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[결과보고서] Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) 식을 이용한 자기거동분석 [신소재공학실험3]

Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)식을 이용한 자기거동분석◆ 실험목적- 자성거동을 다룬 LLG 식과 같은 이분방정식 코딩을 이해한다.- 스핀전달토크의 개념 및 원리를 이해하고 스핀전달토크에 의한 자성체 내의 자성변화를 예측 및 분석한다.◆ 기존 MRAM의 원리와 스핀을 이용한 STT-MRAM의 원리 및 장단점 조사1-1. 기존 MRAM의 원리MRAM은 플로피디스크나 하드디스크와 같이 자기에 의해 데이터를 기억하는 메모리로, 스핀의존전기전도에 의해 생기는 TMR을 주로 이용한다. 이러한 TMR소자는 2개의 강자성층과 그 사이에 비자성층이 존재하는 3층구조로 이루어져 있다.그림1처럼 2개의 강자성층에 전선을 배합한 후, 각각 위, 아래층의 강자성체에 (a)앞방향, 뒷방향 (b)뒷방향, 뒷방향으로 전류를 걸어주게 되면, 오른손나사법칙에 의하여 (a)위쪽, 아래쪽 강자성층에는 모두 오른쪽 자계가 생긴다. 이와 달리 (b)는 위쪽 강자성층에는 왼쪽자계, 아래쪽 강자성층에는 오른쪽 자계가 생긴다. 이렇게 자계가 발생한 TMR소자는 다음과 같이 저항처럼 취급할 수 있다.(a)처럼 자계가 같은 방향이면 저항치가 작은 경우에 해당하고, 자계의 방향이 (b)처럼 반대인 경우에는 저항치가 커진다. MRAM은 이러한 저항의 변화를 기억소자로 이용하는 것이다. 예를 들어, 저항이 큰 경우를 “1”, 작은 경우를 “0”으로 하여 데이터를 저장하는 것이다. 여기서 방향이 바뀌는 위쪽 강자성층을 자유 층이라 하며, 방향이 바뀌지 않는 아래쪽 강자성층을 고정층이라 한다.고정층 전류변화→강자성층 자계변화→저항변화→데이터를 불러내기, 저장1-2. 기존 MRAM의 장점① 비휘발성이며, 속도가 빠르고, 소비전력이 적다.Flash memory는 속도가 느리고, 소비전력이 많은 대신, 전원을 끊어도 자료가 사라지지않는다. DRAM의 경우가 속도가 매우 빠르지만, 계속 전기를 공급해주어야 한다는 단점이있다. MRAM은 이들은 결합하여 속도는 빠르지만, 전기를 끊어도 그 정보가 그대로 남아있게 되는 memory를 말한다.②무한대의 기록 및 재생이 가능하다.③방사능 내성이 강하다.④기억부인 TMR소자가 트랜지스터보다 작기 때문에 DRAM보다 memory cell면적을 줄일 수 있다.1-3. 기존 MRAM의 단점①MRAM 소자의 경우 자유층의 자화반전을 위해 높은 자기장이 흘러야 한다. 이는 전류선에 높은 전류가 흘러야 함을 말한다. 하지만, 전류선의 전류밀도는 발열에 의한 온도상승 등의 이유로 적정수준이하가 되어야 하기에, 전류의 증가를 위해 전류선의 크기를 증가시키게 되며, 이는 메모리소자의 밀도 감소의 원인이 된다.②Reading시에 사용하는 자화반전이 일어나는 자기장이 상당히 불균일하다.③셀의 크기가 작아질수록 제조공정상 셀을 균일하게 만들기 어려우며, 셀간 거리가 가까워짐에 따라 특정 셀 뿐만아니라, 인접셀도 자기장의 영향을 받아 오류발생가능성이 존재한다.MRAM은 자기저항을 이용하여 만든 비휘발성 고체메모리로, MR을 이용하여 정보를 저장하며 GMR, TMR을 이용한 소자를 사용한다. 이중에서 GMR은 MR이 10%정도로 낮고, 자료를 재생하는 속도가 낮으며 그 작업이 복잡하다. 따라서 이보다는 TMR을 이용한 MRAM이 많이 사용되고 있다.2-1. STT-MRAM의 원리강자성체에 외부에서 전류를 주입하면 내부에서 자화방향에 따라 같은 방향의 스핀은 투과하고 반대 방향의 스핀은 계면에서 반사된다. 즉, 그림과 같이 특정방향으로 스핀 분극이 일어나지 않은 전자들이 주입되면, F1의 자화방향에 의해 자화방향과 같은 방향의 스핀전자는 투과되지만, 반대방향의 스핀을 가진 전자는 경계면에서 반사되는 현상이 일어난다. 이 후 F1을 투과한 스핀전자는 F2에 의해서 같은 과정을 겪게 된다. 이때 F1의 방향으로 입사한 스핀 전자는 F2를 투과하면서 F2와 평행한 방향을 갖도록 정렬이 된다. 이렇게 정렬된 스핀전자는 스핀 각운동량의 변화를 일으키게 되는데 운동량 보존의 법칙에 의해 변화된 만큼의 각운동량이 F2의 자화방향에 전달되면서 토크가 발생하게 되는 것이다. 이 때 전달되는 토크의 크기가 충분히 크면 F2의 자화방향에 영향을 주게 되는데, 이를 스핀전달토크라고 한다. 이 현상을 MR현상과 반대로 생각할 수 있는데, MR현상은 재료의 자화방향이 스핀전자의 흐름에 영향을 주는 것을 말하며, STT는 반대로 전도되는 스핀전자의 각운동량이 자료 내의 자화방향에 영향을 주는 현상을 말한다.이를 이용한 STT-MRAM은 직접 전류를 주입하여 이러한 스핀토크전달에 의해 자화방향을 바꾸는 방식을 택하고 있다.2-2. STT-MRAM의 장점①직접 전류를 가하여 자화반전을 하므로 소자의 크기가 작아질수록 요구되는 전류밀도가 작아져서 전력소모가 감소하고, 고집적화에 유리하다.②외부자기장을 이용하는 것이 아니기 때문에, 별도의 도선이 필요없어 MRAM의 구조가 간단해지므로 고집적에 유리하다.2-3. STT-MRAM의 단점①자화반전시, 필요한 임계전류밀도 (J)의 값에 도달하는 데에 어려움이 있기 때문에 더 큰 스핀을 발생시키는 물질을 개발하거나, 임계전류밀도를 낮추는 방법을 사용해야 한다. ( 90nm 기술에 접근하기 위해 100nm 게이트 넓이 당 100μA를 공급하는 CMOS에 의해 작동되어야 한다. 그러기 위해서는 임계전류밀도가 106A/cm2보다 낮아야 한다.) 임계전류는 아래와 같은 식으로 주어진다.H=외부자기장, Ms=포화자화,V=자유층의부피,a=고유감쇄상수g=스핀 분극인자이러한 임계전류밀도는 다음과 같은 방법으로 감소시킬 수 있다.ⅰ)재료변화를 이용하여 임계전류를 저감시킨다.낮은 포화자화와 고유 감쇄상수, 높은 스핀분극도를 가지는 재료를 이용한다. 예를 들어, CoFeB를 이용하면, 이 물질의 포화자화값이 낮아서 임계전류밀도를 낮출수 있다.

