KR101603371B1 - Conductive material comprising imogolite and electronic device comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 명세서에는 이모골라이트를 포함하는 전도성 재료 및 이를 포함하는 전자 소자가 기재된다. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Conductive materials including emmogolite and electronic devices comprising the same are described herein.
Description
본 명세서는 이모골라이트(imogolite)를 포함하는 전도성 재료 및 상기 전도성 재료를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다. The present disclosure relates to a conductive material comprising imogolite and an electronic device comprising the conductive material.
탄소나노튜브, 그래핀 등은 크기나 형태에 따라 독특한 물리적 성질을 가지고 있기 때문에, 전자 장치에 활용될 수 있다. 그러나, 탄소나노튜브, 그래핀 등은 낮은 분산성, 대량 생산의 비용이로 인하여 개발이 제한되며 이러한 문제점은 극복 과제로 남아있다. Carbon nanotubes, and graphenes have unique physical properties depending on their size and shape, and thus can be utilized in electronic devices. However, carbon nanotubes and graphene are limited in their development due to low dispersibility and cost of mass production, and these problems remain to be overcome.
특히, 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 형성의 정확한 메커니즘이 밝혀져 있지 않기 때문에, 균일한 형태의 탄소나노튜브를 대량 형성하기 어렵다. 또한, 그래핀은 전하 이동도가 높아서 빠른 동작이 가능하지만, 원자 구조 특성 상 온-오프(On-OFF) 스위칭 측면에서 비용이하다. 구체적으로, 온-오프 스위칭을 위해서는 밴드 갭이 존재하는 반도체 특성을 가져야 하지만, 그래핀은 밴드 갭 오프닝(band gap opening)이 어렵다.In particular, since the exact mechanism of carbon nanotube formation is not known, it is difficult to form a large number of uniform carbon nanotubes. In addition, graphene has a high charge mobility and can operate fast, but it is costly in terms of on-off switching due to its atomic structure. Specifically, the on-off switching has a semiconductor characteristic in which a band gap exists, but a band gap opening is difficult for the graphene.
이에 본 명세서에서는 전기 전도성이 부여된 이모골라이트를 포함하는 전도성 재료 및 이를 포함하는 전자소자를 제공한다.Accordingly, the present invention provides a conductive material including emogolite imparted with electrical conductivity and an electronic device including the conductive material.
본 명세서의 일 실시상태는 이모골라이트(imogolite)를 포함하는 전도성 재료를 제공한다.One embodiment of the present disclosure provides a conductive material comprising imogolite.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 이모골라이트를 포함하는 전도성 재료를 포함하는 전자 소자를 제공한다. Another embodiment of the present disclosure provides an electronic device comprising a conductive material comprising imogolite.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 이모골라이트는 전도성 폴리머와의 하이브리드 형태 또는 밴드 갭이 0 미만으로 조정됨으로써 전도성이 부여된 것이다.According to one embodiment of the present invention, the imogolite is hybridized with the conductive polymer or has conductivity by adjusting the band gap to less than zero.
본 명세서에 기재된 이모골라이트는 전도성이 부여된 것으로서, 다양한 용도의 전도성 재료로 사용될 수 있다. 이모골라이트는 투명하고 광학적 물성과 기계적 강도가 우수하기 때문에 다양한 전자 소자에서 전도성 재료로 사용될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 방법에 따라 전도성이 용도에 적합하도록 조절될 수 있다.The imogolite described herein is a conductivity-imparted, and can be used as a conductive material for various applications. Immagalite is transparent and can be used as a conductive material in various electronic devices because of its excellent optical properties and mechanical strength, and the conductivity can be adjusted to suit the application according to the method described in this specification.
도 1은 이모골라이트 구조의 일 예를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 이모골라이트의 지그재그 형태 및 암체어 형태의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 이모골라이트의 지그재그 형태 및 암체어 형태의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 이모골라이트의 전도성 조절을 위하여 설치한 구조의 일 예를 나타낸 것이다.
도 5는 이모골라이트 나노튜브의 축방향에 수직으로 인가되는 전압의 세기에 따른 이모골라이트의 밴드 갭의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 이모골라이트 나노튜브의 축방향에 수직으로 인가되는 전압의 세기에 따른 이모골라이트의 전류 변화를 도시한 것이다.
도 7은 Fe으로 도핑된 이모골라이트의 밴드 갭의 일 예를 도시한 것이다.
도 8은 직경이 상이한 이모골라이트 나노튜브를 예시한 것이다.
도 9는 화학적 변형에 의한 밴드 갭 조절을 예시한 것이다.Fig. 1 shows an example of an amorphous light structure.
