WO2012091303A2 - 산화아연 나노로드, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법 및 장치, 그 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법 - Google Patents

산화아연 나노로드, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법 및 장치, 그 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법 Download PDF

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파닌겐나디
강태원
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동국대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing zinc oxide nanorods and nanowires, and more particularly to depositing high quality uniform length nanorods and nanowires by easily growing zinc oxide nanorods and nanowires on a substrate at a relatively low temperature. It relates to a method and an apparatus for making.
  • Zinc oxide which is a binary oxide semiconductor, is a direct transition type 3-5 compound semiconductor material having a hexagonal wurzite crystal structure and having a wide band gap of 3.37 eV and a large exciton binding energy at room temperature.
  • a material having high transmittance, refractive index, and large piezoelectric constant in the visible light region it is used as a substitute for indium oxide used in flat panel displays or as a short wavelength material used at low voltages such as light emitting devices and laser diodes.
  • the field of application is very wide, such as a field emission display, a transparent electrode of a solar cell, a gas sensor, or an ultraviolet blocking film.
  • Zinc oxide which is used as an electronic device, has been generally used in the form of a thin film.
  • the use of zinc oxide nanorods and nanowires having nanostructures can increase the critical emission current density to obtain maximum efficiency.
  • the photocatalytic efficiency can be improved as much as possible by increasing the exposure area as much as possible.
  • the first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a zinc oxide nanorods manufacturing method using a metal transport deposition method capable of producing a zinc oxide nanorods or nanowires excellent in light emission characteristics at a relatively low temperature.
  • the second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing an electroluminescent display nanorod using the zinc oxide nanorod deposited through the zinc oxide nanorod manufacturing method using the metal transport deposition method.
  • the third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a zinc oxide nanorod prepared by using the metal transport deposition method.
  • the fourth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a zinc oxide nanorod manufacturing apparatus using a metal transport deposition method for performing the zinc oxide nanorods manufacturing method using the metal transport deposition method.
  • the zinc oxide nanorod manufacturing method using a metal transport deposition method is to place the zinc metal in the source region in the reactor, the growth substrate is grown in the reactor Positioning in an area; Heating the inside of the reactor so that the zinc metal evaporates to a molecular state; Moving the zinc metal in the molecular state to the growth region using a carrier gas supplied to the reactor; And reacting the oxygen gas injected directly into the growth region on the growth substrate with the zinc metal that has become the molecular state.
  • an electroluminescent display nanorod manufacturing method using zinc oxide nanorods is to place a zinc metal in the source region in the reactor, the growth substrate is the reactor Positioning in a growth region within the body; Heating the inside of the reactor so that the zinc metal evaporates to a molecular state; Moving the zinc metal in the molecular state to the growth region using a carrier gas supplied to the reactor; And growing zinc oxide nanorods by reacting oxygen gas directly injected into the growth region on the growth substrate with zinc metal in the molecular state. And applying the zinc oxide nanorods as a cathode material of a field emission display (FED).
  • FED field emission display
  • the zinc oxide nanorods comprises the steps of placing the zinc metal in the source region in the reactor, the growth substrate in the growth region in the reactor; Heating the inside of the reactor so that the zinc metal evaporates to a molecular state; Moving the zinc metal in the molecular state to the growth region using a carrier gas supplied to the reactor; And reacting oxygen gas directly injected into the growth region on the growth substrate with zinc metal that has become the molecular state.
  • a zinc oxide nanorod manufacturing apparatus using a metal transport deposition method is a horizontal type consisting of a source region in which zinc metal is located and a growth region in which a growth substrate is located.
  • Reactor A heating device for heating the inside of the reactor so that the zinc metal evaporates to a molecular state;
  • a carrier gas injection unit for moving the zinc metal in the molecular state to the growth region by using the carrier gas supplied to the reactor;
  • an oxygen injection unit for reacting oxygen gas directly injected into the growth region on the growth substrate with zinc metal that has become the molecular state.
