[NRL 소개] 국민대학교 자기조립 단분자막 연구실 (자기조립 단분자막 기술을 이용한 bottom-up 방식의 나노제작기술 개발)

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326…NICE, 제22권 제3호, 2004

NRL ^소개

National Research Laboratory (국가지정연구실)

성 명 모

국민대학교 화학과 [email protected]

연구실 소개

국민대학교 자기조립 단분자막(self-assembled monolayers, SAMs) 연구실은 자기조립 메커니즘 의 규명, 고온에서 견디는 SAMs의 제조, SAMs를 이용한 표면개질 등 SAMs의 제조 및 응용 연구 를 다년간 수행하고 있으며 2002년에는 “자기조 립 단분자막 기술을 이용한 bottom-up 방식의 나 노제작기술 개발”이라는 과제로 국가지정연구실 로 선정되어 현재 2차년도 연구를 진행하고 있다.

나노기술의 본질적인 발전을 위해서는 기존의 top-down 방식의 제조 기술에서 탈피하여 분자 들을 조립하여 나노구조물들을 만들어 나가는 bottom-up 방식으로의 제조 기술이 꼭 필요하다.

분자 자기조립(molecular self-assembly)은 단위 분자들이 자발적인 분자간 상호 작용을 통하여 조 립되어 특정한 구조물이 만들어지는 현상으로 생 명체에서 일반적으로 일어나고 있는 자연적이며 유기적이고 자발적인 제조 기술이다. Bottom-up

방식으로 고체 표면에 나노소자를 제작하기 위해 서는 고체 표면의 원하는 위치에 특정한 모양과 기능을 가지는 박막들을 입혀서 나노구조물들을 만들어야 한다. 따라서 bottom-up 방식의 나노제 작방법에서 가장 중요한 기술은 고체 표면에 선택 적으로 특정한 기능을 가지는 안정한 박막을 만드 는 것이다. 이를 위해서는 분자 수준에서 조절이 가능하며, 작용기를 선택성 있고 다양하게 변화시 킬 수 있어야 하고, 고체 표면과의 결합력도 강한 박막 제조 방법이 필요하다. 자기조립 단분자막 기술은 위의 조건들을 모두 만족시킬 수 있는 가 장 발달된 박막 제조 방법으로 예상되어 최근에 많은 연구가 집중되고 있는 분야이다. 본 연구실 에서는 자기조립 단분자막 기술과 원자층성장 기 술을 이용하여 bottom-up 방식으로 고체 기질의 표면에 원하는 기능과 구조를 가지는 나노구조물 을 만드는 연구 및 새로운 방식의 표면개질 연구 에 집중하고 있다.

http://home.kookmin.ac.kr/~samslab

( bottom-up )

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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 3, 2004…327

NRL

^소개 National Research Laboratory (국가지정연구실)

연구과제의 내용

1) Bottom-up 방식의 패턴닝 기술

반도체 공정이나 전자소자의 제조에는 일반적 인 식각(lithographic)방식을 주로 사용하여 왔는 데 나노미터 크기의 소자들을 제작하기 위해서는 종래의 식각 방식으로는 기술적인 그리고 경제적 인 한계를 가지고 있어 새로운 나노제작기술이 절 실하게 요구되고 있다. 본 연구실에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 SAMs와 ALD를 이용 한 bottom-up 방식의 패턴닝 기술을 이용하여 다 양한 구조의 나노구조체를 효율적으로 만드는 연 구를 하고 있다.

새로운 고해상도 전사(high resolution photolithography) 기술로 TiO2광촉매 mask를 이용하 여 효율적으로 SAMs를 패턴닝한 후 선택적 박막 성장 방법인 원자층성장(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 bottom-up 방식으로 패턴닝 된 박막 제조 기술을 개발하였다. 이 기술은 광원 의 파장과 무관하게 고해상도 패턴닝이 가능한 새

로운 전사 방법이다. TiO2 광촉매는 UV(254 nm)에서 활성산소를 매우 효율적으로 생성하여 TiO2 광촉매를 이용하면 SAMs의 분해 속도가 빨라진다. TiO2광촉매로 만들어진 활성산소에 의 해가 C-C bond가 끊어지며 분자막이 분해 된다.

SAMs의 대표적인 패턴닝 방법인 미세접촉인 쇄법(µ-contact printing, ucp)을 이용하여 Si 기 판에 마이크론 크기에서 나노미터 패턴닝된 분자 막 제조를 할 수 있다. 여기에 표면 선택적 박막 제조 방법인 원자층성장(ALD) 방법을 이용하여 photolithography나 etching 과정없이 bottom-up 방식으로 패턴닝된 박막을 제조 한다.

