KR20100110421A - 성능이 향상된 나노 복합물 전자 소자 제조 방법 및 그 나노 복합물 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라서 나노 복합물 전자 소자 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 나노와이어가 분산된 나노와이어-고분자 용액을 준비하는 단계와, (b) 미리 패터닝한 전극 구조를 갖고 있는 기판 상의 전극 사이로 상기 용액을 떨어뜨리는 단계와, (c) 상기 용액을 건조시키는 단계와, (d) 상기 전극 사이에 건조된 나노와이어-고분자 모재에 압력을 인가하여, 나노와이어들을 서로 결합시켜 연속적인 전기적 전도 경로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노 복합물 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 나노 복합물 소자에 이용되는 나노와이어 사이의 접촉을 개선하여 상기 소자의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 나노 복합물 소자의 제조 방법 및 이에 따른 나노 복합물 소자에 관한 것이다.
최근에, 나노와이어들이 분산되어 네트워크 구조를 형성하는 나노복합물이 새로운 전자 재료로서 출현하였는데, 상기 복합물은 보유된 나노와이어에서 비롯된 고유의 성질들을 갖고 있다. 탄소 나노튜브(CNT) 또는 실리콘 나노와이어(Si NWs)를 기반으로 한 네트워크된 나노복합물은 여러 소자에서 액티브 채널 또는 액티브 전극으로서의 그 성능을 이미 입증해 보이고 있는데, 대면적 전자 애플리케이션에 대하여 성능을 대폭 개선할 것이라 믿어진다.
종래의 충전재(filler)로 구성된 전형적인 복합물 재료와 비교하여, 나노와 이어를 포함하는 나노복합물은 그 나노와이어의 함량이 극히 낮아도 의도한 성질을 나타내는데, 왜냐하면 나노와이어는 종횡비 및 표면 대 체적비가 커서 투수(percolation) 효율이 높기 때문이다. 대표적인 1차원 및 2차원 나노필러인 탄소 나노튜브 또는 그래핀(graphene)을 포함하는 고분자 복합물은 전기 전도도에 대해 약 0.1 vol.%의 투수 임계치(percolation threshold)를 나타낸다. 이러한 낮은 임계치는 고가의 충전 재료를 훨씬 적게 사용할 수 있도록 해준다. 나노복합물의 다른 이점은 용이한 가공성이다. 즉 나노크기의 나노복합물을 직접 조작하는 대신에, 나노복합물의 호스트 모재에 대해 개발된 처리 기법을 적용할 수 있다. 특히, 고분자 기반 나노복합물은 드랍 캐스팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅과 같이 잘 개발된 용액 프로세스를 이용하여 쉽게 생성할 수 있다. 이는 고분자 나노복합물이 대면적 전자 소자, 유기 전자 소자 및 지능형 재료와 같은 미래의 애플리케이션에 대한 유망한 후보 중 하나가 될 수 있도록 해주는 주요한 특징 중 하나이다. 또한, 투명도(transparency), 융통성(flexibility), 저온 가공성, 다른 유기 소자와의 호환성으로 인해, 고분자 나노복합물에 대하여 광범위한 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 상기한 많은 이점이 있음에도, 나노와이어 사이의 접촉 저항, 호스트 모재 내에서의 균질한 분산 등과 같이, 나노복합물의 실용적 애플리케이션에 있어서 많은 도전 과제가 있다. 따라서, 고분자 모재 내에서 나노와이어 사이의 접촉 저항을 낮추는 방법의 개발에 대한 요구가 있다.
