Recently, transparent electrodes have been widely used for optoelectronic devices such as displays, solar cells. The transparent electrodes are required to have transparency > 80% in visible light range (400~700nm) and the resistivity of ~10-3Ωcm for flat panel displays. Currently, indium tin oxide (ITO) has been mainly used for transparent electrode. However, Indium is limited in supply and expensive since it is a rare earth element and the demand is increasing. It also has brittle and fracture problem on flexible substrate. Thus, several researches have been studied for alternative materials of ITO. For example, metal nanowire, CNT, graphene, and metal oxide nanofibers. Among these materials, ZnO is one of promising alternative material of ITO due to close match of bandgap energy. In a previous report, Al??doped ZnO(AZO) nanofibers photoanode based on DSSC was reported to have a higher efficiency than that of an undoped ZnO nanofibers (0.05% to1.34%) due to less charge recombination with fast electron transport. However, Al doping is limited to ZnO due to solubility limit of Al. Lee et al., found the resistivity of Aluminum and Gallium doped ZnO (AGZO) thin films (2.14 x 10-3 Ωcm) was lower than AZO thin films (6.40x10-3 Ωcm) [7]. Al and Ga doping can improve the conductivity of ZnO film. Thus we demonstrated that Al and Ga doped ZnO nanofibers using electrospinning technique. This study aim to use Al and Ga co-doping in synthesizing ZnO nanofibers using electrospinning technique which can synthesize high aspect ratio one-dimensional 1D nanostructure with low cost. The co-doped ZnO nanofibers were characterized by SEM to examine the morphology, XPS to examine oxygen binding of doping elements and EDS to determine the composition.
현재 투명전극은 태양전지, 디스플레이, 터치 스크린 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 최근의 산업 분야에서 요구되는 투명전극은 유연한 디바이스에 적용 가능한 투명한 투명전극이 요구되고 있다. ITO는 현재 투명전극 재료로 가장 많이 사용되고 있는 재료이지만 ITO의 주재료인 인듐의 가격이 상승하기 때문에 ITO의 대체 재료에 대한 요구가 증가하고 있다. 주로 연구되는 재료로는 금속 나노선 투명전극, 금속 산화물 투명전극 등이 연구되고 있다. 이러한 투명전극 재료 중에서 금속 산화물 투명전극의 경우 도핑을 통한 밴드에너지를 조절할 수 있어서 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 이 중 ZnO와 알루미늄이 도핑된 ZnO를 전기 방사 시스템을 이용하여 염료 감응형 태양전지의 연구가 수행되었다. 알루미늄 도핑된 ZnO 나노 파이버는 도핑되지 않은 ZnO에 비해 빠른 전기전도 특성으로 인해서 charge recombination을 줄여주어서 에너지 효율을 증가 시켰다. 전기방사 시스템은 외부에서 걸어준 고전압을 통해 일차원의 나노구조를 제작하는 기술이다. 전기방사 시스템은 현재 바이오 엔지니어링, 광학 및 전자 산업 분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 전기 방사시스템을 이용한 나노파이버는 1차원의 나노 구조를 다른 합성 방법에 비해 상대적으로 쉽고 값싸게 만들수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 1차원 나노구조는 한방향의 전기적 방향을 가지고 있어서 우수한 전기적 특성을 보이고 있으며, 우수한 광투과도를 지니고 있다. 기존의 보고된 연구중 갈륨을 도핑할 경우 전기전도도가 증가한다는 결과를 나타내었다. 따라서 전기 방사 시스템을 이용한 알루미늄, 갈륨 도핑을 통하여 기존의 알루미늄 도핑된 ZnO 나노 파이버으 전기적 특성을 향상시킨 투명전극을 제작하였다.
전기 방사 방법으로 합성된 나노파이버를 SEM으로 표면을 관찰하였으며 EDS를 통해 도핑된 상태를 확인하였다. 또한 EDS를 통하여 절대적인 정량분석은 정확하지 않지만 대략적인 도핑재료의 정량 분석을 하였다. 하지만 갈륨과 아연의 에너지 Kα 에너지 차이가 작기 때문에 XPS를 이용하여 갈륨의 도핑 상태를 파악하였다. 또한, XPS의 composition분석 방법을 이용하여 정량 분석을 하였다. 도핑된 ZnO의 구조를 파악하여 도핑된 ZnO의 나노 파이버의 구조를 확인하였다. 마지막으로 전기적 특성 평가를 통해서 알루미늄과 갈륨이 도핑된 나노파이버의 전기적 특성의 변화를 확인하였다. 이번 연구를 통하여 알루미늄과 갈륨이 함께 도핑된 나노파이버의 합성으로 ITO를 대체하기 위한 ITO 투명전극의 대체 재료로서의 가능성을 보였다.