  • the embodiments of the present invention it is possible to grow high quality zinc oxide nanorods and nanowires at a relatively low temperature compared to the existing high temperature process and CVD process, and the growth substrate is applied to silicon, glass, quartz, sapphire, etc. By diversifying accordingly, the grown nanorods can be used in a wide area.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a zinc oxide nanorods manufacturing apparatus using a metal transport deposition method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method of manufacturing zinc oxide nanorods using a metal transport deposition method performed using the zinc oxide nanorod manufacturing apparatus of FIG. 1.
  • 3A and 3B are electron micrographs of zinc oxide nanorods grown on a silicon substrate according to the manufacturing method of FIG. 2.
  • 4A and 4B are electron micrographs of zinc oxide nanorods grown on a glass substrate according to the manufacturing method of FIG. 2.
  • 5A and 5B are graphs showing optical characteristics of zinc oxide nanorods grown on silicon and glass substrates according to the manufacturing method of FIG. 2, respectively.
  • 6A and 6B show light emission results of FED using zinc oxide nanorods grown on silicon and glass substrates according to the manufacturing method of FIG. 2, respectively.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a zinc oxide nanorods manufacturing apparatus using a metal transport deposition method according to an embodiment of the present invention.
  • Reactor 101 is a horizontal structure consisting of a source region in which the zinc metal is located and a growth region in which the growth substrate 121 is located.
  • the zinc metal located in the source region may be pellet, plate, block or the like.
  • the zinc metal may be placed on the raw material container 111.
  • the heating device 110 heats the interior of the reactor so that the zinc metal evaporates to a molecular state.
  • the heating rate of the heating device 110 may be between 5 ° C / min ⁇ 50 ° C / min.
  • the heating temperature of the heating device 110 may be 500 ° C or less.
  • the heating apparatus 110 of the source region heats the region to a temperature of 350 ⁇ 900 °C
  • the heating apparatus 120 of the growth region heats the region to 400 ⁇ 1000 °C.
  • the carrier gas injection units 132 and 133 move zinc metal in a molecular state to the growth region by using the carrier gas supplied to the reactor 101.
  • the carrier gas may be nitrogen, argon, hydrogen or a mixture thereof.
  • the oxygen injection unit 131 reacts the oxygen gas directly injected into the growth region on the growth substrate 121 with the zinc metal in a molecular state.
  • the oxygen injection unit 131 may be controlled to grow the zinc oxide nanorods on the growth substrate 121 for 5 minutes to 5 hours.
  • the manufacturing process of the zinc oxide nanorods according to an embodiment of the present invention may be divided into a first step in which zinc is evaporated and a second step in which evaporated zinc is aggregated on a substrate and grown into nanorods and nanowires.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method of manufacturing zinc oxide nanorods using a metal transport deposition method performed using the zinc oxide nanorod manufacturing apparatus of FIG. 1.
  • Zinc which is an evaporation raw material, is prepared from powder, pellets, plates or ingots, and fine metals are preferred in order to increase the evaporation amount of zinc gas at low temperatures.
  • Nitrogen and argon gas which evaporates pure zinc gas and transports the evaporated metal, may have a purity of 99.995% or more in order to minimize the deterioration of characteristics of the grown zinc oxide nanorods and nanowires.
  • the process (S210) first, by opening the reactor 101 to put a suitable amount of zinc metal in the quartz or alumina container 111 in the growth region, and then put the substrate to be grown in the growth region with about 5 ⁇ 45 ° tilt. It can be a process.
  • the inside of the reactor 101 is heated so that the zinc metal evaporates to a molecular state (S220).
  • the heating rate of the reactor 101 may be between 5 ⁇ 50 °C / min.
  • the heating temperature of the metal region is an important factor to control the amount of evaporation of zinc. Higher heating temperatures can evaporate more zinc, but increase the kinetic energy of the evaporated zinc gas, thereby increasing the moving speed and moving distance. Therefore, it is preferable to select the heating temperature according to the distance and position of the zinc raw material to be evaporated.
  • the material used as the substrate may be thermally changed to cause deformation or thermal defects therein, and may deteriorate the properties of the nanorods and nanowires of the grown zinc oxide. Therefore, an appropriate temperature range should be selected according to the type of material to be used as the substrate.
