KR20100058220A - 나노 구조물의 제조 방법, 나노 구조물 및 이를 이용하는 소자 - Google Patents
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Abstract
나노 구조물의 제조 방법은, 압전 물질을 포함하는 나노 구조물에 수산화 이온을 제공하여 상기 나노 구조물의 외부 면을 식각하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조물을 염기성 용액과 접촉시켜 상기 나노 구조물을 식각할 수 있다. 이때 염기성 용액의 농도, 상기 염기성 용액의 온도 또는 식각 시간 중 하나 이상을 조절함으로써 나노 구조물의 식각을 수행할 수도 있다. 그 결과 나노 구조물은, 압전 물질을 포함하여 이루어지며, 상기 나노 구조물 외부의 식각된 면을 포함할 수 있다. 상기 나노 구조물은 소자에 응용될 수 있다.
압전물질, 나노로드, 염기성용액, 수산화이온, 식각, 산화 아연
Description
실시예들은 나노 구조물의 제조 방법, 나노 구조물 및 나노 구조물을 이용하는 소자에 관한 것이다.
나노 물질은 벌크 소재와 다른 전기, 물리, 화학적 성질들을 지니며, 이러한 성질들로 인하여 나노 소자 개발에 이용될 수 있다. 예를 들어 나노 물질은 반도성 및 압전 특성 등을 가질 수 있다. 나노 물질은 박막, 나노 튜브(nano tube) 또는 나노 로드(nano rod) 등의 형태로 사용될 수 있다.
나노 물질은 에너지 발생 장치, 태양 전지(solar cell), 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 센서, 및 전기변색 디스플레이(e-chromic display) 등의 소자에 응용될 수 있다. 이와 같은 소자들의 성능은 사용되는 나노 물질의 표면적에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예는 나노 물질의 표면을 식각함으로서 표면적이 증가된 나노 구조물을 형성하는 나노 구조물의 제조 방법, 상기 나노 구조물 및 상기 나노 구조물을 이용한 소자를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 나노 구조물의 제조 방법은, 압전 물질을 포함하는 나노 구조물에 수산화 이온을 제공하여 상기 나노 구조물의 외부 면을 식각하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조물을 염기성 용액과 접촉시켜 상기 나노 구조물을 식각할 수 있다. 이때 염기성 용액의 농도, 상기 염기성 용액의 온도 또는 식각 시간 중 하나 이상을 조절함으로써 나노 구조물의 식각을 수행할 수도 있다.
일 실시예에 따른 나노 구조물은, 압전 물질을 포함하여 이루어지며, 상기 나노 구조물 외부의 식각된 면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물은 나노 로드일 수 있다. 이 경우 상기 식각된 면은 나노 로드의 상부에 위치하거나, 상부 및 측면에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 소자는 전술한 나노 구조물을 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따른 나노 구조물의 제조 방법 및 나노 구조물을 이용하면 나노 물질의 표면적을 식각에 의하여 증가시킬 수 있다. 이와 같이 제조된 나노 구조물을 소자에 이용하여 소자의 효율이나 감도 등의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 나노 구조물이란, 길이, 두께, 또는 직경이 수 내지 수천 나노미터인 구조물을 의미할 수 있다. 나노 구조물의 형상은 특정 형상으로 제한되지 않으며, 박막, 나노 튜브(nano tube), 나노 로드(nano rod), 나노 구(nano sphere), 또는 다른 임의의 형상을 가질 수 있다.
예컨대, 나노 구조물은 직경(예컨대 수 내지 수천 나노미터) 및 길이(예컨대 수 나노미터 내지 수 마이크로미터)를 가지며 내부가 차 있는 막대 형상의 나노 로드일 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 기판이란 나노 구조물이 배치될 수 있는 판상의 물질을 의미할 수 있다. 기판은 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 기판은 코팅층을 포함하는 다층 구조로 될 수도 있으며, 기판 상에 촉매층 또는 씨드층이 형성되어 있는 경우 해당 촉매층 또는 씨드층을 포함하는 의미로 사용될 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 나노 로드는, 종횡비(aspect ratio; 직경 및 길이의 비로서, 길이/직경으로 표시되는 수치); 기판으로부터 나노 로드가 이루는 각도(이를 "방향성"으로 정의한다); 기판 단위 면적당 나노 로드의 개수 또는 중량 비율(이를 "밀도"로 정의한다); 특정 방향성을 가지는 나노 로드의 밀도; 나노 로드 간의 형상 또는 방향성 균일 여부(이를 "균일성"으로 정의한다); 또는 나노 로드가 기판(촉매층 또는 씨드층이 형성된 기판의 경우 촉매층 또는 씨드층을 포함하는 의미 임)과 접하는 하나의 접촉면에서 하나의 나노 로드가 서있는지 여부 등의 특성을 가질 수 있다.
