금속 산화물 반도체는 독특한 전기 광학적 특성, 높은 표면적 등으로 인해 태양전지, 센서, 광소자 및 디스플레이 등 여러 분야에 걸쳐 응용되고 있다. 금속 산화물 가운데 우수한 물리 화학적 특성을 가지는 산화아연은 3.37 eV의 넓은 밴드갭 에너지와 60 meV의 큰 엑시톤결합에너지를 갖는 n-형 반도체로서 산화아연에 양이온을 도핑하여 전기 광학적 특성을 보완하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 알루미늄이 도핑 된 산화아연을 마이크로파수열합성법으로 합성하였다. 전구체의 종류와 몰 비 등의 반응 변수를 조절하여 최적의 결정형상과 광학적 특성을 갖는 산화아연을 합성하였으며, 알루미늄을 도핑하여 광학적 특성 변화를 시도하였다. 합성된 입자는 SEM, XRD, PL, UV-Vis 분광기 및 EDS 등의 기기분석을 통해 광학적, 물리 화학적 특성을 확인하였다.
금속 산화물 반도체는 독특한 전기 광학적 특성, 높은 표면적 등으로 인해 태양전지, 센서, 광소자 및 디스플레이 등 여러 분야에 걸쳐 응용되고 있다. 금속 산화물 가운데 우수한 물리 화학적 특성을 가지는 산화아연은 3.37 eV의 넓은 밴드갭 에너지와 60 meV의 큰 엑시톤 결합에너지를 갖는 n-형 반도체로서 산화아연에 양이온을 도핑하여 전기 광학적 특성을 보완하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 알루미늄이 도핑 된 산화아연을 마이크로파 수열합성법으로 합성하였다. 전구체의 종류와 몰 비 등의 반응 변수를 조절하여 최적의 결정형상과 광학적 특성을 갖는 산화아연을 합성하였으며, 알루미늄을 도핑하여 광학적 특성 변화를 시도하였다. 합성된 입자는 SEM, XRD, PL, UV-Vis 분광기 및 EDS 등의 기기분석을 통해 광학적, 물리 화학적 특성을 확인하였다.
Metal oxide semiconductors have been applied in several areas, such as solar cells, sensor, optical elements and displays, due to the high surface area, unique electrical and optical characteristics. Zinc oxide among the metal oxide has excellent physicochemical properties. Zinc oxide is a n-type se...
Metal oxide semiconductors have been applied in several areas, such as solar cells, sensor, optical elements and displays, due to the high surface area, unique electrical and optical characteristics. Zinc oxide among the metal oxide has excellent physicochemical properties. Zinc oxide is a n-type semiconductor with a wide direct transition band gap of 3.37 eV at room temperature and large exciton binding energy of 60 meV. Cation-doped zinc oxide studies were conducted to complement the electrical and optical characteristics. In this paper, Al-doped ZnO was synthesized by hydrothermal synthesis using microwaves. ZnO was synthesized by adjusting the precursor ratio and using different dopants. The optimal ZnO synthesis conditions for crystal shape and optical properties were determined. The optical properties of aluminum doped zinc oxide were then examined by SEM, XRD, PL, UV-vis absorbance spectrum, and EDS.
Metal oxide semiconductors have been applied in several areas, such as solar cells, sensor, optical elements and displays, due to the high surface area, unique electrical and optical characteristics. Zinc oxide among the metal oxide has excellent physicochemical properties. Zinc oxide is a n-type semiconductor with a wide direct transition band gap of 3.37 eV at room temperature and large exciton binding energy of 60 meV. Cation-doped zinc oxide studies were conducted to complement the electrical and optical characteristics. In this paper, Al-doped ZnO was synthesized by hydrothermal synthesis using microwaves. ZnO was synthesized by adjusting the precursor ratio and using different dopants. The optimal ZnO synthesis conditions for crystal shape and optical properties were determined. The optical properties of aluminum doped zinc oxide were then examined by SEM, XRD, PL, UV-vis absorbance spectrum, and EDS.
