[논문]암모니아 분위기에서 열처리된 GaOOH와 ZnO 혼합분말의 구조적·광학적 성질

송창호; 신동휘; 변창섭; 김선태

doi:10.3740/mrsk.2012.22.11.575

암모니아 분위기에서 열처리된 GaOOH와 ZnO 혼합분말의 구조적·광학적 성질
Optical and Structural Properties of Ammoniated GaOOH and ZnO Mixed Powders 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.22 no.11, 2012년, pp.575 - 580

송창호 (마이다스시스템(주)) , 신동휘 (한밭대학교 신소재공학과, 정보전자부품소재연구소) , 변창섭 (한밭대학교 신소재공학과, 정보전자부품소재연구소) , 김선태 (한밭대학교 신소재공학과, 정보전자부품소재연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the crystalline structure and optical properties of (GaZn)(NO) powders prepared by solid-state reaction between GaOOH and ZnO mixture under $NH_3$ gas flow. While ammoniation of the GaOOH and ZnO mixture successfully produces the single phase of (GaZn)(NO) solid solution within a GaOOH rich composition of under 50 mol% of ZnO content, this process also produces a powder with coexisting (GaZn)(NO) and ZnO in a ZnO rich composition over 50 mol%. The GaOOH in the starting material was phase-transformed to ${\alpha}$-, ${\beta}-Ga_2O_3$ in the $NH_3$ environment; it was then reacted with ZnO to produce $ZnGa_2O_4$. Finally, the exchange reaction between nitrogen and oxygen atoms at the $ZnGa_2O_4$ powder surface forms a (GaZn)(NO) solid solution. Photoluminescence spectra from the (GaZn)(NO) solid solution consisted of oxygen-related red-emission bands and yellow-, green- and blue-emission bands from the Zn acceptor energy levels in the energy bandgap of the (GaZn)(NO) solid solutions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Ga 산화물인 GaOOH가 GaN로 전이되는 반응역학에 대한 선행연구⁵⁾를 토대로, 출발 물질인 GaOOH와 ZnO 혼합분말이 NH₃ 분위기에서의 열처리에 의해 GaN계 산질화물인 (GaZn)(NO) 고용체가 생성되는 과정을 이해하고 형광체로의 응용 가능성을 타진하기 위해 X선 회절분석(X-ray Diffraction; XRD)과 광루미네센스(Photoluminescence; PL) 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 GaOOH과 ZnO 혼합 분말이 NH₃가스 분위기에 의해 (GaZn)(NO) 고용체가 형성되는 과정과 상온에서의 PL 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

Cu-kα1(λ =1.5405 Å)의 단색광을 얻기 위하여 graphite 분광기를 설치하였으며, X선 관의 가속전압과 전류는 각각 40 kV와 100 mA로 일정하게 하고, 분당 4°씩 0.02°의 step으로 10~80°의 범위에서 측정하였다.
02°의 step으로 10~80°의 범위에서 측정하였다. 또한 혼합된 분말의 열적인 특성을 알아보기 위해 열분석장치(TA Instruments, SDT 2960)의 Al₂O₃ 도가니에 일정량 담은 후 순도가 99.999%인 질소가스를 100 sccm/min으로 공급하면서 상온부터 1150℃까지의 온도범위에서 가열하였다. 한편, 발진파장이 325 nm이고 광출력이 25 mW인 He-Cd 레이저와 초점거리가 50 cm인 분광기 및 광학현미경을 이용한 시료 정렬장치와 열전냉각식의 CCD 광검출기로 구성된 PL 측정장치(Dongwoo, Ramboss-500i)를 사용하여 상온에서의 발광 스펙트럼을 측정하였다.
본 연구에서의 출발물질인 GaOOH는 실험실에서의 방법으로 직접 제조하였으며,4) 0.5 g의 GaOOH에 대해 ZnO(99.99%, 고순도화학) 분말을 몰비에 따라 칭량하여 첨가한 후 유발을 이용하여 혼합·분쇄하였다.
위의 방법으로 반응이 완료된 시료를 채취하여 건조된 유리병에 담아 진공상태에서 보관하였다. 시료의 형상을 조사하기 위하여 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscopy; COXEM, CX-100S)으로 관찰하였고, 결정 구조를 확인하기 위해 Cu target이 장착된 X-선 회절분석기(Rigaku D/MAX 2500U)를 사용하였다. Cu-kα₁(λ =1.
유사하게 β-Ga2O3와 ZnO 혼합 분말을 NH3 분위기에서 열처리하여 GaN과 ZnO의 고용체인 (GaZn)(NO) 분말을 제조하고, 이를 가시광선에 의해 물을 분해시켜 수소 에너지를 얻는데 필요한 새로운 광촉매제로 적용하였다.
99%, 고순도화학) 분말을 몰비에 따라 칭량하여 첨가한 후 유발을 이용하여 혼합·분쇄하였다. 이와 같이 준비된 혼합 분말 0.3 g을 석영용기에 담아 석영반응관이 장착된 수평 3단 전기로의 온도가 균일한 영역에 위치시키고, 상온에서부터 초고순도 N₂ 가스(99.999%)를 1000 sccm으로 주입하면서 전기로의 온도를 10℃/min으로 설정온도까지 승온시켰다. 전기로의 온도가 반응 온도에 도달되면 초고순도 NH₃ 가스(99.
999%인 질소가스를 100 sccm/min으로 공급하면서 상온부터 1150℃까지의 온도범위에서 가열하였다. 한편, 발진파장이 325 nm이고 광출력이 25 mW인 He-Cd 레이저와 초점거리가 50 cm인 분광기 및 광학현미경을 이용한 시료 정렬장치와 열전냉각식의 CCD 광검출기로 구성된 PL 측정장치(Dongwoo, Ramboss-500i)를 사용하여 상온에서의 발광 스펙트럼을 측정하였다.

