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제안 방법
- 합성용기에 이 용액과 ZnO 시드층 기판과 함께 넣고, 용액의 온도를 90°C 로 약 1 시간 유지하였다. 1 시간 후, 기판을 꺼내 탈이온수로 세척한 다음 오븐에서 10 분간 건조하여 ZnO 나노로드 구조를 제작하였다.
- 2.2 절에서 서술한 나노꽃 & 나노로드 구조를 순차적으로 합성하여 2가지 종류 1) 나노꽃-로드 (Nanoflower-rod), 2) 나노로드-꽃 (Nanorod-flower) 의 계층 나노구조를 제작하였다.
- 2.3절에서 서술한 내용과 같이 유리기판 위에 성장한 ZnO 나노구조 기반 UV 센서를 제작해 특성을 분석하였다 (Figs. 4, 5)
- Fig. 1에서 수열합성으로 제작된 다양한 ZnO 나노구조를 전자 현미경 (High resolution FE-SEM, JEOLJSM-7401F, JEOL Ltd., Japan) 을 이용해 형태를 관찰하였다. Fig.
- Fig. 4A에서 제작한 ZnO 나노구조 기반 UV 센서의 전류-전압 특성을 분석하였다. 이 그래프는 실온의 공기 중에서 385 nm UV 광에 대한 ZnO 나노구조 별 전극 간 전압에 따른 전류 동작을 보여준다.
- 이를 통해, ZnO 계층 나노구조를 제작하면 UV 센서 디바이스의 선형특성을 유지한 채, 민감도를 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다[17]. Fig. 4B에서 제작한 ZnO 나노구조 기반 UV 센서의 투과도 특성을 분석하였다. UV 센서의 투과도는 Ultraviolet-visible (UV-Vis) Spectrophotometry (V670, JASCO, Japan) 장비를 이용하여 300-800 nm 의 파장대역에 대해 측정하였다.
- 2C). SMU 장치의 전극을 UV 센서의 센싱 전극과 연결한 후, 5 V 의 정전압을 인가하고 Time-current 모드로 측정하였다. UV 광원 (S-SUV3385, Skycares, Korea) 은 3 W 출력의 UV-A이며 파장은 385 nm이다 (Fig.
- 2B). UV 광원을 30 초 간격으로 반복적으로 on/off 하여 광전류 특성을 측정하였다. UV 광원은 UV 센서로부터 약 30 mm 떨어진 위치에서 작동하도록 구성하였다.
- 본 연구에서 제작한 UV 센서는 UV 광원이 조사되면 광전류가 상승하고, UV 조사가 중지되면 광전류가 감소한다. UV 광원을 on/off 하는 순간에 가장 빠르게 광전류가 변하는 구간의 응답속도를 측정하여 값을 비교하였다. UV 조사에 따른 순간 최대 광전류 증가속도의 경우, 나노꽃 구조는 평균 1 µA/s, 나노로드 구조는 평균 0.
- UV 센서를 제작하기 위해 ZnO 나노구조가 노출된 면적을 0.5 cm × 1 cm 로 정하여 마스킹하고, 마스킹되지 않은 영역에은 페이스트를 이용해 센싱 전극을 부착하였다 (Fig. 2A).
- 4B에서 제작한 ZnO 나노구조 기반 UV 센서의 투과도 특성을 분석하였다. UV 센서의 투과도는 Ultraviolet-visible (UV-Vis) Spectrophotometry (V670, JASCO, Japan) 장비를 이용하여 300-800 nm 의 파장대역에 대해 측정하였다. 나노꽃 구조의 경우 약 40-60 % 의 투과도 특성을 보여주었으며, 나노로드 구조는 평균 70 % 의 투과도 특성을 보여주었다.
- 그래프에서 4가지 종류 (나노꽃 : 노란색, 나노로드 : 파란색, 나노꽃-로드 : 빨간색, 나노로드-꽃 : 남색) 의 ZnO 나노구조에 따른 UV 센서 특성을 표시하였다. UV광을 30 초 노출시킨 뒤, 0 V에서 40 V 까지의 전압범위에서 그에 따른 전류를 측정하였다. ZnO 단일 나노구조에서, 나노꽃 구조는 40 V 에서 약 32.
- ZnO 나노구조가 시드층 기판위에 형성되었다는 것을 검증하 기 위해 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS, INCA xsight, Oxford Instruments, United Kingdom) 분석을 수행하였다. Fig.
- 이 그래프는 실온의 공기 중에서 385 nm UV 광에 대한 ZnO 나노구조 별 전극 간 전압에 따른 전류 동작을 보여준다. 그래프에서 4가지 종류 (나노꽃 : 노란색, 나노로드 : 파란색, 나노꽃-로드 : 빨간색, 나노로드-꽃 : 남색) 의 ZnO 나노구조에 따른 UV 센서 특성을 표시하였다. UV광을 30 초 노출시킨 뒤, 0 V에서 40 V 까지의 전압범위에서 그에 따른 전류를 측정하였다.
