고려대 김영근 교수팀, 나노기공내 금속이온의 전기화학 반응 경로 규명

고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 100~200nm 크기의 나노 기공 내에 존재하는 금속 이온들이 외부 전기장 세기에 따라 다른 반응 경로 가지는 것을 세계 최초로 규명했다.

연구진은 산성 분위기에 있는 금속 이온들에게 환원극으로의 전기장이 인가(유도) 될지라도 전극 표면에서 바로 반응하는 것이 아니라, 부도체 표면을 따라 흐르는 전류 흐름에 맞춰서 환원이 될 수 있음을 발견했다. 이러한 환원 반응을 잘 제어할 수만 있다면, 가장 단순한 실린더형 나노와이어에서 가운데 부분이 뚫려있는 나노튜브형태, 심지어는 스프링과 같은 나노코일 형태 등 나노소재의 복잡성을 증가시키는 방향으로의 합성이 가능하다는 것을 이론, 실험적으로 확인하는데 성공했다. 이번 성과는 나노과학기술 분야에서의 세계적인 학술지인 ‘나노투데이’ (Nano Today, IF : 20.722)에 11월 26일 온라인 게재됐다.

출처: 에너지경제, 2021.11.29, 고려대 김영근 교수팀, 나노기공내 금속이온의 전기화학 반응 경로 규명 (ekn.kr)

Engineering the shape of one-dimensional metallic nanostructures via nanopore electrochemistry
Nano Today 42, 101348 (2022) [doi:10.1016/j.nantod.2021.101348]

The architecture of nanostructures is pivotal to determine material properties at the nanoscale, indicating the importance of harnessing sophisticated nanochemistry to elicit desirable material morphology with uniformity. The simplicity of template-assisted electrodeposition makes it a promising strategy for the fabrication of anisotropic nanomaterials. However, a challenge it faces is the complexity of the materials. This study presents a facile strategy and fabrication mechanism to synthesize nanotubes or nanocoils by selecting additives such as vanadyl ions and L-ascorbic acid. Vanadyl ions stick to the protonated anodized aluminum oxide surface, paving the way for electronic conduction. When a higher electrical field is applied, linear sweep voltammetry implies surface conduction mode is dominant in the spatially confined template. As L-ascorbic acid is included in the electrolyte, the nanostructure can be regulated from nanotubes to nanocoils. The nanocoils consist of numerous nanocrystalline primary particle considered as building blocks, and their relationship affects the final structures. The reaction product, vanadyl ascorbate, acts as a hurdle by partially hindering surface conduction and a helical modifier, inducing the formation of primary particle and their nanocoil assembly. Finally, a state diagram is provided to illustrate the diverse nanostructures at optimized applied current and additive ratio conditions.

김영근 교수, 한국공학한림원 정회원 선정 (The National Academy of Engineering of Korea selected new members including Prof. Kim)

2022년 한국공학한림원은 김영근 교수 외 산학연 45명을 신규 정회원으로 선정하였다. 김 교수는 2015년 한국과학기술한림원 정회원으로도 선정된 바 있다. 참고로, 재료공학 분야에서 양 한림원에서 모두 정회원인 자는 10명 이내다.

https://kim.or.kr/Board/board.asp?b_code=5922&Action=content&GotoPage=1&B_CATE=BBS12

The National Academy of Engineering of Korea (NAEK) selects 45 new Members, including Prof. Kim, as of 2022. In 2015, he was selected as a Fellow of The Korean Academy of Science and Technology (KAST).

김영근 교수, 저서 ‘신소재 이야기’ 출간 (Prof. Kim authored a book titled 'A Story on Advanced Materials')

김영근 교수는 한양대 안진호 교수와 공저로 신소재 이야기라는 과학기술 대중 도서를 저술하였다. ‘신소재 이야기는 한국과학기술한림원에서 발간하는 2021 '석학, 과학기술을 말하다' 시리즈의 다섯 권중 하나로, 본 시리즈는 과학기술 석학들의 저술 활동을 통해 과학기술 분야의 우수 저서를 출판 보급하고 대국민 과학기술 대중화에 기여하는 것이 목적이다.

https://kim.or.kr/Board/board.asp?b_code=5913&Action=content&GotoPage=1&B_CATE=BBS12

Prof. Kim authored a book titled ‘A Story on Advanced Materials’ with Prof. Jinho Ahn at Hanyang University. The Korean Academy of Science and Technology (KAST) sponsored the publication of five books, including this one. This book series aims to disseminate science and technology to the general public. 

2021년도 추계 대한금속재료학회 (2021 Fall Conference of the Korean Institute of Metals and Materials)

Graduate students, S. W. Byun, J. H. Moon, T. S. Kim, H. E. Fu and E. J. Jeung attended 'Fall conference of the Korean Institute of Metals and Materials' held in Jeju, Korea on October 20 ~ 22, 2021

대학원생 변상원, 문준환, 김태순, 부홍은, 정은진이 2021년 10월 20~22일 제주도에서 개최된 대한금속재료학회 추계학술대회에 참석했다. 이번 학술대회에서 변상원, 문준환은 학생구두발표 우수상을 수상하였다.