Figs. 2A to 2C show an example of a zigzag shape and a rocker-tongue shape of the immature golite.
3 is a graph showing the stability of a zigzag shape and a rock-solid shape of the immature golite.
Fig. 4 shows an example of the structure for the conductivity control of the immature golite.
FIG. 5 is a graph showing a change in the bandgap of the immature golite according to the intensity of voltage applied perpendicularly to the axial direction of the immature golonite nanotube.
FIG. 6 is a graph showing a current change of a myoglycolite according to the intensity of voltage applied perpendicularly to the axial direction of the immature golonite nanotube.
FIG. 7 shows an example of the bandgap of amorphous gold doped with Fe.
Fig. 8 illustrates an amorphous-gold nanotube having a different diameter.
Figure 9 illustrates bandgap control by chemical modification.
이하에서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 전도성 재료는 이모골라이트를 포함한다. 여기서, 상기 이모골라이트는 전도성 폴리머와의 하이브리드 형태 또는 밴드 갭이 0 eV 미만으로 조정됨으로써 전도성이 부여된 것이다.The conductive material according to one embodiment of the present disclosure includes an immortalized light. Herein, the imogolite is provided with conductivity by being adjusted to a hybrid form with the conductive polymer or a band gap of less than 0 eV.
본 명세서의 하나의 실시상태에서는 밴드 갭이 0 eV 미만으로 조정된 이모골라이트를 사용한다. 이모골라이트의 밴드 갭을 0 eV 미만으로 조정하는 것은, 본 발명자들이 이모골라이트가, 탄소 나노튜브와는 달리, 분자오비탈의 유연성(flexibility)가 있다는 점을 밝혀낸 것에 기인한 것이다. 구체적으로, 이모골라이트는 기본적으로 절연성을 갖는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시상태에 따르면, 외부 전기장에 의하여 이모골라이트의 분자오비탈이 극성화(polarized)되고, 이로 인하여 전기장의 세기에 따라 밴드 갭이 조금씩 닫히게 된다. 이에 의하여 절연성을 띄던 이모골라이트는 전도성을 가질 수 있다. 요컨대, 이모골라이트는 분자오비탈의 유연성이 있기 때문에, 이의 밴드 갭을 조절함으로써 전도성을 조절할 수 있다. In one embodiment of the present disclosure, an immortalized light having a band gap adjusted to less than 0 eV is used. Adjustment of the bandgap of the emolgolite to less than 0 eV is due to the fact that the present inventors have found that the emolgolite has flexibility of molecular orbital, unlike carbon nanotubes. Specifically, the emolgolite has basically insulating properties. However, according to the embodiment described herein, the molecular orbital of the immature golite is polarized by the external electric field, and the band gap is gradually closed according to the intensity of the electric field. Thus, the amorphous grit which is insulative can have conductivity. In short, since amogolite has the flexibility of molecular orbital, its conductivity can be controlled by adjusting its bandgap.
이모골라이트는 큐슈 지방의 화산재에서 발견되는 수화 알루미노실리케이트 광물이다. 이모골라이트 나노튜브는 속이 비어 있는 나노튜브 형태이며, 단일층 나노튜브 형태이다. 상기 이모골라이트는 (HO)3Al2O3SiOH의 화학식으로 표현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이는 표면 변형(modification)을 통하여 고분자 매트릭스 내에서 분산이 증가될 수도 있고, 하이브리드 물질로 사용될 수도 있다.Emogolite is hydrated aluminosilicate mineral found in volcanic ash in Kyushu region. Immortalized light nanotubes are hollow nanotubes and single-walled nanotubes. The imogolite may be represented by the formula (HO) 3 Al 2 O 3 SiOH, but is not limited thereto. This may increase the dispersion in the polymer matrix through surface modification, or may be used as a hybrid material.
이모골라이트 나노튜브의 외측 지름은 약 2.5 nm일 수 있고, 내측 지름은 1 nm 이하일 수 있다. 이모골라이트 나노튜브의 길이는 수백 nm 내지 수 μm일 수 있다. 이모골라이트 나노튜브의 길이가 서브마이크론인 경우 빛의 산란(scattering)을 줄임으로써 헤이즈(haze) 현상이 없는 투명 소재로 응용하는데 유리하다. The outer diameter of the immobilized nanotubes may be about 2.5 nm, and the inner diameter may be less than 1 nm. The length of the immobilized light nanotubes may be several hundred nanometers to several micrometers. When the length of the immobilized light nanotubes is submicron, it is advantageous to apply as a transparent material free from haze phenomenon by reducing scattering of light.