- 계층 나노구조는 단일 나노구조 대비 부피 대 표면적 비가 더욱 증가하고, 그것으로 인해 나노구조 사이 나노정션 (Nanojunction) 의 개수 또한 증가한다[14]. 따라서, 단일 나노구조 대비 우수한 특성을 가지는 ZnO 계층 나노구조를 이용하여 UV 센서를 제작하고 특성을 분석하였다. 그 결과, ZnO 단일 나노구조 기반의 UV 센서 대비 응답성과 광전류 성능이 크게 향상된 것을 확인하였다.
- ZnO 나노꽃, 나노로드 구조 모두 동일한 주요 반응식을 나타내면서, 다른 형태의 나노구조를 제작할 수 있는 이유는 다음과 같다. 본 연구에서 ZnO 나노구조를 성장시키기 위해2가지의 다른 수열합성을 사용하였다. 수열합성에서 ZnO의 결정형태를 정하는 요소는 크게 용액의 온도와 첨가한 Zn2+ 이온의 농도이다.
- 본 연구에서는 2가지의 ZnO 나노구조 합성방법 (나노꽃, 나노로드) 을 2단계 연속적으로 수열합성하여 ZnO 계층 나노구조 (Hierarchical nanostructure) 를 제작하였다. 계층 나노구조는 단일 나노구조 대비 부피 대 표면적 비가 더욱 증가하고, 그것으로 인해 나노구조 사이 나노정션 (Nanojunction) 의 개수 또한 증가한다[14].
- 본 연구에서는 유리기판 위에 다양한 ZnO 나노구조를 형성하여 특성을 관찰하고, 이를 UV 센서로 활용하였다. 스핀코팅과 열처리를 이용해 ZnO 시드층을 기판위에 형성시키고, 2가지 종류 (나노꽃, 나노로드) 의 수열합성을 이용해 ZnO 나노구조를 시드층에 성장시켰다.
- 2A). 센싱 전극이 부착된 UV 센서의 광전류 특성을 Source/Measurement Unit (SMU, B2902A, KEYSIGHT, USA) 장비를 사용하여 측정 하였다 (Fig. 2C). SMU 장치의 전극을 UV 센서의 센싱 전극과 연결한 후, 5 V 의 정전압을 인가하고 Time-current 모드로 측정하였다.
- 본 연구에서는 유리기판 위에 다양한 ZnO 나노구조를 형성하여 특성을 관찰하고, 이를 UV 센서로 활용하였다. 스핀코팅과 열처리를 이용해 ZnO 시드층을 기판위에 형성시키고, 2가지 종류 (나노꽃, 나노로드) 의 수열합성을 이용해 ZnO 나노구조를 시드층에 성장시켰다. ZnO 단일 나노구조로 제작한 UV 센서는 광전류 성능과 on/off 응답성이 좋지 않은 결과를 보여주었다.
대상 데이터
- 0 %) 는 Sigma-Aldrich 에서 구매하였다. N,N-Dimethylformamide (DMF, C3H7NO, Special grade, 99.5 %) 와 Ammonia solution (NH4OH, Special grade, 28.0~30.0 %) 는 삼전화학㈜ 에서 구매하였다. 모든시약은받은 그대로 사용하고 추가 정제없이 사용하였다.
- Polyvinylpyrrolidone (PVP, Mw ~1,300,000) 와 Hexamethylenetetramine (HMTA, C6H12N4, ACS reagent, 99.0 %) 는 Sigma-Aldrich 에서 구매하였다.
- SMU 장치의 전극을 UV 센서의 센싱 전극과 연결한 후, 5 V 의 정전압을 인가하고 Time-current 모드로 측정하였다. UV 광원 (S-SUV3385, Skycares, Korea) 은 3 W 출력의 UV-A이며 파장은 385 nm이다 (Fig. 2B). UV 광원을 30 초 간격으로 반복적으로 on/off 하여 광전류 특성을 측정하였다.
- ZnO 나노꽃 구조는 앞에서 제작한 ZnO 시드층을 합성용액에 담가 수열합성을 이용해 제작하였다 (Fig. 1D, E)[7]. 10 mM 의 ZnCl2를 탈이온수에 녹이고 암모니아수 (NH4OH) 를 5 µL/ mL 의 농도로 첨가하였다.
- ZnO 나노로드 구조는 2.2.1절에서 제작한 ZnO 시드층을 합성용액에 담가 수열합성을 이용해 제작하였다 (Fig. 1D, E)[8]. 50 mM 의 Zn(NO3)2 와 100 mM 의 HMTA를 탈이온수에 첨가하여 자석교반기로 50° C 에서 1 시간 동안 혼합하였다.
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