또한, 나노와이어를 포함하는 나노복합물에서 나노와이어들이 네트워크를 형성하기는 하지만, 전체적인 네트워크가 아닌 부분적으로 나노와이어들이 연결된 네트워크만을 형성하고 있다. 따라서, 이러한 나노복합물을 적용한 전자 소자에 있어서, 나노와이어들이 서로 결합하여 완전한 연속적인 전도 경로를 형성하지 못하기 때문에, 감지할만한 전류 출력을 나타내고 있지 못하고 있다. 따라서, 나노복합물 전자 소자의 성능 개선을 위해 이러한 문제점을 개선할 필요성이 있으나, 현재 이를 위한 방법이 개발되지 못하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 나노와이어를 포함하는 나노복합물 전자 소자에 있어서, 나노와이어 사이의 결합을 개선하여 연속적인 전도 경로를 형성할 수 있는 나노복합물 전자 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노와이어를 포함하는 나노복합물 전자 소자가 감지할만한 전류 출력을 나타낼 수 있도록 하여 상기 전자 소자의 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 나노복합물 전자 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 나노복합물 전자 소자와 비교하여 그 성능이 현저히 개선된 나노복합물 전자 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 나노 복합물 전자 소자 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 나노와이어가 분산된 나노와이어-고분자 용액을 준비하는 단계와, (b) 미리 패터닝한 전극 구조를 갖고 있는 기판 상의 전극 사이로 상기 용액을 떨어뜨리는 단계와, (c) 상기 용액을 건조시키는 단계와, (d) 상기 전극 사이에 건조된 나노와이어-고분자 모재에 압력을 인가하여, 나노와이어들을 서로 결합시켜 연속적인 전기적 전도 경로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 (b) 단계에 앞서, 상기 나노와이어-고분자 용액에 대해 음파 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 나노와이어는 ZnO 나노와이어일 수 있고, 상기 고분자 용액은 PVP 용액일 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 압력은 약 300 kPa 내지 약 600 kPa이고, 바람직하게는 약 600 kPa일 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계에 있어서, 상기 압력을 인가하면서 상기 나노와이어-고분자 모재를 가열할 수 있다. 이때, 상기 고분자 모재의 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도에서 가열하는 것이 바람직하다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 용액을 드랍 캐스팅, 스핀 코팅 및 잉크 젯 프린팅 중 어느 한 가지 방법에 의해서 상기 전극 사이로 떨어뜨릴 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 나노와이어-고분자 용액 중에서 나노와이어의 양은 상기 고분자 용액의 양에 대해 약 1 wt% 내지 6 wt%, 바람직하게는 약 6 wt%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전자 소자는 센서, 트랜지스터, 태양광발전 소자 중 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 상기 방법에 따라 제조되는 나노 복합물 전자 소자가 제공되는데, 상기 소자는 기판과; 기판 상에 패터닝된 전극과; 상기 전극 사이에 형성된 나노복합물로서, 이 나노복합물은 나노와이어-고분자 용액을 기반으로 하는 나노와이어-고분자 모재로 이루어지며, 고분자 모재 중의 나노와이어들이 외부로부터 인가되는 압력에 의해 서로 결합하여 연속적인 전기적 경로를 형성하고 있는 것인 나노복합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 기판과, 상기 기판 상에 패터닝된 소스 전극 및 드레인 전극과, 상기 두 전극 사이에 형성된 나노복합물로서, 이 나노복합물은 나노와이어-고분자 용액을 기반으로 하는 나노와이어-고분자 모재로 이루어지며, 고분자 모재 중의 나노와이어들이 외부로부터 인가되는 압력에 의해 서로 결합하여 연속적인 전기적 경로를 형성하고 있는 것인 나노복합물을 포함하는 트랜지스터가 제공된다.
본 발명에 따르면, 기판 상의 두 전극 사이의 채널 영역에 배치되는 나노와이어-고분자 모재에서 나노와이어들이 서로 연결되어 네트워크를 형성함으로써, 연 속적인 전기적 경로를 형성하며, 소정의 압력을 가함에 따라 전류 출력을 크게 향상시킨다. 따라서, 본 발명을 이용하여 나노복합물 전자 소자를 제조하게 되면, 종래의 것과 비교하여 성능이 현저히 향상된 전자 소자를 구현할 수가 있다.
이하에서는 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에서 이미 널리 알려진 기술적 구성에 대하여는 그 설명을 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징을 특별한 어려움 없이 이해하고 구현할 수 있을 것이다.