이모골라이트는 튜브 형태일 때의 안정성이 평면(sheet) 형태일 때보다 높으므로, 자연 상태에서 튜브 형태로 발견될 수 있다. 또한, 특정 지름의 이모골라이트가 가장 안정한 변형 에너지 값을 가지게 되므로, 이모골라이트는 특정 지름을 가지는 튜브 형태로 존재할 수 있다. 구체적으로, 이모골라이트는 음(-)의 가닥 에너지(strain energy)를 가지기 때문에, 평면 형태 보다 튜브 형태일 때가 안정하다. 또한, 이모골라이트는 음의 값을 갖는 최소 가닥 에너지(minimum strain energy)를 가지므로 특정 크기의 나노 튜브 형태로 형성된다. The emolgolite can be found in the form of a tube in its natural state because its stability when in tube form is higher than when it is in sheet form. Further, since the amorphous golite having a specific diameter has the most stable strain energy value, the amorphous golite can exist in the form of a tube having a specific diameter. Specifically, since amogolite has a negative (-) strain energy, it is stable when it is in a tube form rather than a flat form. Further, the emolgolite has a minimum strain energy having a negative value, and thus is formed into a nanotube form having a specific size.
반면, 할로이사이트 나노튜브, 탄소나노튜브, BN, BC2N, GaS, MoS2, 또는 TiO2로 구성된 나노튜브들은 평면 형태 대비 안정성을 나타내는 가닥 에너지가 양의 값이기 때문에, 튜브 형태를 갖기 위하여 안정화 에너지가 필요하다. 이 가닥 에너지는 튜브의 지름이 증가함에 따라 비례하여 감소한다. 즉, 음의 값을 갖는 최소 가닥 에너지를 갖지 못하면 원하는 크기의 나노튜브를 선택적으로 생성하기 어렵다. On the other hand, nanotubes composed of halo-site nanotubes, carbon nanotubes, BN, BC 2 N, GaS, MoS 2 , or TiO 2 have a positive energy value, Stabilization energy is needed. This strand energy decreases proportionally as the tube diameter increases. That is, it is difficult to selectively generate nanotubes of a desired size if they do not have the minimum value of the energy with the negative value.
상기 이모골라이트 나노튜브는 기브사이트(gibbsite) 형태를 가지는 2차원 이모골라이트 평면 구조체에서 형성된다. 이모골라이트는 2차원 이모골라이트 평면 구조체가 어떤 방향으로 말리는가에 따라 지그재그 형태 또는 암체어 형태가 될 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에 이모골라이트 나노튜브의 지그재그 형태와 암체어 형태를 예시하였다. The imogolite nanotubes are formed in a two-dimensional amorphous light planar structure having a gibbsite shape. Immortalized light can be in zigzag or armchair form depending on the direction in which the two-dimensional immobilized light planar structure is oriented. Figs. 2A to 2C illustrate a zigzag shape and arm chair shape of the immature golleite nanotubes.
도 2a에는 지그재그 형태와 암체어 형태의 구조를 예시하였다. 기브사이트가 말려서 튜브를 형성했을 때 튜브 끝단의 모양이 의자 모양일 때 암체어 형태라고 하고, 톱니 모양일 때 지그재그 형태라고 한다. 그래핀에서는 탄소 6개가 육각형 링에 의하여 구별되는 한편, 이모골라이트에서는 도 2b 및 도 2c에서 파란색으로 표현된 6개의 알루미늄 옥사이드((AlO6)6)에 의하여 구별된다.Fig. 2A illustrates the structure of a zigzag shape and an armchair shape. When the gibbsite is dried to form a tube, the shape of the end of the tube is referred to as the shape of the armchair when it is in the form of a chair, and in the form of a zigzag when it is serrated. In graphene, six carbon atoms are distinguished by a hexagonal ring, while in an ember golite it is distinguished by six aluminum oxides ((AlO 6 ) 6 ), which are blue in FIGS. 2b and 2c.
도 2b는 기브사이트로부터 2차원 평면 구조를 가지는 이모골라이트 평면 구조와 튜브가 어떻게 형성되는지 보여주고 있다. 우선, 기브사이트 구조체의 양쪽 면 중 한 면의 히드록실(OH) 기를 실라놀(SiOH) 기로 치환하여 이모골라이트 평면 구조체를 형성한다. 이것을 도 2b의 롤링 벡터(rolling vector)에 따라 말게 되면 지그재그 또는 암체어 형태의 이모골라이트 나노튜브를 형성하게 된다. 이 때, 이모골라이트 평면 구조체가 어떤 방향으로 말리느냐에 따라 형성된 튜브의 내부 및 외부 히드록실(OH) 기의 배열이 달라진다. FIG. 2B shows a two-dimensional planar structure of an immature golite planar structure from Gibbsite and how tubes are formed. First, the hydroxyl (OH) group on one side of both surfaces of the Gibbsite structure is replaced with a silanol (SiOH) group to form an imogolite planar structure. When this is performed according to the rolling vector of FIG. 2B, zigzag or armchair-shaped imogolite nanotubes are formed. At this time, the arrangement of the inner and outer hydroxyl (OH) groups of the tube formed depends on the direction in which the amorphous gallium planar structure is dried.
