(A) study on formation of nanocracks in Pd thin films on an elastomeric substrate : nanogap-based hydrogen gas sensors

국문 초록 (Abstract)

기존의 플렉서블 (flexible), 벤더블 (bendable), 롤러블 (rollable), 폴더블 (foldable)이 가능한 플라스틱 재료의 기판 또는 점탄성 (viscoelastic) 물질의 기판에 제작한 박막 표면의 인위적인 크랙 형성은 임의로 잡아당기거나 구부리는 방법, 수소 취성 방법, 액체 질소에 노출 시키는 방법 등을 이용하였다. 그러나 이러한 방법은 임의로 크랙을 형성할 수는 있으나 크랙이 형성되는 방향, 형성되는 크랙의 평균 너비, 크랙 밀도 등을 제어할 수는 없었다.
본 연구는 점탄성 재료인 폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS) 기판 위에 증착된 팔라듐 (Pd) 박막에 나노 크기의 크랙 (crack)이 형성되는 정도를 제어하는 공정과 그를 응용한 수소 가스 센서에 관한 연구이다.
주재료와 경화제의 비율을 10:1로 합성하여 제작한 점탄성의 특성을 가지는 0.6-0.75 mm두께의 폴리디메틸록산 기판 위에 초고진공 직류 마그네트론 스퍼터 (Ultra-High Vacuum Direct Current Magnetron Sputter, UHV DC Magnetron Sputter)를 이용하여 약 10 nm 두께로 증착된 팔라듐 박막을 마이크로인장시험기를 이용하여 인장 속도 100-800 μm/s 및 인장 변형률 30-120% 로 정량적인 조절하여 Load-Unload Cycling 으로 기계적 거동을 하게 되면, 박막과 기판의 기계적 거동의 차이에 의해 나노 크기 크랙의 수직/수평 방향성과 밀도, 평균 너비와 같은 크랙 형성 정도를 제어할 수 있었다.
이를 팔라듐 박막 기반의 수소 가스 센서로 응용하게 되면 형성된 크랙의 평균 너비가 좁고, 그 밀도가 높을수록 팔라듐 박막의 부피팽창은 용이해지고, 표면적은 넓어지기 때문에 확산속도가 빨라지게 되어 공기 중에서 저농도의 수소를 검지가 가능하다.
Load-Unload의 Cycling 인장 속도 및 인장 변형률 조절을 통해서 인장 방향에 대해 수직, 수평 방향의 나노 크기의 크랙이 형성 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 시편의 표면 형태 분석을 통해 인장 속도와 인장 변형률이 증가함에 따라 평균 크랙 밀도가 증가한다는 사실을 확인하였으며, 90% 이상의 인장 변형률로 시편을 인장시키면 인장 방향에 대해 수평방향으로 크랙이 형성되기 시작한다는 것을 발견하였다. 이러한 결과를 토대로 수소 가스 센싱에 적용시켰을 때, 평균 크랙 밀도가 높은 경우 수소 가스 센싱이 용이하며, 인장 변형률 120 %로 연신/압축 사이클을 한 경우 상압의 공기 중에서 가장 낮은 수소 검지 농도 (50 ppm)를 가지는 것을 확인하였다.
본 연구는 간단하고 손쉬운 공정을 통해 박막과 기판의 기계적 거동의 차이를 이용하여 정량적인 방법으로 박막에 형성되는 크랙의 평균 너비와 밀도, 크랙 형성 방향을 손쉽게 조절할 수 있음으로써, 이를 이용한 가스 센서에서 검지 능력이 향상되는 것을 확인하였다. 이러한 나노 크기의 크랙 제어을 제어할 수 있는 공정을 이용하여 가스 센서 뿐만 아니라, 스트레인 센서 등 플렉서블, 벤더블, 롤러블, 폴더블이 가능한 폴리머 기판을 이용한 센서를 기반으로 하는 다양한 전기ᆞ전자소자에서 전기적 특성을 제어 및 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We report the effects of various tensile velocities and strains on the nanocrack formation in a palladium thin film on an elastomeric polydimethylsiloxane substrate and its hydrogen gas sensing properties. We achieved quantitatively nanocrack formation by stretching/compression cycles with adjusting the mechanical tensile velocity and strain applied to a palladium thin film on an elastomeric polydimethylsiloxane substrate. This method can be used to modulate nanocrack formation along both the x- and y-axes over a large area. From the microstructural analyses, we found that the tensile velocity has a significant effect on the crack density but little effect on the average crack width. However, in tensile strain variation, increase in the applied tensile strain of 90 % gives rise to the appearance of horizontal cracks in y-axis in addition to the increased number of vertical cracks in x-axis. When the strain reaches to 120 %, lots of ordered nanocracks are abundantly propagated on the palladium surface in both directions. The palladium nanogap sensor prepared under a high tensile velocity showed a high performance with a low detection limit of 500 ppm of hydrogen in air. In addition, sensing property measurement showed a dramatic enhancement with the lowest detection limit of 50 ppm hydrogen in air at 120 %, which is attributed from the large surface area in the palladium nanocrack pattern readily allowing volume expansion. From these results, this mechanism presents a simple tool for controlling the sensing properties of hydrogen gas sensors with a low detection limit even in air.

참고문헌 (Reference)

1. 수소가스센서, 정현식(H.-S. Jeong), 대한설비공학회, The Magazine of the Society of Air- Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea 36 23‒28, , 2007

2. 고체 고분자의 비선형 점탄성 이론 (Nonlinear viscoelastic theories of solid polymers), 조광수(K. S. Cho), Polymer Science and Technology 12 61‒70, , 2001

3. [고분자 특성분석 지상강좌] 점탄성의 측정과 고분자 물질의 구조 (Viscoelastic measurement and structure of polymeric Materials), 조광수(K. S. Cho), Polymer Science and Technology 19 170‒176, , 2008