KR20080051131A - A near-field photocatalyst including nanowire of zinc oxide - Google Patents

A near-field photocatalyst including nanowire of zinc oxide Download PDF

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KR20080051131A
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이규철
모토이치 오츠
타카시 야츠이
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학교법인 포항공과대학교
고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
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Abstract

A photocatalyst comprising ZnO instead of titanium is provided to reduce production costs of the photocatalyst significantly, and a photocatalyst in which ZnO is formed as nanowires is provided to obtain an electric potential required for the generation of hydrogen without the use of additional electrodes or the application of additional voltage by near fields generated from pointed ends of the nanowires. A near-field photocatalyst using near field light formed from an pointed end of a nanowire comprises: a substrate; and a base which is formed on the substrate and formed from nanomaterial comprising one or more selected from ZnO, TiO2, GaP, ZrO2, SiCdS, KTaO2, KTaNBO, CdSe, SrTiO3, Nb2O3, Fe2O3, WO2, SaO2 or mixture thereof as a main component, wherein the nanomaterial is formed in shapes of nanowires comprising a nanoneedle, a nanorod, and a nanotube. The ZnO nanomaterial has a diameter of less than 5 to 200 nm, and a length of 0.5 to 100 mum. The substrate is selected from a group consisting of a silicon substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a Pyrex substrate, a sapphire substrate, and a plastic substrate. The ZnO nanomaterial is oriented on the substrate perpendicularly to the substrate. The ZnO nanomaterial is formed on the substrate by a metal-organic vapor-phase epitaxy process, a metal-organic chemical vapor deposition process, a sputtering process, a thermal or electron beam evaporation process, a pulse laser deposition process, a vapor-phase transport process, and a chemical synthesis process. Further, the nanomaterial is coated by a compound selected from a group consisting of MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP or the mixture thereof.

Description

산화아연 나노 세선의 근접장 광촉매 {A NEAR-FIELD PHOTOCATALYST INCLUDING NANOWIRE OF ZINC OXIDE}Near-field photocatalyst of zinc oxide nano fine wire {A NEAR-FIELD PHOTOCATALYST INCLUDING NANOWIRE OF ZINC OXIDE}

본 발명은 광촉매에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 산화아연 나노세선을 이용한 근접장 광촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a photocatalyst, and more particularly, to a near-field photocatalyst using zinc oxide nano fine wire.

광촉매란 빛을 받으면 촉매반응을 일으키는 촉매물질로서, 본 명세서에서는 이 중에서 광반응을 가속시키는 촉매물질을 의미하며 특히 자외선을 흡수하여 강력한 산화력 또는 환원력을 가진 물질을 생성할 수 있는 물질을 말한다. 이러한 광촉매는 다량의 화학품 또는 난분해성 오염물질을 친환경적으로 처리하는데 사용될 수 있다. 광촉매중 이산화티타늄(TiO2)이 가장 많이 사용되고 있는데, 이산화티타늄이 내산성, 내알카리성 등이 좋으며 인체에 무해하기 때문이다.The photocatalyst is a catalyst material that causes a catalysis when light is received, and in this specification, a catalyst material that accelerates a photoreaction, and in particular, refers to a material capable of absorbing ultraviolet light to generate a material having strong oxidizing or reducing power. Such photocatalysts can be used to environmentally treat large quantities of chemicals or hardly degradable contaminants. Among photocatalysts, titanium dioxide (TiO 2 ) is used most often because titanium dioxide has good acid resistance and alkali resistance and is harmless to human body.

도 1에 나타낸 바와 같이, 이산화티타늄 광촉매는 n형 반도체로서 이산화티타늄의 밴드 갭(band gap) 이상의 에너지(λ<400 nm)를 가지는 파장의 빛(예를 들어 자외선)을 받으면 이산화티타늄 표면의 전자는 밸런스 밴드(valence band)에서 컨덕션 밴드(conduction band)로 전이를 일으키게 되고, 이로 인하여 밸런스 밴드에는 정공이 생성되고 컨덕션 밴드에는 잉여 전자가 유도되게 된다.As shown in Fig. 1, a titanium dioxide photocatalyst is an n-type semiconductor, and when electrons on the surface of the titanium dioxide are subjected to light (for example, ultraviolet rays) having a wavelength of more than the band gap of titanium dioxide (λ <400 nm) Is a transition from the balance band (conduction band) to the conduction band (conduction band), thereby generating holes in the balance band and excess electrons are induced in the conduction band.

이와 같은 전자와 정공은 이산화티타늄 표면으로 확산이동하여, 이산화티타늄 표면에 흡착된 물이나 수산화이온(OH-)과 정공이 반응하면 히드록시 라디칼(OH)이 생성되며, 수중에 존재하는 산소와 전자가 반응하면 수퍼 옥사이드(O2 2-)가 생성된다. 이와 같이 생성된 히드록시 라디칼 및 수퍼 옥사이드는 유기물질을 산화시켜 물과 탄산가스로 변화시키는 산화제로 작용한다. 또한 세균도 유기 화합물이므로 광촉매의 강한 산화작용에 의해 산화분해 되어 살균된다. 이와 같은 이산화티타늄의 작용에 대해서는 대한민국 공개특허 제10-2003-0083901호에 개시되어 있다.In this electron-hole of the diffusion go to the titanium dioxide surface, the water and hydroxide ions (OH -) adsorbed on the titanium dioxide surface when the hole the reaction and hydroxyl radical (OH) are generated, the presence in the water of oxygen and electrons, When reacted, superoxide (O 2 2- ) is produced. The hydroxy radicals and super oxides thus produced act as oxidants to oxidize organic materials and convert them into water and carbon dioxide. In addition, since bacteria are organic compounds, they are oxidatively decomposed and sterilized by the strong oxidation of the photocatalyst. The action of such titanium dioxide is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2003-0083901.

