KR20110064703A - 다공성 나노 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20110064703A
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Abstract

다공성 나노구조체 및 그 제조 방법에 대해 개시된다. 개시된 다공성 나노구조체는 나노 와이어 또는 나노 튜브의 표면 및 내부에 공동이 형성된 것으로, 공동이 나노 구조체 내부를 관통하여 형성된 구조의 나노 구조체에 관한 것이다.

Description

다공성 나노 구조체 및 그 제조 방법{Porous nano structure and Manufacturing Method of the same}
본 발명의 실시예는 다공성 구조를 지닌 나노 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
나노와이어는 벌크 재료와는 달리 부피에 비해 높은 표면적을 지니며 다양한 분야에서 응용이 가능하기 때문에 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있다. 예를 들어, 레이저 등의 광나노소자, 트랜지스터와 같은 전자 나노소자, 메모리, 나노센서 등과 같은 다양한 나노 분야에서 연구가 진행 중이다.
나노와이어는 균일한 성질을 가지고 다양한 굵기로 합성이 가능하고, 그 표면의 특성에 따라서 물리적, 전기적 특성이 변화될 수 있다. 나노 와이어의 표면은 전자(electron) 또는 포논(phonon)의 전달 시 산란(scattering)을 시키거나 트랩(trap)을 시키는 등 전하의 상태를 변화시킬 수 있다. 나노 와이어에 사용되는 재료로는 실리콘, 주석 산화물 또는 발광반도체인 갈륨 질화물 등 다양하며 현재 나노와이어 제조 공정 기술은 나노 와이어의 길이 및 폭을 조절할 수 있는 수준까지 발전했다.
나노와이어의 일반적인 합성 방법으로는 기체-액체-고체 성장법(VLS 성장법)이 있다. 이 VLS 성장법에서는 나노선 물질과 금속 촉매의 합금을 만들어 용융시키고, 이 용융된 액상의 합금과 고상의 기판 사이의 경계면에서 나노와이어 물질이 석출됨으로써 나노와이어가 성장될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 다공성 나노 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에서는,
나노 구조체의 표면 및 그 표면 내부로 다수 형성된 공동을 포함하는 다공성 나노 구조체를 제공한다.
상기 공동은 상기 나노 구조체를 관통하는 관통공일 수 있다.
상기 나노 구조체는 나노 튜브 또는 나노 와이어일 수 있다.
상기 나노 구조체는 IV족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 IV족과 Ⅴ족 원소 중 적어도 하나와 Ⅵ족 원소를 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체는 p형 또는 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
또한, 나노 구조체 표면에 나노 입자를 부착시키는 단계;
상기 나노 구조체를 산화시켜 상기 나노 구조체 표면에 산화물을 형성하는 단계; 및
상기 산화물 및 상기 나노 입자를 제거하여 공동을 형성하는 단계;를 포함하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법을 제공한다.
상기 나노 입자는 상기 나노 구조체보다 전기 음성도가 큰 금속 물질일 수 있다.
상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성된 것이며, 상기 나노 입자는 Ag, Au, Pt 또는 Cu로 형성된 것일 수 있다.
상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성된 것이며, 상기 나노 구조체는 H2O2, K2Cr2O7 또는 KMnO4 에 의해 산화시킬 수 있다.
상기 나노 구조체에 나노 입자를 부착시키는 단계는,
상기 나노 입자의 전구체와 불산계가 혼합된 수용액에 상기 나노 구조체를 담그어 상기 나노 구조체 표면에 부착된 상기 나노 입자를 형성할 수 있다.
상기 나노 구조체에 나노 입자를 부착시키는 단계는,
상기 나노 구조체 표면의 산화막을 제거하는 단계;
상기 나노 구조체 표면에 상기 나노 구조체와 화합물을 형성하는 나노 입자를 부착시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체는 H2O 가스를 이용하는 습식 산화 또는 O2를 이용한 건식 산화 공정에 의해 산화시킬 수 있다.
상기 습식 산화 또는 상기 건식 산화 공정은 섭씨 600도 내지 1100도에서 이루어지는 질 수 있다.