도 2c는 지그재그 및 암체어 형태의 이모골라이트 나노튜브가 형성되었을 때, 히드록실(OH) 기가 형성하는 수소 결합(HB) 네트워크를 보여준다. 지그재그 이모골라이트에서는, 튜브 내부 표면에 위치하게 되는 히드록실(OH) 기의 수소 결합 네트워크 방향이 지그재그 롤링 벡터와 일치하기 때문에, 디스크 형태의 내부 수소 결합 네트워크를 형성한다. 반면, 암체어 롤링 벡터에서는 튜브 내부 표면의 히드록실(OH) 기의 수소 결합 네트워크 방향이 지그재그 롤링 벡터에 대하여 45도 틀어져 있으므로, 헬릭스(helix) 형태의 내부 수소 결합 네트워크를 형성한다. FIG. 2C shows a hydrogen bonding (HB) network formed by hydroxyl (OH) groups when zigzag and armchair-shaped imogolite nanotubes are formed. In the zigzag emulsion Golite, the hydrogen bonding network direction of the hydroxyl (OH) group located on the inner surface of the tube coincides with the zigzag rolling vector, thus forming an internal hydrogen bonding network in the form of a disc. On the other hand, in the armchair rolling vector, the direction of the hydrogen bonding network of the hydroxyl (OH) group on the inner surface of the tube is shifted by 45 degrees with respect to the zigzag rolling vector, thereby forming an internal hydrogen bonding network in the form of helix.
외부 수소 결합 네트워크는 튜브 생성시 수반되는 굴곡에 의한 결합 길이 증가에 의하여 영향을 많이 받는다. 이로 인해, 이모골라이트 나노튜브 내의 결합 네트워크는 수소 결합 보다는 약해지고 도 2c과 같이 2가지 형태(HB1, HB2)의 배열을 갖게 된다. HB1 배열에서는 외부 히드록실(OH) 기가 오르토실리케이트 테트라헤드론의 측면 방향을 향하고, HB2 배열에서는 꼭지점 방향을 향한다. 따라서, 튜브 형성시 지그재그 이모골라이트는 헬릭스 형태의 외부 히드록실(OH) 네트워크를 갖고, 암체어 이모골라이트는 직선(linear) 형태의 외부 히드록실(OH) 네트워크를 갖는다. The external hydrogen bonding network is heavily influenced by the increase in bond length due to the curvature involved in tube formation. As a result, the bonding network in the immortalized light nanotubes becomes weaker than hydrogen bonding, and has an arrangement of two types (HB1, HB2) as shown in FIG. 2c. In the HB1 array, the external hydroxyl (OH) groups are oriented in the lateral direction of the orthosilicate tetrahedron, and in the HB2 arrangement, in the vertex direction. Thus, zigzag immobilite has an external hydroxyl (OH) network in the form of a helix at the time of forming the tube, and the arm body imogolite has an external hydroxyl (OH) network in a linear form.
도 3은 지그재그 형태 이모골라이트 나노튜브 및 암체어 형태 이모골라이트 나노튜브의 안정성을 도시한 것이다. 도 3에 기재된 바와 같이, 지그재그 형태의 이모골라이트 나노튜브가 암체어 형태의 이모골라이트 나노튜브 보다 안정하다. 그러나, 본 명세서에 기재된 전도성 조절 방법을 적용하는 것은 이모골라이트 나노튜브의 형태에 제한 받지 않는다.Fig. 3 shows the stability of zigzag type amorphous nanotubes and armature type amorphous nanotubes. As shown in Fig. 3, zigzag-shaped amorphous-grained nanotubes are more stable than amorphous-shaped amorphous-grained nanotubes. However, the application of the conductive control method described herein is not limited to the morphology of the immature golleite nanotubes.
