고분자특성분석지상강좌 In situ 나노물성분석시스템을활용한나노신소재및환경에너지분야응용연구 The Development of Multi-Disciplinary Nano-Surface In situ Analysis System and its Application Studies on the Latest Electronic Device Materials and Environmental Energy Materials Jouhahn Lee Advanced Nano Surface Research Group, Korea Basic Science Institute, 169-148 Daehak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-701, Korea E-mail: jouhahn@kbsi.re.kr 1. 서론 정보통신기술의급격한발전으로인해서, 지난 30년간인류문명은가장빠른기간안에가장정보화된사회로순식간에전환이되어버렸다. 그로인해서정보디스플레이의중요성과개발속도는하루가다르게발전되어가고있고특히저차원신소재및기능성유기물소재개발은다가오는미래의에너지환경및전자소자의핵심소재로주목을받고있다. 대표적인예를들면 OLED 같은유기물을이용한차세대전자소자및그래핀과같은저차원물질이다. 너무나잘알려진그래핀은특유의빠른전자이동속도및내구성등으로가장주목받는차세대정보소재로연구의중심이되어있다. 정보화사회에서소자는속도, 수명, 안정성그리고초고집적에의한장비의소형화를추진하고있다. 기존의 Si 기반의전자소자의발전엔이미한계에다다르고있으며이를극복하기위해서기능성나노소자의필요성이제시된지이미 20년에이르고있다. 대표적인유기나노소자인 OLED 는이미차세대디스플레이소자로서인정을받고있으며, 기존의 LCD 와차별되는월등한성능과응답속도그리고 flexible display의강점으로휴대폰및 TV에서상용화가이미이뤄져서제품이판매되고있다. 그래핀의응용범위는차세대반도체및디스플레이뿐아니라환경및에너지분야에이르기까지다양한영역에서두각을드러내면서선진국의연구투자및경쟁은날이갈수록치열해지고있다. 그러나차세대나노소자가지니고있는근본적인문제점은수명및효율그리고경제적인대량생산에서어려움을해결하지못하고있다. 기존무기소자에비해서안정성및수명이현저하게떨어지고효율이낮고대면적생산이어려워서경제적인대량생산이불가능한상황이다. 그원인은아직까지유기나노소자및저차원그래핀물질에대한기본적인물리 1989 서강대학교물리학과 ( 학사 ) 1993 University of Reading, UK. ( 석사 ) 2000 Dept of Physics, King s College London, UK ( 박사 ) 2000-2003 KRISS, Nano-Surface group (Post-Doc.) 2003-2004 삼성종합기술원책임연구원 2007-현재 KAIST 물리학과겸직교수 2004-현재 한국기초과학지원연구원나노표면연구팀책임연구원 238 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 3, June 2015
적화학적인이해가부족한상태이고그를극복하기위해서세계의첨단연구그룹에서다양한분석을통한근본적인문제해결경쟁을하고있는실정이다. 현재국내에서차세대나노소자분석을수행할수있는장비및인력인프라를종합적으로갖추고있는연구센터는매우부족한현실이다. 다행이 2010년부터한국기초과학지원연구원은국제적으로경쟁력이있는우수한시설을종합적으로갖추려고총사업비 180억원의예산을들여서차세대융복합나노물성분석시스템구축사업을진행하고있다. 한국기초과학지원연구원나노표면연구팀 (advanced nano-surface research group, Korea Basic Science Institute) 은다양한물질의표면및계면에서일어나는물리적화학적현상을 in situ 상태에서관찰하고분석함으로서, 미래형나노정보소재 / 소자개발을전문지원하고, 세계최고수준의표면분석기술을확보하는것을목표로, 분석기술전문가들을중심으로활발한연구를수행하고있다 (2014년 SCI논문 28편게재, 중소기업기술이전 1건, 특허출원 10건 ). 