• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.97-97
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• 2011

산화아연 (ZnO)은 넓은 에너지 밴드갭 (~3.37 eV), 큰 엑시톤 결합 에너지 (~60 meV) 그리고 높은 전자 이동도 (bulk~300 $cm^2Vs^{-1}$, single nanowire~1000 $cm^2Vs^{-1}$)를 갖고 있어, 광전자 소자 및 반도체소자 응용에 매우 널리 사용되고 있다. 특히, 산화아연 나노로드(ZnO nanorod)는 1차원 나노구조로써 더욱 향상된 전자 이동도와 캐리어의 direct path way를 제공하여 차세대 광전자소자 및 태양광 소자의 응용에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 한편, 이러한 산화아연 나노로드를 성장시키기 위하여 VLS (vapor-liquid-solid), 졸-겔 공정(sol-gel process), 수열합성(hydrothermal synthesis), 전기증착(electrodeposition)등 다양한 방법이 보고되었지만, 이러한 산화아연 나노로드의 성장방법은 실제적인 소자응용을 위한 패터닝 형성에 대하여 제약을 받는 문제점이 있다. 이들 중에서 수열합성법과 전극증착법은 ZnO 또는 AZO (Al doped ZnO) seed 층 표면과 성장용액의 화학반응에 의해서 선택적으로 산화아연 나노로드를 성장시킬 수 있다. 이에 본 연구에서는, 광전자소자의 응용을 위한 간단한 패터닝 공정을 위해, 산화인듐주석(ITO) 박막이 증착된 유리기판(glass substrate)위에 수열합성법과 전극증착법을 이용하여 산화아연 나노로드를 선택적으로 성장시켰다. 실험을 위해, ITO glass 위에 RF magnetron 스퍼터를 사용하여 AZO seed 층을 metal shadow mask를 이용하여 패터닝을 형성한 후, 질산아연과 헥사메틸렌테트라아민으로 혼합된 용액에 $85^{\circ}C$ 온도를 유지하여, 패터닝이 형성된 샘플에 전압을 인가하여 성장시켰다. 나노구조 분석을 위해, 전계주사현미경을 이용하여 수열합성법과 전기증착법에 의한 패터닝된 산화아연 나노로드를 비교하여 관찰하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.98-98
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• 2011

수직으로 정렬된 1차원 나노구조는 입사되는 빛에 대하여 반사율을 줄일 수 있는 유효 굴절률 profile을 갖고 있어, 태양광소자 및 광전자소자의 성능을 향상시키기 위해 널리 응용되어 왔으며, 이러한 수직으로 정렬된 1차원 나노구조를 제작하는 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 화학적 방법으로 성장시킨 산화아연 나노로드(ZnO nanorod)는 비교적 간단하고 저렴한 제작공정을 통해서 높은 결정성을 갖는 수직형 1차원 나노구조체로 이용 할 수 있다. 한편, 효과적인 무반사(antireflection) 층을 제작하기 위해서는 표면에서 발생되는 Fresnel 반사율을 낮춰야 하는데, 이를 위해서 입사되는 매질에서 기판 사이의 유효 굴절률이 연속적이고, 점진적인 변화가 필요하다. 이에 본 연구에서는 무반사 특성향상을 위해서 실리콘 (Si) 기판위에 tapered 산화아연 나노로드를 화학적으로 성장시켜 반사율 특성을 분석하였다. 실험을 위해, 먼저 Si 기판에 AZO (Al doped ZnO) seed 층을 RF magnetron 스퍼터를 사용해 증착한 후, zinc nitrate $Zn(NO_3)_2{\cdot}6H_2O$과 hexamethylentetramines으로 혼합된 용액에 담가두어 산화아연 나노로드를 성장시켰다. Tapered 산화아연 나노로드를 형성하기 위해 용액의 온도를 서서히 낮춤으로 산화아연나노로드의 끝을 뾰족하게 제작할 수 있었다. 한편, 이론적으로 AZO seed 층의 두께에 대한 반사 스펙트럼을 rigorous coupled wave analysis (RCWA) 계산법을 통해서 시뮬레이션을 수행하였으며, 최적화된 AZO seed 층의 두께를 결정하여, 그 위에 tapered 산화아연 나노로드를 성장시켜 반사율을 측정하여 무반사 특성 향상을 확인 할 수 있었다. 또한, 태양광소자 응용을 위해, 표준 AM1.5G 태양광 스펙트럼을 고려한 solar weighted reflection을 계산하였다.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• v.33 no.1
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• pp.189-193
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• 2012

