KR20220057703A - 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법 - Google Patents

비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온에서 입자성장억제 성질을 가지는 금속산화물 나노선을 제작하여 열적 안정성을 갖는 고기능성 센서, 촉매 및 기기에 응용 가능한 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법에 관한 것으로서, 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판 상에 연성 물질을 제공하는 단계, 상기 연성 물질을 상기 마스터 기판으로부터 분리하여 상기 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴을 포함하는 베이스 기판을 형성하는 단계, 상기 베이스 패턴 상에 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계 및 상기 목표 물질이 도포된 상기 베이스 기판을 타깃 기판과 접촉시켜, 상기 목표 물질을 동시에 상기 타깃 기판 상에 전사하여 나노선(nanowire)을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING NON-STOICHIOMETRIC AMORPHOUS METAL OXIDE NANOSTRUCTURE}
본 발명은 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온에서 입자성장억제 성질을 가지는 금속산화물 나노선을 제작하여 열적 안정성을 갖는 고기능성 센서, 촉매 및 기기에 응용하는 방법에 관한 것이다.
금속산화물 나노구조체를 사용한 소자들은 기존 벌크 형태의 금속산화물을 사용한 센서나 촉매 소자들과 비교하여 성능 측면에서 높은 향상을 보여주었다. 이는 부피에 비해 높은 표면적을 가지는 나노구조체의 독특한 특성에 의한 향상된 표면 활성으로 기인되는데, 이와 더불어 성능 향상에 기여하는 다른 많은 변수 중 하나인 나노구조체를 구성하는 입자 크기는 재료의 잠재 특성을 개선하는 데 중요한 역할을 한다.
특히, 센서 및 촉매 응용 분야에서 입자 크기를 줄이면 나노구조체를 통한 표면적 증대와 더불어 더 높은 촉매 활성점과 입자의 표면 활성도를 얻을 수 있다. 예를 들어, 센서 소자에서 입자 크기를 10nm 미만으로 줄이면 입자 전체가 센싱 반응에 참여할 수 있기 때문에 감도가 크게 높아지는 것을 확인할 수 있다.
이러한 이유 때문에 작은 입자 크기를 가지는 나노구조체를 만들기 위해서 많은 연구들이 보고되었다. 대표적인 방법으로 수열합성 등의 화학적 합성 방법을 통하여 표면적이 늘어난 나노 입자를 가지는 다공성 나노 구조를 형성하기도 하였으며, 희생층 템플레이트(template), 혹은 입자성장억제제를 사용함으로써 다공성의 나노입자를 가지는 나노구조체를 만드는 연구가 진행되어 왔다.
그러나 이러한 방법은 특정 금속산화물 소재들에 대하여 각기 다른 제작 공정 방법이 필요할 뿐만 아니라, 유독한 화학 물질을 사용하고, 값비싼 공정 단가를 포함하며, 불순물이 들어가는 등의 다양한 문제가 존재한다.
근본적으로는 나노입자의 크기가 작아지게 되면 표면이 급격히 불안정해지기 때문에 노출된 표면을 줄이기 위해 쉽게 입자가 성장하게 되고, 열처리 과정에서 다결정성의 치밀한 조직 혹은 특성이 변질되는 문제는 해결하지 못했다.
또한, 입자의 크기가 작으면 작을수록 열역학적으로 불안정해서 쉽게 입자 성장을 유발하는데, 금속산화물 기반 기기는 일반적으로 결정화 및 안정화를 위한 어닐링 공정을 필요로 한다. 이러한 공정은 대게 입자 성장, 입자 응집 및 나노 구조의 변형을 수반하여 장치 성능을 저하시킨다. 게다가, 금속산화물 나노구조체는 종종 고온 및 화학적으로 열악한 환경에서 작동하여 점진적인 구조 변화 및 입자 성장을 유발하고, 센서 반응의 열화, 신호 불안정성 및 궁극적으로 고장을 유발한다.
따라서, 본 발명은 금속 산화물 나노구조체에서 입자의 크기를 작게 유지하고, 이를 통해 불순물 없이 고온에서도 입자성장억제 성질을 가지는 금속산화물 나노구조체를 제안한다.
