두꺼운 폴리이미드 필름 내에 분산 형성된 구리 또는 구리 산화물 나노 입자 형성 연구

Abstract

고순도 질소 또는 환원 분위기에서 생성된 두꺼운 폴리이미드 필름 내에 고밀도로 분산된 나노입자를 형성하고, 그 광학적 특성을 비교 연구하였다. 10 wt% 의 BPDA-PDA를 25 nm 구리 박막 위에 스핀 코팅하여 도포한 후, 350 도, 고순도 질소 분위기에서 열적 큐어링을 진행하여 나노입자를 형성하였다. 고순도 질소 분위기에서 형성된 나노입자는 원형이지만, 입자의 분포가 불균일하고, 크기 또한 일정하지 않았다. 형성된 나노입자의 상은 XRD로부터 Cu와 Cu2O라는 것이 확인되었고, 광학적 특성은 SPR이 다소 우세하게 관찰되었다. 이 시편을 5% 수소 + 95% 질소 분위기에서 후속 열처리를 진행한 결과, 금속 Cu 나노입자에 의한 SPR이 강화되는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 5% 수소 + 95% 질소 분위기에서 열적 큐어링을 통해 형성된 나노입자는 2-5 nm의 크기로 매우 균일하거 일정하에 1.5 마이크로미터 두께의 폴리이미드 필름 내에 형성되었다. XRD 분석결과 형성된 고밀도로 형성된 나노입자는 Cu임이 확인되었다. 이로써 환원분위기에서의 열적 큐어링이 두꺼운 폴리이미드 필름 내에 고밀도의 크기가 일정한 나노입자를 균일하게 형성시키는 것을 확인하였다. 나노 입자를 실제로 이용하기 위해서는 입자 크기, 입자의 분포, 입자 의 조성, 입자의 모양을 우리가 의도한대로 조절할 수 있어야 한다. 또한, 이를 위한 생산 공정 및 장비는 기존의 것을 활용하여 최소의 투자로 최 대의 효과를 얻는 공학적인 관점에서 고려되어야 한다. 그러나 현재까지 진행된 나노 입자에 관련된 대부분 연구들은 이러한 필요충분 조건을 만 족시키지 못하고 있는 것이 사실이다. 우리 연구 그룹은 지난 수년간 다양한 조성의 나노 입자를 새로운 설비 투자가 크게 필요하지 않는 경제적인 방법으로 제조할 수 있는 독창적인 방법을 개발해왔다. 우연한 발견에서 아이디어를 얻은 이 연구는 해를 거 듭함에 따라 그 결과를 체계화하고 있고, 많은 성과를 이룩하였다. 본 연구에서는 기존에 연구된 나노 입자를 포함하는 90 nm 급 폴리이미 드 필름이 고출력 광학 소자에서 저밀도의 입자로 인해 한계를 보이는 단 점과 폴리이미드 필름이 노출된 환경에서 나타날 수 있는 신뢰성의 문제 를 보완하는 방향으로 진행되었다. 나노 입자 형성은 폴리아믹산과 금속 박막 간의 반응을 유도하고, 열적 큐어링 과정을 통해 나노 입자를 석출 시키는 방법으로 기본 메커니즘은 기존의 연구와 동일하다. 그러나 폴리 아믹산의 농도를 기존의 2.5 wt%에서 10 wt%로 더 높게 하여 금속 박막 과의 반응성을 향상시켰고, 이를 통해 전체 폴리이미드 두께 증가를 통한 신뢰성 문제 해결과 고밀도의 나노 입자 형성을 통한 고출력 광학 소자로 의 가능성을 제시하였다. 특히 열적 큐어링은 기존의 질소 분위기 외에 수소 또는 산소 분위기에서 진행하여 생성된 나노 입자의 미세 구조와 UV-vis absorption 및 광류미네센스 등의 다양한 광학적 특성을 연구하였 다. 수소와 산소 분위기에서의 열적 큐어링은 과거 연구에서의 사용된 post-heat treatment라는 추가적인 과정을 거치지 않으면서, 원하는 조성 의 나노 입자를 두꺼운 폴리이미드 필름 내에 제조할 수 있는 기반이 될 것이다. 본 연구를 통해 생성된 고밀도의 구리 나노 입자를 포함하는 1 ㎛ 급 폴리이미드 필름은 주로 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 혹한 환경에 서의 SENSOR나 WAVEGUIDE로의 응용이 기대된다. 또한 이를 산화시킨 고밀도의 구리 산화물 나노 입자를 포함하는 폴리이미드 필름의 경우, 고 출력 LED로의 응용이 가능할 것으로 예상된다.; We investigated the formation of nanoparticles in a relatively thick PI film(>1㎛) in reducing atmosphere and optical properties of these nanoparticles. PAA of 10 wt% BPDA-PDA was spincoated on the 25m Cu thin film and thermally cured at 350℃ in high purity nitrogen or 5% H₂ + 95% N₂ atmosphere. The fabricated nanoparticles in high purity nitrogen atmosphere had spherical shape and were dispersed uniformly in the 1.5 ㎛ thick PI film. Its phase was revealed as Cu and Cuprous Oxide (Cu₂O) by X-ray diffraction (XRD). Its size and optical absorption depended on deposited metal thin film thickness. After post heattreatment in 5% H₂ + 95% N₂ atmosphere, SPR from metallic Cu nanoparticle was enhanced. In the specimens cured in reducing atmosphere, 5% H₂ + 95% N₂, highly dense and 2-5 nm size nanoparticles were dispersed uniformly in an entire PI film. XRD results and optical data revealed that nanoparticles fabricated in 5% H₂ + 95% N₂ atmosphere were metallic Cu. Thermal curing in reducing atmosphere produces nanoparticles of high density, and uniform dispersion in a relatively thick PI film.