폴리이미드를 이용한 자성 나노입자의 형성 및 응용에 대한 연구

Abstract

나노 미터 크기 수준에서 물질의 형성 및 그 특성을 연구하는 나노 기술(Nanotechnology, NT)는 정보 기술 (Information Technology, IT), 바이오 기술 (Biotechnology, BT)와 더불어 21세기의 핵심기술로 각광 받고 있다. 나노 기술을 실제로 응용하기 위해서는 나노 크기의 입자를 형성하고 그 입자에 기능을 부여하는 기술이 개발되어야 한다. 본 논문은 폴리아믹산과 금속과의 반응을 이용하여 폴리아믹산을 폴리이미드로 큐어링할 때 폴리이미드 절연층내에 혹은 그 위에 미세한 나노 입자를 형성하는 방법을 연구한 논문이다. 절연체내에 미세한 나노 입자를 형성하는 여러 가지 방법 등이 개발되었으나 이미 개발된 방법들은 제조 공정이 복잡하고 값 비싸고 예민한 장비를 사용하여야 하므로 입자크기 조절의 어려움, 입자크기 및 밀도의 불균일성, 구조의 불안정성 등의 문제가 있었다. 본 연구에서는 공정이 간단하고 단순한 범용장비를 이용하여 균일하고 밀도가 큰 미세입자를 형성하는 새로운 공정개발에 초점을 맞추고 연구하였다. 절연체내에 나노 입자를 형성하기 위하여 실리콘 웨이퍼위에 폴리아믹산을 코팅하고 그 위에 Co, Fe, Ni80Fe20 및 Co100-xPtx 박막을 1.7~10 nm 증착한 후 400~800℃의 온도로 진공 및 RTA 를 사용하여 열처리 하였다. 실험과정중에 금속증착 전후의 폴리아믹산 피복과정을 추가하여 폴리이미드에 덮인 나노 입자를 형성시켰다. 투과 전자현미경을 통하여 모든 시편에서 형성된 나노 입자를 관찰할 수 있었으며 박막의 종류 및 합금 조성에 따라, 열처리 온도와 승온 속도에 따라서 나노 입자가 형성되는 조성, 모양, 분포 등이 바뀌는 것을 관찰할 수 있었다. Ni80Fe20에서는 상대적으로 반응성이 큰 Fe는 폴리이미드와 반응하지만 Ni은 반응하지 않아 4~5 nm의 Ni 금속 나노 입자가 형성되었고 이를 사용하여 Ni 나노 입자 seed로 사용하였다. 이렇게 형성된 Ni 나노 입자 seed를 이용하여 Ni-Co alloy를 합성하였다. 또한 Co100-xPtx 의 조성을 변화시켜 650℃ 이상에서 열처리를 하여 L10 CoPt 나노 입자를 형성하였다. 이 과정에서 증착과 열처리 과정을 반복함으로써 나노 입자의 크기를 조절할 수 있었다. 마지막으로 Fe 박막을 이용하여 열처리 온도 조건과 열처리 단계에서 따라서 γ-Fe2O3 나노 입자와 탄소 결정에 둘러 쌓인 Fe3C 나노 입자를 형성하였다. 본 연구에서는 여러 가지 형성조건에 따라 다르게 나타나는 나노 입자의 형성에 관련된 메커니즘을 나노 입자 및 폴리이미드의 구조를 분석함으로써 증명하였다. 결과적으로 금속의 종류, 금속박막의 두께, 큐어링 조건을 변화시키고 합금 박막을 이용하여 폴리이미드 내에 균일하고 고밀도의 나노 입자를 형성할 수 있었다. 이런 나노 입자는 단전자 트랜지스터, 플래쉬 메모리 등의 전자소자, 자성 특성을 이용한 고밀도 자기기록매체 등뿐만 아니라 광소자 등에도 사용이 기대된다.; Nanotechnology based on materials on a nanometer scale is believed to play a large part of future technology in the 21st century together with biotechnology and information technology. In order to apply this nanotechnology, a functional material must be fabricated on a nanometer scale. This research describes a new technique of fabrication nano-sized particles in an insulating medium utilizing the reaction between polyamic acid (PAA) and metals during imidization of the polyamic acid. Although there are many existing methods of forming nano-sized particles in insulators, they have disadvantages, involving complex and costly manufacturing processes. In addition, the processes are often difficult to control the particle size or result in low uniformity of particle size and density and unstable structure. This research is focused on development of a new process that forms fine particles with are uniform and dense using simple and commonplace equipment. To synthesis the nanoparticles in the polyimide, the one point senven to ten-nm thick Co, Fe, Ni80Fe20 and Co100-xPtx thin film were sptterdeposited on the substrate coated polyamic acid After soft-baking, the samples were heat-treated in vacuum or RTA at 400~800℃. We can fabricate exposed nanoparticles on the polyimide by adding the polyamic acid coating after metal deposition in the middle of the experimental procedure, Through observations with transmission electron microscopy, fine particles were formed inside the PI film. Moreover, a sort of thin film, composition of the alloy metal, heat-treat atmosphere and heat treatment temperature caused changes of the composition, shape, distribution of the nanoparticles. Ni80Fe20 thin film was broken to Ni nanoparticles whose average size were 4~5 nm due to superior reactivity of Fe with polyamic acid compared to Ni. And then we used Ni nanoparticles by seed to produce the Ni-Co alloy nanoparticles and Co rich nanoparticles. Also We fabricated the L10 CoPt nanoparticle which size is controlled by repeating the deposition and annealing process. And according to the annealing temperature and annealing step, we can synthesis the γ-Fe2O3 or canbon encapsulated iron carbide nanoparticles. In this study, we proved the mechanism of synthesis of nanoparticles which were changed according to various conditions, by analyzing the structure of nanoparticles and polymer matrix. In conclusion, uniformly distributed nana-sized particles with high density, embedded in PI, were fabricated by reacting PAA with different metal or alloy thin films. It was also demonstrated that the particles size, distribution, and morphology can be easily controlled by changing the thickness of the thin film and curing conditions. It is expected that these particles can be applied to many different future applications including single-electron-transistor, flash memory, high density recording media, and optical devices.