Research

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< Layer-by-Layer 조립법을 이용한 기능성 다층초박막의 제조 및 응용 >

Layer-by-layer (LbL) 자기조립법 (또는, 층상자기조립법)을 이용한 다층초박막은 다양한 전기적, 광학적 및 자기적 성질을 갖는 물질뿐만 아니라 DNA 혹은 효소 (Enzyme) 같은 바이오 물질들을 기판의 크기나 형태 (즉, 수십 미터에 이르는 대면적 평판에서부터 수십 나노미터 크기의 콜로이드 입자)에 관계없이 각각의 층에 나노미터 두께로 삽입시킬 수 있으며, 초박막 필름 안에 우리가 원하는 다양한 특정 기능성을 부여할 수는 장점을 가지고 있다.

따라서 LbL 자기조립 다층초박막 제조법의 특징을 이용하여 마이크로패터닝, 비휘발성 메모리, 광결정, 반사방지막, 디스플레이, 초소수성 필름, 바이오 센서 등에 적용하여 상업화의 가능성을 열어놓았다. 특히, 기존의 진공증착과 같이 거대하고 값비싼 진공장비를 이용한 스퍼터링 (sputtering), 증착 (vacuum evaportation)을 이용하여 메모리 반도체 소자, 디스플레이 같은 전기전자 및 광소자를 제조하는 방법대신 용액공정 기법의 LbL 방법은 제조공정이 매우 간단하면서 고품질의 초박막을 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이러한 다층초박막을 제조하기위한 LbL 제조방법은 흡착력과 흡착메커니즘에 따라 다양하게 분류될 수 있으며 적용하고자 하는 기능성 소자에 따라 선택적으로 적용된다. 일반적으로 가장 널리 알려진 정전기인력을 기반으로하는 LbL 다층초박막 제조방법은 다음과 같다 (그림 1).

(1) 음전하를 띠는 기판을 양전하 고분자 물질인 수용액에 일정시간 담지하여 정전기 인력으로 흡착시킨 후, (2) 세정용매인 물에 다시 담지하여 약하게 흡착된 양전하 재료를 제거한다. 이 경우에 기판은 강하게 흡착 된 양전하 재료로 인하여 양전하를 갖게 되며, (3) 이를 다시 음전하를 갖는 고분자 수용액에 담지하고 (4) 물에 다시 세척하는 공정을 원하는 필름 두께가 형성될때까지 반복함으로써 정전기 인력에 바탕을 둔 다층초박막 필름을 만들 수 있다. 이러한 방법은 평평한 기판에 국한되지 않고, 수백 나노미터 크기 이하의 구형 콜로이드 입자 표면에 구현시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판으로 사용된 콜로이드 입자를 제거함으로써 hollow 캡슐 또는 표면적을 극대화할 수 있는 기능성 캡슐을 만들 수 있다.

최근에 본 연구실에서는 기존 방법인 수용액 내에서의 정전기적 인력 기반이 아닌, 유기 용매 내에서의 친핵성 치환 반응 등의 다양한 유기 반응을 기반으로하는 다양한 LbL 자기조립법을 처음으로 제안하여 전기전자 소자 및 다양한 분야로 적용시킬 수 있는 방법을 고안해왔으며, 세계적으로 권위있는 저널에 다수의 논문들을 발표하였다.

또한, 본 연구실에서는 (고분자/고분자) 또는 (고분자/무기물 나노입자) 기반의 기능성 필름 제조 및 소자 제조에 국한하지 않고, 다양한 기능성 고분자 및 광학적, 자기적, 전기적 성질을 갖는 10 nm 크기 이하의 기능성 나노입자 [(1) 금속 나노입자: Pt, Au, Ag, Pd; (2) 전이금속 나노입자: Fe3O4 , BaTiO3, MnO, TiO2; (3) 형광 양자점 나노입자: CdSe@ZnS], 기능성 탄소 (Carbon nantotube, Graphene)들을 직접 합성하고, 나노입자의 표면을 제어하는 기술을 축적해오고 있으며, 다양한 고분자의 기능성 그룹에 초점을 두고 있다. 수용액뿐만 아니라 유기용매 내에서 다양한 기능성 LbL 자기조립기반 다층초박막 필름을 제조하였으며 이를 통해 비휘발성 메모리, 다기능성 촉매, 전기화학센서, 에너지 저장용 소자 (슈퍼캐퍼시터 및 압전소자) 등의 다양한 기능성 소자에 적용시키기 위한 연구를 활발히 진행 하고 있다. 따라서, 본 연구실에서는 기능성 나노입자의 합성기술, 표면제어 기술, 분석기술, 공정기술 및 소자물리 기술 등이 복합적으로 연구가 진행되는 곳이다 (그림 2).

