KR20170110943A - 효과적인 광화학 또는 광전기화학 반응을 위한 3차원 하이브리드 나노 구조 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
효과적인 광화학 또는 광전기화학 반응을 위한 3차원 하이브리드 나노 구조 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 효과적인 광화학 또는 광전기화학 반응을 위한 3차원 하이브리드 나노 구조 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 및 상기 기판 상부에 배열된 복수의 3차원 나노 구조물을 포함하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 효과적인 광화학 또는 광전기화학 반응을 위한 3차원 하이브리드 나노 구조 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 이용하여 장파장 영역의 광자 흡수를 극대화하고 광화학 또는 광전기화학 반응을 최적화하여 광변환효율을 향상시키는 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
산업 혁명 이래로 단기간 동안 화석연료가 밀도 있게 사용되면서, 대기 오염, 수질 오염, 지구온난화 등과 같은 환경 문제와 화석연료 매장량 한계에 따른 에너지 부족 문제가 전 지구적으로 큰 관심을 받고 있다.
이에 각 정부와 기관, 연구소 등에서는 이러한 환경 문제와 에너지 부족 문제를 해결하기 위해서 여러 가지 방법들을 고안하며 발전시키고 있는데, 그 방법들 중에서도 지구에서 가장 풍부한 자원인 태양광을 이용하여 문제를 해결하는 기술에 많은 초점이 맞추어져 있다. 반도체 또는 금속으로 이루어진 소자에 태양광이 입사되면 광자를 흡수한 소자 내에 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍으로부터 분리된 각각의 전자와 정공은 공기, 물 등의 외부환경과 광화학 또는 광전기화학 반응을 수행하여 대기 정화, 수질 정화를 하거나 수소, 탄화수소화합물 등과 같은 에너지 자원을 생산한다. 태양광을 흡수하여 광화학 또는 광전기화학 반응을 수행하는 물질 중에서 가장 널리 사용되고 있는 물질은 이산화티타늄(TiO2)인데, 이 물질은 공기, 물과 같은 외부 환경과 비교적 안정적으로 광화학 또는 광전기화학 반응을 수행해내는 것으로 알려져 있다. 하지만, 이산화티타늄은 밴드갭이 커서 광자를 흡수할 수 있는 파장 영역이 자외선 영역으로 한정되어 있어 태양광을 효과적으로 흡수하기에는 한계가 있다. 또한, 현재의 기술은 이산화티타늄과 같이 태양광을 받아 광화학 또는 광전기화학 반응을 수행하는 소자를 기판에 안정적으로 코팅하는 기술에 한계가 있어, 소자가 장기간 동안 효과적으로 사용되지 못하고 있다.
태양광을 이용하여 환경 문제와 에너지 부족 문제를 해결하기 위해서는 소자가 가시광 영역과 적외선 영역을 포함하는 넓은 파장 영역 대의 광자를 흡수하여야 하고, 광자를 흡수하여 생성된 전자-정공 쌍이 효율적으로 분리되어야 하며, 이렇게 분리된 각각의 전자와 정공이 공기, 물과 같은 외부환경과 효과적으로 광화학 또는 광전기화학 반응을 수행하여야 한다. 또한, 이러한 소자가 광화학 또는 광전기화학 반응을 여러 환경에서 장기간동안 수행하기 위해서는 기판에 안정적으로 코팅할 수 있는 기술이 필수적이다.
이러한 한계들을 동시에 극복하기 위해서 적어도 2가지 이상의 물질로 이루어진 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 제안하고, 이 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 어떠한 기판에든지 안정적으로 코팅할 수 있는 제조 방법을 제안한다.
