다양한 금속을 첨가한 ZnO 분말의 전기적 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 Zn(NO₃)₂· 6H₂O와 염기를 출발 물질로 하여 sol-gel 방법으로 전도성 물질인 ZnO를 제조하였다. 열처리 온도와 다양한 불순물 첨가가 전기 전도성 향상에 미치는 영향을 알아보고, 반응 온도와 pH에 따른 입자 형성과 전기 전도성 변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 5.1. 열처리 과정과 Dopant 물질 첨가가 ZnO ceramics 의 전기 전도성에 미치는 영향 1. ZnO ceramics의 전기 전도성을 높여주기 위해서는 grain과 grain boundary의 저항을 최소화시켜야 하는데, grain의 저항은 하소 과정이, grain boundary 저항은 소결 과정이 야기 시킨다는 결론을 도출하였다. 하소 과정에서는 powder에서 발생하는 반응 가스가 모두 휘발되어 ZnO 고형물을 만들었을 때, grain의 저항을 최소화 시킬 수 있다. 고온에서 소결 과정을 거치면 입자들이 성장하여 grain boundary가 감소하고, 전기 전도도가 향상된다. 이때, 소결 온도가 높아질수록 전도성은 우수하였고, 1450℃에서는 pore가 완전히 제거되고, grain boundary 감소하였다. 2. 다양한 불순물(Al, Mn, Ni, Cu, Co) 1%를 ZnO 에 첨가하였더니, grain boundary의 저항에 차이가 생겼고, 이는 곧 전체 전기 전도성 차이를 유도하였다. 그 중 Al을 도핑한 ZnO (AZO)는 Al이 소결제 역할을 하여 낮은 온도에서 소결 효과가 증가하여 우수한 전도성을 나타내었다. 5.2. 반응 조건에 따른 Al-doped ZnO ceramics 의 결정 형상 변화와 전기 전도성에 미치는 영향 1. 3% Al-doped ZnO (AZO)를 합성에서 반응 온도와 pH의 변화는 입자 모양뿐만 아니라 마이크로에서 나노에 이르기까지 입자크기도 자유롭게 조절 할 수 있었다. 116℃에서 pH 13.20의 반응 조건에서 나노 크기의 판상형 AZO를 얻었다. 2. 하소 과정만 거친 AZO는 반응 조건에 따라 전도성 변화가 나타났으나, 소결하게 되면 입자들이 성장하여 접합면인 grain boundary가 감소하게 된다. 따라서 입자 모양과 크기에 관계없이 전체 전기 전도도의 차이가 없어진다.

The various elements doped into ZnO have been reported to affect the electrical and optical properties of ZnO particles. Thus ZnO has attracted attention as alternative materials to tin oxide and indium tin oxide. Among various doped ZnO, aluminum-doped ZnO (AZO) nanoparticles have been one of the most intensively studied materials due to their versatile optoelectronic applications. However, most of the studies have been focused on coating AZO on film. Thus we are aimed at preparing AZO powder which can be used much more various industries such as pigment, insulating material, solar cell, anti-static and shielding to electromagnetic waves. In this research, we prepared various metals doped ZnO to increase electrical conductivity and nanostructured AZO powders by changing the reaction conditions. Then we studied their physical, electrical and optical properties. It was found that the proper heat-treatment affects electrical conductivity of the ZnO powders and reaction temperature and pH change the morphology of the particles.