨드층(410)을 형성시키는 씨드층 형성 단계(S2)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
준비 단계(S1)는 기판(400)을 준비하는 단계로서, 기판(400)은 LED 소자의 기판, 태양광 소자의 기판 등 다양한 기판이 적용될 수 있는데, 여기서는 LED 소자의 기판을 중심으로 설명한다.
증착 단계(S3)는 기판(400)의 표면에 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대(420)를 성장 형성시키는 단계로서, Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루를 초순도 물에 희석시키는 방식으로 증착 용액(200)을 형성하는 용액 형성 단계(S3-1)와, 기판(400)과 대전판(300)을 서로 이격되게 증착 용액(200)에 투입하고 별도의 전원 공급 장치(700)를 통해 각각 음극 및 양극 전원을 연결하여 전원을 인가하는 전원 인가 단계(S3-2)를 포함하여 구성된다. 이때, 수산화갈륨 나노 막대(420)는 기판(400)의 표면으로부터 돌출되는 방향으로 성장 형성된다.
좀 더 자세히 살펴보면, 증착 단계(S3)는 도 2에 도시된 바와 같은 전기 화학 증착 장치를 통해 수행되는데, 전기 화학 증착 장치는 내부에 증착 용액(200)을 수용할 수 있는 증착 용기(100)와, 증착 용기(100) 내부에 수용 저장되는 증착 용액(200)과, 증착 용액(200)에 서로 이격되게 투입되는 대전판(300) 및 기판(400)과, 대전판(300) 및 기판(400)에 각각 양극 전원 및 음극 전원을 인가하는 전원 공급 장치(700)를 포함하여 구성된다. 대전판(300)은 백금과 같은 금속이 도금된 형태로 구성되며, 기판(400)은 별도의 전극 로드(310)를 통해 전원 공급 장치(700)로부터 음극 전원을 인가받도록 구성될 수 있다.
이때, 증착 용액(200)은 초순도 물에 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루를 희석시키는 방식으로 형성하는데, 이러한 증착 용액(200)에 대전판(300)과 기판(400)을 투입시켜 각각에 양극 전원 및 음극 전원을 일정시간 인가하게 되면, 전기 분해 및 화학 반응을 통해 기판(400)의 표면에 돌출되는 방향으로 수산화갈륨(GaOOH) 나노 막대(420)가 성장 형성된다. 화학식은 다음과 같다.
Ga(NO3)3 -> Ga3 + + 3NO3 -
NO3 - + H2O + 2e- -> NO2 - + 2OH-
Ga3 + + 2OH- -> GaOOH + H+
이와 같이 수산화갈륨 나노 막대(420)를 성장시키는 과정에서, 증착 용액(200)은 온도를 일정하게 유지하는 것이 나노 막대의 더 많은 성장을 위해 바람직한데, 이를 위해 증착 용기(100)에 저장된 증착 용액(200)을 가열하며 항온 상태로 유지시키는 히팅 장치(500)가 더 구비될 수 있고, 증착 용액(200)의 온도를 측정하는 온도 측정 센서(600) 또한 더 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법은 기판(400)의 표면에 씨드층(410)을 형성하는 씨드층 형성 단계(S2)를 더 포함하여 구성될 수 있고, 증착 단계(S3)는 이러한 씨드층 형성 단계(S2)를 통해 기판(400)의 표면에 씨드층(410)이 형성된 상태에서 수행되도록 구성된다. 따라서, 증착 단계(S3)에서 형성되는 수산화갈륨 나노 막대(420)는 기판(400)의 씨드층(410)에 형성된다. 이때, 기판(400)이 LED 소자의 기판으로 적용되는 경우, 씨드층(410)은 산화주석(SnO2) 씨드층으로 형성될 수 있으며, 이러한 씨드층(410)은 기판(400)의 표면에 스퍼터링 방법을 통해 증착 형성되도록 구성될 수 있다.
