KR101311763B1 - Method of manufacturing ZnO nanostructures - Google Patents

Method of manufacturing ZnO nanostructures Download PDF

Info

Publication number
KR101311763B1
KR101311763B1 KR1020110056954A KR20110056954A KR101311763B1 KR 101311763 B1 KR101311763 B1 KR 101311763B1 KR 1020110056954 A KR1020110056954 A KR 1020110056954A KR 20110056954 A KR20110056954 A KR 20110056954A KR 101311763 B1 KR101311763 B1 KR 101311763B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
zinc
zinc oxide
raw material
crucible
heat treatment
Prior art date
Application number
KR1020110056954A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20120137843A (en
Inventor
이근형
Original Assignee
동의대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동의대학교 산학협력단 filed Critical 동의대학교 산학협력단
Priority to KR1020110056954A priority Critical patent/KR101311763B1/en
Publication of KR20120137843A publication Critical patent/KR20120137843A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101311763B1 publication Critical patent/KR101311763B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G9/00Compounds of zinc
    • C01G9/02Oxides; Hydroxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer

Abstract

본 발명은 산화 아연 나노 구조체 제조 방법에 관한 것으로, 아연 원료를 준비하는 과정; 상기 아연 원료를 도가니에 투입하는 과정; 상기 도가니를 가열로에 장입하는 과정; 상기 도가니를 열처리 온도에서 소정 시간 동안 가열하여 아연을 산화시키는 과정; 및 상기 도가니를 냉각하는 과정을 포함한다.The present invention relates to a method for producing zinc oxide nanostructures, comprising: preparing a zinc raw material; Injecting the zinc raw material into the crucible; Charging the crucible into a heating furnace; Oxidizing zinc by heating the crucible at a heat treatment temperature for a predetermined time; And cooling the crucible.

Description

산화 아연 나노 구조체 제조 방법{Method of manufacturing ZnO nanostructures}Method of manufacturing zinc oxide nanostructures {Method of manufacturing ZnO nanostructures}

본 발명은 나노 구조체 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 간단한 합성법을 이용하여 산화 아연 나노 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a nanostructure, and more particularly to a method for producing a zinc oxide nanostructure using a simple synthesis method.

넓은 밴드갭 반도체인 산화 아연(Zinc Oxide; ZnO)는 상온에서 밴드갭 에너지가 3.37eV이고, 여기자(엑시톤) 결합 에너지가 60meV 이다. 이러한 이유 때문에 ZnO는 광 소자, 솔라 셀 윈도우(solar cell window) 및 벌크 탄성파 소자(bulk acoustic wave device) 등으로 다양하게 이용될 수 있다. 특히, 자외 영역의 발광 특성을 나타내는 발광 소자에의 응용 가능성으로 인해 큰 주목을 받고 있으며, 강한 여기자 결합 에너지 때문에 실온에서도 자외선 영역의 레이저 발진이 가능하다.Zinc oxide (ZnO), a wide bandgap semiconductor, has a bandgap energy of 3.37 eV at room temperature and an exciton (exciton) binding energy of 60 meV. For this reason, ZnO may be used in various ways as optical devices, solar cell windows, bulk acoustic wave devices, and the like. In particular, due to the possibility of application to a light emitting device exhibiting the light emission characteristics of the ultraviolet region has attracted great attention, due to the strong exciton binding energy is possible laser oscillation in the ultraviolet region even at room temperature.

최근에는 나노 와이어로부터도 자외 영역의 레이저 발진이 관찰된 후, 나노 광전자 소자에의 응용에 대한 기대 때문에 다양한 형태를 갖는 ZnO 나노 구조를 합성하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 지금까지 와이어를 포함하여 튜브, 벨트, 빗, 침상 구조 등 다양한 ZnO 나노 구조들이 여러 합성법에 따라 제작되고 있다. Recently, after the laser oscillation of the ultraviolet region is observed from the nanowires, researches for synthesizing ZnO nanostructures having various forms have been actively conducted due to the expectation of their application to nanoelectronic devices. Until now, various ZnO nanostructures, including wires, tubes, belts, combs, and needle-like structures, have been manufactured according to various synthesis methods.

예컨대, 열 증착법, 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 유기 화학 기상 증착법 등의 합성법들이 이용되고 있으나, 나노 구조를 합성하기 위해서는 진공 분위기를 필요로 하기 때문에 복잡한 공정이 요구되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 제조법은 고가의 장비가 요구되므로 생산 단가가 상승하는 문제점이 있다.
For example, synthesis methods such as thermal evaporation, chemical vapor deposition, sputtering, and organic chemical vapor deposition are used, but there is a problem that a complicated process is required because a vacuum atmosphere is required to synthesize nanostructures. In addition, such a manufacturing method has a problem that the production cost increases because expensive equipment is required.

본 발명은 간단한 방식의 산화 아연 나노 구조체 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing zinc oxide nanostructures in a simple manner.

본 발명은 결정성이 우수한 산화 아연 나노 구조체를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a zinc oxide nano structure excellent in crystallinity.

본 발명은 결정 형상 제어가 용이한 산화 아연 나노 구조체 제조 방법을 제공한다.
The present invention provides a method for producing zinc oxide nanostructures easy to control the crystal shape.

