KR20210012133A - 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법은, 기판 상에 2가 양이온을 갖는 금속 원소 층 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층을 형성하는 단계; n-가형 음이온을 포함하는 물질과 HMTA를 물에 혼합하여 자외선 광검출기 제조를 위한 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액을 제조하는 단계; 수용액을 반응조에 채우고, 2가 또는 3가 금속 원소 층이 형성된 기판을 반응조에 투입하여 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층을 형성하는 단계; 및 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층에 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, ZnAl-LDH 기반의 자외선 광검출기를 제작함으로써, 종래 ZnO 기반의 자외선 광검출기보다 훨씬 더 빠른 반응 속도와, 수많은 굽힘 사이클 이후에도 재현 가능한 광응답성을 얻을 수 있는 자외선 광검출기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법은, 기판 상에 2가 양이온을 갖는 금속 원소 층 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층을 형성하는 단계; n-가형 음이온을 포함하는 물질과 HMTA를 물에 혼합하여 자외선 광검출기 제조를 위한 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액을 제조하는 단계; 수용액을 반응조에 채우고, 2가 또는 3가 금속 원소 층이 형성된 기판을 반응조에 투입하여 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층을 형성하는 단계; 및 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층에 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, ZnAl-LDH 기반의 자외선 광검출기를 제작함으로써, 종래 ZnO 기반의 자외선 광검출기보다 훨씬 더 빠른 반응 속도와, 수많은 굽힘 사이클 이후에도 재현 가능한 광응답성을 얻을 수 있는 자외선 광검출기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 자외선 광검출기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는Zn, Al, Co, Ti 등의 원소를 사용하여 기판의 시드층을 이용하여 성장시킨 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxides; LDHs)에 대해 자외선의 흡수 능력을 이용하여 광검출기로 사용함으로써 한층 향상된 광검출기의 성능을 획득할 수 있는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 사물 인터넷 기술의 실현에 대한 요구가 증가함에 따라, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기가 많은 주목을 받고 있다. 특히 자외선(UV) 광검출기는 공기 정화, 광집적 회로용 광수신기, 오존 구멍 감시, 누출 감지 및 미사일 연기 기둥 감지와 같은 다양한 응용 분야에 유용하다. 또한 태양 복사로부터의 자외선 복사는 인체에 유해하거나 유익한 중대한 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 자외선 광선에의 적당한 피부 노출은 비타민 D의 합성을 활성화하거나 여러 가지 세균을 제거함으로써 건강에 유익하지만, 과도한 자외선 노출은 피부암을 일으키거나 노화를 촉진시킬 수 있으므로 해로울 수 있다. 따라서 인체에의 자외선 노출 수준을 모니터링하는 것이 중요해지고 있으며, 이를 위해 부착 가능하고 휴대할 수 있는 광검출기가 요구된다. 고성능 자외선 광검출기는 높은 자외선 감도, 빠른 응답 속도, 낮은 전력 소비, 중요한 가시 광선 거부 및 선형 광전류 - 광 파워 상관 관계를 보여야 한다. 특히 가시 광선 및 적외선의 배경 신호를 피하기 위해, 가시 광선 차단의 자외선 광검출기가 바람직하다. 또한, 현대의 스마트 센서 기술은 더 많은 호환 응용 분야를 위한 새롭고 유연한 자외선 광검출기를 필요로 한다.
따라서 ZnO, SnO2, ZnS, (Al)GaN, SiC, 다이아몬드와 같은 다양한 광역 밴드 갭 반도체가 벌크 또는 나노 구조 형태로 자외선 광 검출기를 위해 제조되었다. 그 중에서 ZnO는 3.2eV의 넓은 밴드 갭, 친환경성 및 제조 용이성으로 인해 가시광 차폐형 광검출기를 위한 탁월한 구성 요소로 간주된다. ZnO 기반의 자외선 광검출기의 개발에 많은 노력이 기울여졌으나, 고성능을 갖는 높은 신뢰의 유연한 UV 광검출기는 아직 실현되지 않았다. 차세대 유연한 그리고 가시 광선 차단의 UV 광검출기를 구현하기 위해서는, 제조가 쉽고, 친환경적이며, 선택적으로 강한 자외선 흡수 및 거친 작동 조건에서의 높은 안정성을 구비하는 신소재 시스템이 개발되어야 한다.