그러나 이러한 티타늄은 매우 희소한 금속으로서 이산화티타늄은 매우 고가의 재료이며, 이러한 점은 이산화티타늄을 널리 상용화함에 있어 심각한 문제점이 되고 있다.However, such titanium is a very rare metal and titanium dioxide is a very expensive material, which is a serious problem in the commercialization of titanium dioxide.

뿐만 아니라, 이산화티타늄은 티탄산스트론튬(SrTO3)과 더불어 위와 같은 작용 이외에도 광화학전지의 전극으로도 이용되고 있다. 즉, 이산화티타늄은 태양광 등의 빛을 받아 광기전력을 발생시키고 상기 광기전력에 의하여 전기화학반응을 일으키는 반도체 광촉매로서, 수중에 백금 전극과 산화티타늄 전극을 배치하여 이 산화티타늄 전극에 빛을 조사함으로써 물을 전기분해 하여 수소를 발생시키는 데에도 활용되고 있다. 이와 같은 이산화티타늄의 작용 및 활용에 대해서는 대한민국 등록특허 제10-0377825호에 개시되어 있다.In addition, titanium dioxide is used as an electrode of a photochemical battery in addition to the above-described action with strontium titanate (SrTO 3 ). That is, titanium dioxide is a semiconductor photocatalyst that generates photovoltaic power by receiving light such as sunlight and causes an electrochemical reaction by the photovoltaic power. The titanium dioxide electrode is irradiated with light by arranging a platinum electrode and a titanium oxide electrode in water. It is also used to generate hydrogen by electrolyzing water. The action and utilization of such titanium dioxide is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0377825.

그러나 이산화티타늄의 광촉매를 태양광에 의한 물의 전기분해에 적용하는 경우에 물의 전해에 필요한 최소한의 기전력(이론값 1.23 V) 이상의 광기전력을 구비하는 것이 필요하다. 따라서 별도의 외부 전압을 인가하게 되는데, 이로 인해 수소 발생의 장치 및 공정이 매우 복잡해지게 되는 단점이 있다. 뿐만 아니라 백금과 같은 희소 금속을 전극으로 사용하게 되므로 이로 인해 제조비용이 상승하는 단점도 있게 된다.However, when applying a photocatalyst of titanium dioxide to the electrolysis of water by sunlight, it is necessary to have a photovoltaic power of at least the electromotive force required for the electrolysis of water (theoretical value 1.23 V). Therefore, a separate external voltage is applied, which makes the hydrogen generating apparatus and process very complicated. In addition, since a rare metal such as platinum is used as an electrode, the manufacturing cost increases due to this.

한편, 근접장광(optical near field)은 고해상도 광학 현미경, 고밀도 광학 메모리, 원자 조작 등에 이용되어 왔다 [Near-Field Nano/Atom Optics and Technology, Springer, Tokyo, 1998].On the other hand, near field (optical near field) has been used in high resolution optical microscope, high density optical memory, atomic manipulation and the like (Near-Field Nano / Atom Optics and Technology, Springer, Tokyo, 1998).

상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해서 티타늄을 대신하여 아연산화물을 포함하는 광촉매를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. 티타늄과 달리 아연은 염가로 대량을 구입할 수 있는 값싼 금속으로서 광촉매 제조비용을 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.It is an object of the present invention to provide a photocatalyst including zinc oxide in place of titanium in order to solve the problems of the prior art as described above. Unlike titanium, zinc is an inexpensive metal that can be purchased in large quantities at a low cost, which greatly lowers the photocatalyst manufacturing cost.

본 발명의 또 다른 목적은 산화아연을 나노 세선장으로 구성한 광촉매를 제공함에 있다. 나노 세선의 첨단에 발생하는 근접장에 의해 별도의 전극의 이용 및 추가 전압의 인가 없이도 수소 발생에 필요한 전위를 얻을 수 있다.Still another object of the present invention is to provide a photocatalyst comprising zinc oxide as a nano fine wire. The near field generated at the tip of the nano fine wire can obtain a potential for generating hydrogen without using an additional electrode and applying an additional voltage.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 근접광 광촉매를 제공한다. 이 근접광 광촉매는 기판, 및 상기 기판 상에 형성되고, ZnO, TiO2, GaP, ZrO2, SiCdS, KTaO2, KTaNBO, CdSe, SrTiO3, Nb2O3, Fe2O3, WO2, SaO2 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하며, 상기 나노소재는 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브를 포함하는 나노세선의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a proximity photocatalyst. The proximity photocatalyst is formed on a substrate and the substrate, and includes ZnO, TiO 2 , GaP, ZrO 2 , SiCdS, KTaO 2 , KTaNBO, CdSe, SrTiO 3 , Nb 2 O 3 , Fe 2 O 3 , WO 2 , At least one selected from the group consisting of SaO 2 or a mixture comprising a base material consisting of a nanomaterial, the nanomaterial is characterized in that it has a form of nano fine wire including a nano needle, a nano rod or a nanotube. .

