[논문]금속/그래핀 이중 구조 와이어의 합성 및 전기적 특성 연구

정민희; 김동영; 노호균; 신한균; 이효종; 이상현

doi:10.6117/kmeps.2021.28.1.067

[국내논문] 금속/그래핀 이중 구조 와이어의 합성 및 전기적 특성 연구
A Study on Growth of Graphene/metal Microwires and Their Electrical Properties 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.28 no.1, 2021년, pp.67 - 71

정민희 (전남대학교 화학공학부) , 김동영 (전남대학교 화학공학부) , 노호균 (전남대학교 화학공학부) , 신한균 (동아대학교 신소재공학과) , 이효종 (동아대학교 신소재공학과) , 이상현 (전남대학교 화학공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 금속 와이어를 촉매로 화학기상증착법을 이용하여 그래핀을 합성하고 구조 및 전기적 특성 변화를 분석하였다. 구리와 니켈의 탄소에 대한 용해도 차이로 인해 구리와이어에서는 단층 그래핀이 성장하였고, 니켈와이어의 표면에는 다층 그래핀이 성장되었다. 또한. 고온의 그래핀 성장 조건에서 구리와 니켈의 재결정화를 통해 결정립의 크기가 증가한 것을 확인하였다. 표면에 그래핀이 합성된 구리와이어의 경우, 최대전류허용치는 1.91×105 A/㎠으로 합성 전 구리와이어에 비해 약 27% 향상되었다. 이와 유사하게, 다층 그래핀이 합성된 니켈와이어의 경우에도 최대전류 허용치는 순수한 니켈와이어 대비 약 36% 향상된 4.41×104 A/㎠으로 측정되었다. 이러한 그래핀/금속 복합소재의 우수한 전기적 특성은 고전류를 요구하는 소자 및 부품에서 안정적인 전기적 흐름을 공급하는데 기여할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, graphene layer was grown on metal microwire using chemical vapor deposition. The difference of carbon solubility between copper and nickel resulted in the formation of mono-layer and multi-layer graphene were formed on the surfaces of copper and nickel microwires, respectively. During the growth of graphene at high temperature, copper and nickel were recrytallized and the grain size increased. The ampacity of graphene/copper microwire was improved by approximately 27%, 1.91×105 A/㎠, compared to pristine copper microwire. Similar to this behavior, the ampacity of multilayer graphene/nickel microwire was 4.41×104 A/㎠ which is about about 36% improved compared to the pure nickel microwire. The excellent electrical properties of graphene/metal composites are beneficial for supplying the electrical energy to the high-power electronic devices and equipment.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. SEM images of (a,b)before and (c,d) after growth of graphene on Cu and Ni microwires, respectively.
그림 Fig. 2. Raman spectra measured from graphene on (a) Cu microwires and (b) Ni microwires.
그림 Fig. 3. EBSD grain maps for cross-section of (a, b) Cu and (c,d) Ni microwires before and after growth of graphene, respectively.
그림 Fig. 4. Comparison of current density of copper and nickel microwires before and after the growth of graphene on the surface.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

2.Raman spectra measured from graphene on (a) Cu microwires and (b) Ni microwires.