도 1은 식각되기 전의 나노 구조물을 도시한 사시도이다. 도 1은 설명을 위하여 나노 구조물의 형상을 예시적으로 과장하여 도시한 것일 뿐, 도 1의 나노 구조물의 형상이 실제 나노 구조물의 형상을 나타내는 것이 아니라는 점이 당업자에게 이해될 것이다.
도 1을 참조하면, 나노 구조물(1)은 나노 로드일 수 있다. 나노 로드는 상부면(11) 및 측면(12)을 갖는 속이 찬 막대 형상일 수 있다. 예를 들어, 나노 로드는 원기둥, 타원기둥, 또는 다각기둥의 형상일 수도 있다. 나노 구조물(1)은 복수 개의 나노 로드가 서로 연결된 형상을 가질 수도 있다. 나노 구조물(1)은 박막, 나노 튜브(nano tube), 나노 구(nano sphere), 또는 다른 임의의 형상을 가질 수도 있다.
나노 구조물(1)은 기판(2)상에 위치할 수 있다. 여기서 나노 구조물(1)의 직경은 D, 길이는 L, 종횡비는 (L/D), 기판(2)과 나노 구조물(1)이 이루는 각도는 α로 표시할 수 있다. 기판(2)으로서 예컨대 질화 갈륨 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, ITO층이 형성된 유리 기판 또는 ITO 층이 형성된 플라스틱 기판 등을 단독으로 또는 병용하여 사용할 수 있다. 기판(2)의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 기판(2)의 종류에 따라 나노 구조물(1)을 식각하기 위한 식각 조건이 상이할 수도 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 식각된 나노 구조물(1)을 도시한 정면도이다. 도 2 는 설명을 위하여 나노 구조물이 식각된 부분을 예시적으로 과장하여 도시한 것일 뿐, 도 2의 나노 구조물의 형상이 실제 식각된 나노 구조물의 형상을 나타내는 것이 아니라는 점이 당업자에게 이해될 것이다.
도 2를 참조하면, 나노 구조물(1)의 외부 면의 일부 또는 전부는 식각된 면(S1)을 형성할 수 있다. 식각된 면(S1)은 나노 구조물(1)의 표면이 일부 제거되어 함몰된 영역일 수 있다. 또한, 식각된 면(S1)이 식각된 깊이는 일정하거나, 또는 일정하지 않을 수도 있다. 나노 구조물(1)에 식각된 면(S1)이 형성됨으로써, 식각되지 않은 나노 구조물(1)에 비하여 표면적이 증가할 수 있다.
식각된 면(S1)은 나노 구조물(1)을 수산화 이온에 노출함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(1)을 염기성 용액에 침지하여 나노 구조물(1)을 식각할 수 있다.
한편, 나노 구조물(1)은 압전 특성을 갖는 압전 물질을 포함하여 이루어질 수도 있다. 압전 특성(Piezoelectric effect)은 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변형시키고, 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변형시키는 성질을 지칭할 수 있다. 압전성은 압전 물질의 결정구조의 비대칭 특성에 기인하여 나타날 수 있다. 예를 들어, 결정구조의 세가지 축인 a, b, c 축에 있어서, a 축이나 b 축보다 c 축으로 극성(polaritity)이 더 강한 경우 압전성이 나타나게 된다.
그런데, 수산화 이온, 예를 들어 염기성 용액 중의 수산화 이온은 압전 물질의 비대칭 결정 구조 중에서 극성이 더 강한 특정 부분(예컨대, c축 또는 길이 방향)을 더 잘 공격(반응)할 수 있다. 즉, 특정 방향으로 극성이 강한 압전 물질을 예컨대 염기성 용액과 접촉시킴으로써 상기 압전 물질에 상기 수산화 이온을 제공하면, 상기 수산화 이온이 상기 압전 물질과 접촉하게 되면서, 상기 압전 물질에서 극성이 강한 특정 방향 즉, 상기 압전 물질의 결정 구조 중에서 극성이 나머지 방향들보다 강한 특정 방향으로의 식각 속도가 다른 방향으로의 식각 속도보다 빠를 수 있다.
