구리계 나노입자 형성 및 입자의 열안정성 연구

Abstract

나노 입자를 제조하는데 있어서 중요한 것은 형성된 입자의 크기 조절이 가능 해야 하며, 균일하게 입자들을 분포시키고, 입자의 모양을 조절할 수 있어야 한다. 또한 재현 가능하게 형성시키며 이입자의 실제 소자 작동 환경에서 입자의 안정성도 감안해야 할 것이다. 이에 따라 공정이 간단하고 단순한 범용장비를 이용하여 균일하고 밀도가 큰 나노 입자를 형성하는 새로운 공정개발의 필요성이 꾸준히 제기 되어왔으며, 우리 연구진에서는 이에 중점을 두고 폴리이미드 박막 내 나노입자를 분산시키는 독창적인 방법으로 여러 가지 물질의 나노입자를 성공적으로 형성시켜왔다. 본 연구에서는 박막 패키지용 구조에서 폴리이미드 내에 분산된 금속 산화물 형성에 착안하여 구리 금속에 적용하여 비교적 용이한 방법으로 나노 크기의 영역에 속하는 미세한 입자를 폴리이미드 절연 박막 내에 분산시키는데 성공하였던 과거 연구결과를 바탕으로 여러 공정 변수의 나노입자 형성에 대한 영향을 관찰 하고자 하였다. 나노입자 형성에 가장 중요한 큐어링 공정 도중 세부적인 환경 변수, 특히 진공이나 flow rate같은 환경 변수가 어떠한 영향을 주는 지 알아보고자 한다. 이를 통하여 향후 입자 형성 시 공정 변수를 제어하고자 하였다. 또한 향수 소자에 이용할 때 생성된 입자의 열안정성을 실험하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 나노 입자 형성 방법은 폴리아믹산과 금속과의 반응을 이용하여 폴리아믹산이 큐어링 과정을 통해 폴리이미드로 변할 때 폴리이미드 박막 내에 미세한 나노 입자를 형성하는 방법이다. 5 nm 두께의 Cu 박막을 기판에 증착하고 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 스핀 코팅 방법에 의해 금속 박막 위에 도포하였다. 큐어링 공정 시 환경 변화에 따라 폴리이미드 박막 내에 형성된 구리계 나노 입자의 크기 및 밀도를 투과 전자 현미경으로 관찰을 하였다. 고밀도의 구리 금속 산화물 입자뿐 아니라 큐어링 환경에 따라 금속 구리 나노입자를 절연체인 폴리이미드 박막 내에 형성시킬 수 있었다. 또 이렇게 만들어진 구리 나노입자가 산소가 존재하는 분위기 하에서 열에 쉽게 산화됨을 확인하였다. 이런 나노 입자는 반도체 나노입자의 경우 단전자 트랜지스터, 플래쉬 메모리 등의 전자소자, 자성 특성을 이용한 고밀도 자기기록매체 등뿐 만 아니라 금속 나노입자의 경우 sensor나 waveguide등에도 사용이 기대된다.; A new method has been recently developed to fabricate highly dense nano-sized Cu2O particles in a polyimide film. Cu2O nanoparticles formed from the reaction of polyamic acid with a metal thin film and subsequent curing. In this paper, we report that both Cu2O and metallic Cu nanoparticles can be formed depending on the curing environment. When the N2 flow rate was very low during curing, Cu2O nanoparticles formed. Meanwhile, Cu nanocrystals were formed during curing in the N2 atmosphere employing a high flow rate or in a vacuum. Optical absorption spectra showed the surface plasmon resonance peak from metallic Cu nanoparticles around 580-600 nm. Our results showed that Cu nanoparticles as well as Cu oxide nanoparticles can be formed by controlling the curing environment. Thermal stability of Cu based nanoparticles has been investigated. Cu based nanoparticles in a polyimide (PI) film were prepared from the reaction of polyamic acid (PAA) with a Cu thin film during imidization in N2. Cu and Cu2O nanoparticles were post heat-treated at 140℃ and 250℃ in air, N2, and Ar atmosphere. These samples were characterized by UV?VIS spectroscopy and transmission electron microscope (TEM). After curing, surface plasmon resonance (SPR) peak for metallic Cu nanoparticles in PI matrix and the quantum confined absorption peak for Cu2O nanoparticles appeared. These peaks were shifted by post heat treatment. The SPR peak for Cu nanoparticles was red-shifted and disappeared by the heat treatment at 140℃ in air because of the surface oxidation. The quantum confined absorption peak of Cu2O was not shifted remarkably, but was reduced by post heat treatment at 250℃ in 5%H2 atmosphere. By this reduction, new SPR peak also appeared.