본 발명의 목적은 기존 기술과는 차별화된 복잡한 공정 혹은 불순물이 없이 고온에서도 입자성장억제 성질을 가지는 금속산화물 나노구조체를 구현할 수 있는 새로운 개념의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판 상에 연성 물질을 제공하는 단계, 상기 연성 물질을 상기 마스터 기판으로부터 분리하여 상기 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴을 포함하는 베이스 기판을 형성하는 단계, 상기 베이스 패턴 상에 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계 및 상기 목표 물질이 도포된 상기 베이스 기판을 타깃 기판과 접촉시켜, 상기 목표 물질을 동시에 상기 타깃 기판 상에 전사하여 나노선(nanowire)을 제조하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계는 금속산화물의 상기 목표 물질이 상기 베이스 패턴 상에 증착될 때 비결정질 산소 비율을 조절할 수 있다.
상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계는 상기 목표 물질의 산화도 및 상태 변화, 그리고 증착 환경 압력 및 산소양 조절을 통해 비결정질의 산소비율을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 상기 나노선을 안정화하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 나노선을 안정화하는 단계는 노출된 공기 분위기에서 상기 나노선을 열처리할 수 있다.
상기 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계는 상기 베이스 기판의 일면에 산화주석(SnO2), 니켈산화물(NiO), 산화아연(ZnO) 및 이리듐산화물(IrO2)로 이루어진 군에서 하나 또는 2개 이상으로 선택된 금속산화물을 증착할 수 있다.
상기 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계는 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation)또는 스퍼터링 증착법(RF or DC sputtering)에 의해 진공 분위기에서 상기 베이스 패턴 상에 상기 목표 물질을 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노선(nanowire)의 나노물질로 형성된 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체는 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판 상에 연성 물질을 제공하는 단계, 상기 연성 물질을 상기 마스터 기판으로부터 분리하여 상기 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴을 포함하는 베이스 기판을 형성하는 단계, 상기 베이스 패턴 상에 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계, 상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계, 상기 목표 물질이 도포된 상기 베이스 기판을 타깃 기판과 접촉시켜, 상기 목표 물질을 동시에 상기 타깃 기판 상에 전사하여 나노선(nanowire)을 제조하는 단계 및 상기 나노선을 안정화하는 단계에 의해 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 기술과는 차별화된 복잡한 공정 혹은 불순물이 없이, 고온에서도 입자성장억제 성질을 가지는 금속산화물 나노구조체를 구현할 수 있는 새로운 개념의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명을 이용하여 제조한 입자성장억제성질을 가진 금속산화물 나노선 및 이를 통해 만든 나노구조체는 현존하는 금속산화물 나노구조체가 가지는 입자성장이라는 한계를 넘어서는 특성을 보이고, 특히 센서 및 촉매의 성능 향상을 위해 핵심적으로 다루어지고 있는 입자의 크기 조절 및 성능의 안정성과 활성도를 극대화시킴으로서 종래의 기술로는 구현하지 못한 차세대 센서 및 촉매 산업의 새로운 방향을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노선의 제조 과정에 대한 순서도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노선에 대한 투과전자현미경 및 주사 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선의 입자크기를 측정한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 나노선의 변화에 대한 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 증착 두께에 따른 열처리 후의 변화에 대한 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선의 크기 및 구조체 차원의 변화에 따른 결정크기 변화에 대한 투과전자현미경 이미지 및 실험 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 중 니켈산화물로 구성된 나노선에 대한 투과전자현미경 이미지 및 실험 결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선을 적용한 가스 센서의 안정성에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예들은, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노선 구조를 이용하여 입자성장억제 금속산화물 나노선 제작 및 이를 통한 나노구조체 제작을 제공하는 것을 그 요지로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산소의 비율이 조절된 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법을 이용하고, 제조 방법 진행 중에 나노선의 크기 조절을 통해서 나노공간한정으로 나타나는 높은 온도의 고체상 반응에 걸림돌이 되는 나노입자들의 뭉침 현상을 제어함으로써 해결한다.
이하에서는 도 1 내지 도 10을 참조하여 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법의 흐름도를 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노선의 제조 과정에 대한 순서도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단계 110에서, 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판 상에 연성 물질을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 단계 110에서 복수의 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판(210) 상에 연성 물질을 도포할 수 있다. 이때, 단계 110은 마스터 기판 상에 스핀 코팅 (spin coating), 딥 코팅 (deep coating) 및 스프레이 코팅 (spray coating)로 이루어진 군 중 어느 하나 이상의 방법으로 연성 물질을 도포할 수 있다.
이때, 상기 연성 물질은 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), P4VP(poly 4-vinyl pyridine) 및 P2VP(poly 2-vinyl pyridine) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
단계 120에서, 연성 물질을 마스터 기판(210)으로부터 분리하여 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴(221)을 포함하는 베이스 기판(220)을 형성한다.
