[논문]착체중합법을 이용한 Ga2O3 나노 분말의 합성

정종열; 김상훈; 강은태; 한규성; 김진호; 황광택; 조우석

doi:10.6111/jkcgct.2013.23.6.302

착체중합법을 이용한 Ga2O3 나노 분말의 합성
Synthesis of nano-sized Ga2O3 powders by polymerized complex method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.23 no.6, 2013년, pp.302 - 308

정종열 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김상훈 (한국세라믹기술원 이천분원) , 강은태 (국립경상대학교 공과대학 재료공학부 재료공학과) , 한규성 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김진호 (한국세라믹기술원 이천분원) , 황광택 (한국세라믹기술원 이천분원) , 조우석 (한국세라믹기술원 이천분원)

초록
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본 연구에서는 InGaZnO 산화물 반도체를 제조하기 위한 출발물질 중 하나인 $Ga_2O_3$ 분말을 착체중합법을 이용하여 합성하였다. 함께 사용되는 다른 출발 물질인 $In_2O_3$와 ZnO 분말 입자가 수십 nm 크기로 제조되는 반면 $Ga_2O_3$ 분말입자는 아직까지 수 ${\mu}m$ 크기의 입자가 사용되기 때문에 입도의 균일성을 확보하기 위해 착체중합법의 공정을 최적화하여 $Ga_2O_3$ 나노 분말을 합성하고 그 물성을 분석하였다. $Ga_2O_3$ 나노 분말 합성의 출발물질로 ethylene glycol, citric acid, $Ga(NO_3)_3$를 사용하였으며 $500{\sim}800^{\circ}C$에서 $Ga_2O_3$ 나노 입자을 합성하였다. TG-DTA 분석을 통해 전구체에서 유기물이 소실되는 온도를 확인하였고, XRD 분석을 통해 $Ga(NO_3)_3$ 농도 및 열처리 온도에 따른 $Ga_2O_3$ 나노 입자의 결정성을 확인하였다. SEM 분석을 이용하여 $Ga_2O_3$ 나노 입자의 미세 구조 및 입도 분포를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we report the synthesis and characteristics of gallium oxide ($Ga_2O_3$) nanoparticles prepared by the polymerized complex method. $Ga_2O_3$ nanoparticles were synthesized using $Ga(NO_3)_3$, ethylene glycol, and citric acid as the starting materials at a low temperature of $500{\sim}800^{\circ}C$. The temperature of the weight reduction by the loss of organic precursor was revealed using TG-DTA analysis. The crystal structural change of $Ga_2O_3$ nanoparticles by the annealing process was investigated by XRD analysis. The morphologies and the size distributions of $Ga_2O_3$ nanoparticles were analyzed using SEM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

착체중합법(Polymerized complex method)은 최종 산화물의 양이온을 함유하는 고분자 전구체를 통해 분말을 제조하는 방법으로 공정이 간단하여 소요시간이 적고 저온에서도 합성이 가능하여 균일도가 우수한 미세입자을 얻을 수 있다는 점과 용매에서 고분자화까지의 구간이 점성이 매우 높은 3차원의 망목 구조를 가지고 있으며 고분자 수지 내에서 금속 이온이 바로 산화되는 과정의 합성으로 인해 분말의 입도나 형상 제어가 용이한 장점을 가지고 있다[7-11]. Gallium nitrate(Ga(NO₃)₃)의 농도와 열처리 온도에 따른 Ga₂O₃ 분말의 결정성 및 미세 구조에 관한 변화를 관찰하고 Ga₂O₃ 나노 분말을 제조하는 최적의 실험 조건을 도출하는 것을 목적으로 하였다.

제안 방법

500ºC에서 열처리한 시료의 경우 결정화가 아직 진행되지 않은 것으로 판단하여 600, 700, 800ºC 에서 열처리한 Ga2O3 분말에서 측정된 반가폭을 비교하였다.
용매인 ethylene glycol에 citric acid를 각각 5 : 1의 mol 비율로 섞어서 heating mantle을 이용하여 120ºC에서 10분간 교반시켜 주었다. Citric acid의 용해가 끝난 후 1 mol 용액의 Ga(NO₃)₃를 첨가하여 용해시켰고, 이 때 Ga(NO₃)₃의 양은 각각 0.006, 0.01, 0.02 mol만큼 첨가하였다. 그 후 heating mantle의 온도를 300ºC로 유지하여 전구체를 제조하였다.
Ga(NO₃)₃ 용액의 첨가량 및 열처리 온도에 따른 Ga₂O₃ 나노 입자의 morphology 변화를 SEM을 이용하여 분석하였다. Fig.
Ga2O3 입자 크기의 경향성을 자세히 분석하기 위해서 600ºC 이상에서 열처리를 거친 Ga2O3 입자의 SEM 사진을 이용하여 임의의 입자 30개의 크기를 측정하여 입도 분포 및 평균 입자 크기를 Fig. 8에 나타내었다.
그 후 heating mantle의 온도를 300ºC로 유지하여 전구체를 제조하였다.
본 연구에서는 착체중합법을 이용하여 Ga 금속으로부터 Ga₂O₃ 나노 입자를 제조하였다. TG-DSC 분석을 통해 전구체의 유기물이 연소되는 온도구간과 Ga₂O₃ 입자가 결정화되는 온도 구간은 400ºC에서 500ºC 사이임을 확인하였다.
얻어진 전구체를 Thermogravimetrydifferential scanning calorimetry(TG-DSC, Shimadzu, DTG-60H)를 이용하여 Ga2O3의 결정화 온도 및 전구체의 유기물 분해온도를 분석하였으며, 전구체를 500, 600, 700, 800ºC의 온도로 열처리하여 Ga2O3 분말을 제조하였다[12].
착체중합법을 이용하여 얻은 전구체를 열처리하여 Ga₂O₃ 분말을 제조하였으며 첨가된 Ga(NO₃)₃ 용액의 농도 및 열처리 온도에 따른 결정구조를 XRD를 이용하여 분석하였다. Fig.
합성된 Ga₂O₃의 결정구조를 확인하기 위해 X-ray diffactometer(XRD, Rigaku, D/2500VL/PC)를 이용하여 분석을 수행하였으며, 입자의 크기와 형상을 확인하기 위해 Field emission scanning electron microscope(FESEM, Jeol, JSM-6390)분석을 행하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 착체중합법의 Ga 원료로 질산에 Ga 금속을 1 mol 용액으로 용해시킨 Ga(NO₃)₃를 사용하였으며, chelating agent로 citric acid(CA, C₆H₈O₇, Daejung, 99.5 %)를 사용하였고, 용매로 ethylene glycol(EG, C₂H₆O₂, Samchun chemicals, 99.5 %)을 사용하였다. 용매인 ethylene glycol에 citric acid를 각각 5 : 1의 mol 비율로 섞어서 heating mantle을 이용하여 120ºC에서 10분간 교반시켜 주었다.
본 연구에서는 착체중합법을 이용하여 Ga₂O₃ 나노 분말을 제조하였다. 착체중합법(Polymerized complex method)은 최종 산화물의 양이온을 함유하는 고분자 전구체를 통해 분말을 제조하는 방법으로 공정이 간단하여 소요시간이 적고 저온에서도 합성이 가능하여 균일도가 우수한 미세입자을 얻을 수 있다는 점과 용매에서 고분자화까지의 구간이 점성이 매우 높은 3차원의 망목 구조를 가지고 있으며 고분자 수지 내에서 금속 이온이 바로 산화되는 과정의 합성으로 인해 분말의 입도나 형상 제어가 용이한 장점을 가지고 있다[7-11].

성능/효과

600ºC에서 열처리한 Ga2O3의 입자 크기는 0.006 mol의 Ga(NO3)3가 첨가된 시료의 경우 약 40~80 nm의 분포를 보였고, 0.01, 0.02 mol의 Ga(NO3)3가 첨가된 시료의 경우 대부분 약 60~100 nm의 입도 분포를 나타내었으며 Ga(NO3)3 농도 증가에 따라 평균 입자 크기는 각각 43.7, 63.2, 71.7 nm로 증가하였다.
700ºC에서 열처리한 Ga2O3의 경우 0.006 mol의 Ga(NO3)3가 첨가된 시료의 경우 약 40~120 nm의 입도 분포를 보였고 0.01, 0.02 mol의 Ga(NO3)3가 첨가된 시료의 경우 대부분 약 60~120 nm의 입도 분포를 나타내었으며 평균 입자 크기는 각각 78.3, 85.0, 85.5 nm로 다소 증가하는 경향을 보였다.
800ºC에서 열처리한 Ga2O3는 Ga(NO3)3의 농도에 관계없이 모두 약 80~140 nm의 입도 분포를 보였고 평균 입도는 각각 93.9, 94.9, 95.8 nm로 큰 차이가 발견되지 않았다.
TG-DSC 분석을 통해 전구체의 유기물이 연소되는 온도구간과 Ga2O3 입자가 결정화되는 온도 구간은 400ºC에서 500ºC 사이임을 확인하였다.
TGA 결과에서 보이듯이 약 400ºC에서부터 500ºC까지 약 81 %의 중량감소가 관찰되었으며 그 이후로는 중량 감소가 거의 관찰되지 않았다.
그 후 열처리 온도가 700ºC로 증가하면서 monoclinic상의 Ga2O3에 해당하는 피크가 나타나기 시작하며 800ºC에서 열처리한 시료의 경우 monoclinic상의 Ga2O3에 해당하는 피크가 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있어 전구체의 열처리 온도가 높아 질수록 Ga2O3 분말의 결정성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
그리고 800ºC에서 열처리된 Ga2O3 분말을 비교할 경우 Ga(NO3)3의 농도에 따라 피크의 intensity가 증가하는 경향을 확인 하였으며 특히 Ga(NO3)3의 농도가 0.006 mol인 경우에는 다른 실험 조건보다 intensity가 크게 낮았으며, 35~36º 사이의 피크가 완전히 분리되지 않은 것으로 보아 열처리 온도와 함께 Ga(NO3)3의 농도 역시 Ga2O3의 결정화 정도에 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다.
그리고 DSC 결과로부터 약 400ºC에서부터 492ºC까지 발열반응이 관찰되는 것으로 미루어 보아 전구체의 발열반응에 의해 유기물이 연소되는 온도구간은 400ºC에서 500ºC 사이라는 것을 알 수 있었다[13].
또한 첨가된 Ga(NO3)3의 양이 증가함에 따라 600ºC에서는 0.829에서 0.69로 감소하였으며, 700ºC에서는 0.69에서 0.581로 감소하였고 800ºC에서는 0.572에서 0.434로 감소하여 첨가한 Ga(NO3)3의 양이 증가함에 따라 결정성이 증가하는 것을 볼 수 있었다.
열처리 온도가 600ºC에서 800ºC로 증가함에 따라 0.006 mol의 Ga(NO3)3가 첨가된 Ga2O3의 경우 반가폭 값이 0.829에서 0.572로 감소하였으며, 0.01 mol 첨가된 Ga2O3의 경우 0.793에서 0.456으로 감소하였고 0.02 mol 첨가된 Ga2O3의 경우 0.69에서 0.434로 감소하여 열처리 온도가 증가함에 따라 결정성이 증가하는 경향을 볼 수 있었다.
TG-DSC 분석을 통해 전구체의 유기물이 연소되는 온도구간과 Ga₂O₃ 입자가 결정화되는 온도 구간은 400ºC에서 500ºC 사이임을 확인하였다. 열처리를 통해 Ga₂O₃ 나노 입자를 제조한 후 XRD 분석을 통해 Ga₂O₃ 나노 입자의 결정구조 변화를 관찰하였는데 monoclinic의 Ga₂O₃가 생성된 것으로 관찰되었고 열처리 온도 및 Ga(NO₃)₃의 농도가 증가함에 따라 결정성이 향상되는 결과를 보였다. 제조한 Ga₂O₃ 나노 입자는 FE-SEM 분석결과 600ºC 이상의 온도에서 나노 입자가 형성되기 시작하였으며, Ga₂O₃ 나노 입자의 크기는 첨가한 Ga(NO₃)₃의 농도와 열처리 온도가 낮을수록 감소하였으며, 그 평균 입자 크기는 43.