  • the zinc metal in the molecular state is moved to the growth region (S230).
  • the process S230 may be a process of flowing nitrogen or argon gas at a flow rate of about 2500 ml / min. For about 60 minutes to remove impurities and the like remaining in the reactor 101.
  • the growth substrate 121 may be a silicon substrate, a sapphire substrate, a quartz substrate, or a glass substrate. More specifically, the zinc metal molecules transported to the growth region react with oxygen supplied by different paths at the position where the substrate is placed to form small zinc oxide molecules that can be deposited on the substrate and grow into nanorods and nanowires. The zinc oxide molecules are continuously reacted with metal zinc and high-purity oxygen which are continuously supplied to grow high quality nanorods and nanowires on a substrate placed in a growth position.
  • the growth time of the zinc oxide nanorods and nanowires is preferably selected by empirical experiments and may be between about 5 minutes and 5 hours. Since the growth time is deeply related to the length of the grown nanorods and nanowires, it is desirable to select an appropriate growth time.
  • This process (S240) is more preferably the flow rate of nitrogen or argon gas 2000 ml / min. While maintaining a constant degree, may be a process of supplying high purity oxygen to the growth substrate 121 position at about 500 ⁇ 5000ml / min. At this time, the thermally evaporated zinc metal molecules are transported to the growth position by nitrogen or argon gas of high purity, and the reaction is performed on the substrate with oxygen supplied through other paths to achieve growth of high quality zinc oxide nanorods and nanowires.
  • the reaction time during which the growth takes place is generally 60 minutes, but according to the purpose, any time from 5 minutes to 5 hours may be determined to grow the zinc oxide nanorods and the nanowires.
  • 3A and 3B are electron micrographs of the surface and cross section of the zinc oxide nanorods grown on the silicon substrate by this process.
  • FIGS. 4A and 4B Surfaces and cross sections of zinc oxide nanorods grown on glass substrates are shown in FIGS. 4A and 4B.
  • Zinc oxide nanorods grown on glass substrates were grown in the same way as silicon substrates. However, considering that the glass used here is deformed at about 700 °C, the growth temperature was maintained at 700 °C or less is different from the case of the silicon substrate.
  • the zinc oxide nanorods and nanowires are (1011) planes (the surfaces of the zinc oxide nanorods and nanowires stacked only on one side of the crystal). It can be seen that it was grown as a single crystal. While the existing zinc oxide nanorods and nanowires have a plurality of overlapping crystal faces, it can be confirmed that according to the embodiments of the present invention, very good zinc oxide nanorods have been grown.
  • 5A and 5B show optical property results of zinc oxide nanorods grown on silicon and glass substrates according to one embodiment of the present invention, respectively.
  • FIG. 5A shows optical properties by cathodic luminescence for zinc oxide nanorods grown on a silicon substrate
  • FIG. 5B shows optical properties by cathodic luminescence for zinc oxide nanorods grown on a glass substrate. Indicates. From these results, it can be seen that very high quality zinc oxide nanorods were grown, because no ultraviolet light emission characteristics were observed showing a band gap of zinc oxide in the vicinity of 380 nm.
  • a field emission display may be manufactured using the zinc oxide nanorods grown according to an embodiment of the present invention.
  • zinc oxide nanorods are mainly used as cathode material of FED.
  • FEDs each having a length of 3 cm x 3 cm in length and length were fabricated, and their luminescence properties were confirmed.
  • 6A and 6B show the light emission characteristics of the experimentally prepared FED, respectively.
  • FIG. 6A is a luminescence picture of a zinc oxide nanorod grown on a silicon substrate
  • FIG. 6B is a luminescence picture of a zinc oxide nanorod grown on a glass substrate.
  • both silicon and glass substrates are relatively uniform and show very bright luminescent properties, indicating that very good zinc oxide nanorods have been grown.

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Abstract

산화아연 나노로드, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법 및 장치, 그 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법은 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계; 상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 단계; 상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및 상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 단계를 포함한다.

