나노다공성 알루미나틀을 이용한 균일한 탄소 나노튜브 및 CdTe 양자점 배열의 생장과 그 특성연구

Abstract

균일한 탄소 나노튜브 (carbon nanotube; CNT) 및 양자점 (quantum dot; QD) 배열을 나노다공성 알루미나 틀 (nanoporous alumina template)을 이용해 제조하여 그 특성을 연구하였다. 알루미늄을 황산 및 옥살산 전해질 용액에서 두 단계 양극산화 과정 (two-step anodization process)을 실시하여 균일하고 잘 정렬된 다공성 알루미나를 제조하였다. 양극 산화조건을 변화시켜 나노다공성 알루미나의 동공 (pore)의 크기와 밀도, 두께 등을 조절하였다. 황산 전해질 용액에서 산화전압을 17 V에서 25 V의 범위에서 변화시켜 생장된 알루미나의 육각형 셀 크기는 44 ~ 66 nm 이고, 동공 밀도는 2.5 x 10^(10) ~ 4.3 x 10^(10) /㎠이었다. 옥살산 전해질 용액에서는 30 V에서 50 V범위에서 제조된 잘 정렬된 나노다공성 알루미나의 셀 크기는84 ~ 145 nm 이고, 동공 밀도는 7.5 x 10^(9) ~ 1.5 x 10^(10)/㎠이었다. 셀 크기 및 동공 밀도는 전체 산화전압 범위 17 ~ 50 V에서 가해준 산화 정 전압에 선형으로 비례한다. 동공의 크기는 에칭시간에 따라 셀 크기 내에서 조절할 수 있었다. 균일한 크기의 동공이 잘 배열되게 제조한 나노다공성 알루미나를 사용하여 CdTe양자점 배열의 제조 및 전기이중층 커패시터 (EDLC)용 CNT전극의 제조에 활용하였다. EDLC용 전극은 넓은 표면적을 가져야 큰 용량을 나타내므로, 균일한 직경의 CNT를 나노다공성 알루미나 틀속에 제조하여 비표면적 값을 증가시켰다. 알루미나 틀의 동공 속에 균일한 나노크기의Co 촉매금속을 전기화학적으로 증착시키고, CNT를 화학기상 증착법 (CVD)으로 생장하였다. 또한, 나노다공 성 알루미나 밑의 Al기판이 직접 전극의 전류 집전자 (current collector)로 사용되므로 EDLC를 구성하는 전극개발 공정을 간소화할 수 있는 장점이 있다. 생장된 CNT전극에 대해 순환전압 전류곡선 (CV) 측정과 충전-방전 (charge-discharge) 테스트를 실시하여 축전용량을 계산하고, EDLC의 전극으로의 응용가능성을 연구하였다. 약50 nm의 직경을 갖는 균일한 CNT전극을 1 M H₂SO₄을 전해질로 사용하여 측정한 EDLC의 비축전용량 (specific capacitance)은 49 F/g이었다. 이 값은 다른 그룹에서 30 nm의 CNT를 사용하여 얻은 35 F/g값보다 훨씬 우수한 결과이다. 반도체 양자점을 전기적/광소자로 활용하기 위해서는 크기와 공간배치를 제어할 수 있는 기술은 상당히 중요하다. 분자선 에피성장 (molecular beam epitaxy; MBE)법으로 GaAs(100) 기판 위에 균일한 크기의 CdTe양자점 배열을 생장하기 위하여 나노다공성 알루미나 마스크를 사용하였다. CdTe양자점의 크기 및 배열 특성은 사용한 마스크의 동공 크기와 배열에 의존하며, CdTe와 GaAs 기판 사이의 커다란 격자부정합 (~15%)에도 불구하고 균일한 CdTe양자점 배열이 사용된 알루미나 마스크와 같은 형태로 형성되었다. 마스크의 동공의 크기 및 밀도가 조절된 아주 얇은 (< 0.5 μm) 두께의 나노다공 성 알루미나 마스크를 사용하여 양자점 크기가 35 nm (양자점 밀도는 2.5 x 10^(10) /㎠), 55 nm (양자점 밀도는 1.5 x 10^(10) /㎠), 80 nm (양자점 밀도는1.0 x 10^(10)/㎠)의 균일한 CdTe양자점 배열들을 제조할 수 있었다.