그림 1. 정전기 인력기반의 LbL 자기조립 고분자/고분자 다층초박막 필름 제조방법

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그림 2. 본 연구실의 기능성 LbL 자기조립 다층초박막 필름제조에 관련된 연구기술

< 비휘발성 메모리소자 (Nonvolatile Memory Devices) >

반도체 시장에서 경쟁적으로 반도체 회로의 선 폭을 나노미터 단위로 줄이는 공정 미세화를 진행하여, 2008년 50나노 공정에서 현재는 10 나노미터 공정까지 바라보고 있다. 이러한 지속적인 미세화에 따른 기술적 한계를 해결하기 위한 차세대 메모리는 비휘발성 특성을 가져야 하며 높은 집적도와 빠른 처리 속도를 구현해야 한다. PRAM, MRAM, FeRAM 등 여러가지 차세대 메모리 중 가장 상용화 가능성이 높은 ReRAM은 두 개의 금속전극 사이에 절연층을 삽입한 매우 간단한 구조의 메모리 소자이다. 소자에 가해지는 전압에 따라 저항이 큰 부도체 상태에서 저항이 작은 도체 상태로 바뀌는 특성을 이용하여, 저항이 큰 상태와 낮은 상태를 ‘0’과 ‘1’의 디지털 정보로 저장한다.

ReRAM은 간단한 구조를 갖춰 현재의 NAND Flash보다 쓰기 속도가 100배 이상 빠르다는 장점이 있고, 공정 미세화에 따른 한계를 해결할 수 있어 보다 많은 정보를 저장할 수 있다. 또한 구동에 필요한 전력소모도 적어 모바일 시대에 적합한 차세대 비휘발성 메모리로 주목 받고 있다.

ReRAM은 대용량, 저전력이 요구되는 디지털 카메라, 태블릿PC, 메모리카드, MP3, 모바일 폰 등에 적용 가능하며, 추후NAND Flash의 역할을 대체할 것으로 예상되고 있다.

본 연구실에서는 전이금속 나노입자, 전해질 고분자, 단백질 등을 이용하여 LbL 자기조립 방법으로 다층 박막을 제작하고 이를 메모리 소자에 적용시켜 ReRAM 특성을 구현하는 실험을 진행하고 있습니다 (그림 3).

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그림 3. 기능성 LbL 자기조립 다층초박막 필름을 이요한 저항변환성 메모리 소자

< 메모리 트랜지스터(Memory Transistor) >

유기 전계효과 트랜지스터(Organic field-effect transistor)는 트랜지스터의 채널(Semiconducting layer) 및 절연층(Insulating layer) 또는 전극(Electrode)을 기존의 무기물(Si) 대신 고분자와 같은 유기물을 사용한 전기적 소자이다. 유기물의 유연하고 투명한 성질을 이용하여 현재 많은 관심을 받고 있는 플렉서블 디스플레이(Flexible display) 및 투명한 전기적 소자(Transparent electrical devices)를 구현시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 유기물 기반의 트랜지스터를 활용한 메모리 소자의 종류로는 사용되는 물질과 그 구동원리에 따라 강유전성 물질(Ferroelectric materials)을 활용한 강유전성(Ferroelectric storage) 메모리 소자, 고분자의 전하 저장능력을 이용한 고분자 하전체(Polymer electret gate storage) 메모리 소자, 단백질(Protein gate storage) 및 나노입자를 전하 저장물질로 활용한 나노플로팅 게이트(Nanofloating gate storage) 메모리소자 등이 있다. 이러한 다양한 물질을 전극, 절연층, 전하 트랩층(Charge trap layer)에 활용해 저전압 구동을 통한 저전력 소모와 고속의 스위칭 속도(Swtiching speed) 및 안정적인 메모리 성능의 구현을 목표로 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 실험실에서는 균일한 크기 및 좋은 결정성을 갖는 나노입자를 합성하고, 이를 LbL 자기조립법을 이용하여 고분자/고분자 또는 고분자/나노입자의 박막화를 구현하여 메모리 트랜지스터 소자에 적용시키는 연구를 진행하고 있다 (그림 4).

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그림 4. Ferritin 단백질을 활용한 기능성 LbL 자기조립 다층초박막 메모리트랜지스터 소자

< 강유전성 및 압전 소자(Ferroelectricity and Piezoelectric device) >

강유전체 (Ferroelectric materials)란 외부에서의 전기장 (Electric field) 없이도 자체적으로 자발분극 (Spontaneous polarization, Pr)을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발분극이 외부 전기장에 의해 역전되는 현상을 가지는 재료를 일컫는다. 대표적인 강유전체로써는 BaTiO3, PbTiO3, PZT 등의 페로브스카이트 격자 구조 (Perovskite unit cell)를 갖는 세라믹 재료가 각광을 받고 있다. 이러한 강유전체 세라믹 재료는 강유전성 뿐만 아니라 저항 변환성 (Resistive switching), 압전 (Piezoelectric) 및 열전 (pyroelectric) 특성을 가지고 있기 때문에 다양한 분야로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다.

