KR20100086592A - 산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법 - Google Patents

산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법 Download PDF

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Abstract

산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법을 제공한다. 산화아연 입자 제조방법은 아연염, 침전제 및 과성장 억제제를 함유하는 배양용액을 준비하는 단계 및 상기 배양용액에 반응열을 가하여 산화아연 입자를 제조한다. 또한, 상기 산화아연 로드 제조방법은 기판 상에 산화아연 씨드층을 형성하는 단계, 상기 씨드층 상에 다수개의 홀을 구비하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 아연염, 침전제 및 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조하는 단계 및 상기 배양용액 내에 상기 포토레지스트 패턴을 구비하는 기판을 침지하여 상기 홀 내에 산화아연 로드를 성장시키는 단계를 포함한다.
산화아연 로드, 산화아연 입자, 과성장억제제

Description

산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법{Method for fabricating of ZnO particle and method for fabricating of ZnO rod}
본 발명은 산화아연의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법에 관한 것이다.
로드(nanorod) 또는 나노선(nanowire)과 같은 1차원적 나노사이즈의 재료들은 그들 고유의 광학적, 전기적인 특성으로 인해 전자공학 또는 광전자공학에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
그 중에서도 산화아연(ZnO)은 3.37eV의 밴드갭 에너지와 60meV의 큰 엑시톤(exciton) 바인딩 에너지를 가지고 있을 뿐만 아니라, 근자외선(near-UV) 방출 및 압전특성(piezoelectricity)과 같은 우수한 성질을 나타내기 때문에 큰 관심을 받고 있다.
그러나, 종래의 로드를 형성함에 있어서, 로드의 간격 및 정렬 제어가 어렵고, 로드 지름의 균일성이 확보되지 못하는 단점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 로드의 간격 및 정렬 제어가 가능하며, 지름의 균일성을 확보할 수 있는 산화아연 입자 제조방법 및 산화아연 로드 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 산화아연 입자 제조방법을 제공한다. 상기 산화아연 입자 제조방법은 아연염, 침전제 및 과성장 억제제를 함유하는 배양용액을 준비하는 단계 및 상기 배양용액에 반응열을 가하여 산화아연 입자를 제조한다.
상기 아연염은 아연 아세테이트, 아연 니트레이트, 아연 설페이트 또는 아연 클로라이드일 수 있으며, 상기 침전제는 NaOH, Na2CO3, LiOH, H2O2, KOH, 또는 NH4OH일 수 있다.
상기 과성장억제제는 양이온 폴리머일 수 있으며, 상기 과성장억제제는 하이퍼브랜치(hyperbranched) 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 과성장억제제는 아민기를 구비하는 폴리머일 수 있으며, 구체적으로 상기 과성장억제제는 폴리에틸렌이민일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 산화아연 로드 제조방법을 제공한다. 상기 산화아연 로드 제조방법은 기판 상에 산화아연 씨드층을 형성하는 단계, 상기 씨드층 상에 다수개의 홀을 구비하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 아연염, 침전제 및 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조하는 단계 및 상기 배양용액 내에 상기 포토레지스트 패턴을 구비하는 기판을 침지하여 상기 홀 내에 산화아연 로드를 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 산화아연 씨드층은 수열합성법, 졸-겔법 또는 환원법을 이용하여 산화아연 입자를 형성한 후, 스핀캐스팅하여 형성할 수 있으며, 상기 산화아연 씨드층은 MOCVD, 증발법 또는 스퍼터링을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 아연염은 Zn(NO3)2·H2O, C4H6O4Zn·2H2O 또는 ZnSO4·7H2O일 수 있으며, 상기 침전제는 C6H12N4, NaOH 또는 KOH일 수 있다.
상기 과성장억제제는 양이온 폴리머일 수 있으며, 상기 과성장억제제는 하이퍼브랜치(hyperbranched) 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 과성장억제제는 아민기를 구비하는 폴리머일 수 있으며, 구체적으로 상기 과성장억제제는 폴리에틸렌이민일 수 있다.