Description

산화아연 나노로드, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법 및 장치, 그 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법
본 발명은 산화아연 나노로드 및 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비교적 저온에서 기판에 손쉽게 산화아연 나노로드 및 나노와이어를 성장시킴으로써 양질의 균일한 길이의 나노로드 및 나노와이어를 증착 시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이원계 산화물 반도체인 산화아연은 육방정계를 가지는 울자이트(wurzite) 결정구조로, 3.37 eV의 넓은 밴드 갭과 상온에서 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지를 가지는 직접 천이형 3-5족 화합물 반도체 물질이다. 가시광선 영역에서 높은 투과성과 굴절률 및 큰 압전 상수를 가지는 물질로서, 평판 디스플레이에 사용되는 산화인듐의 대체재로 사용되거나 또는 발광 소자, 레이저 다이오드 등의 저전압에서 사용되는 단파장의 물질로 이용되고 있다. 또한 전계방출 디스플레이나 태양 전지의 투명전극, 가스센서, 자외선 차단막 등으로 그 활용영역이 매우 넓다.
전자소자로서 사용되는 산화아연은 박막 형태로 사용되는 것이 일반적이었으나, 나노구조를 가진 산화아연 나노로드 및 나노와이어를 사용함으로써 임계 방출전류 밀도를 증가시킴으로써 최대의 효율을 얻을 수 있다. 또한 산화아연 나노로드를 유리기판 위에 코팅하여 사용할 경우에는 노출 면적을 최대한 늘림으로써 광촉매 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.
기존의 산화아연 나노로드 및 나노와이어의 제조방법으로는 CVD(Chemical Vapor Deposition), Solution Routes Process, Template Based Process, Laser Ablation Process 등 여러 가지가 있으며, 이들 중에서 비교적 간단한 공정이 금속 수송 증착 방법이라 할 수 있다. 그러나 기존의 알려진 금속 수송 증착 공정은 산화아연 형태의 원료를 사용하기 때문에 900 ~ 1000 ℃로 아주 높은 온도에서 기상화 시켜야 하는 고온 공정이라는 점과, 산화아연과 동일한 결정 성장면을 가지는 사파이어 기판에만 산화아연 나노로드 및 나노와이어의 성장이 가능하여 기판 선택이 제한된다는 점 등의 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 비교적 저온에서 발광 특성이 우수한 산화아연 나노로드나 나노와이어를 제조할 수 있는 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기의 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법을 통하여 증착된 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 금속 수송 증착법을 이용하여 제조된 산화아연 나노로드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기의 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법을 수행하기 위한 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법은 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계; 상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 단계; 상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및 상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 단계를 포함한다.
상기의 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법은 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계; 상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 반응로 내부를 가열하는 단계; 상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및 상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시켜 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계; 상기 산화아연 나노로드를 전계 발광 디스플레이(Field Emission Display; FED)의 음극물질로 적용하는 단계를 포함한다.
상기의 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드는 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계; 상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 단계; 상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및 상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 단계를 포함하여 구성되는, 금속 수송 증착법을 이용하여 제조된다.
상기의 네 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치는 아연금속이 위치하는 소스영역과 성장기판이 위치하는 성장영역으로 구성되는 수평형의 반응로; 상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 가열 장치; 상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 운반가스 주입부; 및 상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 산소 주입부를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 기존의 고온 공정 및 CVD 공정에 비해 비교적 저온에서 양질의 산화아연 나노로드 및 나노와이어를 성장시킬 수 있으며, 성장 기판을 실리콘, 유리, 석영, 사파이어 등으로 응용 목적에 따라 다양화시킴으로써 성장된 나노로드를 넓은 영역으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 산화아연 나노로드 제조 장치를 이용하여 수행되는 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법의 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 제조 방법에 따라 실리콘 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노로드의 전자현미경 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 제조 방법에 따라 유리 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노로드의 전자현미경 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 제조 방법에 따라 실리콘 및 유리 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노로드의 광학 특성을 각각 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 도 2의 제조 방법에 따라 실리콘 및 유리 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노로드를 이용한 FED의 발광 결과를 각각 나타낸 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
반응로(101)는 아연금속이 위치하는 소스영역과 성장기판(121)이 위치하는 성장영역으로 구성되는 수평형의 구조이다. 소스영역에 위치되는 아연금속은 펠렛상, 판상, 괴상 등일 수 있다. 아연금속은 원료 용기(111)위에 올려질 수 있다.
