[논문]탄소나노튜브 필름을 이용한 투명 압저항체의 제작 및 특성 연구

이강원; 이정아; 이광철; 이승섭

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.12.1857

탄소나노튜브 필름을 이용한 투명 압저항체의 제작 및 특성 연구
Fabrication and Characterization of Transparent Piezoresistors Using Carbon Nanotube Film 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.12, 2010년, pp.1857 - 1863

이강원 (KAIST 기계공학부) , 이정아 (한국표준과학연구원 전략기술연구부) , 이광철 (한국표준과학연구원 전략기술연구부) , 이승섭 (KAIST 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 탄소나노튜브 필름을 이용한 투명 압저항체의 제작 및 특성 연구를 수행하였다. 진공필터 방식으로 제작된 다양한 투과도를 가지는 탄소나노튜브 필름은 금층이 증착된 실리콘 기판위에서 사진식각 공정을 통해 패터닝이 된 후, 금층과 실리콘 기판의 약한 접착력으로 인해 실리콘 러버인 poly-dimethysiloxane (PDMS) 로 전사된다. 탄소나노튜브 필름의 압저항 특성을 분석하기 위해, 얇은 PDMS 멤브레인의 처짐에 대한 탄소나노튜브 필름의 저항 변화를 측정하여 10-20 의 개이지 팩터를 얻었으며, 인가 압력에 대한 저항 변화 실험을 수행하였다. 본 실험을 통하여 탄소나노튜브 필름은 폴리머 멤스의 다양한 응용분야에 투명한 압저항체로 사용될 수 있을 것으로 판단한다.

Abstract ▼ AI-Helper

We present the fabrication and characterization of transparent carbon nanotube film (CNF) piezoresistors. CNFs were fabricated by vacuum filtration methods with 65?92% transmittance and patterned on Au-deposited silicon wafer by photolithography and dry etching. The patterned CNFs were transferred onto poly-dimethysiloxane (PDMS) using the weak adhesion property between the silicon wafer and the Au layer. The transferred CNFs were confirmed to be piezoresistors using the equation of concentrated-force-derived resistance change. The gauge factor of the CNFs was measured to range from 10 to 20 as the resistance of the CNFs increased with applied pressure. In polymer microelectromechanical systems, CNF piezoresistors are the promising materials because of their high sensitivity and low-temperature process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

투명 전극으로써의 역할을 수행하기 위해서는 실리콘이 아닌 폴리머 기판에서 사용되어야 하는데, 유연하고 투명한 성질을 가지는 PDMS 는 사진식각 공정과 금속 증착 공정에서 사용하는데 문제점이 있다. 따라서, PDMS 로 전사시키는 방법이 필수적이며, 본 연구에서는 실리콘 기판과 금층 사이의 접착력이 나쁜 것을 이용하여 새로운 전사 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 진공필터 방식으로 투명한 탄소나노튜브 필름을 제작하고, 멤스 공정을 이용하여 공정을 이용하여 유연한 폴리머기판으로 전사 시키는 제작 방법을 제시하고자 한다. 또한 탄소나노튜브 필름의 압저항 특성을 분석하여, 압력 센서로의 응용 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 실리콘 기판 위에서 탄소나노튜브 필름을 원하는 형상으로 패터닝 한 다음, PDMS 로 전사시키는 새로운 방법을 제시하고자 한다(Fig. 3).
본 연구에서는 진공필터 방식으로 투명한 탄소나노튜브 필름을 제작하고, 멤스 공정을 이용하여 공정을 이용하여 유연한 폴리머기판으로 전사 시키는 제작 방법을 제시하고자 한다. 또한 탄소나노튜브 필름의 압저항 특성을 분석하여, 압력 센서로의 응용 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 탄소나노튜브 필름을 이용한 투명한 압저항체의 특성 분석에 대한 실험을 수행하였다. 탄소나노튜브의 농도를 다르게 하여진공필터 방식으로 사람의 눈에 가장 민감한 파장인 550 nm 에서 65–92%의 투과도를 가지는 탄소나노튜브 필름을 제작하였다.