단계 120은 접착 필름(222)을 이용하여 연성 물질을 마스터 기판(210)으로부터 분리하여 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴(221)을 포함하는 베이스 기판(220)을 제조할 수 있다.
단계 130에서, 베이스 패턴(221) 상에 금속산화물의 목표 물질(230)을 증착한다.
단계 130은 베이스 기판(220)의 일면에 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 이리듐산화물(IrO2), 텅스텐산화물(WO3), 니켈산화물(NiO), 이산화 타이타늄(TiO2), 적철광(Fe2O3), 산화 인듐(In2O3), 오산화나이오븀(Nb2O5), 오산화 탄탈럼(Ta2O5), 삼산화몰리브덴(MoO3), 산화 구리(CuO), 산화크롬(Cr2O3), 산화코발트(Co3O4), 바나듐 산화물(V2O5) 및 사산화삼망간(Mn3O4)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 2개 이상으로 선택된 전기적 반응을 나타내는 금속산화물 물질의 목표 물질(230)을 증착할 수 있다.
이때, 단계 130은 전자빔 증착법(E-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation)또는 스퍼터링 증착법(RF or DC sputtering)에 의해 진공 분위기에서 베이스 패턴 상에 목표 물질(230)을 증착할 수 있다. 예를 들면, 전자빔 증착법을 사용하여 베이스 패턴(221) 상에 목표 물질(230)이 1Å/s 이상의 속도로 증착되어 형성될 수 있다.
단계 140에서, 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절할 수 있다.
단계 140은 금속산화물의 목표 물질(230)이 베이스 패턴(221) 상에 증착될 때 비결정질 산소 비율을 조절할 수 있다. 비결정질의 산소비율을 다르게 하는 방법은 초기 증착물질(목표 물질)의 산화도 및 상태 변화, 그리고 증착 환경 압력 및 산소양 조절 등이 가능할 수 있다.
단계 150에서, 목표 물질(230)이 도포된 베이스 기판(220)을 타깃 기판(240)과 접촉시켜, 목표 물질(230)을 동시에 타깃 기판 상에 전사하여 나노선(nanowire 또는 나노구조체, 250)을 제조한다.
단계 150은 단계 110 내지 단계 140을 통해 목표 물질(230)이 제공된 베이스 패턴을 타깃 기판(240)과 접촉시키며, 목표 물질(230)을 타깃 기판(240) 상에 전사하여 광학적 반응을 나타내는 금속산화물 물질을 포함하는 나노선(250)을 제조할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 유기 용매 증기를 이용하여 베이스 패턴(221)과 접착 필름(222)의 접착력을 약화시킨다. 예를 들어, 챔버 내에 유기 용매를 채우고, 용기의 뚜껑(또는 챔버의 차단부)에 나노선이 형성된 베이스 패턴이 아래로 향하도록 접착 필름(222)을 붙인 후, 뚜껑을 닫음으로써, 밀폐된 챔버 내로 유기 용매로부터 기화된 증기를 형성할 수 있다. 이후, 10초 내지 60초의 기 설정된 시간동안 증착된 유기 용매의 증기는 베이스 패턴(221)과 베이스 기판인 접착 필름(222)의 계면 사이의 분리 에너지를 감소시킴으로써, 타깃 기판(240)과 1초 내지 5초간 접촉하는 경우, 쉽게 전사가 가능하다.
이 때, 유기 용매는 단일 용매 또는 이성분 이상의 성분을 포함하는 혼합 용매 내에서 진행될 수 있다. 예를 들면, 유기 용매는 아세톤, 톨루엔, 헵탄(Heptane), IPA 또는 에탄올일 수 있다.
전술한 바에 의해 베이스 기판인 접착 필름(222)과 분리된 나노선이 형성된 베이스 패턴(221)과 타깃 기판(240)의 접촉으로 나노선(250)은 타깃 기판(240) 상에 전사되고, 유기 용매를 이용하여 베이스 기판(220) 상의 잔여 물질을 씻어낼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 활용한 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), PMMA)의 베이스 패턴(221)은 툴루엔, 아세톤 또는 혼합 용매에 의해 잔여 물질이 제거될 수 있다.
