전도성 Al-ZnO (AZO) 나노입자의 광경화 투명 코

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Applied Chemistry,

Vol. 14, No. 2, October 2010, 13-16

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전도성 Al-ZnO (AZO) 나노입자의 광경화 투명 코전도성 Al-ZnO(AZO) 나노입자의 광경화 투명 코팅

김현종⋅신치호⋅문정호⋅한명근⋅임병태*⋅신태욱*

한국생산기술연구원, *SBC(주)

Transparent Coating of Conductive Al-doped ZnO Nanoparticle

Hyun-Jong Kim⋅Chi-ho Shin⋅Jung-Ho Moon⋅M. K. Han⋅B. T. Lim*⋅T. W. Shin*

Korea Institude of Industrial Technology, *SB Chemical Co,.LTD

Abstract

Al-doped ZnO (AZO) nanoparticle was synthesized with the size of 100 nm and the sheet resistance of 445 kΩ/□ by polyol precess. The synthesized AZO nanoparticle was directly dispersed in iso-propyl alcohol to form a homogeneous solution. Then, it was mixed with photocurable acrylate monomer which was act as the both of binder and stabilizer, when the AZO was coated on the slide glass, it showed better transparency and conductivity than commercial one.

1. 서 론

산화아연은 II-VI족의 화합물반토체로서 3.37 eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있으며, 광학적, 전기적 특성이 뛰어나 많은 응용분야에 활용되고 꾸준히 연구되는 소재이다. 산화아연을 합성하는 많은 방법 중 액상법으로는 솔-젤법, 수열합성법, 폴리올법, 올레이트법 등 다양한 방법이 존재한다.

최근의 산화아연 도핑에 관한 연구는 Zn²⁺이온보다 높은 결합가를 가지고 있는 Ga, Al 그리고 In과 같은 전이금속 도펀트가 이용되고 있다. 일반적으로 ZnO에 Al이 도핑되면 ZnO의 고유물성 이외에 전도성 및 적외선을 흡수하는 특성을 띄는 것으로 보고되고 알려져 있다. 본 연구에서는 전도성이 우수하면서 자외선 차단 효과가 있는 나노 분말을 개발하여 고형분 함량이 높은 분산졸 형태로 열경화 및 광경화 바인더와 혼합하여 유리기판에 코팅하였다.

2. 실 험

아연 전구체로는 Zn(CH3COO)2⋅2H2O를 사용하였으며, 용매는 diethylene glycol (DEG)을 이용하였다. 알루미늄 전구체는 AlCl3⋅6H2O를 사용하여 도핑을 실시하였다. DEG에 Zn(CH3COO)2⋅ 2H2O와 AlCl3⋅6H2O를 100℃에서 1시간 용해시켰다. 그 후 160℃에서 15시간 동안 반응을 진 행하여 AZO를 합성하였다. 에탄올을 세척용매로 원심분리과정을 통해 2∼3회 세척한 후 건조하여 분말을 수거하였다. 분산용매로는 알콜류인 IPA, MeOH, EtOH, BuOH, DAA를 사용하여 분산성을 관찰하였다. 분산방법으로는 교반과 초음파 분산을 병행하여 진행하였다. 이 후 실리콘계와 아크 릴계 바인더를 첨가하여 유리기판에 코팅하였다.

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3. 결과 및 토론

Fig. 1은 본 연구에서 합성한 AZO의 Al 농도별 입자크기 및 표면저항이다. 코팅용액 제조에 사용 된 3%

AZO의 입자크기는 100 nm이며, 표면저항은 445 kΩ/□ 이다. Al 농도 증가에 따른 입자크기 변화의 경향 성은 없었으나, 표면저항은 Al의 농도가 5%로 증가할 때까지는 작아지면서 이후로는 다시 커지는 경향을 확인하였다. Al 전구체가 입자크기에 영향을 미치지는 않으나 전구체의 H2O가 표면저항에 영향을 미치는 것으로 보인다. 10만 배의 SEM 이미지로 1차 입자의 크기는 10∼20 nm 크기이나 2차입자로 응집되면서 클러스터 형태가 되었음을 확인하였다.

(a) AZO의 입자크기 및 전도도 (b) AZO의 SEM 이미지

Fig. 1. 알루미늄 농도에 따른 AZO의 입자크기 및 전도도(a), SEM 이미지(b).

코팅용액 제조에 있어 용매의 종류에 따른 분산성을 Fig. 2에 표시하였다. 침강거리는 MeOH의 경우 30분 이 경과하면서 침강되는 것이 관찰되었으나, IPA는 24시간이 경과해도 큰 차이를 보이지 않았다. 표면저항 역시 분산성의 이유로 IPA에 분산하였을 때, 가장 작게 측정되는 것으로 관찰되었다. 이것으로 분산 용매로는 IPA가 가장 적합하다고 판단하였다.

Fig. 2. 용매의 종류에 따른 침강거리의 변화.

Fig. 3은 아크릴계와 실리콘계 바인더를 첨가하여 분산상태의 변화를 관찰한 그림이다. 실리콘계 바인더는 시간이 지나면서 겔화가 진행되는 것으로 확인되었으나, 아크릴계 바인더는 침강거리의 변화가 없이 일정한 분산상태를 유지하였다. 이는 아크릴계 바인더가 바인더이자 분산제로 작용하여 분산성을 향상시키기 때문이다.

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Fig. 3. 바인더 종류에 따른 침강거리의 변화.

상용 AZO (H사)와 본 연구에서 합성한 AZO (KITECH)의 코팅 후 표면저항 및 투과성을 Fig. 4에 비교 하였다. 상용 AZO는 본 연구에서 합성한 AZO에 비해 아크릴계 바인더와 혼합되었을 때, 분산성이 떨어졌 으며, H사에서 자체적으로 분산시킨 에폭시계열 바인더를 이용하여 코팅하였을 때의 표면저항 역시 아크릴계 바인더를 사용한 AZO (KITECH)에 비해 높게 측정되었다. 고형분 10%의 함량에서 상용 AZO (H사)는 10¹⁰kΩ/□ 인 반면, 본 연구에서 합성한 AZO (KITECH)는 10²kΩ/□ 이었다. H사의 상용 AZO는 고형분의 함량이 30%가 되더라도 10⁴kΩ/□ 수준이었다. 또한 투과성 역시 본 연구에서 합성한 AZO (KITECH)를 사용한 코팅샘플의 투과성이 월등하게 우수하였다.

(a) 유리기판 코팅 후 표면저항 (b) 유리기판 코팅 후 투과성 비교 Fig. 4. 상용 AZO(H사)와 AZO(KITECH)의 코팅 후 표면저항(a) 및 투과성(b).

4. 결 론

본 연구에서는 Zn(CH3COO)2⋅2H2O와 AlCl3⋅6H2O, DEG를 이용하여 전도성 Al-ZnO를 합성 하였다. 투명 코팅을 위해 알코올류의 용매로 분산성을 확인하였으며, IPA가 가장 적합함을 확인 하였다. 바인더는 바인더와 분산제의 역할을 동시에 작용하는 아크릴계 바인더와 혼합하였을 때

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표면저항이 작게 측정되었다. 또한 아크릴계 바인더를 사용하여 유리기판에 코팅하였을 때 상용 AZO (H사)에 비해 투명성을 확보할 수 있었다.

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