나노입자공학연구실
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저희 성균관대학교 나노입자공학연구실 (NPTL)은 2005년 기계공학부 김태성 교수님께서 설립하셨습니다. 저희 연구실은 나노입자 제조, 측정, 제거 및 응용 등 기본적인 입자제어기술 연구를 바탕으로 반도체, 디스플레이, 환경, 의학, 에너지, 신소재, 소자 및 센서 등에 나노입자를 응용하여 차세대 대표 융합기술에 기여하는 것을 목표로 하고 있습니다.
본 연구실은 나노입자 제조, 측정, 제거, 응용 및 거동 예측에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 이는 태양전지, 플렉서블 디스플레이, 대기환경, 바이오, 반도체 오염제어, CMP 등과 같은 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 이러한 연구 수행의 결과로 16명의 석/박사급 인력을 배출하였고 현재 박사 및 석박사통합과정 18명, 석사과정 2명의 규모로 지속적인 성장을 하고 있으며, 국내/외 저명 논문 및 특허를 다양한 분야에서 출원하고 있습니다.
나노입자에 관한 이론/실험적 연구는 기계공학의 열 및 유체역학, 나노과학기술에 기반하고 있습니다. 나노입자는 100 nm보다 작은 입경을 가진 입자를 말하는 것으로 작은 크기로 인한 부피 대비 표면적 증가 현상과 모세관 현상으로 인해 거시 세계에서는 볼 수 없었던 독특한 성질을 가집니다. 따라서 이러한 다양한 기계화학적 성질을 많은 분야에 응용하여 성능을 향상 시키는데 사용되고 있습니다.
저희 연구실의 주요 연구 내용은 위의 그림과 같이 크게 네 가지 (반도체 공정분야, 수치해석분야, 환경 및 장비개발분야, 신소재/소자 및 센서분야)로 분류할 수 있습니다.
1. 반도체 공정분야 연구
저희 연구실에서 연구하는 반도체 공정분야는 세정공정과 화학적-기계적 평탄화 공정 분야입니다. 메모리 소자의 더 높은 집적도를 위한 기술의 발전과 함께 심각하게 고려되는 문제는 바로 고도의 세정기술입니다. 메모리 소자의 선폭이 더 얇아질수록, 더 작은 오염입자를 더 섬세히, 더 완벽히 제거해야 하는 요구사항이 중요하게 되었습니다. 이러한 요구사항을 충족시킬 하나의 방법으로 저희 연구실에서는 이산화탄소 클러스터를 이용한 세정기술을 개발 중에 있습니다. 기존의 건/습식 세정과는 차원이 다른 이 세정법은, 이산화탄소 기체의 급격한 상 변화에 의해 형성되는 클러스터를 이용하여, 소자 패턴을 파괴시키지 않으면서 오염물질만을 제거하는 가히 혁신적인 메커니즘으로 차세대 세정산업을 이끌 기술로 각광받고 있습니다. 그리고 저희 연구실에서는 반도체 공정의 한 단계인 화학적/기계적 평탄화 (chemical mechanical planarization, CMP)공정 전반에 대해서 연구하고 있습니다. 저희 연구실은 학교 공동 클린룸에 300 mm 웨이퍼를 수용 가능한 CMP 장비를 대여하여 갖추고 있어 CMP 연구를 하는 데 큰 어려움 없이 진행하고 있습니다. 저희 연구실의 CMP관련 연구는 매우 다양해서, 슬러리 입자의 합성, 화학적 특성 평가에서부터 컨디셔너 암의 개선까지 CMP 공정을 이루는 모든 부분에 대해 연구하고 있습니다. 아래 그림은 앞서 설명한 세 가지 연구분야에 대한 개요 입니다.
2. 수치해석분야 연구
저희 연구실에서 진행되는 연구들은 실험과 이론을 상호보완하기 위해 가능한 한 수치해석이 이루어지고 있습니다. 기본적인 응력해석은 물론, 주로 유체해석을 진행하고 있으며 Gambit과 Fluent를 이용하여 유체와 나노입자의 거동을 예측합니다. 뿐만 아니라, 다양한 수치해석 툴 (CHEMKIN, COMSOL, LAMMPS 등)을 이용하여 각각의 적합한 환경의 실험 결과를 예측합니다. 다음의 그림에는 지하역사 공기조화기의 백 필터를 대체할 사이클론 필터 개발에 대한 수치해석 내용과 액체 속의 기포와 같은 이상 (2 phase) 유체 수치해석에 Lattice-Boltzmann법을 이용한 내용을 보여주고 있습니다.
