[논문]열 증발법에 의하여 제작된 ZnO 나노 구조의 형상에 미치는 산소 압력의 영향

이정헌; 이근형

doi:10.4313/jkem.2012.25.11.873

열 증발법에 의하여 제작된 ZnO 나노 구조의 형상에 미치는 산소 압력의 영향
Effect of Oxygen Pressure on the Morphology of ZnO Nanostructures Fabricated by Thermal Evaporation Technique 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.11, 2012년, pp.873 - 877

이정헌 (동의대학교 융합부품공학과) , 이근형 (동의대학교 융합부품공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of oxygen pressure in the synthesis of ZnO nanostructures through thermal evaporation of Zn powder was investigated. The thermal evaporation process was carried out in oxygen ambient for 1 hr at $1,000^{\circ}C$ under different pressures. The oxygen pressure was changed in range of 0.5 ~ 900 Torr. Any nanostructure was not formed on the specimens prepared at oxygen pressures lower than 10 Torr. When oxygen pressure was 100 Torr, ZnO nanowires were observed. With increasing the oxygen pressure to 500 Torr, the morphology of ZnO nanostructures changed from wire to tetrapod. For all the samples, room temperature photoluminescence spectra show a strong green emission peak at around 550 nm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 산소가 ZnO 결정성장에 어떤 영향을 미치는가를 구체적으로 이해하기 위하여, 열 증발법을 이용한 ZnO 나노 구조의 합성 과정에서 분위기 가스로 산소만을 사용하여 산소 압력이 ZnO 나노 구조체의 생성 및 형상에 미치는 영향을 살펴보았다.

제안 방법

X-선 회절 분석기 (XRD)를 사용하여 생성물의 결정학적 구조를 분석하였고, 생성물의 형상은 주사 전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다. 구성 성분은 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 분광분석기 (EDX)로 평가하였고, 광발광 특성은 광발광 분광분석기 (PL)로 분석하였다.
X-선 회절 분석기 (XRD)를 사용하여 생성물의 결정학적 구조를 분석하였고, 생성물의 형상은 주사 전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다. 구성 성분은 주사전자현미경에 부착된 에너지 분산 X선 분광분석기 (EDX)로 평가하였고, 광발광 특성은 광발광 분광분석기 (PL)로 분석하였다.
산소 압력에 따른 산화 생성물의 형상을 SEM으로 관찰하였다. 그림 2에 SEM 사진을 나타내었다.
산화 생성물의 결정학적 구조는 XRD 분석을 통하여 관찰하였다. 그림 4에 100 Torr의 산소 압력 분위기에서 생성된 ZnO의 XRD 패턴을 나타내었다.
전기로를 상온까지 냉각한 후, 하얀색의 생성물이 알루미나 도가니 내에서 관찰되었다. 생성물의 성분, 미세구조 및 광발광 등의 광학적 특성을 분석하였다.
Torr까지 진공상태로 만든 후, 산소 가스를 주입하여 압력을 조절하였다. 압력은 0.5〜 900 Torr 범위에서 변화시키면서 실험을 하였다. 원료로는 Aldrich사의 순도 99.

대상 데이터

그림 1에 본 실험에서 사용된 실험 장치를 도식적으로 나타내었다. 실험 장치는 수평형 전기로 (길이 50 cm), 석영유리관 (직경 10 cm, 길이 120 cm), 저진공 로터리 펌프, 가스 공급계 및 유량계로 구성되어있다.
ZnO 결정은 열 증발법을 사용하여 제작하였다. 실험은 튜브형 전기로를 사용하여 이루어졌다. 그림 1에 본 실험에서 사용된 실험 장치를 도식적으로 나타내었다.
5〜 900 Torr 범위에서 변화시키면서 실험을 하였다. 원료로는 Aldrich사의 순도 99.99%의 Zn 분말이 사용되었다. 분말의 형상은 구형이며 직경은 약 4 μm이다.

이론/모형

ZnO 결정은 열 증발법을 사용하여 제작하였다. 실험은 튜브형 전기로를 사용하여 이루어졌다.

성능/효과

Zn 증기의 과포화도가 중간인 경우에는 tetrapod 형상의 ZnO 나노 구조가 형성되었다고 하였다. 따라서 본 실험의 100 Torr 산소 압력 조건에서는 Zn 증기의 높은 증기압으로 인하여 높은 과포화 조건이 형성되었고 이로 인해 ZnO 나노선들이 형성되었을 것으로 추론할 수 있다. 반면에 산소 압력 500 Torr의 조건에서는 높은 산소 압력으로 인해 Zn 증기의 농도가 낮아졌고, 낮은 Zn 증기의 과포화도로 인해 tetrapod 형상의 ZnO 나노 결정이 합성되었을 것으로 추론된다.
이 실험 결과는 Wang 그룹의 실험결과와 비슷하다 [7]. 열 증발법을 이용하여 공기와 질소의 혼합가스 분위기에서 ZnO 나노 구조를 합성할 때, 질소에 대한 공기의 비가 높을수록, 즉 분위기 중의 산소 분압이 높아질수록 녹색 영역의 발광 강도가 급격히 증가하였다.
900 Torr의 산소 압력 조건에서 생성된 산화물에서는 다시 특정한 형상의 결정들이 관찰되지 않았다. 이상의 결과로부터 산소 압력은 ZnO 나노 구조의 생성뿐 아니라 형상에도 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 ZnO 나노 구조의 합성에서도 분위기 가스 중의 산소 함량이나 산소 분압이 나노 구조의 형상에 영향을 미칠 것으로 생각한다. 그러나 지금까지 ZnO 나노 구조의 합성에 관한 연구에서 산소 분압의 영향에 대한 연구 결과가 거의 보고된 바가 없으며, 또한 합성 과정 중에 산소도 Ar와 질소 등의 운반가스에 미량을 함유시켜 공급하였기 때문에 순수한 산소 분위기가 ZnO 나노 선의 합성에 미치는 영향을 살펴보는 것도 흥미있는 연구가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO의 특성은?	ZnO는 3.37 eV의 넓은 밴드갭과 60 meV의 큰 여기자 결합에너지의 특성 때문에 자외선 레이저와 같은 광전자 디바이스의 제작에 유용한 재료로 알려져있다. 특히, 큰 여기자 결합에너지 때문에 상온에서도 낮은 문턱 전압으로 자외선 영역의 레이저 발진이 가능하다.
	열 증발법에 존재하는 공정 변수에는 어떠한 것들이 있는가?	열 증발법에서는 반응 온도, 압력, 운반 가스 (가스의 종류, 유량 포함), 증발 시간과 같은 공정 변수들이 나노 구조의 형상과 조직에 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 또한, 반응물질의 농도도 나노 구조의 형상과 조직에 영향을 미치는 중요한 공정변수로 알려졌다.
	ZnO 나노 구조를 합성하는 방법 중 가장 일반적으로 사용되는 방법은?	ZnO 나노 구조를 합성하는 방법은 몇 가지 유형으로 분류된다: 기상 성장법 (여기에는 열 증발법, 화학 기상 증착법, 유기화학 기상 증착법, 레이저 어블레이션법 등이 있다), 액상 성장법, 졸-겔법, 템플릿 기반 합성 방법이 있다. 이러한 방법 중에서 열 증발법이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

참고문헌 (7)

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원문보기 상세보기
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G. H. Lee, Appl. Surf. Sci., 295, 562 (2012).
F. Xu, Y. Lu, Y. Xie, and Y. Liu, J. Phys. Chem., C113, 1052 (2009).
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