도 1에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 나노 복합물 소자를 제조하는 과정이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1의 a에 도시한 바와 같이, 먼저 PVP(poly(4-vinyl phenol))와 ZnO 나노와이어의 용액을 조성한 후, 미리 패터닝한 전극 구조(source 및 drain 전극)를 갖고 있는 기판 상에 상기 용액을 드랍 캐스팅(drop-casting)하여, 나노 복합물 소자를 제작하였다. 이어서, 몰드를 상기 소자 상에 배치한 후, 200℃에서 30분 동안 300 kPa 내지 600 kPa, 본 실험에서는 300 kPa 또는 600 kPa의 압력으로 압축하였다. 즉 본 발명에 따르면, 모내 내의 충전재 밀도 조절 및 화학적 처리와 같은 기존의 복잡한 공정과 달리, 소정의 압력을 이용한 간단한 공정을 통해 투수 효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 300 kPa 보다 작은 압력을 인가하면 전도성의 변화가 크 게 향상되지 않았으며, 600 kPa보다 큰 압력을 인가하여도 600 kPa의 압력을 인가한 경우와 비교하여, 성능의 큰 향상은 이루어지지 않았다. 이러한 압력의 크기는 사용되는 고분자 모재와 충전재의 종류 및 크기에 따라 달라질 수 있다. 상기 프로세스의 결과 나타나는 두 전극 사이의 나노와이어 구조의 변화를 도 1의 b에 나타내었다.
도시된 바와 같이, 상기 프로세스의 결과, 기판 상에 형성된 두 전극 사이에 나노와이어들이 연결되어 연속적인 네트워크가 형성된다. 즉 상기한 기계적 압축의 결과 나노와이어들이 상호 연결되어 두 전극 사이에 나노와이어 네트워크, 즉 전기적 전도 경로를 형성함으로써, 부도체성의 나노복합물이 전도성 또는 반도체성의 나노복합물로 전환된다.
이하에서는 본 발명을 실험예를 참조하여 더우 구체적으로 설명한다.
실험예
나노와이어
본 발명자는 본 발명에서 이용되는 나노와이어로서 ZnO 나노와이어를 다음과 같이 준비하였다. 이하의 설명에서 ZnO 나노와이어를 사용하는 것을 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것이 아님을 유의하여야 한다.
먼저 ZnO 나노와이어는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 c-평면 Al2O3 기판 상에서 수직으로 성장시켰다. 아연(Zn)의 전구물질인 디에틸징크(diethylzinc)를 아르곤(6N) 가스에 의해 운반하였고, 산소(6N)를 산화제로 사용하였다. 이와 같이 ZnO 나노와이어를 성장시키기 위한 기술은 이미 널리 알려져 있는 것으로서, 그 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 2의 (a)는 c-평면 사파이어 상에서 성장시킨 ZnO 나노와이어의 XRD(Rigaku DMAX-2500) 스펙트럼을 보여준다. 세기(intensity)는 로그 스케일로 나타내었다. 도 2a에서 왼쪽에서부터 오른쪽으로 ZnO(0002), Al2O3(0006) 및 ZnO(0004)에서 각각 XRD 피크가 나타났다. 강한 (0002) 피크와 함께, 이는 c-평면 사파이어 상에서 성장시킨 ZnO 나노와이어가 기판 표면의 법선과 관련하여 양호한 수직 정렬뿐만 아니라, c-축 우선화된 방위를 갖고 있다는 것을 나타낸다. 도 2a에 삽입된 SEM(Scanning Electron Microscopy)(Hitach S-4200) 이미지는 c-평면 Al2O3 기판 상에서 수직으로 성장하여 수직으로 정렬된 ZnO 나노와이어를 나타낸다. 성장된 ZnO 나노와이어의 직경 및 길이는 각각 약 120 nm 및 4㎛이었으며, 나노와이어는 약 10/㎛2의 밀도로 상기 성장 기판 상에 균일하게 분포되었다. 한편, 성장시킨 나노와이어의 HRTEM(High-Resolution Transmission Electron Microscopy)(JEOL JEM-2100F) 이미지 및 SAED(Selected-Area Electron Diffraction) 패턴을 도 2b 및 그 삽입 이미지로 나타내었는데, 이들 이미지는 ZnO 나노와이어가 전위 또는 적층 결함 없이 성장 방향이 [0001]인 wurtzite 구조를 갖는 단결정 ZnO임을 증명하고 있다.
나노와이어-고분자 용액
본 발명자는 나노와이어를 분산시킬 고분자 용액을 다음과 같이 준비하였다. 고분자 용액으로서 PVP를 예를 들어 설명하지만, 본 발명은 PVP 고분자에 제한되는 것이 아니라는 것에 유의하여야 한다. 즉 가소성 고분자의 경우, 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도에서 압력에 의한 수축이 가능하며, 가교 결합제(crosslinking agent)가 첨가된 고분자의 경우 역시 공정 온도 및 시간을 제어하여 적용할 수 있다.