가열 장치(110)는 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 반응로의 내부를 가열한다. 가열 장치(110)의 가열 속도는 5 ℃/분 ~ 50 ℃/분 사이일 수 있다. 가열 장치(110)의 가열 온도는 500 ℃ 이하일 수 있다. 바람직하게는, 소스영역의 가열 장치(110)는 해당 영역을 350 ~ 900℃의 온도로 가열하고, 성장영역의 가열 장치(120)는 해당 영역을 400 ~ 1000℃로 가열을 한다.
운반가스 주입부(132, 133)는 반응로(101)에 공급되는 운반가스를 이용하여 분자 상태가 된 아연금속을 성장영역으로 이동시킨다. 여기서 운반가스는 질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합물 등일 수 있다.
산소 주입부(131)는 성장기판(121) 위에서 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 분자 상태가 된 아연금속과 반응시킨다. 산소 주입부(131)는 5분 ~ 5시간 동안 성장기판(121) 위에서 산화아연 나노로드를 성장시키도록 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드의 제조공정은, 아연이 증발되는 제1단계와, 증발된 아연이 기판 위에 응집되면서 나노로드 및 나노와이어로 성장하는 제2단계로 나눌 수 있다.
도 2는 도 1의 산화아연 나노로드 제조 장치를 이용하여 수행되는 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법의 흐름도이다.
먼저, 아연금속을 반응로(101) 내의 소스영역에 위치시키고, 산화아연이 증착될 성장기판을 반응로(101) 내의 성장영역에 위치시킨다(S210). 증발 원료인 아연을 분말, 펠렛, 판재나 괴로 준비되며, 저온에서 아연 가스의 증발량을 증가시키기 위하여 미세 크기의 금속이 바람직하다. 순수한 아연가스의 증발과 증발된 금속을 수송하는 질소 및 아르곤 가스는 성장되는 산화아연 나노로드 및 나노 와이어의 특성 저하를 최소화하기 위하여 순도가 99.995 % 이상일 수 있다. 이 과정(S210)은 보다 구체적으로, 먼저 반응로(101)를 열어 성장 영역에 아연 금속을 석영 또는 알루미나 용기(111)에 적당량 넣고, 이후 성장영역에 성장할 기판을 약 5 ~ 45°기울기로 넣는 과정일 수 있다.
다음, 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 반응로(101)의 내부를 가열한다(S220). 이때, 소스영역뿐만 아니라, 성장영역도 가열될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서 반응로(101)의 가열 속도는 5 ~ 50 ℃/분 사이일 수 있다. 금속 영역의 가열 온도는 아연의 증발량을 조절할 수 있는 중요한 요소이며, 가열온도가 높으면 더 많은 아연을 증발시킬 수 있으나 증발된 아연가스의 운동에너지를 증가시켜 이동속도 및 이동거리를 증가시킨다. 따라서 기판과 증발되는 아연 원료의 거리 및 위치에 따라 가열온도를 선택하는 것이 바람직하다. 또한 가열온도가 높으면 기판으로 사용되는 물질을 열적으로 변화시켜 변형을 일으키거나 내부에 열적 결함을 생성시킬 수 있으며, 성장되는 산화아연의 나노로드 및 나노와이어의 특성을 저하시킬 수 있다. 따라서 기판으로 사용될 물질의 종류에 따라 적정한 온도 범위를 선택하여야 한다.
