[논문]분말 코팅을 위한 원자층 증착법

최석; 한정환; 최병준

doi:10.4150/kpmi.2019.26.3.243

분말 코팅을 위한 원자층 증착법
Atomic Layer Deposition for Powder Coating 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.3, 2019년, pp.243 - 250

최석 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 한정환 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 최병준 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Atomic layer deposition (ALD) is widely used as a tool for the formation of near-atomically flat and uniform thin films in the semiconductor and display industries because of its excellent uniformity. Nowadays, ALD is being extensively used in diverse fields, such as energy and biology. By controlling the reactivity of the surface, either homogeneous or inhomogeneous coating on the shell of nanostructured powder can be accomplished by the ALD process. However, the ALD process on the powder largely depends on the displacement of powder in the reactor. Therefore, the technology for the fluidization of the powder is very important to redistribute its position during the ALD process. Herein, an overview of the three types of ALD reactors to agitate or fluidize the powder to improve the conformality of coating is presented. The principle of fluidization its advantages, examples, and limitations are addressed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 ALD 기술을 이용해 분말 입자를 코팅하는 경우, 2차원에 가까운 반도체 기판 표면과는 달리 분말 입자의 크기와 분포, 형상, 표면 상태, 수분에 의한 입자의 응집(agglomeration) 등 다양한 입자의 상태가 ALD 박막 형성에 미치는 영향을 고려한 리액터가 쓰여야 한다. 본 연구에서는 ALD 코팅 기술을 분말 소재에 적용하기 위해 고안된 리액터에 관련된 논문들을 반응 장치의 컨셉에 따라 분류하여 정리했다[1, 4]. 이 주제로 발표된 리뷰 논문들을 참고하여, 본 연구에서는 점차 확대되고 있는 관련 최신 연구 결과를 정리했다.
본 연구에서는 ALD 코팅 기술을 분말 소재에 적용하기 위해 고안된 리액터에 관련된 논문들을 반응 장치의 컨셉에 따라 분류하여 정리했다[1, 4]. 이 주제로 발표된 리뷰 논문들을 참고하여, 본 연구에서는 점차 확대되고 있는 관련 최신 연구 결과를 정리했다. 2장에서는 ALD 기술의 분말 소재 코팅을 위한 이슈를 간단히 설명했다.

제안 방법

본 장에서는 분말 입자를 교반 시키기 위해 유동화 시키는 방법에 따라 ALD 리액터의 타입을 가스 유동화(gas fluidization) 방법, 기계적 유동화(mechanical fluidization)방법, 회전식 유동화(rotary fluidization) 방식으로 분류했다. 각 세션에서는 유동화 방식 별로 각 방법의 원리와 장점, 응용 실례, 그리고 이슈 등을 정리했다.
본 장에서는 분말 입자를 교반 시키기 위해 유동화 시키는 방법에 따라 ALD 리액터의 타입을 가스 유동화(gas fluidization) 방법, 기계적 유동화(mechanical fluidization)방법, 회전식 유동화(rotary fluidization) 방식으로 분류했다. 각 세션에서는 유동화 방식 별로 각 방법의 원리와 장점, 응용 실례, 그리고 이슈 등을 정리했다.

대상 데이터

4 (a)에 나타난 바와 같이, 분말이 장입된 porous stainless steel cylinder 하부에 있는 진동 장치를 이용해 기계적 진동을 가할 수 있었다. 실험에 쓰인 전구체는 TMA와 물이고, 질소 가스가 퍼지 가스로 쓰였다. 진동은 각각의 전구체가 퍼지되기 5초전부터 시작하여 퍼지가 끝난 후 5초까지 가하였다.