공학/기술| 2012.01.18| 5페이지| 1,000원| 조회(283)

셀, 신소재공학, GMR, 신소재공학실험3, 구조변화, LLG, 종횡비, 자기거동분석, 반자장

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[예비레포트] Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 식을 이용한 자기거동분석 [신소재공학실험3]

Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)식을 이용한 자기거동분석◆ 실험 목적- 자성거동을 다룬 LLG 식과 같은 미분방정식 코딩을 이해한다.- 스핀전달토크의 개념 및 원리를 이해하고 스핀전달토크에 의한 자성체 내의 자성변화를 예측 및 분석한다.◆ 실험 예비 문제1. 자기저항(magnetoresistance, MR)에 대해 조사하시오.자기회로에서 자기력선속에 대하여 생기는 전기저항력으로, 자기회로에서 전기저항에 해당하는 양으로서, reluctance라고도 한다. 절대 온도의 단위로 쓰이는 Kelvin 경이 1856년 발견한 자기저항이란 자기장에 따라 전기저항이 바뀌는 현상을 말하는데, 이 때 발견된 것을 OMR(Ordinary Magnetoresistance)이라고 부르고, 그 뒤로 AMR(Anisotropic Magnetoresistance), GMR(Giant magnetoresistance), CMR(Crossal magnetoresistance), TMR(Tunneling magnetoresistance)까지 다양한 종류가 있고, 하드디스크 헤드, MRAM, 자기 센서 등에 응용될 수 있다.자기저항은 자기회로의 길이에 비례하고, 그 단면적과 투자율에 반비례한다. 자기장이 서로 수직인 경우를 가로자기저항, 서로 평행인 경우를 세로자기저항이라고 한다. 후자는 전자에 비해 고차의 효과이고 일반적으로 저항이 작다. 전자 또는 양공 가운데 한쪽만이 전류를 운반하는 불순물반도체나 홀수원자가금속의 경우, 이 운반체가 나타내는 유동속도의 비균일성은 자기저항효과를 낳고 이동도의 제곱에 비례한다. 진성반도체, 반금속, 짝수원자가금속에서는 전자, 양공이 같은 밀도로 공존하고, 자기저항효과는 이 두 종류의 운반체 이동도의 곱에 비례한다. 또한 이 때의 변화는 자기장 세기의 제곱으로 계속 증대되어 매우 커진다. 자성체의 전자 이동도가 스핀산란으로 결정되는 경우, 자기장 내에서 스핀이 정렬하는 경향에 따라 이동도는 증가하고 자기저항효과는 음이 된다.(1) OMR(Or 결정되고, 방향에 의해 결정되므로 AMR(Anisotropic MR, 이방성 자기저항)이라고 부른다. 방향에 따라 2.5% 정도의 저항 차이를 보인다.(3) GMR(Giant magnetoresistance)GMR은 이방성보다 수 배(상온)~수십 배(저온) 큰 자기 저항을 가지며, OMR과 AMR과는 근본 원인이 다르다. "(001) 방향으로 성장된 철과 (001) 방향으로 성장된 Cr 초격자에서의 거대 자기 저항 현상" 정도로 번역할 수 있을 노벨상 수상 논문에 의하면 자기장에 따라 수십 % 저항 차이를 보인다. 원인은 인접한 자성층의 스핀 방향 차이에 따르는 부가적인 산란에 의한 저항 차 때문이다.그림처럼 스핀 방향과 같을 때(parallel)와 다를 때(anti-parallel)의 산란에 의한 효과 때문에, 같은 방향보다 서로 다른 방향일 때 더 높은 저항을 보이게 된다. 다시 말해, boundary 에서 anti-parallel exchange coupling에 의한 spin-polarized conduction electron들의 scattering 때문이다. 간단히 전자의 스핀 방향이 차이가 나면 전류가 흐르기 힘들다. 즉, 스핀 방향에 따라 저항이 증가한다.(4) CMR(Crossal magnetoresistance)CMR(초거대 자기저항, Colossal Magnetoresistance)은 1993년 von Helmolt에 의해 처음 발견되었고, 1994년 S. Jin에 의해 La(1-x)Ca(x)MnO3 박막에서 실험되었다. 자기장을 걸어주면 저항이 10배씩 바뀌는 현상을 말하는데, 원인은 charge ordering, magnetic polaron 등 얘기는 많지만 아직 double exchange로도 설명이 명확치 않기 때문에 많은 사람들이 연구하고 있는 주제이기도 하다.(5) TMR(Tunneling magnetoresistance)TMR의 연구는 처음 Julliere가 FM/I/FM junction으로 Fe/비정질 Ge/Co를 써서 4otolithographic method와 electron beam lithographic method을 이용하여 상온에서 15%~22%의 TMR을 얻었으며 현재 TMR에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.2. 스핀전달토크에 의한 자화반전(magnetization switching) 및 세차운동(precession motion)의 원리 및 소자 응용 가능성에 대해 조사하시오.