이모골라이트는 내부 히드록실(OH) 기를 다른 작용기로 치환함으로써 나노튜브의 직경을 조절할 수 있고, 지그재그형 또는 암체어 형태로 생성될 수 있다. 도 8에 내부 치환기에 따른 직경의 차이를 예시하였다. 첫번째 구조는 내부에 실란올(SiOH)가 배치된 구조이고, 두번째 구조는 실란(SiH)이 배치된 구조이며, 세번째 구조는 메틸실란(SiMe)이 배치된 구조이다. 여기서, Z는 지그재그형, A는 암체어 형을 나타낸다. Z 또는 A 옆의 숫자는 기브사이트 유사 단위의 수를 의미한다.Imogolite can control the diameter of nanotubes by replacing internal hydroxyl (OH) groups with other functional groups, and can be produced in zigzag or armchair form. Fig. 8 illustrates the difference in diameter according to the internal substituent. The first structure is a structure in which silanol (SiOH) is disposed, the second structure is a structure in which silane (SiH) is disposed, and the third structure is a structure in which methylsilane (SiMe) is disposed. Here, Z represents a zigzag type and A represents an armchair type. The number next to Z or A means the number of Gibbsite-like units.
본 명세서의 실시상태에 따르면, 전기적인 방법을 이용하여 이모골라이트의 밴드 갭을 조절할 수 있다. 필요한 경우, 화학적인 방법을 추가로 수행하여 전기적인 방법에 의한 밴드 갭 조절이 더욱 용이하게 그리고 세부적으로 이루어지도록 할 수 있다. According to the embodiments of the present disclosure, the bandgap of the immature golite can be controlled using an electrical method. If necessary, the chemical method may be further carried out so that the band gap adjustment by the electrical method can be performed more easily and in detail.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 이모골라이트의 내측 중심을 통과하는 축을 그렸을 때, 상기 축 방향에 대하여 수직인 방향으로 전기장을 인가함으로써, 이모골라이트의 밴드 갭을 조절할 수 있다. 이모골라이트 나노튜브의 축 방향에 대하여 수직인 방향 인가되는 전기장의 크기가 O V/Å를 초과하기만 하면, 그 방법은 제한되지 않는다. According to one embodiment of the present invention, when an axis passing through the inner center of the immature golle light is drawn, the band gap of the immature golite can be adjusted by applying an electric field in a direction perpendicular to the axial direction. The method is not limited as long as the magnitude of the electric field applied in the direction perpendicular to the axial direction of the immobilizing light nanotube exceeds O V / A.
예를 들면, 이모골라이트에 인가되는 전기장이 이모골라이트 나노튜브의 축 방향에 대하여 반드시 수직으로만 인가될 필요는 없으며, 인가되는 전기장 중 크기가 이모골라이트 나노튜브의 축 방향에 대해 수직인 성분의 크기가 0 V/Å를 초과하기만 하면 된다. For example, it is not necessary that the electric field applied to the immature golite light is applied only vertically to the axial direction of the immature golonite nanotube, and the size of the applied electric field is perpendicular to the axial direction of the immature golonite nanotube It is sufficient that the size of the component exceeds 0 V / A.
상기와 같이 이모골라이트의 밴드 갭을 조절함으로써, 이모골라이트의 전도성을 조절할 수 있다. 이모골라이트 나노튜브의 축 방향에 대하여 수직인 방향에 인가되는 전기장의 세기가 증가할수록 이모골라이트의 전도성이 증가하는 경향을 나타낼 수 있다.By controlling the bandgap of the immature golleite as described above, the conductivity of the immature golleite can be controlled. As the intensity of the electric field applied in the direction perpendicular to the axis direction of the immature golite nanotube increases, the conductivity of the immature golite increases.
상기 이모골라이트의 축 방향에 대하여 수직인 방향에 인가되는 전기장의 세기가 0.6 V/Å 이상일 경우에는 전도성을 띌 수 있다. 이모골라이트의 밴드 갭을 0 eV 미만으로 조절함으로써 전도성을 갖도록 조절할 수 있다.When the intensity of the electric field applied in the direction perpendicular to the axial direction of the emulsion golite is 0.6 V / A or more, the conductivity can be obtained. It can be adjusted to have conductivity by controlling the bandgap of the immobilizite to less than 0 eV.
원하는 용도에 따라 요구되는 전도성을 위하여 전기장의 세기가 미세하게 조절될 수 있다. The intensity of the electric field can be finely adjusted for the required conductivity depending on the intended use.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 이모골라이트의 전도성 조절 방법의 일 예를 구체적으로 설명하면 하기와 같다. An example of a method for controlling conductivity of amogolite according to one embodiment of the present invention will be described in detail as follows.