특히, 압전 특성이란 기계적인 힘을 전기에너지로 변화시키는 것을 말한다. 즉, 외부에서의 기계적 응력을 가하면 강유전성 재료 내에서 전기 분극이 일어나면서 전위차가 생기게 되고, 이를 전압 및 전류로 출력하여 전기적 에너지로 변환시키는 것이다. 이러한 압전 특성을 이용하여 현재 나노센서, 액추에이터 (actuators), 에너지하베스팅 (energy-harvesting) 및 피에조트로닉스 (piezotronics) 등의 다양한 분야에 응용 중에 있다.

본 실험실에서는 매우 균일한 크기 및 좋은 결정성을 갖는 강유전성 나노입자를 합성하고, 또한 LbL 방법을 이용해 나노입자의 박막화를 구현하여 다양한 강유전체 응용분야에 적용시키는 연구를 진행하고 있다 (그림 5).

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그림 5. 페르보스카이트 격자구조를 갖는 BaTiO3 및 이를 이용한 압전소자 모식도

< 이온성 액체(Ionic liquids) >

이온성 액체 (ionic liquids)란, 이온 결합 물질임에도 불구하고, 상온에서 액상으로 존재하는 물질을 의미한다. 일반적으로이온 결합 물질들은 양이온과 음이온간의 강한 인력으로 인해 상온에서 고체의 형태를 갖지만, 특정 양이온과 음이온들이 만나면 액상으로 존재할 수 있다.

이온성 액체는 기본적으로 이온 결합 물질이기 때문에 높은 이온 전도성을 갖고 열 및 화학적 안정성이 높으며 낮은melting point를 갖는다. 또한 휘발성이 거의 없으며 높은 극성을 갖고, 적절한 점도를 지니고 있다. 이러한 특성들을 바탕으로이온성 액체는 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들어, 높은 열적 및 화학적 안정성, 낮은 증기압 (Low vapor pressure), 난연성 (Flame resistance) 등의 특성들로부터 리튬 이온 배터리 (Lithium ion battery)와 염료 감응형 태양 전지 (Dye-sensitized solar cell) 등의 전해질 (electrolytes)로 큰 관심을 받고 있다. 또한 물질의 분석 및 분리 공정 등에서도 그 응용 범위를 점차 넓혀 가고있습니다.

본 실험실은 다양한 나노입자나 그들을 거대 콜로이드에 적층시킨 나노 구조체를 이러한 이온성 액체에 도입해 그 특성을보고, 실제 산업에 적용시키는 연구들을 진행하고 있습니다 (그림 6).

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그림 6. 다기능성 나노복합 구조체를 도입한 이온성 액체

< 슈퍼커패시터 (supercapacitor) >

슈퍼커패시터 (supercapacitor, 혹은 electrochemical capacitor)는 휴대전화나 테블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자기기의 사용 시 지속적이고 안정적인 에너지를 공급하기 위한 장치이다. 기존의 전해질 커패시터 (electrolytic capacitor)가 갖는 출력량보다 큰 전기 에너지를 가지며 배터리 (battery)의 수명을 상회하는 소자를 개발하는 것이 주요 지향점이라고 할 수 있다. 이러한 슈퍼커패시터는 두 가지의 전하 저장 메커니즘을 통해 작동되는데, 이는 전극 표면에 전하 캐리어들이 정렬하여 이중층 구조를 형성하였다가 방출되는 전기이중층 커패시턴스 (electrical double layer capacitance, EDLC)와 전해질 이온과 활성 물질 간 산화 환원 반응을 통한 수도커패시턴스 (pseudocapacitance)이다. 이러한 두 가지의 메커니즘을 혼합할 경우, 소자의 성능을 극대화 시킬 수 있다고 알려져 있다. 이를 위해 최근의 연구들은 전극 제작 시 EDLC를 유도할 수 있는 탄소기반의 물질 (즉, carbon nanotube, graphene, activate carbon)과 산화 환원 반응을 유도할 수 있는 전이금속산화물 (transition metal oxide)이나 전도성 고분자 (conductive polymer) 등의 물질로 구성된 복합체 전극 사용을 보고하고 있으며, 더 나아가서 소자의 소형화, 경량화,휴대성 및 다양한 환경에서의 작동 안정성에 대한 연구 및 유연 소자 (flexible device)의 개발 등 다방면에서의 연구가 활발하게 진행되고 있다.

본 실험실에서는 LbL 자기조립법을 기반으로 한 고집적 다층박막 형태의 전극제작을 통해 고성능 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장용 소자개발을 위한 연구를 진행 중에 있다 (그림 7).

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그림 7. LbL을 통해 제작된 다층박막 전극과 이를 통한 전기화학 성능 측정