WO2017138695A1 - Reactor - Google Patents
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Definitions
- the present application relates to a reactor capable of controlling the reaction rate of a highly reactive compound.
- Gallium nitride is a semiconductor material with a wide bandgap energy of 3.4 eV, direct band transitions, high energy radiation and high stability to high temperatures. In view of these properties, gallium nitride is known as a promising material for light emitting diodes, short wavelength lasers, UV detectors and solar cell windows in space.
- the gallium nitride film may be mixed with a solution containing a gallium precursor and a solution containing sodium dimethyldithiocarbamate to form metal precursor nanoparticles, followed by coating the nanoparticles on a substrate and performing heat treatment.
- the gallium precursor and sodium dimethyldithiocarbamate has a very high reactivity, when a simple mixing of the gallium precursor and sodium dimethyldithio carbamate, an explosive reaction occurs. Therefore, a phenomenon in which the metal precursor nanoparticles formed during the reaction may be aggregated may occur. In this case, it may be difficult to control the particle size of the metal precursor nanoparticles evenly, and the base layer may include a solution containing the metal precursor nanoparticles. When coating on, it may be difficult to form a uniform and thin coating layer. Furthermore, in the past, an expensive microchannel reactor was used to control the reaction rate of such a highly reactive compound, but a method of controlling the reaction rate at a lower cost is required.
- the present application provides a reactor capable of controlling the reaction rate of a highly reactive compound.
- the present application relates to a reactor.
- a reactor of the present application by suppressing the explosive reaction rate of the metal nanoparticle precursor by injecting a solution containing the metal precursor to a solution containing a reactive compound having a very high reactivity with the metal precursor,
- the particle size of the precursor nanoparticles can be controlled to be small, whereby a film having a uniform surface roughness can be produced in a large area.
- FIG. 1 exemplarily shows a reactor 100 of the present application.
- An exemplary reactor of the present application includes a reaction vessel 120 and a reaction rate controller 110.
- the reactor 120 refers to a water tank or a container in which the reaction takes place, and in one example, the reactor 120 may be filled with a solution containing a reactive compound reacting with a metal precursor.
- the metal precursor may include one or more selected from the group consisting of metal nitrate, metal acetate, and metal chlorides.
- the metal is not particularly limited as long as it is a metal capable of reacting with the reactive compound.
- the metal may be a metal of Group 8, Group 11, Group 12, or Group 13.
- the metal may be at least one selected from the group consisting of gallium, aluminum, indium, thallium, zinc, copper, iron, and tin, and may be, for example, gallium, aluminum, or indium, but is not limited thereto. It doesn't happen.
- the metal precursor may be gallium nitrate (Ga (NO 3 ) 3 ⁇ 8H 2 O), gallium acetate or gallium chloride.
- the reactive compound is a compound having a very high reactivity with the metal precursor, the reaction of the metal precursor and the reactive compound may satisfy the following general formula (1).
- Rp represents a rate of increase in particle size that is a reactant of the metal precursor and a reactive compound within Ts time
- 2 is a graph illustrating a change in particle size or diameter according to a reaction time.
- the particle size may change in the form of a quadratic function.
- the point of time corresponding to the boundary between the area where the particle size grows explosively according to the reaction time and the area where the particle size grows slowly according to the reaction time that is, the time that the growth of the particle size saturates is Ts.
- Ts is the time at the point where the first straight line of the graph meets the first straight line of the graph during the time that the particle size grows in the graph of FIG. It may mean.
- the particle size grows explosively, for example, the rate of increase of the particle size in the left region of the Ts time may be 1 ⁇ m / min or more. .
- the growth of the particle size does not occur or grows at a very low rate depending on the reaction time, for example, the increase rate of the particle size in the right region of the Ts time is 1 ⁇ m / min. May be less than.
- the reactive compound may be a compound represented by Formula 1 below.
- M 1 is a Group 1 metal
- R 1 and R 2 each independently represent alkyl having 1 to 12 carbon atoms.
- M 1 may be a Group 1 alkali metal, such as lithium, sodium or potassium, and in one example may be sodium.
- each of R 1 and R 2 may be independently an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, for example, 1 to 8 carbon atoms, 1 to 6 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms.
- R 1 and R 2 may be each independently methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl or hexyl, and in one example may be methyl, but is not limited thereto.
- the compound of Formula 1 may be sodium dimethyldithiocarbamate (CH 3 ) 2 NCSSNa.2H 2 O), the solution containing the reactive compound is sodium dimethyldithiocarba Mate.
- the reaction rate control unit 110 is a device that controls the reaction rate of the metal precursor and the reactive compound occurring in the reaction tank 120.
- a reactive compound such as the compound of Formula 1
- an explosive reaction occurs when the first solution and the second solution are simply mixed, an explosive reaction occurs. Therefore, aggregation of the formed metal precursor nanoparticles may occur. In this case, it is difficult to evenly control the particle size of the metal precursor nanoparticles, and the solution containing the metal precursor nanoparticles may be coated on the substrate layer. In this case, it may be difficult to form a uniform and thin coating layer.
- the solution comprising the metal precursor and the solution comprising the reactive compound may be mixed by a spray device 100, in one example, the solution comprising the metal precursor is The mixed solution may be prepared by spraying on a solution containing a reactive compound.
- the compound of Formula 2 is tris (N, N-dimethyldithiocarbamate) -gallium (III) (Tris (N, N-dimethyldithiocarbamato) -gallium (III), Ga (DmDTC) 3 ),
- the third solution may comprise tris (N, N-dimethyldithiocarbamate) -gallium (III), preferably, the residual sodium dimethyldithio contained in the second solution Carbamate and the tris (N, N-dimethyldithiocarbamate) -gallium (III).
- the average particle diameter of the metal precursor nanoparticles of Formula 2 may be 5 to 100 nm, for example, 10 to 70 nm, or 15 to 50 nm, preferably 20 to 40 nm.
- the particle size distribution of the metal precursor nanoparticles of Formula 2 has a very small standard deviation, and in one example, the particle size distribution of the metal precursor nanoparticles is 5 to 40 nm, for example, It can have a standard deviation of 10 to 30 nm, 10 to 20 nm.
- the obtained metal precursor nanoparticles of the formula (2) may be dissolved in a second solvent, the metal precursor nanoparticle solution prepared according to may include the metal precursor nanoparticles of the formula (2).
- the coating layer of the metal precursor nanoparticle solution may be formed to have a thickness of 15 ⁇ m or less, and the metal nitride layer formed after the heat treatment to be described later may have a thickness of 10 ⁇ m or less.
- the second solvent for dispersing the metal precursor nanoparticles of Chemical Formula 2 may be used without limitation as long as it is a highly evaporative solvent.
- chloroform CH 3 Cl
- methanol It may be at least one selected from the group consisting of ethanol and ether, and in one example, may be chloroform, but is not limited thereto.
- the metal precursor nanoparticle solution layer coated on the substrate layer may be heat treated under a nitrogen gas or ammonia gas atmosphere, and by the heat treatment, the sulfur atom of the compound of Formula 2 in the metal precursor nanoparticle solution layer is nitrogen gas or ammonia It may be substituted with a nitrogen atom of the gas. Accordingly, a film including a metal nitride layer having a final thin thickness and a uniform thickness can be manufactured.
- FIG. 3 is a diagram illustrating an apparatus 200 in which a heat treatment is performed in the manufacturing method of the present application.
- the metal nitride layer formed by the heat treatment of the metal precursor nanoparticle solution layer including the metal precursor nanoparticles of Formula 2 may be formed according to the following schemes 1 and 2.
- the present application also relates to a film produced by the above-described manufacturing method.
- Exemplary film of the present application as prepared using the metal precursor nanoparticles obtained by the reactor of the present application described above, comprises a very thin and uniform thickness of the metal nitride layer of several micrometers, and also, Sulfur atoms in the metal precursor nanoparticles of doped the metal nitride layer, the sulfur component on the surface has a feature that is detected in the photoluminescence (PL) spectrum.
- PL photoluminescence
- FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a film of the present application.
- the photoluminescence (PL) spectrum measured using a laser of 325 nm wavelength satisfies the following general formula (2).
- E (I max ) represents the bandgap energy at the position having the maximum intensity value of the photoluminescence spectrum
- Eg represents the bandgap energy of the metal nitride
- Photoluminescence refers to a phenomenon in which a material is stimulated by light to emit light by itself, and more specifically, when an electron in a light-absorbing material becomes excited and then returns to its original state. It means the phenomenon of emitting light.
- Photoluminescence (PL) Spectrum is a spectrum showing the relative intensity representing the energy-specific distribution of light emitted from a material irradiated with light by using light luminescence.
- the intensity of the photoluminescence spectrum has a maximum intensity value (hereinafter, referred to as a peak value) in an energy band unique to a material. Since the intensity value of the photoluminescence spectrum is a relative value, it is expressed in units of a.u. (arbitrary unit).
- the PL measurement may be performed using a He-Cd laser having a center wavelength of 325 nm for the excitation light source.
- the measurement temperature is not particularly limited, but it is preferable to perform the measurement at 20 K or lower.
- Examples of the device capable of measuring PL under such conditions include Omnichrome series 74 He-Cd laser, Acton SpectraPro 2300i spectrometer, Princeton Instruments PI-MAX1024HQ-Blu CCD detector, and the like.
- the PL spectrum signal can be easily detected by using a low temperature PL of 20 K or less.
- the metal nitride layer 12 may be formed by replacing sulfur atoms in the metal precursor nanoparticles of Chemical Formula 2 with nitrogen atoms when heat-treating the coating layer including the metal precursor nanoparticles of Chemical Formula 2.
- sulfur atoms in the metal precursor nanoparticles of Chemical Formula 2 are doped into some metal nitride layers 12, and sulfur components are detected in a photoluminescence (PL) spectrum on the surface.
- PL photoluminescence
- the metal nitride layer satisfying Formula 2 has a maximum intensity value of the photoluminescence (PL) measured using a laser of 325 nm wavelength of 2.8 to It will be in the range of 3.2 eV. This is because, as described above, sulfur atoms in the metal precursor nanoparticles of Chemical Formula 2 are doped into some metal nitride layers 12 so that sulfur components are detected in the photoluminescence (PL) spectrum at the surface.
- PL photoluminescence
- the bandgap energy at the position having the maximum intensity value of the photoluminescence spectrum represented by the sulfur component is 2.95 eV
- the bandgap energy of gallium nitride is 3.44 eV. Therefore, k value calculated according to the general formula (2) is 4.9, thereby satisfying the general formula (2).
- the sulfur component detected on the surface of the metal nitride layer 12 may also be confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.
- the metal nitride layer 12 may include Mg after removing a surface oxide layer with an ion gun using an inert gas.
- the maximum intensity value of the XPS spectrum measured on the basis of K ⁇ X-ray may be in the range of 160.0 eV to 170.0 eV.
- the maximum intensity value of the XPS spectrum can be found around about 164 eV (based on the carbon 1s peak of 284.5 eV, sulfur 2p3 / 2 peak).
