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광반응성 금 나노복합체의 합성, 분석 및 응용에 관한 연구

Title
광반응성 금 나노복합체의 합성, 분석 및 응용에 관한 연구
Authors
허성
Date Issued
2011
Publisher
포항공과대학교
Abstract
Summary (in Korean) 금 나노 입자에 관한 연구는, 나노 기술의 발달과 더불어 그것이 가지는 독특한 물리화학적, 광학적, 전기적, 자기적, 촉매적 성질 등으로 인해 많은 연구가들의 주목을 받아 왔다. 이러한 우수한 특성을 가지는 금 나노 입자의 응용 분야에 있어서, 원하는 나노 구조를 효과적으로 구현하고 기능성을 부여하는 일은 매우 중요하다. 특히 금 나노 입자는 입자 표면의 화학적 변형 (chemical modification)을 통해 다양한 자기조립 (self-assembly) 현상을 유도할 수 있다. 본 연구에서는 광반응성이 부여된 새로운 금 나노 입자 (CI-AuNPs)를 합성하고, 그것의 자기 조립에 의한 나노 입자의 모폴로지 (morphology) 변화를 관찰하였다. 또한 금 CI-AuNPs의 응용 분야로서, 전도성 고분자 (conducting polymer) 나노복합체 (nanocomposites)를 만들어 새로운 패터닝 (patterning) 기술을 제시함과 동시에 디바이스로서의 응용 가능성을 모색해보았으며, 2차원 탄소 구조체인 그래핀 (graphene) 표면에 적용함으로써 그래핀의 선택적 N-도핑 (doping)에 관한 연구를 진행하였다. Chapter 2 에서는, 광반응성 cinnamate 작용기에 sulfur 그룹을 도입하여, 광반응성이 부여된 금 나노 입자 (CI-AuNPs)를 합성하고, 광반응에 의한 용액상에서의 금 나노 입자의 자기 조립 현상을 살펴보았다. 사용된 cinnamate 작용기는 광반응 뿐만 아니라 개시제에 의한 라디칼 (radical) 반응도 가능하므로, 두 가지 방법에 의한 금 나노 입자의 모폴로지 변화 및 구형의 구조체 형성을 관찰하였다. 특별히, 개시제 (initiator)의 양에 의해 금 나노 입자의 계층적 자기 조립과 1차원적 (1-dementional) 구조 형성을 유도할 수 있었으며, 제시된 자기 조립 방법을 통해 금 나노 입자의 다양한 응용 가능성이 기대된다. 또한, 금 나노 입자는 제 2의 물질과 혼성화 (hybridized) 되면서 새로운 소재로 연구될 수 있는데, 다른 유기 또는 무기 분자들과 나노복합체를 이루면서 기능이 개선되거나, 새로운 물성을 지니는 신소재 개발 등 다방면에서 연구되어 왔다. Chapter 3 과 Chapter 4 에서는, 그 중에서도 유기 반도체의 중요한 소자가 되고 있는 전도성 고분자와 금 나노 입자를 혼성화시켜 새로운 전도성 나노복합체를 만들고, 광반응에 의한 전도성 고분자의 새로운 패터닝 기술을 소개하였으며, 전도도 측정 및 FET 물성 측정을 시도함으로써 유기 전계 효과 트랜지스터 (organic field effect transistor, OFET)으로의 사용 가능성을 고찰한다. Chapter 3 에서는 대표적 전도성 고분자 중 하나인 poly (3-octylthiophene) (P3OT) 가 표면에 도입된 금 나노 입자를 합성하고, 위치 교환 (place exchange) 반응에 의해 광반응성 cinnamate를 도입함으로써, UV광조사에 의해 빠르고 간편한 패터닝이 가능한 금 나노복합체 (P3OT-AuNPs-CI) 필름에 관한 연구를 진행하였다. 패턴된 나노 복합체 필름은 코팅 조건에 의해 두께 조절이 가능하고 사용되는 쉐도우 마스크 (shadow mask)에 의해 원하는 패턴 설계가 가능하다. 또한 전기 전도도(conductivity) 측정을 통해서, 기존의 homo P3OT의 전도적 특성이 유지되는 것을 확인하였으며 디바이스 응용 가능성을 제시하였다. Chapter 4 에서는, 우수한 전기 전도성으로 인해 태양전지 (solar cell), FET 등의 다양한 반도체 소재로 널리 사용되고 있는 전도성 고분자인 P3HT, poly (3-hexylthiophene)를 이용한 새로운 금 나노복합체 (P3HT-AuNPs-CI)를 합성하고, 이것을 활성층 (active layer)으로 사용한 FET 디바이스 소자를 제조함으로써 전기적 특성을 살펴보았다. P3HT-AuNPs-CI 필름은 간편한 광반응 패터닝의 장점 뿐만 아니라, 광반응성 cinnamate의 첨가로 인해 P3HT의 결정 구조의 회복에 큰 기여를 하였고 이것은 XRD 스펙트럼 상으로 확인하였다. P3HT-AuNPs-CI 필름은 전계 효과 이동도 (field effect mobility)와 점멸비 (on/off ratio)는 각각 2.19 × 10-5 cm2/Vs, 3.93 × 102의 값을 나타내었고 이것은 P3HT-AuNPs 필름의 동일한 측정치보다 10배 이상 증가된 값임을 확인하였다. 또한 UV 광조사량에 따라 전계 효과 이동도의 값이 점진적으로 증가되는 것을 측정하여, 광-경화반응 (photo-crosslinking)에 따른 나노 복합체의 전기적 특성 제어 가능성도 함께 제시되었다. Chapter 5 에서는, 새로 합성한 광반응성 금 나노 입자인 CI-AuNPs의 활용 방향으로서, 2차원 탄소 구조체인 그래핀의 선택적인 N-타입 도핑 연구를 실행하였다. 그래핀의 화학적 도핑 연구는 그래핀의 다양한 응용분야를 위한 전기적 특성 제어에 있어 중요한 연구 분야 중의 하나이다. 본 실험에서는 그래핀 위에 CI-AuNPs를 코팅하고, UV 광조사에 의한 경화 반응을 통해서 원하는 패턴으로 금 나노 입자를 그래핀 위에 존재시킨다. 패턴된 금 나노 입자는 강한 N-타입 도판트 (dopant)로 작용하였으며, 그래핀의 도핑 효과는 Raman, XPS, 전자 이동도 측정을 통해 확인하였다. CI-AuNPs를 이용한 그래핀의 선택적 도핑 기술은, 기존의 포토리소그라피 (photolithography) 공정을 통한 선택적 도핑 기술보다 간편하며 직접적인 패터닝이 가능하므로 이를 활용하여 다양한 나노 수준 또는 대면적 수준에서의 그래핀 디바이스 제조 및 응용이 가능할 것으로 기대된다.
URI
http://postech.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000897581
http://oasis.postech.ac.kr/handle/2014.oak/1026
Article Type
Thesis
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