현재 개발되고 있는 차세대 메모리는 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력, flash메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 모두 구현하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 최근 ITRS(International Teshnology Roadmap for Semiconductors)에 따르면, 차세대 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자는 PRAM(PhasechangeRAM), NFGM(nanofloatinggate memory), ReRAM(resistanceRAM), PoRAM(polymerRAM), MRAM(magnetic RAM), 분자전자 소자 등이 있다.이 중에 새로운 개념의 메모리소자로 자성재료를 사용하는 MRAM의 경우 DRAM이 가지는 고집적성과 SRAM이 가지는 고속성 및 flash메모리가 가지는 비휘발성 등 각종 메모리의 장점을 동시에 가지고 있기 때문에 차세대 메모리로 활발히 연구되고 있다. MRAM용 스핀소자는 기본적으로 자성체/비자성체/자성체의 다층구조로 이루어져 있으며, 비자성체가 금속인 경우 측정되는 거대자기저항(GMR; Giant Magnetoresistance)과 절연체인 경우 측정되는 터널 자기저항(TMR; Tunneling Magnetoresistance)으로 나눠진다. 이와 같은 구조의 스핀 소자에 자기장을 인가하면 두 자성층 가운데 하나의 층만 스핀 방향이 바뀌면서 소자에 흐르는 전류의 세기가 변화하여 자기저항이 낮고 높은 상태가 된다. 그리고 자기 저항의 낮고 높은 상태를 디지털 신호(‘0’ 또는 ‘1’)로 변환하여 정보를 저장하고 읽을 수 있게 되면 메T:Spin-Transfer Torque)현상을 이용하는 STT-MRAM이다. 스핀 전달 토크 현상은 1996년 IBM의 Slonczewski, 카네기멜론 대학의 Berger등에 의해 제안된 새로운 기술로 나노크기의 스핀소자에 전류를 인가하면 스핀소자 내 자기 층의 자화방향이 바뀌는 현상을 이용하는 것으로, 지금까지 스핀의 방향을 자기장에 의해 반전시키는 접근 방식과 커다란 차이가 있다. 이러한 스핀 전달 토크 현상을 이용하여 응용할 수 있는 분야를 구분하면 전류 유도 자화 반전을 이용한 스핀 토크 MRAM, 자화 세차운동을 이용한 마이크로 발진기와 스핀 다이오드, 자구 벽 이동을 이용한 race-track 메모리 등으로 나눌 수 있다.일반적인 금속에서 전자들의 스핀은 up과 down의 두 가지 상태로 존재한다. 비자성 물질의 경우 이 두 가지 상태의 수가 같기 때문에 자기적 특성이 나타나지 않는다. 그러나 자성 물질 중 강자성체의 경우에는 두 스핀 상태를 점유하는 전자들의 수가 같지 않기 때문에 그 차이에 의해서 자화량이 생기고 자기적 특성을 갖게 된다. 강자성체에서의 스핀과 강자성체에 주입된 전자의 스핀은 서로 상호작용을 하게 된다.이러한 상호작용을 보여주는 흥미로운 현상 중 하나는 특이한 구조(자성층/비자성층/자성층)에서의 자기 저항이다. 자기저항이란자기장의 세기에 따라 재료의 전기적 저항이 달라지는 현상을 일컫는다. 일반적으로 거대 자기저항 구조의 경우 두 자성층의 상대적인 자화 방향에 의존하여 자기 저항의 크기가 달라진다. 어떠한 방향으로도 편극되지 않은 전자의 스핀이 일정 방향으로 자화된 자성층에 주입되면 자성층과 같은 방향의 스핀을 갖고 있는 전자는 쉽게 통과하고 반대방향의 스핀을 갖고 있는 전자는 자성층을 통과하기 어렵다. 즉, 전자가 자성물질을 통과할 때 스핀의 방향이 다르면 저항이 커지고 방향이 같으면 저항이 작아지게 된다. 결과적으로 첫 번째 자성층을 통과하여 편극된 스핀의 전자가 또 다른 자성층을 통과 하게 될 경우 스핀의 방향과 자성층의 의해서 자성층 안에 있는 전자의 스핀이 영향을 받는 현상이다. 스핀이 평면 방향으로 편극된 전자가 평면에서 각 ?만큼 자화된 자성층을 통과할 때 자성층을 통과하기 전과 후의 전자가 갖고 있는 스핀의 각운동량이 변하게 된다. 이것은 전자의 스핀이 각 ?에 대한 각운동량을 자성층의 스핀으로 전달하고 있기 때문이다. 자성층은 전자의 스핀 각운동량에 의해서 자화의 방향이 평면 방향으로 각운동량 차이만큼 바뀌게 되고 반대로 전자의 스핀은 수직 방향으로 각운동량을 잃은 만큼 편극된다. 예를 들어 위쪽 자성층을 통과하여 아래쪽 자성층으로 향하는 전자의 스핀 전달 토크를 설명하면, 아래쪽 자성층으로부터 반사된 전자의 스핀은 자성층의 자화방향과 반대방향으로 편극된다. 이렇게 편극된 전자의 스핀은 위쪽 자성층에 스핀 전달 토크 현상을 일으킨다. 이 때에 위쪽 자성층은 스핀 전달 토크 현상에 의해서 자화 방향이 반전되거나 세차운동을 하게 된다. 스핀 전달 토크 현상이 일어나기 위해서는 자성층의 이루고 있는 많은 스핀들에 토크를 주어야 하기 때문에 많은 양의 각운동량을 필요로 한다. 즉 소자에 충분히 큰 전류를 인가해야 스핀 전달 토크현상을 볼 수 있다.이러한 스핀 전달 토크 현상을 응용하여 연구되고 있는 3가지 분야가 있다. 나노크기의 스핀소자에 전류를 인가하여 자성층의 자화방향을 반전 시키는 전류 유도 자화 반전(CIMS:Current Induced Magnetization Switching)현상이 그 중 하나다. 두 개의 자성층의 상대적인 자화방향에 따라 저항이 낮은 상태(0, 두 자화의 방향이 평행일 때)와 높은 상태(1, 반평행일 때)를 판별함으로서 정보를 기록하고 재생할 수 있다는 점에서는 기존의 MRAM과 동일하지만, 자화의 방향을 바꾸는 소스가 다르다는 점에서 크게 차이가 있다. 자기장 유도에 의해 자화반전을 활용하는 기존의 MRAM 구동방식과는 달리, 스핀토크 MRAM의 경우는 전류유도에 의해 변화하는 자화 상태를 활용하는 새로운 개념의 메모리 소자이다. 기존의 요하다.

