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dc.contributor.advisor 김회준 -
dc.contributor.author Jeonhyeong Park -
dc.date.accessioned 2020-06-22T16:00:50Z -
dc.date.available 2020-06-22T16:00:50Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000286399 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/11963 -
dc.description 다중 벽 탄소나노튜브 (MWCNTs), 박막 히터 (Thin Film Heater), 줄 발열 (Joule Heating), 기판 수축 (Substrate Shrinkage), 수소 가스 센싱 (Hydrogen Gas Sensing) -
dc.description.abstract This paper presents the fabrication of crumpled carbon nanotube (C-CNT) thin film heaters and its application towards high sensitivity and low drift hydrogen gas sensing. By utilizing a simple spray coating of pristine multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and thermal substrate shrinkage method, we have fabricated a C-CNT film with closely packed junctions. Joule heating of C-CNTs results higher temperature at a given input voltage compared to as-deposited CNTs. Specifically, the temperature of C-CNT heaters increase as high as 200 % than as-deposited CNT heaters due to higher junction densities in a given area. In addition, the temperature coefficient of resistance (TCR) of both C-CNT and as-deposited CNT heaters are analyzed for an accurate temperature control and measurement of the CNT heaters. All of the fabricated heaters exhibit linear TCR, and thus allowing a stable thermal operation.
The higher heating efficiency of the C-CNT heaters can contribute to gas sensing with improved adsorption and desorption characteristics. Our results show that the C-CNT heaters are capable of hydrogen gas sensing while demonstrating higher measurement sensitivities along with lower drift compared to as-deposited CNT devices. Additionally, the self-heating mechanism of proposed heaters help rapid desorption of hydrogen, and thus allowing repetitive and stable sensor operation. Our findings reveal that both CNT morphologies and heating temperature affect the hydrogen sensing performances. The proposed C-CNT devices are suited for low power or voltage sensing platforms.
For future work, sub-mm scaled shadow masks would allow C-CNT devices to be scaled down to µm-scale from macro-scaled devices. Hence, we envision the batch fabrication of C-CNT device arrays. In addition, C-CNT structures will be onto thermally resistant substrates, such as Silicon wafer, Glass or PET, so that we can compare C-CNT devices with as-deposited CNT on same substrate. Utilizing SEM micrographs and Raman analysis, the proposed transfer printing process will be optimized as well.
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dc.description.statementofresponsibility open -
dc.description.tableofcontents 1. INTRODUCTION 1
1.1. CNT Based Sensors & Electronic Device 2
1.2. Specific Aims of Theses 3
2. Background/Review of Relevant Previous Work 5
2.1. Operating Principles & Outstanding Advantages of CNT Heaters 5
2.2. Improving the Performance of CNT Thin Film Heaters 6
2.2.1.Chemical Treatment and Nanoparticle Deposition 6
2.2.2.Doctor-blade Method Deposition and Increase in Power Efficiency 7
2.3. Densified Structure by Substrate Shrinkage Method 8
2.4. CNT based Gas Sensors 11
3. Materials and Methods 14
3.1. Fabrication of Crumpled CNT Device 14
3.2. Device Characterization and Hydrogen Sensing Setup 16
4. Results 19
4.1. Device Characterization 19
4.2.Hydrogen Gas Sensing 22
5. Discussion 28
6. Future work 31
7. Conclusion 32
8. References 34
Appendix 40
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dc.format.extent 51 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.source /home/dspace/dspace53/upload/200000286399.pdf -
dc.title High Efficiency Crumpled CNT Thin Film Heater For Hydrogen Sensing -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/Theses.200000286399 -
dc.description.alternativeAbstract 이 논문은 구겨진 탄소 나노 튜브 (C-CNT) 박막 히터 (Thin Film Heater)의 제조 및 고감도의 낮은 드리프트 (Drift) 수소 가스 센싱에 대한 응용을 제시한다. 다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWCNT)의 용액을 간단한 스프레이 코팅 및 열 기판 수축 (Substrate Shrinkage) 방법을 이용하여, 밀접하게 접합 된 C-CNT 히터를 제조했습니다. C-CNT의 줄 발열(Joule heating)은 기판 수축하지 않은 CNT 히터 (As-coated CNT)에 비해 같은 전압에서 더 높은 온도를 발생 시킵니다. 구체적으로는, C-CNT 히터의 온도는 주어진 영역에서 더 높은 접합 밀도로 인해 As-coated CNT 히터보다 200%만큼 증가합니다. 또한, C-CNT 및 As-coated CNT 히터의 온도 저항 계수 (Temperature Coefficient of Resistance, TCR)는 CNT 히터의 정확한 온도 제어 및 측정을 위해 분석됩니다. 다음과 같이 제작 된 모든 히터들은 높은 선형성의 TCR을 보입니다.
C-CNT 히터의 고효율 가열 성능은 높은 흡착 및 탈착 특성을 가지고 있고, 이를 이용하여 수소 가스 센싱 (Hydrogen Gas Sensing)에 기여할 수 있습니다. C-CNT 히터는 수소 가스 감지가 가능하지만 As-coated CNT 히터에 비해 전기적 저항의 Drift 현상이 적고 측정 감도가 더 높습니다. 또한 제안 된 히터의 자체 가열 메커니즘은 수소의 빠른 탈착을 도와 반복적이고 안정적인 센서 작동을 가능하게 합니다. 이러한 연구 결과에서C-CNT 형태와 가열 온도가 모두 수소 감지 성능에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 제안 된 C-CNT 장치는 저전력 또는 저전압 감지 플랫폼에서 활용 될 수 있습니다.
향후 작업에서는 1 mm이하 사이즈의 쉐도우 마스크를 사용하게 되면, C-CNT 디바이스를 µm 스케일로 축소 할 수 있습니다. 따라서, 2 내지 6인치 범위의 다양한 웨이퍼 크기에서 정렬된 C-CNT 디바이스를 일괄적으로 공정이 가능할 수 있을 것으로 예상합니다. C-CNT구조층을 실리콘 웨이퍼, 유리, 또는 PET와 같은 내열성 기판으로 전사 작업을 하게 되면 200 ℃ 이상의 고온에 따른 수소 가스 검출을 확인 할 수 있습니다. 또한, C-CNT 구조 층을 PET에 전사 작업을 하게 되면 동일한 기판 상에 증착된 CNT와 직접적으로 비교할 수 있을 것으로 기대합니다. 전자작업중에 발생 할 화학적 또는 물리적인 영향을 검사하기 위해 주사전자현미경 사진과 라만 분광 분석을 활용하여 분석을 수행 할 수 있습니다. 마지막으로, 적절한 화학적 또는 물리적인 금속 기능화 (Metal Functionalization)와 개선된 디바이스 디자인을 통해 수소 가스 검출 이외의 다른 화학 감지 적용 분야에 C-CNT 센서를 적용 할 수 있을 것으로 기대합니다.
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dc.description.degree Master -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Hyuk-Jun Kwon -
dc.date.awarded 2020-02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.RM 박74H 202002 -
dc.date.accepted 2020-01-20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 로봇공학전공 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kwon, Hyuk-Jun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Hoe Joon -
dc.contributor.affiliatedAuthor Park, Jeonhyeong -
dc.contributor.alternativeName 권혁준 -
dc.contributor.alternativeName Hoe Joon Kim -
dc.contributor.alternativeName 박전형 -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Master

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