발표 내용

  • 변상원: 자연을 모사하여 합성한 계층구조체의 합성 메커니즘 분석 및 응용
  • 문준환: 계면 반응 조절을 이용한 무기질 중공 나노코일 제작 및 응용
  • 김태순: 전기화학 공정기반 도금법을 이용한 루테늄-코발트 합금 나노선의 특성 분석
  • 부홍은: 자성-광학 복합기능 나노클러스터를 이용한 고감도 바이러스 항원 감지
  • 정은진: Fe-Au 바코드 나노선 어레이에서의 복합적인 정자기 상호작용

고려대 연구팀, 나노크기 루테늄 특성 파악…차세대 반도체 금속배선 탐색 (Prof. Kim’s group reported nano-sized ruthenium characteristics for next-generation semiconductor metallization.)

고려대학교는 김영근 공과대학 신소재공학부 교수 연구팀이 차세대 반도체 금속배선로 주목받고 있는 루테늄(Ru) 나노크기로 제작하고, 지름별로 비저항과 물질 확산 여부를 확인했다고 12일밝혔다. 연구 결과는 지난달 13 금속학 분야 최상위 국제학술지인 저널 오브 머티리얼즈 사이언스 & 테크놀로지(Journal of Materials Science & Technology) 온라인 게재됐다.

반도체 주요 공정 하나인 금속배선(metallization) 마치 빌딩을 연결하는 도로망처럼, 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 반도체 소자들을 연결하는 공정이다. 손톱만한 반도체 개에는 수십 km 길이의 구리(Cu) 배선이 사용되며, 전자가 흐르는 통로로 정보를 전달하는 역할을 한다. 최근 반도체 칩의 계속된 집적화로 인해 배선의 선폭이 나노미터(nm)까지 줄어들었고, 과정에서 배선의 저항이 급격히 증가하는 문제에 직면해 있다.

연구팀은 다공성 나노 멤브레인과 전기도금법을 이용하여 루테늄(Ru, 원자번호 44) 나노선을 제작했다. 루테늄은 비저항 크기 효과가 작고 원자간 응집력도 높아 전기 이동(electromigration) 배선 주변을 감싸고 있는 유전체 막으로 확산되는 경향이 낮아 차세대 배선 소재 하나로 주목받고 있다.

다만, 수용액에서 전기도금 경쟁반응인 수소 발생 반응으로 인해 금속 루테늄으로 환원하기가 어려운 문제점이 있었다. 그러나 연구팀은 도금액에 수소 발생을 억제할 있는 완충제와 첨가제를 사용하여 다양한 지름을 갖는 루테늄계 나노선을 제작할 있었다. 진공 상태의 정교한 측정장비를 이용하여 루테늄 나노선 가닥의 저항을 측정했고, 전자산란 계수를 도출했다.

다공성 멤브레인 내부를 저유전체 산화실리콘(SiO2) 막으로 코팅하고 루테늄을 채운 , 반도체의 후공정 온도에서 열처리했다. 원소분석 결과 루테늄이 산화실리콘 쪽으로 확산되지 않았다. 이번 연구 성과는 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 진행됐고, 이후 착수된 삼성전자 반도체연구소 산학과제의 지원을 받아 추가 연구가 진행됐다.

나노선의 비저항 측정 방식과 루테늄의 직경에 따른 비저항 변화. 사진=고려대 제공.

출처: 매일일보, 2021.10.12, http://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=866084

Electrical resistivity evolution in electrodeposited Ru and Ru-Co nanowires
Journal of Materials Science & Technology 105, 17-25. (2022)
[DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.073]

Nanoscale ruthenium (Ru)-based materials are promising replacements for existing multilayered Cu interconnects in integrated circuits. However, it is not easy to apply the results of previously reported studies directly to the electrochemical damascene process because the previous studies have mainly focused on thin films by dry deposition. Here, we report the electrical resistivity and microstructure of electrodeposited Ru nanowires. We estimate that the resistivity value of a 10 nm diameter Ru nanowire to be 71.6 μΩ cm after analyzing the resistivity values of individual nanowires with various diameters. Furthermore, we investigate the electrical properties of RuxCo1-x nanowires where x is 0.04–0.99 at.% as possible replacements of the current TaN barrier structures. Over the entire composition range, the resistivity values of alloys are much lower than that of the conventional TaN. Additionally, Ru and Ru-alloy nanowires surrounded by dielectric silica are thermally stable after 450 °C heat treatment. Therefore, the nanoscale Ru and Ru-Co alloys possessing low resistivity values can be candidates for the interconnect and barrier materials, respectively.

