탄소 동소체는 탄소 원소로만 구성되어 있지만 구조 또는 배열이 달라 서로 다른 특성을 가지고 있는 물질을 말한다. 그 종류로는 흑연(graphite), 다이아몬드(diamond), 풀러렌(fullerene), ...
탄소 동소체는 탄소 원소로만 구성되어 있지만 구조 또는 배열이 달라 서로 다른 특성을 가지고 있는 물질을 말한다. 그 종류로는 흑연(graphite), 다이아몬드(diamond), 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) 및 그래핀(graphene) 등이 있다. 이외에도 탄소나노튜브의 합성 도중에 발견된 탄소나노월(carbon nanowall; CNW)이 있다. 이 중에서 탄소나노튜브와 그래핀은 우수한 종횡비, 전기 전도도, 기계적 강도 및 넓은 표면적을 가지고 있기 때문에 센서 연구에서 전기 재료로 많이 활용 되고 있다. 그에 비해 탄소나노월은 다수의 그래핀 층이 기판에 수직으로 성장한 구조를 가지고 있는 탄소 동소체로 넓은 표면적, 우수한 기계적 강도 및 전기 전도도를 가지고 있음에도 불구하고, 두 재료에 비해 센서 연구에 활용되지 못하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 탄소나노월의 활용성에 초점을 두고 스트레인 센서(strain sensor)를 제작하여 구조와 성능 분석 연구를 진행하였다. 스트레인 센서의 제작에는 RF(Radio Frequency) magnetron sputter와 Microwave PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon)가 사용되었다. RF magnetron sputter를 이용하여 SiO2 절연막과 IDE(Interdigitated Electrode)형 구리 전극막을 증착하였다. 감지막으로 활용될 탄소나노월은 Microwave PECVD를 이용하여 성장시켰으며, 반응 가스(gas)로 메탄(CH4)과 수소(H2)가 사용되었다. 제작된 스트레인 센서의 구조적 특성을 분석하기 위해 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope), SPM(Scanning Probe Microscopy) 및 라만 분광법(raman spectroscopy)을 사용하였다. FE-SEM을 통하여 탄소나노월 감지막의 단면과 표면을 분석하였고, SPM을 이용하여 IDE형 구리 전극막의 구조를 확인하였다. 그리고 라만 분광법을 이용하여 탄소나노월의 성장과 ID/IG에 의한 결정질을 확인하였다. 이후, 제작된 스트레인 센서의 감도, 저항 변화 및 V-I 특성 곡선을 구하여 센서의 성능 분석을 수행하였다. 그 결과, 성장 시간에 비례하여 탄소나노월은 높이 증가, 공극 감소, 표면계수밀도 증가 및 결정질 개선이라는 구조적 특성을 보였다. 그리고 10 mN부터 50 mN까지의 힘을 스트레인 센서에 가하여 변화한 센서의 감도 특성은 탄소나노월 감지막 높이에 반비례하였다. 저항 변화 특성에서는 가해지는 힘에 비례한 저항 변화가 확인되었으며, 탄소나노월 감지막의 높이가 높을수록 저항 변화값은 감소하였다. 그리고 V-I 특성 곡선을 통하여 센서의 전기적 안정성을 분석하였고, 선형성을 통한 우수한 저항 접촉이 이루어진 것이 확인되었다. 최종적으로, 두 결과들을 토대로 센서 연구에서 탄소나노월의 활용성을 검토하였다.
탄소 동소체는 탄소 원소로만 구성되어 있지만 구조 또는 배열이 달라 서로 다른 특성을 가지고 있는 물질을 말한다. 그 종류로는 흑연(graphite), 다이아몬드(diamond), 풀러렌(fullerene), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT) 및 그래핀(graphene) 등이 있다. 이외에도 탄소나노튜브의 합성 도중에 발견된 탄소나노월(carbon nanowall; CNW)이 있다. 이 중에서 탄소나노튜브와 그래핀은 우수한 종횡비, 전기 전도도, 기계적 강도 및 넓은 표면적을 가지고 있기 때문에 센서 연구에서 전기 재료로 많이 활용 되고 있다. 그에 비해 탄소나노월은 다수의 그래핀 층이 기판에 수직으로 성장한 구조를 가지고 있는 탄소 동소체로 넓은 표면적, 우수한 기계적 강도 및 전기 전도도를 가지고 있음에도 불구하고, 두 재료에 비해 센서 연구에 활용되지 못하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 탄소나노월의 활용성에 초점을 두고 스트레인 센서(strain sensor)를 제작하여 구조와 성능 분석 연구를 진행하였다. 스트레인 센서의 제작에는 RF(Radio Frequency) magnetron sputter와 Microwave PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon)가 사용되었다. RF magnetron sputter를 이용하여 SiO2 절연막과 IDE(Interdigitated Electrode)형 구리 전극막을 증착하였다. 감지막으로 활용될 탄소나노월은 Microwave PECVD를 이용하여 성장시켰으며, 반응 가스(gas)로 메탄(CH4)과 수소(H2)가 사용되었다. 제작된 스트레인 센서의 구조적 특성을 분석하기 위해 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope), SPM(Scanning Probe Microscopy) 및 라만 분광법(raman spectroscopy)을 사용하였다. FE-SEM을 통하여 탄소나노월 감지막의 단면과 표면을 분석하였고, SPM을 이용하여 IDE형 구리 전극막의 구조를 확인하였다. 그리고 라만 분광법을 이용하여 탄소나노월의 성장과 ID/IG에 의한 결정질을 확인하였다. 이후, 제작된 스트레인 센서의 감도, 저항 변화 및 V-I 특성 곡선을 구하여 센서의 성능 분석을 수행하였다. 그 결과, 성장 시간에 비례하여 탄소나노월은 높이 증가, 공극 감소, 표면계수밀도 증가 및 결정질 개선이라는 구조적 특성을 보였다. 그리고 10 mN부터 50 mN까지의 힘을 스트레인 센서에 가하여 변화한 센서의 감도 특성은 탄소나노월 감지막 높이에 반비례하였다. 저항 변화 특성에서는 가해지는 힘에 비례한 저항 변화가 확인되었으며, 탄소나노월 감지막의 높이가 높을수록 저항 변화값은 감소하였다. 그리고 V-I 특성 곡선을 통하여 센서의 전기적 안정성을 분석하였고, 선형성을 통한 우수한 저항 접촉이 이루어진 것이 확인되었다. 최종적으로, 두 결과들을 토대로 센서 연구에서 탄소나노월의 활용성을 검토하였다.
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