상기 과성장억제제는 상기 아연염 1M에 대해 0.5몰 내지 1몰로 첨가할 수 있으며, 상기 배양용액의 pH는 9 내지 11일 수 있다.
본 발명에 따르면 과성장억제제를 사용하여 균일한 산화아연 입자를 제조할 수 있다. 따라서, 상기 산화아연 입자를 씨드층으로 형성하여 산화아연 로드를 성장하는 경우, 로드의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 산화아연 로드를 성장시키는 경우, 제2 과성장억제제를 첨가함으로써, 산화아연 로드가 C축으로의 성장이 우세해 질 수 있다. 이에 따라, 상기 산화아연 로드는 전자 수송의 최단 경로를 확보하여 전자 이동 속도를 향상시킬 수 있다.
이와 더불어, 상기 제2 과성장억제제의 농도를 조절함으로써 포토레지스트 패턴의 하나의 홀 내에 하나의 산화아연 로드를 형성할 수 있다. 따라서, 로드 간의 간격 및 정렬 제어가 가능해 질 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등 물 내지 대체 물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 로드의 합성방법을 나타내는 개략도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10) 상에 씨드층(12)을 형성할 수 있다.
상기 기판(10)은 유리 기판, Al2O3 기판, ITO 기판, Si 기판, GaN 기판, SiC 기판, ZnO 기판, GaAs 기판, InP 기판, AlN 기판, ScAlMgO4 기판 또는 LiNbO3 기판 일 수 있다. 상기 기판(10)은 이소프로필알코올 (isopropylalcohol; IPA) 또는 증류수를 이용하여 세척한 후 사용할 수 있다.
상기 씨드층(12)은 일정 크기의 입자가 균일하게 도포된 산화아연 입자층일 수 있다. 일 예로서, 수열합성법을 사용하여 상기 산화아연 입자층을 형성하는 경우에 제1 아연염 용액, 제1 침전제 및 제1 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 준비할 수 있다.
상기 배양용액들은 각각 제1 아연염 및 제1 침전제를 극성 용매에 용해시켜 제조할 수 있다. 상기 제1 아연염은 아연 아세테이트(Zinc acetate), 아연 니트레이트(Zinc nitrate), 아연 설페이트(Zinc sulfate) 또는 아연 클로라이드(Zinc chloride)일 수 있으며, 상기 제1 침전제는 NaOH, Na2CO3, LiOH, H2O2, KOH, 또는 NH4OH일 수 있다. 상기 극성 용매는 물, 알코올, 또는 유기용매를 함유할 수 있다. 바람직하게는 상기 극성용매는 물과 알코올을 모두 함유할 수 있다.
상기 배양용액에 반응열을 가하여 산화아연 입자를 제조할 수 있다. 상기 반응열은 상압에서 50℃ 내지 100℃의 온도범위로 수행될 수 있다. 상기 반응열은 1시간 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.
상기 산화아연 입자의 반응기작은 하기 반응식 1 내지 5와 같이 표시될 수 있다. 구체적으로, 제1 아연염 용액 및 제1 침전제 용액 혼합시에, 상기 제1 아연염 용액 내의 Zn2+ 및 제1 침전제 용액 내의 OH-는 하기 반응식 1에 의해 중간체인 Zn(OH)2를 발생시킬 수 있다. 상기 혼합용액에 반응열을 가하면, 상기 Zn(OH)2는 하기 반응식 2에 의해 Zn2+ 및 OH-로 분해될 수 있다.
계속적인 분해로 인해 상기 Zn2+ 및 OH-의 농도가 증가되면, 하기 반응식 3의 축합반응에 의해 ZnO 핵이 발생될 수 있다. 이와 동시에 하기 반응식 4에 의해 산화아연 성장인자 즉, Zn(OH)4 2-가 발생될 수 있다. 그 후, 하기 반응식 5에 의해 상기 산화아연 성장인자 즉, Zn(OH)4 2-는 상기 ZnO 핵과 반응하여 산화아연 입자를 생성할 수 있다.