도 3은 이러한 제조 방법에 의해 제조된 기능 소자의 형태를 개념적으로 도시한 도면으로, 도 3에 도시된 바와 같이 수산화갈륨 나노 막대(420)는 기판(400)의 씨드층(410) 표면에 돌출되는 방향으로 성장 형성된다. 예를 들면, 씨드층(410) 표면으로부터 수직하게 돌출되거나 또는 경사지게 돌출되는 방향으로 형성된다. 한편, 도 4에는 기판(400)으로 LED 소자의 기판(400)이 적용된 형태가 도시되는데, 도 4에 도시된 바와 같이 LED 소자의 기판(400)에 ITO 전극층이 형성되고, 이러한 ITO 전극층의 표면에 씨드층(410)이 형성된 후, 씨드층(410) 표면에 수산화갈륨 나노 막대(420)가 성장 형성될 수 있다. 이때, 씨드층(410)은 산화주석 씨드층이 적용된다.
이와 같이 기판(400)의 표면에 수산화갈륨 나노 막대(420)가 성장되면, 효과적인 유효 굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 LED 소자의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 좀 더 자세히 살펴보면, 수산화갈륨은 약 4.75 eV의 밴드갭을 갖는 물질로 화학적으로 안정하며 물질이 밀하지 않기 때문에, 1.8~1.9의 굴절률을 나타내는 Ga2O3보다 낮은 굴절률을 갖는다. 따라서, 이러한 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 돌출되는 방향으로 성장시키게 되면, 유효 굴절률 조절을 통해 내부 전반사를 줄여 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 수산화갈륨 나노 구조의 경우, 졸겔합성법(sol-gel method), 음향화학법(sonochemical reaction method), 수열합성법(hydrothermal method) 등을 이용하여 형성될 수 있는데, 분말 형태로 준비되어 소자 제작으로의 적용이 매우 어려웠지만, 본 발명에 따른 산화주석 씨드층에 의한 전기 화학 증착법의 경우, 상대적으로 빠른 성장 속도 및 낮은 성장 온도를 가지며, 효과적으로 수산화갈륨 나노 막대를 기판의 표면에 수직 방향으로 성장시킬 수 있으므로, 더욱 효율적인 소자 제작이 가능하다.
또한, 종래 기술의 경우, 광추출 효율 향상을 위해 LED 표면 위에 무작위의 요철 형성, 나노 및 마이크로 패턴 및 광결정 구조 형성, 금속 산화물 나노 막대 성장과 같은 방식을 사용하였다. 그러나 이러한 공정들은 복잡한 공정 및 고가의 장비를 이용한 공정으로 경제적이지 못하다. 또한, 높은 공정 온도 및 화학적인 에칭 공정으로 인하여 공정 후에 소자의 전기적 특성이 크게 저하되는 문제를 갖는다. 또한, ZnO의 경우 약 3.37 eV의 밴드갭 에너지를 가지기 때문에 자외선 영역의 빛을 투과하여 자외선 영역 LED 적용이 제한된다. 반면, 본 발명에 따라 1.8-1.9보다 낮은 굴절률과 약 4.75 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 수산화갈륨 나노막대를 이용하게 되면, 보다 쉬운 굴절률 조절이 가능하며 기존의 청색, 적색, 녹색 LED뿐만 아니라 자외선 영역의 LED 소자에 이르기까지 발광 표면에 수직 돌출되는 방향으로 수산화갈륨을 성장하여 효과적인 유효굴절률 조절을 통하여 내부 전반사를 줄여줌으로써 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5의 (a)에는 LED 소자의 ITO 전극층 표면에 수직 돌출되는 방향으로 성장된 수산화갈륨 나노 막대에 대한 실험적으로 나타난 형상이 도시되며, 도 5의 (b)에는 일반적인 종래의 LED와 본 발명에 따른 LED의 광추출 효율을 실험적으로 비교한 수치가 그래프화하여 도시된다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 제작된 LED 소자는 수산화갈륨 나노 막대에 의해 굴절률이 감소하므로 일반적인 종래의 LED 소자에 비해 광추출 효율이 크게 향상됨을 알 수 있다.