본 발명은 2 가지 이상의 물질로 이루어진 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 이용하여 장파장 영역의 광자 흡수를 극대화하고 광화학 또는 광전기화학 반응을 최적화하여 광변환효율을 향상시키는 소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 어떠한 기판에든지 안정적으로 코팅할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것을 다른 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 및 상기 기판 상부에 배열된 복수의 3차원 나노 구조물을 포함하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판 상에 프리 패턴층을 형성하는 단계; 및 상기 프리 패턴층 상에 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 밴드갭이 서로 다른 반도체 물질로 3차원 나노 구조물이 형성되어 장파장 영역의 광자를 흡수하며 금속 물질을 이용한 플라즈몬 공명 효과에 의하여 광자 흡수를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 3차원 나노 구조물을 통해 빛의 강한 산란 효과로 빛을 가두어 광자 흡수 효율을 향상시키며, 전자-정공 쌍으로부터 전자와 정공의 분리가 빠르고 표면적이 넓어서 광화학 또는 광전기화학 반응을 최적화하여 광변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 어떠한 기판에든지 안정적으로 코팅할 수 있어 소자의 내구성과 장기안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 도 1에 도시된 프리 패턴층의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 프리 패턴층이 없는 기판에서의 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 프리 패턴층이 있는 기판에서의 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 2 가지 반도체 물질로 이루어진 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 3차원 나노 구조물의 입사광의 산란 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 3차원 나노 구조물에서 빛의 산란 효과에 대한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법에서 3차원 나노 구조물을 형성하는 증착법 중에 경사각 증착법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 도 1에 도시된 프리 패턴층의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 프리 패턴층이 없는 기판에서의 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 프리 패턴층이 있는 기판에서의 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 2 가지 반도체 물질로 이루어진 3차원 나노 구조물의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 3차원 나노 구조물의 입사광의 산란 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 3차원 나노 구조물에서 빛의 산란 효과에 대한 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법에서 3차원 나노 구조물을 형성하는 증착법 중에 경사각 증착법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자는 기판(10), 프리 패턴층(11) 및 3차원 나노 구조물(15)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 프리 패턴층(11)이 만들어지고, 3차원 나노 구조물(15)을 성장시키기 위한 기판으로 이루어질 수 있다. 이러한 기판(10)은 유리와 사파이어 같은 부도체 기판, 플렉서블 부도체 기판, 금속 기판, 유연성 금속 기판, 투명 전도성 산화물 기판, 투명 전도성 플렉서블 산화물 기판, 전도성 폴리머 기판, 전도성 플렉서블 폴리머 기판, 세라믹 기판 중 어느 하나일 수 있다.
프리 패턴층(11)은 기판(10) 상에 형성되며, 도 2에 도시된 바와 같이 3차원 나노 구조물을 지지하는 패턴(12)을 포함할 수 있다. 이러한 프리 패턴층(11)의 패턴(12)은 3차원 나노 구조물(15)을 배열하기 위해 설정될 수 있다.
여기서, 프리 패턴층(11)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프리 패턴층(11)은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W, Zr, ITO, FTO, SnO2, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 전도성 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
3차원 나노 구조물(15)은 프리 패턴층(11) 상에 배치될 수 있다. 또는, 다른 실시 형태에 따라, 3차원 나노 구조물(15)은 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 다만, 3차원 나노 구조물(15)은 밀도 조절이나 안정성에 대한 부분으로 프리 패턴층(11)을 필요로 할 수 있다.
이때, 3차원 나노 구조물(15)은 나노 점(nano dot), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(slanted nano rod), 지그재그 나노 막대(zigzag nano rod), 나노 헬릭스(nano helix), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 적어도 하나의 나노 구조로 형성될 수 있다.
예를 들면, 3차원 나노 구조물은 도 3에 도시된 바와 같이 프리 패턴층이 없는 기판 상에 나노 헬릭스 구조로 형성될 수 있다.
또한, 3차원 나노 구조물은 도 4에 도시된 바와 같이 프리 패턴층이 있는 기판 상에 주기적으로 배열된 나노 헬릭스 구조로 형성될 수 있다.
또한, 3차원 나노 구조물(15)은 서로 다른 두 가지 이상의 물질을 포함할 수 있다. 이때, 3차원 나노 구조물(15)은 밴드갭이 서로 다른 두 가지 이상의 반도체 물질을 포함할 수 있다.
또한, 3차원 나노 구조물(15)은 복수의 나노 구조부(20,30,40)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 3차원 나노 구조물(15)은 실시 형태에 따라 적어도 두 부분으로 구분될 수 있다.
일 실시 형태로, 3차원 나노 구조물(15)은 프리 패턴층(11) 상에 배치된 제1 나노 구조부(20) 및 제1 나노 구조부(20)와 연결된 제2 나노 구조부(30)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 나노 구조부(20)는 반도체 물질 및 금속 물질 중 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 나노 구조부(30)는 나머지 하나를 포함할 수 있다. 또는, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 나노 구조부(20)는 반도체 물질을 포함하고, 상기 제2 나노 구조부(30)는 제1 나노 구조부(20)와 다른 반도체 물질을 포함할 수 있다.
다른 실시 형태로, 3차원 나노 구조물(15)은 프리 패턴층(11) 상에 배치된 제1 나노 구조부(20), 제1 나노 구조부(20)와 연결된 제2 나노 구조부(30) 및 제2 나노 구조부(30)와 연결된 제3 나노 구조부(40)를 포함할 수 있다.
이때, 3차원 나노 구조물(15)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1 나노 구조부(20)가 반도체 물질을 포함하고, 제2 나노 구조부(30)가 금속 물질을 포함하고, 제3 나노 구조부(40)가 제1 나노 구조부(20)와 다른 반도체 물질을 포함할 수 있다.
또는, 3차원 나노 구조물(15)은 도 6에 도시된 바와 제1 나노 구조부(20)가 반도체 물질을 포함하고, 제2 나노 구조부(30)가 제1 나노 구조부(20)와 다른 반도체 물질을 포함하고, 제3 나노 구조부(40)가 금속 물질을 포함할 수 있다.
여기서, 반도체 물질은 무기물, 무기혼합물 및 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 무기물은 SnO2, TiO2, WO3, BiVO4, Fe2O3, ITO, FTO, Cu2O, CuO, SiO2, SrTiO3, MoS2, WS2, CdS, CdSe, GaN, InGaN, GaAs, InGaAs, GaP, InGaP, Si, SiC, ZnO, ZnS, ZrO2, In2O3 및 KTaO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속 물질은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W 및 Zr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이러한 3차원 나노 구조물(15)은 금속 물질을 포함하여 플라즈몬 공명 효과를 발현할 수 있으며, 플라즈몬 공명 파장 영역에서의 광자 흡수를 더 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이 실시 형태에 따라 3차원 나노 구조물(15)은 코어-쉘(core-shell) 구조로 형성될 수도 있다.
여기서, 3차원 나노 구조물(15)은 제1 나노 구조부(20) 및 제2 나노 구조부(30)를 포함하고, 제2 나노 구조부(30)가 제1 나노 구조부(20)의 표면을 둘러싸며 형성될 수 있다. 이러한 3차원 나노 구조물(15)은 제1 나노 구조부(20)와 제2 나노 구조부(30)의 계면을 증대시켜 전자-정공 쌍으로부터 전자와 정공의 분리 효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자에서 3차원 나노 구조물(15)은 도 8에 도시된 바와 같이 입사광의 산란 효과를 유도할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자는 빛의 산란 효과를 측정할 경우 도 9에 도시된 바와 같이 측정될 수 있다. 도 9(a)에서는 입사광(incident light)의 정반사율(specular reflectance)과 확산반사율(diffuse reflectance)의 개념을 나타내고, 도 9(b)에서는 3차원 나노 구조물에서 반사되는 광을 설정된 각도 범위(약 45도ㅁ30도)에서 측정한 결과를 나타낸다. 이때, 도 9(b)에서는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)층에서 측정한 결과(A)와 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)층에 제작한 3차원 나노 구조물에서 측정한 결과(B)를 확인할 수 있다. 도 9(b)에서의 측정 결과를 살펴보면, 3차원 나노 구조물은 정반사율을 낮추고, 확산반사율을 높여 강한 빛의 산란 효과를 통하여 광자 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자는 밴드갭이 서로 다른 반도체 물질로 3차원 나노 구조물이 형성되어 장파장 영역의 광자를 흡수하며 금속 물질을 이용한 플라즈몬 공명 효과에 의하여 광자 흡수를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자는 3차원 나노 구조물을 통해 빛의 강한 산란 효과로 빛을 가두어 광자 흡수 효율을 향상시키며, 전자-정공 쌍으로부터 전자와 정공의 분리가 빠르고 표면적이 넓어서 광화학 또는 광전기화학 반응을 최적화하여 광변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법은 기판 상에 프리 패턴층을 형성하는 단계(S100) 및 프리 패턴층 상에 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 단계 S100에서는 임프린팅 방식으로 나노 임프린트 몰드에 형성된 패턴을 기판에 전사하여 프리 패턴층을 형성할 수 있다.