특히, 상기 나노소재는 산화아연을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.In particular, the nanomaterial is preferably composed mainly of zinc oxide.

상기 나노소재의 형태는 나노바늘의 나노세선 형태가 바람직하며, 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 한다.The nanomaterial is preferably in the form of a nano fine wire of the needle, the diameter of the nanomaterial is 5-200 nm, the length is characterized in that 0.5-100 ㎛.

상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 파이렉스 기판, 사파이어 기판 및 플라스틱 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.The substrate is characterized in that it is selected from the group consisting of a silicon substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a Pyrex substrate, a sapphire substrate and a plastic substrate.

또한 상기 나노소재는 상기 기판 상에 수직으로 배향된 것을 특징으로 한다.In addition, the nanomaterial is characterized in that it is oriented vertically on the substrate.

또한 상기 나노소재는 유기금속 기상성장법, 유기금속 화학기상증착법, 스퍼터링법, 열 또는 전자빔 증발법, 펄스 레이저 증착법, 기상 이송법 또는 화학적 합성 중 어느 하나에 의해 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the nanomaterial is formed on the substrate by any one of organometallic vapor phase growth method, organometallic chemical vapor deposition method, sputtering method, heat or electron beam evaporation method, pulse laser deposition method, vapor phase transfer method or chemical synthesis. do.

또한 상기 나노소재는 주 성분인 산화아연 외에 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 불순물로서 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the nanomaterial is Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P , As, Co, Cr, B, N, Sb and H characterized in that it further comprises one or more elements selected from the group consisting of impurities.

또한 상기 산화물계 나노 소재는 MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP 또는 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물로 코팅된 것을 특징으로 한다.In addition, the oxide-based nanomaterial is characterized in that the coating with a compound selected from the group consisting of MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP or a compound thereof.

한편, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 광촉매를 이용하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 방법을 제공하며, 또한 상기 본 발명에 따른 광촉매를 포함하는 수소 발생 장치를 제공한다.On the other hand, the present invention provides a hydrogen generating method characterized by using the photocatalyst according to the present invention, and also provides a hydrogen generating apparatus comprising the photocatalyst according to the present invention.

또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 광촉매를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기의 정화 방법을 제공하며, 또한 상기 본 발명에 따른 광촉매를 포함하는 폐수 또는 대기 정화 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a method for purifying wastewater or air characterized by using the photocatalyst according to the present invention, and also provides a wastewater or air purifying apparatus including the photocatalyst according to the present invention.

이러한 본 발명의 광촉매는 종래 광촉매에 사용되어오던 티타늄을 값싼 아연으로 대체하여 비용절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 산화아연 나노세선 첨단에 발생하는 근접장광을 이용함으로써 별도의 외부 전압을 인가할 필요가 없이 수소발생에 충분한 과전압을 얻을 수 있어 백금과 같은 고가의 전극의 사용을 피하고 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.The photocatalyst of the present invention not only obtains a cost-saving effect by replacing titanium, which has been used in the conventional photocatalyst, with cheap zinc, but also needs to apply a separate external voltage by using near field light generated at the tip of the zinc oxide nanowire. It is possible to obtain a sufficient overvoltage for hydrogen generation without the need to avoid the use of expensive electrodes such as platinum and to simplify the process.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known technologies or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

본 발명의 근접장 광촉매는 종래에 널리 사용되던 고가의 이산화티타늄을 대체하여 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재를 포함하는 것을 기본적인 특징으로 한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 산화아연은 이산화티타늄과 에너지 밴드 갭 및 수소 발생에 대한 촉매 활성 준위가 동등한 수준에 있는 물질로서, 이산화티타늄과 동등한 수준의 수소 발생 재료서의 사용이 가능하며, 특히 물의 전기분해에 사용될 수 있다.The near-field photocatalyst of the present invention is characterized in that it comprises a nanomaterial mainly composed of zinc oxide in place of expensive titanium dioxide widely used in the prior art. As shown in FIG. 2, zinc oxide is a material having a level of catalytic activity for titanium dioxide and an energy band gap and hydrogen generation, and it is possible to use a hydrogen generating material having a level equivalent to titanium dioxide. It can be used for electrolysis.

또한 본 발명은 기판 상에 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재가 나노막대, 나노튜브 또는 바람직하게는 나노바늘의 나노세선 형태를 하고 있는 것을 특징으로 하는 근접광 광촉매에 관한 것이다.The present invention also relates to a proximity photocatalyst, characterized in that the nanomaterial mainly composed of zinc oxide on the substrate is in the form of nanorods, nanotubes or, preferably, nanoneedles.

특히 나노바늘 형태의 나노세선의 산화아연 나노소재의 경우에 있어서, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 그 성장 조건을 조절함으로써 한쪽 첨단이 매우 날카로운 형상으로 제작하는 것이 가능하다.Particularly in the case of the nanoneedle-shaped nanofine zinc oxide nanomaterial, as shown in Figs. 6 and 7, it is possible to produce a very sharp tip by controlling the growth conditions thereof.