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제안 방법
4. 마이크로파 수열합성법을 통하여 짧은 시간에 간단한 방법으로 알루미늄이 도핑 된 산화아연 입자를 합성하였다. 자외선 가시광선 분광법과 광 발광측정 분석 결과 광학적 특성의 최적 조건은 질산아연 육수화물과 헥사메틸렌테트라민의 비율이 5:1 일 때, 알루미늄이 5 wt%가 되도록 첨가하는 것이다.
마이크로파를 이용한 수열합성법으로 알루미늄이 도핑 된 산화아연 입자를 합성하였고, 합성에 사용된 전구체의 종류와 전구체의 비율, 도핑 된 알루미늄 양 등의 변수에 따른 특성에 따라 분석된 결과를 통해 다음과 같은 결론을 낼 수 있었다.
, Japan)를 이용하고, 광 흡수 특성을 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, SCINCO, Korea)를 사용하여 각각의 흡수 파장과 흡광도를 측정하였다. 발광 특성을 알아보기 위해 광루미네선스 (Optical Spectrum Analyzer, Optical Spectrum Analyzer, Fluoro Mate FS-2, SCINCO, Korea)를 통해 분석을 실시하였다.
본 논문에서 마이크로파 수열합성법을 이용하여 알루미늄이 도핑 된 산화아연 입자를 합성하였다. 전구체로 질산아연과 아세트산아연을 이용하였으며 수산기의 제공과 침전제로 헥사메틸렌테트라민을 사용하여 합성하였다.
알루미늄이 도핑 된 산화아연 입자의 형상을 확인하기 위해 주사 전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope, Model LEO-1530FE, Hitachi Co., Japan)을 이용하였다. 합성된 물질의 결정성은 X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometor, Model D8 Discover with GADDS, Bruker AXS.
알루미늄이 도핑된 산화아연은 동일한 실험방법 하에서, 질산알루미늄 구수화물을 아연대비 1, 3, 5, 7, 10 wt%가 되도록 조절하고 아연 전구체 용액에 헥사메틸렌테트라민과 동시에 첨가하여 합성하였다.
, Japan)을 이용하였다. 합성된 물질의 결정성은 X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometor, Model D8 Discover with GADDS, Bruker AXS., USA)로 분석하였고 그 결과는 JCPDS (Joint Commitee on Powder Diffaction Standards) 카드를 이용하여 확인하였다. 합성물의 구성 원소를 확인하기 위해 원소분석기(Energy Dispersive Spectroscopy Mapping, S-2500C, hitachi Co.
전구체로 질산아연과 아세트산아연을 이용하였으며 수산기의 제공과 침전제로 헥사메틸렌테트라민을 사용하여 합성하였다. 합성된 입자를 자외선 가시광선 분광기와 광루미네선스를 사용하여 분석 한 뒤 자외선 영역에서 가장 높은 값을 갖는 입자의 조건을 찾고, 이 조건에서 알루미늄을 도핑하여 광학적 특성 변화를 확인하였다.
, USA)로 분석하였고 그 결과는 JCPDS (Joint Commitee on Powder Diffaction Standards) 카드를 이용하여 확인하였다. 합성물의 구성 원소를 확인하기 위해 원소분석기(Energy Dispersive Spectroscopy Mapping, S-2500C, hitachi Co., Japan)를 이용하고, 광 흡수 특성을 확인하기 위해 자외선 가시광선 분광기 (UV-vis Spectrophotometer, PDA UV 3100, SCINCO, Korea)를 사용하여 각각의 흡수 파장과 흡광도를 측정하였다. 발광 특성을 알아보기 위해 광루미네선스 (Optical Spectrum Analyzer, Optical Spectrum Analyzer, Fluoro Mate FS-2, SCINCO, Korea)를 통해 분석을 실시하였다.
대상 데이터
전구체로 질산아연 육수화물과 아세트산아연 이수화물 중 하나를 각각 증류수와 혼합하여 0.0025 ∼ 0.035 mol이 첨가된 용액 50 mL을 만들고, 헥사메틸렌테트라민 0.005 mol 이 포함된 50 mL의 용액을 각각 준비한다.