이 때, 타깃 기판(240)은 실리콘(Si), 석영(quartz), 알루미나(Al2O3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 타깃 기판(240)은 나노선(nanowire)을 지지할 수 있는 비전도성 또는 전도성의 기판일 수 있으며, 실리콘의 전도성 물질 및 유리, 석영의 비전도성 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법에서 사용된 기술은 유기 용매 증기에 의한 접착력 제어에 기인한 전사 원리이기 때문에, 접착층이나 전처리 없이도 프린팅이 가능하며, 연속 프린팅을 통해 나노선을 제작할 수 있다.
단계 160에서, 나노선(250)의 안정화를 시킬 수 있다.
단계 160은 전사한 나노선(250)을 노출된 열처리 공기 분위기에서 500도 이상의 온도에서 2 내지 24시간 동안 가열하여 나노구조체 형성을 마무리할 수 있다. 열처리는 비-화학량론적 비결정질 금속산화물의 결정성, 열역학적 안정된 화학량과 나노구조체의 안정화를 하는 역할을 한다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 전술한 열처리를 통하여 금속산화물 물질의 안정화를 통해 나노선의 광학적 특성을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법은 마스터 패턴의 넓이와 주기에 따라서 제작되는 베이스 기판(220)의 폭을 결정할 수 있고, 베이스 기판(220)에 증착되는 두께를 조절함으로써, 나노선(250) 단면의 폭과 높이를 조절하는 것이 가능하다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선에 대한 실험 결과를 설명하기 위해 도시한 것이다.
보다 구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비결정질 나노선에 대한 투과전자현미경 및 주사 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선의 입자크기를 측정한 실험 결과를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 나노선의 변화에 대한 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이다. 또한, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선 증착 두께에 따른 열처리 후의 변화에 대한 투과전자현미경 이미지를 도시한 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선의 크기 및 구조체 차원의 변화에 따른 결정크기 변화에 대한 투과전자현미경 이미지 및 실험 결과를 도시한 것이다. 또한, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 중 니켈산화물로 구성된 나노선에 대한 투과전자현미경 이미지 및 실험 결과를 도시한 것이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노선을 적용한 가스 센서의 안정성에 대한 실험 결과를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 도 3(a)에 도시된 비결정질 나노선을 900도의 공기분위기에서 6시간 가열하는 경우, 도 3(b), 도 3(c) 및 도 3(d)에 도시된 바와 같이 다공성 나노입자를 가지는 나노선 구조로 변화한 것을 확인할 수 있다.
도 4를 참조하면, X-ray 회절분석법을 통해서 금속산화물의 입자크기를 예측하여 20nm 두께의 금속산화물 나노선(nanowire)과 필름(Thin Film)을 비교한 결과, 나노선의 경우 크기가 성장하지 않는 결과를 확인할 수 있으며, 이는 투과전자현미경 이미지와 비슷한 결과인 것을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 투과전자현미경 이미지를 통해 열처리 온도에 따른 나노선 변화를 확인할 수 있다. 도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(c)에 각각 도시된 500도, 600도 및 700도에서 6시간 열처리한 나노선의 입자 크기에 대한 투과전자현미경 이미지를 살펴보면, 열처리한 나노선의 입자 크기가 성장하지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 50nm 폭에 증착 두께를 다르게 만든 나노선을 900도 열처리한 후의 변화를 투과전자현미경 이미지를 통해 확인할 수 있다. 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 10nm와 20nm 나노선에서는 입자의 크기가 성장하지 않은 것을 확인할 수 있지만 도 6(c)에 도시된 30nm 나노선에서는 성장하는 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 50nm의 폭과 20nm의 두께를 이루고 있는 나노선에 대한 초기 조성의 구성 변화와 열처리 후의 변화를 투과전자현미경 이미지를 통해 확인할 수 있다. 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 산소의 함량이 더 많았던 나노선의 경우 성장을 하지 않고 다공성 구조를 유지하는 것을 확인했지만, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 산소의 함량이 감소함에 따라서 입자가 성장하고 조밀한 나노선으로 성장하는 것을 확인할 수 있었다.