특히 상기 산화아연 나노소재의 직경이 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛이 되도록 제작하는 것이 바람직하다. In particular, the diameter of the zinc oxide nanomaterial is 5-200 nm, it is preferable to produce so that the length is 0.5-100 ㎛.

원격장광(optical far field)의 경우, 장(field)의 세기(intensity)가 파장보다 작은 중성 분자에 있어 균일하다(uniform). 이 경우 분자 내에 전자만이 동일한 상(phase) 및 세기를 가지는 전기장에 응답을 하게 되며, 따라서 원격장의 경우 분자 진동 (molecular vibration)의 에너지를 높일 수는 없게 된다.In the case of an optical far field, the intensity of the field is uniform for neutral molecules whose wavelength is smaller than the wavelength. In this case, only electrons in the molecule will respond to the electric field having the same phase and intensity, and thus, in the case of a remote field, the energy of molecular vibration cannot be increased.

반면 근접장광의 경우, 그 위치에 따른 가파른 구배(steep spatial gradient)로 인해 분자 내의 장의 세기가 균일하지 않게 된다. 이 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 분자 오비탈이 변화하게 되어 전자는 불균일하게 응답하고, 이러한 전자의 불균일한 응답으로 인해서 분자는 극성화하게 된다.On the other hand, in the case of near-field light, the intensity of the field in the molecule is not uniform due to the steep spatial gradient according to its position. In this case, as shown in Fig. 3, the molecular orbitals change, and the electrons respond non-uniformly, and due to the non-uniform response of the electrons, the molecules become polarized.

본 발명에 따라 상기의 구조를 가지는 광촉매에 원격장광을 조사하는 경우 그 첨단(apex)에 근접장광이 발생하게 된다. 첨단에 발생된 근접장광은 그 전기장 구배가 매우 가파르게 형성되기 때문에 이것에 의해서 별도로 외부전압을 인가해줄 필요 없이 수소를 발생시키기 위해 충분한 과전압을 얻을 수 있다.According to the present invention, when the long field light is irradiated to the photocatalyst having the above structure, the near field light is generated at the apex. Since the near-field light generated at the tip has a very steep electric field gradient, it is possible to obtain sufficient overvoltage to generate hydrogen without applying an external voltage separately.

앞서 언급한 바와 같이, 이산화티타늄의 광촉매를 물의 전기분해에 사용하는 경우에 물의 전해에 필요한 최소한의 기전력(이론값 1.23 V) 이상의 광기전력을 구비하기 위해 백금과 같은 희소 금속을 전극으로 사용하여 외부 전압을 인가하게 되는데, 본 발명의 경우에 있어서는 백금과 같은 고가의 전극의 사용 및 별도의 외부 전압의 인가 없이도 수소발생에 필요한 과전압을 얻을 수 있어 수소 발생의 장치 및 공정을 매우 단순화시키고 제조단가를 저렴하게 할 수 있다는 장점을 가지게 된다.As mentioned above, when a photocatalyst of titanium dioxide is used for the electrolysis of water, a rare metal such as platinum is used as an electrode to provide a photovoltaic power of at least the electromotive force necessary for electrolysis of water (theoretical value 1.23 V). In the case of the present invention, an overvoltage necessary for hydrogen generation can be obtained without the use of an expensive electrode such as platinum and the application of a separate external voltage, which greatly simplifies the apparatus and process for generating hydrogen and reduces the manufacturing cost. It has the advantage of being inexpensive.

뿐만 아니라 광촉매의 재료로서 산화아연 나노바늘 구조를 이용하는 경우, 가시영역으로의 반응 효율이 향상되는 효과도 있어, 전체적인 에너지의 변환효율도 크게 증가하는 효과를 보이게 된다.In addition, when the zinc oxide nanoneedle structure is used as the material of the photocatalyst, the reaction efficiency to the visible region is improved, and the overall conversion efficiency of the energy is also greatly increased.

본 발명의 광촉매에 있어서 기판은 기판 상에 형성될 산화물계 나노 소재와 일반적으로 반응성이 없는 소재로서, 이의 비제한적인 예에는 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 파이렉스 기판, 사파이어 기판 또는 플라스틱 기판 등이 포함된다.In the photocatalyst of the present invention, the substrate is a material which is generally not reactive with the oxide-based nanomaterial to be formed on the substrate, and non-limiting examples thereof include a silicon substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a Pyrex substrate, a sapphire substrate, a plastic substrate, and the like. This includes.

한편, 본 발명의 산화아연 나노소재는 기판에 수직으로 배향된 형태의 구조가 바람직하나, 본 발명에 따른 광촉매로서는 기판 상에 나노소재가 수직으로 배향되지 않은 형태를 취할 수도 있다. On the other hand, the zinc oxide nanomaterial of the present invention is preferably a structure in the form oriented perpendicular to the substrate, the photocatalyst according to the present invention may take a form in which the nanomaterial is not oriented vertically on the substrate.