한편, 도 6에는 기판(400)의 표면에 씨드층(410)이 있는 경우와 없는 경우 각각에 대한 수산화갈륨 나노 막대(420)의 성장 모습을 실험적으로 나타낸 전자주사현미경 사진이 도시되는데, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 씨드층(410)이 없는 경우에는 수산화갈륨 나노 막대(420)의 생성량이 상대적으로 작고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 씨드층(410)이 있는 경우에는 수산화갈륨 나노 막대(420)가 기판(400)의 표면에 수직 돌출되는 방향으로 성장함과 동시에 그 생성량 또한 상대적으로 증가함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 방법에 따라 나노 막대 형태로 형성되는 수산화갈륨은 LED, FED(Field Emission Display), 광촉매(Photocatalyst) 등에 널리 활용될 수 있다. LED의 경우, GaN, Ga2O3는 뛰어난 광특성을 가지고 있어 LED에 많이 사용되고 있는데, GaN과 Ga2O3는 수산화갈륨의 열처리 방식에 의해 간단히 합성시킬 수 있으므로, 수산화갈륨은 GaN과 Ga2O3를 이용한 LED에 적용시키기 위한 선구체로 활용될 수 있다. FED는 차세대 평판 디스플레이 장치로 각광받고 있는데, 그 요소 중에 형광체(phosphor)로의 뛰어난 성능을 지닌 Ga2O3가 많이 연구되고 있으며, 이러한 Ga2O3를 얻기 위해 수산화갈륨이 선구체로서 이용될 수 있다. 광촉매는 그린 에너지 기술로서, 벤젠과 같은 독성 물질과 방향적 혼합물이 도시 대기에 퍼져있어 인체에 해로움을 주기 때문에 이러한 가스를 제거시켜주는데 효율적으로 사용된다. 벤젠은 인체에 해로우며 이를 제거하기 위해 TiO2에 기초된 광촉매가 사용되고 있으나 수산화갈륨은 이보다 더 뛰어난 제거 능력을 지니고 있어 앞으로 이러한 그린 에너지 기술로서 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법은 다양한 조건 조절을 통해 수산화갈륨 나노 막대의 형태를 조절할 수 있는데, 이하에서는 도 7 내지 도 11을 통해 이에 대한 내용을 살펴본다.
도 7은 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루 농도에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이고, 도 8은 증착 용액에 NH4NO3 분말 가루의 첨가 유무에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이고, 도 9는 증착 용액의 온도에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이고, 도 10은 전원의 인가 전압에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이고, 도 11은 전원의 인가 시간에 따른 수산화갈륨 나노 막대의 생성 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능 소자 제조 방법은, Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도, 증착 용액(200)의 온도, 전원 인가 시간, 전원의 인가 전압, 기판(400)과 대전판(300) 사이의 이격 거리 중 적어도 어느 하나 이상에 대한 조절을 통해 수산화갈륨 나노 막대의 생성량, 두께 및 높이 등을 조절할 수 있다.
먼저, 도 7은 증착 용액(200)을 형성하는 단계에서, Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도에 따른 수산화갈륨 나노 막대(420)의 크기, 높이의 차이를 나타내는 사진이다. 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 5 mM의 경우 기판 위에 수직방향으로 잘 정렬된 수산화갈륨 나노 막대가 성장되었다. 몰농도가 10 mM로 증가한 경우 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 나노막대의 크기 및 높이는 상대적으로 증가하였다. 반면 20 mM로 몰농도가 더욱 증가하는 경우 나노 막대의 크기는 크게 증가하였지만 높이는 감소하였다.
도 8은 증착 용액(200)을 형성하는 단계에서 NH4NO3 분말 가루의 몰농도에 따른 수산화갈륨 나노 막대(420)의 생성량의 차이를 나타내는 사진이다. 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 증착 용액(200)에 Ga(NO3)3·xH2O 와 함께 NH4NO3 분말 가루가 첨가되지 않은 경우에는 상대적으로 수산화갈륨 나노 막대(420)의 생성량이 작으며, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 증착 용액(200)에 NH4NO3 분말 가루가 첨가된 경우, OH-의 효과적인 공급에 의해 반응 속도가 향상되어 상대적으로 수산화갈륨 나노 막대(420)의 생성량이 크다. 이때, Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도는 각각 5mM으로 동일하게 적용되는 경우, 수산화갈륨 나노 막대(420)의 생성량이 크게 증가하였다.