본 발명 실시 형태에 따른 산화 아연 나노 구조체 제조 방법은 아연 원료를 준비하는 과정; 상기 아연 원료를 도가니에 투입하는 과정; 상기 도가니를 가열로에 장입하는 과정; 상기 도가니를 열처리 온도에서 소정 시간 동안 가열하여 아연을 산화시키는 과정; 및 상기 도가니를 냉각하는 과정을 포함한다.Zinc oxide nanostructure manufacturing method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a zinc raw material; Injecting the zinc raw material into the crucible; Charging the crucible into a heating furnace; Oxidizing zinc by heating the crucible at a heat treatment temperature for a predetermined time; And cooling the crucible.

상기 열처리 온도는 아연의 끓는점 온도보다 높은 온도이며, 910℃ 내지 1200℃이다.The heat treatment temperature is a temperature higher than the boiling point temperature of zinc, 910 ℃ to 1200 ℃.

상기 가열로는 산화성 분위기로 제어된다.The heating furnace is controlled in an oxidizing atmosphere.

상기 소정 시간은 상기 원료의 량에 따라 변화되며 상기 원료가 0.5g 내지 1g일 경우 5분 내지 180분이다.The predetermined time is changed according to the amount of the raw material and is 5 minutes to 180 minutes when the raw material is 0.5g to 1g.

상기 가열로는 상기 열처리 온도로 분당 5℃도 내지 분당 50℃의 속도로 승온된다.The furnace is heated at a rate of 5 ° C. per minute to 50 ° C. per minute at the heat treatment temperature.

상기 아연 원료는 순도 99.9% 이상의 원료이다.
The zinc raw material is a raw material having a purity of 99.9% or more.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따르면, 진공 분위기 등이 필요 없고, 촉매와 기판을 사용하지 않는 간단하고 단순한 방법으로 산화 아연 나노 구조체를 제조할 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiments of the present invention, the zinc oxide nanostructure may be manufactured by a simple and simple method that does not require a vacuum atmosphere or the like and does not use a catalyst and a substrate.

본 발명에 실시 예들에 따르면, 촉매나 기타 다른 원료를 사용하지 않고 아연 분말만 사용하여 나노 구조체를 제조하므로, 결정성과 순도가 높은 산화 아연 나노 구조체를 제조할 수 있다. 또한, 산화 아연 나노 구조체는 다양한 형상으로 제조될 수 있으며, 발광 특성이 우수하다. 제조되는 산화 아연나노 구조체는 형상이 제어 될 수 있고, 이에 의해 발광 파장이 제어될 수 있다.
According to the embodiments of the present invention, since the nanostructures are manufactured using only zinc powder without using a catalyst or other raw materials, zinc oxide nanostructures having high crystallinity and purity can be manufactured. In addition, the zinc oxide nanostructures may be manufactured in various shapes and have excellent light emission characteristics. The zinc oxide structure to be produced can be controlled in shape, thereby controlling the emission wavelength.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 산화 아연 나노 구조체 제조 방법의 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 실험 예에 따른 열처리 후의 도가니 사진.
도 3는 본 발명의 실험 예에 따라 제조된 산화 아연 생성물의 X선 회절 패턴 결과도.
도 4는 본 발명의 실험 예에 따라 제조된 산화 아연 하얀색 생성물의 SEM 이미지 사진.
도 5는 본 발명의 실험 예에 따라 제조된 산화 아연 노란색 생성물의 SEM 이미지 사진.
도 6은 본 발명의 실험 예에 따라 제조된 산화 아연 생성물의 EDX 스펙트럼 결과도.
도 7은 본 발명의 실험 예에 따라 제조된 산화 아연 생성물의 CL 스펙트라 결과도.
1 is a process flow diagram of a method for producing zinc oxide nanostructures according to an embodiment of the present invention.
2 is a crucible photograph after the heat treatment according to the experimental example of the present invention.
Figure 3 is an X-ray diffraction pattern result of the zinc oxide product prepared according to the experimental example of the present invention.
Figure 4 is a SEM image of the zinc oxide white product prepared according to the experimental example of the present invention.
5 is a SEM image photograph of the zinc oxide yellow product prepared according to the experimental example of the present invention.
Figure 6 is an EDX spectrum result of the zinc oxide product prepared according to the experimental example of the present invention.
7 is a CL spectra result of the zinc oxide product prepared according to the experimental example of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 산화 아연 나노 구조체 제조 방법의 공정 흐름도이다.1 is a process flowchart of a method of manufacturing zinc oxide nanostructures according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 산화 아연 나노 구조체 제조 방법은 아연 원료를 준비하는 과정, 아연 원료를 도가니에 투입하는 과정, 도가니를 가열로에 장입하는 과정, 도가니를 열처리 온도에서 소정 시간 동안 가열하여 아연을 산화시키는 과정 및 도가니를 냉각하는 과정을 포함한다. Referring to FIG. 1, a method for preparing a zinc oxide nanostructure includes preparing a zinc raw material, adding a zinc raw material to a crucible, charging a crucible to a heating furnace, and heating the crucible at a heat treatment temperature for a predetermined time. Oxidizing and cooling the crucible.