또한 상기한 금속/산화물반도체 이종 접합 구조를 이용하면 빛을 받아서 생성된 전자를 금속쪽으로 모이게 할 수 있으므로, 전자와 정공의 재결합 속도를 느리게 할 수 있다. 이에 따라, 전자와 정공이 외부의 산소 또는 물과 용이하게 결합하게 되며, 그 결과 외부 오염 물질을 광분해하는 효율이 증대하는 효과를 기대할 수 있다.In addition, by using the metal / oxide semiconductor heterojunction structure described above, electrons generated by receiving light can be collected toward the metal, thereby slowing the recombination rate of electrons and holes. Accordingly, electrons and holes are easily combined with external oxygen or water, and as a result, an effect of increasing photodegradation efficiency of external pollutants can be expected.

본 발명의 나노 소재는, 유기금속 기상성장법(MOVPE), 유기금속 기상증착법을 포함하는 화학 기상증착법 또는 스퍼터링법(sputtering), 열 또는 전자빔 증발법(thermal or electron beam evaporation), 펄스레이저 증착법(pulse laser deposition) 등과 같은 물리적 성장 방법뿐만 아니라 금과 같은 금속촉매를 이용하는 기상 이송법(vapor-phase transport process), 화학적 합성 등에 의하여 다양한 기판 상에 형성된다. 바람직하게는, 유기금속 기상성장법(MOVPE) 또는 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)에 의하여 성장시킬 수 있다.The nanomaterials of the present invention may be organic metal vapor deposition (MOVPE), chemical vapor deposition or sputtering including organic metal vapor deposition, thermal or electron beam evaporation, thermal or electron beam evaporation, and pulsed laser deposition. It is formed on various substrates by physical growth methods such as pulse laser deposition, as well as vapor-phase transport processes using chemical catalysts such as gold, chemical synthesis, and the like. Preferably, it can be grown by organometallic vapor deposition (MOVPE) or organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).

본 발명의 광촉매 제조 방법의 구체예에 있어서, 산화아연 나노바늘은 다음과 같은 공정에 따라 기판 상에 형성된다. 먼저, 아연-함유 유기금속 및 산소-함유 기체 또는 산소-함유 유기물을 별개의 라인을 통해 각각 유기금속 기상증착 반응기에 주입한다. 상기 아연-함유 유기금속의 비제한적인 예에는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 또는 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2] 등이 포함되며, 상기 산소-함유 기체의 비제한적인 예에는 O2, O3, NO2, 수증기, CO2 등이 포함된다. 산소-함유 유기물의 비제한적인 예에는 C4H8O이 포함된다. In an embodiment of the photocatalyst production method of the present invention, the zinc oxide nanoneedle is formed on a substrate according to the following process. First, zinc-containing organometallic and oxygen-containing gases or oxygen-containing organics are respectively injected into the organometallic vapor deposition reactor via separate lines. Non-limiting examples of the zinc-containing organometals include dimethyl zinc [Zn (CH 3 ) 2 ], diethyl zinc [Zn (C 2 H 5 ) 2 ], zinc acetate [Zn (OOCCH 3 ) 2 H 2 O. ], Zinc acetate anhydride [Zn (OOCCH 3 ) 2 ] or zinc acetylacetonate [Zn (C 5 H 7 O 2 ) 2 ], and the like. Non-limiting examples of the oxygen-containing gas include O 2 , O 3 , NO 2 , water vapor, CO 2 and the like. Non-limiting examples of oxygen-containing organics include C 4 H 8 O.

이후, 10-5 내지 760 mmHg의 압력 및 200 내지 900 ℃의 온도 조건 하에서 상기 반응물을 반응시켜 기판 상에 산화아연 나노바늘을 증착 및 성장시킨다. 상기 반응 압력, 온도 및 반응물질의 흐름속도를 조절하여 기판 상에 형성되는 나노바늘의 직경, 길이 및 밀도가 조절함으로써, 원하는 총 표면적을 갖는 나노소재를 기판 상에 형성할 수 있다. Thereafter, the reactants are reacted under a pressure of 10 −5 to 760 mmHg and a temperature of 200 to 900 ° C. to deposit and grow zinc oxide nanoneedle on the substrate. By adjusting the reaction pressure, temperature and the flow rate of the reactant to adjust the diameter, length and density of the nanoneedle formed on the substrate, it is possible to form a nanomaterial having a desired total surface area on the substrate.

본 발명에 따른 광촉매의 산화아연 나노소재는 나노 소재의 전자 및 정공 형성 능력을 향상시키기 위하여 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 불순물로서 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 불순물의 농도가 높을 경우에는 산화물 반도체 물질의 합금이라 명명될 수도 있다. 상기 원소를 함유한 유기 금속 등을 아연-함유 유기금속과 함께 유기금속 기상증착 반응기에 공급함으로써, 본 발명의 나노소재의 성분에 상기 원소를 포함시킬 수 있다.Zinc oxide nanomaterial of the photocatalyst according to the present invention is Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta in order to improve the electron and hole formation ability of the nanomaterial At least one element selected from the group consisting of Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, and H may be further included as an impurity. In this case, when the concentration of the impurity is high, it may be referred to as an alloy of an oxide semiconductor material. By supplying an organic metal or the like containing the above element with the zinc-containing organometal to the organometallic vapor deposition reactor, the element can be included in the component of the nanomaterial of the present invention.

