In this Ph. D. Dissertation, we present novel in-situ metal oxide nanostructures synthesis and integration methods, their electrical and mechanical characteristics and photonic and gas sensing applications. This fabrication methods were designed for low-cost and eco-friendly synthesis and fabrication methods. The method is based on a localized hydrothermal synthesis reaction and liquid phase deposition (LPD) and can fabricate various kind of nanomaterial devices including ZnO nanowires, CuO nanospikes, ZnO nanowire/CuO nanospike hybrid structures and TiO2 nanotubes. This methods are applicable to not only rigid substrates but also to flexible substrates.
The nanomaterials guaranteed stable and strong electrical and mechanical connection between namomaterial and electrode and the flexible device endured under 6.8 mm radius of bending and 1 % tensile loading conditions. The devices were utilized to photonic sensor and exhibited a sensitive and stable light sensing response under bending and tensile loading conditions.
The heterogeneous nanomaterial arrays consisting of $TiO_2$ nanotubes, CuO nanospikes and ZnO nanowires and of ZnO nanowire/CuO nanospike hybrid nanostructures, CuO nanospikes and ZnO nanowires were fabricated combination of sequential localized hydrothermal reaction and LPD method in the microfluidic platform without mixing or contamination of precursor solution. The heterogeneous nanomaterial arrays showed excellent sensing performance of under sub-ppm and several tens of ppm level for $NO_2$ and CO gases, respectively. Moreover, the nanomaterial array device determined the concentrations of $NO_2$ and CO gases in the mixture gas.
본 연구에서는 국부적 수열합성법과 액상증착법을 기반으로 새로운 나노소자 합성법을 개발하여 산화아연 나노와이어, 산화구리 나노스파이크, 산화아연 나노와이어/산화구리 나노스파이크 혼성 나노구조물, 이산화타이타늄 나노튜브를 합성하여 광센서와 가스센서로 구현하였다.
수열반응과 마이크로히터를 이용한 국부가열으로 선택 영역에 국부적으로 산화아연 나노와이어와 산화구리 나노스파이크를 합성과 집적하였다. 또한 추가적인 수열 합성 공정을 이용하여 기합성 된 산화아연 나노와이어 표면에 산화구리 나노스파이크를 합성하여 산화아연 나노와이어/산화구리 나노스파이크 혼성 나노구조물을 합성하였으며 기합성 된 산화아연 나노와이어 표면에 이산화타이타늄 나노박막을 형성하여 이산화타이타늄 나노튜브를 제작하였다. 모든 공정은 낮은 온도에서 이루어지고 매우 적은 양의 전구체 용액을 사용하며 국소적으로 합성되므로 매우 경제적이고 친환경적이다. 또한 가혹하지 않으며 저온 공정이기 때문에 유연기판 위에도 합성이 가능하다.
나노소자가 전극 위에서 바로 합성 되었기 때문에 외부에서 합성된 후 집적된 다른 방법들 (분산법, 유전영동, 접촉인쇄) 보다 기계적으로 강인하였고 6.8 mm 곡률의 굽힘과 1 % 의 인장에도 견디었다. 산화아연 나노와이어와 산화구리 이산화타이타늄 나노튜브는 각각 자외선과 가시광선을 감지하였으며 유연기판에 집적된 산화아연 나노와이어 소자는 좌굴과 인장 상태에서도 자외선을 안정적으로 감지하였다.
미세유체 소자 내부에서 국부적 수열 반응과 액상증착법을 연속적으로 조합하여 다종 나노소자 집합체를 제작하는 더 진보된 합성 방법을 개발하였으며 열과 유체의 거동을 수치적으로 해석하여 합성과정 중에 미세유체 소자 내부에 전구체 용액의 혼합과 오염이 없음을 확인하였다.
이산화타이타늄 나노튜브, 산화구리 나노스파이크, 산화아연 나노와이어 집합체와 산화아연 나노와이어/산화구리 나노스파이크 혼성 나노구조물, 산화구리 나노스파이크, 산화아연 나노와이어 집합체 모두 ppm 이하의 이산화질소 가스와 수십 ppm의 일산화탄소 가스를 훌륭히 감지하였고 혼합가스 내의 이산화질소 가스와 일산화탄소 가스의 농도를 측정하였다.
이러한 새로운 나노소자 합성방법이 센서소자뿐만 아니라 간단한고 효율적이며 저렴한 제작 방법이 필요한 모든 분야에 널리 활용 될 것이라 생각한다.