공학/기술| 2012.01.18| 9페이지| 1,000원| 조회(231)

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[재료공학실험4]표면에너지, 접촉각, 자기조립단층막(SAM) 평가A+최고예요

a. contact angle을 통한 surface energy 계산 방법 조사■ 접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 갖는 각을 말한다. 표면과 시약 사이에서 이루는 접촉각의 측정은 접착, 표면처리 그리고 폴리머 표면 분석과 같은 많은 분야에서 잘 알려진 분석 기술로서, 수Å 단위의 단일층 변화에도 민감한 표면 분석 기술이다. 예를 들면 기체 분위기에서 고체 표면에 번져있는 액체는 고체표면의 물리적 화학적 성질이 균일할 경우 그 접촉각은 어느 지점이나 동일하다. 이러한 접촉각은 계면의 연구 뿐만 아니라 접착(Adhesion), 코팅, 고분자 분야, 박막기술, 표면처리 등에서 매우 중요한 분석기술로 활용되고 있다.■ 표면에너지 계산① 액체 표면에너지 성분에 따른 해석 방법- 한 개의 측정용액 : Girifalco-Good-Fowkes-Young model- 두 개의 측정용액 : Owens-Wendt-geometric mean, Wu-harmonic mean- 세 개의 측정용액 : Lewis Acid/Base model하지만 어느 방법도 모든 경우에 다 적용이 되지 않기 때문에 위의 3가지 방법 모두 아직은 불완전하다. 그러나 3번째 방법인 Lewis acid/base 모델이 그 중 가장 정확하며 특히 표면이 소수성인 경우에 잘 맞는 것으로 알려져 있다.※ Lewis Acid/Base Theory실제적으로 많이 쓰이는 방법. 근사적이긴 하지만 가장 많은 정보를 얻을 수 있고 보다 정확한 표면에너지를 유추 할 수 있다. 소수성의 경향이 아주 센 경우와 중간적인 경우 모두에서 잘 맞아 떨어진다. 하지만 친수성이 강한 경우에는 디오도메탄 대신 다른 용액을 사용해야 한다.이 방법론은 "apolar(nonpolar,비극성)"와 "polar(극성)"의 새로운 의미의 개념을 소개하고 있다. 후자는 gp와 같은 하나의 변수에 의해 기술할 수 없다. 식에서 보는 것처럼 표면장력 g 는 apolar성분과 수소 결합성분 혹은 산-염기 상호작용으로 분할할 e)induction, 그리고 수소 결합력을 말한다. 또한 위의 지수 AB는 산과 염기의 반응성을 나타낸다.van Oss와 Good은 위 식에서 성분들을 재편성하여 다음과 같이 표면에너지를 표현했다.Υ= ΥLW+ ΥABΥ= Υd+ Υdip+ Υind여기서 LW는 Lifshitz-van der Waals를 나타낸다.수소 결합은 전기적 음성을 띤 분자나 원자단과 전기적 양성을 띤 수소사이에서 양자를 공유하는 반응이기 때문에, 이 결합은 Lewis의 산(election acceptor)와 Lewis의 염기(electron donor)의 예로 생각할 수 있다. 그러므로 van Oss 는 수소결합을 Lewis의 산-염기 반응으로 표현했다. 부가적으로 van Oss 는 Lewis의 산-염기 반응의 세기를 설명하기 위하여 두 가지 매개변수를 만들어 냈다.Υ+≡(Lewis)산의 표면자유에너지 매개변수Υ-≡(Lewis)염기의 표면자유에너지 매개변수ΥiAB=2√(Υi+Υ i-)이러한 정의에 기초하여, 물질의 Υ+와 Υ-의 값이 0보다 크다면, 그 물질은 양극물질로서 분류되어 진다. 다시 말해서 그 물질은 Υ+와 Υ- 둘 다 사라지지 않고 가지고 있는 것이다.단극을 띤 물질은 산성이나 염기성 둘중에 어느 한쪽의 극성을 가지고 있는데, 즉, 그것은 Υ+=0 과 Υ-＞0 이거나, Υ+＞0과 Υ-=0을 의미한다.다음은 비극성 물질인데 이것은 산성이나 염기성 어느 쪽도 아니다.(즉, Υ+ 와 Υ- 의 값이 둘 다 0 이다.) 단극과 비극은 둘다 산-염기 반응을 했을 때, ΥAB=0 이다. 그러므로 Fowkes의 표시법에 따르면, 비극이 되는 물질에 관한 기준은 ΥAB=0이 되는 것이다. 그러나 이것은 van Oss와 Good의 연구방법에서 만큼은 사실과 다르다.그럼 우리는 어떻게 이러한 표면 에너지변수들을 계산해 낼 수 있을 것 인가. van Oss 와 Good 그리고 그들과 함께 연구한 동료들은 Υs값을 구하기 위하여 접촉각과 행렬식을 사용한 다음과 같은 three-liquid pro√(Υs+ΥLV3-)}간단히 말해서, 고분자고체의 Υs 을 결정하기 위하여, reference liquids table로부터 두 개는 극성을 띠고 나머지 다른 하나는 비극성을 가진 세 개 또는 그 이상의 액상들을 선택할 것이 권고 되었다. 더욱이 극성을 가진 쌍들, 즉 water과 ethylene, water와 formamide는 좋은 결과가 나올 것이라고 추천되었다. 그에 반해서 비극성 액상들은 diiodomethane 또는 α-bromonaphthalene이 권고 된다. 그 LW 와 Lewis의 산과 Lewis의 염기변수에서 ΥLV1 ,ΥLV2 ,ΥLV3 의 값을 이용할 수 있기 때문에 이러한 세 가지 식을 계산함으로써 ΥS 을 결정할 수 있다.② 계면의 에너지에 대한 상태방정식에 따른 해석표면에너지 성분해석에 따른 표면에너지 계산 모델들은 다소 신뢰성에 문제점이 있으나 상태방정식에 입각한 해석은 매우 높은 신뢰도를 갖고 있음이 많은 연구자들에 의해서 실험적으로 입증되었다. 