[논문]팔라듐 옥사이드 나노구조물의 성장에서 기판 온도와 성장 시간의 효과

김종일; 김기출

doi:10.5762/kais.2019.20.4.458

팔라듐 옥사이드 나노구조물의 성장에서 기판 온도와 성장 시간의 효과
Effect of Substrate Temperature and Growth Duration on Palladium Oxide Nanostructures 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.458 - 463

김종일 (목원대학교 신소재화학공학과) , 김기출 (목원대학교 신소재화학공학과)

초록
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팔라듐 (Pd)은 촉매 또는 유해 가스 감지물질로서 널리 활용되고 있다. 특히 자체 부피의 900배까지 수소를 흡착할 수 있는 특성 때문에 수소가스 센서로서의 다양한 연구가 이루어졌다. 본 연구에서는 팔라듐 옥사이드 (PdO) 나노구조물을 실리콘 기판 ($SiO_2(300nm)/Si$) 위에 열화학기상증착 장비를 이용하여 $230^{\circ}C{\sim}440^{\circ}C$ 영역에서 3시간 ~ 5시간 동안 성장시켰다. 원료물질인 Pd 파우더는 $950^{\circ}C$에서 기상화시켰고, 이송가스인 고순도 아르곤 가스를 200 sccm으로 흘려주었다. 성장된 팔라듐 옥사이드 나노구조물의 형상을 전계방출 주사전자현미경으로 조사하였고, 결정학적 특성을 Raman 분광학으로 분석하였다. 그 결과 성장된 나노구조물은 PdO 상을 가지고 있었으며, 특정한 기판 온도와 성장 시간에서 나노큐브 형태의 PdO 나노구조물이 성장되었다. 특히 5시간 동안 성장된 $370^{\circ}C$ 영역에서 균일한 형태의 나노큐브 PdO 나노구조물이 성장되었다. 이러한 PdO 나노큐브는 기상-액상-고상 공정으로 성장된 것으로 판단되며, 그래핀 위에 성장되는 PdO 나노큐브 구조는 고감도 수소가스 감지 센서로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Palladium (Pd) is widely used as a catalyst and noxious gas sensing materials. Especially, various researches of Pd based hydrogen gas sensor have been studied due to the noble property, Pd can be adsorbed hydrogen up to 900 times its own volume. In this study, palladium oxide (PdO) nanostructures were grown on Si substrate ($SiO_2(300nm)/Si$) for 3 to 5 hours at $230^{\circ}C{\sim}440^{\circ}C$ using thermal chemical vapor deposition system. Pd powder (source material) was vaporized at $950^{\circ}C$ and high purity Ar gas (carrier gas) was flown with the 200 sccm. The surface morphology of as-grown PdO nanostructures were characterized by field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM). The crystallographic properties were confirmed by Raman spectroscopy. As the results, the as-grown nanostructures exhibit PdO phase. The nano-cube structures of PdO were synthesized at specific substrate temperatures and specific growth duration. Especially, PdO nano-cube structrures were uniformly grown at $370^{\circ}C$ for growth duration of 5 hours. The PdO nano-cube structures are attributed to vapor-liquid-solid process. The nano-cube structures of PdO on graphene nanosheet can be applied to fabricate of high sensitivity hydrogen gas sensor.

주제어

표/그림 (3)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of thermal CVD system for growth of PdO nanostructures (left) and substrate (SiO₂(300 nm)/Si wafer) configuration for various temperatures (right).
그림 Fig. 2. FE-SEM images of as-grown PdO nanostructures for (a) 3 hours, (b) 4 hours and (c) 5 hours growth duration with various temperatures (230 ^oC ~ 440 ^oC). The magnification is 100,000x for all images except (c) 340 ^oC which is 200,000x.
그림 Fig. 3. Raman spectra of as-grown PdO nanostructures for (a) 3 hours, (b) 4 hours and (c) 5 hours growth duration with various temperatures (230 ^oC ~ 440 ^oC).