여기서, 기판은 유리와 사파이어 같은 부도체 기판, 유연한 부도체 기판, 금속 기판, 유연한 금속 기판, 투명하고 전도성 높은 산화물 기판, 투명하고 전도성 높은 유연한 산화물 기판, 전도성 높은 폴리머 기판, 전도성 높은 유연한 폴리머 기판, 세라믹 기판 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 프리 패턴층은 전도성 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 프리 패턴층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W, Zr, ITO, FTO, SnO2, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 전도성 폴리머 중 적어도 하나로 형성할 수 있다.
또는, 단계 S100에서는 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨 중 하나의 금속판을 양극 산화시켜 프리 패턴층을 형성할 수 있다.
다음, 단계 S200에서는 프리 패턴층 상에 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다. 이때, 3차원 나노 구조물은 서로 다른 두 가지 이상의 물질로 형성할 수 있다.
단계 S200에서는 경사각 증착법, 전자빔 증착법, 열 증착법, 화학 증착법, 스퍼터링 증착법, 화염 기상 합성법, 수열 합성법, 드롭 캐스팅법, 광 담지법, 전착법, 원자층 증착법, 아노다이징 및 독터 블레이드법 중 적어도 하나의 방법으로 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다.
구체적으로, 단계 S200에서는 도 11에 도시된 바와 같이 경사각 증착법을 이용하여 증착하려는 물질의 플럭스 선과 기판(10)의 상면에 대한 수선이 소정의 경사각을 이룬 상태로 3차원 나노 구조물(15)을 형성할 수 있다.
이 과정에서, 초기에 기판의 상면에 형성되는 섬 형태의 초기 증착 물질은 뒷면에 그림자 영역이 형성되며, 이후에 증착되는 물질은 그림자 영역에는 증착되지 않고 초기 증착 물질의 위에만 증착되어 나노 막대 형태로 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다.
3차원 나노 구조물을 형성할 때, 경사각 및 회전 속도에 따라 나노 점(nano dot), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(slanted nano rod), 지그재그 나노 막대(zigzag nano rod), 나노 헬릭스(nano helix), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 적어도 하나의 나노 구조로 3차원 나노 구조물을 형성할 수 있다.
한편, 단계 S200에서는, 일 실시 형태에 따라, 기판 또는 프리 패턴층 상에 제1 나노 구조부를 형성하는 단계 및 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1 나노 구조부는 반도체 물질 및 금속 물질 중 어느 하나로 형성하고, 제2 나노 구조부는 나머지 하나로 형성할 수 있다. 여기서, 제1 나노 구조부는 경사각 증착법을 이용하여 기판 또는 프리 패턴층 상에 안정하게 제작되어 장기 안정성과 내구성이 우수할 수 있다. 또한, 제2 나노 구조부 및 제3 나노 구조부는 상술한 3차원 나노 구조물의 다양한 형성 방법 중 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 3차원 나노 구조물은 경사각 증착법에 의해 형성됨으로써, 소자를 기판 상에 안정적으로 코팅하지 못하는 기존 기술의 한계점을 극복하여 내구성과 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 단계 S200에서는, 다른 실시 형태에 따라, 기판 또는 프리 패턴층 상에 제1 나노 구조부를 형성하는 단계, 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부를 형성하는 단계 및 제2 나노 구조부와 연결된 제3 나노 구조부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 제1 나노 구조부는 반도체 물질로 형성하고, 제2 나노 구조부는 금속 물질로 형성하고, 제3 나노 구조부는 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질로 형성할 수 있다. 또는, 제1 나노 구조부는 반도체 금속 물질로 형성하고, 제2 나노 구조부는 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질로 형성하고, 제3 나노 구조부는 금속 물질로 형성할 수 있다. 여기서, 제1 나노 구조부는 경사각 증착법을 이용하여 기판 또는 프리 패턴층 상에 안정하게 제작되어 내구성과 장기 안정성이 우수할 수 있다. 또한, 제2 나노 구조부 및 제3 나노 구조부는 상술한 3차원 나노 구조물의 다양한 형성 방법 중 하나의 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 3차원 나노 구조물은 경사각 증착법에 의해 형성됨으로써, 소자를 기판 상에 안정적으로 코팅하지 못하는 기존 기술의 한계점을 극복하여 내구성과 장기 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 단계 S200에서는, 또 다른 실시 형태에 따라, 코어-쉘(core-shell) 구조로 제1 나노 구조부와 제2 나노 구조부를 형성할 수 있다. 이때, 제2 나노 구조부는 제1 나노 구조부의 표면을 둘러싸도록 형성할 수 있다.