하지만 실험을 위해서는 최소한 5가지 이상의 액체 시료를 사용해야 하는 번거로움이 있다.b. surface energy를 측정하기 위한 방법 조사접촉각의 측정방법은 Goniometer에 의한 직접측정, Tilting법, Neuman법, 모세관 이용법, Wesburn 방법 등 여러 종류가 있으나 가장 흔히 액체방울을 이용한 방법을 사용한다.접촉각(θ)은 고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내는 척도로서, 낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성, hydrophilic)과 높은 표면 에너지를 나타내고 높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성, hydrophobic)과 낮은 표면 에너지를 나타낸다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정된다.■ 정적 측정 방법(정접촉각)정접촉각은 일반적으로 젖음성 측정을 위해 사용되어지며 주로 Sessile drop 방법을 이용하여 측정하며 용액을 바꾸어 가면서 표면의 특성을 알아낼 접촉각을 나타낸다. 여기서 작용하는 힘은 각각 액체-기체, 고체-기체, 고체-액체 상호간 크기와 방향을 가지는 벡터로 계면 에너지를 나타내게 된다.이러한 관계를 성립하게 하는 방정식이 Young의 방정식인데, Young의 방정식은 평탄하고(smooth) 균질하며 변형되지 않는 이상적인 표면에서 유도된 식으로 하나의 안정한 접촉각을 갖는다.■ 동적 측정 방법(동접촉각)① Wilhelmy plate method- 장 점매우 정확하게 동접촉각을 측정해 낼 수 있다.시편이 시약에 들어갈 때의 각이 전진각이고 시편이 빠져나올 때의 각이 후진각이다.용액의 표면장력을 측정할 경우 주로 사용된다.- 단 점시편의 모양이 작은 직사각형의 형태를 유지 양면이 균일해야 한다(시편을 정확하게 만든다는게 어렵다)② Tilting method- 장 점판을 기울임으로써 물방울이 기울여진 판에서 흐르기 직전의 값을 읽어낸다.흐르기 직전의 앞에 각을 전진각, 뒤쪽의 각을 후진각이라고 합니다. 전진각과 후진각을 동시에 알아낼 수 있다.조작이 단순한다.- 단 점판을 기울임으로 높이 차이가 생기고 이로 말미암아 중력에 기인한 오차가 증가할 수 있다.판을 기울일 경우 정확한 각도를 얻기가 힘들다.③ Captive drop method : 액체를 기판 위에 떨어뜨린 다음 바늘을 통해 액체의 양을 서서히 증가 시키면서 고체-기체-액체의 3상의 계면을 관찰한다. 이때 계면이 움직이기 바로 직전의 각을 전진각(advancing angle), 그 와 반대로 바늘을 통해 서서히 액체의 양을 감소시킴에 따라 3상의 계면이 움직이기 바로 직전의 각을 후진각 (receding angle)이라고 한다.- 장 점시편이 움직일 염려가 없어서 좋은 방법 이다기존 Sessil Drop 방법으로 가능하다.[그림. Captive Drop Method에 의한 동적 접촉각의 측정 원리]- 히스테리시스 ( Hysteresis ) : 동접촉각에서 전진각과 후진각의 차이를 히스테리시스라고 한다. 히스테리시스는 이상적인 것과 비 이상적리시스가 줄어들었다면 표면의 거칠기가 줄어들었다든지, 표면의 덮힘성이 좋아졌다든지, 표면이 좀더 균질해 졌다는 의미 또는 반대로도 생각할 수 있다.- 히스테리시스가 증가 : 표면이 좀더 울퉁불퉁 하다던지, 표면의 덮힘성이 나쁘다든지, 표면이 비균질해졌다든지 표면이 0.1 마이크로 이하의 거칠기를 가진다면 표면의 히스테리시스는 화학적인 불균질성에 기인할 가능성이 크다. 전진각은 소수성 성분에 민감하고, 후진각은 친수성 성분에 민감하다c. SAM 의 종류와 특성, 원리에 대하여 조사자기조립단층막(Self Assembled Monolayer)이란, 반응용액 속에 존재하는 표면활성분자가 자발적으로 특정 기질표면에 흡착하여 화학적 결합 형성하는 단분자막을 일컫는다. 즉, 실리콘 산화물, 금 또는 백금 등의 기판을 organic Si, thiol, amin 등이 녹아있는 용액에 침지시키면 자발적으로 기판위에 유기 활성물질이 결합하여 초박막의 단분자막을 형성하는 것을 의미하는 것으로서, 단일 분자 단위에서 그 형태와 물성을 조절, 변형할 수 있다는 고유의 특성이 있다. SAM 의 기본적인 구조는 그림과 같이 표면과 결합할 수 있는 Reaction group(head group)과 주로 alkyl체인으로 구성된 backbone으로 구성되며, 마지막 End group은 기능성을 부여할 수 있는 functional기로 구성된다.기판 표면의 반응성에 영향을 주는 reaction group의 선택은 기판의 종류에 따라 선택이 가능하다. Si 및 유리 등의 표면처리를 위해서는 주로 silane SAM이 사용되며, 금속의 표면 처리를 위해서는 티올(thiol, -SH) 계통의 SAM들이 사용되어진다. 또한 silane SAM의 경우 구조(일차, 이차, 삼차)에 따라서 자기조립의 정도에 영향을 미치며 삼차 구조가 일반적으로 자기조립에는 유리하며 일차구조로 갈수록 자기조립에 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 중간의 alkyl 체인은 주로 hydrocarbon 체인이나 fluor carb