제안 방법

진공챔버 내에서 와이어의 양쪽을 측정 팁에 고정시키고, 5초 간격으로 10 mV씩 증가하면서 전류를 측정하였다. 고전류 하에서 와이어가 단락되기 전 최대 전류를 측정하고, 다음 계산식과 같이 와이어의 단면적으로 나누어 최대전류허용치를 계산하였다.
니켈 와이어의 경우에는 대기압 상태에서 수소가스 80 sccm과 아르곤가스 300 sccm 을 투입하며 1시간동안 1000 ^oC까지 가열하였다. 공정 온도에 도달하면 표면의 산화막을 제거하고 깨끗한 표면을 얻기 위해 수소분위기에서 30분 동안 열처리를 진행하였다. 그 후, 메탄 가스를 70 sccm 주입하여 그래핀 성장을 시작하였다.
전사 된 그래 핀의 구조적 특성은 Peltier 냉각 CCD (charge-coupled device) 검출기와 다중 채널 벤치 Renishaw InVia Reflex 분광기 (Renishaw plc, 영국 Wootton-under-Edge)를 결합한 마이크로 라만 분광 장치로 분석하였다. 그래핀 합성 전·후의 형성 및 결정성의 변화를 확인하기 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)과 후방산란전자회절 (Electron back scattering diffraction, EBSD) 분석장치를 이용하였다.
그래핀/금속 와이어의 최대 전류 허용량 및 한계 전류밀도는 고전류용 계측기(Keithley 2461)를 이용하여 측정하였다. 진공챔버 내에서 와이어의 양쪽을 측정 팁에 고정시키고, 5초 간격으로 10 mV씩 증가하면서 전류를 측정하였다.
고온 성장조건에서 구리와 니켈의 재결정화 및 결정립 크기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 구리의 경우, 고온에서 표면 원자의 증발에 의해 와이어의 직경이 감소하고 표면 거칠기가 증가하는 현상을 관찰하였다. 구리 표면에 형성된 그래핀에 의해 최대전류허용치는 순수한 구리와이어에 비해 약 27% 향상되었으며, 다층그래핀이 형성된 니켈와이어의 경우에는 합성 전 니켈와이어에 비해 약 36% 향상되었다.
본 연구에서는 구리와이어와 니켈와이어의 표면에 화학 기상 증착법을 이용하여 고품질 그래핀을 성장하였다. 라만분광법을 이용한 분석을 통해 구리와 니켈의 탄소에 대한 용해도 차이에 의해 구리의 표면에는 단층 그래핀이 주로 성장되었으며, 니켈 표면에는 다층 그래핀이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 금속 와이어를 이용하여 화학 기상 증착법(Chemical vapor deposition, CVD) 공정을 통해 그래핀을 합성하고, 구조적 및 전기적 특성 변화를 관측하였다 . 구리와 니켈의 탄소 용해도 차이로 금속 표면에 단층 그래핀과 다층 그래핀이 각각 합성되었다.
4 wt%로 희석한 과황산암모늄 (또는 질산) 용액에 담가 구리(또는 니켈)를(을) 완벽하게 제거하여 그래핀만 남게 하였다. 전사 된 그래 핀의 구조적 특성은 Peltier 냉각 CCD (charge-coupled device) 검출기와 다중 채널 벤치 Renishaw InVia Reflex 분광기 (Renishaw plc, 영국 Wootton-under-Edge)를 결합한 마이크로 라만 분광 장치로 분석하였다. 그래핀 합성 전·후의 형성 및 결정성의 변화를 확인하기 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)과 후방산란전자회절 (Electron back scattering diffraction, EBSD) 분석장치를 이용하였다.
진공챔버 내에서 와이어의 양쪽을 측정 팁에 고정시키고, 5초 간격으로 10 mV씩 증가하면서 전류를 측정하였다. 고전류 하에서 와이어가 단락되기 전 최대 전류를 측정하고, 다음 계산식과 같이 와이어의 단면적으로 나누어 최대전류허용치를 계산하였다.

이론/모형

그래핀/금속 와이어는 지름 0.025 mm의 구리 및 니켈 와이어를 촉매로 화학기상증착법을 이용하여 제작되었다. 단층 그래핀을 형성하기 위해서 구리 와이어를 세라믹 보트 위에 올려 고정시킨 후, 챔버에 넣고 30분동안 1×10⁻³ torr 이하의 진공 상태로 만들어주었다.
금속 표면에 그래핀의 성장 여부를 확인하기 위해 그래핀을 SiO₂ (300nm)/Si기판위에 전사한 뒤 라만분광법을 이용하여 확인하였다. 그래핀/구리 와이어를 약 1cm 크기로 잘라 SiO₂/Si 기판 위에 올린 후 silver paste로 한쪽 끝을 고정시켰다.

성능/효과

구리 표면에 합성된 그래핀으로부터 측정된 라만 스펙트럼의 경우 (Fig. 2(a)), 탄소 결정구조의 G 영역과 2D 영역대에 상응하는 피크가 약 1585 cm⁻¹과 2688 cm⁻¹에서 각각 나타났다. Fig.
1) 또한, 마이크로 이하의 금속 전도체 의 경우 넓은 비표면에서의 전자의 비탄성 산란(inelastic scattering)은 전기 및 열 전도도를 급격히 낮아지게 하는 요인이 된다. 2) 이러한 전기 및 열적 특성의 저하는 전기 적 신호의 지연 및 소자의 불안정성을 유발하게 된다.
라만분광법을 이용한 분석을 통해 구리와 니켈의 탄소에 대한 용해도 차이에 의해 구리의 표면에는 단층 그래핀이 주로 성장되었으며, 니켈 표면에는 다층 그래핀이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 고온 성장조건에서 구리와 니켈의 재결정화 및 결정립 크기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 구리의 경우, 고온에서 표면 원자의 증발에 의해 와이어의 직경이 감소하고 표면 거칠기가 증가하는 현상을 관찰하였다.
촉매의 종류에 따라 와이어의 표면 형상이 달라진 것을 확인할 수 있다. 구리 와이어는 그래핀이 합성 후 직경이 21.38 μm로 합성 전 와이어의 직경에 비해 약 3.42 μm 감소했으며, 표면이 매우 거칠어진 것을 확인할 수 있다. 반면, 니켈의 경우에는 그래핀 합성 후 지름이 24.
또한 구리의 경우, 고온에서 표면 원자의 증발에 의해 와이어의 직경이 감소하고 표면 거칠기가 증가하는 현상을 관찰하였다. 구리 표면에 형성된 그래핀에 의해 최대전류허용치는 순수한 구리와이어에 비해 약 27% 향상되었으며, 다층그래핀이 형성된 니켈와이어의 경우에는 합성 전 니켈와이어에 비해 약 36% 향상되었다. 그래핀/ 금속의 최대전류허용량의 증가는 고전력을 요구하는 집적화된 반도체 소자 및 고전력 케이블 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.
1에서와같이 그래핀 합성 공정 후 직경의 감소가 일어나서 평균 단면적을 이용하여 계산하였다. 구리, 니켈, 그래핀/ 구리, 그래핀/니켈와이어의 최대전류허용치를 계산한 결과, 각각 1.5×10⁵A/cm², 3.23×10⁴A/cm², 1.9×10⁵ A/cm², 4.41×10⁴ A/cm²의 값을 얻었다. 전기전도도가 더 높은 구리가 니켈에 비해 더 높은 최대전류허용치를 갖는다.
두 종류의 샘플에서 얻은 모든 라만 스펙트럼에서 그래핀의 결함에 해당하는 D 대역 대한 피크는 거의 나타나지 않았으며, 이 결과로부터 고품질의 그래핀이 구리와 니켈 표면에 형성되었음을 확인할 수 있다. 구리와 니켈에 합성된 그래핀에 대한 라만 스펙트럼으로부터, G와 2D 피크 세기의 평균 비 (I_2D/I_G)가 4.96과 0.58임을 알 수 있었다. 이러한 G와 2D 피크 세기의 비율의 차이로부터 탄소의 용해도가 낮은 구리 (0.
구리와 니켈의 탄소 용해도 차이로 금속 표면에 단층 그래핀과 다층 그래핀이 각각 합성되었다. 그래핀 합성 전 금속 와이어에 비해 그래핀이 성장한 금속 와이어의 최대전류허용치을 측정한 결과, 모두 단일 금속 대비 20~30% 가량 한계 전류 밀도가 향상됨을 확인하였다. 이러한 특성의 향상은 금속 와이어 표면의 그래핀 형성에 의한 고전류하에서의 안정성 증가 및 고온 합성에 의한 결정 구조의 변화에 기인한 것으로 추정된다.
47 μm로 매우 조밀하며, (111) 면과 (100)면이 발달되어 있는 것을 알 수 있다. 그래핀합성을 위한 고온 공정을 거치면서 구리와 니켈의 결정립의 크기는 각각 평균 17.66 μm과 13.66 μm로 증가하였다. 고온에서 합성이 진행되며 새로운 결정핵의 형성과 재결정을 통한 성장이 이루어진 것을 알 수 있다.
약 1580 cm⁻¹와 2725 cm⁻¹ 부근에서 2D 영역의 피크가 검출되었다. 두 종류의 샘플에서 얻은 모든 라만 스펙트럼에서 그래핀의 결함에 해당하는 D 대역 대한 피크는 거의 나타나지 않았으며, 이 결과로부터 고품질의 그래핀이 구리와 니켈 표면에 형성되었음을 확인할 수 있다. 구리와 니켈에 합성된 그래핀에 대한 라만 스펙트럼으로부터, G와 2D 피크 세기의 평균 비 (I_2D/I_G)가 4.
성장하였다. 라만분광법을 이용한 분석을 통해 구리와 니켈의 탄소에 대한 용해도 차이에 의해 구리의 표면에는 단층 그래핀이 주로 성장되었으며, 니켈 표면에는 다층 그래핀이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 고온 성장조건에서 구리와 니켈의 재결정화 및 결정립 크기가 증가하는 것을 확인하였다.
전기전도도가 더 높은 구리가 니켈에 비해 더 높은 최대전류허용치를 갖는다. 위의 결과로부터 구리와이어의 경우 그래핀 합성 후 최대허용전류치가 약 27%가 향상되었으며, 니켈와이어의 경우 한계 전류 밀도가 약 36% 증가함을 확인할 수 있었다. 이러한 전기적 특성의 향상은 그래핀 형성에 의한 표면에서의 비탄성 산란의 감소와 결정립 크기의 증가로 인한 electromigration이 일어나기 쉬운 경계면 접점(triple points)의 밀도의 감소에 기인한 것으로 추측된다.