도 8을 참조하면, 조성을 고정하고 나노선의 크기 및 구조체 차원의 변화에 따른 결정크기 변화를 투과전자현미경 이미지를 통해 확인할 수 있다. 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 조성이 입자성장방해를 보이는 조성이여도 나노선의 크기가 커지거나 구조체의 차원의 변화가 생기면 나노공간한정으로 생기는 효과가 사라져서 입자가 성장하는 것을 확인할 수 있다. 도 8(c)는 이를 나노선의 크기와 조성에 따라 정리한 도표를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 또다른 금속산화물인 니켈산화물(NiO) 나노선에 대한 효과를 확인할 수 있다. 도 9의 투과전자현미경 이미지 및 결과 그래프를 통해 각각 500도 700도 900도에서 6시간 열처리한 나노선의 입자성장저해효과를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 10을 참조하면, 입자성장억제효과가 있는 다공성 나노선을 가스 센서에 적용한 실험 결과를 확인할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 350도에서 다공성 나노선을 적용한 가스 센서(Nanowire array)의 반응성이 필름(Thin film)에 비해 6배 이상 높게 나오는 것을 확인할 수 있으며, 입자성장 방해를 받는 20nm 두께의 나노선이 입자성장 방해를 받지 않는 20nm 두께의 필름에 비해서 전기적 신호 및 반응성이 시간에 따라서 더 안정적인 신호를 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
210: 마스터 기판
220: 베이스 기판
221: 베이스 패턴
222: 접착 필름
230: 목표 물질(금속산화물)
240: 타깃 기판
250: 나노선(nanowire)

Claims (8)

  1. 마스터 패턴이 형성된 마스터 기판 상에 연성 물질을 제공하는 단계;
    상기 연성 물질을 상기 마스터 기판으로부터 분리하여 상기 마스터 패턴의 역상을 갖는 베이스 패턴을 포함하는 베이스 기판을 형성하는 단계;
    상기 베이스 패턴 상에 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계; 및
    상기 목표 물질이 도포된 상기 베이스 기판을 타깃 기판과 접촉시켜, 상기 목표 물질을 동시에 상기 타깃 기판 상에 전사하여 나노선(nanowire)을 제조하는 단계
    를 포함하는 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계는
    금속산화물의 상기 목표 물질이 상기 베이스 패턴 상에 증착될 때 비결정질 산소 비율을 조절하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표 물질의 비-화학량론적 산소 비율을 조절하는 단계는
    상기 목표 물질의 산화도 및 상태 변화, 그리고 증착 환경 압력 및 산소양 조절을 통해 비결정질의 산소비율을 조절하는 것을 특징으로 하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노선을 안정화하는 단계를 더 포함하며,
    상기 나노선을 안정화하는 단계는
    노출된 공기 분위기에서 상기 나노선을 열처리하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계는
    상기 베이스 기판의 일면에 산화주석(SnO2), 니켈산화물(NiO), 산화아연(ZnO) 및 이리듐산화물(IrO2)로 이루어진 군에서 하나 또는 2개 이상으로 선택된 금속산화물을 증착하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속산화물의 목표 물질을 증착하는 단계는
    전자빔 증착법(E-beam evaporation), 열 증착법(thermal evaporation)또는 스퍼터링 증착법(RF or DC sputtering)에 의해 진공 분위기에서 상기 베이스 패턴 상에 상기 목표 물질을 증착하는, 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 적어도 어느 한 항의 방법을 수행하여 제조되는 나노선(nanowire)의 나노물질로 형성된 비-화학량론적 비결정질 금속산화물 나노구조체.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120097140A (ko) * 2011-02-24 2012-09-03 한양대학교 산학협력단 양면 구조를 가지는 태양전지 및 이의 제조방법
KR20130002527A (ko) * 2011-06-29 2013-01-08 엘지이노텍 주식회사 나노와이어 제조방법
KR101400363B1 (ko) * 2013-05-23 2014-06-27 한국과학기술원 근접장 나노패터닝과 원자층 증착법을 이용한 3차원 나노구조의 금속산화물 제조 방법
KR20200024694A (ko) * 2018-08-28 2020-03-09 한국과학기술원 이산화탄소 환원을 위한 3차원 나노 구조 금속 촉매 및 이의 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120097140A (ko) * 2011-02-24 2012-09-03 한양대학교 산학협력단 양면 구조를 가지는 태양전지 및 이의 제조방법
KR20130002527A (ko) * 2011-06-29 2013-01-08 엘지이노텍 주식회사 나노와이어 제조방법
KR101400363B1 (ko) * 2013-05-23 2014-06-27 한국과학기술원 근접장 나노패터닝과 원자층 증착법을 이용한 3차원 나노구조의 금속산화물 제조 방법
KR20200024694A (ko) * 2018-08-28 2020-03-09 한국과학기술원 이산화탄소 환원을 위한 3차원 나노 구조 금속 촉매 및 이의 제조방법

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