공학/기술| 2007.06.15| 7페이지| 1,000원| 조회(3,290)

SAM, 접촉각, 표면에너지, surface energy, 자기조립단층막

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[재공실험4]표면에너지 측정, SAM coating시 유의할점, SAM의 응용방향

a. contact angle 측정을 통한 다양한 기판의 표면 에너지 측정Contact angle : 142°Solution : H2O25℃에서 물의 표면장력()은 72.0 dyne/cm 이며, 하나의 용액을 사용 하였기에 기판의 표면 에너지를 구하기 위해서 Girifalco-Good-Fowkes-Young 모델을 사용했다.따라서 식 (5)에=72.0 , θ=142°를 대입하면 다음과 같이 된다.따라서 SAM coating 된 surface energy 는 0.387 dyn/cm 이다.※ Girifalco-Good-Fowkes-Young 모델1개의 액체를 이용하는 방법으로 현재에는 거의 쓰이지를 않는다. 물론 그 이유는 잘 맞지가 않기 때문이다. 이 모델은 Good 과 Girifalco가 1950년대에 다음처럼 제안한 계면에너지를 기준으로 개발된 모델이다. 즉 표면에너지는 분자간 Landons 힘에 인한 분산력과 그 이외의 힘의 합으로 나타낼 수 있고 이의 관계를 Young의 식에 대입하여 최종적인 식을 구하였다.계면에너지를 설명하기 위해 Good와 Girifalco가 1950년대에 다음처럼 제안하였다.아래첨자 a와 b는 액체와 고체의 두 상을 참고하며, π는 system의 계면 사이의 상수이고 다음과 같이 정의된다.ΔFaba는 cm2당 A상과 B 사이의 계면 흡착 자유에너지 = γab -γaγb 와 같고 ΔFnc는 상 N=2γn 인 점착(cohesion)의 자유에너지와 같다.식(1)은 Good과 Girifalco식으로 잘 알려진 것처럼 다시 쓸 수 있다.결과식은또는π값은 액체와 고체의 한 쌍의 검사로 알려진 것으로 가정하고 γs 는 접촉각으로부터 계산 할 수 있다. 0차수 근삿값에서 π는 단위 수와 같다고 제안하였다.b. SAM coating시 유의해야 할 점에 대하여 조사실란 SAM을 이용하여 표면처리를 하는 방법에 국한하여 논하고자 한다. 우선 공학적으로 실란 SAM을 이용하여 표면처리가 용이한 표면은 어떤 것이 있는지 알아보자. (아래 그림을 참조) 가장 기본적으로 표면의 (-OH)혹은 (-COOH)를 잘 형성할 수 있는 표면이 우선적으로 고려대상이 될 수 있으며 이는 옥사이드 막의 균일성 등에도 영향을 받는다. 그림에서 볼수 있듯이 실리카 및 유리 이외에도 알루미늄, 구리등도 표면처리가 비교적 용이함을 알 수 있다.그림 기판에 따른 효과실란 SAM 은 다양한 구조들이 존재하지만 대표적인 구조는 아래 그림과 같다.그림 대표적인 3차 구조 silane SAM 및 그 외 구조SAM 구조에 따라 다양한 반응 형태를 아래 그림에 나타내었다. 일반적으로 모두 정렬이 잘된 SAM구조가 나온다는 생각은 틀린 것으로 주로 삼차구조에서 조건이 잘 맞는 경우에 정렬이 잘된 SAM이 형성되고 그렇지 않을 경우에 정렬이 느슨하거나 단일 층이 아닌 다층 구조가 형성되는 경우가 흔하다. 따라서 실험에 따라 최적 조건을 확립하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.그림 전구체의 구조에 따른 다양한 반응 형태들이들이 표면과 반응하는 메커니즘을 살펴보자.그림 반응 메카니즘초기에 가수 분해 가능한 X3 group (여기선-OCH3)이 가수분해 하면서 다음으로 Condensation 반응이 진행되면서 물이 부산물로 나오면서 표면과 공유결합을 형성한다. 초기에 물이 없는 경우에도 반응은 가능하며 이때에는 부산물로 메탄올이 나오며 반응시간과온도를 증가시켜 줄 필요성이 있다. 반응기의 종류에 따른 반응성은 아래 그림과 같다. 반응성은 일반적으로 할로겐족(Cl)이 붙어있는 것이 좋다. 이 때 부산물이 반응기에 따라염산, 메탄올, 에탄올로 달라지기 때문에 부산물에 따른 반응의 영향도 고려해야 한다.그림 반응기의 종류에 따른 반응성c. SAM의 응용방향에 대하여 조사Nano Imprint Lithography 공정에 있어서 imprinting stamp와 고분자 레진 간의 흡착은 imprint 된 나노구조물의 주요한 결함의 요인으로 작용한다. stamp와 고분자 레진간의 접착에너지가 고분자 레진과 기판간의 접착에너지 보다 높은 경우 고분자 레진이 stamp에 붙어 기판에서 떨어지게 된다. stamp와 고분자 레진 간의 접착에너지를 줄이기 위해서는 stamp 혹은 고분자 패턴의 표면에너지를 낮추어야 하는데, 패턴의 표면에너지를 낮추게 되면 패턴과 기판간의 흡착력이 떨어져 de-molding 시에 패턴이 기판에서 떨어져 나가는 경우가 생기게 된다. 표면의 접착에너지는 표면적과 비례하게 되는데, stamp는 나노 구조물의 요철을 가지고 있어 표면의 접착에너지가 굉장히 크다. 이에 stamp 표면의 접착에너지를 줄이기 위해서, Trichlorosilane계열의 자기조립단층막(Self-Assembled Mono-layer)을 stamp의 표면에 형성시켜 stamp의 표면에너지를 줄여주기도 한다. 일반적으로 자기 조립 단분자막의 surface group은 stamp의 표면과 화학적 결합을 이루고 있어 강한 결합력으로 붙어있고, terminal group은 임의의 성질을 띄고 있어, terminal group의 성질을 원하는 성질을 가지도록 조절할 수 있다. 이에 낮은 표면에너지를 갖는 분자들로 구성된 terminal group을 가진 자기 조립 단분자 막의 형성을 통하여 stamp의 표면에너지가 낮아지도록 표면을 개질 할 수 있다.