상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성되며, 상기 나노 입자는 상기 나노 구조체와 금속 실리사이드를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 나노 구조체의 표면 및 그 내부에 공동(pore)이 형성된 나노 구조체 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 여기서 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 나노 구조체를 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 나노 구조체(10)와 나노 구조체(10)의 표면 및 그 표면으로부터 나노 구조체(10) 내부로 형성된 다수의 공동(12)이 개시되어 있다. 여기서 나노 구조체(10)는 나노 튜브 형태로서 다수의 공동(12)은 나노 구조체(10)의 외벽 및 내벽을 관통하여 형성된 것일 수 있으며, 일부의 공동만이 나노 구조체(10)의 외벽 및 내벽을 관통하여 형성되고, 나머지 공동은 나노 구조체(10)의 외벽에만 형성된 것일 수 있다.
그리고, 도 1b를 참조하면, 나노 구조체(10)와 나노 구조체(10)의 표면 및 그 표면으로부터 나노 구조체(10)의 내부로 형성된 다수의 공동을 포함하며, 이 때 다수의 공동 중 일부는 관통공(13) 형태일 수 있다. 구체적으로 도 1b에서는 나노 구조체(10)가 나노 와이어로 형성된 것을 나타내었으며, 나노 와이어는 그 표면에서 내부 방향으로 다수의 공동이 형성되며, 적어도 일부의 공동들은 나노 와이어의 중심부로 연장되어 형성되며, 나노 와이어 내부를 관통한 관통공(13) 형태를 지닐 수 있다.
상술한 바와 같이 나노 구조체(10)는 나노 와이어 형태일 수 있으며, 외벽 및 내벽을 지닌 나노 튜브 형태일 수 있다. 나노 구조체(10)는 다양한 물질로 형성된 것일 수 있으며, 예를 들어 IV족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 IV족과 Ⅴ족 원소 중 적어도 하나와 Ⅵ족 원소를 포함할 수 있다. IV족 반도체는 예를 들어 Si, Ge 또는 SiC 등을 포함할 수 있으며, Ⅲ-Ⅴ족 반도체는 예를 들어 GaN, GaAs 또는 AsP 등을 포함할 수 있으며, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체는 예를 들어, CdSe, Cds 또는 ZnS 등을 포함할 수 있다. 그리고, 산화물 반도체는 예를 들면, ZnO를 포함할 수 있으며, 질화물 반도체는 예를 들어, 실리콘 질화물 또는 게르마늄 질화물을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 여기에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 나노 구조체(10)는 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 것일 수 있다. 나노 구조체(10)의 길이는 수nm ~ 수cm 일 수 있다.
나노 구조체(10)의 표면 및 그 내부로 다수 형성된 공동(12)은 다양한 형태로 형성된 것일 수 있으며, 그 단면 형상은 원형, 타원형, 다각형, 테퍼드 형태(tapered) 또는 콘형태 등 다양한 형태일 수 있으며, 그 단면의 직경은 0.1nm 내지 수㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 공동(12)은 나노 구조체(10) 표면으로부터 그 내부로 연장되어 형성된 것일 수 있으며, 나노 구조체(10)가 나노 튜브 형태인 경우 외벽 및 내벽을 관통하여 형성된 것일 수 있으며, 나노 구조체(10)가 나노 와이어 형성태인 경우, 나노 와이어 내부를 관통하여 형성된 관통공일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 다공성 나노 구조체의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 나노 구조체의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
나노 구조체를 형성하는 방법을 예를 들면 다음과 같다. 먼저 기판을 마련하고 기판 상에 촉매 물질층을 형성한다. 촉매는 Au, Ni, Ag, Al, Fe 등과 같은 금속일 수 있다. 그리고, 예를 들어 Si 소스 가스로 SiH4 등을 공급하여 촉매 물질층 상에 나노 구조체를 성장시킬 수 있다. 나노 구조체는 다양한 방법으로 형성할 수 있으며, 상술한 방법에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 의한 다공성 나노 구조체의 제조 방법은 나노 구조체에 나노 입자를 부착시키고, 산화 공정에 의해 나노 구조체를 산화시킨 후 식각 공정에 의하여 나노 구조체에 형성된 산화막 및 나노 입자를 제거하여 나노 구조체 표면 및 그 내부에 다수의 공동을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 나노 구조체(10)의 표면에 나노 입자(11)를 부착시킨다. 나노 구조체(10)는 IV족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 IV족과 Ⅴ족 원소 중 적어도 하나와 Ⅵ족 원소를 포함하여 형성된 것일 수 있다. 나노 입자(11)는 나노 구조체(10)보다 전기음성도가 큰 금속 물질을 사용하여 산화 공정에서 나노 구조체(10)를 선택적으로 산화시킬 수 있다. 예를 들어, 나노 구조체(10)가 실리콘으로 형성된 경우에는 나노 입자(11)는 Ag, Au, Pt 또는 Cu일 수 있으며 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 산화제(oxidizing agent)로 나노 구조체(10)를 산화시키면 나노 구조체(10) 표면에 산화막이 생기면 서 나노 입자(11)가 나노 구조체(10) 내부로 침투해 들어간다. 나노 구조체(10)가 실리콘으로 형성된 경우에 산화제는 실리콘의 산화를 유발할 수 있는 H2O2, K2Cr2O7 또는 KMnO4 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않으며, 나노 구조체(10)의 재료에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
그리고, 나노 구조체(10) 표면의 산화막 및 나노 입자(11)를 제거하면, 나노 입자(11)가 위치하던 자리에 도 2b에 나타낸 바와 같은 공동(12)이 형성된다. 나노 구조체(10)가 실리콘으로 형성된 경우 불산계 수용액으로 산화막을 제거할 수 있다. 이 때 공동(12)의 형성되는 형태 및 단면의 크기는 나노 구조체(10)에 부착되는 나노 입자(11)의 형태 및 그 크기에 따라 변화될 수 있다. 그리고, 나노 구조체(10) 표면으로부터 형성된 공동(12)의 깊이는 산화 및 식각 공정의 시간에 따라 조절할 수 있다.
