[논문]분무열분해법(Spray Pyrolysis)에 의한 알루미늄 산화물과 보론 산화물이 함께 도핑된 산화아연(AZOB: <tex>$Al_2O_3$</tex> and <tex>$B_2O_3$</tex> Co-doped Zinc Oxide)의 분말 제조에 대한 연구

김상헌

doi:10.12925/jkocs.2014.31.4.731

초록
AI-Helper

투명 전도성 산화물로서 알루미늄과 붕소가 함께 도핑된 아연산화물(AZOB)이 $900^{\circ}C$에서 분무 열분해법에 의해 제조되었다. 얻어진 마이크론 크기의 AZOB 분말은 알루미늄, 붕소 및 아연의 수용액으로부터 얻어진다. 분무 열분해로 얻어진 마이크론 크기의 AZOB 분말은 $700^{\circ}C$에서 두 시간동안의 후 소성 과정과 24 시간 동안의 볼 밀링을 통해 나노 크기의 AZOB으로 변환된다. AZOB을 구성하는 일차 입자의 크기를 Debye-Scherrer 식에 의해 계산하였고 압축된 AZOB 펠렛의 표면 저항을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aluminum and boron co-doped zinc-oxide(AZOB) powders as transparent conducting oxide(TCO) were prepared by spray pyrolysis at $900^{\circ}C$. The micron-sized AZOB particles were prepared by spray pyrolysis from aqueous precursor solutions for aluminium, boron, and zinc. The micron-sized ...

Aluminum and boron co-doped zinc-oxide(AZOB) powders as transparent conducting oxide(TCO) were prepared by spray pyrolysis at $900^{\circ}C$. The micron-sized AZOB particles were prepared by spray pyrolysis from aqueous precursor solutions for aluminium, boron, and zinc. The micron-sized AZOB particle after the spray pyrloysis underwent post-heat treatment at $700^{\circ}C$ for 2 hours and it was changed fully to nano-sized AZOB particle by ball milling for 24 hours. The size of primary AZOB particle by Debye-Scherrer Equation and surface resistance of AZOB pellet were measured.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

두 개의 금속이 도핑된 ZnO는 단일 금속이 도핑된 ZnO 보다 가시광선 영역에서의 투명성이 우수하기 때문에 광학 디바이스 용도에 사용이 증대되고 있다[7-13]. 본 연구는 두 개의 금속이 도핑된 ZnO로서 Al₂O₃와 B₂O₃가 도핑된 ZnO(AZOB)를 Al₂O₃와 B₂O₃의 양의 변화를 주어 분무열분해법, 후소성 및 습식 볼밀링에 의해 합성하고 합성된 AZOB 분말의 SEM 이미지에서의 모폴로지 변화와 Debye-Scherrer 식에 의한 결정면 크기의 변화 및 전기적 특성을 조사하고자 하였다.

제안 방법

XRD Pattern 중 2θ=36.2°를 특성 피크로 이용하여 1차 입자의 크기 계산하였다.
ZnO의 성분비를 98 wt %와 Al2O3 및 B2O3의 성분비 합을 2 wt %로 고정하였다.
➀ Zn(NO3)2의 수용성 전구체를 0.5 M 농도가 되도록 250 mL 수용액에 녹인 후 도핑제(dopant)인 Al(NO3)3와 H3BO3 같은 수용성 전구체를 Al2O3과 B2O3가 최종 생성물인 AZOB에서 2 wt % 되도록 첨가하여 증류수 250mL에 녹여 금속염 수용액을 제조한다.
3) XRD(X-Ray Diffractometer) 분석

분무열분해법에 의해 생성된 분말의 성분 및 화학 구조를 확인하고자 XRD(Rigaku, DMAX2500PC)를 이용하여 측정하였다. 분석에는 Cu/Kα-1선을 이용하였으며, 2θ는 20°∼80°까지 분석하였다.
2) SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석

분무열분해법에 의해 생성된 분말의 표면의 모습, 입자 크기, 입자 모양 등의 형태적 특성을 분석하고자 SEM(JEOL-JSM 6390)분석기기로 가속전압은 20 kV, spot size는 30 nm, working distance는 10~15 ㎚, 필라멘트는 텅스텐을 사용하여 측정하였다.
4) 면저항 측정 분석

분무열분해법에 의해 합성한 AZOB 분말을 동전모양의 tablet 형태로 만들어 면저항을 측정하기 위하여 4-point probe 전기저항 측정기(Mitsubishi, Loresta-GP MCP-T610)를 이용하여 측정하였다.
분석에는 Cu/Kα-1선을 이용하였으며, 2θ는 20°∼80°까지 분석하였다.
아연 질산염[Zn(NO3)2]을 증류수에 녹여 250 mL 수용액을 나머지 Al(NO3)3, 및 H3BO3 같은 수용성 전구체를 Al2O3과 B2O3가 AZOB에서 2 wt % 되도록 첨가하여 AZOB 전구체 용액을 제조하였다.

