KR101342133B1 - 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자 - Google Patents
나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자 Download PDFInfo
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Abstract
나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자가 제공된다. 나노복합체 용액의 형성방법은 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 것, 나노입자 용액을 준비하는 것, 그리고 금속산화물 나노 막대 용액과 나노입자 용액을 혼합하여 나노복합체 용액을 형성하는 것을 포함한다.
Description
본 발명은 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노막대와 나노입자를 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-024-02, 과제명: 모바일 플렉시블 입출력 플랫폼].
통상적으로 양자점 소재나 나노입자는 박막형태로 인 시튜(in situ)로 성장시키거나, 용액상태로 성장시킨 후 유기물과의 복합체 형태로 구성될 수 있다. 이러한 양자점 소재나 나노입자는 전도체, 절연체, 다이오드, 트랜지스터, 태양전지 및 이차전지 등에 다양한 형태로 활용되고 있다. 또는 양자점 소재나 나노입자가 무기물 복합체로 구성되는 경우에, 동시 스퍼터링(co-sputtering), 증발법(evaporation), 분자빔증착법(MBE) 또는 화학기상증착법(CVD) 등을 이용하여 혼합박막이 성장될 수 있다. 이 경우, 진공 또는 고온 상태의 특수한 조건을 요구하므로, 공정 상에 제약이 많이 따르고 나노구조물의 성장 조건 제어가 어려울 수 있다. 한편, 양자점 소재나 나노입자가 유기물과 복합체의 형태를 가지는 경우에, 먼저 성장된 나노구조물의 반도체/금속/절연체 특성을 갖는 무기물과 유기물을 용액상태로 혼합하거나 또는, 기판 상에 먼저 증착한 무기물 위에 유기물을 증착하는 방법을 활용할 수 있다. 일반적으로 유기물과 무기물을 용액 상에 동일한 조건으로 분산하는 것은 표면의 물리적, 화학적 상태가 달라 균일한 용액을 얻기가 굉장히 어려울 수 있다. 또한, 무기물과 유기물을 따로 증착하는 경우, 나노구조물이 밀집되어 형성되므로 추가로 증착하는 성분이 균일하게 채워지기 어려울 수 있다.
본 발명의 목적은 다양한 응용이 가능한 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 용액의 형성방법은 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 것, 나노입자 용액을 준비하는 것, 그리고 상기 금속산화물 나노 막대 용액과 상기 나노입자 용액을 혼합하여 나노복합체 용액을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 것은 금속 산화물 전구체 용액을 준비하는 것, 염기성 화학종을 포함하는 알코올계 용액을 준비하는 것 그리고 상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올계 용액을 혼합하여 반응시켜 금속산화물 나노 막대를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 금속산화물 나노막대를 형성하는 것은 상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올계 용액을 혼합한 후, 초음파 또는 전자기파를 가해주는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 금속 산화물 전구체 용액은 산화아연 아세테이트(Zinc acetate:[Zn(C2H3O2)2])를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 알코올계 용액은 수산화칼륨(KOH) 및 메탄올(CH3OH)을 반응시켜 준비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 금속산화물 나노 막대는 아연산화물 나노 막대를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 금속산화물 나노 막대는 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 금속산화물 나노 막대는 50~200nm의 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 나노입자 용액을 준비하는 것은 분쇄대상 물질을 기계적으로 분쇄하여 1차 입자를 형성하는 것, 상기 1차 입자를 식각용액으로 식각하여 2차 입자를 포함하는 중간 용액을 형성하는 것, 상기 중간 용액을 원심 분리공정으로 부유물을 제거하여 정제 용액을 형성하는 것 그리고 상기 정제 용액을 분산용매에 희석하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 식각용액은 질산, 불산 및 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 질산, 불산 및 물의 질량비는 50:5:50일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분산용매는 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol: IPA) 또는 메탄올을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분쇄대상 물질은 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 분쇄대상 물질은 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자는 제 1 전극과 이격되어 배치된 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며 광전효과를 가지는 나노복합체 박막을 포함하되, 상기 나노복합체 박막은 나노막대와 나노입자가 혼합된 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 나노막대는 아연 산화물, 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘, 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노 막대와 나노입자가 혼합된 나노복합체 용액이 용이하게 형성될 수 있다. 상기 나노복합체 용액으로 나노복합체 박막이 형성될 수 있다. 상기 나노복합체 용액은 대면적 공정이 가능할 수 있다. 또한, 상기 나노복합체 용액은 유리나 플라스틱 기판 등의 저온 공정이 요구되는 분야에 사용될 수 있다. 