PVP 코팅막을 이용한 구리 나노 입자의 그래핀 코팅 기술과 이를 활용한 구리 나노 분말의 산화 방지 특성에 대한 연구

Abstract

금속 나노 분말은 기존의 lithography를 대체하거나 현재 개발 중인 Flexible display에 필수적인 재료로 큰 관심을 받고 있다. 하지만 이러한 금속 나노 분말은 기존의 입자 크기보다 크기가 줄어들면서 반대로 표면적은 훨씬 증가한다. 이러한 나노 파우더는 큰 표면적으로 인해 산소와의 접촉이 급격히 증가하면서 산화에 취약하다는 단점이 있다. 특히 구리는 다른 금속들에 비해서 산화력이 크기 때문에 산화를 방지해줄 보호막은 구리 나노 분말의 상용화를 위해 반드시 필요하다. 이러한 구리 나노 입자의 산화를 방지하기 위해 구리 입자 표면에 CVD 공정을 통해 그래핀을 코팅했다. 그래핀은 뛰어난 전기 전도성을 지니며 화학적 안정성을 가지기 때문에 구리 표면에 코팅하기 적합하다. CVD 공정을 통해 최적의 그래핀을 제작하기 위해 PVP의 양과 종류, 공정 분위기, 반응 온도를 변수로 설정했다. PVP의 종류는 K12, K30 두 가지를 사용하였고, PVP의 양은 10~50 wt%, CVD 공정에 사용되는 가스 분위기는 수소와 아르곤의 비율을 1:1부터 Ar 100 %까지 변화를 주었다. 또한 공정 온도는 900 ℃, 875 ℃로 나누어 비교했다. 실험의 변수가 여러 가지였기 때문에 변수를 X, Y, Z 축으로 나누어 3D 그래프 형태의 그래프로 만들어 결과를 비교했다. 실험 변수와 결과를 고려한 결과, 공정 온도 875 ℃, K12 PVP 용액 50 wt%, 공정 분위기 Ar: H2=1:1에서 산화 방지성과 전기 전도성 면에서 최적화된 그래핀이 코팅된 것을 확인했다. 하지만 그래핀이 코팅된 구리는 열처리 온도가 높아 구리 분말 형태가 아닌 일반적인 금속 형태로 제작되었다. 이러한 일반적인 금속 형태의 구리는 대부분의 용매에서 분산성이 떨어지기 때문에 추가 공정이 필요했다. 그래서 1-octanethiol을 건식 코팅 시스템을 이용하여 선행 연구를 통해 이미 최적화 된 공정인 5분, 6회 공정을 통해 구리 나노 분말에 코팅했다. 1-octanethiol은 VSAM (Vapor Self-Assembled Multilayer) 방식으로 구리 입자와 결합하여 Cu-S 결합을 형성한다. Cu-S 결합은 구리 표면에 코팅된 그래핀과 마찬가지로 구리 입자와 산소와의 접촉을 막아주어 산화를 방지하는 효과가 있다. 이후 그래핀이 코팅된 구리 분말과 1-octanethiol이 코팅된 구리를 2:8, 4:6으로 혼합 비율을 달리하여 구리 잉크를 제작하고 닥터 블레이드 방식을 통해 기판에 패터닝을 진행했다. 혼합 비율의 비교를 통해 그래핀이 코팅된 구리 나노 입자의 산화 방지성을 비교하고자 했다. 패턴의 소결 조건은 200 ℃ 1hr, 350 ℃ 4hr 였으며 α-step과 4-point probe를 이용하여 구리 패턴의 두께 및 비저항을 측정했다. 이러한 구리 패턴의 저항치를 장기적으로 관찰했다. 그래핀의 비율이 더 높은 4:6 혼합 비율의 샘플 초기 저항 값이 2.93 x 10-7 Ω·m가 약 210일 동안 유지되는 것을 확인했다. 이를 통해 그래핀이 코팅된 구리 나노 입자의 산화 방지 효과를 입증했다. 이러한 결과를 통해 구리 나노 분말의 최대 단점인 산화로 인한 내구성 감소의 문제를 해결할 수 있을 것으로 본다.