우선, 원료를 준비한다. 예를 들어 원료는 금속 아연 분말로, 순도 99.9% 이상의 고순도 원료를 사용하며 그 형상이 구형인 것을 이용할 수 있다. 또한, 아연 원료 분말은 직경이 수 ㎛인 것을 이용할 수 있다. 그러나, 원료의 형상은 분말 뿐만 아니라 판상 등 다른 형상을 이용할 수 있으며, 다양한 크기의 원료를 이용할 수 있다. 한편, 원료로는 처리할 원료만 사용하여, 이외에는 어떠한 원료도 사용하지 않으며, 이로부터 불순물이나 오염 물질이 첨가되는 것을 방지할 수 있다.이렇게 준비된 아연 원료를 도가니에 투입한다. 도가니는 알루미나 도가니를 사용할 수 있다. First, prepare raw materials. For example, the raw material is a metal zinc powder, and a high purity raw material having a purity of 99.9% or more may be used, and a spherical shape thereof may be used. In addition, the zinc raw material powder can use what is several micrometers in diameter. However, the shape of the raw material may use not only powder but also other shapes such as plate, and raw materials of various sizes may be used. On the other hand, only the raw material to be treated is used as the raw material, and no other raw material is used, thereby preventing the addition of impurities or contaminants. The zinc raw material thus prepared is introduced into the crucible. The crucible can use an alumina crucible.

이후, 원료 분말을 저장한 도가니를 가열로에 장입하고, 가열로를 가열한다. 가열로는 박스형 전기로를 사용하며, 전원을 인가하여 가열한다. 또한 가열로 내의 분위기는 산화성 분위기로 제어된다. 즉, 산소, 오존 등 산소 함유 가스를 포함하는 분위기로 제어된다. 예컨대, 산소가 포함된 대기 분위기로 제어될 수 있다. 가열로에 전원을 인가하여 5℃/min 이상의 속도, 예를 들어 5℃/min 내지 50℃/min 의 속도로 열처리 온도까지 승온시킨다. 이때 열처리 온도는 아연의 끓는점 온도보다 높은 온도인 것이 바람직하다. 금속 아연의 끓는점 온도는 907℃이므로, 그 이상의 온도, 예를 들어 910℃ 내지 1200℃에서 열처리를 실시한다. 또한, 열처리 온도에서의 열처리 시간은 아연 분말이 산화되기에 충분한 시간으로 유지하는데, 열처리 시간은 원료 분말의 량에 따라 변화되는데, 5분 이상, 예를 들어 5분 내지 180분의 시간동안 실시된다. 이러한 산화성 분위기의 열처리 온도에서 소정 시간 유지함에 의하여, 금속 아연 원료 분말을 산화시켜 산화 아연 나노 구조체를 형성하게 된다. Then, the crucible which stored the raw material powder is charged to a heating furnace, and a heating furnace is heated. The furnace uses a box-type electric furnace and is heated by applying power. In addition, the atmosphere in a heating furnace is controlled by an oxidizing atmosphere. That is, it is controlled by the atmosphere containing oxygen containing gas, such as oxygen and ozone. For example, it may be controlled to an atmosphere containing oxygen. Power is applied to the heating furnace to increase the temperature to the heat treatment temperature at a rate of 5 ° C./min or more, for example, 5 ° C./min to 50 ° C./min. At this time, the heat treatment temperature is preferably a temperature higher than the boiling point temperature of zinc. Since the boiling point temperature of metal zinc is 907 degreeC, heat processing is performed at higher temperature, for example, 910 degreeC-1200 degreeC. In addition, the heat treatment time at the heat treatment temperature is maintained at a time sufficient to oxidize the zinc powder, the heat treatment time is changed depending on the amount of the raw material powder, it is carried out for a time of 5 minutes or more, for example 5 minutes to 180 minutes . By maintaining a predetermined time at the heat treatment temperature of the oxidizing atmosphere, the metal zinc raw material powder is oxidized to form a zinc oxide nanostructure.

아연 원료 분말의 열처리가 완료되면 가열로의 전원을 끄고 도가니를 상온으로 냉각한다. 이후 도가니를 가열로 외부로 언로딩한 후, 산화 아연 나노 구조체를 획득한다. 이처럼, 매우 단순한 과정의 합성법에 의하여 산화 아연 나노 구조체를 제조할 수 있다.
After the heat treatment of the zinc raw powder is completed, the furnace is turned off and the crucible is cooled to room temperature. After unloading the crucible to the outside of the furnace, to obtain a zinc oxide nano structure. As such, the zinc oxide nanostructures can be manufactured by a very simple synthesis method.

하기에서는 구체적인 실험 예를 상세히 설명한다. 우선, 금속 아연 분말로 일본 주세이(Jusei)사의 순도 99.9%, 직경 4㎛의 구형의 분말을 사용하였다. 금속 아연 분말 이외에는 어떠한 원료도 사용하지 않았다. 금속 아연 원료 분말 0.5 그램과 1그램을 각각 알루미나 도가니에 투입하였다.In the following, specific experimental examples will be described in detail. First, spherical powder having a purity of 99.9% and 4 µm in diameter was used as the metal zinc powder. No raw material was used except for the metal zinc powder. 0.5 gram and 1 gram of metallic zinc raw material powder were put into an alumina crucible, respectively.

