• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.36.2-36.2
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• 2011

최근 나노기술의 비약적인 발전을 바탕으로 그 동안 구현이 쉽지 않았던 마이크로-나노 단위의 생체모사(biomimetics) 기술이 큰 각광을 받고 있다. 그 중에서도 특히 연잎 효과(lotus-effect)로 대표되는 접촉각 $150^{\circ}$ 이상의 초소수성(superhydrophobicity) 표면 구현은 생물, 화학, 물질 등의 다양한 분야에 있어 큰 사용가치를 가지기 때문에 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 초소수성을 가지는 표면을 구현하기 위해서는 표면의 화학적인 조성을 변화시켜 표면의 거칠기를 증대시키는 방법과 표면에너지를 낮추는 방법으로 구분될 수 있으며, 이를 위해 표면에 나노구조체를 형성시켜 표면 거칠기를 증대시키는 방법과 silane 계열의 자가-형성 단일막(Self-assembled monolayer)을 코팅하여 표면에너지를 낮추는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 표면에 나노구조체를 형성시키는 과정에서 비싼 공정 비용이 발생하며, 대면적 구현이 쉽지 않다는 단점이 있으며, silane 계열의 자가-형성 단일막의 경우에는 제거가 쉽지 않아 추후 다양한 소자에의 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 무전해 식각법(Aqueous Electroless Etching)을 이용하여 대면적으로 합성시킨 실리콘 나노와이어의 표면 산소 흡착 처리를 통해 $156^{\circ}$ 이상의 초소수성 표면을 구현하였다. 액상 기반으로 형성된 실리콘 나노와이어의 표면은 열처리 공정을 통해 OH-기에서 O-기로 치환되어 낮은 표면에너지를 가지게 되며, 낮아진 표면에너지와 산화과정에서 증대된 표면 거칠기를 통해 Wenzel-state의 초소수성 표면 성질을 보였다. 변화된 나노와이어의 표면 거칠기는 주사전자현미경 (FE-SEM)과 주사투과현미경 (HR-TEM)을 통해 관찰되었다. 또한, 나노와이어의 길이와 열처리 공정 조건에 따라 나노와이어의 표면을 접촉각 $0^{\circ}$의 초친수성(superhydrophilicity) 특성부터 접촉각 $150^{\circ}$ 이상의 초소수성 특성까지 변화시킬 수 있었으며, 나노와이어의 길이에 따라 표면 난반사율을 조절하여 90% 이상의 매우 높은 흡수율을 가지는 나노와이어 표면을 구현할 수 있었다. 이러한 산소 흡착법을 이용한 초소수성 표면 구현은 기존 자가-형성 단일막 코팅을 이용한 방법에 비해 소자 제작 및 활용에 있어 매우 유리하며, 바이오칩, 수광소자 등의 다양한 응용 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.487.1-487.1
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• 2014

현재 전 세계 태양광 시장의 주류를 이루는 단결정 실리콘 태양전지의 효율적 한계를 뛰어넘기 위하여 여러 가지 기술적 구조적 시도들이 이루어지고 있다. 그 중 기존의 피라미드 형태의 텍스쳐링 표면 대신 나노와이어 형상을 가지는 태양전지 개발이 주목을 받고 있다. 실리콘 웨이퍼 표면에 나노와이어가 수직 배열되어 있거나 텍스쳐링 표면에 나노와이어 형상이 있을 경우 SiNx가 증착된 피라미드 텍스쳐링 표면보다 반사도가 월등히 낮아져 light trapping을 기대할 수 있어 태양전지 개발에 응용하기 위한 나노와이어 형상 최적화에 본 연구의 목적이 있다. 실리콘 나노와이어 합성법에는 여러가지 방법들이 있으나 본 연구에서는 비교적 짧은 시간과 상온에서 공정이 이루어지는 무전해 식각법을 이용하여 실리콘 나노와이어를 합성하였다. 무전해 식각법은 은 이온과 실리콘 사이에서 일어나는 산화-환원 반응이 나노와이어 합성의 주요 기전이기 때문에 균일한 나노와이어를 형성하기 위하여 균일한 은 박막 형성과 적절한 반응시간이 요구된다. 본 연구에서는 반응시간을 조절하여 나노와이어의 길이 변화와 반사도의 변화를 FE-SEM과 UV-Vis-NIR spectroscopy를 통하여 관찰하였고 그 결과 나노와이어가 실리콘 웨이퍼 표면에 수직 배열되어 있는 형태와 텍스쳐링 표면에 나노와이어 형상이 있는 경우 SiNx가 증착된 피라미드 텍스쳐링 표면에 비해 월등히 향상된 반사율을 얻을 수 있었다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2012.05a
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• pp.79.1-79.1
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• 2012