- it can be confirmed that it contains sulfur within 5% by weight through quantitative analysis through XPS.
- the "XPS analysis” is a method of using X-rays as a light source in electron spectroscopy, and when X-rays are irradiated to a substance, photoelectrons are emitted out of the substance, and the kinetic energy is at an original position under the cabinet electrons of the atoms constituting the substance. Since it reflects the magnitude of the binding force, this means a method of investigating the atomic composition of a material and the bonding state of electrons.
- the center line average roughness is measured under the standard of JIS B0031, JIS B0601 or ISO 468.
- the metal may be one or more selected from the group consisting of gallium, aluminum, indium and lead, for example, gallium, but is not limited thereto.
- the base layer 11 may have a melting point of 300 ° C. or higher. When the melting point of the base layer 11 is less than 300 ° C., the components of the base layer may melt during the heat treatment process, and thus carbon or carbon-related byproducts may remain in the metal nitride layer.
- the substrate layer 11 may include at least one polymer substrate selected from the group consisting of acrylonitrile, polyphenylenevinylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylcarbazole, and polyimide, or
- the layer 11 may include one or more selected from the group consisting of alumina, silicon carbide (SiC), silicon, quartz, glass, and stainless steel. In one example, the base layer 11 may be alumina. However, it is not limited thereto.
- the precursor nano by spraying a solution containing the metal precursor to a solution containing a reactive compound having a very high reactivity with the metal precursor to suppress the explosive reaction rate of the metal nanoparticle precursor, the precursor nano at a low cost
- the particle size of the particles can be controlled small, whereby a film having a uniform surface roughness can be produced in a large area.
- FIG. 3 exemplarily shows an apparatus in which a heat treatment is performed in the method of the present application.
- FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a film of the present application.
- Ga (DmDTC) and 1 H-NMR spectrum of the nanoparticles 3 is a graph and a photograph showing the size distribution and shape of Ga (DmDTC) 3 nanoparticles.
- FIG. 7 is a graph illustrating a pyrolysis reaction of Ga (mDTC) 3 using a thermogravimetric analyzer.
- FIG. 10 shows XRD patterns and SEM photographs of epitaxial gallium nitride films grown on gallium nitride layers pyrolyzed by MOCVD.
- Nanoparticles were identified using a 1 H-Fourier transform magnetic resonance system ( 1 H-FT-NMR, Bruker DPX300).
- Nanoparticles synthesized in the following examples and comparative examples The size of nanoparticles is not only measured by transmission electron microscope (TEM, Hitachi, H-7600) and X-ray diffraction (X-ray diffraction, XRD, PANalytical, X'pert PRO), but also by particle size analyzer (Beckman Coulter, N5).
- TEM transmission electron microscope
- XRD X-ray diffraction
- PANalytical X'pert PRO
- particle size analyzer Beckman Coulter, N5
- a gallium nitride layer was formed on the alumina base layer.
- the gallium nitrate solution was ultrasonically sprayed on the sodium dimethyldithiocarbamate ligand solution for 30 minutes at room temperature, and the flow rate of the gallium nitrate solution was maintained at 10 ml / hr during the spraying process.
- the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were synthesized by a very slow sedimentation process, and the precipitated material was filtered using a centrifugation process.
- the synthesized Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were washed several times with deionized water and dried in a vacuum oven at 60 ° C. for 4 hours.
- the average particle size of the prepared In (DmDTC) 3 nanoparticles was measured as 30 nm
- prepared In (DmDTC) of 3 nanoparticle particle size distribution is measured by 3 nm
- the centerline surface roughness of the indium nitride layer was measured to be 9 nm.
- Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were formed in the same manner as in Example 1, except that the gallium nitrate solution was not ultrasonically sprayed on the sodium dimethyldithiocarbamate ligand solution, but was simply mixed.
- To produce a gallium nitride thin film. 10 is an image taken using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) of the gallium nitride thin film prepared in Comparative Example. As shown in FIG. 10, the manufactured gallium nitride thin film did not form a continuous thin film form, and it was very difficult to form a 5 ⁇ m thick layer, and showed a very nonuniform and irregular porous structure. Accordingly, the surface roughness of the gallium nitride thin film could not be calculated according to Equation 1 above.
- FIG. 6 (a) shows the XRD pattern of the gallium nitride layer by pyrolytic deformation of Ga (DmDTC) 3 film in an ammonia flowing environment.
- the XRD peaks of the gallium nitride layer are mainly observed at 34.6 ° and 73.1 ° 2 ⁇ and are assigned contributing from the (0002) and (0004) planes of the hexagonal structure phase. In addition, no peak attributable to the ⁇ -Ga 2 S 3 phase was observed in the XRD pattern.
- the Ga (DmDTC) 3 phase turns into a ⁇ -Ga 2 S 3 phase under a nitrogen environment above 500 ° C., which indicates that Ga (DmDTC) 3 is thermally decomposed into adducts of ⁇ -Ga 2 S 3 and CN (CH 3 ). It is known to represent.
- the pyrolysis reaction from Ga (DmDTC) 3 to gallium nitride layer under ammonia can be simply expressed by the thermal decomposition of Ga (DmDTC) 3 and the chemical reaction between ⁇ -Ga 2 S 3 and ammonia. This reaction can be summarized as in Schemes 1 and 2.
- the reason why the pyrolyzed gallium nitride layer is well arranged in the culture direction first is expected from the recrystallization process during the pyrolysis reaction.
- the deposited Ga (DmDTC) 3 film was changed to Ga 2 S 3 by pyrolysis, and the sulfur (S) component was simultaneously replaced with a nitrogen (N) component.
- the pyrolyzed gallium nitride layer undergoes a recrystallization process, and because of the low surface energy of the (0002) plane in the hexagonal structure, the crystalline structure of gallium nitride is mainly arranged in the (0002) first culture direction.
- the gentle slope observed in the XRD pattern confirms the presence of an amorphous phase in the gallium nitride layer.
- 6 (b) shows SEM images of the surface and cross section of the gallium nitride layer, showing a dense structure and a small crystalline phase. Although the gallium nitride layer was 5 mu m thick, it did not show any voids or cracks. From this, it can be seen that the amorphous phase plays a major role in reducing the lattice mismatch between the gallium nitride layer and the alumina substrate. The reason why the amorphous phase appears in the pyrolyzed gallium nitride layer can be explained as follows.
- Ga 2p 3/2 represents a high-resolution XP spectrum of the N 1s and O 1s peak.
- the Ga 2p 3/2 deconvolution of peaks (peak deconvoluted) of was observed at 1118.3 eV and 1120.8 eV which apparently moving from the core levels of 1116.5 to 1116.7 eV of gallium. From this, apparent movement of the Ga 2p 3/2 it can be seen that the point has been mixed with the gallium atoms are nitrogen and oxygen in the film.
- the peak region 1120.8 eV due to oxygen mixing was very small compared to the peak region 1118.3 eV due to nitrogen mixing, indicating that oxygen contamination is sufficiently low in non-vacuum methods.
- oxygen peaks range from 529 to 535 eV, and peaks near 529 to 530 eV represent lattice oxygen, while peaks of 530 to 535 eV are related to carbon uptake or contamination by organic material on the film surface. do.
- the O 1s XPS peaks at 530.8 eV and 531.8 eV are assigned to the chemisorption of the film surface.
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Abstract
Description
본 출원은, 반응성이 매우 큰 화합물의 반응 속도를 제어할 수 있는 반응기에 관한 것이다.The present application relates to a reactor capable of controlling the reaction rate of a highly reactive compound.
질화 갈륨은 3.4 eV의 넓은 밴드갭 에너지, 직접 밴드 전이, 고에너지 방사선 및 고온에 대한 높은 안정성을 가지는 반도체 물질이다. 이러한 물성들을 고려할 때, 질화 갈륨은 발광 다이오드, 단파장 레이저, 자외선 검출기(UV detector) 및 우주에서의 태양 전지창에 유망한 재료로 알려져 있다. Gallium nitride is a semiconductor material with a wide bandgap energy of 3.4 eV, direct band transitions, high energy radiation and high stability to high temperatures. In view of these properties, gallium nitride is known as a promising material for light emitting diodes, short wavelength lasers, UV detectors and solar cell windows in space.
예를 들어, 상기 질화 갈륨 필름은, 갈륨 전구체를 포함하는 용액과 소듐디메틸디티오카바메이트를 포함하는 용액을 혼합하여 금속 전구체 나노 입자를 형성한 후에, 상기 나노 입자를 기판 상에 코팅하고 열처리하여 제조될 수 있으나, 상기 갈륨 전구체와 소듐디메틸디티오카바메이트는 매우 큰 반응성을 가지므로, 상기 갈륨 전구체와 소듐디메틸디티오카바메이트를 단순 혼합하는 경우, 폭발적인 반응이 일어나게 된다. 그러므로 반응 과정에서 형성된 금속 전구체 나노 입자가 응집(aggregation)되는 현상이 발생할 수 있으며, 이 경우, 금속 전구체 나노 입자의 입자 크기를 고르게 제어하기 어려워 지며, 상기 금속 전구체 나노 입자를 포함하는 용액을 기재층에 코팅할 경우, 균일하고 얇은 두께의 코팅층을 형성하기 어려울 수 있다. 나아가, 종래에는 이와 같은 반응성이 큰 화합물의 반응 속도를 제어하기 위하여 고가의 마이크로채널 리액터(microchannel reactor)를 사용하였으나, 보다 저렴한 비용으로 반응 속도를 제어하는 방법이 요구된다.For example, the gallium nitride film may be mixed with a solution containing a gallium precursor and a solution containing sodium dimethyldithiocarbamate to form metal precursor nanoparticles, followed by coating the nanoparticles on a substrate and performing heat treatment. Although it may be prepared, the gallium precursor and sodium dimethyldithiocarbamate has a very high reactivity, when a simple mixing of the gallium precursor and sodium dimethyldithio carbamate, an explosive reaction occurs. Therefore, a phenomenon in which the metal precursor nanoparticles formed during the reaction may be aggregated may occur. In this case, it may be difficult to control the particle size of the metal precursor nanoparticles evenly, and the base layer may include a solution containing the metal precursor nanoparticles. When coating on, it may be difficult to form a uniform and thin coating layer. Furthermore, in the past, an expensive microchannel reactor was used to control the reaction rate of such a highly reactive compound, but a method of controlling the reaction rate at a lower cost is required.
본 출원은, 반응성이 매우 큰 화합물의 반응 속도를 제어할 수 있는 반응기를 제공한다. The present application provides a reactor capable of controlling the reaction rate of a highly reactive compound.