한편, 본 발명에 따른 광촉매의 나노 소재는 MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP 또는 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물로 코팅된 구조를 가질 수 있다. 도 4에는 기판 상에 수직배향된 산화물계 나노바늘에 GaN이 코팅된 구조의 나노 바늘이 도시되어 있으며, 도 5에는 이러한 구조를 갖는 나노 바늘의 투과전자 현미경 사진이 도시되어 있다. 상기 물질의 코팅층은 전자 및 정공 형성 능력을 향상시키고, 나노 소재의 보호층을 형성하는 등 본 발명의 광촉매에 대하여 다양한 작용을 할 수 있다.Meanwhile, the nanomaterial of the photocatalyst according to the present invention may have a structure coated with a compound selected from the group consisting of MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP, or a compound thereof. 4 illustrates a nanoneedle having a structure coated with GaN on an oxide-based nanoneedle vertically oriented on a substrate, and FIG. 5 illustrates a transmission electron micrograph of a nanoneedle having such a structure. The coating layer of the material may have various functions with respect to the photocatalyst of the present invention, such as improving electron and hole forming ability and forming a protective layer of nanomaterials.

광촉매 기술은 근년 폭넓은 분야에서 실용화되고 세계적으로 주목받고 있으며, 본 발명의 산화아연 나노세선을 이용한 근접장 광촉매 기술은, 고가의 산화티타늄을 대체하는 재료로서 실용상 매우 중요하며, 또한 전극을 필요로 하지 않는 본 발명은 프로세스의 간략화에도 크게 의미가 있다고 할 수 있다.Photocatalyst technology has been practically used in a wide range of fields in recent years, and has attracted worldwide attention, and the near-field photocatalyst technology using zinc oxide nanowires of the present invention is very important in practical use as a material to replace expensive titanium oxide, and also requires an electrode. The present invention, which does not, has great significance for the simplification of the process.

도 1은 광촉매 반응의 원리를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing the principle of the photocatalytic reaction.

도 2는 대표적인 광촉매 재료의 밴드구조와 물의 산화, 환원 준위를 도시한 개념도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the band structure of an exemplary photocatalyst material and oxidation and reduction levels of water.

도 3은 근접장광에 의해 분자 진동 모드가 여기되는 원리를 도시한 개념도이다.3 is a conceptual diagram showing the principle that the molecular vibration mode is excited by the near field light.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 산화아연 나노바늘 광촉매로서 나노바늘 상에 GaN이 코팅된 광촉매의 일실시예의 구조도 및 투과전자현미경(TEM) 사진이다.4 and 5 are structural diagrams and transmission electron microscopy (TEM) photographs of one embodiment of a photocatalyst coated with GaN on a nanoneedle as a zinc oxide nanoneedle photocatalyst according to the present invention.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 산화아연 나노바늘 광촉매의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a zinc oxide nanoneedle photocatalyst prepared according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 산화아연 나노바늘 광촉매의 TEM 사진이다.7 is a TEM photograph of a zinc oxide nanoneedle photocatalyst prepared according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 산화아연 나노바늘 광촉매에 광을 조사한 후에 나노바늘의 표면에 대한 SEM 사진이다.8 is a SEM photograph of the surface of the nanoneedle after irradiating light to the zinc oxide nanoneedle photocatalyst according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 산화아연 나노바늘 광촉매에 대한 EDX 분석결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing the results of EDX analysis for the zinc oxide nanoneedle photocatalyst according to an embodiment of the present invention.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited only to the following examples.

실시예Example 1: 산화아연  1: zinc oxide 나노바늘을Nano needle 포함하는  Containing 광촉매의Photocatalyst 제조( Produce( MOCVDMOCVD ))

유기금속 화학기상증착(MOCVD) 반응기에 유리 기판을 넣은 다음, 디메틸아연(Zn(CH3)2) 및 O2 기체 각각을 개별 라인을 이용하여 상기 반응기에 0.1 내지 10 sccm 및 10 내지 100 sccm 범위의 흐름속도로 주입하였다. 이 때, 운반기체로서 아르곤(Ar)을 사용하였다.The glass substrates were placed in an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) reactor, and then dimethylzinc (Zn (CH 3 ) 2 ) and O 2 gases were each used in separate lines in the reactor in the range of 0.1 to 10 sccm and 10 to 100 sccm. Injected at a flow rate of. At this time, argon (Ar) was used as a carrier gas.

상기 반응기 내부를 0.2 torr의 압력 및 500℃의 온도로 1 시간 동안 유지하면서, 상기 유리 기판 상에서 디메틸아연 및 산소를 화학반응시켜 산화아연 나노바늘을 성장 및 증착시켰다. While maintaining the inside of the reactor at a pressure of 0.2 torr and a temperature of 500 ° C. for 1 hour, dimethylzinc and oxygen were chemically reacted on the glass substrate to grow and deposit zinc oxide nanoneedle.

그 결과 제조된 유리 기판 상에 수직배향된 산화아연 나노바늘을 도 6에 나타내었으며, 그 직경은 60nm였고, 길이는 1㎛였으며, 밀도는 1010/cm2였다.As a result, a zinc oxide nanoneedle vertically oriented on the prepared glass substrate was shown in FIG. 6, the diameter was 60 nm, the length was 1 μm, and the density was 10 10 / cm 2 .