다음, 반응로(101)에 공급되는 운반가스를 이용하여 분자 상태가 된 아연금속을 성장영역으로 이동시킨다(S230). 예를 들어, 가열공정과 산화아연 나노로드와 나노와이어의 성장 공정 동안 질소 또는 아르곤 가스를 약 10 ~ 3000 sccm 정도 흘려준다. 이때 유입되는 질소 또는 아르곤 가스는 증발된 아연금속 분자를 운반해준다. 공급되는 가스의 양이 많아질수록 공급되는 산소의 양도 많아지나 증발된 아연가스의 이동거리를 증가시켜 배출에 의해 소모되는 양을 증가시킨다. 따라서 증발 온도와 기판과 금속 아연과의 거리를 고려하여 적당한 운반 가스의 유량을 선택하여야 한다. 이 과정(S230)은 보다 구체적으로, 반응로(101) 내에 잔류하고 있는 불순물 등을 제거하기 위하여 약 2500ml/min.의 유량으로 질소 또는 아르곤 가스를 약 60 분간 흘려주는 과정일 수 있다.
마지막으로, 성장기판(121) 위에서 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 분자 상태가 된 아연금속과 반응시킨다(S240). 여기서, 성장기판(121)은 실리콘 기판, 사파이어 기판, 석영 기판, 유리 기판일 수 있다. 보다 구체적으로 성장영역으로 운반된 아연 금속 분자는　기판이 놓인 위치에서 다른 경로로 공급된 산소와 반응을 하여 기판에서 증착되어 나노로드 및 나노와이어로 성장할 수 있는 작은 산화아연 분자를 형성한다. 이 산화아연 분자가 연속해서 공급되는 금속아연 및 고순도의 산소와 연속적으로 반응함으로써 양질의 나노로드 및 나노와이어가 성장 위치에 놓인 기판에 성장된다. 산화아연 나노로드 및 나노와이어의 성장시간은 경험적인 실험에 의하여 선택하는 것이 바람직하며 약 5분 ~ 5시간 사이일 수 있다. 성장시간은 성장된 나노로드 및 나노와이어의 길이와 관련이 깊으므로 적절한 성장시간을 선택하는 것이 바람직하다. 이 과정(S240)은 보다 바람직하게는 질소 또는 아르곤 가스의 유량을 2000 ml/min. 정도로 일정하게 유지하면서, 성장기판(121) 위치로 고순도의 산소를 약 500 ~ 5000ml/min.으로 공급하는 과정일 수 있다. 이때 열적으로 증발된 아연 금속 분자는 고순도의 질소 또는 아르곤 가스에 의해 성장 위치로 수송되고, 다른 경로로 공급되는 산소와 기판 위에서 반응이 이루어져 양질의 산화아연 나노로드 및 나노와이어의 성장이 이루어진다. 성장이 이루어지는 반응 시간은　 일반적으로 60분일 수 있으나, 목적에 따라 5분에서 5시간까지 중 임의의 시간을 정하여 산화아연 나노로드 및 나노와이어를 성장시킬 수 있다.
도 3a 와 3b는 이러한 과정으로 실리콘 기판위에 성장된 산화아연 나노로드의 표면 및 단면에 관한 전자현미경 사진이다.
유리 기판위에 성장된 산화아연 나노로드의 표면 및 단면은 도 4a와 도 4b에 도시하였다. 유리 기판 위에 성장되는 산화아연 나노로드는 실리콘 기판과 동일한 방법으로 성장시켰다. 다만 여기에 사용된 유리가 약 700 ℃ 부근에서 변형되는 특성을 고려하여 성장 온도를 700 ℃ 이하로 유지하였다는 점이 실리콘 기판의 경우와 다르다.
도 3a 내지 4b를 참고하면, 산화아연 나노로드 및 나노와이어는 (1011)면 (산화아연이 결정을 이루고 있어 산화아연 나노로드 및 나노와이어가 결정에서 어느 한 면으로만 적층되어 있는 면을 나타낸다)의 단결정으로 성장되었음을 알 수 있다. 기존의 산화 아연 나노로드 및 나노와이어는 결정면이 겹쳐 여러 개가 존재하는데 반해, 본 발명의 실시 예들에 따르면 매우 양질의 산화 아연 나노로드가 성장되었음을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 실리콘 및 유리 기판 위에 성장시킨 산화아연 나노로드의 광학적 특성 결과를 각각 나타낸다.