여기서, 반도체 물질은 무기물, 무기혼합물 및 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 무기물은 SnO2, TiO2, WO3, BiVO4, Fe2O3, ITO, FTO, Cu2O, CuO, SiO2, SrTiO3, MoS2, WS2, CdS, CdSe, GaN, InGaN, GaAs, InGaAs, GaP, InGaP, Si, SiC, ZnO, ZnS, ZrO2, In2O3 및 KTaO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 금속 물질은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W 및 Zr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법은 광화학 또는 광전기화학 반응을 여러 환경에서 장기간동안 수행하기 위해서 기판에 3차원 하이브리드 나노 구조 소자를 안정적으로 코팅할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 기판
11: 프리 패턴층
15: 3차원 나노 구조물
20: 제1 나노 구조부
30: 제2 나노 구조부
40: 제3 나노 구조부
11: 프리 패턴층
15: 3차원 나노 구조물
20: 제1 나노 구조부
30: 제2 나노 구조부
40: 제3 나노 구조부
Claims (32)
- 기판; 및
상기 기판 상부에 배열된 복수의 3차원 나노 구조물;
을 포함하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 서로 다른 두 가지 이상의 물질을 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제2항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 상기 기판 상에 배치된 제1 나노 구조부 및 상기 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 물질 및 금속 물질 중 어느 하나를 포함하고,
상기 제2 나노 구조부는 나머지 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제2항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은, 상기 기판 상에 배치된 제1 나노 구조부, 상기 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부 및 상기 제2 나노 구조부와 연결된 제3 나노 구조부를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 물질을 포함하고,
상기 제2 나노 구조부는 금속 물질을 포함하고,
상기 제3 나노 구조부는 상기 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질을 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 물질을 포함하고,
상기 제2 나노 구조부는 상기 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질을 포함하고,
상기 제3 나노 구조부는 금속 물질을 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 반도체 물질은 무기물, 무기혼합물 및 화합물 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제8항에 있어서,
상기 무기물은 SnO2, TiO2, WO3, BiVO4, Fe2O3, ITO, FTO, Cu2O, CuO, SiO2, SrTiO3, MoS2, WS2, CdS, CdSe, GaN, InGaN, GaAs, InGaAs, GaP, InGaP, Si, SiC, ZnO, ZnS, ZrO2, In2O3 및 KTaO3 중 어느 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 금속 물질은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W 및 Zr 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 나노 점(nano dot), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(slanted nano rod), 지그재그 나노 막대(zigzag nano rod), 나노 헬릭스(nano helix), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 적어도 하나의 나노 구조로 형성되는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은, 코어-쉘(core-shell) 구조로 형성되는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기판 상에 형성되며, 상기 3차원 나노 구조물을 지지하는 패턴을 포함하는 프리 패턴층을 더 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제13항에 있어서,
상기 프리 패턴층은 전도성 물질을 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제14항에 있어서,
상기 프리 패턴층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W, Zr, ITO, FTO, SnO2, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 전도성 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판은 유리와 사파이어 같은 부도체 기판, 플렉서블 부도체 기판, 금속 기판, 유연성 금속 기판, 투명 전도성 산화물 기판, 투명 전도성 플렉서블 산화물 기판, 전도성 폴리머 기판, 전도성 플렉서블 폴리머 기판, 세라믹 기판 중 어느 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자.