따라서, 나노 구조물(1)이 접촉하는 염기성 용액의 농도, 염기성 용액의 온도, 나노 구조물(1)의 식각 시간, 또는 다른 관련 변수들을 조절함으로써 나노 구조물(1)의 표면을 선택적으로 식각할 수 있다. 상기 선택적 식각이란 하나의 압전 물질로 이루어진 나노 로드에 있어서 특정 방향으로 일어나는 선택적 식각을 의미할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 나노 구조물(1)의 식각된 면(S1)은 나노 구조물(1)의 상부면(11)이 식각됨으로써 형성될 수 있다. 이는 나노 구조물(1)을 구성하는 압전 물질의 결정 구조 중에서 극성이 나머지 방향들보다 강한 일 방향(D1)을 따라 식각이 상대적으로 활발하게 일어날 수 있기 때문이다. 따라서, 나노 구조물(1)의 식각 조건(염기성 용액의 농도 및 온도, 나노 구조물(1)의 식각 시간)을 적절히 조절함으로써, 나노 구조물(1)의 상부면(11)만을 선택적으로 식각할 수 있다. 식각된 면(S1)으로 인하여 나노 구조물(1)의 표면적이 증가할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따라 식각된 나노 구조물(1)을 도시한 정면도이다. 도 3은 설명을 위하여 나노 구조물이 식각된 부분을 예시적으로 과장하여 도시한 것일 뿐, 도 3의 나노 구조물의 형상이 실제 식각된 나노 구조물의 형상을 나타내는 것 이 아니라는 점이 당업자에게 이해될 것이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 나노 구조물(1)의 식각 조건을 적절히 조절함에 따라, 나노 구조물(1)을 구성하는 압전 물질의 극성이 상대적으로 강한 일 방향(D1)뿐만 아니라 다른 방향들을 따라서도 나노 구조물(1)의 표면이 식각될 수 있다.
따라서, 나노 구조물(1)은 나노 구조물(1)의 상부면(11)으로부터 식각된 면(S1)뿐만 아니라, 나노 구조물(1)의 측면(12)으로부터 식각된 면(S2)을 포함할 수도 있다. 상부면(11)으로부터 식각된 면(S1)과 마찬가지로, 측면(12)으로부터 식각된 면(S2)은 나노 구조물(1)의 표면이 일부 제거되어 함몰된 영역일 수 있다. 또한, 식각된 면(S2)이 식각된 깊이는 일정하거나, 또는 일정하지 않을 수도 있다.
이상과 같은 나노 구조물(1)은, 에너지 발생 장치, 태양 전지(solar cell), 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED), 센서, 및 전기변색 디스플레이(e-chromic display) 등의 소자에 응용될 수 있다. 나노 구조물(1)의 표면적이 식각에 의하여 증가되므로, 나노 구조물(1)을 에너지 발생 장치, 태양 전지, LED, 및 전기변색 디스플레이 등의 소자에 응용할 경우 소자 효율이 향상될 수 있다. 또한 나노 구조물(1)을 센서에 응용할 경우 센서의 감도가 향상될 수 있다.
이하에서는, 나노 구조물을 성장시키는 방법에 대하여 설명한다. 성장된 나노 구조물을 일 실시예에 따라 식각함으로써 표면적이 증가된 나노 구조물을 얻을 수 있다.
예컨대, 나노 구조물의 일 예로서 기판상에 나노 로드를 성장시키는 방법에 대하여 설명한다. 나노 로드를 성장시키는 방법은 다양하게 존재할 수 있으며, 실시예들이 특정 나노 구조물의 형상 또는 그 제조 방법에 국한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
나노 로드 제조 방법의 비제한적인 예시로서, 액상법, 기상법, 기상-액상 성장법, 템플릿 법 등을 단독으로 또는 병용하여 사용할 수 있다. 액상법이나 기상법, 기상-액상 성장법은 기판상에서 촉매나 나노 핵(씨드)과 액상, 기상 등의 반응 소스를 이용하여 나노 로드를 성장시키는 방법이다. 템플릿 법은 촉매를 기판상에 패턴화하여 형성하여 촉매 템플릿을 만들고 액상, 기상 등의 반응 소스를 이용하여 나노 로드를 패턴을 가지도록 형성하는 방법이다.
이하에서는 비제한적인 예시로서, 산화 아연을 포함하여 이루어진 나노 로드를 성장시키는 방법에 대하여 설명한다.
참고로, 산화 아연은 상온에서 약 3.37eV의 넓은 밴드갭(bandgap)을 가지는 직접 천이형 ⅡB- ⅥA족 화합물 반도체로서, 대표적인 압전 물질 중 하나이다. 산화 아연의 결정 구조는 육방정계 울트자이트(Wurtzite) 결정구조와 큐빅 구조인 징크-블랜드(zinc-blende) 결정 구조로 나누어 진다. 이 중 압전 특성을 나타내는 것은 비대칭 결정 구조인 육방정계 울트자이트 결정구조이다.
산화 아연은 c축 방향의 거리가 다른 이온간의 거리보다 짧고 이로 인해 유효 이온 전자(effect ionic charge) 비가 1:1.2가 되므로 c축 방향으로 상대적으로 강한 극성이 존재하며 이에 따라 압전성을 나타낼 수 있다.
상기 액상법의 예로서, 기판상에 산화 아연의 핵성장을 가능하게 하는 물질(예컨대, 초산 아연(Zinc Acetate))을 스핀 코팅이나 디핑(dipping, 담그기) 등의 방법에 의하여 얇고 균일한 두께로 형성한 후 기판을 가열(예컨대 100℃ 이하의 온도로 가열)하고 건조함으로써 나노 핵 즉, 씨드 층을 균일하게 형성할 수 있다. 씨드 층이 형성된 기판을 예컨대 질산아연, 황산아연, 염화아연, 아세트산 아연 등과 같은 아연염 및 암모니아수를 포함하는 수용액(예컨대, 약 pH 10)에 넣고 가열(예컨대, 100℃ 이하의 온도로 가열)함으로써 나노 로드를 성장시킬 수 있다.
상기 약 pH 10의 염기성 조건은 산화 아연 나노 로드가 성장하기에 적절한 조건을 제공할 수 있다. 상기 암모니아 수는 위와 같은 염기성 조건을 조성하기 위하여 상기 아연염과 함께 사용되는 것으로서 약 pH 10의 염기성 수용액을 형성하도록 사용될 수 있으며, 나노 로드의 형성에 관여하게 된다.
참고로, 위에서 설명한 바와 같은 나노 로드의 형성 반응은 다음의 반응식 1로 표현될 수 있다.
Zn2 + 2OH- -> ZnO + H2O,
Zn2 + 4NH3 <--> Zn(NH3)4 2+,
Zn(NH3)4 2+ + 2OH- -> ZnO + 4NH3 + H2O
여기서, 상기 씨드의 크기를 크게할수록 성장하는 나노 로드의 직경이나 길이를 크게할 수 있다. 또한, 성장 온도를 높이고, 성장 시간을 길게하며, 반응 소스인 아연염 용액에서의 아연염 사용량이나 농도를 높임으로써 나노 로드의 직경이나 길이를 크게할 수 있다. 또한, 성장 온도, 성장 시간, 반응 소스인 아연염 용액의 아연염 사용량이나 농도를 증가시키면 직경 및 길이가 커지면서 점차 c축 성장이 강하게 일어나면서 종횡비도 크게할 수 있다.
한편, 하나의 접촉면에서 다수의 나노 로드가 성장하는 것을 포함하는 랜덤한 나노 로드 성장을 방지하고 배향성을 조절하기 위하여 기판은 일정한 결정 구조를 가지는 것을 사용할 수 있다. 또한 기판의 거칠기나 씨드층의 거칠기를 감소시켜 나노 로드 성장의 시작점인 나노 로드와 기판 또는 씨드층과의 접촉면을 평탄하게 하도록 할 수 있다.
씨드 층의 밀도를 높일수록 씨드 층으로부터 성장하는 나노 로드의 밀도도 높일 수 있다. 또한, 씨드의 크기를 균일하게 함으로써 나노 로드의 균일성도 높일 수 있다.
상기 기상법의 예로서, 열화학기상증착 장치를 이용하여 반응로 내부에 반응 소스인 예컨대 아연 또는 산화 아연과 흑연 혼합 파우더를 장착하고, 촉매(예컨대, Au, Co, Cu 등과 같은 촉매 금속)가 증착된 기판을 준비한 후 예컨대 약 700℃ 내 지 약 1200℃의 고온에서 가열하면 상기 촉매와 아연 가스가 반응하여 나노 로드 형태로 성장할 수 있다. 여기서, 반응 소스를 이송하는 캐리어 가스를 이용할 수 있다. 캐리어 가스로서는 Ar을 이용할 수 있다.