실시예Example 2: 산화아연  2: zinc oxide 나노바늘을Nano needle 포함하는  Containing 광촉매의Photocatalyst 제조( Produce( MOVPEMOVPE ))

반응기에 기판을 넣은 다음, 기판 온도를 400-500 ㅀC로 하여, 가스 근원인 디메틸아연(Zn(CH3)2) 및 O2 각각을 개별 라인을 이용하여 상기 반응기에 0.1 내지 10 sccm 및 10 내지 100 sccm 범위의 흐름속도로 주입하였다. 이 때, 운반기체로서 아르곤(Ar)을 사용하였다.After the substrate was placed in the reactor, the substrate temperature was 400-500 ° C., and each of the gas sources dimethylzinc (Zn (CH 3 ) 2 ) and O 2, each in a separate line, was used in the reactor with 0.1 to 10 sccm and 10 Injection was performed at a flow rate in the range of from 100 sccm. At this time, argon (Ar) was used as a carrier gas.

상기 반응기 내부를 0.2 torr의 압력 및 500℃의 온도로 1 시간 동안 유지하면서, 상기 유리 기판 상에서 디메틸아연 및 산소를 화학반응시켜 산화아연 나노바늘을 성장 및 증착시켰다. 도 7에 나타내는 것 같이 첨단이 날카로워진 나노바늘이 기판에 대해서 수직에 형성되었다.While maintaining the inside of the reactor at a pressure of 0.2 torr and a temperature of 500 ° C. for 1 hour, dimethylzinc and oxygen were chemically reacted on the glass substrate to grow and deposit zinc oxide nanoneedle. As shown in FIG. 7, the sharpened nanoneedle was formed perpendicular to the substrate.

평가예Evaluation example 1 One

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 산화아연 나노바늘 광촉매를 초순수 증류수에 침지하여 파장 325 nm의 He-Cd레이저를 30 초간 조사하였다. 그 결과 이산화티타늄의 경우와 같이 초 친수성을 나타내는 결과를 얻을 수 있었다. The zinc oxide nanoneedle photocatalysts prepared in Examples 1 and 2 were immersed in ultrapure distilled water and irradiated with a He-Cd laser having a wavelength of 325 nm for 30 seconds. As a result, the same results as in the case of titanium dioxide were obtained.

또한, 조사 부근에 수분 중의 물질이 석출되고 있는 것을 표면의 전자 현미경상으로부터 확인할 수 있었으며, 이를 도 8에 나타내었다. 또한, 상기 석출이 나노바늘의 첨단만을 잇듯이 형성되어 있는 것으로부터 나노바늘 첨단에 발생하고 있는 근접장광에 의해 물질이 석출했다는 것을 확인할 수 있었다.Moreover, it was confirmed from the electron microscope image of the surface that the substance in water precipitated in the vicinity of irradiation, and this is shown in FIG. In addition, it was confirmed that the above-mentioned precipitation was formed like only the tip of the nanoneedle, so that the material precipitated by the near-field light generated at the tip of the nanoneedle.

평가예Evaluation example 2 2

본 발명의 광촉매의 첨단을 잇듯이 표면에 부착한 물질에 대해서 조성 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서, #1은 광조사 영역에 대한 것이고 #2는 비조사 영역에 대한 것이다. 도 9을 보면, 빛을 조사한 장소에 탄소 및 질소의 성분이 많아지고 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 수분 중의 유 기 불순물 및 질소가 석출한 사실을 나타내고 있으며, 이로부터 산화아연 나노바늘를 이용함으로써 수질이 개선되었다는 것을 확인할 수 있다.Composition analysis was carried out for the material attached to the surface as the tip of the photocatalyst of the present invention, the results are shown in FIG. In FIG. 9, # 1 is for the light irradiation area and # 2 is for the non-irradiation area. 9, it can be seen that the components of carbon and nitrogen are increasing in the place irradiated with light, which indicates the fact that organic impurities and nitrogen in water have been precipitated, and from this, the quality of water can be obtained by using zinc oxide nanoneedle. You can see that the improvement.

Claims (20)