ZnO nanorods were grown on the $Cd_xZn_{1-x}O$ seed layers with various Cd mole fractions by hydrothermal method. The effects of the Cd mole fraction for $Cd_xZn_{1-x}O$ seed layers on the structural and optical properties of the ZnO nanorods were investigated by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and photoluminescence. The narrowest full-width at half-maximum and largest grain size of the $Cd_xZn_{1-x}O$ seed layers, indicating improvement in crystal quality, were observed at the Cd mole fraction of 0.5. At the Cd mole fraction of 0.5, the largest enhancement in the density, the crystal quality, and the growth rate of the ZnO nanorods was observed while their appearance was not affected significantly by the incorporation of the Cd in the $Cd_xZn_{1-x}O$ seed layers. Consequently, the luminescent properties of the ZnO nanorods were enhanced. The largest improvement in the structural and optical properties of the ZnO nanorods was observed at the Cd mole fraction of 0.5.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• v.34 no.4
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• pp.1205-1211
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• 2013

The structural and optical properties of the ZnO, Al-doped ZnO, Ga-doped ZnO, and In-doped ZnO nanorods were investigated using field-emission scanning electron microscopy, X-ray diffraction, photoluminescence (PL) and ultraviolet-visible spectroscopy. All the nanorods grew with good alignment on the ZnO seed layers and the ZnO nanorod dimensions could be controlled by the addition of the various dopants. For instance, the diameter of the nanorods decreased with increasing atomic number of the dopants. The ratio between the near-band-edge emission (NBE) and the deep-level emission (DLE) intensities ($I_{NBE}/I_{DLE}$) obtained by PL gradually decreased because the DLE intensity from the nanorods gradually increased with increase in the atomic number of the dopants. We found that the dopants affected the structural and optical properties of the ZnO nanorods including their dimensions, lattice constants, residual stresses, bond lengths, PL properties, transmittance values, optical band gaps, and Urbach energies.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.102-103
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• 2008

Magnetron Sputtering, MOCVD, Thermal Evaporation에 의해 성장된 ZnO layer에 대한 Dependency Temperature Photoluminescence (PL)를 이용하여 비교 분석을 통해 Deep level emission에 대해 연구하였다. Sputter에 의해 성장된 ZnO 박막은 Violet, Green, Orange-red 영역의 $Zn_i$, $V_o$, $O_i$의 defect에 의한 Deep level emission을 보였고, MOCVD에 의해 성장된 박막은 비교적 산소양이 낮은 성장 조건에서는 blue-green 영역에서, 산소양이 높은 조건에서의 박막은 Orange-red 영역의 Deep level emission을 보였다. Blue-green 영역에서의 emission은 온도가 증가함에 따라 다른 Barrier를 보였는데, 이는 $V_{Zn}$와 $V_o$에 의한 것임을 알 수 있었다. 한편, ZnO nanorods는 $V_o$에 의한 Green 영역에서의 Deep level emission을 보였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.28.1-28.1
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• 2009

The superior properties of ZnO such as high exciton binding energy, high thermal and chemical stability, low growth temperature and possibility of wet etching process in ZnO have great interest for applications ranging from optoelectronics to chemical sensor. Particularly, vertically well-aligned ZnO nanorods on large areas with good optical and structural properties are of special interest for the fabrication of electronic and optical nanodevices. Currently, low-dimensional ZnO is synthesized by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), thermal evaporation, and sol.gel growth. Recently, our group has been reported about achievement the growth of Ga-doped ZnO nanorods using ZnO seed layer on p-type Si substrate by RF magnetron sputtering system at high rf power and high growth temperature. However, the crystallinity of nanorods deteriorates due to lattice mismatch between nanorods and Si substrate. Also, in the growth of oxide using sputtering, the oxygen flow ratio relative to argon gas flow is an important growth parameter and significantly affects the structural properties. In this study, Phosphorus (P) doped ZnO nanorods were grown on c-sapphire substrates without seed layer by radio frequency magnetron sputtering with various argon/oxygen gas ratios. The layer change films into nanorods with decreasing oxygen partial pressure. The diameter and length of vertically well-aligned on the c-sapphire substrate are in the range of 51-103 nm and about 725 nm, respectively. The photoluminescence spectra of the nanorods are dominated by intense near band-edge emission with weak deep-level emission.

• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.29 no.3
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• pp.187-193
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• 2020

Ultraviolet (UV) sensors are widely applied in industrial and military fields such as environmental monitoring, medicine and astronomy. Zinc oxide (ZnO) is considered as one of the promising materials for UV sensors because of its ease of fabrication, wide bandgap (3.37 eV) and high chemical stability. In this study, we used the hydrothermal growth of ZnO to form two types of ZnO nanostructures (Nanoflower and nanorod) and applied them to a UV sensor. To improve the performance of the UV sensor, the hydrothermal growth was used in a two-step process for fabricating ZnO hierarchical nanostructures. The fabricated ZnO hierarchical nanostructure improved the performance of the UV sensor by increasing the ratio of volume to surface area and the number of nanojunctions compared to one-step hydrothermal grown ZnO nanostructure. The UV sensor based on the ZnO hierarchical nanostructure had a maximum photocurrent of 44 ㎂, which is approximately 3 times higher than that of a single nanostructure. The UV sensor fabrication method presented in this study is simple and based on the hydrothermal solution process, which is advantageous for large-area production and mass production; this provides scope for extensive research in the field of UV sensors.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.06a
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• pp.387-387
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• 2007