이후 도가니를 대기분위기로 제어된 박스형 전기로에 넣고, 전원을 인가하여 10℃/min 속도로 930℃까지 승온시켰다. 930℃ 열처리 온도에서 1시간 동안 유지한 후 전원을 끄고 상온으로 냉각시켰다.Then, the crucible was placed in a box-type electric furnace controlled by an atmosphere, and power was applied to raise the temperature to 930 ° C at a rate of 10 ° C / min. After maintaining for 1 hour at 930 ℃ heat treatment temperature, the power was turned off and cooled to room temperature.

이러한 제조 과정에 의하여 금속 아연은 산화되어 산화 아연 나노 구조체로 제조되었다. 도2에 나타내었듯이, 도가니(1) 내에 하얀색 생성물(2)과 노란색 생성물(3)이 관찰되었으며, 각 생성물을 핀셋으로 채취하여 물질의 결정구조, 성분, 미세구조 및 음극선 발광 등의 특성을 분석하였다.By this manufacturing process, the metal zinc was oxidized into a zinc oxide nano structure. As shown in FIG. 2, white product (2) and yellow product (3) were observed in the crucible (1), and each product was collected with tweezers to analyze the properties of the crystal structure, composition, microstructure, and cathode light emission of the material. It was.

결정구조는 X선 회절 장치(XRD)로 분석하였고, 형상은 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 구성 성분은 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 분광분석기(EDX)로 평가하였고, 음극선 발광 특성은 주사전자현미경에 부착된 음극선 분광분석기(CL)로 분석하였다. 하기에서는 분석 및 관찰 결과를 상세히 설명한다.The crystal structure was analyzed by X-ray diffractometer (XRD), and the shape was observed by scanning electron microscope (SEM). The components were evaluated by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) attached to the scanning electron microscope, and the cathode emission characteristics were analyzed by a cathode ray spectrometer (CL) attached to the scanning electron microscope. The analysis and observation results are described in detail below.

도3은 각각 0.5g과 1.0g의 Zn 분말을 공기 중 대기압 분위기의 전기로에서 930℃, 1시간 동안 산화시킨 후 생성된 산화물의 XRD 패턴을 나타낸다. 즉, 도3의 (a)는 아연(Zn) 원료 분말 0.5g의 경우이며, 도2의 (b)는 1g의 경우이다. Zn 분말의 양에 관계없이 모든 XRD 패턴의 피크들이 육방정의 우르짜이트(wurtzite) 구조를 갖는 산화 아연(ZnO)에서 나타나는 피크들과 잘 일치하였다. Zn의 끓는점은 907℃이기 때문에 930℃의 산화 온도에서 공기 중의 산소와 반응하여 ZnO를 형성한 것으로 생각된다. Figure 3 shows the XRD pattern of the resulting oxide after oxidizing 0.5g and 1.0g of Zn powder in an electric furnace of atmospheric atmosphere in air at 930 ° C for 1 hour, respectively. That is, FIG. 3A shows a case of 0.5 g of zinc (Zn) raw material powder, and FIG. 2B shows a case of 1 g. Regardless of the amount of Zn powder, the peaks of all XRD patterns were in good agreement with the peaks seen in zinc oxide (ZnO) with hexagonal wurtzite structure. Since the boiling point of Zn is 907 ° C, it is thought that ZnO is formed by reacting with oxygen in the air at an oxidation temperature of 930 ° C.

생성된 산화물의 형상을 SEM으로 관찰하였다. 도4(a)와 (b)는 0.5 g의 Zn 분말을 930℃에서 1시간 산화시킨 후 생성된 하얀색 산화물들의 저배율과 고배율 SEM 사진이고, 도4(c)와 (d)는 1.0 g의 Zn 분말을 930℃에서 1시간 산화시킨 후 생성된 하얀색 산화물의 저배율과 고배율 SEM 사진이다. Zn양에 상관없이 결정의 중심으로부터 4개의 와이어가 뻗어 나온 테트라포드(tetrapod) 형상을 보이고 있다. 일반적으로 ZnO 결정의 tetrapod 구조의 성장은 octa-twin nucleus 모델로 설명되고 있다. ZnO의 octa-twin 핵은 8개의 면을 갖는 정팔면체 구조로 이루어져 있으며 기본 면은 {0001}면이다. 8개의 면 중 4개의 면은 Zn-(0001)면이고 (+c), 나머지 4개의 면은 O-(0001)면 (-c)이 되어 교대로 반대 극성을 띠고 있다. 최표면층이 Zn으로 구성된 +c면은 (0001) 방향으로 빠르게 성장하지만, 최표면층이 O 로 이루어진 -c면은 성장을 하지 않는다. 그러므로 +c 면만 성장하여 4개의 와이어로 구성된 tetrapod 형상으로 되는 것이다. 한편, 도4(c)와 (d) 사진으로부터 tetrapod를 구성하는 각각의 와이어들 위에 직경이 매우 가는 또 다른 와이어들이 성장하였음을 알 수 있다. 이는 이차 핵생성과 성장이 일어난 것으로 생각된다. Gong 등은 나노와이어가 일정한 임계크기 이상으로 성장하면 성장 면에서 이차 핵생성이 발생한다고 보고한 바 있다. 본 실험 예에서도 Zn양이 많을수록 증기압이 높아 이차 핵생성이 쉽게 일어난 것으로 생각된다. The shape of the resulting oxide was observed by SEM. 4 (a) and (b) show low and high magnification SEM images of white oxides produced after oxidizing 0.5 g of Zn powder at 930 ° C. for 1 hour, and FIGS. 4 (c) and (d) show 1.0 g of Zn. Low and high magnification SEM images of the white oxide produced after oxidizing the powder at 930 ° C for 1 hour. Regardless of the amount of Zn, the tetrapod shape is shown in which four wires extend from the center of the crystal. In general, the growth of tetrapod structure of ZnO crystals is explained by the octa-twin nucleus model. The octa-twin nucleus of ZnO is composed of eight octahedral octahedral structures and the basic plane is {0001} plane. Four of the eight planes are Zn- (0001) planes (+ c) and the other four planes are O- (0001) planes (-c), alternately having opposite polarities. The + c plane whose surface layer is composed of Zn grows rapidly in the (0001) direction, but the -c surface whose surface layer is composed of O does not grow. Therefore, only the + c plane grows to form a tetrapod consisting of four wires. On the other hand, it can be seen from Figure 4 (c) and (d) that another wire of very large diameters grew on each of the wires constituting the tetrapod. This is thought to have occurred in secondary nucleation and growth. Gong et al. Reported that when nanowires grow beyond a certain threshold, secondary nucleation occurs in terms of growth. In this experimental example, the higher the Zn amount, the higher the vapor pressure.

