탄소나노섬유 기반 초흑색 코팅의 화학기상증착 직접 성장 최적화 및 광흡수 특성에 관한 연구 = A Study on the Optimization of Chemical Vapor Deposition Direct Growth and Light-Absorption Performance of Carbon Nanofiber-Based Super Black Coatings

국문 초록 (Abstract)

광 흡수체 연구는 다양한 분야의 기술적 수요를 충족시켜 기존 한계를 넘 어설 수 있는 가능성을 갖고 있다. 이는 우주 항공 및 반도체 검사 계측과 같은 첨단 광학 분야에서 이미지 센서에 도달되는 불필요한 산란광으로 인 해 신호 대 잡음비가 저하되고 미세 측정의 정확도가 감소하는 문제를 해결 할 수 있는 대안이 될 수 있다. 탄소 나노 물질 기반 초흑색 코팅 기술은 이 와 같은 미광과 반사광을 최소화하기 위해 광학계 표면 반사도를 극한까지 낮춰 성능 유지를 위해 적용될 수 있으며 이외에도 열복사 방출체, 태양열 집열 및 친환경 방빙 코팅 등 다양한 분야의 수요를 만족시킬 수 있다. 수직 정렬된 탄소나노튜브(Vertically Aligned Carbon Nanotube : VACNT) 기반 의 코팅은 매우 우수한 광흡수 특성을 보유하고 있으나 웨이퍼 기반의 공정 최적화로 인해 유연하고 복잡한 구조에 적용할 수 없고 금속 기판과의 낮은 계면, 화학적 안정성 같은 한계가 존재하여 산업 응용의 난항을 겪고 있다. 또한 상기와 같은 단점은 극한 환경에서의 장기간 성능 안정성을 요구하는 우주산업 분야에 적용하는 데 있어 중요한 기술적 장애 요소가 되며 이를 개선하기 위한 새로운 방안이 필요한 상황이다. 본 논문은 광학계에서 주로 사용되는 알루미늄 합금(Al6061) 기판 위에 탄 소나노섬유(Carbon Nanofiber : CNF) 기반 초흑색 코팅을 직접 제작하였으 며, 우수한 광학적 특성 달성과 장기간 임무를 위한 견고한 기계적 안정성을 제시하였다. 본 논문의 전반부에서는 기존의 촉매 형성을 위한 증착 공정을 기용하지 않고도 in-situ 방식을 통해 니켈(Ni) 기반 복합 촉매를 표면 산화층 내부에 통합시키는 전처리를 제안하고 화학 기상 증착(Chemical Vapoer Deposition : CVD) 공정 조건을 최적화하여 초흑색 코팅 제작을 위한 새로운 방식을 제 안한다. 양극 산화(Anodizing) 전처리를 통해 기판 표면에 형성된 다공성 산 화층은 용액 기반 실링(Sealing) 공정을 통해 Ni 이온이 산화 기공 내부로 침투하여 고정화될 수 있도록 설계되었다. 해당 방식은 기존 촉매 스퍼터링 (Sputtering)이나 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD)과 같은 금속 박막 공정을 대체할 수 있어 장비 의존성을 크게 줄일 수 있으며 평면 기판 의 한계를 개선하고 공정 복잡도를 최소화한다. 특히 일반 양극 산화 대비 흑색 양극 산화(Black Anodizing) 전처리는 표면에 생성되는 Cr-rich 보호막 이 탄소나노섬유 성장 과정에서 촉매의 열적 안정성과 산화 저항성을 증가 시키며, Ni 단일 촉매로 형성된 촉매층과 비교하여 복합 촉매 형성이 우수 한 광학적 특성을 가진다는 것을 확인하였다. 기존 탄소나노섬유 구조를 제 작하기 위한 고온 공정을 상대적으로 용융점이 낮은 알루미늄 합금 기판에 적용하기 위해 전구체 가스 활성화를 위한 Zone 1과 기판이 로딩되어 초흑 색 코팅이 형성되는 Zone 2를 나누는 Two-Zone 전략을 활용하였으며 해당 공정에 적용되는 화학 기상 증착 조건의 주요 공정 변수(가스 유량, 성장 시 간, 압력, 기판 온도)를 최적화하여 기판 전처리와 공정 환경의 중요성을 제 시한다. 본 논문의 후반부에서는 열화학기상증착 공정 최적화를 통해 제작된 고품 질 탄소나노섬유 기반 초흑색 코팅의 성능 특성을 분석하고 실제 산업계의 응용 가능성을 검토하였다. 초흑색 코팅은 빛을 효과적으로 차폐하는 탄소 나노 물질 특성과 함께 나노 다공 구조에 기반한 광흡수 메커니즘과 시너지 효과를 통해 300-2500 nm 영역에서 평균 99% 이상의 흡광 특성을 달성하였 으며 중적외선(Mid-Infrared : Mid-IR) 영역에서 또한 평균 98.5% 이상의 높 은 광학 성능을 달성할 수 있었다. 또한 본 논문에서 제시한 코팅은 4-Point Probe를 이용한 전기 전도도 측정을 통해 정전기 방지(Antistatic) 기능의 검 증과 더불어 물 접촉각 측정을 통한 소수성 특성을 비롯한 신뢰성 평가 결 과를 기반으로 우주 환경에서 장기간 임무 중 발생 가능한 성능 저하 감쇠 요인으로부터 견고한 내구성을 유지할 수 있음을 검증했다. 이후 해당 코팅 은 단차원 기판을 넘어 유연하고 복잡한 구조에서 또한 평면과 일관되게 균 일하고 우수한 품질로 성장하였으며 상업용 광학 배플 구조에 직접적으로 달성하는 것으로 본 논문에서 제시한 원천 기술이 실질적으로 산업계에 즉 시 적용될 수 있음을 증명하였다.

목차 (Table of Contents)

• 그 림 목 차 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ⅱ
• 국 문 요 약 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ ⅳ
• I . 서 론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1
• II . 탄소나노섬유 기반 초흑색 코팅의 제조 공정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6
• 1. 탄소나노섬유의 성장 매커니즘 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 6
• 2. 기판 전처리 공정 및 재료 구성 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 10
• 3. 화학기상증착 공정 조건의 최적화 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 12
• III . 탄소나노섬유 기반 초흑색 코팅의 성능 특성 및 응용 평가 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 16
• 1. 탄소나노섬유의 구조적 특성 분석 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 16
• 2. 광대역 파장에서의 광흡수 특성 평가 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 20
• 3. 정전기 방지 및 소수성 특성 평가 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 28
• 4. 기계적 내구성 및 자외선 안정성 평가 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 31
• 5. 상용 광학 배플 구조 적용 가능성 검토 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 38
• IV . 결 론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 40
• 참 고 문 헌 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 42
• ABSTRACT ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 48
• 출 판 논 문 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 50
• 학 회 발 표 목 록 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 51