폴리머 기판에 전사된 다층 그래핀의 전기-기계적 거동

Abstract

가벼운 무게와 유연한 형상으로 사용자의 휴대성과 편리성이 획기적으로 향상된 유연전자소자가 차세대 전자소자로 주목을 받고 있다. 하지만 유연전자소자는 기계적인 하중에 쉽게 노출 되어 균열, 박리 등의 기계적 신뢰성 문제들이 발생하게 된다. 그러므로 유연전자소자를 적용하기 위해서는 기계적 신뢰성을 향상 시키는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 유연전자소자에 사용될 수 있는 소재 중에서 그래핀은 유연성, 높은 투과도, 우수한 전기적 열적 전도성, 대면적 공정 등 여러 가지 장점들을 가지고 있다. 따라서 그래핀을 수퍼캐패시터, 트랜지스터, 센서, 태양전지 전극 등에 활용하여 유연전자소자를 구현한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 그래핀을 이용하여 유연전자소자의 기계적 신뢰성을 향상 시키는 것을 시도하였다. 첫 번째로 그래핀으로 신뢰성 있는 유연 투명 전극을 만드는 것과 두 번째로 그래핀을 이용하여 전극이나 전자소자의 전기-기계적 안정성을 향상시키는 것을 목표로 하였다. 그래핀은 주로 화학기상증착법을 사용하여 대면적으로 합성 할 수 있다. 반면에 그래핀을 화학기상증착법으로 합성하고 기판에 전사하는 과정에서 자체의 결함과 외부에 의한 손상으로 신축성이 크게 낮아 진다는 단점이 있다. 신뢰성 있는 유연 투명전극을 제작하기 위해 인공적으로 적층한 다층 그래핀을 사용하였다. 습식전사를 이용한 그래핀의 전기-기계적 거동의 거시적인 차이를 분석하기 위해 실시간 저항 측정과 함께 인장 실험을 하였다. 얇은 박막에 손상을 주지 않으면서 변형률을 정확하게 측정하기 위해 비접촉식 변형률 측정 방법인 Digital image correlation(DIC) 을 이용하였다. 단층 그래핀에 비해 다층 그래핀의 우수한 신축성을 확인 할 수 있었고, 그 원인을 분석하기 위해 폴리머 기판에 전사된 그래핀의 표면을 분석하였다. 폴리머 기판에 전사된 그래핀의 손상이나 균열 등은 기존의 광학이나 전자현미경으로 분석하기가 어렵기 때문에, 폴리머 기판과 그래핀의 마찰력의 차이가 크게 나타나는 것을 고려하여 원자현미경 측정 방법 중에 하나인 Lateral force microscopy (LFM)을 이용 하였다. 원자현미경과 전기저항 측정 장치를 연결한 실시간 미소 인장 시험기를 사용하여, 인장 실험 동안에 그래핀에 발생한 균열 분포를 LFM 이미지로 명확하게 얻을 수 있었다. 다층 그래핀의 우수한 신축성에 대한 미시적 역학은 인공적으로 쌓은 그래핀 간의 약한 상호작용으로 층간의 미끄러짐이 발생한다는 것임을 알 수 있었다. 그래핀을 이용한 제품을 상용화 하기 위해서는 대면적 전사와 롤투롤 연속 공정이 가능한 건식전사 방법이 필수적이다. 그러므로 건식전사를 이용하여 인공적으로 적층한 다층 그래핀의 전기-기계적 거동을 확인 하였고, 습식 전사된 다층 그래핀과 유사한 전기-기계적 거동이 나타나는 것을 관찰 하였다. 이로써 대량생산에 적합한 건식 전사된 그래핀의 경우에도 인공적으로 적층한 다층 그래핀이 우수한 신축성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한 그래핀의 신뢰성 평가를 위해 변형률을 증가 시켜가며 부하-제하 실험을 하였다. 단층 그래핀은 부하-제하 구간에서 저항이 불안정 하지만 다층 그래핀은 저항이 일정한 것을 통해 발생한 균열이 진전하지 않고 보존된다는 것을 알 수 있었다. 반복적인 하중에서 그래핀의 기계적 거동을 확인하기 위해 피로 실험을 하였다. 수행한 부하-제하 실험에서 가장 큰 변형률을 평균 값으로 하였고, 폴리머 기판의 탄성 범위를 고려하여 변형률 진폭을 정하였다. 단층 그래핀에 다층 그래핀은 7500 cycle 이상에서도 저항이 유지되는 것을 통해 높은 신뢰성을 확인 하였다. 약간의 투과도 감소라는 단점이 있지만 인공적으로 적층한 다층 그래핀을 적용함으로써 신뢰성이 높은 유연 투명전극을 만들 수 있다는 것을 알 수 있다...