상기 나노복합체 박막은 금속산화물 나노 막대에 의하여 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 나노입자에 의하여 광학적 특성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 용액의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 막대 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 나노복합체 박막의 이미지 및 조성 분석 결과를 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 트랜지스터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자의 광전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 막대 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 나노복합체 박막의 이미지 및 조성 분석 결과를 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 트랜지스터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자의 광전류 특성을 보여주는 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 형성 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 형성 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 용액의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 금속산화물 나노 막대 용액을 준비한다(S10). 그리고, 나노입자 용액을 준비한다(S20). 상기 금속산화물 나노 막대 용액과 상기 나노입자 용액을 혼합하여 나노복합체 용액을 형성한다(S30). 상기 나노복합체 용액은 나노 막대(nanorod)와 나노입자(nanoparticle)을 포함한다. 상기 금속산화물 나노 막대는 아연산화물을 포함할 수 있다. 또는 상기 금속산화물 나노 막대는 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 나노 막대는 50~200nm의 길이를 가질 수 있다. 상기 나노입자는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 나노입자는 금, 은, 갈륨 비소(GaAs), 인듐 비소(InAs), 카드뮴 셀레늄(CdSe) 또는 아연 셀레늄(ZnSe)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 나노복합체는 아연 산화물 나노 막대와 실리콘 나노입자로 구성될 수 있다. 상기 나노입자의 크기는 상기 금속 산화물 나노 막대의 크기와 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 상기 나노입자는 약 50~200nm의 길이를 가질 수 있다.
상기 나노복합체의 나노입자는 크기에 따라 에너지 밴드갭(energy band gap) 또는 흡수파장이 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 나노복합체의 나노입자는 표면 향상 라만 산란(Surface-Enhanced Raman Scattering: SERS) 효과를 이용하여 광학적 특성이 개선될 수 있다.
한편, 상기 나노복합체의 나노 막대는 일차원 구조에 의한 높은 전기전도도라는 장점을 가질 수 있다. 결국, 상기 나노복합체의 나노입자가 가지는 광학적 특성과 상기 나노막대의 전기적 특성을 이용하여 광전 소자 등의 박막으로 활용될 수 있다. 예를 들면, 아연산화물 나노 막대는 에너지 밴드 갭이 3.4eV로서 가시광선 영역에서 투명하지만, 실리콘 나노입자의 낮은 에너지 밴드 갭을 이용하여 가시광선 대역에서의 광반응 특성을 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노 막대 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 상기 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 단계(S10)는 금속 산화물 전구체 용액을 준비하는 단계(S11), 염기성 화학종을 포함하는 알코올계 용액을 준비하는 단계(S12), 그리고 상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올계 용액을 혼합하여 반응시켜 금속산화물 나노 막대를 형성하는 단계(S13)를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체 용액을 준비하는 것(S10)은 금속 산화물 전구체와 용매를 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체로는 금속 아세테이트, 금속 알콕사이드, 금속 나이트레이트, 금속 할라이드, 이들의 수화물 및 이들의 배합물 등이 사용될 수 있다. 상기 용매로는 알코올이 사용될 수 있다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 금속 산화물 전구체 용액을 준비하는 것(S10)은 산화아연 아세테이트(Zinc acetate:[Zn(C2H3O2)2])를 메탄올(CH3OH)에 용해시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 알코올계 용액은 염기성 화학종과 알코올을 반응시켜 준비할 수 있다(S12). 상기 염기성 화학종은 수산화리튬(LiOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 이들의 수화물 및 이들의 배합물 등이 사용될 수 있다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 알코올계 용액을 준비하는 것은 상기 수산화칼륨(KOH)을 상기 메탄올에 용해시키는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 알코올계 용액을 준비하는 것은 염기성 화학종과 알코올의 반응물에 물(H2O) 및 유기 용매를 혼합하는 것을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 유기 용매로는 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 테트라히드로푸란, 벤젠, 톨루엔, o-크실렌, m-크실렌, p-크실렌, 메틸렌, 디에틸 에테르, 디클로로 메탄, 클로로포름 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있다.