분자전자소자, 나노감지소자, 디스플레이소자 등을 고체 표면에서 bottom-up 방식으로 제작하 는데 핵심이 되는 기술은 고체 표면의 원하는 위 치에 특정한 모양과 기능을 가지는 박막들을 입혀 서 나노구조물들을 만드는 것이다. 따라서 SAMs 의 나노패턴닝 기술과 선택적 박막 성장 기술을 이용한 bottom-up 방식의 나노제작기술을 보다 발전시켜 무기 및 금속 박막의 나노구조물을 만드 는 연구를 하려고 한다.

그림 1. 고해상도 전사 기술의 모식도. 그림 2. 패턴닝된 ZrO2박막.

4 µm

Size(µm)

Height (nm)

µm Å

4 220.0 110.0 0.0

20 15 10 5 0

0 1 2 3 4 5 2

2 Photoc stalytic Lithography

Silicon

Quartz

OHOH OH

OHOH OH TiO2

ZrO2 ZrO2 TiO2

Silicon

ALD of ZrO2Thin Films

0 0

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328…NICE, 제22권 제3호, 2004

NRL

^소개

2) 기상에서 고품질의 자기조립 단분자막 제조 기술 SAMs 기술을 표면개질에 적용하려는 연구는 액상 공정상의 여러 가지 어려움 때문에 크게 발 전하지 못하고 있다. 본 연구에서는 기상에서 고 품질의 분자막을 매우 효과적으로 만드는 새로운 SAMs 제조 기술을 개발하였다. TiO2 buffer layer를 이용하여 RSiCl3을 기상 반응하여 Si과 SiO2표면에 고품질의 SAMs 제조에 성공하였다.

나노소자의 제조에 이용되는 여러 가지 박막들은 많은 경우 공기 중에서 불안정하여 표면이 쉽게 변하게 되는데 이와 같은 표면 변화는 박막 특성 을 저하시키는 주원인이 되고 있다. SAMs는 고 체 표면에 잘 정렬된 그리고 기질과의 결합력도 강한 가장 이상적인 유기 분자막으로 박막 표면의 보호막으로는 매우 좋은 성질들을 가지고 있다.

기상에서의 SAMs 제조 기술은 박막 제조와 동시 에 보호막을 만들 수 있어 실제 여러 가지 불안정 한 박막 (MgO, ZrO2, PbTiO2등)의 보호막에 적 용할 수 있다.

3) 자기조립 다층분자막 제조

자기조립 다층분자막은 물리 화학적 성질이 우 수하여 전자소자, 디스플레이, MEMS, 표면개질 등 여러 분야에 응용 가능성이 기대 되었으나 기 존의 제조방법이 모두 액상 공정으로 많은 시간이 걸려 실효성이 거의 없는 것으로 인식되어 왔다.

하지만 기상에서의 분자층 성장 기술을 이용하면 매우 빠른 속도로 고품질의 자기조립 다층분자막 을 만들 수 있어 자기조립 분자막의 응용분야를 크게 확대시킬 것으로 예상된다.

RSiCl3을 기상 반응하여 SiO2 표면에 자기조립 단분자막을 제조하고 UV/O3을 이용하여 자기조 립 단분자막의 알칸사슬 작용기를 OH로 활성화 시키면 활성화된 자기조립 단분자막에 ALD를 이

용하여 TiO2 층을 입혀 자기조립 단분자막을 적 층시킬 수 있다. 본 기술을 이용하면 지금까지 자 기조립 단분자막이 문제점으로 지적되던 안전성 과 투과성을 획기적으로 보완할 수 있으며 유기 EL의 보호막에 적용할 수 있다.

4) ALD 기술을 이용한 그 밖의 성과

ALD는 대면적의 기판에 균일한 두께로 매우 얇은 막을 형성하며 두께 조절이 용이하다는 장점 이 있는 반면에 기질과 원료화합물 사이의 표면반 응이 느리거나 완전하지 않다는 단점을 가지고 있 다. UV-enhanced ALD 기술은 ALD 기술의 가 장 큰 문제점인 불완전한 표면반응을 UV를 이용 하여 거의 완벽하게 해결하여 상온에서도 고품질 의 박막을 제조하는 것이다. Nanoporous template 에 ALD 기술을 이용하여 여러 가지 종류의 nanotube을 제조하였다. 이 방법의 장점은 원자 수준에서 tube의 두께 조절이 가능하다는 것이다.

주요 보유 장비 및 기기

AFM(Atomic Force Microscope) XPS(X-ray Photoelectron Spectroscope) FT-NMR(Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance)

FT-IS(Fourier Transform Infrared Spectrophotometer)

LEED(Low-Energy Electron Diffraction) TOF-MS(Time of Flight Mass

Spectrometer)

ALD Chamber(Atomic Layer Deposition Chamber)

CVD Chamber(Chemical Vapor Deposition Chamber)