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산화아연 나노구조의 탄소나노튜브와의 혼성구조 형성 특성 연구
Parametric Characterization of Zinc Oxide Nanostructures Forming Three-Dimensional Hybrid Nanoarchitectures on Carbon Nanotube Constructs 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.6 = no.357, 2015년, pp.541 - 548  

옥종걸 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
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본 논문에서는 순차적 화학기상증착법에 기반하여 다양한 구조적 특성을 갖는 산화아연 나노구조체를 탄소나노튜브 상에 3 차원 혼성구조로 형성하는 공정을 개발하고 그 형성 메커니즘을 논한다. 이어서 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 형상의 산화아연 나노구조를 온도, 압력, 개스유량 등 주요 파라미터들의 조절을 통해 형성할 수 있음을 보이며, 이의 형성 원리에 대해 기본적인 형성 메커니즘과 연계하여 고찰한다. 본 연구 결과를 통해, 압전광전 에너지변환 특성 등 풍부한 기능성을 보유하되 다소 높은 전기저항을 갖는 산화아연 나노구조체를 다양한 포맷으로 양전도성의 탄소나노튜브와 혼성화 함으로써, 각각의 포맷 별로 특화된 보다 폭넓은 응용 분야로의 활용을 구현해 나갈 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We study the structural and functional characteristics of zinc oxide (ZnO) nanostructures that are grown on carbon nanotube (CNT) constructs via step-wise chemical vapor deposition (CVD). First, we optimize the CVD process to directly grow ZnO nanostructures on CNTs by controlling the growth tempera...

주제어

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문제 정의

  • (5,6) 이에 한걸음 더 나아가, 본 논문에서는 CNT와의 혼성구 화에 있어서 NW 뿐만 아니라 나노로드, 나노플레이트, 나노박막 등 다양한 포맷의 ZnO 나노구조들을 형성하는 방법을 개발하고 그 형성 특성을 분석함으로써, 각각의 포맷 별로 특화된 보다 폭넓은 응용 분야로의 연계를 도모하고자 한다.
  • 공정 조건 별 형성 특성 고찰에 앞서 기판의 표면 특성에 따른 나노구조체의 형성 유무에 대해살펴본다. Fig.
  • 본 논문에서는 순차적 화학기상증착법에 기반하여 다양한 형태의 산화아연 나노구조를 탄소나노 튜브 상에 3차원 혼성구조 형태로 형성하는 공정에 대해 그 형성 메커니즘과 주요 공정 파라미터별 형성 특성에 대해 고찰하였다. 온도, 압력, 개스 유량 등의 조절을 통해 나노와이어, 나노로드, 나노플레이트, 다결정 나노박막 등 다양한 구조적 형상을 갖는 산화아연 나노구조체를 양전도성 탄소나노튜브 상에 계층적으로 혼성화한 구조로 형성할 수 있다.
  • 본 연구에서는 구조적인 안정성 또한 고려하여 적절한 종횡비를 갖는 600 °C를 기본 공정 온도로 선정하여 다른 파라미터들의 변화에 따른 특성 연구를 계속하고자 한다.
  • VS 메커니즘 하의 CVD 공정에서 압력 및 온도, 산소 유량 조절을 통해 다양한 형상의 ZnO 나노구조체를 CNT 표면 위에 형성할 수 있다. 본 절에서는 그 공정의 개요 및 VS 메커니즘, 그리고 Gibbs-Thompson 관계식을 통한 이론적인 모델 확립에 대해 다루고, 이어서 이러한 공정 조건 조절에 따른 다양한 ZnO 나노구조체 형성 특성에 관해 다음 절부터 상세히 살펴보고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
VS메커니즘에 따르면, CNT 구조체가 ZnO 나노 시드 형성에 어떠한 영향을 미쳤는가? VS 메커니즘에 따르면 매끈한 표면보다 적절한 거칠기를 가진 표면에 나노구조체들이 보다 잘 형성되게 되는데, 실험 결과를 통해 CNT 구조체 상에 무수히 존재하는 미세거칠기 부분들(CNT 자체 표면 및 CNT 와 CNT 간의 공간 등)이 ZnO 나노 시드 형성에 최적의 환경을 제공함을 확인할 수 있다.
ZnO 형성 CVD 공정을 가했을 때 CNT 가 있는 부분과 없는 부분의 ZnO NW 형성 정도는 어떻게 나타나는가? 4 는 동일한 공정 조건 하에서 ZnO 형성 CVD 공정을 가했을 때 CNT 가 있는 부분과 없는 부분의 ZnO NW 형성 정도를 대조적으로 보여주고 있다. CNT 표면 위에는 고밀도의 ZnO NW 들이 형성된 반면, 주변의 매끄러운 SiO2 표면에는 NW 들이 거의 자라지 않음을 볼 수 있다.
CNT의 장점은 무엇인가? 이러한 템플릿으로서의 최적의 소재 가운데 하나로 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) (7)가 있다. CNT 는 매우 높은 전도성과 우수한 구조적 특성을 가지고서 다양한 다차원 구조로 비교적 수월하게 형성시킬 수 있는 큰 장점이 있다. (8,9)
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참고문헌 (13)

  1. Wang, Z. L., 2004, "Zinc Oxide Nanostructures: Growth, Properties and Applications," Journal of Physics-Condensed Matter, Vol. 16, pp. R829-R858. 

  2. Wang, Z. L., 2004, "Nanostructures of Zinc Oxide," Materials Today, Vol. 7, p. 26. 

  3. Li, Y., Yang, X. Y., Feng, Y., Yuan, Z. Y. and Su, B. L., 2012, "One-Dimensional Metal Oxide Nanotubes, Nanowires, Nanoribbons, and Nanorods: Synthesis, Characterizations, Properties and Applications," Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, Vol. 37, pp. 1-74. 

  4. Kind, H., Yan, H. Q., Messer, B., Law, M., Yang, P. D., 2002, "Nanowire Ultraviolet Photodetectors and Optical Switches," Advanced Materials, Vol. 14, pp. 158-160.H 

  5. Ok, J. G., Tawfick, S. H., Juggernauth, K. A., Sun, K., Zhang, Y. Y. and Hart, A. J., 2010, "Electrically Addressable Hybrid Architectures of Zinc Oxide Nanowires Grown on Aligned Carbon Nanotubes," Advanced Functional Materials, Vol. 20, pp. 2470-2480. 

  6. Ok, J. G., Lee, J. Y., Baac, H. W., Tawfick, S. H., Guo, L. J. and Hart, A. J., 2014, "Rapid Anisotropic Photoconductive Response of ZnO-Coated Aligned Carbon Nanotube Sheets," ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 6, pp. 874-881. 

  7. Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. and Avouris, P., 2001, Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties and Applications, Springer, 2001. 

  8. Tawfick, S., De Volder, M., Copic, D., Park, S. J., Oliver, C. R., Polsen, E. S., Roberts, M. J. and Hart, A. J., 2012 "Engineering of Micro- and Nanostructured Surfaces with Anisotropic Geometries and Properties," Advanced Materials, Vol. 24, pp. 1628-1674. 

  9. De Volder, M., Tawfick, S. H., Park, S. J., Copic, D., Zhao, Z. Z., Lu, W. and Hart, A. J., 2010, "Diverse 3D Microarchitectures Made by Capillary Forming of Carbon Nanotubes," Advanced Materials, vol. 22, pp. 4384-4389. 

  10. Wang, X. D., Summers, C. J. and Wang, Z. L., 2004, "Large-scale Hexagonal-patterned Growth of Aligned ZnO Nanorods for Nano-optoelectronics and Nanosensor Arrays," Nano Letters, vol. 4, pp. 423-426. 

  11. Hsieh, Y.-C., Chou, Y.-C., Lin, C.-P., Hsieh, T.-F. and Shu, C.-M., 2010, "Thermal Analysis of Multi-walled Carbon Nanotubes by Kissinger's Corrected Kinetic Equation," Aerosol and Air Quality Research, vol. 10, pp. 212-218. 

  12. Ho, S. T., Wang, C. Y., Liu, H. L. and Lin, H. N., 2008, "Catalyst-free Selective-area Growth of Vertically Aligned Zinc Oxide Nanowires," Chemical Physics Letters, Vol. 463, pp. 141-144. 

  13. Balluffi, R. W., Allen, S. M. and Carter, W. C., 2005, Kinetics of Materials, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 

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