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Surface chemistry
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surface chemistry


본 연구실에서는 표면의 구조와 반응성 및 표면에서 일어나는 화학반응에 대한 연구를 하고 있다. 표면화학은 기본적으로 물질과 표면과의 순수한 반응을 연구하는 학문이기 때문에 초고진공(Ultra High Vacuum:UHV)하에서 연구가 이루어지며 표면에 일어나는 물리 및 화학현상에 대한 지식은 첨단소재 및 공정에 널리 활용되며 나노화학기술의 기본이 된다.

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표면에 대한 연구는 관심의 대상에 따라 고체 표면의 전자 구조나 원자구조에 대한 연구, 고체 표면의 물리적 성질에 대한 연구, 고체 표면의 물질의 흡착 및 탈착 후 산화나 환원 반응 등의 화학반응에 대한 연구 그리고 표면에서 물질의 migration 또는 확산 등의 열적 운동에 대한 morphology를 연구하는 분야로 나뉘어진다. 여기서 표면화학은 특정한 물질이 표면과 어떤 반응을 통하여 흡착하고 분해되어 탈착하는지 그 메커니즘을 연구하는 학문이다. 그림에서 처럼 분자들이 UHV 챔버로 유입되었을 때 반응기 내부로 들어온 분자들은 표면과 반응하여 표면에 흡착하게 되고 일정한 에너지를 받으면 이 흡착된 분자가 분해되어 일부가 탈착하게 되고 탈착에너지 이상의 흡착에너지를 갖는 물질이 표면에 남게 된다. 이러한 표면과 분자의 반응을 알게 되면 박막을 증착하는 반응이나 화학적, 생물학적 센싱능력에 대한 기초적인 정보를 줄 수 있을 뿐 아니라 완전 분해되거나 완전히 제거되지 않아 흡착된 물질로부터 불순물 유입 과정에 대한 정보도 얻을 수 있다.


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Temperature Programmed Desorption(TPD)는 깨끗한 기판에 물질을 저온에서 흡착시킨후 선형적으로 열을 가하여 기판에서 탈착되는 물질을 질량분석기(mass spectrometer)로 측정하는 것으로 실험을 통해 온도에 따른 각각의 질량과 부부압력과 관련된 피크를 얻게 된다. 즉 온도와 표면에서 물질의 탁착 속도와 상관관계 그래프를 얻을 수 있다. 따라서 데이터를 통해 보여지는 피크는 탈착 속도가 최대인 온도를 의미하게 된다.

TPD가 주는 정보로는 탈착과 관련된 물질들에 대한 정보와 반응 경로, 이를 통해 반응 메커니즘을 알 수 있을 뿐 아니라 피크 온도를 통해 탈착 에너지도 예상할 수 있다.


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icon반도체 물질의 표면은 특정 분자가 흡착될 경우, 에너지 밴드의 벤딩이 일어나고 전하의 이동이 일어나 표면 전기 전도성이 크게 변하는 물질로 알려져 있다. 일반적으로 특정 흡착물질이 전기전자소자에 흡착될 경우 소자의 전기적 특성은 다르게 나타나는 것은 익히 잘 알려진 현상이다. 따라서 광특성 소자에 주로 사용되는 ZnO의 경우 광특성 소자로의 활용 전, 특정분자와 표면화학 특성을 밝히는 게 중요하다. intrinsic범위에서 ZnO는 간단한 탄소화합물이 흡착하여 전기 전도성의 변화가 일어나는데 이러한 반응은 H2, CH4, CO 등과 같은 환원성 물질과 반응하여 크게 변화하는 것으로 알려져 있다.


icon물질에 따라 다르게 나타나는 소자에서의 표면화학반응은 소자로 사용되기 앞서 그 메커니즘을 밝히는 단계가 매우 중요하다. UHV 내에서 TPD 분석방법을 통해 특정물질과 소자의 반응 메커니즘을 명확히 규명할 수 있다. 본 연구실에서는 합성된 ZnO 나노와이어를 통해 기체분자를 센싱하는 메커니즘을 연구하고 있다.






