Ex) Article Title, Author, Keywords
Ex) Article Title, Author, Keywords
New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 8-12
Published online January 28, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.8
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
YeJin CHO*, Byung Sang CHOI†, Chang Hoon LEE‡
1Department of Advanced Materials & Parts Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
2Dept. of Material Science & Engineering, Chosun University Gwangju, Gwangju 61452, Korea
3Department of Biochemical Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
Correspondence to:jo6456@naver.com
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Herein, a three-dimensional (3D) graphene–copper (3DiGn–Cu) composite was synthesized via chemical vapor deposition. The 3DiGn–Cu composite has a lesser electrical resistivity value than that of oxygen-free high-conductivity copper (OFHC Cu) under the same experimental conditions. To explain this behavior, the 3DiGn–Cu composite was considered as a parallel circuit comprising a graphene network channel(3DiGn) and a Cu network channel. Thus, the temperature dependence of the resistivity for 3DiGn–Cu and 3DiGn was measured. The measurement results show that the resistivity is proportional to temperature. Therefore, pure Cu powder can be reinforced by the 3D graphene network and the electrical conductivity can be improved up to that of OFHC Cu.
Keywords: Cu composite, Reinforced by 3-dimensional graphene, Resistivity
3차원 그래핀망으로 강화된 구리복합체(3-dimensional graphene-copper composite; 3DiGn-Cu)를 화학기상증착법으로 합성하였다. 3DiGn-Cu의 상온 비저항은 동일한 조건에서 OFHC Cu(oxygen-free high conductivity copper Cu)의 값보다 더 작았다. 전기적관점에서 구리복합체를 3차원 그래핀망과 3차원 구리금속망이 병렬로 연결되어 만들어진 회로로 생각하였고, 구리복합체 전체의 비저항과 3차원 그래핀망에 대한 비저항의 온도의존성을 각각 측정하였다. 두 채널 모두에서 비저항의 온도의존성 또한 금속물질과 비슷하게 온도에 비례하는 거동을 보였다. 결과적으로 구리입자를 3차원 그래핀망으로 강화하였을 때 기계적 특성의 강화 뿐만아니라 전기적 특성도 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
Keywords: 구리복합체, 3차원 그래핀망 강화, 비저항
그래핀(graphene)은 탄소 원자들의 육각형 구조(honeycomb structure)가 x-y 평면 내에서 무한히 반복되는 대표적 2차원 나노 소재이다[1]. 이 때 탄소의 sp3혼성궤도 중 s, p
본 연구는 구리 분말을 위의 두 번째 방법으로 보강한 3-dimension Cu-graphene composite에 대하여 DC 전기전도도를 온도의 함수로 측정하고 OFHC Cu와 비교하는 것이다.
시료의 준비: 먼저 14∼15 µm 크기의 타원형의 Cu 분말(99 %, Sigma-Aldrich) 1 - 1.5g 정도를 준비한 후, 원통형 금형에 넣고 1.5톤의 압력으로 축 압축하여 Cu 디스크를 성형하였다[8]. 이 디스크를 관형 전기로의 중앙에 위치시키고 H2(99.999 %)와 CH4(99.995 %)를 800 °C와 3 × 10-3 torr 하에서 화학적 기상증착 (Chemical Vapor Deposition; CVD) 방법으로 증착한 후, 약 200°C/min 율로 상온까지 냉각함으로써 Cu 분말 위에 그래핀을 형성하였다[1, 8-11]. 화학증착 시 사용한 온도 및 압력 시퀀스는 Fig. 1에 나타내었다.
라만분광분석: Cu-Grapnene 복합체의 그래핀 형성을 확인하기 위해 514 nm 파장을 갖는 Ar-ion 레이저와 초점거리가 800 mm이고, 액체질소로 냉각 가능한 다채널 CCD검출기를 갖춘 라만분광분석기기(LabRam HR, Jobin-Yvon, France)를 이용하여 분석하였고, 이 때 휩쓸어준 주파수 영역은 100∼3000 cm−1이었다.
주사전자현미경 (SEM; scanning electron microscopy: 시료의 표면 분석을 위해 먼저 E-1030 sputter-coater(Hitachi, Japan)를 이용하여 시료 표면에 Au 층을 형성한 후, 주사전자현미경(FE-SEM, S-4800, Hitachi, Japan)으로 mix Lower+upper mode에서 15 KV, 10 mA의 조건 하에 상온에서 수행하였다.
전기전도도의 측정: 직류 전기전도도는 4-단자 방법을 사용하여 측정하였으며, 이 때 current source로써 KEITHLEY 2400 source meter, 직류 전압 측정 기기로써 KEITHLEY 2182A nanovoltmeter를 사용하였다. 액체 헬륨 온도에서 상온까지의 온도 조절은 closed cycle He refrigerator (APD Cryogenics Inc.)와 KEITHLEY 331 temperature controller를 PC를 기반으로 하는 응용프로그램을 이용하여 제어함으로써 수행하였다.
Figure 2a는 CVD 방법으로 제작한 Cu-Graphene(3DiGn-Cu) 복합체로 이루어진 디스크를 보여준다. 육안으로 관찰 하였을 때 이 디스크는 전형적인 구리 색깔의 디스크에 검정색을 띠는 무엇인가가 덧 입혀진 느낌을 준다. 따라서 구리 입자 사이에 형성된 물질을 확인하기 위해 3DiGn-Cu 복합체 디스크에서 선택적으로 구리 입자만을 금속 부식액을 사용하여 제거하여 보았다. 결과적으로 Fig. 2b와 같이 반투명한 원형 구조물에 검정색을 띠는 성분이 고르게 박혀 있는 물질을 얻을 수 있었다. 이렇게 남겨진 물질이 구체적으로 어떤 것 인가를 확인하기 위해 Fig. 3과 같이 구리 입자를 제거하기 전/후의 전자현미경 얻어 비교하여 보았다.
구리 입자를 제거하기 전의 전자현미경 사진은 구리 분말 입자들이 뭉쳐 만들어진 3차원 그물망 구조물을 알 수 없는 투명한 물질이, 비록 작은 크기의 구리 분말 입자 사이를 모두 채우고 있지는 않지만, 3차원 그물망 구조를 이루며 둘러싸고 있는 모습을 보여주고 있다(Fig. 3a). 여기서 구리 부식액으로 구리 입자만을 제거하였을 때 남겨진 물질에 대한 전자현미경 사진은 Fig. 3b와 같다. 3차원 구리 구조물이 빠져 나간 부분이 빈 공간으로 남겨진 채로 구리 구조물을 둘러쌌던 투명한 물질이 매우 확연하게 드러나 있음을 볼 수 있다. 이를 라만분광분석으로 분석하였을 때 (Fig. 4), 약 1350cm-1에서의 그래핀의 D피크, 약 1580 - 1585cm-1 근처의 그래핀 G 피크, 마지막으로 약 2680cm-1에서의 그래핀의 2D 피크가 관측되었다. 따라서 그래핀의 D, G, 2D 및 2D/G 피크 세기의 비율로부터 그래핀의 층수를 판별할 수 있는데[12-20], 2D/G=1.00의 경우 ∼2층 정도를 만족하였다. 결국 구리 분말 뭉치로 이루어진 3차원 그물망을 둘러싸고 있는 Fig. 3b의 물질이 ∼2층 graphene이라는 것을 알 수 있었다.
3DiGn-Cu 복합체는 3차원적인 그래핀 그물망(graphene network)에 마찬가지로 Cu 금속망 구조가 3차원적으로 얽혀 있는 것이 Fig. 3으로부터 확인된다. 따라서 3DiGn-Cu 복합체에 전류를 흘려준다면 전류가 3차원 그래핀망 부분으로도 흐르고, 그 사이사이의 Cu 금속망 부분으로도 각각 흐를 수 있는 구조이므로 병렬연결된 저항처럼 고려할 수 있다. 만약 동일한 시료에 대하여 각각의 부분으로 흐르는 전기전도도를 구할 수 있으면 그 역할을 구분하여 논할 수 있을 것이다. Figure 5는 3DiGn-Cu 복합체에서 동일한 시료를 대상으로 먼저 3DiGn-Cu 복합체의 전기전도도를 측정한 후, 다시 3DiGn network만의 전기전도도를 측정하기 위해 이번 실험에서 수행한 4-단자법을 각각 도시한 것이다. 이를 위해 3DiGn-Cu 복합체 두께의 반은 구리 부식액을 이용하여 Cu만을 부식시켰다.
이렇게 되면 3DiGn-Cu 복합체의 전체 두께 중에서 반은 3DiGn-Cu 복합체로 있고 나머지 반은 3차원 그래핀망으로만 이루어진 3DiGn만 남게된다. 따라서 4단자 연결을 Fig. 5a와 같이 3DiGn-Cu 복합체 면에 수행한 후 전기전도도의 온도의존성을 측정하면 가해준 전류는 3DiGn-Cu 복합체 전체를 통해 흐르게 될 것으로 예상된다. 하지만 4단자 연결을 Fig. 5b와 같이 3차원 그래핀망이 드러난 반대면에 해주게 되면 가해준 전류는 3차원 그래핀망으로만 흐른다고 가정할 수 있다. 결과적으로 동일한 시료에 대한 전기전도도의 온도의존성을 3DiGn-Cu 복합체 전체와 3차원 그래핀망(3DiGn network) 각각으로부터 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진
Figure 7은 OFHC, 3DiGn-Cu 복합체, 그리고 3DiGn network에 대하여 측정한 비저항의 온도 의존성이다. 3DiGn-Cu 복합체 및 3DiGn network 모두 금속인 OFHC와 같이 온도 증가에 따라 비저항이 증가하는 것을 알 수 있다[21, 22].
특히 3DiGn의 비저항의 온도의존성은 3DiGn-Cu 복합체를 강화하기 위해 도입된 3DiGn network이 ∼2층 정도의 그래핀망이라는 Fig. 4의 라만분광분석을 고려할 때 매우 잘 맞는 결과로 볼 수 있다. 만약 3DiGn network이 3D graphite network으로 구성되었다면 온도가 증가할수록 비저항이 감소하는 거동을 보였을 것이기 때문이다.
그래핀이 갖는 뛰어난 기계적 특성과 전기전도 특성을 활용할 목적으로 구리 분말을 원하는 형태로 가공한 후 CVD 방법으로 그래핀을 형성하였다. 3차원적 구리 입자 뭉치 사이로 2층 정도의 3차원 그래핀망이 보강된 구리복합체(3DiGn-Cu 복합체)를 이루고 있음을 전자현미경과 라만분광분석을 통하여 확인할 수 있었다. 또한 동일한 3DiGn-Cu 복합체 두께의 반을 구리 부식액을 사용하여 구리만 제거 한 후, 3DiGn-Cu 복합체 면과 구리 제거 면(3DiGn)에 대하여 I-V 특성곡선과 전기전도도의 온도의존성을 각각 측정하고 OFHC의 그것과 비교하였을 때, I-V 특성 곡선은 모두 도체 특성을 보였으며, 그 비저항의 크기가 상온에서 3DiGn-Cu
This study was supported by research funds from Chosun University, 2019.