상기 금속산화물 나노 막대를 형성하는 단계(S13)는 상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올 용액을 혼합한 후, 초음파 또는 전자기파(마이크로웨이브, 적외선, 가시광선, 자외선)를 가해주는 것을 포함할 수 있다.
상기 초음파를 가해주는 것은 초음파 반응기를 사용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 대략 20 내지 70KHz의 주파수를 갖는 초음파로 상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 염기성 화학종을 포함하는 알코올계 용액의 혼합액을 반응시킬 수 있다. 상기 혼합액을 반응시키기 위해 사용되는 초음파는 펄스형 또는 지속형이 사용될 수 있다. 이때, 상기 혼합액의 초음파 반응 시간은 대략 1시간 내지 24시간으로 조절될 수 있다.
한편, 상기 혼합액을 반응시키는 과정에서 혼합액을 반응시키는 반응기의 온도를 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 상기 반응기에는 상기 혼합액의 온도를 일정하게 유지시키는 냉각장치가 제공될 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체 용액과 알코올계 용액의 반응물을 원심분리하여 상기 반응물로부터 용매 및 그 밖의 부산물을 제거할 수 있다. 상기 원심분리가 수행된 상기 반응물을 메탄올에 분산시킨 후 이를 다시 원심분리를 수행하여 상기 반응물 내 용매 및 그 밖의 부산물을 다시 제거할 수 있다. 이러한 상기 원심분리 작업은 복수 회 반복될 수 있다. 이에 따라, 정제된 금속산화물 나노막대 용액, 예를 들면 아연산화물 나노 막대가 형성될 수 있다. 이때, 상기 아연산화물 나노 막대의 크기는 반응 온도 및 반응 시간에 따라 조절이 가능할 수 있다.
상기 나노복합체 용액은 스핀 코팅(spin coating) 공정, 잉크젯팅(inkjetting) 공정 또는 스프레이 공정을 수행하여 나노복합체 박막으로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 나노 막대와 나노입자가 혼합된 나노복합체 용액이 용이하게 형성될 수 있다. 상기 나노복합체 용액을 이용하여 대면적 공정이 가능할 수 있다. 또한, 상기 나노복합체 용액은 유리나 플라스틱 기판 등의 저온 공정이 요구되는 분야에 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자 용액을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 나노입자 용액을 준비하는 단계(S20)는 분쇄대상 물질을 기계적으로 분쇄하여 1차 입자를 형성하는 단계(S21), 상기 1차 입자를 식각용액으로 식각하여 2차 입자를 포함하는 중간 용액을 형성하는 단계(S22), 상기 중간 용액을 원심 분리공정으로 부유물을 제거하여 정제 용액을 형성하는 단계(S23), 그리고 상기 정제 용액을 분산용매에 희석하는 단계(S24)을 포함한다. 상기 기계적으로 분쇄(mechanical grinding)은 10시간 동안 진행될 수 있다. 상기 식각용액은 질산, 불산 및 물을 포함하는 용액일 수 있다. 상기 질산(HNO3), 불산(HF) 및 물(H2O)의 질량비는 50:5:50일 수 있다. 상기 원심 분리공정은 3500rpm으로 30분 동안 진행될 수 있다. 상기 부유물(supernatans)을 제거하고(decanting), 상기 원심 분리공정을 추가적으로 진행할 수 있다. 상기 분산 용매는 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol: IPA) 또는 메탄올을 포함할 수 있다. 상기 분쇄대상 물질은 실리콘일 수 있다. 또는, 상기 분쇄대상 물질은 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 나노복합체 박막의 이미지 및 조성 분석 결과를 보여주는 도면들이다. 도 4a 내지 4d는 아연산화물 나노막대와 실리콘 나노입자를 포함하는 나노복합체 용액을 이용하여 형성된 나노복합체 박막에 관한 도면들이다. 도 4a는 나노복합체 용액을 이용하여 형성된 나노복합체 박막의 평면 SEM(주사전자현미경) 이미지이다. 도 4b는 나노복합체 용액을 이용하여 형성된 나노복합체 박막의 단면 SEM 이미지이다. 도 4c는 나노복합체 용액을 이용하여 형성된 나노복합체 박막의 TEM(투과전자현미경) 이미지이다. 도 4d는 나노복합체 용액을 이용하여 형성된 나노복합체 박막의 조성을 분석한 그래프이다. 도 4d는 EDS(energy dispersive spectroscopy)에 의하여 원소를 분석한 것으로 횡축은 원소(원자량)를 의미하며, 종축은 성분량(counts)를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 박막은 포토다이오드, 발광 다이오드, 태양전지 등 다양한 소자에 이용될 수 있지만, 두 개의 터미널(2-terminal) 구조를 가지는 태양전지와 같은 광전 소자를 예로 들어 설명한다.
도 5를 참조하면, 제 1 전극(10) 상에 광전효과를 가지는 나노복합체 박막(20)이 배치된다. 상기 나노복합체 박막(20) 상에 제 2 전극(30)이 배치된다. 상기 나노복합체 박막(20)은 나노막대(nanorod)와 나노입자(nanoparticle)이 혼합된 형태를 가진다. 상기 나노막대는 아연 산화물, 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 실리콘, 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 나노복합체 박막(20)은 아연산화물 나노막대와 실리콘 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 나노복합체 박막(20)은 5wt% 실리콘이나 10w%의 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 나노막대는 일차원 구조에 의하여 우수한 전기적 특성을 가질 수 있으며, 상기 나노입자는 우수한 광학적 특성을 가질 수 있다. 광전효과에 의하여 상기 나노입자에서 발생한 전하가 상기 나노막대를 통하여 상기 제 1 전극(10)과 제 2 전극(30)으로 전달될 수 있다.
상기 나노복합체 박막(20)은 위에서 설명한 나노복합체 용액을 이용하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 나노복합체 박막(20)은 상기 나노복합체 용액을 스핀코팅, 잉크젯팅, 스크린 프린팅 등의 방법으로 형성할 수 있다. 따라서, 상기 나노복합체 박막(20)은 비교적 간단한 방법으로 용이하게 형성될 수 있고, 대면적 공정이 가능할 수 있다. 또한, 유리나 플라스틱 기판 등의 저온 공정이 요구되는 분야에 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 트랜지스터를 개략적으로 설명하는 도면이다. 도 6은 3 개의 터미널(3-terminal) 구조를 가지는 소자의 예로서 설명되는 것이다.
도 6을 참조하면, 기판(50) 상에 게이트 전극(60)이 배치된다. 상기 게이트 전극(60)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 기판(50) 상에 상기 게이트 전극(60)을 덮는 절연막(70)이 배치된다. 상기 절연막(70) 상에 서로 이격되어 소오스 전극(80)과 드레인 전극(90)이 배치된다. 상기 절연막(70) 상에, 상기 소오스 전극(80)과 드레인 전극(90) 사이에 나노복합체 박막(100)이 배치된다.
상기 나노복합체 박막(100)은 나노막대(nanorod)와 나노입자(nanoparticle)이 혼합된 형태를 가진다. 상기 나노막대는 아연 산화물, 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 실리콘, 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 나노복합체 박막(100)은 아연산화물 나노막대와 실리콘 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 나노복합체 박막(100)은 5wt% 실리콘이나 10w%의 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 나노막대는 일차원 구조에 의하여 우수한 전기적 특성을 가질 수 있으며, 상기 나노입자는 우수한 광학적 특성을 가질 수 있다.
상기 나노복합체 박막(100)은 트랜지스터의 채널(channel)로서 기능할 수 있다. 상기 나노복합체 박막(100)은 광전 효과에 의하여 전자-홀 쌍이 발생하여, 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage) 또는 소오스 전극(80)과 드레인 전극(90) 사이의 전류값이 변할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노복합체 광전 소자의 광전류 특성을 보여주는 그래프이다.