기상법에서도, 랜덤 성장을 방지하고 배향성을 조절하는 것은 기판의 결정 구조나 거칠기, 증착된 촉매층의 거칠기를 조절함으로써 수행할 수 있다. 균일성 또는 밀도는 촉매 금속의 사용량 또는 밀도, 크기, 성장 온도, 성장 시간 등을 제어함으로써 제어할 수 있다. 직경, 길이, 종횡비도 성장 온도나 성장시간을 조절함으로써 조절할 수 있다. 기상법에 있어서, 캐리어 가스가 반응 소스를 이송하므로, 캐리어 가스의 세기를 조절함으로써 종횡비, 배향성, 균일성을 조절할 수도 있다.
상기 기상-액상법은 예컨대 분무열분해법에 의한 나노 로드의 성장법이다. 이러한 기상-액상법에서는 반응 소스로서 수용성 물질(예컨대, 초산 아연, 염화 아연)을 이용하여 탈이온수에 녹여 이온화 시킨 후 초음파를 이용하여 열분해 하여 소스를 분무 시킨 후, 캐리어 가스(예를 들어, Ar 또는 N2) 를 통해 기판에 전달하고 예컨대 약 400 ℃ 이상의 산소 분위기 하에서 나노 로드를 기판 위에 형성시킬 수 있다.
기상-액상법에서도 랜덤 성장을 방지하고 배향성을 조절하는 것은 기판의 결정 구조나 거칠기를 조절함으로써 수행할 수 있다. 또한, 종횡비는 성장 시간이나 성장 온도를 조절함으로써 조절할 수 있다.
상기 템플릿 법의 예로서, AAO(anodic aluminum oxide) 템플릿을 이용한 산 화 아연 나노 로드 합성법을 들 수 있다.
구체적으로, 예컨대 벌크 알루미늄을 사용하여 구멍이 규칙적으로 배열된 정렬도가 높은 AAO 템플릿을 만들기 위하여, 우선 전해연마로 알루미늄 표면을 평탄하게 만들 수 있다. 이어서, 산용액(예컨대, 옥살산)을 이용하여 1차 양극산화를 진행할 수 있다. 그 후, 형성된 AAO를 산용액으로(예컨대, 크롬산과 인산의 혼합용액) 습식 에칭하고 같은 조건에서 2차 양극 산화를 진행하여 구멍이 규칙적으로 배열된 AAO 나노 템플릿을 형성할 수 있다. 그리고 반응 소스로서 수용성 아연 소스 (예컨대, 염화 아연, 초산 아연)를 용해시켜 전해질로 이용한 후 전기 도금 법에 의해 AAO 나노 템플릿의 구멍을 채운 후 템플릿을 제거하여 나노 로드를 형성시킬 수 있다.
템플릿 법에서, 상기한 바와 같은 반응 소스나 성장 온도, 성장 시간 등을 조절하는 외에, AAO 템플릿과 같은 템플릿의 정렬도를 조절함으로써 나노 로드의 밀도, 종횡비, 균일성을 조절할 수 있다.
이상에서 예시한 방법들뿐만 아니라 다른 적당한 방법을 이용하여 나노 로드의 제조를 수행할 수 있다. 한편, 저온 공정(예컨대, 약 100℃ 이하, 나아가 약 90℃ 이하에서 수행하는 액상법)에서 나노 로드의 제조를 수행할 수도 있다. 이러한 저온 제조 과정은 고온 공정으로 인한 기판 결함이 없거나 적을 수 있다. 따라서, 기판 사용의 제한을 없애줄 수 있을 뿐만 아니라, 공정 수행이 용이하도록 할 수 있다.
이하에서는, 성장된 나노 로드를 일 실시예에 따라 식각하여 나노 구조물을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
이상에서 예시적으로 설명한 방법에 의하여 성장된 나노 로드에 수산화 이온을 제공함으로써 상기 나노 로드를 식각할 수 있다. 예컨대, 염기성 용액이 담긴 수조에 침지하는(담그는) 방식으로 상기 나노 로드를 염기성 용액과 접촉시킴으로써 나노 로드를 식각할 수 있다. 여기서 나노 로드가 소자들에 적용할 경우 다른 물질과 접촉하는 나노 로드의 외부 면이 수산화 이온에 의하여 식각될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 나노 로드는 압전 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 나노 로드를 구성하는 압전 물질의 비제한적인 예시로서, 알루미늄오르토포스페이트(AlPO4), 석영, 로쉘염, 토파즈, 갈륨오르토포스페이트(GaPO4), 란타늄갈륨실리케이트(La3Ga5SiO14), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산비스무스(Bi4Ti3O12), 티탄산납(PbTiO3), 산화아연(ZnO), 티탄산지르코늄납(PZT; Pb[ZrXTi1-X]O3 0<x<1), 티탄산란탄늄비스무스(BLT; [Bi4-XLaX]Ti3O12 0<x<1), 산화주석(SnO2), 칼륨니오베이트(KNbO3) 리튬니오베이트(LiNbO3), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 나트륨텅스테이트(Na2WO3), 나트륨바륨니오베이트(Ba2NaNb5O5), 칼륨납니오베이트(Pb2KNb5O15), 나트륨칼륨니오베이트(KNaNb5O5), 비스무스페라이트 (BiFeO3) 등을 들 수 있다.
