[논문]수열합성법에 의해 Zn 기판 위에 제조된 ZnO 나노로드의 특성

성지혜; 김진호; 황종희; 임태영; 연득호; 조용수

doi:10.6111/jkcgct.2011.21.4.147

수열합성법에 의해 Zn 기판 위에 제조된 ZnO 나노로드의 특성
Fabrication and characteristics of ZnO nanorods grown on Zn substrates by the hydrothermal method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.21 no.4, 2011년, pp.147 - 152

성지혜 (한국세라믹기술원 전자.광소재 센터) , 김진호 (한국세라믹기술원 전자.광소재 센터) , 황종희 (한국세라믹기술원 전자.광소재 센터) , 임태영 (한국세라믹기술원 전자.광소재 센터) , 연득호 (한국세라믹기술원 전자.광소재 센터) , 조용수 (연세대학교 신소재공학과)

초록
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수열합성법에 의해 ZnO 씨앗층이 코팅된 Zn 기판 위에 제조된 ZnO 나노로드는 주로 ZnO 전구체 농도에 따라 연구되었다. 주사전자현미경과 X선 회절분석기를 사용하여 얻은 그림은 실험 조건에 따라 변화되는 ZnO 나노로드의 미세구조와 결정상을 밝혀내기 위해 측정되었다. 나노로드의 형태는 전구체 농도에 강하게 결정된다. 예를 들어, 600~700 nm의 직경과 $6.75{\mu}m$의 길이를 갖는 육방정계 구조의 수직 성장된 ZnO 나노로드는 0.015 M의 가장 높은 농도에서 명확하게 관찰되었다. 강한 육방정계 구조는 가장 높은 PL 강도와 $1000{\mu}A$에서 약 6.069 V의 우수한 전압 값과 관련이 있다고 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZnO nanorods fabricated on a Zn substrate pre-coated with ZnO as a seed layer by the hydrothermal method were studied mainly as a function of ZnO precursor concentration. Characteristic features by using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and X-ray diffraction (XRD) were investigated to define the changed micro-structure and crystalline phase of the ZnO nanorods according to the experimental conditions. The nanorod morphology strongly depended on the precursor concentration. For example, ZnO nanorods vertically aligned with a hexagonal (002) oriented structure with a diameter of 600~700 nm and length of $6.75{\mu}m$ were clearly observed at the highest concentration of 0.015 M. The strong hexagonal structure was believed to be associated with the highest photoluminescene (PL) intensity and a promising voltage value of ca. 6.069 V at $1000{\mu}A$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

, 25 %)를 넣어 용액을 제조하였다. ZnO 전구체 용액 농도를 조절하여 0.005 M, 0.0075 M, 0.01 M, 0.015 M 농도의 용액을 제조하고, Zn 기판을 실리콘 홀더에 끼운 후 제조한 전구체 용액에 침적시켜 100℃에서 2시간 ZnO 나노로드를 성장시켰다. ZnO 나노로드가 성장된 기판을 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조하였다.
0 %)을 혼합하여 씨앗층 용액을 제조하였다. Zn기판의 친수 처리를 위해 증류수와 에탄올을 2:3의 부피비로 섞은 후 KOH를 1.0 wt% 첨가한 용액에 기판을 담근 후 5~10분 초음파 처리를 하고 증류수로 10분간 3회 세정하였다. 질소가스로 건조한 zinc 기판 위에 제조한 씨앗층 용액을 떨어뜨린 후 500 rpm으로 5초, 3000 rpm으로 30초 동안 spin coating 한 후 상온에서 1시간 건조시킨 후 400℃에서 1시간 열처리하였다.
전구체 용액 농도에 따른 ZnO 나노구조의 표면 미세구조와 결정 구조 분석을 위해 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)와 X-ray diffraction(XRD, KFX-987228-SE, Mac Science)를 사용하였다. 또 광학적 특성평가를 위하여 photoluminescene(PL, PRO5000, Darsa)와 전기적 특성을 평가하기 위하여 IV-curve(high voltage source measure unit 237, KEITHLEY)를 측정하였다.
본 연구에서는 Zn 기판 위에 sol-gel spin coating으로 ZnO 씨앗층을 성장시킨 후, 그 위에 ZnO 전구체 용액 농도를 변화시켜 수열합성법으로 ZnO 나노로드를 성장시켰다. 전구체 농도 변화에 따른 ZnO 나노로드의 미세 구조, 광학적 특성, 결정 배향성, 전기적 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 수열합성법으로 ZnO 전구체 용액 농도를 조절하여, ZnO 나노로드 제조 하였으며 구조적, 광학적, 전기적 특성을 평가하였다. 전구체 용액 농도가 증가함에 따라 입경이 약 50 nm인 입자에서 직경이 약 600~700 nm의 완전한 육방정계 ZnO 나노로드로 성장 하였고, PL intensity 및 인가된 전류에서 측정 전압값도 증가하였다.
본 연구에서는 Zn 기판 위에 sol-gel spin coating으로 ZnO 씨앗층을 성장시킨 후, 그 위에 ZnO 전구체 용액 농도를 변화시켜 수열합성법으로 ZnO 나노로드를 성장시켰다. 전구체 농도 변화에 따른 ZnO 나노로드의 미세 구조, 광학적 특성, 결정 배향성, 전기적 특성을 평가하였다.
ZnO 나노로드가 성장된 기판을 증류수로 세척한 후 질소가스로 건조하였다. 전구체 용액 농도에 따른 ZnO 나노구조의 표면 미세구조와 결정 구조 분석을 위해 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)와 X-ray diffraction(XRD, KFX-987228-SE, Mac Science)를 사용하였다. 또 광학적 특성평가를 위하여 photoluminescene(PL, PRO5000, Darsa)와 전기적 특성을 평가하기 위하여 IV-curve(high voltage source measure unit 237, KEITHLEY)를 측정하였다.