대상 데이터

7 MHz이다. 반응기 내의 석영관의 길이는 1200 ㎜, 내경은 44 ㎜인 것을 사용하였다.
분무열분해법을 이용한 나노 금속 산화물 AZOB의 제조를 위하여 Zn(NO3)2·6H2O (98.0％, Aldrich), Al(NO3)3·9H2O(98.0%, Aldrich)와 H3BO3 (99.5%, Aldrich)를 사용하였다.
이렇게 준비된 전구체 용액들을 초음파 분무장치를 이용하여 마이크론 크기의 액적으로 발생시켰으며, 반응로에서 열분해시켜 Al2O3 및 B2O3의 성분비 합이 2 wt %인 AZOB 분말을 얻었다.

이론/모형

2 wt % 범위 내에서 증가시키면 솜털과 니들 모양의 B₂O₃가 ZnO에 치밀성을 가지고 도핑되며, 후소성 후 습식 볼 밀링을 하면 효과적인 볼 밀링이 일어난다. 얻어지는 AZO 혹은 AZOB 일자 입자의 크기를 Debye-Scherrer 공식을 이용하여 계산하였다. AZOB에서 B₂O₃의 wt %의 첨가량을 증가시키면 일차입자의 크기는 sample #3(ZnO wt %:Al₂O₃wt %:B₂O₃wt %=98:1.
후소성 후 습식 볼밀링으로 얻어진 응집된 AZOB 분말을 구성하는 1차 입자의 크기를 Debye-Scherrer 공식을 이용하여 계산하였다. XRD Pattern 중 2θ=36.

성능/효과

분무열분해에 의해 얻어진 AZO 분말은 대부분 크기가 큰 마이크론 크기의 AZO이었고 다공성을 가진 치밀하지 않은 구조를 가짐을 Figure 1(a)에서 알 수 있고 700℃에서 후소성을 하고 습식 볼밀링 공정을 거치면 Figure 1(b)에서 볼 수 있듯이 나노 크기의 AZO로 쉽게 전환됨을 알 수 있다. 마이크론 크기의 다공성 AZO에 대해 후 소성 후 습식 볼 밀링에 의해 효과적인 볼 밀링이 일어났음을 알 수 있었다.
분무열분해에 의해 얻어진 AZOB 분말은 대부분 크기가 큰 마이크론 크기의 AZOB이었고 700℃에서 후소성을 하고 습식 볼밀링 공정을 거치면 Figure 4(b)에서 볼 수 있듯이 나노 크기의 AZOB으로 쉽게 전환됨을 알 수 있다. 마이크론 크기의 치밀성이 많이 증대된 AZOB에 대해 후소성 후 습식 볼 밀링에 의해 효과적인 볼 밀링이 일어났음을 알 수 있었다.
분무열분해에 의해 얻어진 AZOB 분말은 대부분 크기가 큰 마이크론 크기의 AZOB 이었고 700℃ 에서 후소성을 하고 습식 볼밀링 공정을 거치면 Figure 3(b)에서 볼 수 있듯이 나노 크기의 AZOB으로 쉽게 전환됨을 알 수 있다. 마이크론 크기의 치밀성이 약간 증대된 AZOB에 대해 후 소성 후 습식 볼 밀링에 의해 효과적인 볼 밀링이 일어났음을 알 수 있었다.
분무열분해에 의해 얻어진 AZOB 분말은 대부분 크기가 큰 마이크론 크기의 AZOB 이었고 솜털 혹은 니들 모양의 B₂O₃가 ZnO 표면 위에 도핑되어 치밀하지 않은 구조를 가짐을 Figure 2(a)에서 알 수 있고 700℃에서 후소성을 하고 습식 볼밀링 공정을 거치면 Figure 2(b)에서 볼 수 있듯이 나노 크기의 AZOB으로 쉽게 전환됨을 알 수 있다. 마이크론 크기의 치밀하지 않은 구조를 가지는 AZOB에 대해 후소성 후 습식볼 밀링에 의해 효과적인 볼 밀링이 일어났음을 알 수 있었다.
2)에 대해서는 증가하였다. 이로부터 AZOB의 최적의 조성이 ZnO wt %:Al₂O₃wt %:B₂O₃wt %=98:1.2:0.8으로서 이러한 조성에서 AZOB의 일차입자의 크기가 최소이고 표면저항이 최소임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO가 LCD의 코팅 막으로 사용된 이유는?	특히 LCD에 사용되는 투명전극은 비저항이 1x10-3 Ω/cm 이하, 면저항이 103 Ω/sq이하로 전기전도성이 우수하고 380 nm에서 780nm의 가시광선 영역에서 투과율이 80% 이상이라는 두가지 성질을 만족하는 물질이다. 이러한 TCO재료 중 ITO는 가시광선 영역의 스펙트럼에서 높은 투과율과 낮은 저항을 나타내어 LCD의 구조적, 기능적 코팅 막으로 사용되어 왔다. 최근 정보화시대에 들어서면서 급격한 산업화에 의한 화석에너지의 고갈과 환경문제에 대한 해결방안으로 신·재생에너지 개발에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
	투명 전도막으로 ITO를 사용할 때의 문제점은?	대표적인 투명 전도막으로 주석이 도핑된 인듐산화물(indium tin oxide, ITO)이 주로 사용되고 있다. 그러나 ITO의 경우 광학적 성질과 전기적 특성이 우수하나 수소 플라즈마에 노출되면 환원에 의한 열화가 발생되는 문제가 있고 원료 물질인 인듐의 경우 희토류에 속하는 물질이라 고가인 단점이 있다. 또한 독성, 저온증착의 어려움, 스퍼터링 시 음이온 충격에 의한 막 손상으로 저항의 증가와 같은 단점을 지니고 있다. 이러한 ITO의 단점을 보완할 수 있는 새로운 재료로 SnO2나 ZnO에 적절한 불순물을 첨가한 물질들에 대한 연구가 진행 중이며 최근에는 ZnO 계열이 플라즈마 내에서 화학적 안정성이 더 우수한 것으로 보고되고 있다[1,2].
	ITO는 무엇인가?	ITO(indium tin oxide)는 투명하면서 전기가 통하는 투명 전도성 산화물[transparent conducting oxide(TCO)]중의 대표적인 물질이다. 모든 디스플레이어에서 필요한 것이 아니라 매트릭스 방식으로 구동되는 PDP(plasma display panel), LCD(liquid crystal display)등의 얇고 편평한 디스플레이에 사용된다.