먼저, PVP 용액을 가교 결합제인, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA; Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate) 중의 폴리(멜라민-co-포름알데히드)(poly(melamine-co-formaldehyde))로 준비하였다. 후속하여, 상기 성장 기판으로부터 제거한 ZnO 나노와이어를 상기 준비한 PVP 용액에 분산시켰다. PVP 용액 중의 ZnO 나노와이어의 양은 PVP 용액의 양에 대해 1 wt% 내지 6wt%가 되도록 하였다. 즉 1 wt%는 본 발명에 따라서, 나노와이어가 복합체 내에 전체적으로 전류를 잘 통하게 하기 위해 필요한 네트워크를 구성하기 위한 최소량, 즉 투수 임계치이기 때문에, 최소한 1wt% 이상을 넣어야 한다. 그러나, 소자의 성능을 나타내는 파라미터들로 미루어 보았을 때 6wt%가 가장 적절했으며, 6 wt%를 초과하는 다량의 나노와이어 첨가는 고분자 모재의 장점인 습식 공정에 의해 만들어진 필름의 균일도를 저하시켰다.
드랍-캐스팅 및 압축
상기 준비한 분산물을 사용하기 전에 실온에서 1시간 동안 음파처리(sonication)하였다. 즉 추후 나노와이어를 기판에서 제거할 때, 반데르발스 힘에 의해 나노와이어가 서로 붙어있을 수 있으므로, 이를 해결하기 위해 음파처리를 수행하였다. 또한, 본 발명자의 관찰에 따르면, 이러한 음파처리는 고분자 모재 내에 나노와이어가 잘 분산될 수 있데 도와주는 역할을 하는 것으로 보인다. 이어서, 열성장시킨 300 nm 두께의 산화물이 있는 고농도 도핑된 실리콘 기판 상에 스퍼터링에 의해 소스 전극 및 드레인 전극(Al 50 nm)을 적층하였다. 이어서, 상기 나노와이어/PVP 분산물을 상기 전극이 패터닝된 SiO2/Si 기판의 채널 영역 상에 드랍 캐스팅하였다.
상기 샘플을 실온 분위기에서 약 하루 동안 건조시킨 후에, 직접 만든 프레스 기기에 적재하였다(이 기기에는 PDMS(polydimethylsiloxane)(Sylgard 184)) 고무 재질의 평탄한 슬라브가 구비되어 있다(도 1의 a 참조). 이어서, 상기 샘플을 특정 압력, 즉 300 kPa 또는 600 kPa에서 30분 동안 압축을 유지하면서 200℃로 가열하였다. 상기 가열에 의해 PVP의 경사형 열가교-결합(gradual cross-linking)이 일어날 것으로 예상되며, 이러한 프로세스 후의 압축 접촉에 의해 나노와이어들이 서로 결합된 새로운 네트워크가 견고하게 형성된다.
고분자 모재 없이 순수 나노와이어 분산물을 드랍 캐스팅하게 되면, 모세관 흐름(capillary flow)에 의해 야기되는 잘 알려진 링-오염 효과(ring-stain effect)로 인해, 초기 적하물의 림(rim) 둘레에 나노와이들이 우선적으로 응집된다. 그러나, 본 발명에서는 고분자 용액을 이용하여 나노와이어를 분산시켰는데, 나노 복합물 전체에 걸쳐 나노와이어가 비-편석식으로(non-segregated) 균일하게 분포되었다. 본 발명자의 연구에 따르면, 본 발명에서 채용한 기계적 압축이 고온에서의 PVP의 경사형 가교-결합으로 인해 압축 초기 단계에서만 유효할지라도, 상기 압축은 복합물 중의 분산된 나노와이어들 사이에 연속적인 전기적 전도 경로를 형성하는 데에 큰 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 일단 완전히 경화되면, PVP 모재는 그 모재 중의 나노와이어들의 배치 구조(configuration)를 고정시키고, 따라서 이들 전기적 경로가 후에 온전히 남아 있도록 도와준다.