3. 환경 및 장비개발분야 연구
저희 연구실은 기계공학부와 나노과학기술협동학부의 공동소속으로써, 나노과학기술에 필요한 장비를 직접 개발할 수 있다는 큰 강점을 가지고 있습니다. 아래 그림은 저희 연구실에서 직접 개발 또는 개선한 장비들을 보여주고 있습니다. 저희 연구실에서는 KIST와 공동으로 승합차를 개조하여 이동식 대기 에어로졸 측정 장비 (mobile emission lab., MEL)를 만들어 실제 도시 생활권의 도로변 에어로졸을 측정하고 분석하는 연구를 진행하고 있습니다. 이 연구는 현재 도시 곳곳에 설치되어있는 대기 에어로졸 측정기가 갖는 제한적인 설치 위치, 측정 데이터의 낮은 정밀도/해상도/신뢰도 등의 문제점을 해결하고 정확/정밀한 데이터를 수집하여 신뢰할 만한 환경 규제 기준을 제시할 수 있는 이점을 가지고 있습니다. 또한 저희 연구실은 LCD 공정을 위한 저압 입자 측정기 (low pressure particle monitor, LPPM)를 개발하여 교정 중에 있습니다. 이 장비는 입자가 빛의 경로에 있을 때 일어나는 산란 현상을 관측하는 장비로, 미 이론 (Mie theory)에 따르면 그 산란은 입자의 크기와 관련이 있고, 결과적으로 산란 현상을 관측함으로써 입자의 크기를 측정할 수 있는 원리를 이용합니다. 이 장비를 개발하는 데에는 기계적 요소뿐 아니라 수집된 데이터를 분석 가능한 형태로 가공하는 소프트웨어를 구축하는 것까지를 포함합니다. 그리고 반도체 공정 및 다른 저압 환경에서 입자의 수농도 및 크기 측정이 가능한 입자 빔 질량 분석기 (particle beam mass spectroscope, PBMS)를 연구하고 있습니다. 이것은 진공 속에서 다단의 오리피스를 이용해 가속시킨 입자를 그 관성을 이용하여 입자의 크기 별 수농도를 측정하는 장비로, 진공 중에서 이루어지는 반도체 공정 중 발생하는 입자를 측정하여 공정환경을 관측할 수 있게 합니다. 저희 연구실에서는 PBMS를 이용하여 여러 진공 장비 (특히 CVD와 같은 물질 합성 장비)에서 발생하는 입자를 측정함으로써 기존에 주목 받지 못했던 생산물의 품질과 공정환경과의 상관관계를 규명하는 연구를 진행하고 있습니다. 마지막으로 상압 에어로졸 분사법 (atmospheric aerosol spray, AAS)은 노즐을 이용해 에어로졸을 적정 힘으로 가속시켜 기판에 부착시켜 박막을 형성하는 기술로, 기존의 박막 형성 공정에서 요구되는 고압/고온의 단점을 해소시키는 새로운 기술입니다. 이 기술을 이용하여 균일하고 견고한 마이크로 시스템의 절연층을 형성할 수 있습니다.
4. 신소재/소자 및 센서분야 연구
저희 연구실에서는 최신 연구 동향에 발맞추어 신소재/소자 연구를 진행하고 있습니다. 다양한 나노입자를 비롯한 나노구조체를 그 대상으로 하여 연구를 진행하고 있는데, 그 중 그래핀은 그 뛰어난 특성과 독특한 성질로 활발히 연구가 되는 물질 중 하나입니다. 저희 연구실은 그래핀을 합성하는 열 화학기상증착 (thermal chemical vapor deposition, TCVD) 장비가 있어 대면적의 그래핀을 합성할 수 있으며, 합성 분위기를 조절함에 따라 단일층에서 다층의 그래핀까지 합성이 가능합니다. 아래 그림은 TCVD 장비를 이용한 그래핀 합성과 후처리를 하고 임의의 기판에 그래핀을 전사하는 과정을 나타낸 그림입니다.
위와 같이 합성한 그래핀은 다양한 응용분야에 적용 가능합니다. 특히, 전 세계적으로 그래핀의 뛰어난 전기적 특성을 이용한 소자 개발 및 특성 평가 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이에 저희 연구실에서는, (1) 그래핀의 도핑과 구조 조절 (적층 등)을 통한 그래핀의 전기화학적 특성 변화를 관찰하고 전계효과트랜지스터 (field effect transistor, FET)의 절연체로서의 특성을 평가하는 연구, (2) 현재 가장 널리 사용되는 투명 전극 물질인 ITO (indium tin oxide)를 도핑한 그래핀 투명 플렉서블 전극/터치패널 개발 연구, (3) DNA 나노구조체를 절연체로 사용하는 그래핀 슈퍼커패시터 개발 연구를 진행하고 있으며, 더 다양하고 강력한 응용 기술 개발을 위한 기초연구들을 진행 및 검증 중에 있습니다. 아래 그림은 그래핀 소자 연구에 대한 개요를 보여주고 있습니다. 이 연구들은 성균관대학교의 화학과, 물리학과 교수님들과 협력하여 진행하고 있습니다.