이와 같이 열처리 온도가 높아질수록 평균 입도가 증가하고 입도 분포가 다소 넓어지는 경향을 관찰할 수 있었으며 600ºC에서 열처리한 시료는 첨가한 Ga(NO3)3 용액 농도에 따라 Ga2O3 입자의 크기가 크게 증가하는 경향을 보이나 열처리 온도가 높아질수록 첨가한 Ga(NO3)3 용액 농도에 따른 Ga2O3 입자 크기에 대한 영향이 점차 작아져서 800ºC에서 열처리한 시료는 첨가한 Ga(NO3)3 용액 농도에 관계없이 Ga2O3 입자의 평균 크기가 비슷한 것을 알 수 있었다.
전체적으로 500, 600ºC에서 열처리하여 얻은 시료는 Ga(NO3)3 농도에 관계없이 모두 피크가 매우 broad한 경향을 보이며 이는 열처리 온도가 전구체에서 Ga2O3입자로의 결정화를 완전히 진행시킬 만큼 충분히 높지 않았기 때문인 것으로 보여진다.
제조한 Ga2O3 나노 입자는 FE-SEM 분석결과 600ºC 이상의 온도에서 나노 입자가 형성되기 시작하였으며, Ga2O3 나노 입자의 크기는 첨가한 Ga(NO3)3의 농도와 열처리 온도가 낮을수록 감소하였으며, 그 평균 입자 크기는 43.7 nm에서 95.8 nm로 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TFT에 사용되는 반도체의 종류는?	소비전력이 적고 얇은 디스플레이 장치 중 하나인 액정 디스플레이(LCD)는 구조는 크게 3가지로 나눌 수 있는데, 광원장치인 BLU(Back light unit)와 액정에 신호를 전달하는 스위칭 소자인 TFT(Thin film transistor), 그리고 색을 구현하는 컬러필터로 구성되어 있다. 이 중 TFT에 사용되는 반도체의 종류는 2~3가지로 분류되고 있는데 amorphous-Si(a-Si), polycrystalline-Si(p-Si), CdSe 등이 있다. 기존에는 주로 a-Si이 사용되고 있었으나 a-Si는 구동속도가 약 0.
	액정 디스플레이의 구조는?	소비전력이 적고 얇은 디스플레이 장치 중 하나인 액정 디스플레이(LCD)는 구조는 크게 3가지로 나눌 수 있는데, 광원장치인 BLU(Back light unit)와 액정에 신호를 전달하는 스위칭 소자인 TFT(Thin film transistor), 그리고 색을 구현하는 컬러필터로 구성되어 있다. 이 중 TFT에 사용되는 반도체의 종류는 2~3가지로 분류되고 있는데 amorphous-Si(a-Si), polycrystalline-Si(p-Si), CdSe 등이 있다.
	In2O3, ZnO, Ga2O3 분말의 크기 차이는 어떤 문제를 발생시키는가?	현재 InGaZnO 산화물 반도체 타겟을 제조하기 위한 출발물질로는 In2O3, ZnO, Ga2O3가 사용되고 있는데 In2O3와 ZnO의 경우 수십 nm 크기의 분말을 사용하는 반면 Ga2O3의 경우 아직까지 수십 nm 크기의 분말을 제조하는 공정이 확립되지 않아 4~5 μm 크기의 분말을 사용하고 있는 실정이다. 이러한 출발물질의 입자크기 차이 때문에 InGaZnO 산화물 반도체 타겟을 제조 시 조성의 불균일성이 나타나게 되어 Ga2O3의 입자크기를 In2O3, ZnO와 같은 수십 nm 크기로 제어하여 입자 크기의 균일성을 확보하는 연구는 필수적이라 할 수 있다. 기존에 산화물을 합성하기 위한 방법들에는 고상법이나 침전법 등이 있으나 고상법의 경우 1000ºC 이상의 고온의 열처리로 인해 입자 크기가 매우 커지며[4, 5], 침전법의 경우 분말의 입도 제어가 용이하지 못하고 침전 후 폐액이 발생하는 등의 문제점이 알려져 있다[6].

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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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