연구실 탐방 - 전남대 나노 소재 및 계면 연구실

<연구실 개요>

본 연구실은 IT 분야나 ET 분야에 응용이 가능한 나노 소재 창출을 목표로 소재 설계 및 합성, 특성 규명, 그리고 소자 적용성 평가에 관한 연구를 진행하고 있다. 이를 위해 양자점 표면의 유기 기능화 및 전자 구조 규명 연구, 나노 복합체 계면의 분자 가교화 및 전하 수송 특성 연구도 시도하고 있다. 각 소재 별 주요 연구 내용을 최근의 연구 결과를 중심으로 정리하면 다음과 같다.

<주요 연구 내용>

* 실리콘 양자점 잉크 소재 연구

실리콘 양자점은 II-VI족 양자점이나 III-V 족 양자점에 비해 그 원료가 지구상에 풍부하고 친환경적이다. 또한 기존의 실리콘 공정 기술을 바로 적용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 근본적인 장점에도 불구하고 합성법의 미정립, 표면 산화 문제 등으로 인하여 실리콘 양자점의 합성 및 응용은 다른 종류의 양자점에 비하여 많이 늦어져 왔다. 이와 관련하여 본 연구실에서는 실리콘 양자점 박막에서의 산화 문제가 매우 심각함을 전자 분광학적 분석과 광학적 분광법을 이용하여 밝혀낸 바 있다. (J. Am. Chem. Soc. 131, 17894, (2009)) 최근에는 역마이셀을 이용한 합성 방법을 개선하여 산화문제가 개선된 실리콘 양자점을 합성할 수 있었다. (Bull. Kor, Chem. Soc.  accepted (2012)) 또한, 수소 규소화 반응을 이용하여 다양한 종류의 공액계 유기 분자를 실리콘 양자점 표면에 공유 결합시켜 실리콘 양자점의 전자 구조 및 흡광 특성을 변화시킬 수 있음을 확인하였다. (submitted (2012))

앞으로 연구할 주제는 실리콘 양자점 표면의 표면과학적 이해를 바탕으로 산화 내성이나 열적 안정성이 좀 더 우수한 실리콘 양자점을 대량으로 합성하는 것이다.  현재 연구실에서 합성되고 있는 실리콘 양자점 크기가 1.8 nm에 머무르고 있는데 그 크기를 2 ~ 7 nm범위에서 조절할 수 있는 합성법을 확보하여 빛의 흡수나 발광영역이 가시광선 영역에 위치하도록 하는 것도 남은 과제이다.

* 실리콘 양자점-고분자 나노 복합체 소재 연구

실리콘 양자점을 고분자와 융합하여 나노복합체화 하면 IT-NT 융합 분야나 IT-ET 분야 융합 분야에 실질적으로 적용될 수 있는 소재를 개발할 수 있는 가능성이 아주 크게 된다. 이를 위해서는 우선 실리콘 양자점 표면의 유기 분자에 고분자화 반응이 가능한 분자 구조를 도입하는 것이 중요하다. 본 연구실에서는 최근 스타이렌 단량체와 실리콘 양자점으로부터 실리콘 양자점-폴리스타이렌 고분자 나노 복합체를 합성하였으며 이를 스핀 코팅하여 나노복합체 박막을 얻을 수 있었다. (submitted(2012)) 실리콘 양자점과 폴리스타이렌 고분자의 HOMO-LOMO 갭의 차이로 인하여 양자 우물형 전자 구조를 가지는 고분자가 형성되는데 이로부터 예상되는 전하 저장 특성을 MOS 구조에서 CV 측정으로 확인할 수 있었다. 또한 열적 안정성이 우수한 실세스퀴옥산 고분자를 메트릭스 물질로 활용하는 나노복합체의 합성도 최근에 가능하게 되었다. 본 연구실에서는 이러한 나노복합체를 플렉서블 메모리나 플렉서블 면조명의 발광 재료 등으로 적용하는 연구를 계획하고 있다.

한편 실리콘은 Li 이온 흡장 능력이 매우 우수하여 차세대 Li 이차 전지 음극재로 매우 유망한 물질이다. 하지만 기존의 실리콘 재료들은 Li 이온의 흡장 및 탈리 시의 부피 팽창으로 파쇄되는 심각한 문제가 있다. 본 연구실은 최소한의 부피 팽창으로 Li 이차 전지 음극재 응용성이 매우 뛰어난 실리콘 양자점-나노 복합체 소재를 창출하는 것을 중장기 목표로 소재 연구를 지속하고 있으며 이와 관련하여 정부로부터  대형연구과제를 유치하는 것이 단기 목표이다.

* 양자우물고분자 연구

HOMO-LUMO 갭이 작은 유기 분자 구조를 HOMO-LUMO 갭이 큰 실록산 분자로 가교하면 양자우물 구조의 1차원 고분자 사슬을 얻을 수 있다. 이로부터 플렉서블 메모리 적용이 가능한 전하 저장용 물질을 얻을 수 있음을 조선대 손홍래 교수와의 공동 연구를 통해서 밝힌 바 있다. (J. Am. Chem. Soc. 133, 7764 (2011)) 현재는 보다 열적 안정성이 우수하고 그 원재료를 쉽게 구할 수 있는 고분자 구조를 설계하고 있다. 고분자 사슬의 형성 방법에 따라 일차원 양자우물고분자와 삼차원 양자우물고분자로 나눌 수 있으며 상기에서 언급한 실리콘 양자점-고분자 나노복합체는 삼차원 양자우물고분자의 하나로 볼 수 있다.