참고로, 티탄산바륨(BaTiO3)은 130 ℃ 이상에서는 3차원 대칭구조를 갖는 큐빅 구조(a=b=c=4.009 Å at 130 ℃)이며, 130 ℃ 이하에서 비대칭(c축 방향 늘어 남) 구조를 갖는 정방 정계(tetragonal) 구조로 변하며 온도가 내려갈수록 c축 방향이 상대적으로 늘어나는 구조를 가져 압전 특성을 나타낼 수 있다.
염기성 용액으로서는 수산화 이온을 생성시킬 수 있는 모든 염기성 용액을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 염기성 용액으로서 강염기성 또는 약염기성 용액을 사용할 수 있다. 다른 분류로서, 무기 염기성 용액 또는 유기 염기성 용액을 사용할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화루비듐, 수산화세슘, 수산화프랑슘, 수산화바륨, 수산화스트론튬, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화철, 수산화암모늄, 수산화테트라메틸암모늄, 수산화테트라부틸암모늄, 수산화콜린, 알라닌, 포스파젠, 히스티딘, 이미다졸, 벤지이미다졸, 퓨린, 피리딘, 피리디민, 메틸아민 등의 단독 또는 이들의 2이상의 혼합물을 포함하는 염기성 용액을 들 수 있다. 상기 염기성 용액은 수용액일 수 있다.
예를 들어, 나노 로드가 산화 아연을 포함하여 이루어지며, 염기성 용액이 수용액인 경우 상기 식각 반응은 다음의 반응식 2로 표현할 수 있다.
Zn(OH)4 2 -> Zn2+ + 4OH-
전술한 바와 같이, 압전 물질을 포함하여 이루어진 나노 로드의 특정 방향 (예컨대, c축 또는 길이 방향)에서의 식각 속도가 다른 방향으로의 식각 속도 보다 빠를 수 있다. 따라서, 식각 조건을 조절함으로써 나노 로드를 선택적으로 식각할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 염기성 용액의 농도, 염기성 용액의 온도 또는 식각 시간 중에서 선택되는 하나 이상의 식각 공정 변수를 조절함으로써, 나노 로드를 선택적으로 식각할 수 있다.
먼저, 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하여 산화 아연으로 이루어진 나노 로드를 식각하는 실시예에 대하여 설명한다.
예를 들어, 약 0.05M 내지 약 0.1M의 농도 범위 및 약 30℃ 내지 약 80℃ 의 온도 범위를 갖는 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하여 나노 로드를 식각할 수 있다. 나노 로드의 식각 시간은 약 0.5 시간 내지 약 48 시간의 범위에 있을 수 있다. 이 경우 상대적으로 저온 및 저농도의 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하므로, 상대적으로 식각 속도가 빠른 나노 로드의 상부면(11; 도 1)만을 선택적으로 식각할 수 있다.
반면, 약 0.3M 내지 약 0.35M의 농도 범위 및 약 40℃ 내지 약 100℃ 의 온도 범위를 갖는 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하여 나노 로드를 식각할 수도 있다. 나노 로드의 식각 시간은 약 0.5 시간 내지 약 2시간의 범위에 있을 수 있다. 이 경우 상대적으로 고온 및 고농도의 수산화칼륨(KOH) 수용액을 이용하므로, 나노 로드의 상부면(11; 도 1)뿐만 아니라 나노 로드의 측면(12; 도 2)을 식각할 수 있다. 결과적으로, 나노 로드의 표면적이 전 방향에서 증가될 수 있다.
다음으로, 암모니아(NH3) 수용액을 이용하여 산화 아연으로 이루어진 나노 로드를 식각하는 실시예에 대하여 설명한다.
