Cu powder

직접 측정할 수 없기 때문에 나중에 계산을 통해 구해줄 3D-Cu network와, 비교하 기 위한 기존의 그냥 Cu powder도 전기전도도 실험을 진행하였다.

Fig. 3. 12.를 보아 Cu powder는 Metalic한 성질을 가지고 있음을 알 수 있다. 온도 의존성 실험은 3D-Graphene network와 유사하게 온도가 증가할수록 비저항이 감소하 는 반도체적 성질을 띠는 것을 볼 수 있다. Current가 0일 때, 전압이 걸려있는 것은 샘플 내에서 대전현상(Electrification 또는 Charging)이 일어난 것으로 보인다.

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

Cu powder

V ol ta ge ( mV )

Current (A)

Fig. 3. 12. I-V graph of Cu powder.

10 100 2.5

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Cu powder

R es is tiv ity ( mW ·c m )

Temperature (K)

Fig. 3. 13. Temperature dependence of resistivity in Cu powder.

R(Ω) ρ(μΩ·cm) σ(S/cm)

Cu powder 1.55643×10^-5 2.373 421390 Table. 3. 7. Resistance, Resistivity and Electric conductivity of Cu powder.

위의 실험들을 통해 직접 측정할 수 없었던 3D-Cu network 부분은 앞서 세웠던 3D-Graphene network와 3D-Cu network는 병렬저항의 구조를 이루고 있을 것 이라 는 가정을 통해, 병렬저항 계산식을 가지고 3D-Cu network를 도출해 낼 수 있다. 계 산식은 다음과 같다.

_

  _

  _

  _{  }

 10)

_{  }

  _

  _

 11)

∴ _

  _{  }

  _

 12)

위의 식들은 2장의 방정식 2를 이용해서 _를 계산해볼 수 있다.

_{ }

_

__

13)

__

_

 __

_

 __

_

14)

Fig. 3. 7.은 같은 크기의 한 샘플이기 때문에, 단면적A와 전극간의 거리ℓ이 동일하 다고 보아, __ _, _ _  _ 이라하면, A와 ℓ을 약분시켜주고 계 산 하여 주어, 다음과 같이 3D-Cu network에 대한 값을 구할 수 있다.

_

  _

  _

  _{  }

 15)

∴ _

  _{  }

  _

 ∝ _

 16)

10 100 2

4 6 8 10 12

3D-Cu network Cu podwer

Resistivity (mW·cm)

Temperature (K)

Fig. 3. 14. Comparison of the temperature dependence of resistivity in 3D-Cu network with Cu powder.

Fig. 3. 14.는 방정식 16으로 구한 3D-Cu network의 값을 Cu powder와 함께 온도 의존성에대한 비저항으로 나타낸 그래프이다. 3D-Cu network에서는 온도가 증가할수 록 비저항이 증가하는 금속의 Metalic한 거동을 보여주고 있고, 순수한 Cu powder에 서는 온도가 증가할수록 비저항이 감소하는 반도체적 성향을 보이고 있다. 이점을 통 해 3D-Cu network 부분과 3D-Graphene network부분 사이의 전기전도도 메커니즘이 일어났기 때문에 3D-Cu network가 영향을 받아 도체의 그래프를 나타낸다고 생각하 였다. 또한, 3D-Cu network에서 곡선으로 증가하다가 약 207K 부근부터 약간 꺾여서 증가하는 것과 Cu powder에서는 점차 감소하다가 207K부근에서 꺾여서 급격히 더 감

제 4장 결론

위 실험들을 통해 나온 OFHC Cu, 3DiGn-Cu composite, 3D-Graphene network, Cu powder와 앞서 병렬회로 계산식을 통해 구한 3D-Cu network와 비교를 해보았다(Fig.

3. 15., Table. 3. 9.).

10 100

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

OFHC Cu

3DiGn-Cu composite 3D-Cu network 3D-Graphene network Cu powder

C on du ct iv ity ( S /c m )

Temperature (K)

Fig. 3. 15. The conductivity of OFHC Cu, 3DiGn-Cu composite, 3D-Cu network, 3D-Graphene network, Cu powder.

Fig. 3. 15.는 앞서 실험한 샘플들을 12 K부터 297 K까지 plot하여 전기전도도에 대 하여 나타낸 것이다. 그래프에 보여 지는 것처럼 상온에서 OFHC Cu와 Cu powder의 전기전도도는 매우 비슷한 값을 가지나, 온도가 감소할수록 OFHC Cu는 증가하므로 저온에서도 전기전도도가 좋지만, Cu powder는 감소하는 것으로 보아 저온에서의 전 기전도도는 다소 떨어짐을 알 수 있다. Cu powder와 3DiGn-Cu composite을 통해 구

한 3D-Cu network의 그래프는 서로 다른 거동을 보인다. 이는 Graphene과 Cu사이에 어떠한 상호작용이 있다는 것을 알 수 있다. 덧붙여, 3D-Graphene network와 3D-Cu network가 병렬회로로 전류가 각각 흐른다는 가정 하에 실험한 것도 이 가정이 맞다 면, 3D-Graphene network부분으로 4-probe contact하여 실험하였을 때 와 3DiGn-Cu composite부분으로 contact하였을 때의 결론적 값은 둘이 같아야한다.