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[재료구조화학분석]Photo Luminescence 평가B괜찮아요

재료구조화학분석2003170172 김우영Photoluminescence SpectroscopyContentsPhotoluminescence? PL spectroscopy PL equipments Parameters PL of some aluminum(III) complexes PL vs Raman Applications ReferencesPhotoluminescence?Photoluminescence (PL) is the optical radiation emitted by a semiconducting crystal after excitation with incident light source (usually a laser).semi conducting crystal에 band gap 이상의 에너지를 가진 빛을 쏘면 전자들이 conduction band로 전이를 하게되고 이것이 다시 relaxation을 하면서 다시 빛을 내는데 이 빛을 Photo-Luminescence라고 합니다.PL spectroscopyPhotoluminescence spectroscopy is a contactless, nondestructive method of probing the electronic structure of materials.PL spectroscopy는 재료의 전기적 구조를 측정하는 contactless하고 nondestructive한 방법입니다. PL process를 간략히 설명하면 다음과 같습니다. 반도체 박막 시료에 laser beam을 주사시키면 valence band의 전자가 conduction band로 여기(excitation)됩니다. 여기된 conduction band의 전자들은 일반적으로 높은 에너지 준위에 있다가 곧 진동 이완에 의해 conduction band edge로 내려오게 됩니다. 이중 다수의 전자는 다시 valence band로 떨어지며 electron-hole 재결합(recombination)을 형성합니다. 한편, 일부 electron아니라 결함 특성, 발광 특성 등도 분석할 수 있습니다.PL equipmentsPL equipmentsPL 측정을 위한 실험장치는 다음과 같다. 아르곤-이온 레이저(Ar-ion laser)로부터 여기광이 자르개(chopper)를 거쳐 cryostat 안에 고정되어 있는 시료에 쪼여지게 되고, 이때 방출되는 PL스펙트럼은 회절격자(grating)를 사용한 단색화장치(monochromator)를 지나 검출기에 검출된다. 이 신호를 lock-in 증폭기(amplifier)를 사용하여 증폭시켜서 컴퓨터에 저장할 수 있게 하였다. Cryostat : 저온유지 장치 Monochromator : 입사광 속에 있는 임의의 파장의 단색광만을 추출하는 데 사용되는 분광기PL equipmentsLight Source(광원) Ar Laser (514nm) He-Ne Laser(632.8nm) 전자 여기에 가장 효율적인 광원 이용 Chopper 직류나 광전류를 변조하는 장치 광스위치 역할 Noise reducingPL을 보려면, 그보다 짧은 파장의 빛을 쬐어 줘야 하는데 (즉, 에너지가 더 큰 광자를 때려야 들뜸.) 예를 들어, 보고자 하는 물질의 PL이 550nm정도에 있다면, 파장이 514nm인 아르곤 laser가 적합하다. 샘플에 따라, He-Cd (442nm), HeNe (633nm) 선택해서 사용한다. PL을 측정하다 보면, 여러 가지 이유로 원치 않는 noise가 섞여들어 가는데, chopper와 Lockin Amplifier를 함께 사용하면 noise를 줄일 수가 있다. chopper를 쓰면, 지나가는 빛이 주어진 주파수로 펄스화 되는데, Lockin에도 같은 주파수의 signal을 넣어 해당 주파수의 신호만을 뽑아낸다. 이렇게 하면, 주변에서 나오는 다른 주파수의 noise를 거의 제거할 수 있다.PL equipment반도체 박막 재료 분석에 있어 PL은 매우 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 절연체내의 이온에 대한 내부 복사전이 연구 등 기타 여러 가지 고체 시료의 여야 합니다. 그리고 온도가 높아지면 분자충돌이 증가되면서 비활성화 확률이 증가하는데 이로 인해 소광이 발생합니다. 농도가 너무 높으면 세기는 증가하다가 자체 소광이나, 자체 흡수 현상이 일어나서 세기가 감소하게 됩니다. 극성분자는 바닥상태보다 들뜬 상태가 더 극성이 크다. 