AI 본문요약
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제안 방법

0 kV이었고, 작업 거리(Working Distance)는 5 mm이었다. FE-SEM 분석 시 절연체 시료에서 발생하는 차징효과(Charging Effect)에 의한 이미지 왜곡을 방지하기 위해 12 nm 두께의 백금(Platinum) 박막을 코팅하였다. PdO 나노구조물의 결정학적 특성은 Raman 분광기(NOST FEX)로 조사하였으며, 532 nm (Green)의 단파장을 조사하여, ND Filter를 32%, 조사시간을 5초로 적용하여, 파수 400 ~ 2000 cm^-1 범위에 대하여 Raman Shift를 조사하였다.
FE-SEM 분석 시 절연체 시료에서 발생하는 차징효과(Charging Effect)에 의한 이미지 왜곡을 방지하기 위해 12 nm 두께의 백금(Platinum) 박막을 코팅하였다. PdO 나노구조물의 결정학적 특성은 Raman 분광기(NOST FEX)로 조사하였으며, 532 nm (Green)의 단파장을 조사하여, ND Filter를 32%, 조사시간을 5초로 적용하여, 파수 400 ~ 2000 cm^-1 범위에 대하여 Raman Shift를 조사하였다.
PdO 나노구조물의 성장시간 3시간, 4시간, 5시간에 대하여 Si 기판의 온도 440 ℃ ∼ 230 ℃ 영역에서 성장된 PdO 나노구조물의 형상을 동일한 온도 영역에서 분석하였다.
8 Torr로 유지하였다. PdO 나노구조물의 성장은 각각 3시간, 4시간 그리고 5시간으로 조절하였다.
PdO 나노구조물의 표면형상은 FE-SEM(FEI, Sirion)으로 분석하였다. 이때 가속전압은 10.
PdO 나노구조물의 합성은 Fig. 1에 나타낸 것과 같은 열화학기상증착(Thermal Chemical Vapor Deposition, 이하 Thermal CVD) 장비를 이용하여 기상수송 방법으로 합성하였다. Pd Powder(Alumatic Inc, 99.
Thermal CVD를 이용하여 기상수송 방법으로 성장된 PdO 나노구조물의 형상을 성장시간과 다양한 온도 영역에 대하여 FE-SEM으로 분석하였고, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. PdO 나노구조물의 성장시간 3시간, 4시간, 5시간에 대하여 Si 기판의 온도 440 ℃ ∼ 230 ℃ 영역에서 성장된 PdO 나노구조물의 형상을 동일한 온도 영역에서 분석하였다.
본 연구에서는 Thermal CVD 장비를 이용하여 기상수송 방법으로 Si 기판 위에 PdO 나노구조물을 성장시켰으며, 나노구조물의 성장시간과 기판온도의 상관성에 대하여 조사였으며, 연구결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
세척된 Si 기판을 Fig. 1과 같이 배열한 후, 로터리펌프(Rotary Pump)를 구동하여 10-4 Torr 이하의 진공도를 확보한 후에 고순도 아르곤 가스(99.999%)를 이용하며 2차례 퍼징(Purging) 공정을 수행하였다.
본 연구에서는 기상수송 합성법으로 팔라듐 옥사이드(Palladium Oxide, 이하 PdO) 나노구조물을 합성하였다. 이때 다양한 온도영역과 성장시간을 조절하여 PdO 나노 구조물의 합성에서 온도와 성장시간의 상관관계를 조사하였다. 성장된 PdO 나노구조물의 형상학적 특성은 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, 이하 FE-SEM)으로 조사하였고, 결정학적 특성은 Raman 분광학(Raman Spectroscopy)으로 평가하였다.

대상 데이터

1에 나타낸 것과 같은 열화학기상증착(Thermal Chemical Vapor Deposition, 이하 Thermal CVD) 장비를 이용하여 기상수송 방법으로 합성하였다. Pd Powder(Alumatic Inc, 99.95%)를 알루미나 도가니(Alumina Crucible)에 2.0 g 장착한 뒤, Thermal CVD 히터의 중앙에 위치시켰다. 실리콘 기판(SiO₂(300nm)/Si Substrate, 이하 Si 기판)을 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), 및 탈이온수(Deionized Water, 저항 18.
실리콘 기판(SiO2(300nm)/Si Substrate, 이하 Si 기판)을 아세톤(Acetone), 에탄올(Ethanol), 및 탈이온수(Deionized Water, 저항 18.2 MΩ) 속에서 각각 5분씩 초음파 세척한 뒤, 고순도 질소가스(99.999%) 건(Gun)으로 건조시켰다.

데이터처리

이때 다양한 온도영역과 성장시간을 조절하여 PdO 나노 구조물의 합성에서 온도와 성장시간의 상관관계를 조사하였다. 성장된 PdO 나노구조물의 형상학적 특성은 전계방출 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, 이하 FE-SEM)으로 조사하였고, 결정학적 특성은 Raman 분광학(Raman Spectroscopy)으로 평가하였다.

이론/모형

다양한 온도조건과 성장시간 조건에서 성장된 나노구조물의 결정성을 분석하기 위하여 Raman 분광법으로 조사하였고, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 제시된 Raman 분석결과는 FE-SEM과 동일한 온도영역 및 성장시간에 대하여 나타내었다.
본 연구에서는 기상수송 합성법으로 팔라듐 옥사이드(Palladium Oxide, 이하 PdO) 나노구조물을 합성하였다. 이때 다양한 온도영역과 성장시간을 조절하여 PdO 나노 구조물의 합성에서 온도와 성장시간의 상관관계를 조사하였다.

