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문제 정의
- 본 실험에서는 탄소 유도체이면서 전기적, 화학적 안정성, 기계적 및 열적 안정성을 갖는 MWCNT를 이용하여 태양전지, 유기발광소자 및 전계방출표시(field emission display) 장치에 응용하기 위한 투명 전도막을 제작하고자 하였다[1,2]. 또한, 화학적으로 안정된 MWCNT를 이용하여 스프레이 법으로 투명 전도막을 만들고, 제작된 박막에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 통하여 구조적 특성을 분석하였고, 4 프로브법으로 박막의 전기저항율, 캐리어 농도 및 이동도를 측정하였다.
제안 방법
- MWCNT 박막을 만들기 위해, 16 mg MWCNT 분말과 100 ㎖의 에탄올 용제를 혼합하여MWCNT 용액을 만들고, 이를 30℃의 분위기에서 4시간 동안 초음파를 이용하여 MWCNT를 분산시켜 분산체를 만들었다.
- 그리고 제작된 MWCNT 박막에 대해 광투과도를 측정하였으며, 또한 광에너지와 흡수계수(α-2)의 관계를 분석하였다.
- 안정된 막을 얻기 위하여 스프레이 시간은 20, 40, 60 및 120 sec로 하였다. 또한 유리기판위에 스프레이된 MWCNT막이 구조적으로 안정되도록 하기 위해서 120℃의 핫플레이트에서 20분간 annealing하였다.
- 또한, 제작된 MWCNT 막에 대해서 4 프로브법으로 전기 전도도, 캐리어 농도 및 이동도는 HEM-3000(Ecopia co, Korea)를 이용하여 실온에서 측정하였다. 또한, 제작된 MWCNT 박막에 대해서 막의 광투과도를 측정하기 위해서 UV-visible system (Agilent 8453)를 이용하였다.
- 또한, 제작된 MWCNT 막에 대해서 4 프로브법으로 전기 전도도, 캐리어 농도 및 이동도는 HEM-3000(Ecopia co, Korea)를 이용하여 실온에서 측정하였다. 또한, 제작된 MWCNT 박막에 대해서 막의 광투과도를 측정하기 위해서 UV-visible system (Agilent 8453)를 이용하였다.
- 본 실험에서는 탄소 유도체이면서 전기적, 화학적 안정성, 기계적 및 열적 안정성을 갖는 MWCNT를 이용하여 태양전지, 유기발광소자 및 전계방출표시(field emission display) 장치에 응용하기 위한 투명 전도막을 제작하고자 하였다[1,2]. 또한, 화학적으로 안정된 MWCNT를 이용하여 스프레이 법으로 투명 전도막을 만들고, 제작된 박막에 대해 X-선 회절 스펙트럼을 통하여 구조적 특성을 분석하였고, 4 프로브법으로 박막의 전기저항율, 캐리어 농도 및 이동도를 측정하였다. 그리고 제작된 MWCNT 박막에 대해 광투과도를 측정하였으며, 또한 광에너지와 흡수계수(α-2)의 관계를 분석하였다.
- 제작된 분산체는 2 kgf/㎠ 압력의 스프레이법으로 이격거리 30 ㎝으로 하여 기판위에 MWCNT박막을 제작하였다. 안정된 막을 얻기 위하여 스프레이 시간은 20, 40, 60 및 120 sec로 하였다. 또한 유리기판위에 스프레이된 MWCNT막이 구조적으로 안정되도록 하기 위해서 120℃의 핫플레이트에서 20분간 annealing하였다.
- 제작된 MWCNT 박막의 구조적 특성을 분석하기 위해서 X-선 회절분석(RINT 2000 series, Rigaku)을 하였다.
- 제작된 분산체는 2 kgf/㎠ 압력의 스프레이법으로 이격거리 30 ㎝으로 하여 기판위에 MWCNT박막을 제작하였다. 안정된 막을 얻기 위하여 스프레이 시간은 20, 40, 60 및 120 sec로 하였다.
- 표 2에 제작된 MWCNT 박막에 대해서 두께, 저항율, 이동도 및 캐리어의 농도 등에 대해서 상세한 정보를 정리하였다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 성막시간에 따라서 막의 두께는 증가하였으며, 막 두께의 증가에 따라서 전기전도율 및 캐리어 농도는 증가하지만, 이동도는 두께의 증가에 따라서 감소하는 경향을 보였다.
- 화학적으로 안정되고, 높은 전기전도성을 갖는 MWCNT 분산체를 이용하여 성막 공정비용이 저렴한 스프레이 법으로 투명전도막을 제작하였으며, 제작된 박막에 대해서 미세구조 특성 분석, 전기적 특성 및 광학 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. MWCNT 분산체를 이용하여 60 sec 동안 스프레이한 막의 표면이 연속적으로 균일한 MWCNT의 네트워크가 형성되었다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 CNT사에서 열적 CVD법 공정으로 제조된 MWCNT를 이용하였으며, 그의 물성은 표 1과 같다.
- ID/IG의 비는 MWCNT에서의 그라파이트화 정도를 비례적으로 보여주는 인자로 활용된다[4]. 일반적으로 MWCNT 성장 온도가 높을수록 ID/IG의 비는 1.165에서 0.600 쪽으로 이동하는 것을 고려할 때, 본 실험에서 사용된 MWCNT는 ID/IG=0.655로서 양질의 MWCNT라고 판단할 수 있다[5].
- 표 1에서 보는 바와 같이 사용된 MWCNT는 순도가 93% 이상이고, 직경은 30 nm이였으며, 비표면적은 200 ㎡/g였다.
성능/효과
- )를 측정한 결과를 보이고 있다. 그림 6(a)의 광 투과도 곡선에서 알 수 있는 바와 같이 20 sec 동안 MWCNT를 스프레이 한 박막의 광 투과도는 가시광선 영역에서 거의 100% 정도의 광 투과도를 보였고, 또한 이 박막의 전기 저항율이 높게 나타난 것을 고려 해볼 때, 이는 MWCNT 막의 표면이 균일하게 네트워킹이 이루어지지 않은 것으로 생각된다. 또한, 그림 6(b)에서 알 수 있는 바와 같이 스프레이 시간이 증가함에 따라 MWCNT 막의 두께가 증가함에 따라서 광 투과도가 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 또한, MWCNT 분산체를 60 sec 동안 스프레이 한 막의 두께, 전기 저항율 및 광투과율은 각각 300 nm, 6⨯10-2 Ω·㎝ 및 50% (λ=550 nm)를 보였다.
- 1×1021 ㎝-3로서 투명 전도막으로의 활용이 가능한 물리상수를 나타내고 있다. 또한, 제작된 박막들의 광투과도로부터 구한 광 흡수 에너지의 밴드 갭은 3.9 eV에서 4.6 eV의 값을 얻었으며, 박막의 전기저항율은 에너지 밴드갭의 값에 비례한다는 사실을 확인하였다.
- 그림 5(b), (c)에서 각각 알 수 있는 바와 같이 MWCNT 박막의 이동도는 두께가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 반대로 캐리어 농도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 종합적으로 고려하였을 때 두께가 증가함에 따라 전기저항율은 박막의 네트워크가 잘 형성되어 캐리어가 쉽게 이동할 수 있는 통로가 형성되어 전기저항율이 낮아지는 것으로 이해 할 수 있었다.
- 이상의 실험 결과로부터 필름의 두께가 증가함에 따라 필름의 광투과도는 감소하였으며, 이는 막의 에너지 밴드갭을 광에너지와 투과율과의 관계로부터 유도한 다음의 식을 적용하여 생각 할 수 있다[7].
- 제작된 박막의 저항율과 미세구조적인 측면 및 광투과도를 고려한 결과 스프레이 시간을 60 sec로 하여 얻은 MWCNT 박막이 연속적으로 균질한막이 형성되었으며, 저항율이 6×10-2 Ω·㎝, 이동도가 4.3×10-2 ㎠/V·s 및 캐리어 농도가 2.1×1021 ㎝-3로서 투명 전도막으로의 활용이 가능하리라고 판단된다.
- 6 eV의 값을 갖는 다는 것을 알 수 있었으며, 여기서 박막의 전기저항율이 에너지 밴드 갭의 값에 비례한다는 결론을 얻었다[9]. 즉, 에너지 밴드 갭이 크면 클수록 전기 저항율이 낮아진다는 것을 확인하였다.
- 표 2에 제작된 MWCNT 박막에 대해서 두께, 저항율, 이동도 및 캐리어의 농도 등에 대해서 상세한 정보를 정리하였다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 성막시간에 따라서 막의 두께는 증가하였으며, 막 두께의 증가에 따라서 전기전도율 및 캐리어 농도는 증가하지만, 이동도는 두께의 증가에 따라서 감소하는 경향을 보였다.
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