한편, 본 발명자는 복합물 중의 ZnO 나노와이어의 밀도를 제어하는 방법을 강구하기 위하여, 고온에서 고분자 모재를 버닝처리(burning off)한 후, SEM을 이용하여 나노와이어의 면밀도(areal density)를 측정하였다. Si 기판 상에 나노복합물 용액을 드랍 캐스팅하고 건조시킨 후에, 그 복합물을 600℃에서 30분 동안 공기 중에서 하소 처리(calcination)하여 고분자 물질을 제거하였다.
도 3의 a는 시작 분산물 중의 나노와이어 농도의 함수로서 나노와이어 밀도를 나타낸 것이며, 대표적인 SEM 이미지를 삽입하여 나타내었다. 예견한 대로, 나노와이어 농도가 클수록, 기판 상에서 더 많은 나노와이어가 발견되었다. 이 데이터는, 상기 하소 처리에 의해 복합물 내부의 3차원 적으로 분포된 나노와이어의 붕괴(collapse)의 결과이기 때문에, 나노 복합물 중의 실제 면밀도인 것으로 고려될 수 없지만, 상기 기계적 압축은 유사한 나노와이어 배치 구조를 야기할 것으로 보인다. 이에 기초하여, 기계적 압축에 의해 두 측정 전극 사이에 연속적으로 네트워크되어 있는 경로를 형성하는 데에 6 wt%(약 11/㎛2)의 ZnO 나노와이어 농도면 충분하다는 것을 발견하였다.
한편, 도 3의 b는 600 kPa에서 압축한 나노복합물 소자의 광학 현미경 사진이고, 상기 압축한 복합물 표면의 AFM(Atomic Force Microscopy)(Nanoscope IV Digital Instruments) 이미지를 삽입하여 나타내었다. 상기 소자의 채널 길이 및 폭은 각각 약 10㎛ 및 100㎛이었다. 광학 이미지를 통해 알 수 있는 바와 같이, 연속적인 전기적 경로를 형성하는데에 나노와이어의 밀도는 충분하다. 드랍-캐스팅된 복합물 필름은 도시하지는 않았지만, 매우 울퉁불퉁한 토폴로지(topology)를 나타내었으나, 압축 후 상기 표면은 삽입된 AFM 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이, 평탄하게 되었다.
이들 나노 복합물 소자의 전기적 특성을 실온의 공기 중에서 HP-4145B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 특징지웠다. 액티브 물질로서의 나노 복합물이 구비된 트랜지스터는 n-type 전도를 나타내었고, 소자의 특성을 도 3c 및 3d에 나타내었다. 압축 단계를 거치지 않은 캐스팅된 대로의 소자는 10V의 소스-드레인 바이어스(Vds) 하에서 어떠한 감지할 만한 전류를 나타내지 않았는데, 왜냐하면 나노와이어 사이에 나타나는 절연 고분자 모재에 의해 나노와이어들이 서로 멀리 분리되었기 때문이다(즉 나노와이어들은 어떠한 네트워크 경로를 형성하지 못했다). 300 kPa에서 압축한 나노복합물 소자의 특성이 도 3c에 도시되어 있는데, 드레인 전류는 매우 작고 Vds가 증가함에 따라 지수함수적으로 증가하며, 이는 외부에서 유도된 압축에 의해 복합물 필름 전체에 걸쳐 전기적 전도를 위한 경로들이 생성되었다는 것을 의미한다. 임계치 전압, 온/오프 전류 비, 최대 전달 컨덕턱스(transconductance)(gm)는 약 -2.6V, 18, 0.38 nS인 것으로 추정된다. 선형 구간 소자 이동도(linear regime device mobility)(μe)를 계산하기 위하여, 본 발명자들은 트랜스퍼(Id-Vg) 곡선의 기울기를 구하여, 종래의 공식, 즉 μe=(dIds/dVg)/(εε0VdsW/Lt)(ε: 유전 상수, ε0: 자유 공간의 투과율, t: SiO2의 두께, L: 채널 길이, W: 채널 폭)을 이용하였다. 계산 결과 μe는 약 9.5×10-4cm2/V·s이었다.