2개의 전극 사이에 이모골라이트의 필름을 형성하고, 전압을 인가하여 전류-전압을 측정한다. 상기 전극으로는 금 전극(gold electrode)을 이용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 상기 2개의 전극 사이의 길이는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 0.5~5mm, 구체적으로 1.5 mm로 형성할 수 있다. 상기 방법의 구체적인 하나의 예를 도 4에 도시하였다. 전류-전압(I-V) 커브를 얻기 위하여 마그네틱 스퍼터링으로 양 전극 사이의 길이가 1.5mm가 되도록 이모골라이트 필름을 형성하고, 양 끝단에 금 전극를 연결한다. 전류-전압 측정은 암페어 미터(Keithley 2400)를 사용할 수 있다. A film of immature golite is formed between two electrodes, and a voltage is applied to measure a current-voltage. As the electrode, a gold electrode may be used, but the present invention is not limited thereto. The length between the two electrodes is not particularly limited, but may be, for example, 0.5 to 5 mm, specifically 1.5 mm. A specific example of the above method is shown in Fig. In order to obtain a current-voltage (I-V) curve, an emmigolite film is formed by magnetic sputtering so that the length between both electrodes is 1.5 mm, and gold electrodes are connected to both ends. Current-voltage measurements can be made using an ampere meter (Keithley 2400).
외부 전기장에 의한 FET(field effective transistor) 특성을 보기 위하여 마그네틱 스퍼터링으로 형성한 실리콘 백 게이트(highly doped Si back-gate) 위에 절연막을 형성하고, 그 위에 상기 구조, 즉 양 전극 사이에 이모골라이트 필름이 형성된 구조를 형성할 수 있다. 상기 절연막으로는 특별히 한정되지 않으나, SiO2 절연막이 사용될 수 있다. 이 때, 절연막의 두께는 10~50 nm, 구체적으로 18 nm로 조정할 수 있다. 도 4와 같은 구조에서 게이트 전압을 조절하며, 소스-드레인 전류를 측정한다. An insulating film is formed on a highly doped Si back-gate formed by magnetic sputtering in order to examine FET (Field Effect Transistor) characteristics by an external electric field, and the above structure, that is, Can be formed. The insulating film is not particularly limited, but an SiO 2 insulating film can be used. At this time, the thickness of the insulating film can be adjusted to 10 to 50 nm, specifically 18 nm. In the structure shown in Fig. 4, the gate voltage is adjusted and the source-drain current is measured.
도 5 및 도 6에 이모골라이트 나노튜브의 축방향에 수직으로 인가되는 전압의 세기에 따른 이모골라이트의 밴드 갭의 변화 및 전류의 변화를 도시하였다. FIGS. 5 and 6 show changes in the bandgap and current of the immature golite according to the voltage applied perpendicularly to the axial direction of the immature golonite nanotubes.
전술한 전기적 방법이 더하여, 이모골라이트의 전도성을 세부적으로 그리고 용이하게 조절하기 위하여 이모골라이트의 표면을 개질하는 방법이 적용될 수 있다. 이모골라이트의 표면 성질을 개질하기 위하여 다양한 방법이 적용될 수 있다. In addition to the above-mentioned electrical methods, a method of modifying the surface of the immature golite can be applied in order to control the conductivity of the immature golite in detail and easily. A variety of methods can be applied to modify the surface properties of aimogullite.
이모골라이트의 내부 SiOH가 SiH로 치환되는 경우와 암체어 형태인 경우 각각 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드가 페르미 레벨에 가까이 위치한다는 것을 나타내는 예를 도 9에 나타내었다. 이를 기초로, 표면 개질과 같은 화학적 변형(modification)을 통하여 이모골라이트의 밴드 갭을 추가로 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다. FIG. 9 shows an example showing that the conduction band and the balance band are close to the Fermi level in the case where the inner SiOH of the immobilized light is substituted with SiH and in the case of the armchair type, respectively. Based on this, it can be seen that the bandgap of the immature golite can be further controlled by chemical modification such as surface modification.
하나의 실시상태에 다르면, 이모골라이트의 표면에 다양한 화합물 또는 고분자가 도입될 수 있다. 구체적으로, 상기 나노튜브의 외측은 Al-OH 표면이 존재하며, 상기 Al-OH 표면에 다양한 화합물 또는 고분자를 도입할 수 있다. 상기 표면에 도입되는 물질 및 그 물질의 양은, 원하는 용도에 따라 또는 목적하는 전도성에 따라 선택될 수 있다. Different from one embodiment, various compounds or polymers may be introduced into the surface of the immature golite. Specifically, the outer surface of the nanotube has an Al-OH surface, and various compounds or polymers can be introduced into the surface of the Al-OH. The material to be introduced into the surface and the amount of the material may be selected according to the intended use or according to the desired conductivity.
