Metal-oxide nanostructure has become increasingly popular for numerous applications in microelec-tronic electronics, sensors and energy devices. Among various kinds of nanostructures, one dimensional (1D) nanostructure received huge interest due to its large surface to volume ratio and high electron mobility. While the metal-oxide nanowire can be synthesized by various methods including evaporation, chemical or physical vapor deposition and hydrothermal method, its patterning processes including photolithography, dielectropho-resis, microfluidics, inkjet printing, and imprinting, presents imperfect results or requires multi-step processes for growth, harvesting and placement of nanowires, in turn overall cost and complexity in the process increases.
In this study, rapid and one step selective growth of ZnO nanowires using laser induced hydrothermal growth to achieve the growth and the patterning of nanowire simultaneously are introduced. The laser is fo-cused at an arbitrary position on the substrate to raise the temperature photo-thermally and grow the nan-owires only on the focused spot. The laser focus is then carefully controlled by translational stage while the entire growth process is observed through CCD. The resultant ZnO nanowire array after a complete growth becomes hemispherical shape in the aggregate which can be seen as an urchin-like semicircular ZnO nanowires array as a whole. Through this process, the growth of ZnO nanowires array is completed within 30 min where the vertical length of fully grown ZnO nanowires extends up to 10 um. The growth rate of ZnO nanowires therefore reaches up to 20 um/h which is almost 10 times higher as compared to the standard hydrothermal methods using convection oven.
This process is further applied to the fabrication of UV sensor by making ZnO nanowires array network on desired metal pattern. The resultant UV sensor showed a clear response to UV exposure under a constant bias voltage. This result indicates that the laser induced hydrothermal growth process offers rapid and one step selective growth of ZnO nanowires at very fast rate, low cost, and eco-friendly environment for various appli-cations in electronics and sensors.
최근 산화금속을 이용하여 나노 구조물을 제작하는 연구는 전자 소자, 센서, 에너지 장치 등의 연구분야에 많은 각광을 받으며 관심이 증대되고 있다. 여러 다양한 나노 구조물 중에서도 특히 1차원의 나노 와이어의 경우 체적 대비 높은 표면적과 상대적으로 높은 전자 모빌리티 (mobility) 를 가진다는 특성 때문에 많은 연구들이 진행되고 있다. 이러한 산화금속 나노 와이어는 주로 기체 상태에서 evapolation, chemical or physical vapor deposition (PVD or CVD) 등으로 제작되며, 최근에는 액상의 전구체 속에서 나노 와이어를 제작하는 열수화학반응(hydrothermal growth)의 방법들이 연구되고 있다. 합성된 나노 와이어를 최종적으로 전자 소자로 활용하기 위해서는 원하는 위치, 특히 전극에 정렬하여 집적하는 과정이 필요하는데, 대표적인 것으로 기존의 포토 리소그래피 (photolithography), 유전영동 (dielectrophoresis), 미세유체흐름 (microfluidics), 잉크젯 인쇄기법 (inkjet printing), 미세접촉 인쇄기법 (micro contact printing) 등이 있다. 하지만 이러한 방법들은 나노구조물의 일정한 방향으로의 물리적 정렬 (alignment)에 대한 해법을 제시하고 있으나 기타 전자 소자와 나노구조물 간의 기계/전기적 접합 성질 면에서 신뢰성이 뛰어나지 못하고, 정렬된 나노구조물의 정확한 방향성 및 균일성 등에 있어서 성능이 좋지 못하다. 또한 대부분의 방법의 경우 나노 와이어의 합성, 수확, 그리고 정렬의 여러 단계 (step)의 공정을 거쳐야 하는 단점을 가지고 있어 실제 소자로의 응용시 공정이 복잡해 지거나 최종 공정의 단가가 높아 지는 여러 가지 문제점들을 안고 있다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 레이저 기반 광 에너지를 이용해 액상의 전구체 환경에서 빠른 공정이면서도 원하는 임의의 위치에 국소적으로 산화아연 나노 와이어를 합성하고 나노전자소자로 집적하는 것을 목표로 한다. 즉, 레이저를 집광시켜 기판에 국소적으로 온도를 상승시키고, 이에 따라 액상의 전구체 물질들이 반응하여 산화 아연 나노 와이어를 합성한다. 집광된 레이저 빛은 3축의 이동 스테이지를 통해 원하는 위치로 조정이 되고 이 모든 공정은 CCD의 비젼 (vision) 시스템을 통해 실시간으로 모니터링 되게 구성하였다. 최종적으로 합성된 산화 아연 나노 와이어는 기판에 대해 반구형으로 그 자체로 어레이 (array)를 구성하여 성게 모양과 비슷한 구조를 가지게 된다. 본 공정을 이용하게 되면, 대략 30분 이내의 빠른 시간 안에 10um의 길이를 가지는 산화 아연 나노 와이어 어레이를 합성할 수 있다. 기존의 오븐에서 열수 화학 반응으로 제작 되는 산화 아연 나노 와이어에 비해 본 공정은 대략 10배 이상의 빠른 속도를 가지며 최소 20um/h의 성장 속도비를 가지는 것이 특징이다.
본 공정을 이용하여 금속 패턴 위의 원하는 위치에 산화 아연 나노 와이어 어레이를 통한 네트워크를 형성시켜 UV 센서로 제작이 가능하며 제작된 UV 센서는 일정한 전압이 걸려 있을 때, 상당히 높은 정확도의 작동 성능을 가진다. 결국 본 레이저 기반 광 에너지를 이용한 열수 화학 반응 공정은 공정은 상당히 빠른 속도로 산화 아연 나노 와이어를 제작할 수 있고, 한번의 공정으로 합성부터 최종 전자 소자로의 집적이 가능하게 해주므로 기존에 없었던 새로운 공정의 방법을 제시하게 해주며, 염가의 낮은 온도, 환경 친화적인 공정이므로 향후 많은 전자 소자 및 센서 등에 응용시에 상당히 유리한 점이 있을 것으로 기대한다.