Zn2+ + 2OH- <-> Zn(OH)2
Zn(OH)2 <-> Zn2+ + 2OH-
Zn2+ + 2OH- -> ZnO + H2O
Zn(OH)2 + 2OH- -> Zn(OH)4 2-
Zn(OH)4 2- -> ZnO + H2O + 2OH-
상기 산화아연 입자가 형성된 용액 내에 제1 과성장억제제를 첨가한 후, 로터리 증발기를 사용하여 환류시킴으로써 상기 산화아연 입자의 과성장을 억제할 수 있다.
상기 제1 과성장억제제는 양이온 폴리머일 수 있다. 구체적으로 상기 양이온 폴리머는 아민기를 구비하는 폴리머, 예를 들어 극성 용매 내에서의 용해력이 우수한 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine; PEI)일 수 있다. 상기 양이온 폴리머는 하이퍼브랜치(hyperbranched) 형태를 가질 수 있다. 따라서, 음이온을 갖는 성장인자 즉, Zn(OH)4 2- 은 상기 폴리머 가지들에 위치한 양이온들에 결합되어, 상기 산화아연 핵의 성장에 참여하지 못하므로, 상기 산화아연 입자가 과성장되는 것을 방지할 수 있다.
상기 산화아연 입자의 지름은 제1 과성장억제제의 농도를 조절함으로써 조절할 수 있다. 즉, 제1 과성장억제제의 농도가 증가될수록 상기 산화아연 입자의 지름은 감소될 수 있다.
상기 용액들로부터 산화아연 입자들을 분리할 수 있다. 상기 산화아연 입자는 원심분리기를 사용하여 분리할 수 있으며, 상기 분리된 산화아연 입자는 알코올을 사용하여 세척할 수 있다. 상기 산화아연 입자를 건조하여 최종의 산화아연 입 자를 수득할 수 있다. 상기 건조는 약 70℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 산화아연 입자는 상기 제1 과성장억제제에 의해 과성장이 방지되어, 전체적으로 균일한 산화아연 입자의 제조가 가능하다. 상기 산화아연 입자는 나노크기를 갖을 수 있으며, 구체적으로 3nm 내지 5nm의 크기를 가질 수 있다.
상기와 같이 제조된 산화아연 입자들을 용매에 분산시킨 후, 스핀캐스팅법을 사용하여 상기 씨드층(12)을 형성할 수 있다. 상기 용매는 극성용매일 수 있다. 상기 극성용매는 에탄올, 이소프로필 알코올, 물 또는 증류수일 수 있다. 바람직하게는 상기 극성용매는 물과 에탄올을 모두 함유할 수 있다.
그러나, 상기 씨드층(12)을 형성하는 것은 이에 한정되지 않고, 졸-겔법 또는 환원법을 통해 입자들을 형성한 후, 용매상의 입자들을 스핀캐스팅하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 씨드층(12)은 상기의 방법 외에도 증발법, MOCVD 또는 스퍼터링을 사용하여 직접적으로 층을 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 씨드층(12) 상에 다수개의 홀을 구비하는 포토레지스트 패턴(14)을 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(14)은 포토레지스트층을 형성한 후 상기 포토레지스트층을 패터닝하여 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트층은 스핀코팅을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 패터닝은 리소그라피법을 사용하여 형성할 수 있으며, 구체적으로 나노임프린트 리소그라피법, 레이저 간섭 리소그라피법, 전자빔 리소그라피법, 자외선 리소그라피법, 홀로그래픽 리소그라피법 또는 액침 리소그라피법을 사용하여 수행 할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(14)의 홀 내에 산화아연 로드(16)를 형성할 수 있다. 바람직하게는 상기 포토레지스트 패턴(14)의 각 홀 내에 산화아연 로드(16)를 하나씩 형성할 수 있다. 상기 산화아연 로드는 나노크기를 갖을 수 있다.
상기 산화아연 로드(16)은 수열합성법을 사용하여 형성할 수 있다. 일 예로서, 수열합성법을 사용하여 산화아연 로드(16)을 형성하는 경우, 제2 아연염, 제2 침전제 및 제2 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조할 수 있다.