예를 들어, 약 0.02mM 내지 약 0.1mM의 농도 범위를 갖는 암모니아(NH3) 수용액을 이용하여 나노 로드를 식각할 수 있다. 암모니아(NH3) 수용액의 온도는 실내 온도(room temperature)의 범위에 있을 수 있다. 나노 로드의 식각 시간은 약 5분 내지 약 60분의 범위에 있을 수 있다. 이 경우 상대적으로 저온 및 저농도의 암모니아(NH3) 수용액을 이용하므로, 상대적으로 식각 속도가 빠른 나노 로드의 상부면(11; 도 1)을 선택적으로 식각할 수 있다.
반면, 약 0.2mM 내지 약 0.5mM의 농도 범위를 갖는 암모니아(NH3) 수용액을 이용하여 나노 로드를 식각할 수도 있다. 암모니아(NH3) 수용액의 온도는 실내 온도로부터 약 50℃ 의 범위에 있을 수 있다. 나노 로드의 식각 시간은 약 5분 내지 약 40분의 범위에 있을 수 있다. 이 경우 상대적으로 고온 및 고농도의 암모니아(NH3) 수용액을 이용하므로, 나노 로드의 상부면(11; 도 1)뿐만 아니라 나노 로드의 측면(12; 도 2)을 식각함으로써 나노 로드의 표면적을 증가시킬 수 있다.
염기성 용액의 농도, 염기성 용액의 온도 또는 나노 로드의 식각 시간을 계속적으로 증가시킬 경우에는 나노 로드가 완전히 식각되어 제거될 수도 있다. 따라서 염기성 용액의 농도, 염기성 용액의 온도 및 나노 로드의 식각 시간은 나노 로드의 외부 면만이 식각될 수 있을 정도로 적절히 조절될 수 있다.
한편 염기성 용액의 농도, 염기성 용액의 온도 또는 식각 시간은 압전 물질의 종류, 염기성 용액의 종류, 사용되는 기판 등에 따라서 달라질 수 있으며, 식각 시 나노 로드를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진 등을 통하여 확인하면서 조절할 수도 있다.
염기성 용액을 사용하여 식각하는 온도는 약 100℃도 이하의 저온에서 수행될 수 있다. 저온 식각 공정을 통하여 원하는 선택적 식각을 수행할 수 있다. 또한, 이러한 저온 식각 공정은 상기한 바와 같은 저온 나노 로드 제조 공정과 결합될 수 있으며, 이에 따라 나노 로드 제조 공정 전체가 저온 공정이 될 수 있다. 이러한 저온 제조 공정은 기판 결함 내지 손상을 방지하여 줄 수 있다. 따라서, 기판 사용의 제한이 없으며, 예컨대 질화 갈륨 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, ITO층이 형성된 유리 기판 또는 ITO 층이 형성된 플라스틱 기판 등을 단독 또는 병용하여 사용할 수 있다.
나노 구조물의 식각 방법은 전술한 염기성 용액을 이용한 식각 방법으로 제한되지 않으며, 수산화 이온을 제공할 수 있는 임의의 물질을 이용하여 나노 구조물을 식각할 수 있다. 예컨대, 나노 구조물은 기체 상태의 물질 또는 이온을 이용하여 식각될 수도 있으며, 습식 식각 방법, 건식 식각 방법, 또는 다른 적당한 식각 방법에 의하여 식각될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이 와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 식각되지 않은 나노 구조물의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따라 식각된 나노 구조물의 정면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따라 식각된 나노 구조물의 정면도이다.