도5는 노란색 산화물의 형상을 나타내는 SEM 사진이다. 도5(a)와 (b)는 각각 0.5g과 1.0g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 노란색 산화물의 형상을 나타낸다. 0.5g의 Zn 분말을 산화시킨 경우에는 나노 와이어 형상을 나타내고 있으나 1.0g의 Zn 분말을 산화한 경우에는 많은 와이어들로 구성된 멀티포드(multipod) 형상을 보이고 있다. Xie 등은 생성되는 핵의 밀도가 ZnO 나노구조의 형상에 영향을 미친다고 보고한 바 있다. 핵의 밀도가 높을수록 일차원 와이어 형상으로 부터 multipod 형상으로 변한다고 한다. 많은 ZnO 핵들이 생성되면 일부 핵들의 뭉침 현상이 발생하고 각각의 핵들로부터 c축 방향으로의 빠른 성장이 일어나 multipod 형상의 결정으로 성장한다고 알려져 있다. 따라서 multipod 형상의 결정들로 구성된 노란색 산화물은 국부적으로 Zn의 증기압이 높아 ZnO의 핵이 많이 발생한 영역에서 생성된 것으로 생각된다. Zn 금속을 사용하여 ZnO 나노구조를 합성하는 경우, Zn 금속의 표면으로부터 Zn 금속이 급속히 산화하여 ZnO 산화물층이 표면에 형성되고 산화물층 내에 생성된 결정입계 또는 균열을 통하여 내부의 Zn 증기가 산화물층의 표면으로 증발하여 산소와 반응함으로서 ZnO 나노구조체가 합성되리라 생각된다. 따라서 표면에서의 Zn 증기압은 표면 산화물층의 두께와 결정입계나 균열의 밀도에 큰 영향을 받을 것으로 생각되기 때문에 표면에서의 Zn 증기압은 국부적으로 다를 것으로 생각된다. 상기와 같이 본 실험 예에서는 금속촉매를 사용하지 않고 나노와이어를 성장시킬 수 있었다. 이처럼 촉매가 없는 나노와이어 성장의 경우에는, 금속촉매를 사용하는 vapor-liquid-solid (VLS) 성장이론이 아닌 vapor-solid (VS) 성장기구 혹은 기타 다른 성장 기구에 의해 성장이 일어나리라고 예측된다. 5 is a SEM photograph showing the shape of a yellow oxide. 5 (a) and 5 (b) show the shape of yellow oxide produced after oxidizing 0.5 g and 1.0 g of Zn powder, respectively. When 0.5g of Zn powder is oxidized, it shows nanowire shape, but when 1.0g of Zn powder is oxidized, it shows a multipod shape composed of many wires. Xie et al. Reported that the density of nuclei produced affects the shape of ZnO nanostructures. The higher the density of the nucleus, the more it changes from a one-dimensional wire to a multipod. When many ZnO nuclei are formed, it is known that some nuclei aggregate and rapid growth in the c-axis direction from each nucleus grows into multipod crystals. Therefore, the yellow oxide composed of multipod-shaped crystals is thought to be generated in the region where ZnO nuclei are generated because of the high vapor pressure of Zn. When synthesizing ZnO nanostructures using Zn metal, Zn metal is rapidly oxidized from the surface of Zn metal, ZnO oxide layer is formed on the surface, and Zn vapor inside the oxide layer is formed through grain boundaries or cracks generated in the oxide layer. It is thought that ZnO nanostructures will be synthesized by evaporation to the surface of and react with oxygen. Therefore, since the Zn vapor pressure on the surface is considered to be greatly influenced by the thickness of the surface oxide layer, the grain boundaries and the crack density, the Zn vapor pressure on the surface is considered to be locally different. As described above, in the present experimental example, the nanowires could be grown without using a metal catalyst. In the case of such catalyst-free nanowire growth, growth is expected to be caused by vapor-solid (VS) growth mechanisms or other growth mechanisms rather than vapor-liquid-solid (VLS) growth theory using metal catalysts.