현재대덕연구단지에위치한한국기초과학지원연구원내에총 6종의첨단표면분석장비와 4종의박막공정장비를동시에초진공환경으로통합시킨 in situ 나노물성종합물성분석시스템을구축하고, 이를기반으로학교, 연구소, 산업체의연구및생산활동을지원하고있다. 그래서현재구축된시스템의상황과현재까지진행하고있는첨단연구를이번기회를통해서소개하고자한다. 2. 본론 deposition), 열증착기 (thermal evaporator), 화학증착기 (chemical vapor deposition), 이온스퍼터증착기가설치되어있으며, 이모든분석기기와공정장비가단하나의초진공시료자동이송장치로연결되어있어서, 공정장비에서만든시료가외부환경에노출되지않은채, 전자구조를포함한성분분석과토모그래피이미지분석을통한형태및구조분석데이터를종합적으로얻을수있는기능을가지고있다. 2010년부터국비예산으로시작된나노표면분석시스템구축사업은 2016년완료예정이며, 이미설치된장비를활용해서산 학 연연구자들의연구를지원하고있다 ( 그림1). 고분자공학관련연구자들이향후많은활용을할수있도록국내최초로도입된두장비에대해서개략적설명을드리고자한다. 2.1.1 저에너지전자현미경 / 광전자현미경 (Low Energy Electron Microscopy/ Photoemission Electron Microscopy, LEEM/PEEM) LEEM은전자총에서방출한고에너지전자 (15-20 kev) 를전자기렌즈로집속하고감속시켜시료표면에는저에너지 (1-100 ev) 로조사하여시료의파괴없이물질의표면구조를관측하는장비이다. 이때, 표면에조사되는전자의에너지를변화시켜표면또는깊이방향의정보를얻을수있으며, 회절패턴도얻을수있어투과전자현미경과같이영상과회절상모두를분석하여시료의표면및계면의구조를 2.1 In situ 나노물성분석시스템구축 차세대나노소자개발을지원하기위한주요시스템으로서, 공정과정에서제작된미래형나노소재 / 소자 / 박막이다양한분석기기까지전달되는동안외부환경에의한오염이나변형되는것을원천적으로차단해서, 차세대신물질및신소재의기초물성및물리화학적특성을정밀하게측정분석할수있는특성을지닌국내유일의시스템을 2010년부터구축중에있다. 차세대 in situ 나노종합물성분석시스템 의현재까지의구성은, X선광전자분광분석기 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), 주사터널링현미경 (scanning tunneling microscopy, STM), 그리고국내최초의유사상압 X-선광전자분광분석기 (near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, NAP-XPS) 와역시국내최초의수차보정형저에너지전자현미경 / 광전자현미경 (low energy electron microscopy/photoemission electron microscopy, LEEM/ PEEM) 이분석장비로설치되어있고, 2016년엔각분해능자외선광전자분광분석기 (angle resolved UV photoelectron spectroscopy) 가최종적으로설치될예정이다. 공정장비로서플라스마원자박막증착기 (plasma enhanced atomic layer 그림 1. 차세대 in situ 나노종합물성분석시스템전경 (KBSI 나노표면연구팀 ). 고분자과학과기술제 26 권 3 호 2015 년 6 월 239
고분자특성분석지상강좌 In situ 나노물성분석시스템을활용한나노신소재및환경에너지분야응용연구 정확히분석할수있다. 이러한원리를이용해단층촬영, 상전이, 흡착, 박막성장, 에칭, 승화등표면에서일어나는현상을실시간으로동영상으로기록하여메커니즘분석이용이하다. 특히, 상온에서의측정뿐만아니라, 100 K에서 1,200 K까지시료의온도를조절할수있어반응이일어나는순간을실시간으로포착하는것이가능하다. 공간분해능은 3-4 nm이지만, 수차보정기를설치할경우 1.4 nm의높은공간분해능도얻을수있다. 본연구팀에설치된 LEEM은수차보정기가설치된시스템으로전세계적으로 10여대만설치된첨단장비이며, 현재 2차원물질의성장및반응메커니즘연구를수행하고있다 ( 그림 2). PEEM은빛을시료에입사시켜튀어나오는광전자의공간분포를영상으로측정하는장비이다. 