성능/효과

(a)를 통하여 알 수 있듯이 600℃의 온도에서는 출발물질인 GaOOH는 검출되지 않았지만 ZnO가 검출되었으며, GaOOH가 Ga산화물로 전환되는 과정중의 저온 안정상인 α-Ga2O3와 Ga 산화물과 ZnO 사이의 반응에 의해 합성된 ZnGa2O4가 함께 검출되었다.
즉, 순수한 GaOOH로부터 합성된 GaN 분말의 경우에는 Fig. 6(a)에서와 같이 주된 발광 파장이 670 nm이고 반치폭이 200 nm인 약한 강도의 발광이 나타났으며, ZnO의 량이 증가함에 따라 RL 발광강도가 증가함과 동시에 발광 파장이 짧은 쪽으로 이동하였으나 스펙트럼의 형태는 크게 변화되지 않았다. ZnO의 첨가량이 50 mol%인 경우에는 Fig.
1) GaOOH에 첨가되는 ZnO의 량에 따라 합성되는 분말은 육방정 결정구조로부터의 회절특성을 보였으며, 격자상수는 GaN로부터 ZnO까지 선형적으로 증가하였다. ZnO의 첨가량이 50 mol%보다 작은 경우에는 (GaZn)(NO) 완전고용체를 형성하지만, 그 이상인 경우에는 ZnO가 완전 고용되지 않고 분리된 상태로 존재하였다.
11) 이와 같은 사실로부터 출발물질인 GaOOH와 ZnO 혼합분말은 NH3가스 분위기에서의 열처리에 의해 GaOOH가 우선적으로 α-Ga2O3와 β-Ga2O3로 상전이를 일으킨 후 온도가 높아짐에 따라 ZnO와의 반응에 의해 ZnGa2O4로 전이를 일으키고, 800℃ 이상의 온도에서는 NH3의 분해에 의해 형성된 N 원자와의 결합에 의해 (GaZn)(NO) 고용체를 형성하게 됨을 알 수 있다.
3) 상온에서 (GaZn)(NO) 고용체의 PL 스펙트럼은 적색, 황색, 녹색 및 청색의 발광으로 구성되었으며, 적색 발광은 결정 내에 잔류하는 산소와 관련이 있으며, 황색, 녹색 및 청색 발광은 (GaZn)(NO) 고용체의 에너지 밴드갭 내에 서로 다른 위치에 형성된 Zn 억셉터를 통한 재결합 발광에 의한 것이다.
이는 Ga와 Zn의 이온반경의 크기를 고려하면 매우 타당하다.⁹⁾ 즉, ZnO의 첨가량이 증가할수록 GaN와 ZnO의 고용체 형성에 관여하는 Zn 이온의 양이 증가하고 상대적으로 이온반경이 큰 Zn 원자에 의해 격자상수가 증가하는 것을 의미한다. 그러나 Fig.
또한 GaOOH에 첨가되는 ZnO의 량이 증가함에 따라 β-Ga2O3로부터의 회절선 강도가 감소하고 (GaZn)(NO)로 부터의 회절선 강도가 증가함과 동시에 반치폭이 감소하는 것으로부터 ZnO의 첨가에 의해 육방정 구조를 갖는 GaN-ZnO 화합물의 생성과 결정화가 촉진되는 것을 알 수 있다.
순수한 GaOOH 분말과 GaOOH에 ZnO를 일정량 첨가한 혼합분말을 NH₃ 분위기에서 열처리한 시료는 모두 노란색을 띄었으며, ZnO의 첨가량이 증가함에 따라 분말의 색이 짙어졌다. Fig.
실험에서의 방법으로 NH3 분위기에서 열처리된 GaN와 ZnO에 대해 측정된 격자상수는 각각 a0= 3.19 Å, c0= 5.18 Å와 a0= 3.26 Å, c0= 5.22 Å이었고, 두 축의 격자상수의 비(c0/a0)는 각각 1.62과 1.60으로서 JCPDS 카드에 주어진 값과 거의 일치하였다.
6은 ZnO의 첨가량이 서로 다른 혼합분말을 NH₃ 분위기에서 900℃의 온도로 1시간 동안 열처리시킨 시료에 대하여 상온에서 측정한 PL 스펙트럼을 나타낸 것이다. 우선 모든 시료에서 640~670 nm의 파장영역에서 반치폭이 매우 큰 적색발광(RL)이 관찰되었으며, ZnO의 첨가량이 증가함에 따라 500 nm 부근에서의 녹색발광(GL)과 400 nm 부근에서의 청색발광(BL)이 현저하게 나타났다. 즉, 순수한 GaOOH로부터 합성된 GaN 분말의 경우에는 Fig.