도6(a)는 0.5g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 하얀색 산화물을, 도6(b)는 노란색 산화물의 EDX 패턴을 나타내고 있고, 도6(c)와 (d)는 1.0g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 하얀색 산화물과 노란색 산화물의 EDX 패턴을 나타낸다. 도6으로부터 알 수 있듯이 똑같은 패턴 양상을 보이고 있으며 아연(Zn)과 산소(O) 이외에는 Zn을 포함한 다른 어떠한 성분도 검출되지 않았다. 이로부터 생성된 산화물은 순도가 높은 ZnO 물질임을 알 수 있다. EDX 스펙트럼으로부터 정량분석을 행하였다. 도6(a), (b), (c), (d) 스펙트럼의 순서로 Zn와 O의 구성성분비율(atomic%)은 각각 50.53:49.47, 57.85:42.12, 66.57:33.43, 74.95:25.05 로 계산되었다. Fig. 6 (a) shows the white oxide produced after oxidizing 0.5g of Zn powder, Fig. 6 (b) shows the EDX pattern of yellow oxide, and Figs. 6 (c) and (d) show 1.0g of Zn. Oxidized powder shows EDX pattern of white oxide and yellow oxide. As can be seen from FIG. 6, the same pattern is shown, and no other components including Zn were detected except zinc (Zn) and oxygen (O). It can be seen that the resulting oxide is a highly pure ZnO material. Quantitative analysis was performed from EDX spectra. 6 (a), (b), (c), and (d) the constituent ratios (atomic%) of Zn and O are 50.53: 49.47, 57.85: 42.12, 66.57: 33.43, 74.95: 25.05, respectively, in the order of the spectra. Was calculated.

도7은 산화 생성물들의 상온에서 측정한 CL 스펙트럼을 나타낸다. 도7(a)는 0.5 g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 tetrapod 형상을 갖는 하얀색 ZnO 산화물의 CL 스펙트럼을, 도7(b)는 0.5 g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 나노와이어 형상의 노란색 ZnO 산화물의 CL 스펙트럼을 나타낸다. 도7(c)와 (d)는 1.0 g의 Zn 분말을 산화시킨 후 생성된 tetrapod 형상을 갖는 하얀색 산화물과 multipod 형상을 나타내는 노란색 생성물의 CL 스펙트럼을 나타낸다. 도7(a)와 (b)에서는 약 380 nm 에서 중심파장을 갖는 강한 자외 영역의 발광피크가 보이고 있다. 도7(c)와 (d)에서는 강한 자외 발광 피크 이외에 510 nm의 중심파장을 갖는 녹색 영역의 발광피크도 관찰되고 있다. 380 nm 부근의 자외 영역 발광은 여기자 결합에 기인하는 것으로 알려져 있고 따라서 발광 강도가 높을수록 결정성이 우수한 ZnO임을 나타낸다. 510 nm 부근의 녹색 영역의 발광은 ZnO 결정 내에 존재하는 산소 결함에 기인하는 것으로 알려져 있으므로 녹색 영역의 발광 강도가 높을수록 ZnO 결정내에 산소 결함이 많이 존재하고 있음을 나타낸다. 도7로부터 알 수 있듯이 0.5 g의 Zn을 산화시켜 생성한 ZnO로부터 측정한 CL 스펙트럼에서는 510 nm의 녹색발광이 관찰되고 있지 않다는 사실로부터 0.5 g의 Zn을 산화시켜 생성한 ZnO의 결정성이 1g의 Zn 을 산화시켜 생성한 ZnO의 결정성보다 우수함을 알수 있다. 1g의 Zn 분말을 산화시켜 생성한 ZnO의 CL 스펙트럼에서는 510nm 부근의 녹색 발광이 관찰되고 있기 때문에 상당한 농도의 산소결함이 결정 내에 존재하고 있음을 알 수 있다. 이는 EDX 스펙트럼으로부터 계산한 ZnO의 Zn와 O의 구성성분비율의 결과와도 잘 일치한다. 한편, 도7 (c)와 (d)의 스펙트럼 결과로부터 하얀색 산화물의 결정성이 노란색 산화물의 결정성보다 우수함을 알 수 있다. 녹색 발광의 강도에 대한 자외 발광의 강도의 상대비가, 하얀색 산화물이 노란색 생성물에 비하여 높다. 이는 노란색 산화물 내에 존재하는 산소 결함의 농도가 더 높다는 사실을 의미한다. 이는 앞에서 기술하였듯이 노란색 산화물이 생성된 구역은 국부적으로 Zn의 증기압이 높았던 것으로 생각되며 이 때문에 전기로 내의 정해진 산소농도와 결합하는 Zn 원자의 농도가 높아 산소 결함이 많은 ZnO 결정이 생성된 것으로 생각된다. 7 shows the CL spectrum measured at room temperature of oxidation products. Fig. 7 (a) shows the CL spectrum of a white ZnO oxide having a tetrapod shape after oxidizing 0.5 g of Zn powder, and Fig. 7 (b) shows the nanowire shape after oxidizing 0.5 g of Zn powder. CL spectrum of yellow ZnO oxide is shown. 7 (c) and (d) show CL spectra of white oxide having a tetrapod shape and a yellow product showing a multipod shape after oxidation of 1.0 g of Zn powder. 7 (a) and 7 (b) show light emission peaks in a strong ultraviolet region having a center wavelength at about 380 nm. 7 (c) and (d), the emission peak of the green region having a center wavelength of 510 nm is also observed in addition to the strong ultraviolet emission peak. Ultraviolet region emission at around 380 nm is known to be due to exciton bonding, and therefore, higher emission intensity indicates ZnO having excellent crystallinity. Since light emission in the green region near 510 nm is known to be caused by oxygen defects present in the ZnO crystals, a higher emission intensity in the green region indicates that more oxygen defects exist in the ZnO crystals. As can be seen from FIG. 7, the crystallinity of ZnO produced by oxidizing 0.5 g of Zn was 1 g from the fact that green light emission of 510 nm was not observed in the CL spectrum measured from ZnO produced by oxidizing 0.5 g of Zn. It can be seen that it is superior to the crystallinity of ZnO formed by oxidizing Zn. In the CL spectrum of ZnO produced by oxidizing 1 g of Zn powder, green light emission near 510 nm was observed, indicating that a significant concentration of oxygen defects existed in the crystal. This is in good agreement with the result of the component ratios of Zn and O of ZnO calculated from the EDX spectrum. On the other hand, it can be seen from the spectral results of FIGS. 7C and 7D that the crystallinity of the white oxide is superior to that of the yellow oxide. The relative ratio of the intensity of the ultraviolet light emission to the intensity of the green light emission is higher in that the white oxide is higher than the yellow product. This means that the concentration of oxygen defects present in the yellow oxide is higher. As described above, it is thought that the zone where yellow oxide was formed was locally high in the vapor pressure of Zn. Because of this, the concentration of Zn atoms combined with the defined oxygen concentration in the electric furnace was thought to be the result of ZnO crystals with high oxygen defects. .