성능/효과

따라서 이 경우에는 VS(Vapor-Solid) 공정으로 나노구조물이 성장되는 것으로 판단된다. FE-SEM 분석결과 독특한 결정성을 갖는 PdO Nano-Cube를 합성하기 위해서는 특정한 기판온도와 성장시간이 공정조건으로 확보해야하며, 본 연구에서는 5시간 성장의 경우, Si 기판온도 370 ℃가 가장 우수한 성장특성을 나타내었다.
Si 기판온도 440 ℃의 경우, 3시간 성장에서는 나노구조물이 거의 성장하지 않았지만 성장시간이 증가할수록 Nano-Dots 형태의 나노구조물이 기판 전체에 걸쳐 균일하게 성장되는 것을 관찰할 수 있다. 동일한 성장시간에 대해서 Si 기판의 온도가 낮아질수록 나노구조물의 성장은 더욱 활발해지며, 3시간동안 성장된 경우, Si 기판의 온도 300 ℃에서는 나노큐브(Nano-Cube) 형태의 PdO 나노구조물이 성장된 것을 확인할 수 있다. 3시간동안 성장된 경우, Si 기판의 온도 300 ℃ ~ 230 ℃ 영역에서 Cube 형상으로 성장되었으며, 이 온도영역에서 PdO 나노구조물은 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 공정으로 결정화되는 것으로 추정된다.
둘째, PdO 나노구조물의 성장시간이 길수록 기판온도가 높은 온도 영역에서 Cube의 형상을 갖는 PdO 나노구조물이 합성이 되었으며, 형상의 균일성도 증가하였다. 5시간 동안 성장된 370 ℃ 영역에서 균일한 형태의 나노큐브 PdO 나노구조물이 성장되었다.
셋째, 합성된 나노구조물은 PdO의 상을 갖는 것으로 확인 되었다.
첫째, Thermal CVD 장비를 이용하여 합성된 PdO 나노구조물은 특정한 기판온도와 성장시간에서 Cube의 형태로 합성되었다.
제시된 Raman 분석결과는 FE-SEM과 동일한 온도영역 및 성장시간에 대하여 나타내었다. 합성된 나노구조물의 Raman 분석결과, 파수 520, 920 cm^-1 근처에서 Si 기판의 신호가 매우 강하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 또한 파수 620 cm^-1 근처에서 PdO의 Peak가 약하게 나타났다.

후속연구

이러한 PdO Nano-Cube의 성장특성을 그래핀 나노시트 위에서 구현한다면, PdO의 독특한 형상특성과 수소가스 흡수특성 및 그래핀 나노시트의 전기전도도 특성이 결합되어, 고감도 수소 가스 감지센서의 개발이 가능할 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기상수송 합성법의 장점은?	이러한 액상 합성법으로는 원하는 위치에 Pd 나노구조물을 선택적으로 성장시키기 어렵고, 응용 소자를 제작하기 위해서는 합성된 Pd 나노구조물을 별도의 공정으로 소자를 만들어야하는 한계점이 존재한다. 하지만 기상수송 합성법(Vapor Transport Method)은 다양한 온도조건에서 다양한 형상을 갖는 나노소재의 합성이 가능하며, 마스크(Mask)를 이용하여 원하는 영역에 나노구조물을 성장시키는 선택적 영역성장(Selective-Area Growth)이 가능하다는 장점을 지니고 있다.
	팔라듐의 특징은?	팔라듐(Palladium, 이하 Pd)은 수소가스 감지 물질로서 주목을 받고 있는 물질 중의 하나이다. Pd은 자체 부피의 최대 900배까지 수소를 흡수하는 성질을 지니고 있기 때문에[2], 나노 형태의 Pd을 합성하여 수소가스 센서로 적용하는 다양한 연구들이 보고되었다[3-5]. Pd은 수소 센서 외에도 촉매제[6], 이차전지[7] 및 바이오 분야[8,9]에도 다양하게 응용되고 있다.
	팔라듐 옥사이드 나노구조물을 전계방출 주사전자현미경으로 조사한 결과는?	성장된 팔라듐 옥사이드 나노구조물의 형상을 전계방출 주사전자현미경으로 조사하였고, 결정학적 특성을 Raman 분광학으로 분석하였다. 그 결과 성장된 나노구조물은 PdO 상을 가지고 있었으며, 특정한 기판 온도와 성장 시간에서 나노큐브 형태의 PdO 나노구조물이 성장되었다. 특히 5시간 동안 성장된 $370^{\circ}C$ 영역에서 균일한 형태의 나노큐브 PdO 나노구조물이 성장되었다.

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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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