본 출원은 반응기에 관한 것이다. 예시적인 본 출원의 반응기에 의하면, 금속 전구체와 반응성이 매우 큰 반응성 화합물을 포함하는 용액에 상기 금속 전구체를 포함하는 용액을 분사하여 금속 나노 입자 전구체의 폭발적인 반응 속도를 억제함으로써, 적은 비용으로도 상기 전구체 나노 입자의 입자 크기를 작게 제어할 수 있고, 이에 따라, 균일한 표면 거칠기를 가지는 필름을 대면적으로 제조할 수 있다. The present application relates to a reactor. According to an exemplary reactor of the present application, by suppressing the explosive reaction rate of the metal nanoparticle precursor by injecting a solution containing the metal precursor to a solution containing a reactive compound having a very high reactivity with the metal precursor, The particle size of the precursor nanoparticles can be controlled to be small, whereby a film having a uniform surface roughness can be produced in a large area.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 반응기를 설명한다. 첨부된 도면을 예시적인 것으로, 본 출원의 반응기를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a reactor of the present application. The accompanying drawings are illustrative and do not limit the reactor of the present application.
도 1은, 본 출원의 반응기(100)를 예시적으로 나타낸 도면이다.1 exemplarily shows a
예시적인 본 출원의 반응기는 반응조(120) 및 반응 속도 제어부(110)를 포함한다. An exemplary reactor of the present application includes a
상기 반응조(120)는, 반응이 일어나는 수조 또는 용기를 의미하며, 하나의 예시에서, 상기 반응조(120)는 금속 전구체와 반응하는 반응성 화합물을 포함하는 용액으로 채워질 수 있다. The
상기 금속 전구체는 금속 나이트레이트, 금속 아세테이트, 및 금속 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속은, 상기 반응성 화합물과 반응할 수 있는 금속이라면 특별히 제한되는 것이 아니며, 예를 들어, 8족, 11족, 12족 또는 13족의 금속일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 금속은 갈륨, 알루미늄, 인듐, 탈륨, 아연, 구리, 철 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들면, 갈륨, 알루미늄 또는 인듐일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 금속이 갈륨일 경우, 상기 금속 전구체는 갈륨 나이트레이트(Ga(NO3)3
·8H2O), 갈륨 아세테이트 또는 염화 갈륨일 수 있다. The metal precursor may include one or more selected from the group consisting of metal nitrate, metal acetate, and metal chlorides. In addition, the metal is not particularly limited as long as it is a metal capable of reacting with the reactive compound. For example, the metal may be a metal of Group 8,
상기 반응성 화합물은, 상기 금속 전구체와 매우 큰 반응성을 가지는 화합물로서, 상기 금속 전구체와 반응성 화합물의 반응은 하기 일반식 1을 만족할 수 있다. The reactive compound is a compound having a very high reactivity with the metal precursor, the reaction of the metal precursor and the reactive compound may satisfy the following general formula (1).
[일반식 1][Formula 1]
Rp ≥ 1 ㎛/minRp ≥ 1 μm / min
상기 일반식 1에서, Rp는 Ts 시간 내에, 상기 금속 전구체와 반응성 화합물의 반응물인 입자 크기의 증가 속도를 나타내고,In Formula 1, Rp represents a rate of increase in particle size that is a reactant of the metal precursor and a reactive compound within Ts time,
상기 Ts는 상기 입자 크기의 성장이 포화되는 시간을 나타낸다.The Ts represents the time when the growth of the particle size is saturated.
도 2는, 반응 시간에 따른 입자 크기 또는 직경의 변화를 예시적으로 나타낸 그래프이다2 is a graph illustrating a change in particle size or diameter according to a reaction time.
예를 들어, 도 2와 같이, 반응 시간에 따라, 입자 크기는 2차 함수의 형태로 변화할 수 있다. 도 2에 나타나듯이, 반응 시간에 따른 입자 크기가 폭발적으로 성장하는 영역과 반응 시간에 따라 입자 크기의 성장이 더디게 일어나는 영역의 경계에 해당하는 시점, 즉, 입자 크기의 성장이 포화되는 시간은 Ts로 표시되며, 예를 들어, Ts는 도 2의 그래프에서 입자의 크기가 성장하는 시간 동안의 그래프의 1차 직선과 입자의 성장이 포화되는 시간 영역에서의 그래프의 1차 직선이 만나는 지점의 시간을 의미할 수 있다. 예를 들면, 도 2의 Ts 시간의 왼쪽 영역에서는, 반응 시간에 따라, 입자 크기가 폭발적으로 성장하고, 예를 들어, Ts 시간의 왼쪽 영역에서 입자 크기의 증가 속도는 1 ㎛/min 이상일 수 있다. 또한, 도 2의 Ts 시간의 오른쪽 영역에서는, 반응 시간에 따라 입자 크기의 성장이 일어나지 않거나 매우 낮은 속도로 성장하고, 예를 들어, Ts 시간의 오른쪽 영역에서 입자 크기의 증가 속도는 1 ㎛/min 미만일 수 있다. For example, as shown in FIG. 2, depending on the reaction time, the particle size may change in the form of a quadratic function. As shown in FIG. 2, the point of time corresponding to the boundary between the area where the particle size grows explosively according to the reaction time and the area where the particle size grows slowly according to the reaction time, that is, the time that the growth of the particle size saturates is Ts. For example, Ts is the time at the point where the first straight line of the graph meets the first straight line of the graph during the time that the particle size grows in the graph of FIG. It may mean. For example, in the left region of the Ts time of FIG. 2, depending on the reaction time, the particle size grows explosively, for example, the rate of increase of the particle size in the left region of the Ts time may be 1 μm / min or more. . In addition, in the right region of the Ts time of FIG. 2, the growth of the particle size does not occur or grows at a very low rate depending on the reaction time, for example, the increase rate of the particle size in the right region of the Ts time is 1 μm / min. May be less than.
상기 금속 전구체와 반응성 화합물의 반응은 상기 일반식 1을 만족하는 경우, 즉, 상기 Ts 시간 내에, 상기 금속 전구체와 반응성 화합물의 반응물인 입자 크기의 증가 속도가 1 ㎛/min 이상의 반응의 경우, 본 출원의 반응기(100)를 이용하여 효율적으로 금속 나노 입자 전구체의 폭발적인 반응 속도를 억제함으로써, 적은 비용으로도 상기 전구체 나노 입자의 입자 크기를 작게 제어할 수 있고, 이에 따라, 균일한 표면 거칠기를 가지는 필름을 대면적으로 제조할 수 있다.When the reaction of the metal precursor and the reactive compound satisfies the general formula 1, that is, within the Ts time, when the rate of increase in particle size that is a reactant of the metal precursor and the reactive compound is 1 μm / min or more, By effectively suppressing the explosive reaction rate of the metal nanoparticle precursor by using the
하나의 예시에서, 상기 반응성 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다. In one example, the reactive compound may be a compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서, In Chemical Formula 1,
M1은 1족의 금속이고, M 1 is a Group 1 metal,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬을 나타낸다.R 1 and R 2 each independently represent alkyl having 1 to 12 carbon atoms.
예를 들면, M1은 1족의 알칼리 금속, 예를 들면, 리튬, 소듐 또는 칼륨일 수 있으며, 하나의 예시에서, 소듐일 수 있다.For example, M 1 may be a Group 1 alkali metal, such as lithium, sodium or potassium, and in one example may be sodium.
또한, 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12, 예를 들면, 탄소수 1 내지 8, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다. 예를 들면, 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실일 수 있고, 하나의 예시에서 메틸일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, each of R 1 and R 2 may be independently an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, for example, 1 to 8 carbon atoms, 1 to 6 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms. For example, R 1 and R 2 may be each independently methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl or hexyl, and in one example may be methyl, but is not limited thereto.
하나의 예시에서, 상기 화학식 1의 화합물은, 소듐디메틸디티오카바메이트(Sodium Dimethyldithiocarbamate, (CH3)2NCSSNa·2H2O)일 수 있으며, 상기 반응성 화합물을 포함하는 용액은 소듐디메틸디티오카바메이트를 포함할 수 있다. In one example, the compound of Formula 1 may be sodium dimethyldithiocarbamate (CH 3 ) 2 NCSSNa.2H 2 O), the solution containing the reactive compound is sodium dimethyldithiocarba Mate.
상기 화학식 1의 화합물이 용해되는 제 1 용매는 메탄올, 2-메타옥시에탄올, 에탄올 등의 알코올(CnH2n + 1OH, 1≤n≤6)계 용매 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 메탄올일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The first solvent in which the compound of Formula 1 is dissolved is selected from the group consisting of alcohol (C n H 2n + 1 OH, 1 ≦ n ≦ 6) solvent, such as methanol, 2-methoxyoxyethanol, ethanol, and water. It may be more than, for example, may be methanol, but is not limited thereto.
상기 반응 속도 제어부(110)는, 상기 반응조(120)에서 일어나는 상기 금속 전구체와 상기 반응성 화합물의 반응 속도를 제어하는 장치이다. 전술한 바와 같이, 상기 금속 전구체가 상기 화학식 1의 화합물 등의 반응성 화합물과 매우 큰 반응속도를 가지는 경우에는, 상기 제 1 용액과 상기 제 2 용액을 단순 혼합하는 경우, 폭발적인 반응이 일어나게 된다. 그러므로 형성된 금속 전구체 나노 입자가 응집(aggregation)되는 현상이 발생할 수 있으며, 이 경우, 금속 전구체 나노 입자의 입자 크기를 고르게 제어하기 어려워 지며, 상기 금속 전구체 나노 입자를 포함하는 용액을 기재층에 코팅할 경우, 균일하고 얇은 두께의 코팅층을 형성하기 어려울 수 있다. 이에 따라, 본 출원의 반응기에서는, 상기 금속 전구체를 포함하는 용액을 반응 속도 제어부에 의하여 반응성 화합물을 포함하는 용액에 분사하여 혼합시킴으로써, 금속 전구체 나노 입자가 혼합 용액 내에서 고분산되어 침전되며, 이에 따라, 평균 입경이 작게 제어되고 매우 작은 표준 편차를 가지는 입도 분포(particle size distribution, PSD)를 가지도록 제어된 금속 전구체 나노 입자를 형성할 수 있다. 나아가, 종래에는 이와 같은 반응성이 큰 화합물의 반응 속도를 제어하기 위하여 고가의 마이크로채널 리액터(microchannel reactor)를 사용하였으나, 본원의 반응기에 의하면, 분사 장치(110)를 사용하여 반응 속도를 제어함으로써, 저비용으로 반응 속도를 제어할 수 있는 장점이 있다. The reaction
일 구현예에서, 상기 금속 전구체를 포함하는 용액 및 상기 반응성 화합물을 포함하는 용액은 분사(spray) 장치(100)에 의해 혼합될 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 금속 전구체를 포함하는 용액을 상기 반응성 화합물을 포함하는 용액에 분사하여 혼합 용액을 제조할 수 있다. In one embodiment, the solution comprising the metal precursor and the solution comprising the reactive compound may be mixed by a
상기 금속 전구체가 용해되는 제 1 용매는 2-메타옥시에탄올, 메탄올, 에탄올 등의 알코올(CnH2n + 1OH, 1≤n≤6)계 용매 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 메탄올일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first solvent in which the metal precursor is dissolved may be at least one selected from the group consisting of an alcohol (C n H 2n + 1 OH, 1 ≦ n ≦ 6) solvent, such as 2- methoxyoxyethanol, methanol, and ethanol, and water. For example, it may be methanol, but is not limited thereto.
상기에서 분사 장치(100)는, 초음파 진동 분사 장치, 전기 분사(electro spray) 장치 또는 플라즈마 분사 장치일 수 있으며, 예를 들면, 도 1과 같이, 초음파 진동 발생기(Ultrasonic generator)가 장착된 스프레이 헤더 또는 전기분사기를 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 분사는 20 ml/hr 이하, 예를 들면, 15 ml/hr 이하 또는 10 ml/hr 이하의 유속으로 분사되도록 수행될 수 있다.The
상기 금속 전구체를 포함하는 용액 및 반응성 화합물을 포함하는 용액은 혼합되어 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 혼합 용액에서는 상기 금속 전구체를 포함하는 용액 내의 금속 전구체와 상기 반응성 화합물을 포함하는 용액 내의 반응성 화합물, 예를 들면, 상기 화학식 1의 화합물의 반응에 의하여 하기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합 용액은 하기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 포함할 수 있으며, 상기 금속 전구체를 포함하는 용액 및 반응성 화합물을 포함하는 용액에 포함되어 있던 제 1 용매를 추가로 포함할 수 있다.The solution containing the metal precursor and the solution containing the reactive compound may be mixed to prepare a mixed solution. In the mixed solution, metal precursor nanoparticles of the following
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서, 상기 M2는 8족, 11족, 12족 또는 13족의 금속, 예를 들면, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탈륨, 아연, 구리, 철 또는 주석일 수 있으며, 하나의 예시에서, 갈륨일 수 있다. In
또한, 상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12, 예를 들면, 탄소수 1 내지 8, 탄소수 1 내지 6 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기일 수 있다. 예를 들면, 상기 R3 및 R4는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실일 수 있고, 하나의 예시에서 메틸일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, each of R 3 and R 4 may be independently an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, for example, 1 to 8 carbon atoms, 1 to 6 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms. For example, each of R 3 and R 4 may be independently methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl or hexyl, and may be methyl in one example, but is not limited thereto.
하나의 예시에서, 상기 화학식 2의 화합물은, 트리스(N,N-디메틸디티오카바메이토)-갈륨(III)(Tris(N,N-dimethyldithiocarbamato)-gallium(III), Ga(DmDTC)3)일 수 있으며, 상기 제 3 용액은 트리스(N,N-디메틸디티오카바메이토)-갈륨(III)을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 제 2 용액에 포함되어 있던 잔류 소듐디메틸디티오카바메이트 및 상기 트리스(N,N-디메틸디티오카바메이토)-갈륨(III)을 모두 포함할 수 있다. In one example, the compound of
하나의 예시에서, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자의 평균 입경은 5 내지 100 nm, 예를 들면, 10 내지 70 nm, 또는 15 내지 50 nm일 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 40 nm일 수 있다. 또한, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자의 입도 분포(particle size distribution)는 매우 작은 표준편차를 가지며, 하나의 예시에서, 상기 금속 전구체 나노 입자의 입도 분포는, 5 내지 40 nm, 예를 들어, 10 내지 30 nm, 10 내지 20 nm의 표준 편차를 가질 수 있다. In one example, the average particle diameter of the metal precursor nanoparticles of
상기와 같은 평균 입경 및 입도 분포를 가지는 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자는 상기 혼합 용액으로부터 수득할 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 용액의 제 1 용매를 증발시키거나, 또는 원심분리하여 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 수득할 수 있다. 상기 수득된 금속 전구체 나노 입자는 탈염수(deionized water)로 세정될 수 있으며, 상기 세정된 금속 전구체 나노 입자는 50℃ 이상의 온도에서 4 시간 이상 건조될 수 있다. The metal precursor nanoparticles of
본 출원의 다른 구현예는, 상기 반응기에서 얻어진 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 이용하여 금속 질화물 필름을 제조하는 방법에 관계한다.Another embodiment of the present application relates to a method of manufacturing a metal nitride film using the metal precursor nanoparticles of the formula (2) obtained in the reactor.
하나의 예시에서, 상기 수득된 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자는 제 2 용매에 용해될 수 있으며, 이에 따라 제조된 금속 전구체 나노입자 용액은 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 포함할 수 있다. In one example, the obtained metal precursor nanoparticles of the formula (2) may be dissolved in a second solvent, the metal precursor nanoparticle solution prepared according to may include the metal precursor nanoparticles of the formula (2).
상기 용액이 준비된 후에, 상기 금속 전구체 나노 입자를 포함하는 금속 전구체 나노입자 용액은 상기 기재층 상에 코팅될 수 있다. After the solution is prepared, the metal precursor nanoparticle solution including the metal precursor nanoparticles may be coated on the substrate layer.
상기 코팅은 기술분야에서 알려진 다양한 코팅 방법을 통해 수행될 수 있으며, 예를 들면, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 스크린 프린팅 또는 딥코팅에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The coating may be performed through various coating methods known in the art, for example, but not limited to spray coating, spin coating, screen printing or dip coating.
전술한 바와 같이, 제조된 금속 전구체 나노 입자는 매우 작은 평균 입경 및 좁은 범위의 입도 분포를 가지며, 이에 따라, 금속 전구체 나노 입자는 균일하고 작은 입경을 가지기 때문에, 상기 금속 전구체 나노입자 용액의 코팅층은 매우 얇은 두께 및 균일한 두께를 가질 수 있다. As described above, the prepared metal precursor nanoparticles have a very small average particle diameter and a narrow range of particle size distribution, and accordingly, since the metal precursor nanoparticles have a uniform and small particle diameter, the coating layer of the metal precursor nanoparticle solution is It can have a very thin thickness and a uniform thickness.
상기 금속 전구체 나노입자 용액의 코팅층은 15 ㎛ 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있으며, 후술할 열처리 후 형성된 금속 질화물층은 10 ㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. The coating layer of the metal precursor nanoparticle solution may be formed to have a thickness of 15 μm or less, and the metal nitride layer formed after the heat treatment to be described later may have a thickness of 10 μm or less.
상기 금속 전구체 나노입자 용액에서, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 분산시키기 위한 제 2 용매는, 증발성이 강한 용매라면 제한 없이 사용가능하고, 예를 들어, 클로로포름(CH3Cl), 메탄올, 에탄올 및 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 하나의 예시에서, 클로로포름일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In the metal precursor nanoparticle solution, the second solvent for dispersing the metal precursor nanoparticles of
상기 기재층 상에 코팅된 금속 전구체 나노입자 용액층은 질소 기체 또는 암모니아 기체 분위기 하에서 열처리될 수 있으며, 상기 열처리에 의하여, 상기 금속 전구체 나노입자 용액층 내의 화학식 2의 화합물의 황원자는 질소 기체 또는 암모니아 기체의 질소원자로 치환될 수 있다. 이에 따라, 최종적으로 얇은 두께 및 균일한 두께를 가지는 금속 질화물층을 포함하는 필름을 제조할 수 있다. The metal precursor nanoparticle solution layer coated on the substrate layer may be heat treated under a nitrogen gas or ammonia gas atmosphere, and by the heat treatment, the sulfur atom of the compound of
도 3은 본 출원의 제조방법에서, 열처리가 수행되는 장치(200)를 예시적으로 나타낸 도면이다. 3 is a diagram illustrating an
도 3과 같이, 상기 장치(200)는 가열로(210)(furnace) 및 튜브(220)를 포함하고, 상기 열처리는 가열로(furnace) 및 튜브에서 수행될 수 있다. 상기 가열로는 가열 수단(211)을 포함하며, 상기 가열 수단(211)은 상기 가열로(210) 내부를 관통하여 형성된 튜브를 가열할 수 있도록 상기 튜브(220)를 감싸면서 위치할 수 있다. 상기 튜브(220)는 예를 들면, 석영 튜브일 수 있다. 상기 석영 튜브(220) 내부에는 상기 금속 전구체 나노입자 용액이 코팅된 기재층(11)을 고정시키기 위한 지지수단(300)이 위치할 수 있으며, 상기 석영 튜브 내부는 질소 또는 암모니아 분위기로 유지될 수 있다. As shown in FIG. 3, the
하나의 예시에서, 상기 열처리는 300℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 예를 들면, 500℃ 내지 1100℃, 600 내지 1000℃ 또는 800 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 열처리는 5분 내지 60분, 예를 들면, 10분 내지 50분, 또는 15분 내지 30분 동안 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In one example, the heat treatment may be performed at a temperature of 300 ℃ to 1200 ℃, for example, may be performed at a temperature of 500 ℃ to 1100 ℃, 600 to 1000 ℃ or 800 to 900 ℃, but is not limited thereto. It doesn't happen. In addition, the heat treatment may be performed for 5 minutes to 60 minutes, for example, 10 minutes to 50 minutes, or 15 minutes to 30 minutes, but is not limited thereto.
하나의 예시에서, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 포함하는 금속 전구체 나노입자 용액층의 열처리에 의해 형성되는 상기 금속 질화물층은 다음과 같은 반응식 1 및 2에 따라 형성될 수 있다. In one example, the metal nitride layer formed by the heat treatment of the metal precursor nanoparticle solution layer including the metal precursor nanoparticles of
[반응식 1]Scheme 1
2Ga(S2CN(CH3)2)3 → 2Ga2S3 + adducts2Ga (S 2 CN (CH 3 ) 2 ) 3 → 2Ga 2 S 3 + adducts
[반응식 2]
Ga2S3 + 2NH3 → 2GAN + 3H2SGa 2 S 3 + 2NH 3 → 2GAN + 3H 2 S
본 출원은 또한, 전술한 제조방법에 의해 제조된 필름에 관계한다. 예시적인 본 출원의 필름은, 전술한 본 출원의 반응기에 의해 얻어진 금속 전구체 나노입자를 이용하여 제조됨에 따라, 수 마이크로 미터의 매우 얇고 균일한 두께의 금속 질화물층을 포함하며, 또한, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자 내의 황 원자가 일부 금속 질화물층에 도핑(dope)되어, 표면에서 황성분이 광루미네선스(PL) 스펙트럼으로 검출되는 특징을 가진다. The present application also relates to a film produced by the above-described manufacturing method. Exemplary film of the present application, as prepared using the metal precursor nanoparticles obtained by the reactor of the present application described above, comprises a very thin and uniform thickness of the metal nitride layer of several micrometers, and also, Sulfur atoms in the metal precursor nanoparticles of doped the metal nitride layer, the sulfur component on the surface has a feature that is detected in the photoluminescence (PL) spectrum.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 필름을 설명한다. 첨부된 도면을 예시적인 것으로, 본 출원의 필름을 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a film of the present application. The accompanying drawings are illustrative and do not limit the films of the present application.
도 4는 본 출원의 필름을 모식적으로 나타낸 단면도이다. 4 is a cross-sectional view schematically showing a film of the present application.