본 논문에서 마이크로파 수열합성법을 이용하여 알루미늄이 도핑 된 산화아연 입자를 합성하였다. 전구체로 질산아연과 아세트산아연을 이용하였으며 수산기의 제공과 침전제로 헥사메틸렌테트라민을 사용하여 합성하였다. 합성된 입자를 자외선 가시광선 분광기와 광루미네선스를 사용하여 분석 한 뒤 자외선 영역에서 가장 높은 값을 갖는 입자의 조건을 찾고, 이 조건에서 알루미늄을 도핑하여 광학적 특성 변화를 확인하였다.
성능/효과
(e) 모두 380 nm부근의 자외선과 550 ∼ 580 nm부근의 가시광선의 방출이 확인 할 수 있었으며, 380 nm부근의 자외선의 방출 피크가 높을수록 550 ∼ 580 nm부근의 가시광선 방출 피크는 낮아지는 경향이 보였다.
1. 합성한 입자의 SEM 분석 결과 아연이온이 증가할수록 헥사메틸렌테트라민의 영향이 커져 입자의 길이가 짧아지고 직경이 넓어지는 경향이 나타났으며, 질산아연이 아세트산아연보다 영향이 큰 것을 확인 하였다.
2. 알루미늄이 도핑 된 산화아연은 6.6 atom%의 알루미늄이 격자 내 아연 위치에 존재하여 결정구조의 변함이 없으며, EDS 분석 결과 아연의 양이 감소하고 산소의 양이 증가한 것을 확인 할 수 있었다.
3. 산화아연은 자외선 발광 피크가 높으면 결함에 의한 가시광선 피크가 낮아지나, 알루미늄이 5 wt% 도핑 된 경우 자외선 영역과 가시광선 영역의 피크가 모두 높은 것을 확인 할 수 있었다.
이는 질산 아연의 결과와 같으며 입자의 형성이 좋을수록 산화아연이 갖는 자외선 영역의 방출 피크가 강해지고, 결함에 의한 가시광선 영역의 방출 피크가 낮아지기 때문에 나타난다. 광 발광 측정 분석 결과 역시 자외선 가시광선 분광법 분석과 마찬가지로 아연이온의 비율이 증가할수록 광학적 특성이 우수해지나, 과량 공급되면서 광학적 특성이 낮아졌다.
먼저 자외선 영역의 결과 값을 보면 순수 산화아연인 (a)가 알루미늄이 도핑된 산화아연보다 상대적으로 높은 강도를 보이며, (b) ∼ (f)는 비슷한 강도의 피크가 나타난다. 다음으로 가시광선 영역의 방출 피크를 확인하면, 순수 산화아연이 가장 낮은 피크 강도를 보이며, 5개의 알루미늄 도핑 산화아연의 피크는 (Ⅰ)의 결과와 같은 경향성이 나타났다. 1에서 5 wt% 까지 방출 강도가 증가하는 이유는 Fig.
일반적으로 산화아연에 금속이온이 치환되면 고유흡수 피크 강도가 낮아지며, 이는 (a)와 알루미늄이 도핑된 (b) ∼ (f) 결과 값을 비교하여 확인 할 수 있었다. 도핑함량이 1에서 5 wt% 까지 증가할수록 흡수 피크가 증가하는 경향을 보이며 7 wt% 이후 10 wt% 까지 흡수 피크는 감소하는 것이 분석되었다. 알루미늄이 도핑 된 산화아연의 흡수 피크가 증가하는 이유는 결정격자 사이에 치환된 알루미늄이 산화아연의 광활성을 향상시키기 때문이며, 감소하는 이유는 치환된 금속 양의 증가로 구조 내 결함이 발생하여 알루미늄의 효과가 상쇄되기 때문이다[22].
알루미늄이 5 wt% 도핑 된 입자의 원소 분석 결과 아연이 20.4 atom%, 산소가 73.0 atom% 그리고 알루미늄이 6.6 atom%이며 무게로 환산하면, 아연 49.8 wt%, 산소 43.6 wt%, 알루미늄 6.6 wt%으로 나타났다. 이를 Fig.