기능성 나노소자를 구현할 수 있는 나노 소재로 0차원 구조의 양자점(quantum dot)과 1차원 구조의 양자선 및 나노선(nanorod)이 제안되고 있다. 나노선의 경우 나노스케일의 dimension, 앙자 제한 효과, 탁월한 결정성, self-assembly, internal stress등 기존의 벌크형 소재에서 발견할 수 없는 새로운 기능성이 나타나고 있어서 바이오, 에너지, 구조, 전자, 센서 등의 분야에서 활용되고 있다. 현재 국내외적으로 널리 연구되고 있는 나노선으로는 Si 및 Ge, $SnO_2$, SiC, ZnO 등이 있으며 특히, ZnO는 우수한 물리적 전기적 특성과 함께 나노선으로의 합성이 비교적 쉬워 주목받고 있는 재료이다. ZnO의 합성방법으로는 thermal CVD, MOCVD, PLD, wet-chemistry 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 특히 MOCVD 법은 수직 정렬된 ZnO 나노막대를 합성하기가 매우 용이하다. 본 실험에서는 자체개발된 MOCVD 장비를 이용한 일차원 ZnO 나노선을 성장하였다. 이러한 ZnO 나노선의 성장은 사파이어 기판과 실리콘 기판 위에서 이루어졌으며 기판의 종류와 격자상수 불일도에 따른 상이한 성장과정을 온도에 따른 나노선 성장에서 관찰할 수 있었다. 사파이어 기판의 경우, 240도의 온도에서는 박막형상을 지닌 ZnO가 온도가 320도 이상으로 상승하면서 나노선으로 변함을 보였고, 실리콘 기판의 경우 380도 이상에서 기울기률 가진 나노선을 관찰하였으며, 420도에서는 나노선을 관찰 할 수 없었다. 또한 PL 장비를 이용한 PL 강도와 성장과정을 연관하여 생각하였을 때, 나노선의 기물기가 PL 강도비과 연관성을 가진다는 것을 측정을 통해 확인하였다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.27 no.12
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• pp.658-663
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• 2017

Urchin-structured zinc oxide(ZnO) nanorod(NR) gas sensors were successfully demonstrated on a polyimide(PI) substrate, using single wall carbon nanotubes(SWCNTs) as the electrode. The ZnO NRs were grown with ZnO shells arranged at regular intervals to form a network structure with maximized surface area. The high surface area and numerous junctions of the NR network structure was the key to excellent gas sensing performance. Moreover, the SWCNTs formed a junction barrier with the ZnO which further improved sensor characteristics. The fabricated urchin-structured ZnO NR gas sensors exhibited superior performance upon $NO_2$ exposure with a stable response of 110, fast rise and decay times of 38 and 24 sec, respectively. Comparative analyses revealed that the high performance of the sensors was due to a combination of high surface area, numerous active junction points, and the use of the SWCNTs electrode. Furthermore, the urchin-structured ZnO NR gas sensors showed sustainable mechanical stability. Although degradation of the devices progressed during repeated flexibility tests, the sensors were still operational even after 10000 cycles of a bending test with a radius of curvature of 5 mm.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.179-179
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• 2010

1차원 나노구조를 갖는 ZnO를 성장하기 위해 Laser ablation, Chemical vapor deposition (CVD), Chemical transport method, Molecular beam epitaxy, Sputtering 등의 다양한 형성법들이 이용되어지고 있다. 특히 대량생산과 경제성 측면에서 많은 장점을 가지고 있는 CVD를 이용한 ZnO 성장 및 응용 연구가 활발하게 수행되고 있다. 본 연구에서는 Thermal CVD를 이용하여 반응물질과 기판 사이의 거리, 기판온도, $O_2$/Zn 비율 등의 성장변수를 변화시켜 ZnO 나노구조를 성장하고 구조 및 광학적 특성을 연구하였다. Scanning electron microscope를 통한 구조 특성평가 결과 반응물질과 기판 사이의 거리가 13 cm 이하의 조건에서 ZnO 나노구조들은 나노판(Nanosheet)과 나노선(Nanowire)이 혼재하여 성장된 것을 보였다. 그리고 반응물질과 기판사이의 거리가 15 cm 이상부터 나노판이 없어지고 수직한 ZnO 나노막대(Nanorod)가 형성되었다. 상온 Photoluminescence 스펙트럼에서 반응물질과 기판사이의 거리가 5에서 15 cm로 증가할수록 결함 (Defect)에 의해 발생된 515 nm 파장의 최대세기 (Maximum intensity)가 10배 이상 감소한 반면, ZnO 나노구조에 의한 378 nm 파장의 NBE발광 (Near band edge emission)은 8배 이상 증가하였다. 이러한 구조 및 광학적 결과로부터, 질서 없이 성장된 것보다 수직 성장된 ZnO 나노구조의 결정질(Crystal quality)이 좋은 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 성장변수에 따른 ZnO 나노구조의 형성 메커니즘을 Zn와 O 원자의 성장거동을 기반으로 한 모델을 이용하여 해석하였다.