후속연구

구리 표면에 형성된 그래핀에 의해 최대전류허용치는 순수한 구리와이어에 비해 약 27% 향상되었으며, 다층그래핀이 형성된 니켈와이어의 경우에는 합성 전 니켈와이어에 비해 약 36% 향상되었다. 그래핀/ 금속의 최대전류허용량의 증가는 고전력을 요구하는 집적화된 반도체 소자 및 고전력 케이블 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (14)

P. S. Ho and T. Kwok, "Electromigration in metals", Rep. Prog. Phys., 52, 301 (1989).

상세보기
W. Steinhogl, G. Schindler, G. Steinlesberger and M. Engelhardt, "Size-dependent resistivity of metallic wires in the mesoscopic range", Phys. Pev. B 66, 075414 (2002).
Z. Yao, C. L. Kane and C. Dekker, "High-field electrical transport in single-wall carbon nanotubes", Phys. Rev. Lett. 84, 2941 (2000).

상세보기
R. Murali, Y. Yang, K. Brenner, T. Beck and J. D. Meindl, "Breakdown current density of graphene nanoribbons", Appl. Phys. Lett. 94, 2431143 (2009).
Z. Yao, C. L. Kane and C. Dekker, "High-field electrical transport in single-wall carbon nanotubes", Phys. Rev. Lett. 84, 2941 (2000).

상세보기
C. Subramaniam, T. Yamada, K. Kobashi, A. Sekiguchi, D. N. Futaba, M. Yumura and K. Hata, "One hundred folds increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite", Nat. Comm. 4, 2022 (2013).

상세보기
H. Rho, M. Park, M. Park, J. Park, J. Han, A. Lee, S. Bae, T.-W. Kim, J.-S. Ha, S. M. Kim, D. S. Lee, and S. H. Lee, "Metal nanofibrils embedded in long free-standing carbon nanotube fibers with a high critical current density", NPG Asia Mater. 10, 146 (2018).

상세보기
S. J. Kim, D. H. Shin, Y. S. Choi, H. Rho, M. Park, B. J. Moon, Y. Kim, S.-K. Lee, D. S. Lee, T.-W. Kim, S. H. Lee, K. S. Kim, B. H. Hong and S. Bae "Ultrastrong Graphene-Copper Core-Shell Wires for High-Performance Electrical Cables", ACS Nano 12, 2803 (2018).

상세보기
T. W. Lee and H.-H. Park "The Effect of Graphene on the Electrical Properties of a Stretchable Carbon Electrode", J. Microelectron. Packag. Soc., 21, 77 (2014).

원문보기 상세보기
S. W. Bang, H. Rho, H. Bae, S.-J. Kang and J.-S. Ha, "Improvement of Electrochemical Reduction Characteristics of Carbon Dioxide at Porous Copper Electrode using Graphene", J. Microelectron. Packag. Soc., 25, 105 (2018)

원문보기 상세보기
R. Mehta, S. Chugh, and Z. Chen, "Enhanced Electrical and Thermal Conduction in Graphene-Encapsulated Copper Nanowires", Nano Lett. 15, 2024 (2015).

상세보기
I. Calizo, I. Bejenari, M. Rahman, G. Liu and A. A. Balandin, Ultraviolet Raman microscopy of single and multilayer graphene", J. Appl. Phys. 106, 043509 (2009).

상세보기
S. Kasap and P. Capper, "Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials", Springer International Publishing (2017).
J. Cho and C. V. Thompson, Grain size dependence of electromigration-induced failures in narrow interconnects", Appl. Phys. Lett. 54, 2577 (1989).

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증