가속기의빛을이용할경우, 입사에너지를변화시켜 XPS imaging을할수있으며, 실험실에서사용하는수은램프를통해서는시료의일함수지도를작성할수있다. LEEM 시스템과결합되어있는경우, 헬륨램프를이용하여각분해광전자분광스펙트럼을얻을수있어시료의전자구조를직접적으로측정할수있다. PEEM의공간분해능은 30 nm이하이다. (a) 따라서, LEEM/PEEM 시스템을활용하면그동안명확하게밝혀지지않았던다양한물질의표면반응또는성장메커니즘규명이이루어질수있을것으로기대한다. 2.1.2 상압형광전자분광분석기 (Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy, NAP-XPS) 신소재연구및반도체디스플레이등의산업계에서가장널리쓰이는표면분석장비인 X-선광전자분광분석기 ( 이하 XPS) 는물리및화학분야에서정성및정량적으로표면의화학적결합정보와일함수를정확히측정할수있는가장강력한표면분석장비이다. 그러나일반적인 XPS는초고진공환경하 (< 10-10 Torr) 에서작동되므로, 액체시료및수분을포함한시료는분석이불가능할뿐만아니라초고진공에적합하도록시료를전처리해야하는등의많은제약이발생하였다. 또한, 대기상에가까운압력이나액체환경에서작동되는 device의특성을분석할때, 진공이라는환경의규제로인해분석이불가능하였다. 그러나첨단차세대소자및나노입자제작의경우, 대량생산및공정단가하락을위하여습식공정으로대부분전환되고있다. 그결과습식공정을통한소재와소재박막의전자구조분석이요구되게되었으며이에개발된장비가바로상압형 X-선광전자분광분석기 ( 이하 NAP-XPS) 이다. 물론젖은시료표면에서튀어나오는전자들의검출률을높이기위해서상압형분광분석기를지난십년간개발해왔고, 최근에이러한불가능의영역이 NAP- XPS로인해그에가까운압력 (>10-2 Torr) 분석이가능하게되었고, 많은유수저널에결과가실리고있다. 특히이분석기기를통해서가장주목을받고있는부분은촉매연구이다. 금속표면과기체의반응을통한계면의전자구조의변화를실시간으로관찰함으로써, 물리적화학적변화의원리를이해하고이를통한촉매개발에큰기여를할것으로기대한다. (b) 그림 2. (a) LEEM/PEEM system@kbsi, (b) LEEM image of graphene on SiC(0001). 그림 3. KBSI 에국내최초로도입설치된상압형 X- 선광전자분광분석기 (NAP-XPS). 240 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 3, June 2015
2.2 저차원신소재나노소자의표면 / 계면분석연구그래핀 (graphene), 질화붕소 (boron nitride, BN), 전이금속칼코겐화합물 (transition metal dichalcogenides, TMDCs) 등의저차원나노소재는인류의미래생활을변화시킬수있는신물질로서주목받고있다. 지난해부터본격적인연구가시작된 2차원신물질인흑린 (black phosphorus) 은그래핀을대체할수있는가능성이발견되면서더욱다양한주제의저차원연구가진행될것으로기대된다. 흑린은그래핀처럼층구조를이루고있고, 높은전하이동도와고유의에너지밴드갭을가진반도체고유의성질을지니고있어서그래핀을대체할차세대반도체소재로관심을받고있다. 하지만박막형태가되면전기적성질은좋아지지만공기와접촉하면불안정해지는취약점을가지고있어서본연구실에선이를해결함으로써상대적으로안정된저차원흑린소재를만들고이를다양한응용분야에적용하는연구를수행하고있다. 최근에흑린박막에광촉매나노소자로널리쓰이는 TiO 2 를치환시킨흑린-TiO 2 복합체를제조함으로써흑린의수분에대한불안정성을해결하였다. 그리고가시광선에서부터근적외선까지폭넓은파장범위에서작동하는흑린특성을이용하여자외선에서만반응하는 TiO 2 의광촉매작용을, 태양광스펙트럼의 45% 를차지하는가시광영역까지가능하게하였다 ( 그림 4). 이러한연구결과를바탕으로흑린에 TiO 2 외에도다른금속산화물을치환하여친환경의료분야응용이가능한소재를목표로연구를수행하고있다. 아울러저차원나노물질은표면으로만이루어진물질이라서표면 / 계면의성질에따라물질의특성이결정된다. 