Nano Materials & Functional Thin Film Laboratory

Layer-by-layer (LbL) 자기조립법(또는, 층상자기조립법)은 다양한 전기적, 광학적 특성을 갖는 나노재료 및 바이오 물질을 다층으로 쌓아 나노미터 두께의 초박막을 제작할 수 있으며, 초박막 필름 안에 우리가 원하는 다양한 기능성을 부여할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 특히, 층상자기조립법은 용액공정을 기반으로 하여 기판의 크기나 형태(수십 나노미터 크기의 콜로이드 입자에서부터 수십 미터에 이르는 대면적 평판까지)에 관계없이 적용 가능하며, 기존의 스퍼터링 (sputtering), 증착 (vacuum evaporation)공정과 같이 거대하고 값비싼 진공장비를 이용한 방법에 비해 매우 간단하면서 높은 품질의 초박막을 제조할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 “초박막 기반 에너지 전극 연구실”은 다양한 기능성 나노재료를 합성하고, 이들의 층상자기조립을 통해 고성능 차세대 에너지 소자(배터리, 슈퍼커패시터, 수소발생 전극, 생체연료전지 등)를 개발하는 연구를 수행하고 있다(그림1). 기존의 블렌딩(blending)과 같은 나노복합체 제작 방법은 나노재료 표면에 흡착되어있는 절연성 리간드에 의해 전극 내의 전하 전달이 크게 저하되어 에너지 소자 성능의 저하가 초래된다. 이에 반해 본 연구실에서 개발한 단분자 링커를 이용한 리간드 치환 반응 기반 층상자기조립은 다층박막 형성 과정에서 나노재료 표면의 절연성 리간드를 in situ로 효과적으로 제거하여 기능성 나노재료 사이의 전하 전달 효율을 크게 향상시킬 수 있으며 고밀도의 균일한 박막을 제작할 수 있다. 최근에는 높은 표면적을 지니고 있으며 기계적으로 유연한 고분자 직물 소재를 기반으로 하여 활성 표면적이 극대화된 에너지 저장 소자, 수소발생전극, 생체연료전지를 개발하여 세계 최고 수준의 소자 성능을 발표하였으며, 층상자기조립과 전기도금을 결합하여 에너지 전극의 높은 전기 전도성을 확보하고 제작 공정 및 비용을 대폭 간소화시킴으로써 기술의 상용화를 위한 발판을 마련하였다 층상자기조립은 정전기적 인력, 수소 결합, 공유결합과 같은 물질과 물질 사이의 다양한 상호 결합력을 이용하여 다층박막을 만드는 간단한 용액기반의 공정이다. 일반적인 층상자기조립법은 수계(aqueous media)에서 (+) 또는 (-) 전하(-NH3+, -COO–, -SO3–)의 작용기를 갖는 고분자 혹은 나노입자 리간드 사이의 정전기적 인력을 이용하여 반복적으로 적층한 다층박막에 대한 연구들이 많이 진행되어 왔다. 하지만 정전기적 인력 기반의 층상자기조립은 같은 전하를 가진 물질간의 정전기적 반발력으로 인해 30 % 이하의 낮은 packing 밀도를 얻게 된다. 또한 나노입자를 둘러싸고 있는 긴 chain length의 절연성 리간드와, 입자 사이에 존재하는 두꺼운 고분자 층으로 인해 입자 사이의 간격이 멀어지며 절연성 유기물에 의해 전하 전달이 크게 제한된다. 따라서 본 연구실은chain length가 짧으며amine, thiol, carboxylic acid와 같은 기능기를 지닌 단분자가 유기용매 상의 나노입자와 공유결합기반의 강한 affinity를 갖는다는 것에 착안하여 독창적인 리간드치환 층상자기조립을 개발하였다. 본 방법은 수용액 상의 층상자기조립과 달리, 정전기적 반발력이 없는 유기용매 상에서 다층박막을 형성하므로 나노입자의 packing 밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 입자 사이의 불필요한 절연성 유기물 (리간드 및 고분자)을 제거하여 입자 간 거리를 획기적으로 줄였으며, 이로 인해 전하 전달을 크게 향상시킬 수 있다(그림 2). 앞서 언급된 리간드치환 층상자기조립법의 다양한 장점에도 불구하고, 절연성 지지체에 벌크 금