상기 표면에 도입되는 물질의 예로는 유기 실란계 고분자, 유기 포스폰산계 고분자, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리비닐알코올(PVA), 또는 폴리피롤이나 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자가 있다. 그러나, 이들에 의하여 본 명세서의 실시상태들의 범위가 한정되는 것은 아니다. Examples of the substance to be introduced into the surface include an organosilane-based polymer, an organic phosphonic acid-based polymer, polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinyl alcohol (PVA), or a conductive polymer such as polypyrrole or polyaniline. However, the scope of the embodiments of the present invention is not limited thereto.
구체적인 예로서, 유기 실란, 유기 포스폰산과 같은 커플링제를 도입하거나, 중합 가능한 작용기가 있는 유기 포스폰산을 도입하여 고분자를 도입할 수 있다. 구체적으로, 이모골라이트의 표면 개질재로 (γ-아미노프로필)트리에톡시실란((γ-aminopropyl)triethoxysilane, APS)과 같은 유기실란, 옥타데실포스폰 산(octadecylphosphonic acid, OPA)과 같은 유기 포스폰산을 도입할 수 있다. As a specific example, a coupling agent such as an organic silane or an organic phosphonic acid may be introduced, or an organic phosphonic acid having a polymerizable functional group may be introduced to introduce the polymer. Specifically, an organic silane such as (γ-aminopropyl) triethoxysilane (APS), octadecylphosphonic acid (OPA) or the like as a surface modifier of imogolite Phosphonic acid can be introduced.
또는, 이모골라이트에 2-에시드포스폭시에틸 메타아크릴레이트(2-acidphosphoxyethyl methacrylate, P-HEMA)를 도입한 후에 메틸 메타아크릴레이트 모노머(methyl methacrylate monomer, MMA)를 중합시켜, 이모골라이트에 폴리메틸메타아크릴레이트(poly methyl methacrylate, PMMA)를 도입할 수 있다. Alternatively, after introducing 2-acidphosphoxyethyl methacrylate (P-HEMA) into the imogolite, a methyl methacrylate monomer (MMA) was polymerized to form a poly Poly methyl methacrylate (PMMA) may be introduced.
또는, 이모골라이트의 표면에 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)과 같은 고분자를 도입할 수도 있다. 또는, 이모골라이트의 표면에 폴리피롤, 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자를 도입할 수도 있다.Alternatively, a polymer such as polyvinyl alcohol (PVA) may be introduced onto the surface of the immature golite. Alternatively, a conductive polymer such as polypyrrole or polyaniline may be introduced on the surface of the immobilizite.
이모골라이트의 표면 개질의 한 방법으로서, 이모골라이트에 금속이 도핑될 수 있다. 이 때, 도핑되는 금속의 종류 및 도핑량은, 이모골라이트가 사용될 용도 및 전도성의 조절 정도에 따라 선택될 수 있다. 상기 금속의 종류 및 도핑량에 따라 이모골라이트의 밴드 갭을 적절하게 조절할 수 있다 이모골라이트에 도핑되는 금속은 원소는 이모골라이트의 밴드 갭 내에 새로운 에너지 스테이트(energy state)를 형성한다. As a method of surface modification of the immature golite, the immature golite can be doped with a metal. At this time, the kind and doping amount of the metal to be doped can be selected according to the application in which the amorphous gallium is used and the degree of control of the conductivity. The bandgap of the amorphous gallite can be appropriately adjusted according to the type and doping amount of the metal. The metal doped in the amorphous gallite forms a new energy state in the bandgap of the amorphous gallium.
따라서, 이모골라이트가 금속으로 도핑되는 경우에는 금속으로 도핑되지 않은 것과는 상이한 밴드 갭을 가질 수 있다. Thus, when the amorphous gritite is doped with a metal, it may have a bandgap different from that which is not doped with a metal.
상기 도핑되는 금속의 예로는 전이금속이 있으며, 구체적으로 Sc 내지 Zn의 전이원소, Fe, Co, Ni, Ru, Ro, Pd, Os, Ir 및 Pt 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Examples of the doped metal include a transition metal, specifically, transition elements of Sc to Zn, Fe, Co, Ni, Ru, Ro, Pd, Os, Ir and Pt.