상기에서 설명한 바와 같이, 공기 중 대기압 분위기에서 Zn 분말의 산화를 통하여 tetrapod, needle, multipod 형상 등의 다양한 형상을 갖는 ZnO 나노결정이 생성할 수 있었다. 또한, Zn 원료 분말의 양과 결정의 형상을 제어하며, CL 특성을 조절할 수 있었다. 즉, 원료 분말의 양을 증가시키면 ZnO 결정은 강한 녹색 영역의 발광 특성을 나타낼 수 있고, tetrapod와 needle 형상 보다는 multipod 형상으로 제어하면 강한 녹색 영역의 발광을 야기시킬 수 있다. CL의 결과로부터 다양한 형상은 Zn 증기압의 차로 인하여 발생하는 것으로 생각하며 Zn의 증기압이 높을수록 multipod 형상의 ZnO 결정이 생성되는 것으로 생각된다.
As described above, ZnO nanocrystals having various shapes such as tetrapod, needle, and multipod shape could be generated through oxidation of Zn powder in an atmospheric pressure atmosphere in air. In addition, the amount of Zn raw material powder and the shape of crystals were controlled, and the CL characteristics could be adjusted. In other words, increasing the amount of the raw material powder ZnO crystals can exhibit the emission characteristics of the strong green region, and when controlled to a multipod shape rather than tetrapod and needle shape may cause the emission of strong green region. From the results of CL, various shapes are thought to be caused by the difference of Zn vapor pressure, and the higher the Zn vapor pressure, the more likely that multipod-shaped ZnO crystals are produced.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시 예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
As mentioned above, although this invention was demonstrated with reference to the above-mentioned embodiment and an accompanying drawing, this invention is not limited to this, It is limited by the following claims. Therefore, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously modified and modified without departing from the technical spirit of the following claims.

1: 도가니
2: 하얀색 생성물
3: 노란색 생성물
1: Crucible
2: white product
3: yellow product

Claims (7)