나노세선의 첨단에 발생된 근접장광을 이용한 근접장 광촉매에 있어서,In the near field photocatalyst using the near field light generated at the tip of the nano fine wire, 기판, 및 Substrate, and 상기 기판 상에 형성되고, ZnO, TiO2, GaP, ZrO2, SiCdS, KTaO2, KTaNBO, CdSe, SrTiO3, Nb2O3, Fe2O3, WO2, SaO2 또는 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하며, Group formed on the substrate, ZnO, TiO 2 , GaP, ZrO 2 , SiCdS, KTaO 2 , KTaNBO, CdSe, SrTiO 3 , Nb 2 O 3 , Fe 2 O 3 , WO 2 , SaO 2 or a mixture thereof It comprises a base material consisting of nanomaterials based on at least one selected from 상기 나노소재는 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브를 포함하는 나노세선의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The nanomaterial is a near-field photocatalyst, characterized in that it has a form of nano fine wire including a nano needle, a nano rod or a nanotube. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노소재는 나노바늘의 형태인 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The nanomaterial is a near-field photocatalyst, characterized in that the form of a nano needle. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 산화아연 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The diameter of the zinc oxide nanomaterial is 5-200 nm, the length of the near-field photocatalyst, characterized in that 0.5-100 ㎛. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기판은 실리콘 기판, 유리 기판, 석영 기판, 파이렉스 기판, 사파이어 기판 및 플라스틱 기판으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The substrate is a near-field photocatalyst, characterized in that selected from the group consisting of a silicon substrate, a glass substrate, a quartz substrate, a Pyrex substrate, a sapphire substrate and a plastic substrate. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 산화아연 나노소재는 상기 기판 상에 수직으로 배향된 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The zinc oxide nanomaterial is a near-field photocatalyst, characterized in that vertically oriented on the substrate. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 산화아연 나노소재는 유기금속 기상성장법, 유기금속 화학기상증착법, 스퍼터링법, 열 또는 전자빔 증발법, 펄스 레이저 증착법, 기상 이송법 또는 화학적 합성 중 어느 하나에 의해 상기 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The zinc oxide nanomaterial is formed on the substrate by any one of organometallic vapor phase growth method, organometallic chemical vapor deposition method, sputtering method, heat or electron beam evaporation method, pulse laser deposition method, vapor phase transfer method or chemical synthesis. Near-field photocatalyst. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 산화아연 나노소재는 주 성분인 산화아연 외에 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 불순물로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The zinc oxide nanomaterials may include Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, A near field photocatalyst further comprising as an impurity one or more elements selected from the group consisting of P, As, Co, Cr, B, N, Sb, and H. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 산화물계 나노 소재는 MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP 또는 이들의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물로 코팅된 것을 특징으로 하는 근접장 광촉매.The oxide-based nanomaterial is a near-field photocatalyst, characterized in that coated with a compound selected from the group consisting of MgO, CdO, GaN, AlN, InN, GaAs, GaP, InP or a compound thereof. 수소를 발생시키는 방법에 있어서, In the method of generating hydrogen, 기판, 및 상기 기판 상에 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브의 나노세선의 형태를 하고 있으며 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하는 광촉매를 이용하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 방법.And a photocatalyst comprising a substrate and a photocatalyst comprising a nanoneedle, a nanorod or a nanotube nanowire on the substrate, the substrate comprising a nanomaterial mainly composed of zinc oxide. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 나노소재는 나노바늘의 형태인 것을 특징으로 하는 수소 발생 방법.The nanomaterial is a hydrogen generating method, characterized in that the form of a nano needle. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 산화아연 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 수소 발생 방법.The zinc oxide nanomaterials have a diameter of 5-200 nm and a length of 0.5-100 μm. 기판, 및 상기 기판 상에 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브의 나노세선의 형태를 하고 있으며 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하는 광촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.And a photocatalyst comprising a substrate and a photocatalyst on the substrate, wherein the photocatalyst comprises a nanoneedle, a nanorod, or a nanotube of nanotubes, and includes a substrate made of a nanomaterial mainly composed of zinc oxide. 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 나노소재는 나노바늘의 형태인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.The nanomaterial is a hydrogen generator, characterized in that the form of a nano needle. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 산화아연 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.The diameter of the zinc oxide nanomaterial is 5-200 nm, the length of the hydrogen generating device, characterized in that 0.5-100 ㎛. 폐수 또는 공기를 정화하는 방법에 있어서, In the method of purifying waste water or air, 기판, 및 상기 기판 상에 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브의 나노세선의 형태를 하고 있으며 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하는 광촉매를 이용하는 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기의 정화 방법. A method of purifying wastewater or air, characterized by using a photocatalyst comprising a substrate and a substrate formed of nanomaterials having a zinc oxide as a main component and having nano-wires, nanorods or nanotubes on the substrate. . 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 나노소재는 나노바늘의 형태를 하고 있는 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기의 정화 방법.Said nanomaterial is in the form of a nano needle waste water or air purification method. 제16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 산화아연 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기의 정화 방법.The zinc oxide nanomaterial has a diameter of 5-200 nm and a length of 0.5-100 μm. 기판, 및 상기 기판 상에 나노바늘, 나노막대 또는 나노튜브의 나노세선의 형태를 하고 있으며 산화아연을 주성분으로 하는 나노소재로 이루어진 기재를 포함하는 광촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기 정화 장치.A wastewater or air purification device comprising a substrate and a photocatalyst comprising a substrate made of nanomaterials having zinc oxide as a main component and having a nano fine wire of nanoneedle, nanorod or nanotube on the substrate. . 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 나노소재는 나노바늘의 형태를 하고 있는 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기 정화 장치.The nanomaterial is a wastewater or air purification device, characterized in that the form of a nano needle. 제19항에 있어서, The method of claim 19, 상기 산화아연 나노소재의 직경은 5-200 nm이고, 길이는 0.5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 폐수 또는 공기 정화 장치.The diameter of the zinc oxide nanomaterial is 5-200 nm, length is 0.5-100 ㎛ waste water or air purification apparatus.
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TWI573288B (en) * 2010-10-18 2017-03-01 鴻海精密工業股份有限公司 Light emitting diode and manufacture method for same
RU2633160C1 (en) * 2016-12-19 2017-10-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Method for aluminium nitride nanowires synthesis

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