그러므로차세대전 자소자개발은원자한두층만으로이루어진 2차원물질의원자들간의배열및결합등의표면 / 계면분석이필수적이다. 본연구팀은첨단표면분석을통해서저차원물질의전자구조를지속적으로연구하고있으며 ( 그림 5), 신분석기술구축을위해서국내최초로수차보정저에너지전자현미경 / 광전자전자현미경을설치하였고, 내년에는국내최초로 DA30 분석기가설치된각분해광전자분광기를도입하여흑린을비롯한다양한저차원물질의성장메커니즘과전자구조분석연구를집중적으로수행할예정이다. 2.3 친환경에너지나노소재를이용한광촉매개발탄소나노입자는탄소양자점 (carbon quantum dots) 또는탄소나노점 (carbon nanodots) 이라고불린다. 일반양자점은작은입자안에전자가갇혀있기때문에형광을발산하며, 크기에따라다른파장의빛을발하는것이특징이다. 기존양자점은대부분독성이강한금속원소성분으로인해서살아있는세포조직을시각화하는바이오이미징적용이어렵다는문제를가지고있다. 그러나탄소나노입자는무독성에높은화학안정성을가지며, 안정적발광특성과우수한생물적합성등많은강점을보유하고있기때문에기존양자점의한계를뛰어넘는물질로서세계적연구경쟁이치열하다. 본연구팀에서는녹조현상의주원인인남조류로부터탄소나노 그림 4. 흑린 -TiO 2 복합체광촉매의반응기작및고효율광촉매메커니즘규명연구. 1 그림 5. 세계최초로측정된 Cu(111) 기판위에성장한그래핀의전자구조. 2 그림 6. 녹조현상원인남조류로부터탄소를추출하여제조한탄소나노입자의광학사진및발광사진과화학적구조를나타낸모식도 ( 약 100 kg 남조류에서 100 g 탄소추출 ). 고분자과학과기술제 26 권 3 호 2015 년 6 월 241
고분자특성분석지상강좌 In situ 나노물성분석시스템을활용한나노신소재및환경에너지분야응용연구 입자를대량으로추출하는신기술 ( 남조류 100 kg로부터탄소나노입자 100 g 추출 ) 을개발함으로써유해남조류를오히려전구체로활용하여원료비절감뿐만아니라세계적인환경오염문제인녹조문제해결까지기여하는방법을개발했다 ( 그림 6). 현재복잡한제조공정이필요했던기존기술에비해간단하면서도추가적인공정이필요없는대량제조공정기술개발을진행중에있다. 3. 결론전세계적으로저탄소친환경에대한관심이증가됨에따라, 환경보호및신재생에너지등인류의현재문제를해결하고미래를준비하는미래형소재소자연구가떠오르고있다. 우린현재국내최초로미래형소재 / 소자개발의핵심인프라인차세대나노소재연구를위한 in situ 나노물성분석시스템을구축하고있다. 국내외과학자들의연구를지원하고, 특히에너지환경소재연구에필수적인물성분석을지원하기위한전문연구를자체적으로수행함으로서최고의분석 기술을확보하려고노력하고있다. 저차원물질분석의핵심인표면분석기술을선도하기위한일환으로, 2015년부터국내최초의저에너지전자 / 광전자현미경, 상압 X-선광전자분광기를활용한무른물질나노소자연구, 저차원물질연구에팀역량을집중할예정이며, 관심있는연구자들의연구장비공동활용및공동연구제안을환영한다. 참고문헌 1. H.U. Lee, S.C. Lee, J. Won, B. Son, S. Choi, Y. Kim, S.Y. Park, H-.S. Kim, Y-.C. Lee, and J. Lee., Scientific Reports, 5, Article No. 8691 (2015). 2. C. Jeon, H-.N. Hwang, W. G. Lee, Y. G. Jung, K. S. Kim, C. Y. Park, and C. C. Hwang, Nanoscale, 5, 8210 (2013). 3. H.U. Lee, S.Y. Park, E.S. Park, B. Son, S.C. Lee, J.W. Lee, Y.-C. Lee, K.S. Kang, M.I. Kim, H.G. Park, S. Choi, Y.S. Huh, S.-Y. Lee, K.-B. Lee, Y.-K. Oh, and J. Lee, Scientific Reports, 4, Article No. 4665 (2014). 242 Polymer Science and Technology Vol. 26, No. 3, June 2015