산화 아연 나노 구조체 제조 방법으로서,
아연 원료를 준비하는 과정;
상기 아연 원료를 도가니에 투입하는 과정;
상기 도가니를 산화성 분위기로 제어되는 가열로에 장입하는 과정;
상기 도가니를 열처리 온도에서 소정 시간 동안 가열하여 상기 도가니 내에서 아연을 산화시키는 과정; 및
상기 도가니를 냉각하여 산화 아연 나노 구조체를 획득하는 과정을 포함하고,
상기 산화 아연 나노 구조체는 복수의 와이어로 구성된 멀티포트 형상을 가지는 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
As a method for producing zinc oxide nanostructures,
The process of preparing zinc raw materials;
Injecting the zinc raw material into the crucible;
Charging the crucible into a heating furnace controlled by an oxidative atmosphere;
Heating the crucible at a heat treatment temperature for a predetermined time to oxidize zinc in the crucible; And
Cooling the crucible to obtain a zinc oxide nanostructure,
The zinc oxide nano structure is a zinc oxide nano structure manufacturing method having a multi-port shape consisting of a plurality of wires.
청구항 1에 있어서,
상기 열처리 온도는 아연의 끓는점 온도보다 높은 온도인 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
The method according to claim 1,
The heat treatment temperature is higher than the boiling point temperature of zinc zinc oxide nano structure manufacturing method.
삭제delete 청구항 2에 있어서,
상기 열처리 온도는 910℃ 내지 1200℃인 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
The method according to claim 2,
The heat treatment temperature is 910 ℃ to 1200 ℃ zinc oxide nano structure manufacturing method.
청구항 1에 있어서,
상기 소정 시간은 상기 원료의 량에 따라 변화되며 상기 원료가 0.5g 내지 1g일 경우 5분 내지 180분인 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
The method according to claim 1,
The predetermined time is changed according to the amount of the raw material and when the raw material is 0.5g to 1g 5 minutes to 180 minutes manufacturing method of zinc oxide nanostructures.
청구항 1에 있어서,
상기 가열로는 상기 열처리 온도로 분당 5℃도 내지 분당 50℃의 속도로 승온되는 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
The method according to claim 1,
The heating furnace is a method for producing zinc oxide nanostructures are heated to a rate of 5 ℃ / min to 50 ℃ / minute at the heat treatment temperature.
청구항 1, 2, 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아연 원료는 순도 99.9% 이상의 원료인 산화 아연 나노 구조체 제조 방법.
The method according to any one of claims 1, 2, 4 to 6,
The zinc raw material is a raw material of zinc oxide nano structure of 99.9% or more purity raw material.
KR1020110056954A 2011-06-13 2011-06-13 Method of manufacturing ZnO nanostructures KR101311763B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110056954A KR101311763B1 (en) 2011-06-13 2011-06-13 Method of manufacturing ZnO nanostructures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110056954A KR101311763B1 (en) 2011-06-13 2011-06-13 Method of manufacturing ZnO nanostructures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120137843A KR20120137843A (en) 2012-12-24
KR101311763B1 true KR101311763B1 (en) 2013-09-26

Family

ID=47904766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110056954A KR101311763B1 (en) 2011-06-13 2011-06-13 Method of manufacturing ZnO nanostructures

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101311763B1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010105907A (en) * 2008-09-30 2010-05-13 Ube Material Industries Ltd Method and apparatus for producing zinc oxide

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010105907A (en) * 2008-09-30 2010-05-13 Ube Material Industries Ltd Method and apparatus for producing zinc oxide

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120137843A (en) 2012-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hao et al. Structural, optical, and magnetic studies of manganese-doped zinc oxide hierarchical microspheres by self-assembly of nanoparticles
Sendi et al. Stress control in ZnO nanoparticle-based discs via high-oxygen thermal annealing at various temperatures
Shim et al. Rapid hydrothermal synthesis of zinc oxide nanowires by annealing methods on seed layers
Cebriano et al. Micro-and nanostructures of Sb2O3 grown by evaporation–deposition: Self assembly phenomena, fractal and dendritic growth
KR101292164B1 (en) Method of manufacturing ZnO nanostructures
Luo et al. Photoluminescence properties of SnO2 nanowhiskers grown by thermal evaporation
Murali et al. Growth and characterization of rose-flower-like CdS microstructures
Ekthammathat et al. Characterization of ZnO flowers of hexagonal prisms with planar and hexagonal pyramid tips grown on Zn substrates by a hydrothermal process
Lee Optimal Zn/O ratio in vapor phase for the synthesis of high quality ZnO tetrapod nanocrystals via thermal evaporation of Zn in Air
Yue et al. Controlled synthesis, asymmetrical transport behavior and luminescence properties of lanthanide doped ZnO mushroom-like 3D hierarchical structures
Yang et al. Substrate-free growth, characterization and growth mechanism of ZnO nanorod close-packed arrays
Khan et al. Synthesis of novel zinc oxide microphone-like microstructures
Ungureanu et al. Temperature effect over structure and photochemical properties of nanostructured SnO 2 powders
Aslani et al. Solvothermal synthesis, characterization and optical properties of ZnO and ZnO–Al2O3 mixed oxide nanoparticles
KR101311763B1 (en) Method of manufacturing ZnO nanostructures
Tao et al. One-pot low temperature solvothermal synthesis of In2O3 and InOOH nanostructures
Kim et al. Growth and formation mechanism of sea urchin-like ZnO nanostructures on Si
Zhao et al. Fabrication of ZnS/ZnO hierarchical nanostructures by two-step vapor phase method
Umar et al. Synthesis of ZnO nanowires on steel alloy substrate by thermal evaporation: Growth mechanism and structural and optical properties
Abd-Alghafour et al. Influence of annealing duration on the growth of V2O5 nanorods synthesized by spray pyrolysis technique
Umar et al. Structural and optical properties of single-crystalline ultraviolet-emitting needle-shaped ZnO nanowires
KR101413230B1 (en) Sn-embedded MgO nanorods and method for preparing the same
Wang et al. Gas phase growth of wurtzite ZnS nanobelts on a large scale
JP2004283961A (en) Zinc sulfide nano belt and its manufacturing method
Umar et al. Evolution of ZnO nanostructures by non-catalytic growth process on steel alloy substrate: Structural and optical properties

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160823

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170905

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee