KR101359958B1 - 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법과 시스템 및 제조된 나노 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연(ZnO) 나노와이어에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine 및 ammonium chloride가 혼합된 성장 용액을 마련하는 단계, 촉매층이 형성된 기판을 상기 성장 용액에 일정 시간 동안 침수시키는 단계를 포함하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법과, 상기 롱타입 ZnO 나노와이어를 추출하여 기타 혼합물에 혼합하여 박막의 필름 형태로 나노 발전기를 제조하는 방법 및 이 방법들을 기반으로 제조된 나노 발전기 및 상술한 나노 발전기 제조를 위한 시스템의 구성을 개시한다.
Description
본 발명은 산화아연(ZnO) 나노와이어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일정 길이 이상의 ZnO 나노와이어를 성장시키는 방법과 이를 이용하여 수평 타입의 나노 발전기를 제작할 수 있도록 지원하는 롱타입 산화아연 나노와이어를 이용한 나노 발전기 제조 방법과 시스템 및 제조된 나노 발전기에 관한 것이다.
ZnO은 중요한 반도체 물질 중 하나로 전자공학, 광전자공학, 센서공학, 광학 등의 전자 소자 응용에 다양한 응용성을 가지고 있다. 이런 다양한 전자 소자의 수행력은 ZnO 물질의 형태, 크기 그리고 차원 등에 깊이 관련되어 있으며 ZnO 물질의 광학적, 기계적 특성 뿐 아니라 열적, 전기적 수송 능력도 깊은 영향을 미치고 있다. ZnO은 {0001} 방향과 13 가지의 성장 방향을 가지고 있으며, 특히 wurtzite 구조의 ZnO은 나노 선, 나노 막대, 나노 비늘, 나노 브릿지, 나노 프리즘, 나노 튜브, 나노 벨트, 나노 링, 나노 수염, 나노 빗 등의 다양한 모양의 나노 구조물을 제작할 수 있다. 따라서 모양과 크기가 잘 제어된 ZnO 나노 구조물의 제작과 기본 성질에 관한 연구는 ZnO을 기초로 한 나노 소자의 개발에 중요한 부분이 된다.
나노 구조물 중에서도 수직으로 잘 정렬된 ZnO 나노와이어 다발은 아주 큰 부피 대비 표면적을 가지고 있어서 많은 연구가 수행 중이다. 특히 ZnO 나노와이어는 다양한 전자 소자에 적용될 수 있는 플랫폼 기술로서, 나노 제너레이터, 필드 에미터(field emitter), 나노 레이저, 태양 전지의 투명 전극, 가스 센서, 습기 센서, 바이오 센서, 나노구조제작의 지지대 등과 같은 전자 소자에 사용되고 있다. 이러한 다양한 응용성으로 인해 직경이 작고 길이가 길면서 기판에 수직적으로 정렬이 잘 된 ZnO 나노와이어의 특성 연구와 ZnO 나노와이어 길이가 소자의 기능에 미치는 영향 조사가 매우 중요하다.
이와 같은 ZnO 나노와이어를 성장시키는 방법으로 다양한 합성법이 개발되었으며, 크게 기상 방법과 액상 방법으로 분류할 수 있다.
기상 방법은 분자 빔 에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기 화학 기상 증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD), 스퍼터링 법, 펄스 레이저 증착 법(pulsed laser deposition, PLD), 적외선 투사(infrared irradiation), 열분해 법(thermal decomposition), 열증발/응집 법(thermal evaporation and condensation)과 같은 것이 있다. 기상 방법은 질적으로 우수한 구조물을 얻을 수 있으나 고온, 고압, 엄격한 과정과 비싼 장비를 요구하므로 대량 생산이 요구될 때 소자 개발에 많은 제한을 받게 된다. 즉 기상 방법의 경우 다양한 촉매층을 이용하여 밀도를 제어하기 쉬운 장점을 갖고 있다. 하지만 기상 방법은 진공을 이용하기 때문에 제조가 비싼 단점을 가지고 있으며, 대면적 제작시 양산성에 문제를 가지고 있다.
이에 비해 액상 방법은 수용액을 사용하고 구조물 제작이 상향식(bottom-up) 과정에 기초를 두고 있어서 ZnO 나노와이어를 제작하는데 매우 효과적이고 편리하며 성장 온도가 낮고 비용이 적게 들어 대량 생산에 대한 잠재적 가능성이 매우 높다. 현재까지 열수용액 분해, 전기화학적 반응, 템플릿을 이용한 솔-젤 방법이 ZnO 나노와이어를 제작하는데 이용되었다. 그러나 이러한 액상 방법은 대부분의 은 밀도가 조정되는 초장 ZnO 나노와이어를 제작하는데 실패하였다. 그러므로 액상 방법으로 ZnO 나노와이어의 밀도도 조절할 수 있고 길이도 증가시킬 수 있는 효과적인 방법을 찾는 것이 매우 중요하다.
이러한 종래 ZnO 나노와이어 기반의 발전기는 앞서 언급한 바와 같이 기상증착 방법을 통하여 ZnO 나노와이어를 성장시키기 때문에 일정 길이 이상의 ZnO 나노와이어 획득이 어렵다. 이에 따라 일정 길이만을 가지는 ZnO 나노와이어를 수직방향으로 성장시켜 나노 발전기를 제작하게 된다. 그런데 상술한 수직 방향 구조의 나노 발전기는 주변 환경 또는 발전 환경에 따라 나노 발전기가 팽창과 압축을 할 때 상부 전극과 맞닿게 되면서 마찰이 발생하게 되어 전극이나 ZnO 나노와이어가 손상을 입게 된다. 이러한 손상 발생은 시간이 흐르는 동안 지속적으로 그리고 반복적으로 발생하게 되어 결과적으로 나노발전기의 효율이 손상 등에 의하여 점차 감소하게 되는 단점이 있다. 또한 기판에 성장시킨 ZnO 나노와이어는 일정한 길이를 가지도록 성장 유도되지만 결과물에서는 다소 길이가 다르게 형성되기 때문에 piezoelectric potential을 발생할 수 있는 유효 나노와이어의 수가 적어 배치된 ZnO 나노와이어의 수에 비하여 발전 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이에 따라 상술한 문제점들을 해결하고 보다 신뢰성 있는 발전효율을 제공할 수 있는 나노 발전기의 제작이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 ZnO 나노와이어를 롱타입으로 제작하고, 제작된 롱타입 ZnO 나노와이어를 수직 배열 이외의 방식으로 배치하여 주변 환경에 의한 나노 발전기의 손상 발생을 줄임으로써 보다 신뢰성 높은 발전효율을 제공할 수 있도록 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법과 이를 지원하는 나노 발전기 제조 방법과 시스템 및 제조된 나노 발전기를 제공함에 있다.
또한 본 발명은 롱타입 ZnO 나노와이어 제작을 위하여 ZnO 나노와이어 성장에 이용되는 액상 공정을 최적화하도록 함으로써 성장 용액의 리사이클링을 없애 성장 용액 소비를 최적화할 수 있고, 다양한 형태의 나노 발전기 제작을 지원할 수 있는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법과 이를 지원하는 나노 발전기 제조 방법과 시스템 및 제조된 나노 발전기를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine 및 ammonium chloride가 혼합된 성장 용액을 마련하는 단계, 촉매층이 형성된 기판을 상기 성장 용액에 일정 시간 동안 침수시키는 단계를 포함하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법의 구성을 개시한다.
상기 성장 방법에서 상기 Ammonium chloride 몰농도는 0.09-0.15M 범위 내에서 1 ~ 24 시간 범위의 성장 시간 조절에 따라 제어될 수 있다.
그리고 상기 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine는 각각 0.03 M로 구성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법에 의하여 성장한 롱타입 ZnO 나노와이어를 추출하는 추출 단계, 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나를 혼합하고, 액상의 PDMS에 혼합하여 PDMS 용액을 마련하는 혼합 단계, 상기 PDMS 용액을 기판 상에 코팅하여 박막의 PDMS 필름을 형성하는 단계, 상기 PDMS 필름을 상기 기판에서 분리하고 전극을 형성하는 단계를 포함하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법의 구성을 개시한다.
여기서 상기 추출 단계는 순수에 상기 롱타입 ZnO 나노와이어가 성장한 기판을 침수시키는 단계, 상기 기판이 침수된 순수를 초음파 처리 하는 단계, 상기 초음파 처리 후 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나는 1wt% - 5 wt%로 구성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법에 의하여 성장한 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하고 상기 나노 발전기 제조 방법에 의하여 제조된 나노 발전기의 구성을 개시한다.
본 발명은 또한, 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위한 기판, 상기 기판에 형성되는 촉매층, 상기 촉매층이 형성된 기판 상에 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위해 염화암모늄이 일정 비율로 첨가된 성장 용액이 충진되는 용액 챔버, 상기 롱타입 ZnO 나노와이어를 상기 기판 및 촉매층으로부터 추출하기 위한 추출 챔버, 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 또는 Ag 나노와이어를 액상의 PDMS에서 혼합시켜 PDMS 용액을 생성하기 위한 혼합 챔버, 스핀 코터 방식을 이용하여 상기 PDMS 용액을 박막으로 코팅하여 PDMS 필름을 형성하기 위한 플라스틱 기판, 상기 플라스틱 기판에서 분리된 PDMS 필름 일측에 마련되어 전극 역할을 수행하는 전도성 필름들을 포함하는 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하는 나노 발전기 제조 시스템의 구성을 개시한다.
본 발명의 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법과 이를 지원하는 나노 발전기 제조 방법과 시스템 및 제조된 나노 발전기에 따르면, 본 발명은 성장 용액의 리사이클링 없이 ZnO 나노와이어를 한 번에 길게 성장할 수 있기 때문에 생산원가를 절감할 수 있다.
또한 본 발명은 나노와이어 길이와 상관없이 모든 ZnO 나노와이어가 piezoelectric potential을 생산하는데 사용될 수 있기 때문에 나노발전기 발전 효율 향상을 달성할 수 있다.
또한 본 발명은 롱타입 ZnO 나노와이어를 추출한 후 코팅 등의 방식으로 박막으로 제작하는 등 나도 발전기의 형태를 작업자의 의도에 따라 다양한 형태로 가공할 수 있도록 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용한 나노 발전기 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 롱타입 ZnO 나노와이어 형성을 위한 방법을 보다 상세히 설명하기 위한 순서도.
도 3은 상술한 롱타입 ZnO 나노와이어 형성 방법을 기반으로 생성된 ZnO 나노와이어의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 발전기 제조 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 4의 나노 발전기 구조를 보다 상세히 나타낸 도면.
도 2는 롱타입 ZnO 나노와이어 형성을 위한 방법을 보다 상세히 설명하기 위한 순서도.
도 3은 상술한 롱타입 ZnO 나노와이어 형성 방법을 기반으로 생성된 ZnO 나노와이어의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 나노 발전기 제조 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 4의 나노 발전기 구조를 보다 상세히 나타낸 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 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용한 나노 발전기 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 도 1의 101 단계에서 제시된 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 보다 상세히 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 기반으로 성장시킨 ZnO 나노와이어의 일면을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 나노 발전기 제조 방법은 먼저 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키는 101 단계, 롱타입 ZnO 나노와이어 추출을 수행하는 103 단계, 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 또는 Ag 나노와이어를 혼합하는 105 단계, 혼합물을 액상의 PDMS에 투입하고 해당 PDMS 용액을 기판 상에 박막으로 코팅하는 107 단계, PDMS 필름을 기판에서 분리하고 전극을 형성하여 나노 발전기를 제작하는 109 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 구성의 나노 발전기 제조 방법은 ZnO 나노와이어를 롱타입으로 성장시킨 후, ZnO 나노와이어만을 추출하여 나노 발전기에 사용될 다른 재료들과 혼합한 혼합물을 이용하여 나노 발전기를 구성함으로써 나노 와이어가 수평 형태로 배치되는 나노 발전기 제조를 수행할 수 있다. 또한 본 발명의 나노 발전기 제조 방법은 성장시킨 ZnO 나노와이어를 별도로 추출하여 나노 발전기 제작에 사용함으로써 성장시킨 모든 ZnO 나노와이어들을 나노 발전기 제작에 이용할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 나노 발전기 제조 방법은 재료의 이용 효율을 높이며 제작 후 주변 환경에 의한 손상을 입지 않는 신뢰성 높은 나노 발전기 제조를 가능케 한다. 이하 상기 나노 발전기 제조 방법의 각 단계에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 나노 발전기 제조 방법은 101 단계에서 제시한 바와 같이, 일정 길이 이상을 가지는 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시킨다. 이를 위하여 ZnO 나노와이어를 롱타입으로 성장시키기 위한 성장 용액의 준비와, 성장 용액에 침수시킬 촉매층이 형성된 기판을 마련할 수 있다. 이를 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 단계는 기판을 마련하는 201 단계, 기판을 세정하는 203 단계, 촉매층을 형성하는 205 단계, 롱타입 ZnO 나노와이어를 형성하는 207 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 나노 발전기 제조에 사용하기 위해 201 단계에서 마련되는 기판으로는 투명절연성 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기판은 소다석회 유리, 일반 유리 또는 강화 유리 중에 하나를 사용하여 구성될 수 있고, 폴리머 재질의 폴리머 기판이 사용될 수도 있다. 또한 기판은 실리콘 기판 또는 사파이어 기판 등이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명에 이용되는 기판의 종류가 상술한 재질들로 한정되는 것은 아니며 이하에서 설명하는 촉매층 형성과 ZnO 나노와이어 성장 과정을 견딜 수 있는 다양한 재질의 기판 예를 들면, 외부 힘에 의한 변형에 강인한 특성을 가지도록 플라스틱 계열이 이용될 수도 있다.
상기 201 단계에서 기판이 마련되면 다음으로 203 단계에서 기판을 세정한다. 이때 상기 세정 과정은 오염된 기판을 아세톤 및 에탄올 용액에 각각 담그고, 초음파 세척기를 이용하여 일정 시간 예를 들면 10분씩 각각 세정을 실시하는 단계기 될 수 있다. 그리고 세정 과정은 세정된 기판을 다시 순수를 이용해 세정한 후 질소를 이용하여 순수를 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 즉 상기 기판 세정 단계는 상술한 과정을 통하여 기판에 묻은 오염물질을 제거하는 단계이다.
기판 세정이 완료되면, 205 단계에서 제시한 바와 같이 기판 상에 촉매층을 형성한다. 이때 형성되는 촉매층은 AZO(aluminium doped ZnO)로 구성된 촉매층이 될 수 있으며, AZO를 마그네트론 스퍼터를 이용하여 30-50 nm 두께로 증착하여 촉매층을 구성할 수 있다. 촉매층이 형성된 이후 표면 처리 과정이 더 수행될 수도 있다.
다음으로, 207 단계에서 상기 촉매층이 형성된 기판을 염화암모늄(Ammonium chloride)이 첨가된 성장 용액에 일정 시간 동안 침수시켜 ZnO 나노와이어를 롱타입 형태로 성장시킨다. 이를 위하여 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine, ammonium chloride가 혼합된 성장 용액을 마련한다. 그리고 성장 용액이 마련되면, AZO가 증착된 기판을 상기 성장 용액에 담그고 수열합성법에 의해 ZnO 나노와이어를 성장시킨다. 수열합성 시 용액의 온도는 70-90 ℃로 설정될 수 있으며, 성장시간은 길이에 따라 1~24 시간 범위 내에서 조절될 수 있다. 여기서 상기 Ammonium chloride 몰농도는 0.09-0.15M 범위 내에서 설정될 수 있으며 성장 시간을 조절하기 위해서 몰농도가 상기 범위 내에서 제어될 수 있다. 한편 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine는 동일한 0.03M으로 고정하여 성장 용액을 제조할 수 있다.