그래프에서 표시 A는 실리콘 나노입자를 포함하지 않는 아연산화물의 온-전류(on-current)를 의미하며, 표시 B는 실리콘 나노입자를 포함하지 않는 아연산화물의 오프-전류(off-current)를 의미한다. 표시 C는 5wt% 실리콘 나노입자를 포함하는 아연산화물의 온-전류(on-current)를 의미하며, 표시 D는 5wt% 실리콘 나노입자를 포함하는 아연산화물의 오프-전류(off-current)를 의미한다. 표시 E는 10wt% 실리콘 나노입자를 포함하는 아연산화물의 온-전류(on-current)를 의미하며, 표시 F는 10wt% 실리콘 나노입자를 포함하는 아연산화물의 오프-전류(off-current)를 의미한다.
도 7을 참조하면, 5wt% 또는 10wt%의 실리콘 나노입자가 포함된 아연산화물(나노복합체 박막)의 광전류(photocurrent)가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 특히, 5wt% 실리콘 나노입자가 포함된 경우, 광전류 특성이 온-전류의 경우 10배, 오프-전류는 100배 향상된다는 것을 알 수 있다.
10: 제 1 전극 20: 나노복합체 박막 30: 제 2 전극
60: 게이트 전극 80: 소오스 전극 90: 드레인 전극
100: 나노복합체 박막
60: 게이트 전극 80: 소오스 전극 90: 드레인 전극
100: 나노복합체 박막
Claims (17)
- 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 것;
나노입자 용액을 준비하는 것; 그리고
상기 금속산화물 나노 막대 용액과 상기 나노입자 용액을 혼합하여 나노복합체 용액을 형성하는 것을 포함하고,
상기 금속산화물 나노 막대 용액을 준비하는 것은:
금속 산화물 전구체 용액을 준비하는 것;
염기성 화학종을 포함하는 알코올계 용액을 준비하는 것; 그리고
상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올계 용액을 혼합하여 반응시켜 금속산화물 나노 막대를 형성하는 것을 포함하고,
상기 나노입자 용액을 준비하는 것은:
분쇄대상 물질을 기계적으로 분쇄하여 1차 입자를 형성하는 것;
상기 1차 입자를 식각용액으로 식각하여 2차 입자를 포함하는 중간 용액을 형성하는 것;
상기 중간 용액을 원심 분리공정으로 부유물을 제거하여 정제 용액을 형성하는 것; 그리고
상기 정제 용액을 분산용매에 희석하는 것을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물 나노막대를 형성하는 것은,
상기 금속 산화물 전구체 용액과 상기 알코올계 용액을 혼합한 후, 초음파 또는 전자기파를 가해주는 것을 더 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체 용액은 산화아연 아세테이트(Zinc acetate:[Zn(C2H3O2)2])를 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 알코올계 용액은 수산화칼륨(KOH) 및 메탄올(CH3OH)을 반응시켜 준비하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물 나노 막대는 아연산화물 나노 막대를 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물 나노 막대는 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물 나노 막대는 50~200nm의 길이를 가지는 나노복합체 용액의 형성방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 식각용액은 질산, 불산 및 물을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 질산, 불산 및 물의 질량비는 50:5:50인 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 분산용매는 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol: IPA) 또는 메탄올을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 분쇄대상 물질은 실리콘을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 분쇄대상 물질은 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함하는 나노복합체 용액의 형성방법. - 제 1 전극과 이격되어 배치된 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며, 광전효과를 가지는 나노복합체 박막을 포함하되,
상기 나노복합체 박막은 나노막대와 나노입자가 혼합된 형태이며, 상기 나노막대의 길이는 50~200 nm이고, 상기 나노입자의 크기는 50~200 nm이고, 상기 나노막대와 상기 나노입자가 서로 불규칙하게 혼합되어 있는 나노복합체 광전 소자. - 청구항 15에 있어서,
상기 나노막대는 아연 산화물, 주석 산화물(SnO2), 인듐 산화물(In2O3) 또는 티타늄 산화물(TiO2)을 포함하는 광전 소자. - 청구항 15에 있어서,
상기 나노입자는 실리콘, 금, 은, 갈륨 비소, 인듐 비소, 카드뮴 셀레늄 또는 아연 셀레늄을 포함하는 광전 소자.
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