도 4에 나타나듯이, 본 출원의 필름(10)은 기재층(11) 및 상기 기재층(11)의 적어도 일면에 형성되어 있는 금속 질화물층(12)을 포함한다.As shown in FIG. 4, the
상기 금속 질화물층(12)은, 325 nm 파장의 레이저를 이용하여 측정한 광루미네선스(PL) 스펙트럼이 하기 일반식 2를 만족한다.In the
[일반식 2][Formula 2]
E(Imax) = Eg - 0.1×kE (I max ) = E g -0.1 × k
상기 일반식 2에서, In the
E(Imax)는, 광루미네선스 스펙트럼의 최대 강도 값을 가지는 위치에서의 밴드갭 에너지를 나타내고, E (I max ) represents the bandgap energy at the position having the maximum intensity value of the photoluminescence spectrum,
Eg는 금속 질화물의 밴드갭 에너지를 나타내며, Eg represents the bandgap energy of the metal nitride,
k는 2 초과 6 미만의 유리수이다.k is a rational number greater than 2 and less than six.
상기 「광루미네선스」란, 물질이 빛에 의해 자극을 받아 스스로 빛을 내는 현상을 의미하며, 보다 상세하게는, 빛을 흡수한 물질 내의 전자가 여기 상태로 된 다음 원래 상태로 되돌아갈 때 발광하는 현상을 의미한다. 「광루미네선스(photoluminescence, PL) 스펙트럼」이란, 광루미네선스를 이용하여, 물질에 빛을 조사하고 빛이 조사된 물질에서 나오는 빛의 에너지별 분포를 나타내는 상대적인 강도(intensity)를 나타낸 스펙트럼을 의미하며, 광루미네선스 스펙트럼의 강도(intensity)는, 물질에 따라 고유한 에너지 밴드에서 최대 강도 값(이하, 피크값)을 가지게 된다. 상기 광루미네선스 스펙트럼의 강도 값은 상대적인 값이므로, a.u.(arbitrary unit) 단위로 표시된다. The term "photoluminescence" refers to a phenomenon in which a material is stimulated by light to emit light by itself, and more specifically, when an electron in a light-absorbing material becomes excited and then returns to its original state. It means the phenomenon of emitting light. Photoluminescence (PL) Spectrum is a spectrum showing the relative intensity representing the energy-specific distribution of light emitted from a material irradiated with light by using light luminescence. The intensity of the photoluminescence spectrum has a maximum intensity value (hereinafter, referred to as a peak value) in an energy band unique to a material. Since the intensity value of the photoluminescence spectrum is a relative value, it is expressed in units of a.u. (arbitrary unit).
상기 PL 측정은 여기 광원에 중심 파장 325 nm의 He-Cd레이저를 이용하여 수행할 수 있다. 측정 온도는 특별히 제한되지는 않지만, 20 K 이하에서 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 조건으로 PL측정 가능한 장치로서는, 예를 들면 Omnichrome사 series 74 He-Cd레이저, Acton사 SpectraPro 2300i 분광기, Princeton Instruments사 PI-MAX1024HQ-Blu CCD 검출기 등을 들 수 있다. 한편, PL측정 시, 성막된 필름 내부에 결함이 존재하는 경우에는 상온에서 충분한 강도의 PL 스펙트럼을 얻지 못하고 평가할 수 없는 경우도 존재한다. 이러한 경우에는, 20K 이하의 저온 PL을 이용하면 PL 스펙트럼 신호를 용이하게 검출할 수 있다. The PL measurement may be performed using a He-Cd laser having a center wavelength of 325 nm for the excitation light source. The measurement temperature is not particularly limited, but it is preferable to perform the measurement at 20 K or lower. Examples of the device capable of measuring PL under such conditions include Omnichrome series 74 He-Cd laser, Acton SpectraPro 2300i spectrometer, Princeton Instruments PI-MAX1024HQ-Blu CCD detector, and the like. On the other hand, when there is a defect in the film formed during the PL measurement, there is a case where the PL spectrum of sufficient intensity cannot be obtained and cannot be evaluated at room temperature. In such a case, the PL spectrum signal can be easily detected by using a low temperature PL of 20 K or less.
상기 금속 질화물층(12)은, 전술한 바와 같이, 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자를 포함하는 코팅층을 열처리하는 경우, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자 내의 황원자가 질소 원자로 치환되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자 내의 황원자가 일부 금속 질화물층(12)에 도핑(dope)되어, 표면에서 황성분이 광루미네선스(PL) 스펙트럼으로 검출된다. 이에 따라, 상기 금속 질화물층(12)은, 325 nm 파장의 레이저를 이용하여 측정한 광루미네선스(PL) 스펙트럼이 상기 일반식 2를 만족하게 된다.As described above, the
하나의 예시에서, 상기 금속 질화물 층은 갈륨 질화물 층인 경우, 상기 일반식 2를 만족하는 금속 질화물층은 325 nm 파장의 레이저를 이용하여 측정한 광루미네선스(PL)의 최대 강도 값이 2.8 내지 3.2 eV의 범위 내에 존재하게 된다. 이는 전술한 바와 같이, 화학식 2의 금속 전구체 나노 입자 내의 황원자가 일부 금속 질화물층(12)에 도핑(dope)되어, 표면에서 황성분이 광루미네선스(PL) 스펙트럼으로 검출되기 때문이다. In one example, when the metal nitride layer is a gallium nitride layer, the metal nitride
예를 들어, 갈륨 질화물 층의 경우, 도 8과 같이, 황성분에 의해 나타나는 광루미네선스 스펙트럼의 최대 강도 값을 가지는 위치에서의 밴드갭 에너지는 2.95 eV이며, 질화 갈륨의 밴드갭 에너지는 3.44 eV이므로, 상기 일반식 2에 따라 계산한 k값은 4.9이며, 이에 따라 상기 일반식 2를 만족한다. For example, in the case of the gallium nitride layer, as shown in Fig. 8, the bandgap energy at the position having the maximum intensity value of the photoluminescence spectrum represented by the sulfur component is 2.95 eV, and the bandgap energy of gallium nitride is 3.44 eV. Therefore, k value calculated according to the general formula (2) is 4.9, thereby satisfying the general formula (2).
상기 금속 질화물층(12)의 표면에서 검출되는 황성분은 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 통해서도 확인할 수 있으며, 상기 금속 질화물층(12)은, 비활성 가스를 사용한 이온건으로 표면 산화층을 제거한 후 Mg Kα X선 기준으로 측정된 XPS 스펙트럼의 최대 강도 값이 160.0 eV 내지 170.0 eV의 범위 내에 존재할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 질화물층에서, XPS 스펙트럼의 최대 강도 값은, 약 164 eV (카본 1s 피크 284.5 eV 기준, 황 2p3/2 피크) 부근에서 발견될 수 있다. 또한 XPS를 통한 정량 분석을 통하여 5 중량% 이내의 황을 함유하고 있다는 점을 확인할 수 있다.The sulfur component detected on the surface of the
상기 「XPS 분석」이란, 전자분광법 중 광원으로서 X선을 이용하는 방법이며, X선을 물질에 조사하면 광전자가 물질 밖으로 방출되는데, 그 운동 에너지는 그 물질을 구성하는 원자의 내각 전자하의 원래 위치에서의 결합력의 크기를 반영하고 있으므로, 이로 인해 물질의 원자조성과 전자의 결합상태 등을 조사하는 방법을 의미한다. The "XPS analysis" is a method of using X-rays as a light source in electron spectroscopy, and when X-rays are irradiated to a substance, photoelectrons are emitted out of the substance, and the kinetic energy is at an original position under the cabinet electrons of the atoms constituting the substance. Since it reflects the magnitude of the binding force, this means a method of investigating the atomic composition of a material and the bonding state of electrons.
전술한 바와 같이, 본 출원의 금속 질화물층(12)은 매우 고른 두께를 가질 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 금속 질화물층(12)은 5 내지 10 nm, 예를 들면, 6 내지 9 nm, 6 내지 8 nm 또는 7 내지 8 nm의 중심선 평균 거칠기를 가질 수 있다. As described above, the
상기에서, 중심선 평균 거칠기는, 거칠기 곡선에서 평균선의 방향으로 기준 길이 L만큼 추출하여, 추출한 부분의 평균선 방향을 X축으로 하고, 높이 방향을 Y축으로 하여, 거칠기 곡선을 함수 y = f(x)로 표시 하였을 때 하기 수학식 1로 구할 수 있는 값을 마이크로 미터(㎛) 또는 나노미터(nm)로 나타낸 것을 의미한다. 상기 중심선 평균 거칠기는, JIS B0031, JIS B0601 또는 ISO 468의 규격 하에서 측정된다. In the above description, the center line average roughness is extracted by the reference length L in the direction of the average line from the roughness curve, the average line direction of the extracted portion is X-axis, and the height direction is Y-axis, and the roughness curve is a function y = f (x When it is expressed by) means that the value can be obtained by the following equation (1) expressed in micrometer (μm) or nanometer (nm). The center line average roughness is measured under the standard of JIS B0031, JIS B0601 or ISO 468.
[수학식 1][Equation 1]
하나의 예시에서, 금속은 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 납으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들면, 갈륨일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one example, the metal may be one or more selected from the group consisting of gallium, aluminum, indium and lead, for example, gallium, but is not limited thereto.
상기 기재층(11)은 300℃ 이상의 녹는점을 가질 수 있다. 기재층(11)의 녹는점이 300 ℃ 미만일 경우에는, 열처리 과정에서 기재층의 성분이 녹아 금속 질화물층 내부에 탄소 또는 탄소 성분 관련 부산물이 잔존하는 문제가 발생할 수 있다. 상기 기재층(11)은 아크릴로니트릴, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐카바졸 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 기판을 포함할 수 있고, 또는, 상기 기재층(11)은 알루미나, 탄화규소(SiC), 실리콘, 석영, 유리 및 스테인리스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 기재층(11)은 알루미나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The
전술한 바와 같이, 상기 금속 질화물층(12)은 매우 얇은 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 금속 질화물층(12)의 두께는 10 ㎛ 이하, 예를 들면, 8 ㎛ 이하, 또는 5 ㎛ 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As described above, the
하나의 예시에서, 금속 질화물층(12)은 결정질상 및 비정질상을 포함할 수 있다.In one example,
본 출원의 반응기에 의하면, 금속 전구체와 반응성이 매우 큰 반응성 화합물을 포함하는 용액에 상기 금속 전구체를 포함하는 용액을 분사하여 금속 나노 입자 전구체의 폭발적인 반응 속도를 억제함으로써, 적은 비용으로도 상기 전구체 나노 입자의 입자 크기를 작게 제어할 수 있고, 이에 따라, 균일한 표면 거칠기를 가지는 필름을 대면적으로 제조할 수 있다.According to the reactor of the present application, by spraying a solution containing the metal precursor to a solution containing a reactive compound having a very high reactivity with the metal precursor to suppress the explosive reaction rate of the metal nanoparticle precursor, the precursor nano at a low cost The particle size of the particles can be controlled small, whereby a film having a uniform surface roughness can be produced in a large area.
도 1은, 본 출원의 반응기를 예시적으로 나타낸 도면이다. 1 exemplarily shows a reactor of the present application.
도 2는, 반응 시간에 따른 입자 크기의 변화를 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the change in particle size with reaction time.
