주석-다중벽 탄소나노튜브 나노복합재료의 열전도 특성과 Eu 이온 첨가에 따른 음극선 발광 특성

Abstract

본 연구에서는 Sn decoration을 기본으로 한 Sn-MWCNT nanocomposite을 제조하고 MWCNT의 높은 열 및 전기 전도도 특성을 전자패키지용 TIM 및 디스플레이용 발광 재료에 활용하기 위한 일련의 연구를 수행하였다. MWCNT의 표면 개질과 환원 반응을 이용하여 Sn-decorated MWCNT를 형성하고 이에 대한 구체적인 분석을 실시하였다. Sn-decorated MWCNT를 페이스트화 하여 실제 TIM으로의 적용을 위한 용융 및 wetting 특성을 평가하고 thermal contact resistance를 측정하였다. 특히, 스파크 플라즈마 소결법으로 Sn-MWCNT composite을 제조하고 MWCNT의 부피 분율에 따른 유효 열 전도도의 변화를 관찰하였다. 실험 결과는 EMA simple model calculation과의 비교 및 미세구조 관찰을 통해 그 원인을 찾고 유효성을 검증해 보았다. 또한, MWCNT 표면의 $SnO_2$ 형성을 이용한 $SnO_2$ -MWCNT nanocomposite에 Eu 이온 doping을 통해 음극선 발광 특성을 관찰하고 MWCNT의 첨가 효과를 확인해 보았다. 이러한 결과들을 요약하면 아래와 같다. 1) 표면 개질 및 환원 반응을 이용한 MWCNT 표면의 Sn decoration 형성 Catalytic CVD법으로 합성한 MWCNT의 표면에 작용기를 형성하기 위하여 $K_2Cr_2O_7 / H_2SO_4$ 용액 처리를 실시하였다. 산 용액 처리 후 얻어진 O-MWCNT에서는 carboxyl group과 같은 작용기에 대한 증거를 FT-IR, Raman, XPS를 통해 확인할 수 있었다. O-MWCNT를 $SnCl_2$ / HCl 용액내에 분산시키고 Sn의 환원을 위해 $NaBH_4$ 수용액을 가하여 Sn-derorated MWCNT 복합 분말을 제조하였다. 얻어진 결과를 HRTEM, XPS를 이용하여 분석한 결과 강력한 환원제인 $NaBH_4$ 를 사용함에도 MWCNT 표면에서는 2 ~ 3 nm의 크기를 가지는 $SnO_2$ nanoparticle들이 생성되고 잉여 Sn 이온들은 환원되어 Sn particle로 석출되는 것을 확인할 수 있었다. 2) Sn-MWCNT composite layer의 thermal contact resistance 측정 Sn-MWCNT nanocomposite 분말을 수용성 flux와 혼합하여 페이스트를 제조하고 Cu 기판 표면에서의 용융시 wetting 특성을 관찰하였다. 그 결과 Sn 기지 내에 MWCNT들이 함께 존재하는 layer가 생성되었음을 확인하였는데, 이는 MWCNT 표면의 $SnO_2$ nanoparticle들에 의해 용융 Sn과의 결합을 형성한 결과로 판단된다. Si 기판 표면에 형성된 Sn-MWCNT composite layer와 Cu reference 물질과의 접촉 계면에서 발생하는 thermal contact resistance를 1-dimensional steady state heat conduction을 가정하는 reference bar setup을 사용하여 측정하였다. 그 결과 접촉면에 가해지는 압력이 증가할수록 thermal contact resistance가 감소하는 경향을 얻었는데 이는 contact point 및 면적의 증가로 설명되었다. MWCNT의 첨가량에 따라서는 일정한 경향을 나타내기보다 표면 morphology에 크게 좌우되는 결과를 확인하였다. 3) Sn-MWCNT composite의 열 전도도 측정 및 결과 해석 3장에서 제조된 Sn-decorated MWCNT 복합 분말을 스파크 플라즈마 소결법으로 Sn-MWCNT composite으로 제작하였다. 제작된 composite에 대하여 아르키메데스 법으로 밀도를 측정한 결과 MWCNT의 낮은 밀도로 인하여 MWCNT 부피 분율이 증가함에 따라 시편의 밀도도 감소하는 경향을 보였다. DSC를 이용하여 Sn-MWCNT composite 시편의 specific heat capacity를