우선, ZnO의 첨가량에 관계없이 모든 시료에서 GaN와 같은 육방정구조에서 관찰되는 회절선이 나타났으며, ZnO의 첨가량이 증가함에 따라 회절강도가 증가함과 동시에 회절각 2θ가 작은 쪽으로 이동하였다.
5 µm 정도 크기의 입자들이 응집되어 있었다. 이로부터 GaOOH에 첨가되는 ZnO의 량이 증가함에 따라 합성되는 분말의 입자 크기가 감소하는 것을 알 수 있었다.
이와 같은 열분석의 결과는 앞서 설명한 바와 같이 출발물질인 GaOOH와 ZnO 혼합분말은 우선적으로 GaOOH가 α-Ga2O3와 β-Ga2O3로 상전이를 일으킨 후 온도가 높아짐에 따라 ZnO와의 반응에 의해 ZnGa2O4로 전이를 일으키고, NH3 분위기에서의 열처리에 의해 (GaZn)(NO) 고용체를 형성하게 됨을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ga 산화물로부터 GaN가 형성되는 과정은 어떻게 이루어지는가?	이와 같이 Ga 산화물로부터 GaN가 형성되는 과정은 중간 안정상인 α-Ga2O3 또는 β-Ga2O3로 상전이를 통해 이루어지는 것으로 파악되었다.3-4) 또한 β-Ga2O3와 ZnO 혼합 분말의 경우에는 중간 생성물인 ZnGa2O4로 전이된 후 (GaZn)(NO) 고용체가 생성되는 것으로 알려져 있으며, 특히 (GaZn)(NO) 고용체의 경우 ZnGa2O4에 의해 Zn의 고용률이 결정되고, (GaZn)(NO) 고용체 내에서 Zn의 최대 고용비율은 이론적으로는 50 mol%이지만 실제적으로는 30% 이상의 고용체를 얻는 것이 매우 곤란한 것으로 알려져 있다.
	(GaZn)(NO) 고용체를 형성하기 위해 GaOOH에 ZnO를 첨가할 경우 육방정 결정구조로부터 어떤 특성이 나타났는가?	1) GaOOH에 첨가되는 ZnO의 량에 따라 합성되는 분말은 육방정 결정구조로부터의 회절특성을 보였으며, 격자상수는 GaN로부터 ZnO까지 선형적으로 증가하였다. ZnO의 첨가량이 50 mol%보다 작은 경우에는 (GaZn)(NO) 완전고용체를 형성하지만, 그 이상인 경우에는 ZnO가 완전 고용되지 않고 분리된 상태로 존재하였다.
	금속 Ga과 NH3 가스를 1000℃ 이상의 온도에서 직접 반응시키면 어떤 크기의 GaN 분말이 합성되는가?	일반적으로 금속 Ga과 NH3 가스를 1000℃ 이상의 온도에서 직접 반응시키면 수 µm부터 수 mm 크기의 GaN 분말이 합성되며,2) β-Ga2O33) 또는 GaOOH4,5) 를 NH3 분위기에서 열처리하면 수 µm 크기의 GaN 분말이 합성된다. 한편, Shimada 등6)은 β-Ga2O3, ZnO 및 C 혼합 분말을 NH3 분위기에서 열처리하여 2 mm 크기의 Zn가 도핑된 GaN 결정을 성장시켰으며, Watanabe와 Uekusa는7) β-Ga2O3, ZnO 및 MnO 혼합 분말을 NH3 분위기에서 열처리하여 등황색을 발광하는 (ZnO)1-x(GaN)x:Mn2+ 형광체 분말을 합성하였다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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