한편, 저희 연구실에서는 광섬유와 광도파로 등과 같은 광소자를 이용하는 광학적 센서 개발 연구를 진행하고 있습니다. 여러 종류의 센서 메커니즘 중에 광학적 센서는 물질과 빛 간의 상호작용으로부터 물질을 검출하는 방법을 이용합니다. 저희는 그 물질-빛 상호작용을 극대화시켜 센서의 성능을 최대화 하고 센서의 소형화와 휴대화를 가능케 하는 데에 초점을 맞추어 연구를 하고 있습니다. 아래 그림은 저희 연구실에서 진행되고 있는 센서분야 연구를 보여주고 있습니다. Polypyrrol (PPy), 그래핀과 같은 감도가 높은 물질을 감지 필름으로 사용하여 휘발성 유기 화합물 (VOC), 에어로졸 입자, 생체분자, 방사성 에어로졸 등과 같은 물질을 검출하는 센서들을 개발/검증 중에 있습니다.
저희 연구실의 학생들은 대부분 학부 시절부터 연구실에서 연구경험을 쌓았던 학생들로 이루어져 있습니다. 따라서, 교수님께서는 학생들 개개인의 의견과 희망사항을 존중해 주시며 개인의 성향과 재능에 따라 연구 주제를 제안해 주십니다. 연구를 진행하는 동안에도 교수님께서는 학생들이 개인의 역량을 온전히 발휘하고 스스로 발전할 수 있도록 항상 독려해 주시고 신뢰해 주십니다. 특히, 최고의 연구 환경을 조성해 주시려고 언제나 고민하시고 그 방법을 강구하시는 교수님께서는 학생들이 연구하는 데 있어 재료, 장비, 기술, 인력, 기관 그 어떤 자원에 대해서도 부족함을 느끼지 못하도록 도처에서 물심양면으로 지원을 아끼지 않으십니다. 그래서 저희 연구실 학생들은 학회, 연구 성과 보고회 및 각종 세미나에서 교수님의 든든한 지원에 힘입어 연구의 주체로써 성공적인 대외 활동을 유지하고 있습니다.
저희 연구실의 모든 학생들은 다양한 학술 활동을 통해 스스로의 역량을 평가하고 발전시키는 많은 기회를 가지게 됩니다. 매년 국내에서 열리는 다양한 학회와 워크샵, 강연 등을 비롯해 해외 학회도 각자 연구분야에 맞추어 연구실 구성원 모두가 국제 학술대회 참가 경험을 쌓게 됩니다. 특히, 국제 학회에서의 발표와 지식 교류 경험은 외국어 커뮤니케이션 능력을 기르고 국제적인 인적 네트워크를 형성하는데 큰 도움이 됨과 동시에, 쉽게 가볼 수 없는 해외 여러 나라를 경험할 수 있는 값진 기회가 아닐 수 없습니다.
저희 연구실은 인원이 많음에도 불구하고 매우 화목하고 어디서도 지지 않는 친밀도를 자랑합니다. 특히, 매년 2명 이상의 외국인 학생을 유치하여 외국 사람과의 우정도 어려운 것만은 아니라는 것을 깨닫게 됩니다. 다 함께 야구경기를 관람, 제부도 소풍, 관악산 등반, 경포대 MT, 스키장 여행 등 여러 단체활동을 통해 서로를 더 많이 알아가고 더 잘 이해하는 시간을 자주 갖습니다. 또, 생일파티, 사은회, 신년회/망년회 등 다양한 행사도 꾸준히 이어가고 있습니다. 일상 생활 속에서는 함께하는 식사는 물론, 삼삼오오 취미를 공유하고 스포츠도 즐기는 등 활력을 북돋는 활동도 틈날 때마다 잊지 않고 있습니다.
저희 연구실은 설립된 지 길지 않은 기간 안에 빠르게 성장하여 다양한 분야에서 좋은 성과를 내고 있습니다. 이러한 결과는 모두 자율적인 분위기 안에서 최선을 다하는 연구실 구성원들과 항상 든든한 지원군이 되어 주시는 교수님 덕분이라 생각합니다. 항상 그래왔던 것처럼, 저희 연구실은 활발한 연구 교류와 협력을 통해 더 다양한 분야에서 더 창의적인 연구 성과를 낼 것 입니다. 끝으로, 저희 연구실을 소개할 기회를 주신 KOSEN 관계자 여러분과 웹진 독자 여러분께 감사의 말을 올립니다.
주소 : 성균관대학교 기계공학부 나노입자공학연구실,
경기 수원시 장안구 천천동 성균관대학교 자연과학캠퍼스 제 2 종합연구동 83246호, 우편번호) 440 - 746
