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이산화주석 나노구조물의 성장에서 산소가스 유량이 미치는 영향
The Influence of Oxygen Gas Flow Rate on Growth of Tin Dioxide Nanostructures 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.1 - 7  

김종일 (목원대학교 신소재화학공학과) ,  김기출 (목원대학교 신소재화학공학과)

초록
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이산화주석은 리튬 이온 전지의 Anode 전극물질, 또는 $H_2$, NO, $NO_2$ 등의 가스 분자가 표면에 흡착되면 전기저항이 변하는 특성을 이용하여 가스센서로 활용되고 있으며, 나노구조를 갖는 이산화주석의 합성과 관련하여 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 나노구조물의 경우 Bulk 상태보다 체적 대비 표면적비가 높기 때문에 기체분자의 흡착확률을 높일 수 있으므로 고감도 가스 센서의 구현이 가능하고, Li-ion 이차전지의 경우에도 비정전용량을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 열화학기상증착 장비를 이용하여 기상수송방법으로 $SnO_2$ 나노구조물을 Si 기판 위에 직접 성장시켰다. 이때 이송가스로 이용되는 고순도 Ar 가스에 고순도 산소가스를 혼합하였고, 산소가스의 혼합량에 따라 다른 형태의 산화주석 나노구조물이 성장되는 것을 확인하였다. 기상수송방법으로 성장된 산화주석 나노구조물의 결정학적 특성은 Raman 분광학 및 XRD 분석을 통하여 확인하였고, 표면형상을 주사전자현미경을 통하여 확인하였다. 분석결과 산화주석 나노구조물은 산소가스 혼합량에 민감하게 영향을 받았으며, 이송가스로 이용되는 고순도 Ar 1000 SCCM에 고순도 산소가스 10 SCCM을 혼합하였을 때, 적당한 두께를 가지면서 Nanodots 형태의 표면형상을 갖는 $SnO_2$ 결정상의 나노구조물이 성장되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Tin dioxide, $SnO_2$, is applied as an anode material in Li-ion batteries and a gas sensing materials, which shows changes in resistance in the presence of gas molecules, such as $H_2$, NO, $NO_2$ etc. Considerable research has been done on the synthesis of $SnO...

주제어

#tin dioxide   #nanostructure   #vapor transport method   #chemical vapor deposition   #oxygen flow rate  

표/그림 (4)

AI 본문요약
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제안 방법

  •  1에 나타낸 것과 같이 각각 1500 ℃ 및 1000 ℃까지 독립적으로 제어가 가능한 두 개의 히터가 장착되어 있는 두 영역 열화학기상증착(Two Zone Thermal CVD) 시스템을 이용하여 기상수송방법(Vapor Transport Method)으로 실리콘기판 위에 성장시켰다.
  •  Raman 분광기(NOST FEX)는 532 nm의 단파장을 조사하여 100~1000 cm-1 범위에 대하여 RamanShift를 관찰하였고, X-Ray 회절법 (D/MAX-2500,RIGAKU)은 2theta 분석법으로 5º~80º의 영역을 4º/min의 Scan Rate로 분석하여 성장된 나노구조물의 XRD 패턴을 확인하였다.
  •  성장된 산화주석 나노구조물의 결정학적특성은 Raman 분광법 및 XRD 분석을 통하여 분석하였다.
  •  성장된 산화주석 나노구조물의 표면형상은 전계방출형 주사전자현미경으로 분석하였으며, 대전효과(Charging Effect)를 최소화하기 위하여 12 nm 두께의 Pt 박막을 스퍼터링으로 증착하였다.
  •  이산화주석 나노구조물의 성장은 작은 크기의 저온용 히터의 중앙에 기판을 위치시키고, 1시간 후에 424 ℃에 이르도록 가열하였으며 3시간 동안 온도를 유지하면서 이산화주석 나노구조물이 성장되도록 하였다.
  •  이송 가스는 질량 유량 제어기(MFC)를 이용하여 Ar : O2의 비율이 각각 Ar = 1000 SCCM : O2 = 5, 10 & 20 SCCM이 되도록 조절하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 열화학기상증착 장비를 이용하여 고순도 산화주석 파우더를 고온에서 증기화시키고, 이송가스로 기판 위로 증기를 수송하여 기판 위에서 이산화주석 나노구조물이 직접 성장되도록 하였다.
  • 본 연구에서는 열화학기상증착 시스템을 이용하여 가스센서 및 리튬이온 전지의Anode 물질로 많은 연구가 진행되고 있는 산화주석 나노구조물을 기상수송방법으로 성장시켰다.
  • 성장된 산화주석 나노구조물의 결정학적 특성을 조사하기 위하여 Raman 분광학 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig.
  • 이산화주석 나노구조물이 성장되는 열화학기상증착 장비의 쳄버 내부의 압력은 공정 가스의 종류에 무관하게 진공도를 측정할 수 있는 용량형 격막 게이지(CapacitanceManometer)로 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이산화주석의 특징은 무엇인가? 이산화주석(Tin Dioxide, SnO2)은 상온에서 3.6 eV의에너지 밴드갭을 갖는 n-type 반도체 물질로서, 저가 및환경친화적 특성과 이론적으로 높은 비정전용량(Specific Capacity)을 가지고 있어 리튬 이온 전지의Anode 소재로 주목받고 있다[1-3]. 또한 산소공공 결함(Oxygen-Vacancy Defect) 특성을 갖고 있으므로 가스분자가 표면에 흡착되면 전기저항이 변하는 성질을 이용하여 가스센서로 응용되고 있다[4,5]. 특히 최근에는 높은 전기전도도와 전자 이동도(Mobility) 및 Flexible 특성을 가지고 있는 그래핀 나노시트의 특성과 이산화주석의 특성을 결합시킨 복합 Nanocomposites를 합성하여리튬 이온 전지, 슈퍼커패시터, 가스 센서 등 다양한 분야에 응용되고 있다[6-9]
청정재생 에너지원의 개발이 요구되고 있는 이유는 무엇인가? 현재 인류는 생활의 편의도모 및 산업화를 위하여 많은 에너지를 소모하고 있으며, 이러한 에너지의 상당부분은 화석연료에 의존하고 있다. 화석연료를 이용하여에너지를 생산하는 과정에서 필연적으로 온실가스인 이산화탄소를 배출하여 지구온난화를 가속시키고 있으며,화석연료는 환경유해가스도 다량으로 배출하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 온실가스 및 환경유해가스를 방출하지 않는 청정재생 에너지원의 개발이 시대적으로 요청되고 있다.
상용화되어 있는 청정재생 에너지원인 태양전지와 풍력발전의 단점은 무엇인가?  따라서 온실가스 및 환경유해가스를 방출하지 않는 청정재생 에너지원의 개발이 시대적으로 요청되고 있다. 현재 상용화되어 있는 청정재생 에너지원은 태양전지, 풍력발전이 대표적인데, 태양전지는 낮 동안에만 발전이 가능하고, 풍력발전의 경우도 바람이 불때에만 발전이 가능하기 때문에, 청정재생 에너지원으로발전된 전력을 저장하였다가 필요시에 사용할 수 있도록해주는 대용량 전력저장장치(ESS, Energy StorageSystem)의 개발은 매우 중요한 문제가 되었다.
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참고문헌 (18)

  1. J. H. Kim, K. M. Jeon, J. S. Park, Y. C. Kang, "Excellent Li-ion storage performances of hierarchical SnO- $SnO_{2}$ composite powders and SnO nanoplates prepared by one-pot spray pyrolysis", Journal of Power Sources, Vol.359, pp.363-370, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.105 

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  2. J. H. Shin, J. Y. Song, "Electrochemical properties of Sn-decorated SnO nanobranches as an anode of Li-ion battery", Nano Convergence, Vol.3, No.1, Aritlcle ID 9, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.1186/s40580-016-0070-1 

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  3. L. Zhang, H. B. Wu, X. W. Lou, "Growth of $SnO_{2}$ nanosheet arrays on various conductive substrates as integrated electrode for lithium-ion batteries", Materials Horizons, Vol.1, pp.133-138, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.1039/C3MH00077J 

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  4. S. Maeng, S. W. Kim, D. H. Lee, S. E. Moon, K. C. Kim, A. Maiti, " $SnO_{2}$ Nanoslab as $NO_{2}$ Sensor: Identification of the $NO_{2}$ Sensing Mechanism on a $SnO_{2}$ Surface", ACS Applied Materials and Interfaces, Vol.6, No.1, pp.357-363, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.1021/am404397f 

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  5. L. Mei, Y. Chen. J. Ma, "Gas Sensing of $NO_{2}$ Nanocrystals Revisited: Developing Ultra-Sensitive Sensors for Detecting the $H_{2}S$ Leakage of Biogas", Scientific Reports, Vol.4, Article No.6028, 2014. DOI: https://dx.doi.org/10.1038/srep06028 

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  10. Z. R. Dai, Z. W. Pan, Z. L. Wang, "Growth and Structure Evolution of Novel Tin Oxide Diskettes", Journal of American Chemical Society, Vol.124, No.29, pp.8673-8680, 2002. DOI: https://dx.doi.org/10.1021/ja026262d 

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  16. Y. M. Lu, J. Jiang, C. Xia, B. Kramm, A. Polity, Y. B. He, P. J. Klar, B. K. Meyer, "The influence of oxygen flow rate on properties of $SnO_{2}$ thin films grown epitaxially on c-sapphire by chemical vapor deposition", Thin Solid Films, Vol.594, Part B, pp.270-276, 2015. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2015.04.010 

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  17. Y. Abe, Y. Kaga, M. Kawamura, K. Sasaki, "Effects of $O_{2}$ gas flow ratio and flow rate on the formation of $RuO_{2}$ thin films by reactive sputtering", Journal of Vaccum Science & Technology B, Vol.18, pp.1348-1351, 2000. DOI: https://dx.doi.org/10.1116/1.591385 

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  18. A. C. Iniguez, R. R. Campomanes, M. H. Tabacnics, D. Comedi, "Influence of $O_{2}$ flow rate on growth rate, composition and structure of RF-Sputtered $TiO_{x}$ films", Revista Brasileira de Aplicacoes de Vacuo, Vol.22, No.1, pp.22-24, 2003. 

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