상기 배양용액 내에 상기 포토레지스트 패턴(14)이 형성된 기판(10)을 침지한 후 반응열을 가할 수 있다. 상기 반응열은 50℃ 내지 100℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 제2 아연염은 Zn(NO3)2·H2O, C4H6O4Zn·2H2O 또는 ZnSO4·7H2O일 수 있다. 제2 침전제는 C6H12N4, NaOH 또는 KOH일 수 있으며, 바람직하게는 상기 제2 침전제는 C6H12N4일 수 있다. 상기 C6H12N4는 산화아연 로드를 형성시키기 위한 성장인자들인 NH4+ 및 OH-을 생성시킬 수 있음과 동시에, 성장 속도 및 OH- 농도의 조절이 용이하여 반응 속도를 조절할 수 있다.
상기 제2 과성장억제제는 양이온 폴리머일 수 있다. 구체적으로 상기 양이온 폴리머는 아민기를 구비하는 폴리머, 일 예로서, 알코올 용액 상에서 용해력이 우수한 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine; PEI)일 수 있다.
상기 산화아연 로드의 성장 매커니즘은 하기 반응식들 6 내지 12에 의해 설명될 수 있다. 상기 제2 침전제로 사용된 헥사민(C6H12N4)은 하기 반응식들 6 및 7에 의해 NH4+와 OH-를 제공할 수 있다. 또한, 상기 아연염으로 사용된 Zn(NO3)2는 반응식 8에 의해 아연이온을 발생시킬 수 있다.
C6H12N4 + 6H2O <-> 6CH2O + 4NH3
NH3 + H2O <-> NH4+ + OH-
Zn(NO3)2 -> Zn2+ + 2NO3-
상기 반응식들 6 내지 8로부터 발생된 4NH3, 4OH- 및 Zn2+는 하기 반응식들 9 및 10에 의해 산화아연 로드의 성장인자인 Zn(NH3)4 2+, 및 Zn(OH)4 2-를 발생시킬 수 있다.
Zn2+ + 4NH3 -> Zn(NH3)4 2+
Zn2+ + 4OH- -> Zn(OH)4 2-
상기 반응식 9에 의해 발생된 상기 성장인자 Zn(NH3)4 2+는 반응인자인 OH-와의 반응에 의해 하기 반응식 11과 같은 산화아연 로드들을 생성시킬 수 있으며, 상기 반응식 10에 의해 발생된 상기 성장인자 Zn(OH)4 2는 하기 반응식 12에 의해 산화아연 로드들을 생성시킬 수 있다.
Zn(NH3)4 2+ + 2OH- -> ZnO + 4NH3 +H2O
Zn(OH)4 2- -> ZnO + H2O + 2OH-
그러나, 상기 배양용액 내에 상기 제2 과성장 억제제인 양이온성 폴리머를 첨가하는 경우, 상기 양이온성 폴리머는 상기 성장인자들 중 하나인 Zn(OH)4 2-를 흡 착하여 Zn(OH)4 2-가 산화아연 로드의 성장에 참여하지 못하도록 한다. 상기 Zn(OH)4 2-는 산화아연을 벌어진 막대 다발의 형태로 성장시키는 인자로 알려져 있다.
따라서, 상기 양이온성 폴리머가 상기 Zn(OH)4 2-를 산화아연 입자의 성장에 참여하지 못하게 방해함으로써, 상기 산화아연 로드는 (100)면이 C축 방향 성장하는 것이 우세할 수 있다. 그 결과, 상기 산화아연 로드를 기판 상에 실질적으로 수직한 방향으로 성장시킬 수 있다. 이러한 산화아연 로드는 전자 수송의 최단 경로를 확보하여 전자 이동 속도를 향상시킬 수 있다.
이와 더불어서, 상기 양이온성 폴리머의 농도를 조절하면 상기 포토레지스트 패턴(14)의 각 홀 내에 산화아연 로드(16)를 하나씩 형성할 수 있다. 일 예로서, 상기 양이온성 폴리머는 상기 제2 아연염 1몰에 대해 0.5몰 내지 1몰로 첨가될 수 있다.