Si 기판을 무전해 식각하여 나노와이어 형태로 합성하는 방법은 쉽고 간단하기 때문에 이를 이용한 소자 특성 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만 이러한 방법으로 제작된 Si 나노와이어의 경우 식각에 의하여 나노와이어 표면이 매우 거칠어지기 때문에 고유의 특성을 나타내기 어려워 표면 특성을 제어 할 수 있는 연구의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 무전해 식각법을 이용하여 p와 n형 나노와이어를 각각 합성하고 그 특성을 구현하기 위하여 표면조절을 진행하였다. 특히 n형 나노와이어의 경우 표면의 OH- 이온으로 인하여 n채널 특성이 제대로 나타나지 않기 때문에 열처리를 이용하여 표면을 보다 평평한 형태로 조절하여 향상된 전기적 특성을 얻을 수 있었다. 여기에 나노와이어와 절연막 사이의 계면 결함을 최소화 하기 위하여 poly-4-vinylphenol (PVP) 고분자 절연막에 나노와이어를 삽입시켜 나노와이어의 문턱전압 값을 조절하였다. 이를 바탕으로 complementary metal-oxide semiconductor(CMOS) 구조의 인버터 소자를 제작하였으며 p형 나노와이어가 절연막에 삽입된 정도에 따라 인버터의 midpoint voltage 값을 조절 할 수 있었다.

• Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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• 2009.04a
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• pp.34-37
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• 2009

본 논문에서는 원자적 계산(atomistic calculation)을 이용한 나노박막의 평형상태(self-equilibrium state)에 대한 해석기법을 제시한다. 두께가 얇은 나노박막은 표면 응력(surface stress)에 의한 영향으로 원자간 거리가 벌크상태의 거리보다 작아진다. 두께가 얇은 나노박막에서의 원자 사이의 거리는 표면 응력과 탄성계수들의 표현식으로 계산이 가능하며, 본 논문에서는 {100}, {111}, {110} 표면을 가지는 나노박막의 평형상태의 해석을 위한 해석적 방법을 제시한다. 원자 사이의 거리를 계산하기 위해서는 보다 정확한 표면 응력의 계산방법이 필요하다. 본 연구에서는 나노박막의 평형상태에 대한 해석을 위해 surface relaxation model을 제시하고, 이 모델을 이용하여 표면응력(surface stress)과 표면강성계수(surface stiffness tensor)와 같은 surface parameter의 계산을 수행한다. 본 논문에서 제시된 surface relaxation model을 검증하기 위하여 분자동역학 전산모사(molecular dynamics simulation)의 수치 결과를 제시하고, 본 연구에서 계산한 equilibrium strain과 비교 검증한다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2014.11a
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• pp.95-96
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• 2014

본 논문에서는 수열합성법으로 성장된 ZnO 기반의 나노구조를 응용함으로써, 압전기반의 새로운 나노제너레이터 구조 및 성능향상에 관한 연구를 제시하고자한다. ZnO 나노구조는 원자층증착법을 적용하여 균일한 ZnO 나노박막 seed층을 성장하고, 이러한 seed층 위에 수열합성법을 통해 $90^{\circ}C$ 저온에서 ZnO 나노구조를 성장함으로써 이루어진다. 성능향상을 위해 다양한 종류 및 구조의 기판 적용을 통해 압전소자를 제작하였으며, 주기적인 스트레인의 적용을 통해 출력특성을 측정하였다. 또한 유연성 나노제너레이터의 제작을 위해 Graphene기반의 전극구조를 적용하였으며, 이를 통해 유연성 나노제너레이터 소자로부터 나노압전특성을 제어할 수 있었다. 특히 나노압전소자의 성능향상을 위해 기판의 표면미세구조를 조절하여 표면적을 넓혀줌으로써 압전소자의 출력전압특성을 향상하였으며, 이러한 메커니즘을 구조적, 성분 분석 및 광학적 특성분석을 통해 규명하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2013.05a
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• pp.67-67
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• 2013