나노 입자(11)를 나노 구조체(10)에 직접 부착시키는 방법 외에 금속 전구체를 이용하여 나노 구조체(10) 표면에 나노 입자(11)를 형성할 수 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
예를 들어 나노 구조체(10)가 실리콘 기판에 성장된 경우, AgNO3 및 불산계 물질이 혼합된 수용액에 나노 구조체(10)를 담근 후, 무전해 부착(electroless deposition) 공정을 실시하면 나노 구조체(10)의 표면에 나노 크기의 Ag가 나노 입자(11)로 형성된다. 여기에 산화제를 투입하면 나노 구조체(10)가 산화되면서 나노 입자(11)가 나노 구조체(10)의 표면 내부로 침투해 들어간다. 그리고, 나노 구조 체(10)의 산화 영역 및 나노 입자(11)를 에칭하여 제거하면 상술한 바와 같이 공동(12)이 나노 구조체(10)의 표면 및 내부에 형성될 수 있다.
상술한 공정은 상온에서 진행할 수 있으며, 산화 또는 식각 공정은 나노 구조체(10)의 재료에 따라 선택된 산화제 또는 식각 물질을 선택할 수 있다. 고온에서 산화 가스에 의한 산화 공정으로 나노 구조체(10)에 공동을 형성시키는 공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 나노 구조체(10) 표면에 형성된 자연 산화막을 에칭하여 제거 한 뒤, 나노 구조체(10)의 표면에 나노 입자를 부착시킨다. 그리고, 섭씨 약 600도 내지 1100도에서 산화 가스를 투입하여 나노 구조체(10) 표면을 산화시킨다. 이 때 나노 구조체(10)의 산화 속도가 빠른 경우에는 나노 입자(11)들 사이에 노출된 나노 구조체(10) 내부로 산화막이 형성된다. 따라서 식각 공정에 의해 나노 구조체(10) 표면의 산화막을 제거하는 경우에는 나노 입자(11)가 존재하는 부분의 나노 구조체(10) 표면은 돌출되며, 자연 산화막을 제거한 부분의 나노 구조체(10) 표면은 내부로 패인 형태가 된다. 자연 산화막 제거 후 나노 입자도 에칭하여 제거한다.
나노 입자(11)가 나노 구조체(10)와 화합물을 형성할 수 있는 재료인 경우의 다공성 나노 구조체 형성 방법을 설명하면 다음과 같다. 나노 구조체(10) 표면의 자연 산화막을 불산계로 제거한 후, 예를 들어 섭씨 약 600도 내지 1100도의 온도에서 H2O 가스를 이용하는 습식 산화 또는 O2를 이용한 건식 산화 공정을 이용할 수 있다. 건식 산화의 경우 산화율이 더 느리므로 나노 구조체(10)의 표면에 요철형상 을 형성시키는 데는 유리하다. 나노 입자(11)는 나노 구조체(10) 형성 물질과 화합물을 형성할 수 있는 물질일 수 있으며, 예를 들어 나노 구조체(10)가 실리콘으로 형성된 경우, 나노 입자(11)는 Au, Ni Co 등과 같이 금속 실리사이드를 형성할 수 있는 물질일 수 있다. 만일 나노 입자(11)가 Au인 경우, 고온 산화 공정에서 나노 입자(11)가 형성되지 않은 나노 구조체(10) 표면에는 산화물이 형성되며, 나노 입자(11) 영역에서는 금속 실리사이드가 나노 구조체(10) 내부로 성장된다. 금속 실리사이드의 성장 속도가 산화막 형성 속도보다 빨라서 금속 실리사이드가 나노 구조체(10) 내부의 더 깊은 영역가지 형성된다. 에칭 공정에 의하여 산화물 및 실리사이드를 제거하면 실리사이드가 형성되었던 영역이 깊게 패인 형태로 공동이 형성된다.