600 kPa에서 압축한 소자의 출력 특성을 도 3d에 나타내었다. 300 kPa에서 압축한 소자(도 3c)와 비교하여, 드레인 전류는 약 50배 이상 증가하였다. 800 kPa의 더 높은 압력에서 압축한 나노복합물 소자는 600 kPa에서 압축한 것과 유사한 성능을 나타내었다. 또한, 600 kPa에서 압축한 소자는 훨씬 더 큰 오/오프 전류 비, 최대 전달 컨덕턴스 및 이동도, 즉 약 3.3×103, 12.2 nS 및 약 3.3×10-2cm2/V·s를 나타내었다(표 1 참조). 즉 본 발명에 있어서, 300 kPa에서 시작하여 압축 응력을 더 크게 하면 전류 출력은 비례하여 커질 것이지만, 600 kPa 보다 큰 압력을 인가한다 하더라도 더 좋은 결과를 얻지는 못할 것으로 추측할 수 있다. 따라서, 본 발명에 있어서, 압축을 가할 때, 300 내지 600 kPa의 범위, 바람직하게는 600 kPa의 압력으로 압축하는 것이 바람직하다.
| 밀도 (#/㎛2) |
압력 (kPa) |
Vth (V) |
gm (nS) |
Ion/Ioff |
μe (cm2/V·s) |
| 약 11 | 300 | -2.3V | 0.38 | 약 18 | 약 9.5×10-4 |
| 약 11 | 600 | -2.7V | 11.2 | 약 3.3×103 | 약 3.3×10-2 |
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고분자 모재의 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도에서 복합체에 압력을 가한다. 이에 따라, 고분자와 나노와이어가 유동성을 갖고 움직여 나노와이어들의 접촉 상태가 향상되며, 그 결과 전류가 흐를 때 나노와이어들 사이에서 산란으로 인한 전하이동도의 감소 및 그에 상응하는 전류의 감소를 피할 수 있게 된다. 따라서, 전류가 증가하여 표 1에 나타낸 바와 같이 각 파라미터의 향상을 가져오게 된다. 한편, Vth는 반도체 재료(본 실시예에서는 ZnO 나노와이어)를 이용한 소자에서 소자의 동작을 가능케 하는 전압을 나타낸다.
한편, 단일의 나노와이어 트랜지스터와 비교하여, 나노복합물로 제조된 트랜지스터는 명확한 포화 구간(saturation regime) 및 큰 이동도를 나타내지는 않았는데, 이는 아마도 복잡한 나노와이어 네트워크 경로 및 나노와이어 결합부에서의 입계에 의한 증가된 캐리어 스캐터링 때문인 것으로 보인다. 즉 결정성 나노와이어의 네트워크 경로 형성 시, 각 나노와이어는 결정립 경계를 이루게 된다. 이 경계는 전하의 이동을 방해하는 스캐터링 사이트로 작용하게 되기 때문에, 명확한 포화 구간 및 큰 이동도를 나타내지 못하는 특징을 갖는다. 특히 이와 같이 나노와이어가 방향성 없이 불규칙하게 배열된 복합체는 전기적, 기계적, 화학적 성질이 등방성을 띄게 된다. 구조적 측면에서 봤을 때 나노와이어 복합체를 반도체 혹은 전도체 층으로 사용하고자 할 때는 전류가 흐르는 통로가 되는 나노와이어들의 연결 여부와, 그 연결부에서 전류의 흐름을 원활히 할 수 있는 접촉이 훌륭히 형성되어 있는가가 전체 복합체의 성능을 결정하는 가장 큰 요소가 된다.
또한, 나노와이어와 소스/드레인 전극 사이에 전기적 접촉이 제한된다는 것을 발견하였는데, 아마도 이들 사이의 매우 얇은 잔류 절연 고분자층 때문인 것으로 보인다.
이와 같이, 본 발명자들은 나노 복합물의 기계적 압축에 기초하여, 절연체에서 반도체까지 나노복합물의 성질을 조절하는 간단한 방법을 개발하였다. 나노와이어-고분자 복합물은 외부에서 압축을 인가함으로써 절연 상태에서 반도체 상태로 전환되었다. 외부에서 인가된 압력은 분산된 나노와이어 사이에 연속적인 전기적 경로를 형성하는 것으로 보인다. 이 방법은 센서,트랜지스터, 태양광발전(photovoltaics) 등과 같은 애플리케이션용의 여러 복합물에서, 충전 재료의 적재 농도를 변화시키는 일이 없이, 투수 임계치를 얻는 매우 유용한 방식이다.