한편, 상기 배양용액은 pH 9 내지 pH 11로 맞출 수 있다. 상기 배양용액의 pH를 11 이상으로 하는 경우, 과부식으로 인해 산화아연 로드의 손상이 발생될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 상기 배양용액은 pH 10으로 설정될 수 있다. 이를 위해 상기 배양용액 내에 염기성 용액 예를 들어, 암모니아수를 첨가할 수 있다.
이에 의해, 상기 배양용액 내에 과다하게 함유된 OH- 는 하기 반응식 13에 나타낸 바와 같이 미리 형성된 산화아연 로드를 부식시켜 Zn(OH)2의 부식물을 생성시킬 수 있다. 상기 부식은 산화아연 로드의 (110)면을 따라 수행될 수 있다. 그 결과, 산화아연 로드(16)는 뾰족한 형상을 가질 수 있다.
ZnO + 3OH- -> Zn(OH)2 + H2O
그러나, 이러한 부식반응과 더불어서 반응식 11에 따른 산화아연 성장반응은 지속적으로 진행될 수 있다. 반응식 11을 참조하면, 산화아연이 성장되면서 OH를 소모하므로, 상기 배향용액의 pH는 낮아질 수 있다. 그 결과, 부식반응 보다는 성장반응이 우세하게 진행되며, 상기 뾰족한 형상을 갖는 부분 아래로 산화아연이 계속적으로 성장하여 결과적으로는 로드 형상의 산화아연 즉, 산화아연 로드가 형성될 수 있으며 그 상부 끝부분은 뾰족한 형상을 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 산화아연 막대를 뾰족하게 형성함으로써 광학 특성상 레이저 다이오드로의 적용 가능성을 나타낼 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(14)을 제거할 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(14)은 포토레지스트 제거가스 또는 제거용액을 사용하여 제거할 수 있다. 상기 포토레지스트 제거가스는 Ar/02 또는 He/02일 수 있으며, 상기 포토레지스트 제거용액은 아세톤일 수 있다.
상기 산화아연 로드를 성장시키는 경우, 제2 과성장억제제를 첨가함으로써, 산화아연 로드가 C축으로의 성장이 우세해 질 수 있다. 이에 따라, 상기 산화아연 로드는 전자 수송의 최단 경로를 확보하여 전자 이동 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 과성장억제제의 농도를 조절함으로써 포토레지스트 패턴의 하나의 홀 내에 하나의 산화아연 로드르르 형성할 수 있다. 따라서, 로드 간의 간격 및 정렬 제어가 가능해 질 수 있다.
제조예 1: 산화아연 입자의 제조
기판은 사파이어 기판을 사용하였으며, 이를 IPA와 증류수를 번갈아가며, 10분간 세척하였다. 상기 산화아연 입자는 수열합성법을 사용하여 제조하였다.
구체적으로, 항온조의 온도를 70℃로 유지시킨 상태에서 플라스크에 제1 아연염 용액, 제1 침전제 용액 및 제1 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조하였다. 상기 제1 아연염 용액은 Zn(Ac) 2·2H2O(98%, A.C.S REAGENT사) 및 알코올을 혼합하여 제조하였으며, 상기 제1 침전제 용액은 LiOH(98%, A.C.S REAGENT사) 및 알코올을 혼합하여 제조하였다. 상기 제1 과성장억제제는 PEI(branched사)를 사용하였다.
상기 배양용액에 반응열을 가하여 산화아연 입자를 제조하였다. 상기 반응열은 90℃의 온도로 2시간동안 수행하였다.
상기 배양용액을 원심분리하여 상기 배양용액으로부터 산화아연 입자를 분리하였으며, 상기 산화아연 입자를 알코올로 세척하였다. 그런 후, 상기 산화아연 입자를 70℃의 온도에서 건조시켰다.
제조예 2: 산화아연 로드의 제조
사파이어 기판 상에 상기 제조예 1과 동일하게 제조된 산화아연 입자를 알코올 및 증류수의 혼합액에 분산시켜 스핀코팅하여 산화아연 씨드층을 형성하였다.
