폴리이미드 기반 나노복합소재 제조 및 폴리머 메모리소자 및 고굴절률 필름으로의 응용

Abstract

스마트폰, 태블릿PC 등이 대중화되고 사물인터넷(internet of things, IoT) 시대가 도래함에 따라 사람들은 한가지 전자기기에서 그 기기 본연의 기능 뿐만 아니라 더 다양한 기능(multifunction)을 요구하고 있다. 이러한 요구는 완성된 전자기기뿐만 아니라 연구개발 단계의 재료개발에서도 나타나고 있고, 여러 소재의 장점을 동시에 갖는 소재가 크게 각광을 받고 있다. 소재 자체에서부터 다양한 특성을 바라는 요구는 다양한 재료를 혼합하여 복합소재를 제조하는 연구로 자연스럽게 이어졌다. 수많은 복합소재 중에서도 나노미터 크기의 무기물이 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 나노복합소재(nanocomposite)는 원재료들의 장점이 혼합되어 나타남은 물론 단일재료에서는 나타나지 않는 새로운 특성이 나타나기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. 벌크 크기의 무기물이 분산된 복합소재와는 달리 나노미터 크기의 금속, 산화물, 탄소물질이 고분자 내에 분산될 경우 양자구속효과, 높은 표면에너지, 초상자성 거동 등 복합소재에서는 나타날 수 없는 새로운 전기적, 광학적, 화학적, 자기적 특성 등을 얻을 수 있다. 또한, 무기물의 크기, 모양, 밀도, 분산을 조절함으로써 응용분야에 맞게 나노복합소재의 특성을 조절할 수 있고, 고분자 매트릭스는 가볍고, 유연하고, 성형성이 뛰어나기 때문에 최근 각광받고 있는 플렉서블, 웨어러블 기기의 소재로서 적합하다. 다양한 종류의 고분자가 매트릭스로 사용되지만 일반적으로 고분자의 열적 안정성 및 부식 저항성이 취약하여 나노복합소재를 고온 또는 부식성 분위기에서 장시간 사용할 경우 소재의 신뢰성이 크게 저하될 수 있다. 따라서 나노복합소재를 실제 제품에 응용하기 위해서는 신뢰성이 확보되어야만 한다. 수많은 고분자 중에서도 고성능 고분자 중의 하나인 폴리이미드는 열적 ∙ 화학적 안정성 및 기계적 강도가 뛰어나기 때문에 요리용 용기, 방호복, 플렉서블 기판, 인쇄회로기판, 가스분리막, 금속간 절연층 등 수많은 분야에서 사용되고 있다. 따라서 폴리이미드를 매트릭스로 사용할 경우 열적 ∙ 화학적 안정성이 뛰어난 나노복합소재를 제조할 수 있다. 폴리이미드를 매트릭스로 사용한 나노복합소재는 이미 많이 연구가 되고 있으며 폴리이미드 내에 분산된 무기물은 그래핀, 탄소나노튜브, 금속나노입자, 산화물 나노입자 등 매우 다양하다. 다양한 응용분야 중에서도 폴리이미드 기반 나노복합소재를 비휘발성 메모리에 응용하려는 연구가 많이 이루어지고 있다. 일반적으로 폴리이미드는 300도 이상의 고온에서 이미드화 되기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 실리콘 웨이퍼나 유리를 기판으로 많이 사용하지만, 이러한 기판을 사용할 경우 자유자재로 구부릴수 있는 플렉서블 또는 웨어러블 기기로 응용하기에는 제약이 따른다. 플라스틱 기판을 사용하기 위해 200도 이하에서 열적 큐어링을 할 경우 이미드화가 완전히 되지 않아 추후 소자 신뢰성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 플라스틱 기판을 사용하고 높은 신뢰성을 갖기 위해서는 저온에서 폴리이미드를 완전히 이미드화할 수 있는 기술이 필요하며 본 학위 논문에서는 화학적 큐어링을 이용하여 저온에서 나노복합소재를 제조한 뒤 플렉서블 폴리머 메모리 소자의 전하저장층으로 사용하였고, 소자의 메모리 특성을 분석하였다. 또한 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산과 구리와의 반응을 이용하여 구리 전극 일부가 폴리아믹산으로 녹아들어가게 함으로써, 나노입자를 제조하기 위해 폴리아믹산 내에 금속 전구체를 혼합할 필요가 없고, 하부 구리 전극 주위에만 나노입자를 형성하였다. 이것은 평행한 인접 전극간 거리가 미세화됨에 따라 발생할 수 있는 전자기간섭을 줄일수 있을 것으로 예상된다. 화학적 큐어링 뿐만 아니라, 열적 큐어링을 이용하여 나노복합소재를 제조하였고, 나노플로팅게이트 메모리로 응용하기 위해 메모리 특성을 분석하거나, 고굴절률 필름으로 응용하기 위해 나노입자 형성시 굴절률 변화를 분석하였다. 1장에서는 나노입자, 나노복합소재, 나노입자와 나노복합소재의 다양한 제조 방법, 폴리이미드의 특성 및 열적, 화학적 큐어링 메카니즘, 폴리이미드 나노복합소재 제조방법, 본 연구실의 기존 제조 방법 및 연구 목표에 대해 소개를 하였다. 2장에서는 화학적 큐어링으로 제조한 6FDA-ODA PI)/Cu2O 나노복합소재를 플렉서블 비휘발성 메모리로 응용하기 위한 특성을 분석하였고, 3장에서는 BPDA-PDA PI 또는 thermoplastic PI/Cu 또는 Cu2O 나노복합소재를 비휘발성 나노플로팅 게이트 메모리로 응용하기 위한 특성을 분석하였다. 4장에서는 6FDA-ODA PI)/Cu2O 나노복합소재를 광학소재로 응용하기 위한 특성을 분석하였다. 부록 1에는 스페인 Universidad Politécnica de Madrid에서 18개월동안 연구하였던 카본페이퍼/폴리아닐린 수퍼커패시터 전극의 전기화학적 특성을 분석하였다. 본 연구자가 개발한 폴리이미드/금속 또는 산화물 나노복합소재는 저온에서 제조할 수 있어 플렉서블 웨어러블 기기에 적용이 가능하다. 또한 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 기존의 반도체 산업 장비를 그대로 이용할 수 있기 때문에 대량생산에 적합한 장점이 있다. 다른 나노복합소재에 비해 열적∙화학적 안정성이 뛰어나기 때문에 향후 폴리머 메모리, 광학소재 뿐만 아니라 다양한 분야에 적용할 수 있을 것이다.