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Synthesis of VO2 nanowire and fabrication nanodevices based on metal-to-insulator transition of VO2
이산화바나듐 나노와이어의 합성과 금속-절연체 상전이를 이용한 나노소자 개발 연구

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Authors
배성환
Advisor
박찬
Major
공과대학 재료공학부
Issue Date
2014-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Vanadium oxideNanowireMemrsitorGas sensorThermochromic coatingsThermochromismMetal-insulator transitionHydrothermal processMicrostructureNanostructurePost annealing
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 재료공학부, 2014. 2. 박찬.
Abstract
이산화바나듐(VO2)는 68도 부근에서 금속-절연체 상전이(MIT) 특성을 보이는 재료로, 상전이 시 급격한 저항 및 광학적 특성의 변화를 보이고, 그 전이 속도가 매우 빠르며, 상온 부근에서 전이온도를 가지는 특성을 보인다. 이러한 이산화바나듐의 전이특성을 이용하여 메모리소자, 스위치소자, 가스센서, 온도가변형 적외선 차단 소자, 광학 소자에 응용하려는 연구가 진행되고 있다.
이산화바나듐을 이용한 기존의 나노소자의 경우 박막구조의 이산화바나듐을 진공공정을 통하여 제작해 왔다 하지만 CVD, PVD와 같은 진공공정의 경우 높은 진공도와 온도를 요구한다는 점에서 공정비용이 증가하고, 기판에 선택에 있어 자유롭지 못한 단점을 가진다. 박막 형태의 이산화바나듐 소자의 경우 전이온도까지 소자온도를 올려줄 수 있는 발열체가 추가로 존재해야 하며, 높은 결정성을 얻기 위해서는 단결정 기판을 요구한다는 점도 실제 소자 응용에 있어 한계가 있다. 본 연구에서는 수열합성법으로 이산화바나듐 나노와이어를 제작하고 이를 응용하여 단순한 구조를 가지면서 저비용으로 소자제작이 가능한 나노소자를 제작하는 연구를 진행하였다.
수열합성법은 저비용으로 순수한 나노구조를 가지는 이산화바나듐을 제조할 수 있는 합성법으로 기존에 보고된 이산화바나듐 수화물 나노와이어를 제조하는 공정을 이용하여 순수한 이산화바나듐을 합성하였다. 수열합성법으로 제조된 이산화바나듐 수화물 나노와이어를 후열처리를 통하여 순수한 이산화바나듐을 합성하였으며, 기존에 보고된 이산화바나듐 재료와 마찬가지로 약 68도 부근에서 상전이를 일으키는 것을 확인하였다.
이를 제작된 이산화바나듐 나노와이어를 이용하여 저항의 변화가 가능하면서 비휘발성의 특성을 가지는 멤리스터를 제조하였다. 나노와이어의 경우 그 작은 부피로 인해 추가적인 발열체 없이 줄(Joule)열을 이용하여 비휘발성을 확보할 수 있었다. 기존의 보고된 이산화바나듐 박막을 이용한 멤리스터와 달리 가변하는 저항의 범위가 증가하였으며, 저항의 차이도 증가하였다. 이를 통하여 이산화바나듐 나노와이어를 이용한 멤리스터는 비휘발 메모리로 응용이 가능하며, 저전력의 향상된 성능을 가질 수 있다는 것을 증명하였다.
또한 저항의 변화가 가능하면서 비휘발 특성을 가지는 멤리스터를 응용한 가스센서가 개발가능한 지를 확인하는 연구를 수행하였다. 기존 이산화바나듐을 이용한 가스센서의 경우, 전이전압을 측정하는 방식을 사용하기 때문에 한번의 측정만이 가능하였으나, 멤리스터를 응용한 가스센서는 저항의 변화를 이용하기 때문에 반복적인 측정이 가능하다는 장점을 가진다. 주위의 가스 압력이 감소함에 따라 저항의 감소가 더 커지는 것을 확인하였으며, 변화한 저항이 유지되는 것을 확인하였다. 이를 통하여 멤리스터를 응용한 이산화바나듐 가스센서의 응용가능성을 확인하였다.
마지막으로 이산화바나듐 나노와이어와 폴리머 복합체 형태의 온도가변형 적외선 차단 필름을 제조하였다. MPTMS 처리를 통하여 유기물에 나노와이어가 안정적으로 분산할 수 있도록 하였으며, TEOS를 이용하여 나노와이어 표면을 이산화실리콘으로 감싸줌으로써 광학적 투과도를 높일 수 있었다.
본 연구에서는 순수한 이산화바나듐 나노와이어를 합성하는 공정을 개발하고, 멤리스터, 가스센서, 적외선 차단 소재로서의 응용가능성을 확인하였다. 이산화바나듐 나노와이어를 이용한 멤리스터는 첫번째 보고이며, 자가 발열을 통한 멤리스터 소자 구동 역시 첫번째 보고이다. 기존에 가스센서의 단점을 극복할 수 있는 새로운 형태의 가스센서를 제안하고, 그 가능성을 확인하였다. 또한 제조된 이산화바나듐 나노와이어에 표면처리를 통하여 그 특성을 향상시킴으로써 실제 이산화바나듐 나노와이어를 이용한 소자 개발에 중요 문제들을 해결 할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 통해 이산화바나듐 나노와이어를 이용한 나노소자 개발에 있어 중요한 기여를 했다고 생각한다.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/117945
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Materials Science and Engineering (재료공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._재료공학부)
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