상기와 같은 금속의 도핑은 이모골라이트 합성시 도핑하고자 하는 금속의 이온을 첨가함으로써 이루어질 수 있다. 도 7은 전이금속으로 도핑된 이모골라이트의 밴드 갭을 도시한 것이다. 도 7과 같이 전이 금속에 의하여 새로운 밴드가 형성될 수 있다. 구체적으로 도 7은 Fe로 도핑된 이모골라이트 나노튜브의 밴드 갭의 일 예를 도시한 것이다. 도핑되지 않은 이모골라이트 나노튜브는 도 5의 0.1 V/A의 경우와 유사하게 나타나므로, 도 7의 그래프와 비교될 수 있다. 여기서 이모골라이트의 합성방법은 공지된 방법을 이용할 수 있다. The doping of the metal may be performed by adding ions of the metal to be doped in the synthesis of the amorphous gallium. Figure 7 shows the bandgap of amorphous gold doped with a transition metal. A new band can be formed by the transition metal as shown in FIG. Specifically, FIG. 7 shows an example of the bandgap of the emolgolite nanotube doped with Fe. The undoped amorphous light nanotubes appear similar to the case of 0.1 V / A in Fig. 5, and thus can be compared with the graph of Fig. Here, known methods can be used for the synthesis of emogolite.
전술한 표면 개질 방법은 단독으로 사용될 수도 있으나, 2종 이상의 방법이 함께 사용될 수 있다. 상기 전기장 인가 방법과 1종 이상의 표면 개질 방법을 적용하는 순서는 특별히 한정되지 않는다. The above-mentioned surface modification method may be used alone, but two or more methods may be used together. The order of applying the electric field application method and the at least one surface modification method is not particularly limited.
본 명세서의 또 하나의 실시상태에서는 이모골라이트와 전도성 고분자의 하이브리드 형태를 이용한다. 전도성 고분자는 전술한 표면 개질 방법과 관련하여 예시한 재료들이 이용될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. In another embodiment of the present disclosure, a hybrid form of immobilized light and conductive polymer is used. As the conductive polymer, materials exemplified in connection with the above-mentioned surface modification method may be used, but are not limited thereto.
본 명세서에 기재된, 전도성이 부여된 이모골라이트의 저항값은 목적하는 용도에 따라 조절될 수 있다. 예컨대, 비저항값이 1 Ω·cm 이하일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 전도성이 부여된 이모골라이트의 비저항값은 0 Ω·cm 초과, 0.01 Ω·cm 이상일 수 있다. 또한, 전도성이 부여된 이모골라이트의 비저항값은 0.9 Ω·cm 이하, 0.8 Ω·cm 이하일 수 있다. 전도성이 부여된 이모골라이트의 면저항값은 수십 k Ω 이하로 조정될 수 있다. 하나의 예로서, 전도성이 부여된 이모골라이트를 전면 층으로 형성하였을 때 비저항 값이 1 X 10-3 Ω·cm 이하, 3 X 10-4 Ω·cm 이하, 1 X 10-4 Ω·cm 이하 일 수 있다. 이와 같은 비저항 값을 갖는 경우 대면적에 적용되기 유리하다. The resistance value of the conductivity-imparted immobilized light described herein can be adjusted according to the intended use. For example, the resistivity value may be 1 Ω · cm or less, but is not limited thereto. The resistivity value of the conductivity-imparted immobilized amorphous layer may be more than 0? Cm and not more than 0.01?? Cm. Also, the resistivity value of the conductivity-imparted immobilized light may be 0.9 Ω · cm or less and 0.8 Ω · cm or less. The sheet resistance value of the conductivity-imparted emolgurite can be adjusted to several tens kΩ or less. As an example, when the conductivity-imparted emolgolite is formed as the front layer, the resistivity value is 1 X 10 -3 Ω · cm or less, 3 × 10 -4 Ω · cm or less, 1 × 10 -4 Ω · cm Or less. It is advantageous to apply such a resistivity value to a large area.
본 발명에 따른 전도성 재료는 전도성 재료가 요구되는 용도라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 상기 전도성 재료는 다양한 종류의 전기 소자에 이용될 수 있다. 구체적으로, 유기 발광 소자와 같은 유기 전자 소자, 유기 태양 전지, 트랜지스터, 디스플레이, 터치패널 등의 전극, EMI 필름과 같은 광학 필름 등으로 이용될 수 있다. 특히, 이모골라이트는 투명 전극용으로 사용될 수 있다. 전도성이 부여된 이모골라이트는 헤이즈 값이 30% 미만으로 조절될 수 있다. The conductive material according to the present invention can be used without limitation as long as a conductive material is required for use. The conductive material can be used for various kinds of electric devices. Specifically, it can be used as an organic electronic device such as an organic light emitting device, an organic solar cell, a transistor, an electrode for a display, a touch panel, or an optical film such as an EMI film. In particular, emmigolite can be used for transparent electrodes. Conducted emmigolite can be adjusted to have a haze value of less than 30%.
전술한 알루미노실리케이트의 밴드 갭 엔지니어링을 통하여 온.오프 스위칭 특성을 구현할 수 있다.The on-off switching characteristic can be realized through the band gap engineering of the above-described aluminosilicate.
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