전기화학 센서 응용을 위한 산화아연 나노선 선택적 성장 공정에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents the selective growth method of ZnO nanowires for the application to the electrochemical impedance sensor. The electroplated Zn in a pattern is oxidized through the oxidation-reduction reaction in KOH electrolyte combined with an air cathode and the ZnO nanowires are hydrothermally grown on the oxidized Zn layer selectively. The electrochemical impedance of the ZnO nanowire-patterned electrodes was measured in a ferricyanide solution by varying concentrations to demonstrate the feasibility of the proposed method for the application to the impedance sensor.

국문 초록 (Abstract)

산화아연 나노선은 많은 응용 분야에 적용되고 있는 나노 재료로서 일반적으로 수열합성법(hydrothermal growth method) 을 이용하여 성장시키는 방법이 주로 사용된다. 수열합성법은 먼저 나노선 성장을 위한 씨앗층을 형성한 후 성장용액에서 반응물의 농도와 온도를 조절하여 성장시키는 방법이다. 씨앗층은 주로 스핀코팅이나 스퍼터링 방법을 이용하여 형성하게 된다. 스퍼터링을 이용한 씨앗층의 형성은 원하는 두께와 수직한 나노선 성장에 용이하지만 고가의 장비가 필요하고 증착비용이 비싸다는 단점이 있다. 스핀코팅을 이용하는 방법은 원하는 두께의 씨앗층을 균일하게 도포하는 데 어려움이 있으며 또한 기판 전면에 씨앗층이 도포되므로 원하는 패턴의 영역에만 산화아연 나노선을 성장시키기 어렵다는 한계가 있다.
본 논문에서는 고가의 스퍼터링 증착 공정이나 스핀코팅 방법을 이용하지 않고 아연 전해도금과 KOH용액에서의 산화공정을 이용한 씨앗층 형성을 통하여 원하는 패턴 영역에만 산화아연 나노선을 선택적으로 성장시킬 수 있는 방법을 제안하였다. 또한 이를 전극 패터닝에 이용하여 전기화학 임피던스 센서로 응용할 수 있는 가능성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 연구배경 및 이론 1
• 1 산화아연 및 산화아연 나노선의 특성 1
• 1.1 결정구조 1
• 1.2 전기적 특성 5
• 1.3 산화아연 나노선의 특성 및 연구동향 6
• 2 전기화학 센서 7
• 2.1 전기화학측정 7
• 2.2 전기화학 센서의 평가요소 9
• 2.2.1 순환 전압-전류법 9
• 2.2.2 전기화학 임피던스 측정 10
• 3 선택적 산화아연 나노선 성장방법 11
• 3.1 기존의 산화아연 씨앗층 및 나노선 형성방법 11
• 3.1.1 ALD 증착법(Atomic Layer deposition) 11
• 3.1.2 졸겔(Sol-gel)법 13
• 3.1.3 수열 합성법(Hydrothermal method) 14
• 3.2 기존의 선택적 나노선 성장방법 15
• 3.2.1 ALD 증착법을 이용한 ZnO 씨앗층 형성 후 나노선 성장 15
• 3.2.2 졸겔법을 이용한 ZnO 씨앗층 형성 후 나노선 성장 17
• 3.3 본 논문에서 제안하는 선택적 나노선 성장방법 19
• 3.3.1 전해도금법을 이용한 Zn layer 형성 19
• 3.3.2 산화공정을 이용한 ZnO layer 형성 21
• 3.3.3 수열합성법을 이용한 ZnO 나노선 성장 23
• Ⅲ. 전해도금법을 이용한 ZnO 씨앗층 및 나노선 분석 25
• 1 산화시간에 따른 ZnO 씨앗층 표면 분석 25
• 2 산화시간에 따른 ZnO 씨앗층 위 성장된 나노선의 길이 및 직경 분석 27
• Ⅳ. ZnO 나노선을 이용한 전기화학 센서 제작 및 특성평가 29
• 1 센서 전극 설계 29
• 1.1 전극 패턴 형성 29
• 1.2 센서 유체소자 칩 설계 32
• 1.3 제작 결과 33
• 2 센서 특성 평가 35
• 2.1 Cyclic voltammetry(CV) 측정 35
• 2.2 Amperometric 측정 36
• 2.3 Impedance 측정 38
• 2.4 측정 결론 41
• Ⅴ. 결론 42
• 참고문헌 43
• 영문요약 46