따라서 들뜬 상태가 안정하게 되어 방출되는 빛의 파장은 길어집니다. Surface smoothness나 flatness 등의 여러 가지 시편상태 또한 변수에 속합니다.Photoluminescence of some aluminum(III) complexesYeh-Fang Duann, Guan-Iu Chen. Department of Chemical Engineering, National Taipei University of Technology, Taiwan July 2004. Synthetic MetalsIntroduction The PL characteristic of aluminum complexes with various aromatic ligand was investigated. The ligands are 2,2'-biphenol, 1,1'-bi-2-naphtol, and 8-hydroxyquinoline.PNQyx1230123mAlNQ22,2'-dihydroxy-1,1'-binaphthyl-di(8-hydroxyquinoline) aluminum(III)2AlN2Qdi(2,2'-dihydroxy-1,1'binaphthyl)-8-hydroxyquinoline aluminum(III)1AlN3tri(2,2'-dihydroxy-1,1'-binaphthyl) aluminum(III)0AlQ3Tri(i-hydroxyquinoline) aluminum(III)3AlPQ22,2'-dihydroxybiphenyl-di(8-hydroxyquinoline) aluminum(III)2AlP2Qdi(2,2'-dihydroxybiphenyl)-8-hydfoxyquinoline aluminum(III)1A 물질로는 2,2대쉬비페놀, 1,1대쉬 바이 2 나프톨, 그리고 팔 하이드록시퀴놀린 이렇게 세 가지가 쓰였습니다. 그림에서 보시는바와 같이 하늘색 원 안의 물질이 페놀, 주황색이 나프톨, 그리고 검은색이 퀴놀린 입니다. 이 물질들을 조합하여 알루미늄과 합성시켜 일곱가지 화합물을 만들었습니다. Alq3를 기준으로 페놀을 한개, 두개, 세개 그리고 나프톨을 한개, 두개, 세개씩 치환시켰습니다.343 662231 2360.6 860157 720473202469Intensity (THF)361 510362 510345 510356 510513370368λmax (nm)gfedcba1.3 148388 510AlNQ211 104362 502AlN2Q1.0 171382 510AlPQ21.6 66388 503AlP2Q150508AlQ3122367AlN3593378AlP3Intensity (solid)λmax (nm)CompoundThe quinoline groups absorb the light at UV region and then emit light at around 510 nm Energy may transfer from the aromatic ligand(2,2'-biphenol or 1,1'-bi-2-naphthol) to 8-hydroxyquinoline in aluminum(III) complexes.The intensity around 510 nm each quinoline in AlQ3 : 50 a.u. (150/3) one or two quinoline in Al(III) complexs : AlPmQn : 66, 85.5 (171/2) a.u. AlNxQy : 104, 74 (148/2) a.u. The intensity of the P and N groups AlP3 : 197.7 a.u.(593/3) → 1.0, 0.8 a.u. AlN3 : 40.7 a.u.(122/3) → 1.3, 5.5 a.u.fg우선 그림에서 보시는 점선이 기준물질인 AlQ3의 있을것입니다. 그리고 페놀과 퀴놀린이 들어있는 화합물들의 emission 스펙트럼입니다. 위와 같은 방식으로 계산을 하여 스펙트럼을 예상하면. 페놀이 2개 퀴놀린이 1개 있는 화합물인 d는 이 점의 높이까지 페놀에 의한 피크가 있고 이 이 높이까지 퀴놀린에 의한 피크가 있어야 합니다. 그러나 실험 결과 페놀에 의한 피크는 아주 작아졌고, 퀴놀린에 의한 피크는 증가한 것을 알수 있습니다. 오른쪽의 나프톨과 퀴놀린이 리간드로 쓰인 화합물도 마찬가지 경향을 보입니다. 페놀이나 나프톨이 퀴놀린과 함께 리간드로 쓰이면 페놀의 인텐서티는 낮아지고, 퀴놀린의 인텐서티는 증가하게 됩니다. 이것은 퀴놀린 그룹이 UV 영역에서 빛을 내는 페놀과 나프톨 그룹의 빛을 흡수하여 퀴놀린 그룹이 510 nm 부근에서 빛을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 따라서 2,2'비페놀 또는 1,1'비2나프톨 리간드에서 8하이드록시퀴놀린 리간드 사이에 에너지 트랜스퍼가 일어났다고 할 수 있을 것입니다.PL vs RamanApplicationsBand-gap determination. Impurity levels and defect detection. Recombination mechanisms. Material quality.ApplicationsCT용 PDP 형광램프 일반조명 LCD 백라이트 산업용 복사기 수은램프 야광도료ReferencesPhotoluminescence of some aluminum(III) complexes, Yeh-Fang Duann, Guan-Iu Chen. SYNTHETIC METALS 144 (2): 121-124 JUL 22 2004. http://ostc.physics.uiowa.edu/~shahram/ApplPhysLett_87_213105.pdf http://www.jobinyvon.com/usadivisions/fluorescence/qdots.htm http://www.fisk.edu/~aburger/Published03_06/Measurement_/Optical

공학/기술| 2007.06.15| 15페이지| 1,000원| 조회(1,479)

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