 

 

수소 경제의 필수적 공정인 물 분해, 속 빈 나노코일로 쉽게 가능 (Prof. Kim’s group has developed a hollow nanocoil composite that can facilitate water decomposition, an essential process for the hydrogen economy)

 

▲ 고려대 김영근 교수

고려대학교(총장 정진택) 공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀은 서울대 공과대학 재료공학부 남기태 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 물 분해 촉매 효율을 높일 수 있는 중공 나노코일 복합체를 개발했다.

연구결과는 나노기술 분야 국제학술지스몰(Small)’ 표지 논문으로 선정됐으며, 9 24일자로 온라인 게재됐다.

물 전기분해 반응은 전기를 이용해 청정에너지인 수소와 산소를 생성하는 친환경 에너지 전환 반응으로, 다가오고 있는 수소 경제에서 필수적인 공정으로 평가받고 있다. 자연계의 대표적인 물 분해 반응인 광합성에서는 망간과 칼슘을 기반으로 한 클러스터를 이용해 물 산화 반응을 진행하며, 이러한 망간-칼슘 클러스터에서 영감을 받아 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 망간 기반 전기촉매가 개발됐다. 그러나, 여전히 높은 과전압으로 인해 성능 향상의 새로운 돌파구를 찾기 위한 연구가 꾸준히 진행돼왔다.

연구팀은 물 분자가 접촉하는 전기화학 촉매의 활성 자리(active site)를 극대화할 수 있도록 3차원 구조에서 가장 넓은 표면적을 가질 수 있는 나선 모양의 나노코일 형태에 집중했다. 연구진은 전기도금법으로 나노코일 형태를 합성한 후, 전기화학적 경로차와 물질 확산 속도 차이를 이용하여 단일 및 다성분 3d 전이금속 기반 무기질 중공 나노코일들을 합성했다. 그 중 망간 기반 중공 나노코일에 산화 망간 나노입자를 부착시켜 기존에 보고된 망간 기반 촉매에 비해 표면적 및 활성 자리 수를 크게 증가시킨 나노복합체를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 "나선형 코일 구조에 나노입자들이 달라붙어 있는 새로운 나노구조는 간단한 방법만으로 전기촉매 성능을 효율적으로 증가시켜 기존과 다른 새로운 촉매 설계 방법론을 제시했다. 이외에도 중공 나노코일 구조체의 넓은 표면적과 활성자리 제어가 필요한 에너지·환경 및 바이오 분야로의 응용이 가능하다"고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.

▲ 중공 나노코일의 합성과정물질 이동의 속도 차이와 전기화학적 경로 차이를 이용한 중공 나노코일 합성 모식도 (a) 깨끗한 표면을 가진 단일 성분 CrPO4 중공 나노코일 (b) 거친 표면을 가진 다성분 MnOxP0.21 중공 나노코일
▲ 망간 기반 중공 나노코일 복합체의 물 전기분해 촉매 특성(a) 망간 기반 중공 나노코일 복합체 형성 모식도 (b) 중성 pH 전해질에서의 물 전기분해 촉매 효율을 보여주는 순환 전류 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 촉매 효율이 증가했음을 보여준다. (c) 전기화학적 활성 표면적 (Electrochemical active surface area; ECSA) 그래프. 중공 나노코일 복합체(파란색 선)의 기울기가 상승하여 활성 표면적이 증가했음을 보여준다. (자료=고려대)

 

출처: 에너지경제신문, 2021.09.29, https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210929010004609

Inorganic Hollow Nanocoils Fabricated by Controlled Interfacial Reaction and Their Electrocatalytic Properties
Small 17, 2103575 (2021)
[DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202103575]

The fabrication of 3D hollow nanostructures not only allows the tactical provision of specific physicochemical properties but also broadens the application scope of such materials in various fields. The synthesis of 3D hollow nanocoils (HNCs), however, is limited by the lack of an appropriate template or synthesis method, thereby restricting the wide-scale application of HNCs. Herein, a strategy for preparing HNCs by harnessing a single sacrificial template to modulate the interfacial reaction at a solid–liquid interface that allows the shape-regulated transition is studied. Furthermore, the triggering of the Kirkendall effect in 3D HNCs is demonstrated. Depending on the final state of the transition metal ions reduced during the electrochemical preparation of HNCs, the surface states of the binding anions and the composition of the HNCs can be tuned. In a single-component CrPO4 HNC with a clean surface, the Kirkendall effect of the coil shape is analyzed at various points throughout the reaction. The rough-surface multicomponent MnOxP0.21 HNCs are complexed with ligand-modified BF4-Mn3O4 nanoparticles. The fabricated nanocomposite exhibits an overpotential decrease of 25 mV at neutral pH compared to pure BF4-Mn3O4 nanoparticles because of the increased active surface area.

2021년도 스핀트로닉스 회의 (2021 Spintronics Conference with Dr. Samardak)

2021년 11월 2일 고려대학교에서 Far Eastern Federal University의 Samardak 박사와의 스핀트로닉스 세미나를 진행했다.

Our laboratory memebers held a meeting with Dr. Samardak of Far Eastern Federal University (FEFU).