[논문]Thermal wetting 현상이 탄소나노튜브-금속박막 계면의 응착력에 미치는 영향에 관한 분자 시뮬레이션 연구

이상훈; 김현준

doi:10.9725/kts.2023.39.1.8

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This study presents a molecular simulation of adhesion control between carbon nanotube (CNT) and Ag thin film deposited on silicon substrate. Rough and flat Ag thin film models were prepared to investigate the effect of surface roughness on adhesion force. Heat treatment was applied to the models to...

This study presents a molecular simulation of adhesion control between carbon nanotube (CNT) and Ag thin film deposited on silicon substrate. Rough and flat Ag thin film models were prepared to investigate the effect of surface roughness on adhesion force. Heat treatment was applied to the models to modify the adhesion characteristics of the Ag/CNT interface based on thermal wetting. Simulation results showed that the heat treatment altered the Ag thin film morphology by thermal wetting, causing an increase in contact area of Ag/CNT interface and the adhesion force for both the flat and rough models changed. Despite the increase in contact area, the adhesion force of flat Ag/CNT interface decreased after the heat treatment because of plastic deformation of the Ag thin film. The result suggests that internal stress of the CNT induced by the substrate deformation contributes in reduction of adhesion. Contrarily, heat treatment to the rough model increases adhesion force because of the expanded contact area. The contact area is speculated to be more influential to the adhesion force rather than the internal stress of the CNT on the rough Ag thin film, because the CNT on the rough model contains internal stress regardless of the heat treatment. Therefore, as demonstrated by simulation results, the heat treatment can prevent delamination or wear of CNT coating on a rough metallic substrate by thermal wetting phenomena.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Images of model denoted as (a) 'flat model' and (b) 'rough model'.
그림 Fig. 2. Simulation image of the flat and rough models where its surface shows plastic deformation and dislocation generation after annealing.
그림 Fig. 3. Pull-off force of the (a) ‘Flat model’ and (b) ‘Rough model’ during pull-off simulation with and without annealing process.
그림 Fig. 4. Contact area of the (a) ‘Flat model’ and (b) ‘Rough model’ during pull-off simulation with and without annealing process.
그림 Fig. 5. Adhesion force per contact area of the (a) 'Flat model' and (b) 'Rough model' with and without annealing process.

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제안 방법

이 연구에서는 표면 거칠기와 열처리 공정이 Ag 박막과 CNT사이의 응착력에 미치는 영향을 분자동역학 시뮬레이션을 통해 규명하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

성능/효과

3. Thermal wetting에 의해 Ag 박막과 CNT 사이의 접촉면적이 증가할 수 있음을 확인하였다.
2 nm의 당김 거리에서 당김힘이 감소하였다. 그 결과 열처리를 수행한 경우의 응착력은 약 70 nN, 열처리가 되지 않은 경우의 응착력은 약 80 nN로 측정되었다. 반면, ‘Rough model’의 경우 Fig.
열처리 모델의 응착력은 약 25 nN, 일반 모델의 응착력은 약 20 nN으로 ‘Flat model’의 경우에 비하여 현저하게 작은 값을 가진다는 사실을 확인하였다.

후속연구

일정 수준의 표면 거칠기를 갖는 실제 재료에 CNT를 코팅할 경우 열처리 공정을 적용하여 thermal wetting현상을 일으킴으로써 응착력이 향상될 수 있음을 확인하였으며, 이 연구에서 도출된 결과는 실제 금속 모재에 CNT를 코팅할 경우 응착력을 향상시키기 위한 방안으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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