(a)는 산화아연 대비 알루미늄의 양이 1 wt%로 가장 높은 강도의 피크가 나타나고, (b)는 5 wt%, (c)는 10 wt%로 도핑 된 알루미늄의 양이 증가할수록 피크의 강도가 약해지는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 도핑 된 알루미늄의 양이 증가 할수록 구조에는 영향을 끼치진 않으나, 산화아연의 결정성이 낮아지는 확인하였다.
이를 통해 헥사메틸렌테트라민을 사용하면 아연 이온의 양이 증가 할수록 입자의 직경이 증가하고, 길이가 감소하는 경향이 나타나며, 질산아연 전구체가 아세트산아연보다 이온농도의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
전구체의 양이 늘어날수록 0.1 ∼ 0.2 ㎛의 평균 직경의 증가와 길이 감소를 알 수 있었으나, 디스크 형이 나온 질산아연과 비교하여 헥사메틸렌테트라민의 영향이 적은 것을 확인 할 수 있다.
질산아연 전구체를 사용한 산화아연의 원소분석 결과를 보면 아연 64.5 wt%, 69.3 wt%의 질량비를 가지며, 원자비는 아연 30.7 atom%, 산소 69.3 atom%이다. 산화아연의 이론적 원자 비는 1:1이지만 합성한 입자의 아연과 산소의 비는 1:2.
이것은 전구체로 질산아연 육수화물을 사용했을 때와 같은 경향성을 갖고 있는 결과이다. 흡광도의 변화 폭이 질산 아연 육수화물과 비교하여 작으므로 아연이온의 증가에 따른 영향력이 작은 것을 확인하였다. 아세트산 아연의 광 발광 측정 결과(Ⅳ)를 확인하면 (a) ∼ (e) 모두 380 nm부근의 자외선과 550 ∼ 580 nm부근의 가시광선의 방출이 확인 할 수 있었으며, 380 nm부근의 자외선의 방출 피크가 높을수록 550 ∼ 580 nm부근의 가시광선 방출 피크는 낮아지는 경향이 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산화아연은 어디에서 사용되는가?
최근 전자·정보통신 산업의 급속한 발달로 금속 산화물 반도체의 광학적, 전기적 특성의 응용기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 금속 반도체 중 산화아연은 무독성, 물리적·화학적 안정성 및 광학적 특성 등으로 인해 안료, 촉매, 의약품 및 고무산업 등에 사용되어 왔으며, 최근에는 가스·바이오·화학센서 및 단파장 광학 기기와 같은 다양한 기능성 소재로 활용되고 있다. 특히 결정학적 특성이 이미 상용화된 질화갈륨(GaN)과 유사하여 LED의 소재 및 투명 전도성 산화물의 형태로 값비싼 투명전극재료의 대체물질로서 연구가 활발히 진행되고 있다[1,2].
산화아연의 가열방법에는 무엇이 있는가?
합성법은 열 증발법(thermal evaporation), 졸-겔법(sol-gel method), 수열합성법(hydrothermal method) 등 다양한 방법이 이용되고 있으며, 수열합성법은 첨가제의 용해가 쉽고 비교적 저온에서 산화아연을 합성 할 수 있다는 장점을 지닌다. 가열방법으로는 가스로나 전열로, 마이크로파 등을 이용하는 방법이 있다. 마이크로파를 이용한 합성법은 진동하는 극성 분자를 이용하여 에너지를 전달하는 것으로 마이크로파 에너지는 분자구조의 결합 에너지보다 낮기 때문에 구조에는 영향을 미치지 않고 금속 산화물 입자 형성을 촉진한다는 장점이 있어 연구가 활발히 진행되고 있다[8,9].
산화아연의 결정 결함 원인에는 어떤 것들이 있는가?
자외선 외의 관찰되는 가시광선 영역의 방출은 산화아연 내의 결정결함에 의한 것으로, 결정결함은 구조 내 이온의 결핍이나 불순물의 첨가로 발생한다. 결함의 원인에 따라 방출하는 가시광선의 영역이 변화하며, 각각의 결함 원인은 산소 공극, 아연 침입, 아연 원자 결함, 산소 원자 결함, 산소 원자 침입 등에 의한 것으로 알려져 있다[5].
참고문헌 (22)
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