한편, 한국 공개특허공보 제10-2016-0118286호(특허문헌 1)에는 "UV 광검출기의 제조 방법"이 개시되어 있는 바, 이에 따른 UV 광검출기의 제조 방법은, 금속 이온들의 하나 이상이 옥시메이트 및 하이드록시메이트로부터 선택된 리간드 (ligand)에 결합되며, 액체 캐리어, 금속 이온들을 포함하는 액체 조성물의 데포지션 단계; UV 광검출기 재료를 초래하는 데포지션된 조성물을 프로세싱하는 단계; 및 상기 광검출기 재료에 전극들을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 특허문헌 1의 경우, 액상을 갖는 전구체계의 증착에 기초하여 광출검출기를 제조하는 방식을 사용함으로써, 솔라-블라인드 자외선 검출기들에서 흡수체로 사용될 수 있는 반도체 재료들의 박층 형성을 위한 솔루션을 제공하는 효과가 있기는 하겠으나, 이 또한 ZnO 계열의 금속산화물을 기반으로 하고 있어, 빠른 반응 속도 등의 만족할만한 성능을 얻기 어려운 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 사항을 종합적으로 감안하여 창출된 것으로서, Zn, Al, Co, Ti 등의 원소를 사용하여 기판의 시드층을 이용하여 성장시킨 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxides; LDHs)에 대해 자외선의 흡수 능력을 이용하여 광검출기로 사용함으로써 한층 향상된 광검출기의 성능을 획득할 수 있는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기는,
자외선 광검출기 구조체의 베이스를 이루는 기판;
상기 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 형성된 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층; 및
상기 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층 상에 형성된 소정 패턴의 전극을 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가질 수 있다.
이때, 상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 등을 포함할 수 있고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 등을 포함할 수 있으며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극은 IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극은 Al, Ti, Cr, Cu, Ag, In, Sn, Pt, Ni, Au, W, Ta 등의 단일 원소로 이루어진 금속재질로 구성되거나, 이들 중에서 선택된 적어도 두 개의 원소로 이루어진 합금재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법은,
a) 기판 상에 2가 양이온을 갖는 금속 원소 층 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층을 형성하는 단계;
b) n-가형 음이온을 포함하는 물질과 HMTA(hexamethylenetetramine)를 물에 혼합하여 자외선 광검출기 제조를 위한 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액을 제조하는 단계;
c) 상기 수용액을 반응조에 채우고, 상기 2가 또는 3가 금속 원소 층이 형성된 기판을 반응조에 투입하여 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층을 형성하는 단계; 및
d) 상기 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층에 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 c)에서 상기 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가질 수 있다.
이때, 상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 등을 포함할 수 있고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 등을 포함할 수 있으며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 c)에서 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층을 형성하기 위해, 저온수열합성법, 졸-겔법, 수열합성법, 알콕사이드법과 같은 습식방법과 스퍼터링법, 증발증착법, 화학기상증착법 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 단계 d)에서 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작함에 있어서, IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 패턴을 만들어 MSM (metal-semiconductor-metal) 형태, 포토컨덕터(photoconductor) 형태, 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 형태, p-n 접합 형태, p-i-n 접합 형태 중 어느 하나의 형태로 광검출기 소자를 제작할 수 있다.
이때, 상기 전극은 Al, Ti, Cr, Cu, Ag, In, Sn, Pt, Ni, Au, W, Ta 등의 단일 원소로 이루어진 금속재질로 구성되거나 이들 중에서 선택된 적어도 두 개의 원소로 이루어진 합금재질로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, ZnAl-LDH 기반의 자외선 광검출기를 제작함으로써, 종래 ZnO 기반의 자외선 광검출기보다 훨씬 더 빠른 반응 속도와, 수많은(예컨대, 1000회의) 굽힘 사이클 이후에도 재현 가능한 광응답성을 얻을 수 있는 자외선 광검출기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 자외선 광검출기의 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층의 일 실시예로서의 ZnAl-LDH의 단면구조 및 표면구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 채용되는 LDH 구조를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 의해 제조된 ZnAl-LDH의 성장 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 ZnAl-LDH의 광학적 특성 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 파장에 따른 광반응성을 나타낸 도면이다.
도 10은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 빛의 세기에 따른 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 ZnAl-LDH의 유연 기판에서의 광특성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 자외선 광검출기의 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층의 일 실시예로서의 ZnAl-LDH의 단면구조 및 표면구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 채용되는 LDH 구조를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 의해 제조된 ZnAl-LDH의 성장 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 ZnAl-LDH의 광학적 특성 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 9는 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 파장에 따른 광반응성을 나타낸 도면이다.
도 10은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 빛의 세기에 따른 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 ZnAl-LDH의 유연 기판에서의 광특성을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기(100)는 기판(110), M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층(120) 및 전극(130)을 포함하여 구성된다.
기판(110)은 자외선 광검출기 구조체의 베이스를 이룬다. 이와 같은 기판으로는 일반적인 하드 기판은 물론이고 유연 기판도 사용될 수 있다.
M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층(120)은 상기 기판(110)에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 형성된 층상 이중 수산화물(Layered Double Hydroxide; LDH) 층이다. 여기서, 이와 같은 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층(120)은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가질 수 있다.
이때, 상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 등을 포함할 수 있고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 등을 포함할 수 있으며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 분자식에서 x는 0∼1의 범위의 값을 가질 수 있다.
전극(130)은 상기 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층(120) 상에 소정 패턴으로 형성된다. 여기서, 이와 같은 전극(130)은 IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전극(130)은 Al, Ti, Cr, Cu, Ag, In, Sn, Pt, Ni, Au, W, Ta 등의 단일 원소로 이루어진 금속재질로 구성되거나, 이들 중에서 선택된 적어도 두 개의 원소로 이루어진 합금재질로 구성될 수 있다.
도 2는 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층의 일 실시예로서의 ZnAl-LDH의 단면구조 및 표면구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, (A)는 단면구조를 나타낸 것이고, (B)는 표면구조를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 ZnAl-LDH의 구조는 스크롤(scroll) 형태의 나노 구조로 구성되어 있음을 알 수 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 4는 자외선 광검출기의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법은, 먼저 기판(110) 상에 2가 양이온을 갖는 금속 원소 층 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층(112)을 형성한다(단계 S301). 본 실시예에서는 기판 상에 3가 양이온을 갖는 금속 원소(예를 들면, Al) 층을 형성한 것을 예시한다.
다음에, n-가형 음이온을 포함하는 물질과 HMTA(hexamethylenetetramine)를 물(예를 들면, 정제수)에 혼합하여 자외선 광검출기 제조를 위한 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액을 제조한다(단계 S302). 여기서, 상기 n-가형 음이온은 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 등을 포함할 수 있다.
여기서, 또한 이상과 같은 단계 S301, S302는 편의상의 순서이며, 반드시 이와 같은 순서로 진행되어야 하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 경우에 따라서는 단계 S302가 먼저 진행된 후에 단계 S301이 진행될 수도 있고, 단계 S301과 S302가 동시에 진행될 수도 있다.
이렇게 하여 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액의 제조가 완료되면, 수용액을 반응조(410)에 채우고, 상기 2가 또는 3가 금속 원소 층이 형성된 기판(110)을 반응조(410)에 투입하여 기판(110)에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물(114)을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층(120)을 형성한다(단계 S303). 여기서, 이와 같은 M(Ⅱ)M (Ⅲ)-LDH 층(120)은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가질 수 있다. 이때, 상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 등을 포함할 수 있고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 등을 포함할 수 있으며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 등을 포함할 수 있다. 그리고 상기 분자식에서 x는 0∼1의 범위의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 단계 S303에서 기판(110)에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층(120)을 형성하기 위해, 저온수열합성법, 졸-겔법, 수열합성법, 알콕사이드법과 같은 습식방법과 스퍼터링법, 증발증착법, 화학기상증착법 등이 이용될 수 있다.
이상에 의해 기판(110) 상에 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층(120)의 형성이 완료되면, 그 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층(120)에 소정 패턴의 전극(130)을 형성하여 자외선 광검출기 소자(100)를 제작한다(단계 S304). 여기서, 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작함에 있어서, IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 전극 패턴을 만들어 MSM(metal-semiconductor-metal) 형태, 포토컨덕터(photoconductor) 형태, 쇼트키 장벽(Schottky barrier) 형태, p-n 접합 형태, p-i-n 접합 형태 중 어느 하나의 형태로 자외선 광검출기 소자를 제작할 수 있다. 이때, 상기 전극(130)은 Al, Ti, Cr, Cu, Ag, In, Sn, Pt, Ni, Au, W, Ta 등의 단일 원소로 이루어진 금속재질로 구성되거나 이들 중에서 선택된 적어도 두 개의 원소로 이루어진 합금재질로 구성될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 채용되는 LDH 구조를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, LDHs(Layered Double Hydroxides) 또는 히드로탈사이트 (hydrotalcite)와 같은 합성물은 일반적인 화학식 [M1-x 2+ Mx 3+(OH)2]x+ [Ax/n]n-mH2O으로 표현될 수 있는 하나의 2차원 음이온 클레이 물질 군이다. 이와 같은 LDH는 도시된 바와 같이, 2가 및 3가 금속 양이온(M2+, M3+)과 CO3 2-, Cl-, NO3 -, CH3COO-와 같은 교환 가능한 n가의 음이온 및 그들 사이에 개재되어 있는 1가의 수산기 음이온(OH-)으로 구성된다.
도 6은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법에 의해 제조된 ZnAl-LDH의 성장 상태를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 반응액 농도 30mM, 60mM, 90mM, 120mM에서 각각 성장시킨 ZnAl-LDH는 모두 균일한 성장 상태를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 ZnAl-LDH의 광학적 특성 분석결과를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, PL(Photoluminescence)과 UV vis absorption spectrum 특성 분석결과 3.2eV 부근에서 흡수 피크가 나타남을 알 수 있고, 이는 자외선 흡수 특성을 보이는 것을 의미하는 것으로 해석할 수 있다.
도 8은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, (A)는 266nm에서의 자외선 반응 특성을 나타낸 것이고, (B)는 365nm에서의 자외선 반응 특성을 나타낸 것이다. 이를 통해 ZnAl-LDH가 266nm와 365nm에서 모두 균일한 자외선 반응 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 9는 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 파장에 따른 광반응성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, (A)는 각 파장에 대하여 시간에 따른 광전류의 변화를 나타낸 것이고, (B)는 파장에 따른 반응특성을 나타낸 것으로서, 단파장 영역에서 광전류의 생성이 커지고, 가시광 영역에서는 반응하지 않음을 알 수 있다.
도 10은 ZnAl-LDH의 자외선 영역에서의 빛의 세기에 따른 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 빛의 세기에 따라 광전류가 달라지고, 응답속도 또한 1초 이내로 빠른 응답속도를 보임을 알 수 있다.
도 11은 ZnAl-LDH의 유연 기판에서의 광특성을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 곡률에 따른 특성과 반복된 굽힘 시험에서도 성능이 충분히 유지됨을 알 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법은 ZnAl-LDH 기반의 자외선 광검출기를 제작함으로써, 종래 ZnO 기반의 자외선 광검출기보다 훨씬 더 빠른 반응 속도와, 수많은(예컨대, 1000회의) 굽힘 사이클 이후에도 재현 가능한 광응답성을 얻을 수 있는 자외선 광검출기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이상과 같은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기는 visible-blind 자외선 광검출기에 적용할 경우에도 높은 성능을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 이상과 같은 본 발명에 따른 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법은 유연 기판에도 적용할 수 있고, 시드층을 통한 선택적 성장 및 저가형 습식 비진공 공정으로 구현할 수 있으며, 친환경 소재 및 성분원소의 다양한 조합이 가능하고, 소자의 소형화가 가능한 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: (본 발명)층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기
110: 기판 112: 2가 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층
114: 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물
120: M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층
130: 전극 410: 반응조
110: 기판 112: 2가 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층
114: 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물
120: M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH층
130: 전극 410: 반응조
Claims (10)
- 자외선 광검출기 구조체의 베이스를 이루는 기판;
상기 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 형성된 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층; 및
상기 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층 상에 형성된 소정 패턴의 전극을 포함하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기.
- 제2항에 있어서,
상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기.
- 제1항에 있어서,
상기 전극은 IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기.
- a) 기판 상에 2가 양이온을 갖는 금속 원소 층 또는 3가 양이온을 갖는 금속 원소 층을 형성하는 단계;
b) n-가형 음이온을 포함하는 물질과 HMTA(hexamethylenetetramine)를 물에 혼합하여 자외선 광검출기 제조를 위한 중간 반응물을 생성하기 위한 수용액을 제조하는 단계;
c) 상기 수용액을 반응조에 채우고, 상기 2가 또는 3가 금속 원소 층이 형성된 기판을 반응조에 투입하여 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층을 형성하는 단계; 및
d) 상기 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH 층에 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작하는 단계를 포함하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 단계 c)에서 상기 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층은 [M(Ⅱ)1-x M(Ⅲ)x(OH)2]x+ [An- x/n·yH2O]x-의 화학적 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 M(Ⅱ)(2가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Zn, Mg, Co, Cd, Ni, V, Fe, Ca, Mn, Cu 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 M(Ⅲ)(3가 양이온을 갖는 금속 원소)는 Al, Ti, Fe, Cr, Co 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 A(n가형 음이온)는 NO3 -, CO3 2-, Cl-, CH3COO- 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 단계 c)에서 기판에 2가 양이온 금속 원소와 3가 양이온 금속원소의 반응물을 성장시켜 층상 이중 수산화물 층인 M(Ⅱ)M(Ⅲ)-LDH(Layered Double Hydroxide) 층을 형성하기 위해, 저온수열합성법, 졸-겔법, 수열합성법, 알콕사이드법, 스퍼터링법, 증발증착법, 화학기상증착법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 단계 d)에서 소정 패턴의 전극을 형성하여 자외선 광검출기 소자를 제작함에 있어서, IDE(Inter Digital Electrode) 형태의 패턴을 만들어 MSM(metal-semiconductor-metal) 형태, 포토컨덕터(photoconductor) 형태, 쇼트키 장벽 (Schottky barrier) 형태, p-n 접합 형태, p-i-n 접합 형태 중 어느 하나의 형태로 광검출기 소자를 제작하는 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 전극은 Al, Ti, Cr, Cu, Ag, In, Sn, Pt, Ni, Au, W, Ta 중 어느 하나의 단일 원소로 이루어진 금속재질로 구성되거나, 이들 중에서 선택된 적어도 두 개의 원소로 이루어진 합금재질로 구성된 것을 특징으로 하는 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기의 제조방법.
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| KR1020190089316A KR102249830B1 (ko) | 2019-07-24 | 2019-07-24 | 층상 이중 수산화물을 이용한 자외선 광검출기 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102249830B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023214787A1 (ko) * | 2022-05-03 | 2023-11-09 | 박재혁 | 자외선 센서 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160118286A (ko) | 2014-01-31 | 2016-10-11 | 메르크 파텐트 게엠베하 | Uv 광검출기의 제조 방법 |
| KR20180129698A (ko) * | 2018-07-16 | 2018-12-05 | 아주대학교산학협력단 | 태양광-블라인드 uv-c 광센서 및 이의 제조 방법 |
-
2019
- 2019-07-24 KR KR1020190089316A patent/KR102249830B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160118286A (ko) | 2014-01-31 | 2016-10-11 | 메르크 파텐트 게엠베하 | Uv 광검출기의 제조 방법 |
| KR20180129698A (ko) * | 2018-07-16 | 2018-12-05 | 아주대학교산학협력단 | 태양광-블라인드 uv-c 광센서 및 이의 제조 방법 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| EtharYahyaSalih,et al.Preparation and characterization ofZnO/ZnAl2O4-mixed MetalOxides forDye-sensitizedPhotodetector usingZn/Al-layered DoubleHydroxide asPrecursor.J of NanoparticleResearch.14Mar2016* * |
| Shufang Zheng, et al.Novel Visible-Light Photodetector Based on Two-Dimensional Confined Electron Donor-Acceptor Co-Assembled Layered Double Hydroxide Ultrathin Films.ACS Omega.Dec15 2016,pp.1239-1246* * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023214787A1 (ko) * | 2022-05-03 | 2023-11-09 | 박재혁 | 자외선 센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102249830B1 (ko) | 2021-05-07 |
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