Enhanced Quality Factor of Electrodeless Quartz Crystal Microbalance for Gas Sensing Applications

Abstract

본 논문에서는 전극이 분리된 형태의 초미량 수정진동자 저울에 다양한 물질이 올라갔을 때 나타나는 큐 인자의 변화를 관찰하였다. 이 때 전극이 증착되지 않은 수정판을 수평한 두 전극이 있는 플로우 셀에 넣어서 변화를 측정하게 된다. 우선, 실험 장치의 최적화를 위해 전극 사이의 거리와 전압을 조절하며 큐 인자 변화를 측정하였다. 전극 거리가 짧을수록, 전압이 강할수록 큐 인자가 크게 나타났다. 전극 거리가 짧은 경우, 수정판에 더 강한 전기장이 걸리게 될 뿐만 아니라 큰 임피던스를 가지는 공기층의 두께가 감소하므로 높은 큐 인자를 가지게 된다. 전압을 강하게 가할 경우 압전 특성을 가지는 수정판이 더 많이 변형되는 효과를 가져와서 큐 인자가 상승하게 된다. 이러한 과정을 통해 가장 짧은 거리, 가장 강한 전압의 조건에서 다양한 물질을 올려가며 실험을 진행하였다. 가장 먼저 폴리메틸메타아크릴레이트 고분자를 수정판에 스핀코팅 하였다. 고분자의 경우 대표적인 점탄성을 가지는 물질로 두께가 두꺼워질수록 큐 인자가 감소하였다. 점탄성을 가지는 물질의 경우 수정판위에 올렸을 때 그 두께의 세제곱에 비례하여 에너지 손실이 발생하게 된다. 따라서 큐 인자는 세제곱의 역수에 비례하게 되고 단단한 물질을 필름으로 올렸을 때 보다 에너지가 훨씬 빨리 손실되게 되며 큐 인자는 감소한다. 두 번째로는 금 박막을 수정판 위에 열증착 하였다. 이 때 금이 두 전극 사이에 들어가게 되면 자유전자가 전극의 (+)방향으로 이동하게 되고 그 반대편은 상대적으로 전자가 부족해져서 금 박막이 위아래로 분극되는 현상이 일어난다. 따라서 금속이 맞닿아있는 수정판 부분도 이와 같이 분극이 일어나게 된다. 이 때 증착된 금 박막은 전극이 수정판 위에 바로 붙어있는 것과 비슷한 상태로 만들어 주며 큐 인자가 급격히 상승하는 효과를 가져온다. 뿐만 아니라 금 같은 경우에는 상대적으로 높은 임피던스를 가지기 때문에 수정판의 진동으로 인해 발생한 파동이 반사되어 내부에 더 많이 저장되어 있는 효과를 가져온다. 이러한 효과는 올라간 필름의 질량이 커질수록 더 증가하게 되고 실험 결과 상으로도 필름이 두꺼워 질수록 큐 인자가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 금 박막의 반지름을 키우는 것도 큐 인자를 향상 시키는 효과를 가져온다. 이는 금 박막이 진동에 영향을 줄 수 있는 면적이 더 넓어지기 때문인 것으로 볼 수 있다. 마지막으로 한 면에만 금 박막을 올린 것보다 양면에 금 박막을 올린 경우 양면에서 반사된 파동에 의해 에너지 트래핑이 더 잘 일어나서 큐 인자가 상승하는 것으로 보인다. 세 번째로, 산화아연 나노막대를 수정판 위에 길러서 길이에 따른 큐 인자 변화를 측정하였다. 큐 인자는 나노막대가 특정 길이까지 길어질수록 점점 더 증가하였고 이는 질량이 증가함에 따라 에너지 트래핑이 증가하였기 때문에 나타나는 현상으로 보인다. 하지만 특정한 길이를 넘어가면 오히려 큐 인자가 감소하게 되는데 이는 올라간 질량이 증가함에 따라 발생하는 댐핑 효과 때문인 것으로 설명할 수 있다. 금과 비교했을 때 산화 아연의 경우 상대적으로 낮은 유전율과 임피던스를 가지고 있기 때문에 큐 인자 향상 효과가 낮은 것을 알 수 있었다. 마지막으로 각각 길이와 큐 인자가 다른 산화아연 나노막대가 길러진 수정판을 이용하여 질소를 흘려주면서 큐 인자와 노이즈의 크기의 관계를 확인해 보았다. 가장 큐 인자가 높은 샘플의 경우 가장 낮은 노이즈 크기를 가지는 것으로 확인되었으며 이는 가장 큐 인자가 낮은 샘플의 1/2 비율인 것을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 높은 임피던스와 유전율을 가지는 물질이 일정 질량 이하로 올라갔을 때 큐 인자가 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 이렇게 큐 인자가 향상된 전극이 분리된 초미량 수정진동자저울은 매우 민감하고 안정적인 기체센서를 만드는 데에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

In this thesis, we investigated the quality factor (Q factor) change on electrodeless quartz crystal microbalance (ELQCM) after various materials were loaded. The experimental setup was optimized by adjusting the distance of electrodes and voltage. The shorter distance and the larger voltage resulted in high Q factor owing to stronger electric field that could deform quartz more. Also, the distance change related with the thickness of air layer with high impedance between electrodes. Then, various materials were loaded on bare quartz. Firstly, poly methylmethacrylate(PMMA) was spin-coated on quartz crystal. The Q factor decreased as the thickness of polymer increased because of the viscoelastic property. The energy dissipation factor of oscillation which is the inverse of Q factor is proportional to cubic thickness of polymer. Therefore, the polymer film dissipated the stored energy quickly. Secondly, gold was thermal-evaporated on quartz crystal. The free electron of gold moved to the (+) side of electrode to polarize the whole gold film. Quartz also got polarized at the interface of gold to get sharply enhanced Q factor. Gold also had high acoustic impedance that could induce acoustic energy trapping effect under the metal film to store energy. This effect increased with higher mass loading. As a result, as the thickness of gold film increased, the Q factor also increased. Furthermore, widening the area of gold film increased the Q factor with expanded area of oscillation. Finally, the double-sided sample could enhance the acoustic energy trapping effect to make the Q factor 2-times higher than 1-sided one. Thirdly, ZnO nanorod was grown on quartz crystal. The nanorod elongated to increase the Q factor until certain length because of energy trapping. Over the length, the damping effect originated from mass loading was increased to reduce the Q factor. Lastly, ZnO nanorod samples with various lengths were used for estimate noise level of baseline under N2 flow. As the Q factor getting higher, the noise level was decreased to have stable baseline.