도 3은 본 출원의 방법에서, 열처리가 수행되는 장치를 예시적으로 나타낸 도면이다.3 exemplarily shows an apparatus in which a heat treatment is performed in the method of the present application.
도 4는 본 출원의 필름을 모식적으로 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view schematically showing a film of the present application.
도 5의 (a)는 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 1H-NMR 스펙트럼이며, 도 5의 (b)는 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 크기 분포 및 모양을 보여주는 그래프 및 사진이다.(A) of FIG. 5 Ga (DmDTC) and 1 H-NMR spectrum of the nanoparticles 3, (b) of Figure 5 is a graph and a photograph showing the size distribution and shape of Ga (DmDTC) 3 nanoparticles.
도 6의 (a)는 암모니아가 흐르는 환경 내에서 Ga(DmDTC)3 필름의 열분해 변형에 의한 질화 갈륨층의 XRD 패턴이고, 도 6의 (b)는 질화 갈륨층의 표면 및 단면의 SEM 사진이다. FIG. 6A is an XRD pattern of a gallium nitride layer by pyrolytic deformation of Ga (DmDTC) 3 film in an environment where ammonia flows, and FIG. 6B is an SEM photograph of the surface and cross section of the gallium nitride layer. .
도 7은 Ga(mDTC)3의 열분해 반응을 열중량분석기(Thermal Gravimetric Analyzer)를 이용하여 분석한 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a pyrolysis reaction of Ga (mDTC) 3 using a thermogravimetric analyzer.
도 8은 Ga 2p3/2, N 1s 및 O 1s 피크의 고해상도 XP 스펙트럼을 나타낸다. 8 shows a high resolution XP spectrum of the Ga 2p 3/2 ,
도 9는 상온에서의 질화 갈륨층의 PL 스펙트럼을 나타낸다.9 shows the PL spectrum of a gallium nitride layer at room temperature.
도 10은 MOCVD법에 의해 열분해된 질화 갈륨층 상에 성장된 에피텍셜 질화 갈륨 필름의 XRD 패턴 및 SEM 사진을 나타낸다.FIG. 10 shows XRD patterns and SEM photographs of epitaxial gallium nitride films grown on gallium nitride layers pyrolyzed by MOCVD.
도 11은 비교예에서 제조된 질화 갈륨 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하여 촬영한 이미지이다.11 is an image taken using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) of the gallium nitride thin film prepared in Comparative Example.
<부호의 설명><Description of the code>
10: 필름10: film
11: 기재층11: base layer
12: 금속 질화물층12: metal nitride layer
100: 반응기100: reactor
110: 반응 속도 제어부110: reaction rate control
120: 반응조120: reactor
200: 열처리 장치200: heat treatment device
210: 가열로210: heating furnace
211: 가열수단211: heating means
220: 석영 튜브220: quartz tube
300: 지지수단300: support means
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the above-described contents will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the scope of the present application is not limited by the contents given below.
이하 실시예 및 비교예에서의 물성은 하기와 같은 방법 및 장치를 이용하여 측정하였다.Physical properties in the following Examples and Comparative Examples were measured using the following methods and apparatus.
합성된 금속 전구체 나노 입자의 확인Identification of Synthesized Metal Precursor Nanoparticles
하기 실시예 및 비교예에서 합성된 금속 전구체 나노 입자는 1H-Fourier transform magnetic resonance system(1H-FT-NMR, Bruker DPX300)을 이용하여 확인하였다.Metal precursors synthesized in the following examples and comparative examples Nanoparticles were identified using a 1 H-Fourier transform magnetic resonance system ( 1 H-FT-NMR, Bruker DPX300).
합성된 금속 전구체 나노 입자의 크기 측정Size Measurement of Synthesized Metal Precursor Nanoparticles
하기 실시예 및 비교예에서 합성된 금속 전구체 나노 입자의 크기는 투과전자현미경(TEM, Hitachi, H-7600) 및 X선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, PANalytical, X'pert PRO) 뿐만 아니라, 입도 분석기(particle size analyzer, Beckman Coulter, N5)을 사용하여 측정하였다. Metal precursors synthesized in the following examples and comparative examples The size of nanoparticles is not only measured by transmission electron microscope (TEM, Hitachi, H-7600) and X-ray diffraction (X-ray diffraction, XRD, PANalytical, X'pert PRO), but also by particle size analyzer (Beckman Coulter, N5).
금속 질화물층의 구조 및 형태학적 물성(morphological properties)의 측정Measurement of the structure and morphological properties of the metal nitride layer
하기 실시예 및 비교예에서 형성된 금속 질화물층의 구조 및 형태학적 물성은 주사전자현미경(Scanning Electron microscopy, SEM, Hitachi, S-4100)을 이용하여 측정하였다. The structure and morphological properties of the metal nitride layers formed in the following Examples and Comparative Examples were measured using a scanning electron microscope (Scanning Electron microscopy, SEM, Hitachi, S-4100).
금속 질화물층의 광전자적 물성(optoelectronic properties)의 측정Measurement of optoelectronic properties of metal nitride layers
하기 실시예 및 비교예에서 형성된 금속 질화물층의 광전자적 물성은 325 nm의 파장에서 He-Cd 레이저를 이용하여 광루미너센스 분광기(photoluminescence spectroscopy, PL)에 의해 측정되었다. The optoelectronic physical properties of the metal nitride layers formed in the following Examples and Comparative Examples were measured by photoluminescence spectroscopy (PL) using a He-Cd laser at a wavelength of 325 nm.
금속 질화물층의 조성비(compositional ratio) 및 결합(bonding)의 측정Measurement of compositional ratio and bonding of metal nitride layer
하기 실시예 및 비교예에서 형성된 금속 질화물층의 조성비(compositional ratio) 및 결합(bonding)은 X-선 광전자 분광법(X-ray photoemission spectroscopy, XPS, VG Microtech, MT 500/1)에 의해 측정되었다. The compositional ratio and bonding of the metal nitride layers formed in the following Examples and Comparative Examples were measured by X-ray photoemission spectroscopy (XPS, VG Microtech, MT 500/1).
금속 질화물 층의 중심선 평균 거칠기의 측정Determination of Centerline Average Roughness of Metal Nitride Layers
하기 실시예 및 비교예에서 형성된 금속 질화물층의 중심선 평균 거칠기는, AFM(atomic force microscope)을 이용하여 표면을 스캔하고, 이때 얻어진 높낮이 자료를 토대로 하여 상기 수학식 1을 이용하여 계산하였다.The center line average roughness of the metal nitride layers formed in the following Examples and Comparative Examples was calculated using Equation 1 based on the height data obtained at this time by scanning the surface using an atomic force microscope (AFM).
실시예 1Example 1
하기와 같은 방법으로, 알루미나 기재층 상에 질화 갈륨층을 형성하였다. In the following manner, a gallium nitride layer was formed on the alumina base layer.
도 1과 같이, 질화 갈륨층의 전구체로서, 트리스(N,N-디메틸디티오카바메이토)-갈륨(III)(Ga(S2CN(CH3)2)3, Ga(DmDTC)3) 나노 입자를 초음파 분사를 이용하여 합성하였다. As a precursor of the gallium nitride layer as shown in FIG. 1, tris (N, N-dimethyldithiocarbamate) -gallium (III) (Ga (S 2 CN (CH 3 ) 2 ) 3 , Ga (DmDTC) 3 ) Nanoparticles were synthesized using ultrasonic spraying.
먼저, 갈륨 염과 나트륨 염의 몰비가 1.3을 만들도록, 50 ml의 메탄올 내의 갈륨 나이트레이트(Ga(NO3)·8H2O) 및 20 ml의 메탄올 내의 소듐디메틸디티오카바메이트((CH3)2NCSSNa·2H2O)를 별도로 준비하였다. First, gallium nitrate (Ga (NO 3 ) .8H 2 O) in 50 ml of methanol and sodium dimethyldithiocarbamate ((CH 3 ) in 20 ml of methanol, so that the molar ratio of gallium salt to sodium salt makes 1.3. 2 NCSSN a · 2H 2 O) were prepared separately.
상기 갈륨 나이트레이트 용액을 상온에서 30 분 동안 상기 소듐디메틸디티오카바메이트 리간드 용액 상에 초음파 분사하였으며, 상기 분사 공정 동안 상기 갈륨 나이트레이트 용액의 유속은 10 ml/hr로 유지되었다. 상기 Ga(DmDTC)3 나노 입자는 매우 느린 침강 공정에 의해 합성되었으며, 침강된 물질은 원심 분리 공정을 사용하여 필터링 되었다. 상기 합성된 상태 그대로의 Ga(DmDTC)3 나노 입자는 탈이온수로 여러 차례 세척되었고, 60℃의 진공 오븐에서 4시간 동안 건조되었다. 제조된 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 평균 입경은 28.5 nm로 측정되었으며, 제조된 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 입자 크기 분포의 표준 편차는 13.3 nm로 측정되었다. 상기 Ga(DmDTC)3 나노 입자는 상온에서 1시간 동안 클로로포름(CHCl3) 용매 내에 초음파 화학적으로 분산되었다.The gallium nitrate solution was ultrasonically sprayed on the sodium dimethyldithiocarbamate ligand solution for 30 minutes at room temperature, and the flow rate of the gallium nitrate solution was maintained at 10 ml / hr during the spraying process. The Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were synthesized by a very slow sedimentation process, and the precipitated material was filtered using a centrifugation process. The synthesized Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were washed several times with deionized water and dried in a vacuum oven at 60 ° C. for 4 hours. The average diameter of the prepared Ga (DmDTC) 3 nanoparticles was measured as 28.5 nm, the standard deviation of the particle size distribution of the produced Ga (DmDTC) 3 nanoparticles was measured to be 13.3 nm. The Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were dispersed by ultrasonic in the chemical chloroform (CHCl 3) solvent at room temperature for 1 hour.
상기 Ga(DmDTC)3 나노 입자가 분산된 용액을 c-축 알루미나 기판(1cm x 1cm) 상에 2000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하고, 상온에서 10분 동안 건조한 다음, 이와 같은 공정을 5회 반복하여 Ga(DmDTC)3 5 ㎛의 두께를 가지는 필름을 형성하였다. 그 후에, 도 2의 장치를 이용하여, 상기 형성된 그대로의 Ga(DmDTC)3 필름을 170 sccm의 유속의 암모니아(NH3) 분위기 하에서 850℃에서 10분동안 열처리하였으며, 상기 열분해 과정 후에 시료는 질소 분위기 하에서 상온으로 냉각하여, 알루미나 기재층 상에 5 ㎛의 두께를 가지는 질화 갈륨층이 형성된 필름을 제조하였다. 이 경우, 질화 갈륨층의 중심선 표면 거칠기는 7 nm로 측정되었다. The Ga (DmDTC) 3 nanoparticles dispersed solution was spin-coated on a c-axis alumina substrate (1 cm x 1 cm) at 2000 rpm for 30 seconds, dried at room temperature for 10 minutes, and then repeated 5 times. to form a film having a thickness of Ga (DmDTC) 3 5 ㎛. Thereafter, using the apparatus of FIG. 2, Ga (DmDTC) 3 as formed above. The film was heat-treated at 850 ° C. for 10 minutes in an ammonia (NH 3 ) atmosphere having a flow rate of 170 sccm. After the pyrolysis process, the sample was cooled to room temperature under a nitrogen atmosphere, and gallium nitride having a thickness of 5 μm on the alumina base layer. A layered film was prepared. In this case, the centerline surface roughness of the gallium nitride layer was measured to be 7 nm.
그 후, 제조된 질화 갈륨층 상에 MOCVD법을 이용하여 질화 갈륨 필름을 에피텍셜 성장 시켰다. 이 때, 증착 시간은 질화 갈륨 필름의 초기 성장을 시험하기 위하여 5분으로 유지되었으며, 증착된 에피텍셜 질화 갈륨 필름의 두께는 500 nm였다. Thereafter, the gallium nitride film was epitaxially grown on the prepared gallium nitride layer by MOCVD. At this time, the deposition time was maintained for 5 minutes to test the initial growth of the gallium nitride film, the thickness of the deposited epitaxial gallium nitride film was 500 nm.
실시예 2Example 2
금속 전구체로서, 알루미늄 나이트레이트를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 알루미나 기재층 상에 5 ㎛의 두께를 가지는 질화 알루미늄층이 형성된 필름을 제조하였다. 이 경우, 질화 알루미늄층의 중심선 표면 거칠기는 7nm로 측정되었다.A film in which an aluminum nitride layer having a thickness of 5 μm was formed on the alumina base layer in the same manner as in Example 1, except that aluminum nitrate was used as the metal precursor. In this case, the centerline surface roughness of the aluminum nitride layer was measured to be 7 nm.
이 경우, 제조된 Al(DmDTC)3 나노 입자의 평균 입경은 20 nm로 측정되었으며, 제조된 Al(DmDTC)3 나노 입자의 입자 크기 분포의 표준 편차는 5 nm로 측정되었다. In this case, the average particle diameter of the produced Al (DmDTC) 3 nanoparticles was measured as 20 nm, the standard deviation of the particle size distribution of the produced Al (DmDTC) 3 nanoparticles was measured to be 5 nm.
실시예 3Example 3
금속 전구체로서, 인듐 나이트레이트를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 알루미나 기재층 상에 5 ㎛의 두께를 가지는 질화 인듐층이 형성된 필름을 제조하였다. A film in which an indium nitride layer having a thickness of 5 μm was formed on the alumina base layer in the same manner as in Example 1, except that indium nitrate was used as the metal precursor.
이 경우, 제조된 In(DmDTC)3 나노 입자의 평균 입경은 30 nm로 측정되었으며, 제조된 In(DmDTC)3 나노 입자의 입자 크기 분포의 표준 편차는 3 nm로 측정되었다 다. 또한, 질화 인듐층의 중심선 표면 거칠기는 9 nm로 측정되었다.The standard deviation in this case, the average particle size of the prepared In (DmDTC) 3 nanoparticles was measured as 30 nm, prepared In (DmDTC) of 3 nanoparticle particle size distribution is measured by 3 nm. In addition, the centerline surface roughness of the indium nitride layer was measured to be 9 nm.
실시예 4Example 4
금속 전구체로서, 인듐 클로라이드를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 알루미나 기재층 상에 5 ㎛의 두께를 가지는 질화 인듐층이 형성된 필름을 제조하였다. A film in which an indium nitride layer having a thickness of 5 μm was formed on the alumina base layer in the same manner as in Example, except that indium chloride was used as the metal precursor.
이 경우, 제조된 In(DmDTC)3 나노 입자의 평균 입경은 35 nm로 측정되었으며, 제조된 In(DmDTC)3 나노 입자의 입자 크기 분포의 표준 편차는 5 nm로 측정되었다. 또한, 질화 인듐층의 중심선 표면 거칠기는 10 nm로 측정되었다.In this case, the average particle size of the prepared In (DmDTC) 3 nanoparticles was measured as 35 nm, the standard deviation of the particle size distribution of the produced In (DmDTC) 3 nanoparticles was measured to be 5 nm. In addition, the centerline surface roughness of the indium nitride layer was measured to be 10 nm.
비교예Comparative example
갈륨 나이트레이트 용액을 소듐디메틸디티오카바메이트 리간드 용액에 초음파 분사하지 않고, 단순 혼합시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로, Ga(DmDTC)3 나노 입자를 형성하였으며, 형성된 나노 입자를 이용하여 질화 갈륨 박막을 제조하였다. 도 10은 비교예에서 제조된 질화 갈륨 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하여 촬영한 이미지이다. 도 10과 같이, 제조된 질화 갈륨 박막의 경우 연속적인 박막 형태를 형성하지 못하였고, 5㎛ 두께를 가지도록 형성하는 것이 매우 어려웠으며, 매우 불균일하고 불규칙한 다공성의 구조를 나타내었다. 이에 따라, 질화 갈륨 박막의 표면 거칠기는 상기 수학식 1에 따라 계산이 불가능 하였다.Ga (DmDTC) 3 nanoparticles were formed in the same manner as in Example 1, except that the gallium nitrate solution was not ultrasonically sprayed on the sodium dimethyldithiocarbamate ligand solution, but was simply mixed. To produce a gallium nitride thin film. 10 is an image taken using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) of the gallium nitride thin film prepared in Comparative Example. As shown in FIG. 10, the manufactured gallium nitride thin film did not form a continuous thin film form, and it was very difficult to form a 5 μm thick layer, and showed a very nonuniform and irregular porous structure. Accordingly, the surface roughness of the gallium nitride thin film could not be calculated according to Equation 1 above.
또한, 상기에서 제조된 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 평균 입경은 0.1 내지 0.5um 정도의 값을 가지며, 형성된 나노 입자의 입경 표준 편차는 약 0.1 ㎛의 값을 가지는 것으로 나타났다. In addition, the average particle diameter of the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles prepared above has a value of about 0.1 to 0.5um, and the standard deviation of the particle diameters of the formed nanoparticles was about 0.1 μm.
도 5의 (a)는 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 1H-NMR 스펙트럼을 보여준다. 상기 스펙트럼은 각각, 테트라메틸실란(tetramethylsilane, TMS), CDCl3 내의 물, Ga(DmDTC)3 및 CDCl3 내의 CHCl3에 할당되는 0 ppm, 1.55 ppm, 3.40 ppm 및 7.26 ppm의 4개의 피크를 나타내었다. 테트라메틸실란은 화학적 이동 교정(chemical shift calibration)을 위한 내부 기준으로서 사용되었고, 3.40 ppm에서의 단일선의 피크는 Ga(DmDTC)3 물질의 화학적 이동과 밀접히 연관되어 있다. 도 5의 (b)는 Ga(DmDTC)3 나노 입자의 크기 분포 및 모양을 보여주는 그래프 및 사진이다. 도 5의 (b)와 같이, 초음파 분사 방법에 의해 합성된 상기 Ga(DmDTC)3 나노 입자는 28.5 nm의 평균 입자 크기 및 13.3 nm의 표준 편차를 가지도록 잘 단분산(mono-dispersed)되어 있는 것으로 나타났다. 일반적으로, 갈륨 나이트레이트(Ga(NO3)·8H2O) 및 소듐디메틸디티오카바메이트((CH3)2NCSSNA·2H2O)의 침강 반응은 매우 빠르게 일어나며, 이는 곧 입자 크기의 조절이 상대적으로 어렵다는 것을 의미한다. 이에 대해, 초음파 분사 방법은 상기 반응 속도를 조절하기 위해 유용한 방법이며, 이는 초음파 분사된 액적(droplet) 내의 다수의 갈륨 전구체 입자의 크기가 상대적으로 작기 때문이다. 따라서, 큰 입자를 형성하는 급격한 반응이 효율적으로 방지되고, 또한, Ga(DmDTC)3 나노 입자는 쉽게 클로로포름 용매 내에 분산되었다. Figure 5 (a) shows the 1 H-NMR spectrum of the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles. The spectra show four peaks of 0 ppm, 1.55 ppm, 3.40 ppm and 7.26 ppm, respectively, assigned to tetramethylsilane (TMS), water in CDCl 3 , Ga (DmDTC) 3 and CHCl 3 in CDCl 3 . It was. Tetramethylsilane was used as an internal reference for chemical shift calibration, and the peak of singlet at 3.40 ppm is closely related to the chemical shift of Ga (DmDTC) 3 material. Figure 5 (b) is a graph and photograph showing the size distribution and shape of the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles. As shown in FIG. 5B, the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles synthesized by the ultrasonic spraying method are well monodispersed to have an average particle size of 28.5 nm and a standard deviation of 13.3 nm. Appeared. Generally, the settling reactions of gallium nitrate (Ga (NO 3 ) .8H 2 O) and sodium dimethyldithiocarbamate ((CH 3 ) 2 NCSSNA.2H 2 O) take place very quickly, which leads to the control of particle size. This means that it is relatively difficult. In contrast, the ultrasonic spraying method is a useful method for controlling the reaction rate, since the size of the plurality of gallium precursor particles in the ultrasonically sprayed droplets is relatively small. Thus, abrupt reactions to form large particles are effectively prevented, and Ga (DmDTC) 3 nanoparticles are easily dispersed in chloroform solvent.
도 6의 (a)는 암모니아가 흐르는 환경 내에서 Ga(DmDTC)3 필름의 열분해 변형에 의한 질화 갈륨층의 XRD 패턴을 보여준다. 상기 질화 갈륨층의 XRD 피크는 주로 34.6° 및 73.1° 2θ에서 관찰되며, 6방정계 구조 상(hexagonal structure phase)의 (0002) 및 (0004) 평면으로부터 기여되어 할당된 것이다. 또한, γ-Ga2S3 상에 기인한 피크는 XRD 패턴 내에서 관찰되지 않았다. Ga(DmDTC)3 상은 500℃ 이상의 질소 환경 하에서 γ-Ga2S3 상으로 변하고, 이는 Ga(DmDTC)3가 γ-Ga2S3 및 CN(CH3)의 부가물로 열적으로 분해되는 것을 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서, 암모니아 하에서 Ga(DmDTC)3으로부터 질화 갈륨층으로의 열분해 반응은 Ga(DmDTC)3의 열적 분해 및 γ-Ga2S3와 암모니아 사이의 화학 반응으로 간단히 표현될 수 있다. 이러한 반응은 반응식 1 및 2와 같이 요약될 수 있다. FIG. 6 (a) shows the XRD pattern of the gallium nitride layer by pyrolytic deformation of Ga (DmDTC) 3 film in an ammonia flowing environment. The XRD peaks of the gallium nitride layer are mainly observed at 34.6 ° and 73.1 ° 2θ and are assigned contributing from the (0002) and (0004) planes of the hexagonal structure phase. In addition, no peak attributable to the γ-Ga 2 S 3 phase was observed in the XRD pattern. The Ga (DmDTC) 3 phase turns into a γ-Ga 2 S 3 phase under a nitrogen environment above 500 ° C., which indicates that Ga (DmDTC) 3 is thermally decomposed into adducts of γ-Ga 2 S 3 and CN (CH 3 ). It is known to represent. Thus, the pyrolysis reaction from Ga (DmDTC) 3 to gallium nitride layer under ammonia can be simply expressed by the thermal decomposition of Ga (DmDTC) 3 and the chemical reaction between γ-Ga 2 S 3 and ammonia. This reaction can be summarized as in
[반응식 1]Scheme 1
2Ga(S2CN(CH3)2)3 → 2Ga2S3 + adducts2Ga (S 2 CN (CH 3 ) 2 ) 3 → 2Ga 2 S 3 + adducts
[반응식 2]
Ga2S3 + 2NH3 → 2GAN + 3H2SGa 2 S 3 + 2NH 3 → 2GAN + 3H 2 S
열분해된 질화 갈륨층이 (0002) 우선 배양 방향으로 잘 배열하는 이유는 열분해 반응 동안 재결정 과정으로부터 예상되었다. 상기 반응식 1 및 2에서 나타나듯이, 증착된 상태의 Ga(DmDTC)3 필름은 열분해에 의해 Ga2S3로 변화하였고, 황(S) 성분은 동시에 질소(N) 성분으로 치환되었다. 이 때, 열분해된 질화 갈륨층은 재결정화 과정을 겪게 되며, 6방정계 구조 내의 (0002) 평면의 낮은 표면에너지 때문에, 질화 갈륨의 결정질 구조는 주로 (0002) 우선 배양 방향으로 배열된다. 나아가, XRD 패턴에서 관찰되는 완만한 기울기로부터 질화 갈륨층 내의 비정질 상의 존재를 확인할 수 있다. 도 6의 (b)는 질화 갈륨층의 표면 및 단면의 SEM 사진을 나타내며, 밀집한 구조와 작은 결정질 상을 보여준다. 질화 갈륨층은 5 ㎛의 두께임에도 불구하고, 어떠한 빈 공간이나 크랙을 나타내지 않았다. 이로부터, 비정질 상이 질화 갈륨층과 알루미나 기판 사이의 격자 불일치를 감소시키는데 주요한 역할을 하는 것을 알 수 있다. 열분해된 질화 갈륨층에서 비정질 상이 나타나는 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 결정 입계(grain boundaries)는 통상 비정질 상을 가지고, 질화 갈륨층의 결정 구조는 상기 결정 입계에서 종료된다. 또한, 질소 및 황은 서로 다른 산화수를 가지고, 이는 질화 갈륨 내의 황 결합이 질화 갈륨의 결정질 구조를 변형시켰다는 것을 의미한다. 이들은 필름 내의 결정질의 무질서 및 결함을 가져올 수 있다. The reason why the pyrolyzed gallium nitride layer is well arranged in the culture direction first is expected from the recrystallization process during the pyrolysis reaction. As shown in
한편, Ga(mDTC)3의 열분해 과정을 알아보기 위하여, 제조된 Ga(mDTC)3를 별도로 준비하고, 온도를 900℃까지 승온시키는 조건하에서의 열분해 반응을 관찰하였다. 도 7은 Ga(mDTC)3의 열분해 반응을 열중량분석기(Thermal Gravimetric Analyzer)를 이용하여 분석한 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 본 출원의 Ga(mDTC)3의 경우, 종래 알려진 Ga(mDTC)3의 분해 온도인 500℃ 보다 낮은 온도인 300℃에서 완전히 열분해되는 것을 확인할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, Ga(DmDTC)3 나노 입자의 크기가 작아짐에 따라서 표면적이 커지고 이에 따라 분해 온도가 낮아지기 때문이다.On the other hand, it was observed for the thermal decomposition reaction under conditions to prepare the manufactured Ga (mDTC) 3 separately, and its temperature is raised to 900 ℃ In order to examine the thermal decomposition of Ga (mDTC) 3. FIG. 7 is a graph illustrating a pyrolysis reaction of Ga (mDTC) 3 using a thermogravimetric analyzer. As can be seen from Figure 7, in the case of Ga (mDTC) 3 of the present application, it can be seen that it is completely pyrolyzed at 300 ° C lower than the decomposition temperature of the conventionally known Ga (mDTC) 3 500 ° C. This is because, as described above, the smaller the size of the Ga (DmDTC) 3 nanoparticles, the larger the surface area and thus the lower the decomposition temperature.
도 8은 Ga 2p3
/2, N 1s 및 O 1s 피크의 고해상도 XP 스펙트럼을 나타낸다. 상기 Ga 2p3
/2의 디콘볼루션된 피크(deconvoluted peak)는 갈륨의 코어 레벨인 1116.5 내지 1116.7 eV로부터 분명히 이동한 1118.3 eV 및 1120.8 eV에서 관찰되었다. 이로부터, Ga 2p3
/2의 분명한 이동은 필름 내의 갈륨 원자가 질소 및 산소와 혼합되었다는 점을 알 수 있다. 산소 혼합에 기인한 피크 영역(1120.8 eV)은 질소 혼합에 기인한 피크 영역(1118.3 eV)에 비해 아주 작았으며, 이것은 산소 오염(contamination)이 비진공 방법에서 충분히 낮다는 것을 나타낸다. N 1s의 디콘볼루션된 피크는 각각, Ga-N 및 Ga-S 결합으로부터 기인한 396.6 eV 및 397.7 eV에 위치하였다. 상기 Ga에 대한 N의 원소비는 1:0.9였으며, 황은 XPS 스펙트럼에서 매우 작은 양 검출되었다. 이는 상기 반응식 2에서 입증되었듯이, Ga2S3내의 거의 대부분의 황 원자가 질소 원자로 교체되었음을 나타내며, 남아있는 황 원자는 암모니아 환경 하에서 황이 도핑(dope)된 GaN(GaN:S)를 형성하는 데 사용되었음을 나타낸다. O 1s의 피크는 각각, 530.8 및 531.8 eV에서 관찰되었다. 일반적으로, 산소 피크는 529 내지 535 eV의 범위이며, 529 내지 530 eV 근처의 피크는 격자 산소를 나타내지만, 530 내지 535 eV의 피크는 필름 표면에서의 탄소의 흡수 또는 유기 물질에 의한 오염에 관계한다. 이 경우, 530.8 eV 및 531.8 eV에서의 O 1s XPS 피크는 필름 표면의 화학적 흡착에 할당된다. 8 is Ga 2p 3/2, represents a high-resolution XP spectrum of the
도 9는 상온에서의 질화 갈륨층의 PL 스펙트럼을 나타낸다. 3개의 구분되는 피크가 주로 3.44 eV, 2.95 eV 및 2.69 eV에서 각각 관찰되었다. 3.44 eV에서의 피크는 질화 갈륨의 띠끝 전이(band edge transition)에 할당되어 있다. 2.95 eV에 집중된 청색 발광(blue luminescence, BL)은 다른 두 피크들보다 강했으며, 이는 질화 갈륨층의 질소(N) 사이트 위의 황(S)에 기인한 얕은 도너 레벨(shallow donor level)의 형성으로 고려될 수 있다. XPS 결과에서 전술한 바와 같이, 열분해 과정에서 질화 갈륨 내에 적은 양의 황(S)이 남아있게 되며, 얕은 도너 레벨은 질화 갈륨 내의 질소(N) 사이트의 황(S)의 치환으로 인하여 형성될 수 있다. 일반적으로, 갈륨(Ga) 사이트 상의 4족 및 질소(N) 사이트 상의 6족은 질화 갈륨에서 얕은 도너로 여겨진다. 따라서, 이들 피크가 나타나는 것은, 얕은 도너로부터 얕은 어셉터로의 전이로부터 기인한다. 2.69 eV에서의 녹색 발광(green luminescence, GL)은 갈륨 빈자리 및 질소 사이트의 산소 치환으로 인한 결함의 다른 전하 상태로부터 기인한다. 그 결과, 약한 띠끝 방사(band edge emission) 및 BL-GL 밴드의 나타남은, 많은 무질서 및 비방사성 재혼합의 다양한 경로뿐만 아니라, 풍부한 갈륨, 질소 부족 및 질화 갈륨층 내의 황 치환으로 인한 다양한 결함으로 설명될 수 있다. 9 shows the PL spectrum of a gallium nitride layer at room temperature. Three distinct peaks were observed, mainly at 3.44 eV, 2.95 eV and 2.69 eV, respectively. The peak at 3.44 eV is assigned to the band edge transition of gallium nitride. Blue luminescence (BL), concentrated at 2.95 eV, was stronger than the other two peaks, which resulted in the formation of shallow donor levels due to sulfur (S) on the nitrogen (N) site of the gallium nitride layer. Can be considered. As described above in the XPS results, a small amount of sulfur (S) remains in gallium nitride during pyrolysis, and shallow donor levels may be formed due to the substitution of sulfur (S) at the nitrogen (N) site in gallium nitride. have. In general,
도 10은 MOCVD법에 의해 열분해된 질화 갈륨층 상에 성장된 에피텍셜 질화 갈륨 필름의 XRD 패턴 및 SEM 사진을 나타낸다. 그리고, 질화 갈륨의 에피텍셜 성장은 하기 반응식 3 및 4에 따라 진행된다.FIG. 10 shows XRD patterns and SEM photographs of epitaxial gallium nitride films grown on gallium nitride layers pyrolyzed by MOCVD. Then, epitaxial growth of gallium nitride proceeds according to the following schemes (3) and (4).
[반응식 3]
Ga(CH3)3(g) + HCl(g) → GaCl(g) + CHx group(g)Ga (CH 3 ) 3 (g) + HCl (g) → GaCl (g) + CH x group (g)
[반응식 4]
GaCl(g) + NH3(g) → GaN(s) + HCl(g) + H2(g) GaCl (g) + NH 3 ( g) → GaN (s) + HCl (g) + H 2 (g)
열분해된 질화 갈륨층 상의 상기 에피텍셜 질화 갈륨 필름은, 6방정계 우르츠 구조(hexagonal Wurtzite structure)로부터 기인한, (0002) 방향의 강한 우선 배향 방향을 나타내었다. 또한, 성장한 그대로의 질화 갈륨 필름은 기판 상에 측면 성장을 나타내었으나, 베어 사파이어(bare sapphire) 기판 상의 질화 갈륨 필름은 z-축 방향으로 위쪽으로 성장하였다. 이로부터, 열분해된 질화 갈륨층 및 성장한 질화 갈륨 사이의 단일-에피텍셜 물성으로 인하여 흡착 원자가 강하게 혼합되었다는 것을 알 수 있다.The epitaxial gallium nitride film on the pyrolyzed gallium nitride layer exhibited a strong preferred orientation direction in the (0002) direction, resulting from a hexagonal Wurtzite structure. In addition, the grown gallium nitride film showed lateral growth on the substrate, while the gallium nitride film on the bare sapphire substrate grew upward in the z-axis direction. From this, it can be seen that the adsorption atoms were strongly mixed due to the single-epitaxial physical properties between the pyrolyzed gallium nitride layer and the grown gallium nitride.
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