그래핀과 탄소나노튜브와 같은 탄소나노재료는 우수한 물성으로 인하여 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 예측되고 있으며, 더욱이 이러한 특성은 구조변형, 화학적 도핑뿐만 아니라 표면처리를 통해서 제어가 가능하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 기존의 진공 공정이 아닌 상온 상압 환경에서 그래핀과 탄소나노튜브를 효율적으로 표면 처리하기 위하여 대기압 플라즈마장치를 제작하였고, 질소플라즈마를 이용하여 그래핀과 탄소나노튜브의 표면을 처리하였다. 대표적인 결과로는 소수성이었던 그래핀 및 탄소나노튜브의 표면을 친수성으로 개질하였으며, 플라즈마 처리에 의한 결함을 최소화시킬 수 있는 최적의 표면처리 조건을 도출하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.346-346
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• 2011

실리콘 나노와이어는 높은 표면적으로 인해 뛰어난 감지 능력을 가지는 재료 중 하나로 다양한 센서 응용 분야에 사용되고 있다. 이를 제작하는 방법에는 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 공정을 이용한 Top-down 방식과 Vapor-Liquid-Solid (VLS) 공정을 이용한 Bottom-up 방식이 널리 사용되고 있다. 특히 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD)와 Au 촉매를 이용한 Bottom-up 방식은 수십 나노미터 이하의 실리콘 나노와이어를 간단한 변수 조절을 통해 성장시킬 수 있다. 또한 Au/Si의 공융점인 363$^{\circ}C$보다 낮은 온도에서 $SiH_4$를 분해시킬 수 있어 열적 효과로 인한 손실을 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다. 하지만 PECVD를 이용한 실리콘 나노와이어 성장은 VLS 공정을 통해 표면으로부터 수직으로 성장하게 되는데 이는 센서 응용을 위한 전극 사이의 수평 연결 어려움을 지니고 있다. 따라서 이를 피하기 위한 표면 성장된 실리콘 나노와이어가 요구된다. 본 연구에서는 PECVD VLS 공정을 이용하여 $HAuCl_4$를 촉매로 이용한 표면 성장된 Tree-like 실리콘 나노와이어를 성장시켰다. 공정가스로는 $SiH_4$와 이를 분해시키기 위해 Ar 플라즈마를 사용 하였고 웨이퍼 표면에 HAuCl4를 분사하고 고진공 상태에서 챔버 기판을 370$^{\circ}C$까지 가열한 후 플라즈마 파워(W) 및 공정 압력(mTorr)을 변수로 두어 실험을 진행하였다. 기존의 보고된 연구와 달리 환원된 금 입자 대신 $HAuCl_4$용액을 그대로 사용하였는데 이는 표면 조도(Surface roughness)를 가지는 Au 박막 상태로 존재하게 된다. 이 중 마루(Asperite) 부분에 PECVD로부터 발생된 실리콘 나노 입자가 상대적으로 높은 확률로 흡착하게 되어 실리콘 나노와이어의 표면성장을 유도하게 된다. 성장된 실리콘 나노와이어는 SEM과 EDS를 이용하여 직경, 길이 및 화학적 성분을 측정하였다. 직경은 약 100 nm, 길이는 약 10 ${\mu}m$ 정도로 나타났으며 Tree-like 실리콘 나노와이어가 성장되었다. 향후 전극이 형성된 기판위에 이를 직접 성장시킴으로써 이 물질의 I-V 특성을 파악 할 것이며 이는 센서 응용 분야에 도움이 될 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.83-83
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• 2018

최근 의료, 보건, 헬스케어 분야에 대한 관심이 증가함에 따라 질병의 조기 진단 연구가 각광 받고 있다. 특히 표면증강 라만 산란 (Surface Enhancement Raman scattering)은 고분자 검출을 위해 가장 유용한 물리 화학적 기법으로 SERS를 활용한 특정물질 검출 기술 개발에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 나노구조의 국부적 표면 플라즈몬의 공명조건 (Surface Plasmon Resonance, SPR)으로 유도된 전자기장은 우수한 SERS 신호를 나타낸다. 따라서 표면 플라즈몬 공명 효과는 귀금속 나노입자의 종류, 크기 및 형태, 기판의 형상 및 구조 등에 의해서 달라지게 되므로 이들을 조절하여 보다 민감한 SERS 신호를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 고감도 SERS-Active 기판을 제작하기 위해 SERS 기판 표면의 나노구조를 최적화 하였다. SERS 기판 표면을 제어하기 위해 공정파워, 공정압력, 기판의 온도 등의 증착공정 변수에 변화를 주어 표면의 나노구조를 형성하였다. 이를 분석하기 위해 SEM 분석을 통해 피라미드형 실리콘 기판 표면의 Au 나노구조 금속 박막을 확인하였고, XRD를 이용하여 결정성 및 결정크기를 확인하였다. Rhodamine 6G를 이용한 라만 분석을 통해 SERS 신호의 강도를 알 수 있었다. 금속 나노구조의 형태, 온도 제어를 통해 SERS 신호강도가 우수한 나노구조 기판을 제조 할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2018.06a
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• pp.118-118
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• 2018