도 5a는 실리콘 기판위에 성장된 산화아연 나노로드에 대한 케소드루미네센스에 의한 광학적 특성을 나타내고, 도5b는 유리 기판위에 성장된 산화아연 나노로드에 대한 케소드루미네센스에 의한 광학적 특성을 나타낸다. 이들 결과로부터 380 nm 부근에서 산화아연의 밴드 갭을 보여주는 자외선 발광 특성을 보이면서 그 이후에는 아무런 발광 특성이 관측되지 않는 것으로 보아 매우 양질의 산화 아연 나노로드가 성장되었음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 성장된 산화아연 나노로드를 이용하여 전계 발광 디스플레이(Field Emission Display; FED)를 제조할 수 있다. 이 경우 산화아연 나노로드는 주로 FED의 음극물질로 사용된다.
실리콘과 유리 기판을 이용하여 성장된 산화아연 나노로드를 이용하여 가로 및 세로 길이가 각각 3cm x 3cm 크기의 FED를 제작하고 그 발광 특성을 확인하였다. 도 6a 및 도 6b는 실험적으로 제작된 FED의 발광 특성 결과를 각각 나타낸다.
도 6a는 실리콘 기판위에 성장된 산화아연 나노로드에 대한 발광 사진이고, 도 6b는 유리 기판위에 성장된 산화아연 나노로드에 대한 발광 사진이다. 사진에서 알 수 있는 바와 같이 실리콘 기판인 경우나 유리 기판인 경우 모두 비교적 균일하면서, 매우 밝은 발광 특성을 보여주는 것으로 보아 매우 양질의 산화아연 나노로드가 성장되었음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계;
    상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 단계;
    상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및
    상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 단계
    를 포함하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응로는 수평형인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소스영역에 위치되는 아연금속은
    펠렛상, 판상 또는 괴상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 성장기판은
    실리콘 기판, 사파이어 기판, 석영 기판 또는 유리 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운반가스는
    질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는
    가열 속도가 5 ℃/분 이상 50 ℃/분 이하인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는
    가열 온도가 500 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응시키는 단계는
    5분 이상 5시간 이하의 시간 동안 상기 성장기판 위에서 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 방법.
  9. 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계;
    상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 반응로 내부를 가열하는 단계;
    상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계;
    상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시켜 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계; 및
    상기 산화아연 나노로드를 전계 발광 디스플레이(Field Emission Display; FED)의 음극물질로 적용하는 단계
    를 포함하는, 산화아연 나노로드를 이용한 전계 발광 디스플레이 나노로드 제조 방법.
  10. 아연금속을 반응로 내의 소스영역에 위치시키고, 성장기판을 상기 반응로 내의 성장영역에 위치시키는 단계;
    상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 단계;
    상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 단계; 및
    상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 단계를 포함하여 구성되는, 금속 수송 증착법을 이용하여 제조된 산화아연 나노로드.
  11. 아연금속이 위치하는 소스영역과 성장기판이 위치하는 성장영역으로 구성되는 수평형의 반응로;
    상기 아연금속이 증발하여 분자 상태가 되도록 상기 반응로의 내부를 가열하는 가열 장치;
    상기 반응로에 공급되는 운반가스를 이용하여 상기 분자 상태가 된 아연금속을 상기 성장영역으로 이동시키는 운반가스 주입부; 및
    상기 성장기판 위에서 상기 성장영역에 직접 주입되는 산소가스를 상기 분자 상태가 된 아연금속과 반응시키는 산소 주입부
    를 포함하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 운반가스는
    질소, 아르곤, 수소 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 가열 장치는
    가열 속도가 5 ℃/분 이상 50 ℃/분 이하인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 가열 장치는
    가열 온도가 500 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 산소 주입부는
    5분 이상 5시간 이하의 시간 동안 상기 성장기판 위에서 산화아연 나노로드를 성장시키는 것을 특징으로 하는, 금속 수송 증착법을 이용한 산화아연 나노로드 제조 장치.
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