상술한 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법에 의하여 제조된 ZnO 나노와이어의 단면을 현미경으로 촬영한 일면을 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 롱타입 ZnO 나노와이어는 10um 정도로 길게 성장됨을 알 수 있다.
한편, 상기 롱타입 ZnO 나노와이어는 성장 용액의 리사이클링 없이 한 번의 성장 용액 주입 공정을 통하여 성장시킬 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 기존의 수열합성법에 의해서 ZnO 나노와이어를 성장하기 위해서는 성장 용액에 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine의 몰비를 제어하는 방식을 적용하였다. 그런데 이러한 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine의 몰비 제어는 ZnO 나노와이어가 성장하는 과정에서 성장 용액 자체적으로도 ZnO 나노결정이 형성되기 때문에 성장 용액 속에 녹아 있는 Zn 소스가 빨리 소모되어 ZnO 나노와이어가 길게 자랄 수 없게 된다. 따라서 종래 수열합성법에 의한 ZnO 나노와이어 성장 방법은 계속해서 새로운 성장 용액을 사용해야하는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 제조 방법에 이용되는 성장 용액은 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine로 구성되는 성장 용액에 ammonium chloride를 첨가함으로서 Zn(NH3)n2+ 와 같은 콤플렉스를 형성하여 성장 용액 자체적으로 ZnO 나노결정이 형성되는 것을 방해하도록 지원한다. 결과적으로 본 발명의 성장 용액은 ZnO 나노와이어가 성장할 기판에만 ZnO 나노와이어가 자라게 함으로서 성장 용액의 교체 없이 나노와이어를 길게 자라도록 지원한다. 또한 종래 성장 용액을 이용한 수열합성법에서는 나노와이어를 용액 상에서 2시간 동안 성장할 때 2um 이상의 길이를 얻기 힘들지만 본 발명에 이용되는 성장 용액 기반의 ZnO 나노와이어 제조 방법의 경우 24 시간 동안 ZnO 나노와이어가 계속해서 성장할 수 있기 때문에 10um 이상 길게 제작할 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 나노 발전기 제조 방법에서는 ZnO 나노와이어를 작업자의 의도 및 설계 계획에 따라 롱타입으로 제작할 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 롱타입 ZnO 나노와이어를 AZO가 증착된 기판을 이용하여 성장시킨 이후에는 103 단계로 분기하여 성장한 롱타입 ZnO 나노와이어 추출을 수행할 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 롱타입 ZnO 나노와이어 성장을 위해 사용되는 성장 용액의 경우 ammonium chloride 첨가로 해당 성장 용액이 약염기성을 띄게 된다. 이러항 성장 용액은 장시간 노출된 AZO 촉매층을 식각하게 되며, 기판 스트레스가 커져있는 환경이 마련된다. 이 때문에 ZnO 나노와이어가 성장된 기판을 순수에 넣고 초음파로 처리하면 성장된 ZnO 나노와이어가 기판에서 쉽게 분리될 수 있다. 여기서 상기 추출 단계는 분리된 ZnO 나노와이어를 노(Furnace) 등의 건조 장치를 이용하여 350 도 이상의 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 이 열처리 단계를 통하여 롱타입 ZnO 나노와이어만 추출할 수 있다.
롱타입 ZnO 나노와이어 추출이 완료되면, 105 단계에서 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 또는 Ag 나노와이어를 혼합한다. 이때 혼합 단계는 추출된 ZnO 나노와이어에 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나를 1wt% - 5 wt% 비율로 혼합할 수 있다.