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반도체 소자로 쓰이는 박막증착을 위한 전구체로는 Metal Organic 물질이 주로 이용된다. 박막증착을 위해 전구체를 반응기 내부로 유입시켰을 때 반응기 내부로 들어온 전구체는 표면과 반응하여 표면에 흡착하게 되고 활성 에너지 이상이 되면 흡착된 분자가 분해되어 일부의 유기 리간드는 탈착되고 표면에는 금속 원자가 남아 박막을 이루게 된다.
표면반응의 탈착물과 남아있는 잔여물을 분석하게 되면 박막 증착 시 기초적인 정보를 줄 수 있을 뿐 아니라 완전하게 분해되거나 제거되지 않은 유기 리간드를 분석함으로써 박막의 불순물 유입과정에 대한 메커니즘을 알 수 있다.


4본 연구실에서는 나노필름이나 나노와이어 증착에 필요한 전구체들의 표면화학분석을 통해 전구체의 열적, 화학적 안정성을 알아보고 반응경로, 반응 운동 속도론에 대해 연구하고 있다. 이는 산업적으로 쓰이는 전구체들의 기본적인 물성에 대한 정보를 알려줄 뿐 아니라 비슷한 물질의 기초적인 표면화학반응을 예측할 수 있는 기초가 된다.











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연꽃잎은 마이크로 단위의 돌기와 표면의 왁스를 이용하여 물방울이 잎표면에 젖지 못하고 굴러 떨어지게 한다. 이 때 이 물방울들은 연꽃잎 위의 먼지나 이물질 등을 제거해주는 역할을 하여 연꽃잎 표면은 깨끗하게 유지가 된다.

초발수 표면은 마이크로/나노 단위의 구조체와 낮은 표면에너지를 갖는 물질을 이용하여 연꽃잎의 위와 같은 특성을 생체 모방한 기술로써 물방울이 표면을 적시지 못하게 함으로써 자기세정 표면, 방수 표면 등을 제작할 수 있다.










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초발수 표면의 다양한 연구
초발수 특성은 자가세정 표면, 물/오일 분리 기술, 방수 코팅된 전자 장비, 발수 섬유 등 다양한 분야에 응용가능하기 때문에 폭넓은 연구가 이루어지고 있다.
또한 최근에는 동적환경에서의 초발수 특성 분석, 물 속에서의 초발수 특성 분석 등 실생활에 초발수 표면을 응용하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.















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동적환경에서의 초발수 표면의 물젖음 특성
실생활에서 연꽃칲을 모사한 초발수 표면을 활용하기 위해서는 동적인 환경에서의 초발수 특성 연구가 필요로 한다.
이를 위해 위 논문에서는 합성된 초발수 표면에 물방울을 떨어트려가면서 초고속 카메라를 이용해 물방울의 궤적을 측정하였다.
그 결과 물방울의 궤적은 초발수 표면의 거칠기 및 표면 에너지에 따라 바뀌며 초발수 특성이 클수록 물방울의 튀어오르는 궤적 역시 커지는 것을 확인할 수 있었다.







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다기능성 표면
수열합성법을 이용하여 500nm의 ZnO나노선을 유리 기판 위에 합성시킴으로써 투명하면서 초발수 특성을 가진 다기능성 초발수 표면을 제작하였다.
위 연구는 스마트 윈도우 등 차세대 유리 사업 분야에 높은 응용성을 가진다.











다기능성




















물속

물속에서의 초발수 특성 연구
물속에 초발수 표면을 넣었을 때 초발수 표면은 그 특성을 잃지 않고 표면에 공기층을 유지하면서 초발수 특성을 나타낸다. 그 현상으로 인해 물 속에서의 초발수 표면은 위 사진과 같이 전반사 현상을 보이게 된다.
물 속에서의 초발수 표면의 안정성은 수압 및 표면 에너지에 따라 달라지게 되는데 수압이 커질수록, 표면에너지가 높아질수록 초발수 표면의 안정성은 약해지게 되고 쉽게 초발수 특성을 잃게 된다.