참고문헌 (13)

M. Chen, Z. L. Pei, X. Wang, C. Sung, and L. S. Wen, "Structural, electrical, and optical properties of transparent conductive oxide ZnO : Al films prepared by dc magnetron reactive sputtering", J. Vac. Sci. Technol., 19(3), 963 (2001)

상세보기
H. D. Ko, W. P. Tai, K. C. Kim, S. H. Kim, S. J. Suh, and Y. S. Kim, "Diluted magnetic semiconductor properties of Zn1-xCoxO: 1 at % Al thin films prepared by pulsed DC magnetron sputtering", J. Cryst. Growth, 277, 352 (2005)

상세보기
M. Purica, E. Budianu and E. Rusu, "ZnO thin films on semiconductor substrate for large area photodetector applications", Thin Solid Films, 383, 284 (2001)

상세보기
S. H. Jeong, J. W. Lee, S. B. Lee, and J. H. Boo, "Deposition of aluminum-doped zinc oxide films by RF magnetron sputtering and study of their structural, electrical and optical properties", Thin Solid Films, 435, 78 (2003)

상세보기
Andreas Stadler, "Transparent Conducting Oxides An Up To Date Overview, Materials", 5, 661 (2012)

상세보기
S. Fay, J. Steinhauser, N. Oliveira, E. V. Sauvain, and C. Ballif, "Opto-electronic properties of rough LP-CVD ZnO:B for use as TCO in thin-film silicon solar cells", Thin Solid Films, 515, 8558 (2007)

상세보기
I. Sorara, D. Saygin-Hinczewskib, M. Hinczewskic, and F. Z. Tepehan, "Optical and structural properties of Si-doped ZnO thin films", Applied Surface Sci., 38, 2335 (2009)
P. Nunes, E. Fortunato, and R. Martins, "Influence of the post-treatment on the properties of ZnO thin films", Thin Solid Films, 383, 277 (2001)

상세보기
J. Lee, D. Lee, D. Lim, and K. Yang, "Structural, electrical and optical properties of ZnO:Al films deposited on flexible organic substrates for solar cell applications", Thin Solid Films, 515, 6094 (2007)

상세보기
A. Mosbah, and M. S. Aida, "Influence of deposition temperature on structural, optical and electrical properties of sputtered Al doped ZnO thin films", J. Alloys and Compounds, 515, 149 (2012)

상세보기
S. H. Jung, S. M. Kong, and C. W. Chung, "Influence of Heat Treatment on the Structural, Electrical and Optical Properties of Aluminum-Doped Zinc Oxide Thin Films Prepared by Magnetron Sputtering", Current Photovoltaic Res., 1(2), 97 (2013)
A. P. Roth, J. B. Webb, and D. F. Williams, "Absorption edge shift in ZnO thin films at high carrier densities", Solid State Commun., 39, 1269 (1981)

상세보기
X. Chen, W. Guan, G. Fang, and X. Z. Zhao, "Influence of substrate temperature and post-treatment on the properties of ZnO:Al thin films prepared by pulsed laser deposition", Appl. Surf. Sci., 252, 1561 (2005)

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

3) XRD(X-Ray Diffractometer) 분석

2) SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석

4) 면저항 측정 분석

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

3) XRD(X-Ray Diffractometer) 분석

2) SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석

4) 면저항 측정 분석

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김상헌 (29)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper