[논문]주사탐침열파현미경을 이용한 1 차원 나노구조체의 정량적 열전도도 계측기법

박경배; 정재훈; 황광석; 정의한; 권오명

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.12.957

초록
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본 연구에서는 나노스케일의 공간 해상도를 가지는 주사탐침열파현미경(scanning thermal wave microscopy, STWM)을 이용하여 1 차원 나노구조체의 열전도도를 정량적으로 계측하는 방법을 제시한다. 먼저, 1 차원 나노구조체의 열확산도를 계측하기 위한 STWM 의 원리를 설명한 후, 정량적인 열확산도 계측을 위한 이론적 해석 과정을 설명한다. STWM 을 이용한 본 계측기법은 열파가 이동한 거리에 따른 상대적인 위상지연만을 가지고 열확산도를 계측하여 열전도도를 구하기 때문에 탐침과 나노구조체 사이의 열접촉저항 및 나노구조체와 열원간의 열접촉저항의 영향을 받지 않으며, 나노구조체에 인가되는 정확한 열유속을 구할 필요가 없다. 따라서 기존의 측정 기법들에 비해 계측이 매우 단순하면서도 정량적인 계측이 가능하다.

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We present a method to quantitatively measure the thermal conductivity of one-dimensional nanostructures by utilizing scanning thermal wave microscopy (STWM) at a nanoscale spatial resolution. In this paper, we explain the principle for measuring the thermal diffusivity of one-dimensional nanostruct...

We present a method to quantitatively measure the thermal conductivity of one-dimensional nanostructures by utilizing scanning thermal wave microscopy (STWM) at a nanoscale spatial resolution. In this paper, we explain the principle for measuring the thermal diffusivity of one-dimensional nanostructures using STWM and the theoretical analysis procedure for quantifying the thermal diffusivity. The SWTM measurement method obtains the thermal conductivity by measuring the thermal diffusivity, which has only a phase lag relative to the distance corresponding to the transferred thermal wave. It is not affected by the thermal contact resistances between the heat source and nanostructure and between the nanostructure and probe. Thus, the heat flux applied to the nanostructure is accurately obtained. The proposed method provides a very simple and quantitative measurement relative to conventional measurement techniques.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노스케일의 공간해상도로 열파(Thermal wave)의 진폭 및 위상지연(Phase lag)에 대한 정량적인 측정이 가능한 주사탐침열현미경(Scanning thermal wave microscopy, STWM)의 원리를 설명한 후, 이를 구현하기 위해 필요한 샘플의 열적 설계 및 정량적인 열확산도 계측을 위해 열파의 주파수 영역을 확보하기 위한 이론적 해석 과정을 설명한다.⁽¹⁰⁾

가설 설정

2 를 보면 열원과 나노선이 접촉되어 있는 부분, 나노선 브릿지 부분, 나노선이 기판과 접촉되어 있는 부분으로 총 3 개의 구간으로 나눌 수 있으며, 각 구간을 1 구간(-L₁< x < 0), 2 구간(0 < x < L₂), 3 구간(L₂< x₃)으로 명명한다. 1 구간과 3 구간은 열원과 기판에 접촉에 인한 열유속이 존재하고 있으며, 2 구간의 나노선은 브릿지가 주변 열적환경과 충분히 유격되어있어 공기를 통한 열전달이 없다고 가정한다. 이러한 열적 환경을 고려한 지배 방정식과 경계조건들은 다음과 같다.
나노선의 총길이(L1+L2+L3)를 20µm, 나노선의 지름을 200nm라고 일 때 각 구간의 길이(L1, L2, L3,)를 각각 3µm, 8µm, 9µm 로 가정한다.

제안 방법

나노선과 기판의 접촉계면에서 발생하는 단위길이당 열전달계수의 변화에 따른 위상지연 분포도를 구한다. Fig.
나노선의 총길이(L₁+L₂+L₃)를 20µm, 나노선의 지름을 200nm라고 일 때 각 구간의 길이(L₁, L₂, L₃,)를 각각 3µm, 8µm, 9µm 로 가정한다. 열원과 나노선, 나노선과기판의 접촉계면에서 발생하는 단위길이당 열전달계수(h₁p₁, h₂p₂)는 Pt 증착의 유무에 따른 열원과 카본나노섬유의 접촉계면에서 발생하는 열접촉저항을참조하여 열원과 나노선의 접촉계면에서 발생하는 단위길이당 열전달계수(h₁p₁)를 0.0179W/mK, 나노선과 기판의 접촉계면에서 발생 하는 단위길이당 열전달계수(h₂p₂)를 0.0161W/Mk 을 사용하였다.⁽¹⁵⁾
열원과 나노선의 접촉계면에서 발생하는 단위길이당 열전달계수의 변화에 따른 위상지연 분포도를 구한다. Fig.

대상 데이터

본 연구진은 열전소재로 여러 분야에 사용하고 있는 Bi₂Te₃ 나노선의 물성을 통해 나노선 브릿지의 길이를 결정했다. 알려진 Bi₂Te₃ 나노선의 열전도도(k)는 1.

성능/효과

3 은 열파의 주파수가 5, 10, 20kH 일 때 각각의 주파수에서 열원과 Bi₂Te₃ 나노선의 접촉계면에 의한 열접촉저항의 변화에 따른 진폭과 위상지연 분포도의 결과이다. 각 주파수에 따른 진폭과 위상지연 분포도를 보면 열원과 Bi2Te3 나노선의 접촉계면에서 발생하는 열접촉저항의 변화에 따라 진폭은 달라지지만 거리에 따른 상대적인 위상지연 차이가 동일한 것을 확인 할 수 있고 이를 통해 본 계측 기법이 인가되는 파워에 영향 받지 않음을 보여준다.
각각의 주파수에 따른 진폭과 위상지연 분포도를 보면 열원에서 3µm 이내의 위상지연 분포도를 보면 주파수가 증가함에 따라 나노선과 기판의 접촉계면에서 발생하는 열접촉저항의 변화에 따른 영향이 무시되는 것을 확인할 수가 있다.
결과적으로 Bi₂Te₃나노선의 경우 STWM 을 이용한 정량적인 열확산도를 계측하기 위해서는 열접촉저항의 영향을 무시할 수 있는 열파의 주파수범위는 20kHz 이상이다. 하지만 열파의 주파수가 커지면 커질수록 나노선에 전달되는 열파의 길이가 짧아져 주사탐침열현미경의 탐침으로 나노선 위를 주사 할 때에 위치에 따라서 신호대비잡음비가 작아져 계측이 불가능한 구간이 생긴다.
이 열유속을 방지하기 위해서는 나노선과 기판의 계면에 의한 열접촉저항을 무시할 수 있는 주파수 범위를 구해야 한다. 또한 열원에서 나노선으로 이동하는 열유속을 통해 본 계측 기법이 인가되는 파워에 영향 받지 않음을 보여준다.

후속연구

본 연구는 1 차원 나노구조체에 대해서만 다뤘지만 다양한 나노구조체에도 적용하는 것이 가능하다. 그래서 본 연구진은 1 차원 나노구조체의 열전도도 계측실험을 성공한 뒤 2 차원 나노구조체의 열전도도, 동일 소재의 결정계면에서의 열전도도 변화 등에 대해 추가 연구를 진행할 것이다.
우리는 본 계측 방법이 기존의 측정 기법들에 비해 계측이 매우 단순하면서도 정량적인 계측이 가능하여 앞으로 신뢰성 있는 다양한 나노소재의 열전도도 값을 제공하여 열전소재 및 방열 소재개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 본 연구는 1 차원 나노구조체에 대해서만 다뤘지만 다양한 나노구조체에도 적용하는 것이 가능하다. 그래서 본 연구진은 1 차원 나노구조체의 열전도도 계측실험을 성공한 뒤 2 차원 나노구조체의 열전도도, 동일 소재의 결정계면에서의 열전도도 변화 등에 대해 추가 연구를 진행할 것이다.
우리는 본 계측 방법이 기존의 측정 기법들에 비해 계측이 매우 단순하면서도 정량적인 계측이 가능하여 앞으로 신뢰성 있는 다양한 나노소재의 열전도도 값을 제공하여 열전소재 및 방열 소재개발에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 본 연구는 1 차원 나노구조체에 대해서만 다뤘지만 다양한 나노구조체에도 적용하는 것이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노선의 경우 지름이 포논평균자유행로 작아지면 어떻게 되는가?	나노선의 경우 지름이 포논평균자유행로(Phon-on mean free path)보다 작아지면 소재 내부에서 포논 산란 효과가 커져 열전도도가 벌크값과 달라지게 된다. 또한 표면적 대 체적비(Surface-to-Volume Ratio)가 비약적으로 커져 소재의 표면효과의 영향으로 인해 열전도도가벌크값과 다르게 된다.
	나노스케일에서의 저차원 구조체들의 열전도도를 정량적으로 측정하는 것은 다양한 분야에서의 기술 혁신에 있어서 매우 중요한 역할인 이유는?	나노선의 경우 지름이 포논평균자유행로(Phon-on mean free path)보다 작아지면 소재 내부에서 포논 산란 효과가 커져 열전도도가 벌크값과 달라지게 된다. 또한 표면적 대 체적비(Surface-to-Volume Ratio)가 비약적으로 커져 소재의 표면효과의 영향으로 인해 열전도도가벌크값과 다르게 된다.(5) 따라서, 나노스케일에서의 저차원 구조체들의 열전도도를 정량적으로 측정하는 것은 다양한 분야에서의 기술 혁신에 있어서 매우 중요한 역할을 수행한다.
	STWM은 어떻게 열전도도를 구하는가?	STWM은 열파가 이동한 거리에 따른 위상지연의 상대적인 차이만을 이용하여 열확산계수(Thermal diffusivity)를 계측하며, 이를 통해 열전도도(Thermal conductivity)를 구하게 된다. 따라서 나노선에 인가되는파워에 영향을 받지 않으며 탐침과 나노선 접점에서의 열접촉저항 등에 의해 측정 결과가 교란 받지 않는다.

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