상술한 혼합 단계가 완료되면, 혼합 재료를 107 단계에서 액상의 PDMS에 투입하고, 해당 PDMS 용액을 기판 상에 박막의 필름 형태로 제작한다. 이때 혼합 단계는 액상의 PDMS에 상술한 혼합 재료를 투입한 후 stirring 과정을 수행하여 혼합시킬 수 있다. 재료 혼합이 완료되면 해당 PDMS 용액을 스핀코터를 사용하여 플라스틱 기판에 코팅하고 curing 과정을 걸쳐 박막 형태로 제작할 수 있다. 여기서 상기 PDMS(polydimethylsiloxane)는 상대적으로 넓은 기판 영역에 안정적으로 점착할 수 있으며, interfacial free energy가 낮아 몰딩 가공 시 접착이 잘 일어나지 않아 성형 가공성이 좋은 특징이 있다. 또한 상기 PDMS는 homogeneous, isotropic 특징이 있으며, 광학적으로 300nm의 두께까지는 투명한 특징이 있기 때문에 태양 전지 등의 나노발전기 제작 시 300nm 이하의 두께로 코팅층을 형성할 수 있다. 또한 상기 PDMS는 내구성이 뛰어난 elastomer이기 때문에 나노 발전기로 이용되는 동안 주변 환경에 의한 degradation이 일어나지 않는 특징이 있다. 이와 같이 상기 PDMS는 나노 발전기 제작 시 투명성 확보와 함께 적절한 내구성을 제공할 수 있으며, 스핀코터 방식을 통하여 나노와이어들의 적절한 수평 배치를 제공할 수 있다.
PDMS 용액을 플라스틱 기판 상에 스핀코터하여 코팅층을 형성한 이후에는 109 단계에서 PDMS 필름을 플라스틱 기판에서 분리하고 전극을 형성하여 나노 발전기를 제작할 수 있다. 이때 전극 형성은 PDMS 필름의 양쪽에 전도성 필름을 접착하는 방식으로 구성할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 나노 발전기 제조 방법은 ZnO 나노와이어를 롱타입으로 형성한 후 ZnO 나노와이어를 별도로 추출하여 나노 발전기 제조에 이용함으로써 뛰어난 재료 사용 효율을 제공함과 아울러 ZnO 나노와이어 형성 과정에서 생산비 절감을 달성할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법 및 이를 기반으로 하는 나노 발전기 제조 방법에 대하여 설명하였다. 이하에서는 상술한 성장 방법 및 제조 방법에 이용되는 제조 시스템과 제조된 나노 발전기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하는 나노 발전기 제조 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 나노 발전기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하는 나노 발전기 제조 시스템(1)은 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위한 기판(10), 기판(10)에 형성되는 촉매층(11), 촉매층(11)이 형성된 기판(10) 상에 롱타입 ZnO 나노와이어(13)를 성장시키기 위한 성장 용액(31)이 충진되는 용액 챔버(21), 롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 성장한 기판(10) 및 촉매층(11)으로부터 상기 롱타입 ZnO 나노와이어(13)를 추출하기 위한 추출 챔버(22), 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어(13)와 추가 구조물 예를 들면 CNT 또는 Ag 나노와이어(14)를 액상의 PDMS(33)에서 혼합시키기 위한 혼합 챔버(23), 스핀 코터 방식을 이용하여 PDMS 용액(16)을 코팅하기 위한 플라스틱 기판(15), PDMS 필름(180)에 전도성 필름들(110, 120)을 형성하여 제조된 나노 발전기(100)의 구성을 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 소다석회 유리, 일반 유리 또는 강화 유리 중에 하나를 사용할 수 있고, 폴리머 재질의 폴리머 기판, 실리콘 기판 또는 사파이어 기판, 플라스틱 계열의 기판 중 어느 하나 또는 적어도 하나로 구성될 수 있다.
상기 촉매층(11)은 기판(10) 상에 형성되어 롱타입 ZnO 나노와이어(13) 형성을 지원하는 역할을 수행한다. 이러한 촉매층(11)은 촉매층을 형성하는 물질 예를 들면 AZO를 마그네트론 스퍼터 방식을 이용하여 구성할 수 있다.
상기 용액 챔버(21)는 촉매층(11)이 형성된 기판(10) 상에 롱타입 ZnO 나노와이어(13)를 성장시키기 위한 성장 용액(31)이 충진된다. 이때 상기 성장 용액(31)은 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine, ammonium chloride가 일정 비율로 혼합되어 구성될 수 있다. 특히 성장 용액(31)에 포함되는 Ammonium chloride 몰농도는 0.09-0.15M으로 구성될 수 있으며, 이때 몰농도 정도는 성장 시간 조절에 따라 제어될 수 있다. 그리고 상기 성장 용액(31)에 포함되는 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine는 동일한 0.03 M로 고정될 수 있다. 한편 상기 용액 챔버(21)는 수열합성법에 의하여 운용될 수 있으며, 롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 성장하는 동안 성장 용액(31)의 온도는 70-90 ℃로 설정될 수 있다. 용액 챔버(21)는 상기 온도 환경을 성장하고자하는 ZnO 나노와이어 길이에 따라 1~24 시간 유지할 수 있다.
상기 추출 챔버(22)는 촉매층(11) 상에 성장한 롱타입 ZnO 나노와이어(13)를 추출하기 위한 챔버이다. 이러한 추출 챔버(22)는 순수가 일정량 충전될 수 있다. 순수가 일정량 충전된 추출 챔버(22)에 롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 형성된 기판(10) 및 촉매층(11)을 침수시킨 후, 나노와이어 분리를 위하여 초음파가 이용될 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면, 롱타입 ZnO 나노와이어(13) 성장에 이용되는 성장 용액(31)의 경우 ammonium chloride 첨가로 약염기성을 띄게 되어 촉매층(11)인 AZO가 장시간 노출되면서 에칭이 일어난다. 그리고 기판(10) 스트레스가 커져있기 때문에 롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 성장된 기판(10)을 추출 챔버(22)에 충진된 순수(32)에 넣고 초음파로 처리하면 롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 기판(10)으로부터 쉽게 떨어져 분리될 수 있다. 분리된 롱타입 ZnO 나노와이어(13)를 노(Furnace)를 이용하여 350도 이상의 열처리 과정을 걸쳐 롱타입 ZnO 나노와이어(13)만 추출하는 추가 과정이 수행될 수 있다. 이를 위하여 상기 나노 발전기 제조 시스템(1)은 건조 장치를 더 포함할 수 있다.
롱타입 ZnO 나노와이어(13)가 추출되면, 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어(13)는 혼합 챔버(23)에 투입될 수 있다. 혼합 챔버(23)는 촉매층(11)으로부터 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어(13)와 CNT 또는 Ag 나노와이어(14)를 혼합시키며, 또한 이 혼합된 재료에 액상의 PDMS(33)와 혼합시키는 역할을 수행한다. 결과적으로 혼합 챔버(23)는 롱타입 ZnO 나노와이어(13)와 CNT 또는 롱타입 ZnO 나노와이어(13)와 Ag 나노와이어(14)를 액상의 PDMS(33)에 혼합시켜 PDMS 용액(16)을 생성하는 역할을 수행한다. 이때 PDMS 용액(16)은 추출된 롱타입 ZnO 나노와이어(13)에 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나를 1wt% - 5 wt% 각각 혼합하여 구성될 수 있다.
PDMS 용액(16)이 형성되면, 상기 PDMS 용액(16)은 스핀코터 방식을 통하여 플라스틱 기판(15) 상에 도포될 수 있다. 이때, PDMS 용액(16)은 stirring 과정을 걸친 후 스핀코터를 사용하여 플라스틱 기판(15)에 박막 코팅된다. 이후 결점 제거 과정 또는 curing 과정을 걸쳐 박막 형태로 제작될 수 있다.
PDMS 용액(16)이 필름 형태로 플라스틱 기판(15) 상에 형성되면, 본 발명의 나노 발전기(100)는 PDMS 필름(180)에 전도성 필름들(110, 120)을 부착하여 마련될 수 있다. 이러한 나노 발전기(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 전후면에 각각 제1 전도성 필름(110) 및 제2 전도성 필름(120)이 마련되어 구성될 수 있다. 여기서 제1 전도성 필름(110) 및 제2 전도성 필름(120)은 각각 나노 발전기(100)의 전극 역할을 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 나노 발전기 제조 시스템(1)은 ZnO 나노와이어를 일정 길이 이상으로 긴 길이를 가지는 롱타입으로 제작할 수 있도록 하며, 이렇게 제작된 롱타입 ZnO 나노와이어를 추출하여 별도로 마련된 재료들과 혼합하여 나노 발전기를 제작할 수 있도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 나노 발전기 제조 시스템(1)은 나노 발전기 제작에 이용되는 ZnO 나노와이어의 이용 효율을 극대화할 수 있으며, ZnO 나노와이어를 수평타입의 박막으로 제작함으로써 다양한 형태의 나노 발전기 구조를 제작할 수 있도록 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 : 기판 11 : 촉매층
13 : 롱타입 ZnO 나노와이어 14 : CNT or Ag 나노와이어
15 : 플라스틱 기판 16 : PDMS 용액
21 : 용액 챔버 22 : 추출 챔버
23 : 혼합 챔버 31 : 성장 용액
32 : 순수 33 : 액상 PDMS
100 : 나노 발전기 110 : 제1 전도성 필름
120 : 제2 전도성 필름 180 : PDMS 필름
13 : 롱타입 ZnO 나노와이어 14 : CNT or Ag 나노와이어
15 : 플라스틱 기판 16 : PDMS 용액
21 : 용액 챔버 22 : 추출 챔버
23 : 혼합 챔버 31 : 성장 용액
32 : 순수 33 : 액상 PDMS
100 : 나노 발전기 110 : 제1 전도성 필름
120 : 제2 전도성 필름 180 : PDMS 필름
Claims (8)
- Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine 및 ammonium chloride가 혼합된 성장 용액을 마련하는 단계;
촉매층이 형성된 기판을 상기 성장 용액에 일정 시간 동안 침수시켜 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키는 단계;
상기 롱타입 ZnO 나노와이어를 추출하는 추출 단계;
추출된 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나를 혼합하고, 액상의 PDMS에 혼합하여 PDMS 용액을 마련하는 혼합 단계;
상기 PDMS 용액을 기판 상에 코팅하여 박막의 PDMS 필름을 형성하는 단계; 및
상기 PDMS 필름을 상기 기판에서 분리하고 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 Ammonium chloride 몰농도는
0.09-0.15M 범위 내에서 1 ~ 24 시간 범위의 성장 시간 조절에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 Zinc nitrate hexahydrate와 Hexamethylenetetramine는 각각 0.03 M로 구성되는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 추출 단계는
순수에 상기 롱타입 ZnO 나노와이어가 성장한 기판을 침수시키는 단계;
상기 기판이 침수된 순수를 초음파 처리 하는 단계;
상기 초음파 처리 후 열처리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 CNT 및 Ag 나노와이어 중 적어도 하나는 1wt% - 5 wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법을 이용하는 나노 발전기 제조 방법. - 제1항, 제2항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한항에 있어서,
상기 롱타입 ZnO 나노와이어 성장 방법에 의하여 성장한 상기 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하고 상기 나노 발전기 제조 방법에 의하여 제조된 나노 발전기. - 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위한 기판;
상기 기판에 형성되는 촉매층;
상기 촉매층이 형성된 기판 상에 롱타입 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위해 염화암모늄이 일정 비율로 첨가된 성장 용액이 충진되는 용액 챔버;
상기 롱타입 ZnO 나노와이어를 상기 기판 및 촉매층으로부터 추출하기 위한 추출 챔버;
추출된 롱타입 ZnO 나노와이어와 CNT 또는 Ag 나노와이어를 액상의 PDMS에서 혼합시켜 PDMS 용액을 생성하기 위한 혼합 챔버;
스핀 코터 방식을 이용하여 상기 PDMS 용액을 박막으로 코팅하여 PDMS 필름을 형성하기 위한 플라스틱 기판;
상기 플라스틱 기판에서 분리된 PDMS 필름 일측에 마련되어 전극 역할을 수행하는 전도성 필름들;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 롱타입 ZnO 나노와이어를 이용하는 나노 발전기 제조 시스템.
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