플라스틱 필름에 전기 저항이 제어된 탄소나노튜브 배선 직접 형성

Mar 24, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2254(2023) 이 기사 인용

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대기압 하 상온에서 플라스틱 필름에 다중벽 탄소나노튜브(MWNT) 배선을 제작하는 간단한 방법을 개발했습니다. 폴리프로필렌(PP) 필름에 코팅된 MWNT 박막에 레이저를 조사하면 MWNT와 PP가 복합된 전도성 배선을 PP 필름 위에 직접 제작할 수 있다. 이 방법을 사용하여 제작된 MWNT 배선의 저항은 0.789~114kΩ/cm 범위였습니다. 레이저의 스캔 속도를 변경함으로써 단일 배선 내에서도 단위 길이당 저항이 다른 다양한 영역을 제작할 수 있습니다. 가변 저항을 갖는 MWNT 배선의 형성 메커니즘은 단면 주사 전자 현미경 및 현미경 라만 이미징을 사용한 미세한 구조 관찰과 같은 실험 결과와 국부 레이저 가열 중 필름의 열 전도와 같은 시뮬레이션 결과를 통해 논의되었습니다. 결과는 고온에서 MWNT 내 PP 확산에 의해 MWNT 배선이 형성되었음을 시사한다. 우리는 또한 배선에 사용되지 않은 과잉 MWNT를 회수하여 새로운 배선을 제작하는 데 사용할 수 있음을 입증했습니다. 이 방법은 경량 플렉서블 센서, 에너지 변환 장치, 에너지 저장 장치와 같은 전탄소 장치 구현에 활용될 수 있습니다.

플렉서블 올카본 소자는 유연성과 경량성, 우수한 물리화학적 특성으로 인해 포스트실리콘 소자로 주목받고 있다1,2,3. 탄소 나노튜브(CNT)는 흥미로운 물리적, 화학적 특성으로 인해 유연한 완전 탄소 장치를 위한 가장 유망한 구성 요소 중 하나입니다4. 최근에는 견고한 기판의 CNT 장치 외에도 플라스틱 필름과 같은 유연한 기판의 CNT 장치가 널리 보고되었습니다. 일반적인 유연한 기판은 고온 성장 공정에 사용할 수 없기 때문에 CNT 기반 유연한 장치는 일반적으로 다음 단계로 제조됩니다. 첫째, CNT는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 단단한 기판 위에 성장됩니다. 그런 다음 CNT는 리소그래피 공정을 통해 패턴화됩니다. 마지막으로, CNT 배선은 유연한 기판으로 전송됩니다. 이 방식에는 두 가지 문제가 있는데, 그 중 하나는 고온 공정과 클린룸 공정을 포함한 순차적인 공정이 필요하다는 점이다. 다른 하나는 전사된 CNT 배선의 전기저항이 전사 전 CNT 필름의 저항에 의해 결정되기 때문에 다양한 저항값의 CNT 배선을 제작하기 위해서는 반복적인 전사 공정이 필요하다는 점이다. 따라서 플라스틱 기판에 저항이 제어된 CNT 배선을 직접 형성할 수 있는 간단한 공정 개발이 ​​필요합니다.

플라스틱 기판에 CNT 배선을 직접 제작하는 두 가지 주요 방법, 소위 레이저 유도 순방향 전송(LIFT) 방법과 열 융합(TF) 방법이 보고되었습니다. LIFT 방식은 레이저를 조사한 재료를 근접한 대상 기판에 전사함으로써 기판 재료에 관계없이 CNT 배선의 직접 쓰기를 달성하는 기술이다19. LIFT 방법은 패턴 마스크를 통한 레이저 조사를 통해 CNT를 알루미늄, 폴리이미드, 유리, 석영과 같은 다양한 기판으로 전달할 수 있습니다. LIFT 방식에서는 저항이 다른 도너 물질을 준비해야 하기 때문에 CNT 배선의 저항 제어가 어렵다. 또한 LIFT 방법에는 일반적으로 고가의 펄스 레이저가 필요합니다. TF 방법에서는 CNT를 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등의 고분자와 미리 혼합해 두었다. 그런 다음 레이저를 사용하여 복합재를 국부적으로 가열하여 폴리머를 선택적으로 기화시켰습니다. 그 결과, CNT 배선이 형성되었다. TF 방법은 레이저 조건을 변경하여 유연한 기판에서 CNT 배선의 저항을 제어할 수 있습니다. 예를 들어 CNT 배선의 저항은 레이저 조건이 다양함에 따라 0.021~464kΩ/cm 범위로 보고되었습니다. 그러나 TF 방식은 고분자에 CNT를 미리 혼합해야 하고, 이를 위해서는 배선 제작에 많은 양의 CNT가 필요하다는 문제가 있다. 이는 복합재의 대부분의 CNT가 활용되지 않음을 의미합니다. TF 방법은 폴리머를 제거하기 위해 고출력 레이저가 필요합니다.