도 9는 증착 용액(200)의 온도에 따른 수산화갈륨 나노 막대(420)의 상태 변화를 나타내는 사진이다. 도 9에 도시된 바와 같이 증착 용액(200)이 상온으로 유지되는 경우, 기판(400)의 표면에서는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 필름이 성장되며, 온도가 증가함에 따라 수산화갈륨 나노 막대(420)의 크기는 감소하고 높이는 증가하게 된다. 또한, 증착 용액(200)의 온도가 증가함에 따라 균질한 핵생성이 쉽게 일어나고 낮은 온도에서는 필름이 형성되므로, 이러한 특성에 따라 증착 용액의 온도는 50℃ 에서 90℃ 사이의 온도 범위 중 어느 하나의 온도로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
도 10은 증착 단계(S3)의 전원 인가 단계(S3-2)에서 인가 전압의 크기에 따른 수산화갈륨 나노 막대(420)의 상태 변화를 나타내는 사진이다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 인가 전압이 1.5V 인 경우, 수산화갈륨 나노 막대(420)가 정상적으로 성장하지 못하며, 2.5V 인 경우, 수산화갈륨 나노 막대(420)가 너무 크게 성장하게 되며, 2V 인 경우, 그 크기 및 생성량이 가장 적합한 상태라고 할 수 있다.
도 11은 증착 단계(S3)의 전원 인가 단계(S3-2)에서 전원 인가 시간에 따른 수산화갈륨 나노 막대(420)의 상태 변화를 나타내는 사진이다. 도 11의 (a),(b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 전원 인가 시간이 증가할수록 수산화갈륨 나노 막대(420)의 크기 및 높이가 증가하게 되며, 약 10시간 정도 전원을 인가할 때 가장 적합한 상태라고 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 증착 용액 300: 대전판
400: 기판 410: 씨드층
420: 수산화갈륨 나노 막대 500: 히팅 장치
600: 온도 측정 센서 700: 전원 공급 장치

Claims (11)

  1. 기판을 준비하는 준비 단계; 및
    상기 기판의 표면에 전기 화학 증착법을 통해 수산화갈륨 나노 막대를 성장 형성시키는 증착 단계
    를 포함하고, 상기 증착 단계는
    Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루를 초순도 물에 희석시키는 방식으로 증착 용액을 형성하는 용액 형성 단계; 및
    상기 기판과 대전판을 서로 이격되게 상기 증착 용액에 투입하고 음극 및 양극 전원을 각각 연결하여 전원을 인가하는 전원 인가 단계
    를 포함하고, 상기 수산화갈륨 나노 막대를 상기 기판의 표면으로부터 돌출되는 방향으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면에 씨드층을 형성시키는 씨드층 형성 단계를 더 포함하고,
    상기 증착 단계를 통해 형성되는 수산화갈륨 나노 막대는 상기 기판의 씨드층에 형성되는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 씨드층은 산화주석(SnO2) 씨드층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 씨드층은 상기 기판의 표면에 스퍼터링 방법을 통해 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 ITO 층이 형성된 LED로 적용되고, 상기 씨드층은 ITO 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 단계에서
    Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도, 상기 증착 용액의 온도, 전원 인가 시간, 전원의 인가 전압, 상기 기판과 대전판 사이의 이격 거리 중 적어도 어느 하나 이상에 대한 조절을 통해 상기 수산화갈륨 나노 막대의 형태를 조절하는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착 단계에서 Ga(NO3)3·xH2O 및 NH4NO3 분말 가루의 몰농도는 각각 5mM 으로 적용되는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착 단계에서 상기 증착 용액의 온도를 50℃ 에서 90℃ 사이의 온도 범위 중 어느 하나의 온도로 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착 단계의 전원 인가 단계에서 2V 전압의 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 증착 단계의 전원 인가 단계에서 전원을 10시간 동안 인가하는 것을 특징으로 하는 기능 소자 제조 방법.
  11. 삭제
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