Indium tim Oxide (ITO) 의 idium 공급 제한과 그 고유한 특성상 유연기판에 적용에는 한계가 있어 대체 물질 개발이 활발히 이뤄지는 가운데, 금속나노와이어는 그 중에서도 각광받는 물질 중 하나이다. 금속나노와이어 네트워크는 높은 전기 전도성, 투명성과 같은 많은 이점을 가지며 유연기판에 다양한 방법으로 손쉽게 제조할 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 금속나노와이어는 자체의 고유한 표면 거칠기 및 접착 문제 등으로 인해 그 한계를 가지며, 또한 polynivnylpyrolidone (PVP)의 코팅이 불가피하기 때문에 나노와이어 간의 높은 접촉저항 및 junction 문제는 해결과제로 남아있다. 본 연구에서는 이러한 금속나노와이어의 문제를 극복하기 위해 유도전류에 의해 와전류를 발생시켜 나노와이어 junction 부분에서 짧은 시간동안 국소적으로 용접시킬 수 있는 induction coil system을 구축하였다. 금속나노와이어 전극 기판의 투명도를 유지하며 기판과 나노와이어에 영향을 미치지 않고 electric field를 통해 nano-welding 하는 효과를 기대하였다. 그 결과, 실험에 사용한 은나노와이어와 구리나노와이어는 초기 투과도를 유지하면서 면저항을 각각 약 68 %, 50% 감소하는 효과를 보였다. 또한 표면 이미지 측정을 하여 표면 거칠기도 감소하였음을 확인하였으며, welding됨에 따라 내구성 향상에도 영향을 미쳤음을 bending test 와 adhesion test를 통해 그 특성이 향상되었음을 확인하였다. 본 연구에서 실시한 와전류를 이용한 나노용접 방법은 건식방법이며 열이 직접적으로 발생하지 않기 때문에 모든 종류의 금속 나노와이어에 적용될 것으로 기대하며, 짧은 시간과 저렴한 비용으로 넓은 영역에 적용 가능하다는 장점을 가져 다방면에 활용 가능할 것으로 기대한다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2003.03a
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• pp.244-244
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• 2003

나노인덴테이션은 시편에 압자를 침투시켜 재료의 기계적 특성을 파악할 수 있는 경도시험법이다. 압입범위를 나노미터범위로 조절할 수 있어 기존에 접근할 수 없었던 극 미소부분에로 응용이 넓어지고 있다. 경도시험시 재료의 탄성 및 소성 작용에 의해 재료는 변형되고, 표면변화 관찰을 통해 표면아래 부분에서 이루어지고 있는 거동을 예측할 수 있다. 이러한 관점에서 나노인덴테이션 시험시에도 발생하는 파일업과 싱크인 현상에서 재료가 나노미터 범위에서 어떠한 양상으로 변형을 하는지를 고찰하는 것은 의미가 있을 것이다. 본 연구에서 파일업과 싱크인의 양상을 파악하고 그 양을 정량화하기 위하여 가공경화양에 따른 표면변화와 압입하중 변화에 따른 표면변화를 관찰하였다. 어닐링한 봉상 알루미늄을 압축변형을 0%, 5%, 20%, 40%, 50% 로 변형시켜 가공경화를 일으켰고, 표면은 전해연마하여 나노압입시험이 가능하도록 하였다. 각각의 시편을 나노인덴테이션 압입하중을 변화시켜 재료에서 하중 변화에 따라 나타나는 표면변화를 관찰하였고, 위의 각 조건에서 파일업양을 정량화 하였다. 연구결과에 대해 ANSYS 유한요소분석 프로그램을 사용하여 재료의 변형양상을 시뮬레이션 하였고, 실제 실험데이터와 비교 분석하였다.