제안 방법

80 % 투과도를 가지는 필름에 대해서 PDMS 멤브레인의 두께를 110, 130, 170 µm 로 다양하게 제작하여 실험을 수행하였다.
탄소나노튜브는 1991 년 전기방전법에 의해 풀러렌을 합성할 때 투과전자 현미경에 의해 발견되 었으며, 최근 단일벽 및 다층벽 탄소나노튜브의 압저항 특성을 이용한 압력센서의 연구들이 보고 되고 있다. Stampfer⁽¹⁾는 단일벽 탄소나노튜브를 스트레인 게이지로 이용한 압력센서에 대한 연구를 보고하였는데, 이는 전자빔 리소그래피와 반응성 이온건식 식각 공정을 이용하여 210 의 게이지 팩터를 가지는 산화 알루미늄 멤브레인 압력센서를 제작하였다. 다층벽 탄소나노튜브에 대해서 Fung⁽²⁾은 SU-8 몰드 작업과 핫엠보싱 공정을 이용 하여 polymethylmethacrylate(PMMA) 멤브레인 압력센서를 제작하였으며, 235 의 게이지 팩터를 가지는 연구결과를 보고하였다.
그러면 멤스 분야에서 많이 사용되는 압저항체와 탄소나노튜브 필름의 특성을 Table 1 에서 비교 분석해보았다. 멤스 분야에서 사용되고 있는 압저항체는 단결정 실리콘과 금속이 있다.
이 있다. 본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 필름의 균일도가 뛰어나고, 두께 및 투과도 조절이 가능한 진공필터 방식(vacuum filtration method)⁽⁸⁾으로 탄소나노튜브 필름을 제작하였다.
PDMS 는 750 kPa 의 낮은 Young’s modulus 를 가지기 때문에 0–4 kPa 의 낮은 범위에서 압력을 인가하였다. 인가 압력은 regulator 를 이용하여 조절하였는데, 이 때 상용 압력 센서인 AP-V41W (Keyence)와 100 Pa 의 분해능을 가지는 센서 헤드인 AP-43 (Keyence)을 이용하여 압력의 크기를 확인하였다. 80 % 투과도를 가지는 필름에 대해서 PDMS 멤브레인의 두께를 110, 130, 170 µm 로 다양하게 제작하여 실험을 수행하였다.
탄소나노튜브 필름을 투명전극으로 이용하기 위해서 투과도를 측정하였다. 진공필터 방식은 탄소 나노튜브 용액의 농도를 조절함으로써 필름의 투과도를 조절할 수 있다.
1(e)). 탄소나노튜브 필름의 분산된 정도와 표면 거칠기를 scanning electron microscope (SEM)과 atomic force microscope (AFM)을 이용하여 확인하였다(Fig. 1(f)).
탄소나노튜브의 농도를 다르게 하여진공필터 방식으로 사람의 눈에 가장 민감한 파장인 550 nm 에서 65–92%의 투과도를 가지는 탄소나노튜브 필름을 제작하였다.
센서의 히스테리시스를 측정하기 위해서는 일반적으로 처짐, 복원, 두 번째 처짐의 3 단계로 수행한다. 하지만 본 실험에서는 복원과정 동안 저항 측정의 어려움으로 인하여, 첫 번째 처짐 실험을 수행한 뒤 한 시간 후 두 번째 처짐 실험을 수행하였다. 낮은 응력에서의 탄성 반응은 반복 실험 후 동일한 압력에 대해 일정 간격의 처짐이 발생하게 된다.
일반적인 멤스 분야에서는 실리콘 위에 접착력이 뛰어난 크롬 (Cr) 또는 티타늄 (Ti)을 증착하고 금층을 증착한다. 하지만, 본 연구에서는 실리콘 기판으로부터 탄소나노튜브 필름을 분리시키기 위해서, 200 nm 두께의 접착력이 나쁜 금층 만을 전자빔 증착기를 이용하여 증착하였다. 2.
현재까지 탄소나노튜브 필름의 압저항 특성을 분석하고 이를 이용하여 응용소자로 사용한 연구는 보고되지 않았기 때문에, 압저항 특성을 분석 하기 위해 cavity 가 있는 유연 소자를 제작하는 공정을 개발하였다. 유연 소자를 이용하여 원형 멤브레인의 처짐에 대한 탄소나노튜브 필름의 저항 변화값을 측정하고, 이를 바탕으로 10–20 의 게이지 팩터를 얻었다.

대상 데이터

1(b)). 진공필터 방식을 사용하기 위해서는 탄소나노튜브를 걸러줄 필터가 필요한데, 본 연구에서는 다공성 양극 산화 알루미늄 막(anodic aluminum oxide, AAO)을 사용하였다(Whatman International, 20 nm pore size, 47 mm diameter). 양극 산화 알루미늄 막이 놓여있는 진공필터 장치에 희석된 탄소나노 튜브 용액을 붓고 아스피레이터를 작동시킨다(Fig.