Claims (18)
- 압전 물질을 포함하는 나노 구조물에 수산화 이온을 제공하여 상기 나노 구조물의 외부 면을 식각하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 나노 구조물을 염기성 용액과 접촉시켜 상기 나노 구조물을 식각하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 염기성 용액의 농도, 상기 염기성 용액의 온도 또는 식각 시간 중 하나 이상을 조절함으로써 상기 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 식각은 100℃ 이하의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,기판상에 압전 물질을 포함하는 나노 로드를 형성하는 단계; 및상기 나노 로드를 염기성 용액과 접촉시켜 상기 나노 로드의 표면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 기판으로 질화 갈륨 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, ITO층이 형성된 유리 기판 또는 ITO 층이 형성된 플라스틱 기판 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 염기성 용액은, 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화루비듐, 수산화세슘, 수산화프랑슘, 수산화바륨, 수산화스트론튬, 수산화칼슘, 수산화구리, 수산화철, 수산화암모늄, 수산화테트라메틸암모늄, 수산화테트라부틸암모늄, 수산화콜린, 알라닌, 포스파젠, 히스티딘, 이미다졸, 벤지이미다졸, 퓨린, 피리딘, 피리디민 및 메틸아민으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 또는 이들의 2 이 상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 압전 물질은 산화아연(ZnO)이며, 상기 염기성 용액은 수산화칼륨(KOH) 수용액이고,상기 수산화칼륨(KOH) 수용액의 농도는 0.05M 내지 0.1M 이며, 상기 수산화칼륨 수용액의 온도는 30℃ 내지 80℃ 이고, 상기 나노 구조물의 식각 시간은 0.5 시간 내지 48 시간인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 압전 물질은 산화아연(ZnO)이며, 상기 염기성 용액은 수산화칼륨(KOH) 수용액이고,상기 수산화칼륨(KOH) 수용액의 농도는 0.3M 내지 0.35M 이며, 상기 수산화칼륨 수용액의 온도는 40℃ 내지 100℃ 이고, 상기 나노 구조물의 식각 시간은 0.5 시간 내지 2 시간인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 압전 물질은 산화아연(ZnO)이며, 상기 염기성 용액은 암모니아(NH3) 수용액이고,상기 암모니아(NH3) 수용액의 농도는 0.02mM 내지 0.1mM 이며, 상기 나노 구조물의 식각 시간은 5분 내지 60분인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 압전 물질은 산화아연(ZnO)이며, 상기 염기성 용액은 암모니아(NH3) 수용액이고,상기 암모니아(NH3) 수용액의 농도는 0.2mM 내지 0.5mM 이며, 상기 암모니아(NH3) 수용액의 온도는 50℃ 이하이고, 상기 나노 구조물의 식각 시간은 5분 내지 40분인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전 물질은, 알루미늄오르토포스페이트(AlPO4), 석영, 로쉘염, 토파즈, 갈륨오르토포스페이트(GaPO4), 란타늄갈륨실리케이트(La3Ga5SiO14), 티탄산바 륨(BaTiO3), 티탄산비스무스(Bi4Ti3O12), 티탄산납(PbTiO3), 산화아연(ZnO), 티탄산지르코늄납(PZT; Pb[ZrXTi1-X]O3 0<x<1), 티탄산란탄늄비스무스(BLT; [Bi4-XLaX]Ti3O12 0<x<1), 산화주석(SnO2), 칼륨니오베이트(KNbO3) 리튬니오베이트(LiNbO3), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 나트륨텅스테이트(Na2WO3), 나트륨바륨니오베이트(Ba2NaNb5O5), 칼륨납니오베이트(Pb2KNb5O15), 나트륨칼륨니오베이트(KNaNb5O5) 및 비스무스페라이트 (BiFeO3)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질인 것을 특징으로 하는 나노 구조물의 제조 방법.
- 나노 구조물에 있어서,압전 물질을 포함하여 이루어지며, 상기 나노 구조물 외부의 식각된 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물.
- 제 13 항에 있어서,상기 나노 구조물은 나노 로드인 것을 특징으로 하는 나노 구조물.
- 제 14 항에 있어서,상기 식각된 면은 상기 나노 로드의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물.
- 제 14 항에 있어서,상기 식각된 면은 상기 나노 로드의 상부 및 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 나노 구조물.
- 제 13 항에 있어서,상기 압전 물질은, 알루미늄오르토포스페이트(AlPO4), 석영, 로쉘염, 토파즈, 갈륨오르토포스페이트(GaPO4), 란타늄갈륨실리케이트(La3Ga5SiO14), 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산비스무스(Bi4Ti3O12), 티탄산납(PbTiO3), 산화아연(ZnO), 티탄산지르코늄납(PZT; Pb[ZrXTi1-X]O3 0<x<1), 티탄산란탄늄비스무스(BLT; [Bi4-XLaX]Ti3O12 0<x<1), 산화주석(SnO2), 칼륨니오베이트(KNbO3) 리튬니오베이트(LiNbO3), 리튬탄탈레이트(LiTaO3), 나트륨텅스테이트(Na2WO3), 나트륨바륨니오베이트(Ba2NaNb5O5), 칼륨납니오베이트(Pb2KNb5O15), 나트륨칼륨니오베이트(KNaNb5O5) 및 비스무스페라이트 (BiFeO3)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질인 것을 특징으로 하는 나노 구조물.
- 나노 구조물을 포함하는 소자에 있어서,상기 나노 구조물은, 압전 물질을 포함하여 이루어지며, 상기 나노 구조물 외부의 식각된 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.
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