상술한 바와 같은 공정에 의하여 나노 구조체(10) 표면 및 그 내부에 공동(12)을 형성할 수 있으며, 산화 공정 등의 공정 시간이 길어질수록 공동의 공동(12)의 깊이는 점차 깊어져서, 도 1b에 나타낸 바와 같이 나노 구조체(10)를 관통하는 관통공(13)까지 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 다공성 나노 구조체를 나타낸 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 나노 와이어 표면에 작은 크기의 공동이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 나노 구조체에 형성되는 공동의 크기 및 밀도 등은 재료, 공정 시간을 조절하여 용이하게 제어할 수 있다.
다공성 나노 구조체는 공동이 그 표면 및 내부에 형성됨으로써 열전도가 감 소될 수 있으므로 고효율 열전 소자에 사용될 수 있으며, 공동이 형성됨으로써 나노 구조체의 표면적을 크게 증가시킬 수 있어 솔라 셀(solar cell) 등의 에너지 분야에도 널리 사용될 수 있다. 또한, 다공성 표면의 양자 효과에 의하여 발광 소자 또는 수광 소자에 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 나노 구조체를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 나노 구조체의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2c는 관통공이 형성된 다공성 나노 구조체를 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 공동이 형성된 나노 구조체를 나타낸 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10... 나노 구조체 11... 나노 입자
12... 공동 13... 관통공

Claims (15)

  1. 나노 구조체에 있어서,
    상기 나노 구조체의 표면 및 그 표면 내부로 다수 형성된 공동을 포함하는 다공성 나노 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공동은 상기 나노 구조체를 관통하는 관통공인 다공성 나노 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 나노 튜브 또는 나노 와이어인 다공성 나노 구조체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 IV족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 IV족과 Ⅴ족 원소 중 적어도 하나와 Ⅵ족 원소를 포함하는 다공성 나노 구조체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 p형 또는 n형 도펀트를 포함하는 다공성 나노 구조체.
  6. 나노 구조체 표면에 나노 입자를 부착시키는 단계;
    상기 나노 구조체를 산화시켜 상기 나노 구조체 표면에 산화물을 형성하는 단계; 및
    상기 산화물 및 상기 나노 입자를 제거하여 공동을 형성하는 단계;를 포함하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 나노 입자는 상기 나노 구조체보다 전기 음성도가 큰 금속 물질인 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성된 것이며, 상기 나노 입자는 Ag, Au, Pt 또는 Cu로 형성된 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성된 것이며, 상기 나노 구조체는 H2O2, K2Cr2O7 또는 KMnO4 에 의해 산화시키는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 나노 구조체에 나노 입자를 부착시키는 단계는,
    상기 나노 입자의 전구체와 불산계가 혼합된 수용액에 상기 나노 구조체를 담그어 상기 나노 구조체 표면에 부착된 상기 나노 입자를 형성하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 나노 구조체에 나노 입자를 부착시키는 단계는,
    상기 나노 구조체 표면의 산화막을 제거하는 단계;
    상기 나노 구조체 표면에 상기 나노 구조체와 화합물을 형성하는 나노 입자를 부착시키는 단계;를 포함하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 H2O 가스를 이용하는 습식 산화 또는 O2를 이용한 건식 산화 공정에 의해 산화시키는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 습식 산화 또는 상기 건식 산화 공정은 섭씨 600도 내지 1100도에서 이루어지는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 실리콘으로 형성되며, 상기 나노 입자는 상기 나노 구조 체와 금속 실리사이드를 형성하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
  15. 제 6항에 있어서,
    상기 나노 와이어는 IV족 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 또는 IV족과 Ⅴ족 원소 중 적어도 하나와 Ⅵ족 원소를 포함하는 다공성 나노 구조체의 제조 방법.
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