성능/효과

가시광선 및 근적외선 영역에 걸쳐 투과도를 측정하였고(Fig. 2 inset), 이 때 눈에 가장 민감한 550 nm 파장에서의 투과도는 65–92%로 측정되었다(Fig. 2).
2). 따라서, 탄소나노튜브의 양이 많을수록 필름의 두께가 두꺼워지며, 이로 인해 투과도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
인가 압력의 크기에 따라 저항 값이 증가하는 것을 확인하였다. 멤브레인의 두께는 stiffness 에 영향을 미치기 때문에, 동일한 압력에 대해서 두께가 얇을수록 더 많은 처짐이 발생하게 되며, 이로 인하여 탄소나노튜브 압저항체의 저항 값이 더 커지게 되는 것을 확인하였다.
원형 PDMS 멤브레인의 두께는 600 rpm 의 회전 도포 속도로 제작하여 130 µm 이며, 0 부터 500 µm 까지 50 µm 식 처짐을 증가시키면서 실험을 수행한 결과 탄소나노튜브 필름의 저항 값이 증가하는 것을 확인하였다.
80 % 투과도를 가지는 필름에 대해서 PDMS 멤브레인의 두께를 110, 130, 170 µm 로 다양하게 제작하여 실험을 수행하였다. 인가 압력의 크기에 따라 저항 값이 증가하는 것을 확인하였다. 멤브레인의 두께는 stiffness 에 영향을 미치기 때문에, 동일한 압력에 대해서 두께가 얇을수록 더 많은 처짐이 발생하게 되며, 이로 인하여 탄소나노튜브 압저항체의 저항 값이 더 커지게 되는 것을 확인하였다.
1(f)). 초음파 분해 공정 및 원심분리 공정을 통해 탄소나노튜브들이 잘 분산되어 졌음을 SEM 사진으로 확인할 수 있었으며, AFM 을 이용하여 탄소나노튜브 필름의 표면 거칠기가 7.9 nm 인 것을 확인하였다.
측정 결과를 바탕으로 식 (1)을 이용하여 계산한 결과 10–20 의 게이지 팩터를 가지는 것으로 분석되었으며, 저항 변화 실험을 통해 탄소나노튜브 필름이 압저항 특성을 가진다는 것을 확인하였다.

후속연구

탄소나노튜브 필름은 단결정 실리콘보다 낮은 민감도를 가지지만, 제작 과정 동안 고온 환경이 필요 없기 때문에 다양한 폴리머 기판에서 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 기존의 폴리머 기판에서 사용되고 있는 금속보다는 최대 10 배 높은 민감도를 가지며, 본 연구에서 제안한 전사 방법을 이용하여 손쉽게 제작이 가능하기 때문에 향후 폴리머 멤스분야에서 투명 압저항체로 사용될 수 있을 것으로 판단한다.
유연 소자를 이용하여 원형 멤브레인의 처짐에 대한 탄소나노튜브 필름의 저항 변화값을 측정하고, 이를 바탕으로 10–20 의 게이지 팩터를 얻었다. 이는 실리콘 기반의 압저항체 보다는 낮은 게이지 팩터를 가지지만, 낮은 공정 온도를 요구하는 폴리머 기판에서는 높은 민감도를 가지는 압저항체로 사용하여 폴리머 멤스의 다양한 응용분야에 적용할 수 있을 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Poly-dimethysiloxane의 단점은?	)는 탄성 중합체로써 바이오칩과 마이크로 채널 등 다양한 나노 마이크로 구조물 제작에 널리 이용되는 재료이며, 투명하고 유연한 특성을 가지고 있다. 하지만 일반적인 사진식각 공정과 금속 증착 공정과의 호환성은 뛰어나지 못하다는 단점이 있다. 따라서, 탄소나노튜브 필름을 다양한 폴리머를 기판으로 사용하는 폴리머 멤스 분야에 적용하기 위해서는 전사 방법이 필요하다.
	탄소나노튜브는 어떻게 발견되었는가?	탄소나노튜브는 1991 년 전기방전법에 의해 풀러렌을 합성할 때 투과전자 현미경에 의해 발견되 었으며, 최근 단일벽 및 다층벽 탄소나노튜브의 압저항 특성을 이용한 압력센서의 연구들이 보고 되고 있다. Stampfer(1)는 단일벽 탄소나노튜브를 스트레인 게이지로 이용한 압력센서에 대한 연구를 보고하였는데, 이는 전자빔 리소그래피와 반응성 이온건식 식각 공정을 이용하여 210 의 게이지 팩터를 가지는 산화 알루미늄 멤브레인 압력센서를 제작하였다.
	대면적 탄소나노튜브 필름을 제작하는 방법으로는 무엇이 있는가?	대면적 탄소나노튜브 필름을 제작하는 방법들은 electrophoretic deposition,(4) drop casting from solvents,(5) Langmuir-Blodgett deposition,(6) 그리고 spin coating(7)이 있다. 본 연구에서는 Fig.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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