이상 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 점에 유의하여야 한다. 즉, 후술하는 특허청구범위를 벗어나지 않으면서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 및 그 등가의 균등물에 의해서만 제한된다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 나노복합물 전자 소자를 제조하는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 c-평면 사파이어 상에서 성장시킨 ZnO 나노와이어의 XRD 스펙트럼(a)과, 성장시킨 나노와이어의 HRTEM 이미지 및 SAED 패턴 이미지(b)이다.
도 3은 나노와이어 농도의 함수로서 나노와이어 밀도를 보여주는 그래프(a)와, 600 kPa에서 압축한 나노복합물 소자의 광학 현미경 사진(b), 300 kPa 및 600 kPa에서 압축한 FET 소자의 출력 곡선(c, d)이다.
Claims (18)
- (a) 나노와이어가 분산된 나노와이어-고분자 용액을 준비하는 단계와,(b) 미리 패터닝한 전극 구조를 갖고 있는 기판 상의 전극 사이로 상기 용액을 떨어뜨리는 단계와,(c) 상기 용액을 건조시키는 단계와,(d) 상기 전극 사이에 건조된 나노와이어-고분자 모재에 압력을 인가하여, 나노와이어들을 서로 결합시켜 연속적인 전기적 전도 경로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 (b) 단계에 앞서, 상기 나노와이어-고분자 용액에 대해 음파 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 나노와이어는 ZnO 나노와이어인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 고분자 용액은 PVP 용액인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력은 약 300 kPa 내지 약 600 kPa인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 압력은 약 600 kPa인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (d) 단계에 있어서, 상기 압력을 인가하면서 상기 나노와이어-고분자 모재를 가열하는 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 (d) 단계에 있어서, 상기 압력을 인가하면서 상기 나노와이어-고분자 모재를 상기 고분자의 유리 전이 온도(Tg) 이상의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 용액을 드랍 캐스팅, 스핀 코팅 및 잉크 젯 프린팅 중 어느 한 가지 방법에 의해서 상기 전극 사이로 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노와이어-고분자 용액 중에서 나노와이어의 양은 상기 고분자 용액의 양에 대해 약 1 wt% 내지 6 wt%인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서, 상기 나노와이어-고분자 용액 중에서 나노와이어의 양은 상기 고분자 용액의 양에 대해 약 6 wt%인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 소자는 센서, 트랜지스터, 태양광발전 소자 중 하나인 것을 특징으로 하는 나노 복합물 전자 소자 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조되는 나노 복합물 전자 소자로서,기판과;기판 상에 패터닝된 전극과;상기 전극 사이에 형성된 나노복합물로서, 이 나노복합물은 나노와이어-고분자 용액을 기반으로 하는 나노와이어-고분자 모재로 이루어지며, 고분자 모재 중의 나노와이어들이 외부로부터 인가되는 압력에 의해 서로 결합하여 연속적인 전기적 경로를 형성하고 있는 것인 나노복합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노복합물 전자 소자.
- 기판과,상기 기판 상에 패터닝된 소스 전극 및 드레인 전극과,상기 두 전극 사이에 형성된 나노복합물로서, 이 나노복합물은 나노와이어-고분자 용액을 기반으로 하는 나노와이어-고분자 모재로 이루어지며, 고분자 모재 중의 나노와이어들이 외부로부터 인가되는 압력에 의해 서로 결합하여 연속적인 전기적 경로를 형성하고 있는 것인 나노복합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터.
- 청구항 14에 있어서, 상기 나노와이어는 ZnO 나노와이어인 것을 특징으로 하는 트랜지스터.
- 청구항 15에 있어서, 상기 고분자 모재는 PVP 모재인 것을 특징으로 하는 트랜지스터.
- 청구항 16에 있어서, 상기 PVP 모재 중의 ZnO 나노와이어의 양은 PVP의 양에 대해 약 1 wt% 내지 약 6 wt%인 것을 특징으로 하는 트랜지스터.
- 청구항 17에 있어서, 상기 PVP 모재 중의 ZnO 나노와이어의 양은 PVP의 양에 대해 약 6 wt%인 것을 특징으로 하는 트랜지스터.
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