하지만 서로의 값은 같지 않았다. 이 또한, 3D-Graphene network와 3D-Cu network 사이의 어떤 interface가 있다는 말이 되며(Fig. 3. 16.), Fig. 3. 15.의 OFHC Cu와 3DiGn-Cu composite의 그래프나, Table 3. 8.의 전기전도도에서 보듯이, 본 연구에서 의 3DiGn-Cu composite은 OFHC Cu만큼의 좋은 전기적 특성은 가지지 못했지만 Graphene으로 Cu를 강화하는 것이 충분히 유의미하다는 것을 알 수 있다.

마지막으로, Graphene network와 Cu powder는 반도체적인 거동을 보여주고 있는 있는데, Cu powder의 경우 상온에서 전기전도도는 OFHC Cu 만큼 높으나(Table. 3.

8.), 반도체적인 성질을 보여주는 것이 의문점이다. 이는 Cu powder를 이용해 만들어 진 이 샘플의 특성이거나, Cu powder자체의 특성 혹은, Fig. 3. 12.에서 언급한 것처럼 샘플사이의 연결로 인해 SCLC(Space Charge Limited Conduction; 공간 전하 제한 전 도)에 의한 것이라고 판단된다.

R(Ω) ρ(μΩ·cm) σ(S/cm)

OFHC Cu 5.40252×10^-5 2.251 444237 3DiGn-Cu composite(half) 9.34541×10^-5 4.506 221935 3D-Graphene network 8.65772×10^-5 5.195 192506 Cu powder 1.55643×10^-5 2.373 421390 Table. 3. 8. Resistance, Resistivity and Electric conductivity of OFHC Cu,

3DiGn-Cu composite, 3D-Graphene network, Cu powder.

Fig. 3. 16. Schematic picture presenting a possible current flow between the Graphene-Cu interface.

금속 종류 비저항(μΩ·cm) 표준구리에 대한 저항률의 비

구리 1.7241 1.00

OFHC Cu 2.251 1.31

3DiGn-Cu composite 2.996 1.74

3DiGn-Cu composite(half) 4.506 2.61

Graphene network 5.195 3.01

Cu powder 2.373 1.38

Table. 3. 9. Ratio of resistivity to standard copper.

참고문헌

[1] 우정훈. “The synthesis and evaluation of thermal conductivity material of using Graphene”. (2018), pp.1-3.

[2] K. Lu. Science 328, 319 (2010).

[3] W. Wu, SH. Brongersma, M. Van Hove, & K. Maex. Appl. Phys. Lett. 84, 2838 (2004)

[4] M. W. Park, J. K. Im, M. K. Shin, Y. H. Min, J. Y. Park, H. S. Cho, S. J.

Park, M. B. Shim, S. H. Jeon, D-Y. Chung, J. H. Bae, J. J. Park, U. Y. Jeong &

K. N. Kim. Nature Nanotech. 7, 803 (2012)

[5] L. Lu, Y. Shen, X. Chen, L. Qian, & K. Lu. Science 304, 422 (2004).

[6] Y. Sakai, & H. -J. Schneider-Muntau. Acta Mater. 45, 1017 (1997).

[7] P. J. Wang, J. S. Kim, & C. C. Lee. J. Electron. Packag. 130, 045001-1-4 (2008).

[8] Yongdeok Jo, Xue Li, Dongmin Cho, Byung-Sang Choi. “Tensile properties of three-dimensionally interconnected graphene-networked Cu composite and changes in its microstructure in relation to heat treatment temperature”. J. of Advanced.

Engineering. and Tech.nology, Vol.12, No.2, pp.091∼095 (2019)

[9] A. L. Walter, S. Nie, A. Bostwick, K. S. Kim, L. Moreschini, Y. J. Chang, D.

Innocenti, K. Horn, K. F. McCarty, & E. Rotenberg. Phys. Rev. B 84, 195443 (2011).

[10] Sae-Rom Kawk, Terry A. Ring, Byung-Sang Choi. “A simple two-step fabrication route for Cu composite reinforced by three-dimensional graphene network”. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 70, 484∼488 (2019).

[11] Xue Li, Terry Arthur Ring, Byung-Sang Choi. “Thermal Conductivity of Three-Dimensionally Interconnected Graphene-Networked Cu Composite Fabricated by a Simple Two-Step Process”. 대한금속·재료학회지(Korean J. Met. Mater.), Vol.57, No.8 pp.529∼534 (2019).

[12] 윤두희, 정현식. “그래핀의 라만분광분석(Raman Spectroscopic Study of