* 무기 나노 입자 박막 연구

전자 재료 응용의 입장에서 볼 때 유기 소재에 대한 무기 소재의 최대의 단점은 유기 용매에 녹지 않아 용액 공정이 어렵다는 점이며, 이는 유연 소자 및 시스템 개발에 대한 필요성이 증가하고 있는 최근의 IT 및 ET 연구 개발 동향에 부합되지 않는다. 이를 해결하는 소재 기술적 대안은 녹는 것이 가능한 무기 나노 입자로부터 무기 나노 입자 박막을 합성하는 것이다. 무기 나노 입자는 그 조성에 따라서 절연체, 반도체, 그리고 도체의 특성을 가질 수 있다. 본 연구실에서는 주로 InP 나노 입자와 ZnO 나노 입자를 합성하여 용액 공정으로 박막을 형성하는 것을 연구하고 있다. 이러한 무기 나노 입자 박막의 단점은 나노 입자 사이의 계면에 존재하는 유기 분자들로 인하여 벌크 박막의 전기 특성이 현저히 떨어진다는 것이다. 이를 해결하기 위하여 본 연구실에서는 무기 나노 입자 표면에 축합 반응이 가능한 분자 구조를 도입하고 스핀 코팅 후 박막 상에서 축합이 진행된 후 나노 입자들의 계면에 전기 특성이 우수한 가교 그룹이 남아 있도록 하는 방법을 개발하였는데, 본 연구실에서는 이러한 박막 소재를 “Condensable Quantum Dots Solid” 또는 “Condensable Nanocrystals Solid”라고 명명하고 있다. 이러한 소재 개념은 우선적으로 CdS 양자점 박막 형성에서 구현되었으며, (Chem. Mat. 21, 604 (2009)) 최근에는 InP 양자점 박막 형성에도 적용되었다. (submitted (2012))

* 게이트 절연체용 유기-무기 하이브리드 소재 연구

유연 전자 분야의 핵심적 소자는 휘어지는 기판 위에서 구동이 가능한 TFT소자이다. 이를 위해서는 유기 반도체 소재 개발과 용액 공정이 가능한 게이트 절연체 소재 개발이 필수적이다. 본 연구실에서는 저유전 소재에 활용되었던 실세크퀴옥산 고분자에 ZrO₂나 HfO₂ 같은 고유전체를 분자 수준에서 하이브리드시켜 열적 안정성이 우수하고 유전율이 높으며 저온에서 (£ 150 °C) 용액 공정이 가능한 게이트 절연체를 주로 연구하고 있다.

기존의 실세스퀴옥산 고분자는 약250 °C - 400 °C에서 -Si-OH의 축합 반응에 의해 매우 열적 안정성이 우수하고 절연성이 우수한 박막 형성이 가능하다. 하지만 150 °C이하의 저온 범위에서는 이러한 축합 반응에 의존한 네트워크 형성만으로는 절연성의 확보가 쉽지 않음을 실세스퀴옥산계 박막 형성 연구로부터 확인할 수 있었다. (J. Phys. Chem. B 112, 16257 (2008); J. Phys. Chem. B 112, 16984 (2008); J. Phys. Chem. C 114, 14233 (2010); J. Chos. Nat. Sci. 3, 7 (2010)) 이를 극복하기 위해서 본 연구실에서는 가수분해/축합 반응을 부분적으로 대치하는 새로운 종류의 고분자 축합 반응의 도입을 추진하고 있다.

<현 수행 주요 연구 과제>

- 실리콘 양자점 고체 (교과부 일반 연구, 2010.5.1 - 2013. 4.30)

- 양자우물고분자의 전자 수송 특성 연구 (교과부 일반 연구, 2012.9.1 - 2015.8.31)

- 용액형 산화물 반도체 소재 개발 (지경부 소재원천, 2011.12.1 – 2015.11.30)

- 게이트 절연막 개발 (기업 위탁 과제, 2011.4.1- 2013.3.31)

<담당 교수 및 구성원>

현재 본 연구실은 정현담 교수를 중심으로 5명의 박사 과정 학생, 2명의 석사 과정, 그리고 2명의 학부 과정 학생이 연구에 참여하고 있다.

정현담 교수의 주요 약력

.1986.3 - 1990.2 : KAIST 화학과 이학사

.1990.3 – 1992.2 : KAIST 화학과 이학사 물리화학 전공

.1992.3 - 1996.8 : KAIST 화학과 이학박사 물리화학 전공 (표면 과학)

-  주제 : Adsorption of Aromatic Molecules on Silicon Surfaces

.1996.8 - 1999.9 : 삼성전자, 선임연구원, IMD 공정 개발  

.1999.11 - 2000.10 : Georgia Institute of Technology, 포스닥

.2000.11 - 2006.8 : 삼성종합기술원, 수석연구원 겸 프로젝트 매니저

-  과제 1 : 저유전 박막 소재 개발

- 과제 1 : 용액 공정의 무기 반도체 소재 개발  

.2006.8 - 현재 : 전남대학교 자연과학대학 화학과 조교수/부교수

.2002.10 : 삼성그룹 기술상 본상 수상 (자랑스런 삼성인상 기술상)

- 저유전 박막 소재 개발 과제  (과제 책임자)

.2004.11 : 제1회 삼성학회 논문상 - 은상

.2011.09 : 2011년 대한화학회 재료화학분과 우수연구자상