대상 데이터

ZnO 나노로드를 제조하기 위하여 증류수에 zinc nitrate hexahydrate(Zn(NO3)2 · 6H2O, Wako Co., 99.0 %)와 ammonium chloride(NH4Cl, Wako Co., 99.9 %), urea (Co(NH2)2, Wako Co., 99.0 %), NH3(aq)(Wako Co., 25 %)를 넣어 용액을 제조하였다.
실험에 사용된 zinc 기판 substrate(15 mm in diameter, 0.25 mm in thickness, purity 99.99 %, Good Fellow Co.) 위에 씨앗층을 생성시키기 위하여 2-methoxyethanol(CH3OCH2CH2OH, Wako Co., 99.0 %)에 zinc acetate dehydrate(Zn(CH3COO)2 · 2H2O, Wako Co., 98 %)와 monoethanolamine(H2NCH2CH2OH, Wako Co., 99.0 %)을 혼합하여 씨앗층 용액을 제조하였다.

성능/효과

2는 ZnO 씨앗층이 코팅된 Zn 기판 위에 전구체 용액 농도에 따라 제조된 ZnO 나노로드의 FE-SEM 표면사진이다. 각 농도에서 제조된 ZnO 나노로드를 보면 0.005 M에서는 입경 50 nm 정도 구성된 cluster로 존재하였으며, 0.0075 M에서는 직경 30~50 nm의 불완전한 육각형의 각기둥, 0.010 M에서는 직경 200~300 nm인 육각형 나노로드, 0.015 M에서는 직경 600~700 nm의 판상형태의 나노로드를 확인할 수 있었다. 또 FE-SEM으로 ZnO 나노구조의 막 두께를 측정한 결과 농도에 따라 0.
75 µm로 성장하였다. 위의 결과에 알 수 있듯이 사용된 전구체 용액의 농도가 증가됨에 따라 각 농도에서 제조된 나노로드 직경과 길이가 증가하였다. 그 이유는 아래 두 가지 ZnO 나노로드 제조 공정에 의해 설명된다.
ZnO 나노로드의 결정성과 광특성을 평가하는 방법으로 DLE에 대한 NBE 비율이 알려져 있다[24, 25]. 이를 통해 전구체 농도 0.01 M에서 성장된 ZnO 나노로드의 결정성과 광특성이 가장 우수하다는 사실을 확인하였다. 또 전구체 농도에 따른 막 두께의 증가가 laser source에 의해 여기된 전자의 재결합에 의한 발생한 빛의 양이 더 많았기 때문에 발광세기가 증가한 것으로 보인다.
본 연구에서는 수열합성법으로 ZnO 전구체 용액 농도를 조절하여, ZnO 나노로드 제조 하였으며 구조적, 광학적, 전기적 특성을 평가하였다. 전구체 용액 농도가 증가함에 따라 입경이 약 50 nm인 입자에서 직경이 약 600~700 nm의 완전한 육방정계 ZnO 나노로드로 성장 하였고, PL intensity 및 인가된 전류에서 측정 전압값도 증가하였다. 또 전구체 용액 농도가 증가에 따라 ZnO 나노로드의 결정 배향성도 이동하였다.

후속연구

069 V 전압으로 가장 우수하였다. 위의 결과로부터, 전구체 용액의 농도가 전기적 특성을 조절할 수 있는 주요한 변수임을 확인하였고, 수열합성법으로 제조된 나노로드 기판은 향후 전기적 디바이스, 반도체 및 센서에 활용될 수 있는 좋은 재료로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO는 무엇인가?	ZnO는wurtzite구조의 II-VI족 화합물 반도체로서 3.37 eV의 비교적 큰 밴드갭과 60 meV의 높은 엑시톤 결합에너지(exciton binding energy) 때문에 UV(ultraviolet) 및 LED(light emitting diode) 와 같이 단 파장의 광전자소자용 재료로 사용되고 있다[1].
	ZnO는 무엇으로 합성이 가능한가?	또 전기적, 광학적및 압전소자로서 ZnO 나노 박막에 관련된 연구가 활발 하게 진행되고 있다[2]. ZnO는 합성하는 방법과 조건에 따라 나노벽(nanowall)[3, 4], 나노튜브(nanotube)[5], 나노로드(nanorod)[6-8] 그리고 나노와이어(nanowire)[9, 10] 등 다양한 형태(Morphology) 로의 합성이 가능하다. 이러한 다양한 형태의 ZnO나노구조를 제조하기 위하여 스퍼터링(sputtering)[11], 화학기상증착법(chemical vapor deposition)[12], 열증착법(thermal evaporationg)[13, 14], 펄스레이저증착법(pulsed laser deposition)[15], 방법 등이 연구되어 왔다.
	다양한 형태의 ZnO나노구조를 제조하기 위한 방법들의 단점은 무엇인가?	이러한 다양한 형태의 ZnO나노구조를 제조하기 위하여 스퍼터링(sputtering)[11], 화학기상증착법(chemical vapor deposition)[12], 열증착법(thermal evaporationg)[13, 14], 펄스레이저증착법(pulsed laser deposition)[15], 방법 등이 연구되어 왔다. 하지만 이러한 합성 방법들은 복잡한 공정과 높은 온도와 압력을 필요로 하며 기판 선택의 제한이 있으며 대량생산의 어려움과 비싼 장비 가격 등의 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 다양한 방법들이 고안되고 있는 가운데, 공정이 간단하며 비교적 낮은 온도에서 대면적화가 가능한 수열합성법(hydrothermal method) 이 많은 주목을 받고 있다[16, 17].

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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