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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 黃塡夏
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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최근 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube)와 그래핀(graphene)과 같은 저차원 구조의 탄소 물질은 우수한 기계적, 전기적, 열적, 광학적 특성으로 인해 차세대 투명 유연 소자로의 응용 (전극, 트랜지스터, 센서 등)을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 그래핀을 기반으로 한 전계효과 트랜지스터 (field effect transistors)를 제작할 경우, 우수한 전하이동도 (carrier mobility)를 지니는 소자의 제작이 가능하지만 밴드갭이 없기 때문에 큰 on/off 전류 비를 기대하기는 어렵다. 또한 투명전극 (transparent electrodes)으로 응용하게 될 경우, 상용화되어있는 인듐-주석 산화물 (indium tin oxide, ITO)에 비해 면저항이 높다는 문제점이 있다. 현재 다양한 방법을 통해 이러한 문제점을 해결하기 위한 연구가 진행 중이다.
본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀 하이브리드 박막을 개발하여, 앞서 언급된 문제점들을 보완하여 투명전극과 전계효과트랜지스터로의 응용을 위한 연구를 수행하였다. 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀 하이브리드 박막은 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 구리 호일 위해 열 화학기상증착법 (thermal vapor deposition)을 통해 그래핀을 합성하여 제작하였다. 제작 과정에서 단일벽 탄소나노튜브의 스핀코팅 조건의 변화를 통해 밀도가 제어되고 정렬된 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 박막을 제작하였으며, 이에 따른 전기적 특성의 비등방성 (anisotropy)을 확인하였다. 하이브리드 박막의 투명전극으로의 응용 가능성을 확인 한 결과 96.4%의 우수한 투과도와 300 Ω/sq의 낮은 면저항 특성을 확인할 수 있었다. 이후 AuCl3 도핑실험을 실시하여 결과적으로 투과도 93.3%에 면저항이 155.5 Ω/sq까지 감소하는 특성을 확인하였다, 또한 하이브리드 박막 전계효과트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 확인한 결과, 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브 단일 채널 소자와 비교했을 때, 향상된 전기 전도도, 전하 이동도 및 on/off 전류비를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 그래핀의 전기적 특성을 악화시키는 결정립 경계(grain boundary)에 단일벽 탄소나노튜브가 가교 역할을 하여 전자 산란을 억제하였기 때문이라 생각된다. 또한, 하이브리드 구조에서 발생하는 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브 간의 접촉 저항 문제를 직접 합성함으로써 개선할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 우리는 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 저차원 탄소소재 하이브리드 박막이 고성능 투명 유연 전자소자 분야로의 응용에 큰 가능성을 제시할 수 있을 것이라 기대한다.
본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀 하이브리드 박막을 개발하여, 앞서 언급된 문제점들을 보완하여 투명전극과 전계효과트랜지스터로의 응용을 위한 연구를 수행하였다. 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀 하이브리드 박막은 단일벽 탄소나노튜브가 코팅된 구리 호일 위해 열 화학기상증착법 (thermal vapor deposition)을 통해 그래핀을 합성하여 제작하였다. 제작 과정에서 단일벽 탄소나노튜브의 스핀코팅 조건의 변화를 통해 밀도가 제어되고 정렬된 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 박막을 제작하였으며, 이에 따른 전기적 특성의 비등방성 (anisotropy)을 확인하였다. 하이브리드 박막의 투명전극으로의 응용 가능성을 확인 한 결과 96.4%의 우수한 투과도와 300 Ω/sq의 낮은 면저항 특성을 확인할 수 있었다. 이후 AuCl3 도핑실험을 실시하여 결과적으로 투과도 93.3%에 면저항이 155.5 Ω/sq까지 감소하는 특성을 확인하였다, 또한 하이브리드 박막 전계효과트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 확인한 결과, 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브 단일 채널 소자와 비교했을 때, 향상된 전기 전도도, 전하 이동도 및 on/off 전류비를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 그래핀의 전기적 특성을 악화시키는 결정립 경계(grain boundary)에 단일벽 탄소나노튜브가 가교 역할을 하여 전자 산란을 억제하였기 때문이라 생각된다. 또한, 하이브리드 구조에서 발생하는 그래핀과 단일벽 탄소나노튜브 간의 접촉 저항 문제를 직접 합성함으로써 개선할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 우리는 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 저차원 탄소소재 하이브리드 박막이 고성능 투명 유연 전자소자 분야로의 응용에 큰 가능성을 제시할 수 있을 것이라 기대한다.
목차
제 1 장 서 론 11.1. 연구 배경 1제 2 장 이론적 배경 32.1. 그래핀 정의 32.2. 그래핀 원자구조와 전자구조 52.3. 그래핀 특성 82.3.1. 전기적 특성 82.3.2. 화학적 특성 102.3.3. 광학적 특성 122.3.4. 기계적 특성 132.3.5. 열적 특성 132.4. 그래핀의 합성 방법 142.4.1. 기계적 박리법 142.4.2. 화학적 박리법 162.4.3. 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD) 182.4.4. 에피택시 (epitaxy growth) 202.5. 탄소나노튜브의 원자구조와 전기적 특성 21제 3 장 실험 방법 및 분석 243.1. 실험방법 243.1.1. 실험 개요 243.1.2. 단일벽 탄소나노튜브 분산 및 코팅 과정 263.1.3. 화학기상증착법을 이용한 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 필름 합성 273.1.4. 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 필름 전사 방법 293.1.5. 단일벽 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 전계효과트랜지스터 제작 303.1.6. AuCl3도핑 방법 323.2. 구조 분석 방법 333.2.1. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 333.2.2. 원자힘현미경 (atomic force microscopy, AFM) 343.2.3. 투과전자현미경 (transmission electron microscopy, TEM) 353.3.4. 라만 분광법 (Raman spectroscopy) 373.3. 전기적·광학적 특성 분석 방법 383.3.1. 전기적 특성 분석을 위한 전극 제조 및 장비 383.3.2. 적외선-가시광선 분광 분석 (Ultraviolet ? visible spectroscopy, UV/Vis) 39제 4 장 실험 결과 및 분석 404.1. 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 박막의 구조적 특성 분석 404.2. 탄소나노튜브-그래핀 하이브리드 박막의 전기·광학적 특성 분석 46제 5 장 결론 56참고문헌 57ABSTRACT 66
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