- 기판 상에 프리 패턴층을 형성하는 단계; 및
상기 프리 패턴층 상에 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 서로 다른 두 가지 이상의 물질로 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계에서는,
상기 프리 패턴층 상에 제1 나노 구조부를 형성하는 단계; 및
상기 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부를 형성하는 단계를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제19항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 물질 및 금속 물질 중 어느 하나로 형성하고,
상기 제2 나노 구조부는 나머지 하나로 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물을 형성하는 단계에서는,
상기 프리 패턴층 상에 제1 나노 구조부를 형성하는 단계;
상기 제1 나노 구조부와 연결된 제2 나노 구조부를 형성하는 단계; 및
상기 제2 나노 구조부와 연결된 제3 나노 구조부를 형성하는 단계를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제21항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 물질로 형성하고,
상기 제2 나노 구조부는 금속 물질로 형성하고,
상기 제3 나노 구조부는 상기 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질로 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제21항에 있어서,
상기 제1 나노 구조부는 반도체 금속 물질로 형성하고,
상기 제2 나노 구조부는 상기 제1 나노 구조부와 다른 반도체 물질로 형성하고,
상기 제3 나노 구조부는 금속 물질로 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제22항 또는 제23항에 있어서,
상기 반도체 물질은 무기물, 무기혼합물 및 화합물 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제24항에 있어서,
상기 무기물은 SnO2, TiO2, WO3, BiVO4, Fe2O3, ITO, FTO, Cu2O, CuO, SiO2, SrTiO3, MoS2, WS2, CdS, CdSe, GaN, InGaN, GaAs, InGaAs, GaP, InGaP, Si, SiC, ZnO, ZnS, ZrO2, In2O3 및 KTaO3 중 어느 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 경사각 증착법, 전자빔 증착법, 열 증착법, 화학 증착법, 스퍼터링 증착법, 화염 기상 합성법, 수열 합성법, 드롭 캐스팅법, 광 담지법, 전착법, 원자층 증착법, 아노다이징 및 독터 블레이드법 중 적어도 하나의 방법으로 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 3차원 나노 구조물은 나노 점(nano dot), 나노 막대(nano rod), 경사 나노 막대(slanted nano rod), 지그재그 나노 막대(zigzag nano rod), 나노 헬릭스(nano helix), 나노 와이어(nano wire), 나노 리본(nano ribbon), 나노 스프링(nano spring), 나노 콘(nano cone) 중 적어도 하나의 나노 구조로 형성하는 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 프리 패턴층을 형성하는 단계에서는, 임프린팅 방식으로 나노 임프린트 몰드에 형성된 패턴을 상기 기판에 전사하여 상기 프리 패턴층을 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제28항에 있어서,
상기 프리 패턴층은 전도성 물질을 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제29항에 있어서,
상기 프리 패턴층은 Ag, Au, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Co, Ni, Si, Fe, Cr, Ru, Rh, Ir, Mg, Mo, Mn, Sn, Zn, In, Ta, Pb, V, W, Zr, ITO, FTO, SnO2, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 전도성 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 프리 패턴층을 형성하는 단계에서는, 알루미늄, 티타늄 및 탄탈륨 중 하나의 금속판을 양극 산화시켜 상기 프리 패턴층을 형성하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
- 제 17항에 있어서,
상기 기판은 유리와 사파이어 같은 부도체 기판, 플렉서블 부도체 기판, 금속 기판, 유연성 금속 기판, 투명 전도성 산화물 기판, 투명 전도성 플렉서블 산화물 기판, 전도성 폴리머 기판, 전도성 플렉서블 폴리머 기판, 세라믹 기판 중 어느 하나를 사용하는, 3차원 하이브리드 나노 구조 소자의 제조 방법.
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