상기 산화아연 씨드층이 형성된 사파이어 기판 상에 다수개의 홀을 구비하는 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 상기 포토레지스트 패턴은 나노임프린팅을 사용하여 형성하였다.
제2 아연염 용액, 제2 침전제 용액 및 제2 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조하였다. 상기 제2 아연염 용액은 0.06M의 Zn(NO3) 2·H2O(purity:99.5%, Aldrich사) 및 알코올을 혼합하여 제조하였으며, 상기 제2 침전제 용액은 0.06M의 C6H12N4(purity:99.5%, Aldrich사) 및 알코올을 혼합하여 제조하였다. 또한, 상기 제2 과성장억제제는 PEI를 0.03M을 첨가하였다.
상기 배양용액을 로드 내에 로딩시키고, 상기 로드를 진공 상태에서 90℃의 온도로 유지시켰다. 여기에, 상기 다수개의 포토레지스트 패턴이 형성된 사파이어 기판을 침지시켰다.
제조예 3
제조예 2와 동일한 방법을 사용하여 수행하되, 상기 제2 과성장억제제로서 PEI를 0.06M을 첨가하였다.
제조예 4
제조예 2와 동일한 방법을 사용하여 수행하되, 상기 제2 과성장억제제로서 PEI를 0.09M을 첨가하였다.
제조예 5
제조예 2와 동일한 방법을 사용하여 수행하되, 상기 제2 과성장억제제로서 PEI를 0.12M을 첨가하였다.
비교예 1
제조예 2와 동일한 방법을 사용하여 수행하되, 상기 배양용액 내에 제2 과성장억제제를 첨가하지 않았다.
도 2a는 제조예 1에 따라 제조된 산화아연 입자의 SEM이미지이고, 도 2b는 제조예 1에 따라 제조된 산화아연 입자의 XRD 그래프이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 산화아연 입자는 입자들이 길쭉한 모양으로 형성되어 이를 씨드층으로 사용하는 경우, 균일한 로드의 형성이 어려울 수 있다. 그러나, 제조예 1에 따라 제조된 산화아연 입자는 전체적으로 균일하며, 원형의 입자들이 형성된 것을 알 수 있다(도 2a).
또한, 상기와 같이 제조된 산화아연 입자는 (002) 방향을 나타내는 35°에서피크가 검출되었으므로, 이를 씨드층으로 사용하는 경우, C축으로의 성장이 용이할 수 있다(도 2b).
도 3은 제조예들 2 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 산화아연 로드를 나타내는 SEM이미지이다.
도 3을 참조하면, 제2 과성장억제제를 첨가하지 않은 경우 (비교예 1), 상기 산화아연 로드는 C축 성장되지 못하고, 벌어진 막대 다발의 형태로 성장된 것을 알 수 있다(도 3의 a).
제2 과성장억제제를 0.03M 첨가한 경우(제조예 2), 산화아연 로드는 C 축 성장된 것을 알 수 있다. 그러나, 포토레지스트 패턴의 하나의 홀 내에 하나의 산화아연 로드가 형성되지 못하고, 다수 개의 로드가 형성되는 것을 알 수 있다(도 3의 b).
제2 과성장억제제를 0.06M 첨가한 경우(제조예 3), 산화아연 로드는 C 축성장되었으며, 모든 포토레지스트 패턴의 하나의 홀 내에 다수 개의 산화아연 로드가 형성되지는 않았으나, 부분적으로 하나의 홀 내에 다수개의 산화아연 로드가 형성되었다(도 3의 c).
한편, 제2 과성장억제제를 0.09M 첨가한 경우(제조예 4), 산화아연 로드는 C축 성장되었으며, 하나의 홀 내에 하나의 산화아연 로드가 균일하게 형성된 것을 알 수 있다 (도 3의 d).
또한, 제2 과성장억제제를 0.12M까지 첨가하는 경우(제조예 5), 상기 제2 과성장억제제가 성장에 방해가 되어 균일한 로드를 형성하기 어려운 것을 알 수 있다(도 3의 e).
따라서, 상기 제2 과성장억제제는 바람직하게는 0.09M로 첨가될 수 있다.
도 4는 제조예 4에서 제조된 산화아연 로드를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 산화아연은 우르차이트 헥사고날 구조(wurtzite hexagonal)로서, 육각기둥 형상을 가질 수 있다. 그러나, 불균일한 씨드층 및 C축 성장이 용이하지 못하는 단점으로 인해, 종래의 산화아연은 그의 단면이 원형을 가질 수 있다.
본 발명의 제조예 4에서 제조된 산화아연 로드는 지름이 전체적으로 균일하며, 로드의 단면이 원형이 아닌 육각형의 형태를 나타내었다. 따라서, 제조예 4에서 제조된 산화아연 로드는 균일한 씨드층의 사용과 제2 과성장 억제제의 사용에 의해, C축 성장이 우수한 산화아연 로드의 제조가 가능한 것으로 보인다.
상술한 바와 같이 C 축 성장된 균일한 산화아연 로드는 기판 상에 실질적으로 수직하게 배열될 수 있다. 따라서, 전자 수송의 최단 경로를 확보하여 전자 이동 속도를 향상시킬 수 있다.
이러한 특징을 갖는 산화아연 로드는 유/무기 태양전지, 유/무기 LED 등의 다양한 분야의 적용이 용이할 것으로 판단된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 산화아연 로드의 합성방법을 나타내는 개략도들이다.
도 2a는 제조예 1에 따라 제조된 산화아연 입자의 SEM이미지이다.
도 2b는 제조예 1에 따라 제조된 산화아연 입자의 XRD 그래프이다.
도 3은 제조예 1 내지 5에서 제조된 산화아연 로드를 나타내는 SEM이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 로드를 나타내는 SEM 이미지이다.

Claims (18)

  1. 아연염, 침전제 및 과성장 억제제를 함유하는 배양용액을 준비하는 단계; 및
    상기 배양용액에 반응열을 가하여 산화아연 입자를 제조하는 산화아연 입자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연염은 아연 아세테이트, 아연 니트레이트, 아연 설페이트 또는 아연 클로라이드인 산화아연 입자 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 침전제는 NaOH, Na2CO3, LiOH, H2O2, KOH, 또는 NH4OH인 산화아연 입자 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 양이온 폴리머인 산화아연 입자 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 하이퍼브랜치(hyperbranched) 형태를 가지는 산화아연 입자 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 아민기를 구비하는 폴리머인 산화아연 입자 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 폴리에틸렌이민인 산화아연 입자 제조방법.
  8. 기판 상에 산화아연 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 씨드층 상에 다수개의 홀을 구비하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    아연염, 침전제 및 과성장억제제를 함유하는 배양용액을 제조하는 단계; 및
    상기 배양용액 내에 상기 포토레지스트 패턴을 구비하는 기판을 침지하여 상기 홀 내에 산화아연 로드를 성장시키는 단계를 포함하는 산화아연 로드의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화아연 씨드층은 수열합성법, 졸-겔법 또는 환원법을 이용하여 산화아연 입자를 형성한 후, 스핀캐스팅하여 형성하는 산화아연 로드의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화아연 씨드층은 MOCVD, 증발법 또는 스퍼터링을 사용하여 형성하는 산화아연 로드의 제조방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 아연염은 Zn(NO3)2·H2O, C4H6O4Zn·2H2O 또는 ZnSO4·7H2O인 산화아연 로드의 제조방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 침전제는 C6H12N4, NaOH 또는 KOH인 산화아연 로드의 제조방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 양이온 폴리머인 산화아연 로드의 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 하이퍼브랜치(hyperbranched) 형태를 가지는 산화아연 로드의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 아민기를 구비하는 폴리머인 산화아연 로드의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 폴리에틸렌이민인 산화아연 로드의 제조방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 과성장억제제는 상기 아연염 1M에 대하여 0.5M 내지 1M로 첨가하는 산화아연 로드의 제조방법.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 배양용액의 pH는 9 내지 11인 로드의 형성방법.
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