성능/효과

Fig. 6 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 각각 54 nm 크기의 텅스텐 입자에 52사이클, 85 nm 크기의 입자에 80사이클, 340 nm 크기의 입자에 82사이클, 그리고 970 nm 크기의 입자에 83사이클의 Al₂O₃를 각각 증착한 결과, 입자 크기가 작을수록 증착률이 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 대한 설명으로 입자의 크기가 작을수록 곡률 반경이 작아서 표면 반응성이 높아진다는 것, 입자가 작을수록 퍼지 시간 동안 제거되지 않은 수분들이 많아 CVD 반응이 일어나서 증착률을 향상시켰기 때문이라는 두가지 이유를 제시했고, 후자의 가능성이 높다고 결론 지었다.
Fig. 4(d)에 나타낸 진동수에 따른 TEM-EDS 분석에서의 Al 조성과 같이, 진동수가 증가할수록 Al의 비율이 증가함을 확인할 수 있다.
기계적 진동이나 음향파를 FBR에 가하였을 때 최소 유동화 속도인 U_mf 값이 줄어든 것을 볼 수 있는데, 이를 통해 외부 진동 장치가 분말 유동화에 영향을 주는 것을 확인 할 수 있다. 하지만, 이 경우에도 전구체의 농도 문제라는 단점이 존재한다[20].
6 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 각각 54 nm 크기의 텅스텐 입자에 52사이클, 85 nm 크기의 입자에 80사이클, 340 nm 크기의 입자에 82사이클, 그리고 970 nm 크기의 입자에 83사이클의 Al₂O₃를 각각 증착한 결과, 입자 크기가 작을수록 증착률이 증가함을 확인할 수 있었다. 이에 대한 설명으로 입자의 크기가 작을수록 곡률 반경이 작아서 표면 반응성이 높아진다는 것, 입자가 작을수록 퍼지 시간 동안 제거되지 않은 수분들이 많아 CVD 반응이 일어나서 증착률을 향상시켰기 때문이라는 두가지 이유를 제시했고, 후자의 가능성이 높다고 결론 지었다. 이와 같이 회전식 리액터에서는 제거가 되지 않은 수분이 liquid bridge로 작용하여 CVD 반응을 일으켜 입자를 응집체로 만들 가능성이 있다.
특히 마이크로 단위의 분말 입자가 나노화 되면서, 나노 크기의 물질 제어는 에너지 생성을 위한 화학적 반응성을 높일 수 있어서 에너지 효율을 높이기 위한 방법으로 많이 쓰이기 시작했고, ALD 기술은 그 특유의 자기 제어적인 성장 특성과 저온 성장 조건으로 인해 나노 크기 입자의 표면을 코팅하거나 이종 물질을 형성하는 데 있어서 매우 효율적인 방법으로 제안 되었다. 높은 고종횡비 또는 표면적비를 갖는 나노와이어, 나노튜브, 나노다공체와 같은 나노 물질, 고온 공정에 약한 폴리머 또는 바이오 물질과 같은 소프트 물질 등에 ALD 기술을 이용해 저온에서 나노 두께의 박막을 균일하게 입히는 것이 가능하기 때문이다[3].

후속연구

향후 분말 코팅을 위한 ALD 리액터 개발은 양산성을 갖기 위해 스케일을 키워야 하고, 분말과 공정 간의 상호 오염을 막기 위해서는 분말 회수와 리액터 세척이 용이한 구조가 되어야 할 것으로 예상된다. 반도체 및 디스플레이 양산 공정에서 검토되고 있는 공간 분할 방식의 ALD 방식을 분말용 ALD 리액터에 적용하여, 유동화된 분말 입자를 전구체 주입/퍼지/반응가스/퍼지 영역으로 통과 시켜 코팅된 입자를 형성하는 방식도 양산성 측면에서 고려해볼 만 할 것으로 생각된다.
본 연구를 통해 살펴 본 가스 유동화 방식, 기계적 유동화 방식, 회전식 유동화 방식의 리액터가 갖는 각각의 장·단점과 코팅하고자 하는 분말 입자의 크기, 밀도, 표면적, 표면 상태 등이 잘 매치가 되는지 고려해야 한다.
가장 최근에 도입된 회전식 유동화 방법의 경우 전구체 주입 후 밀폐된 상태에서 회전 교반을 통해 분말 입자 표면에 전구체 분자가 흡착할 수 있는 시간을 충분히 주어 전구체의 소모량을 줄여 주는 효율적인 ALD 반응을 일으킬 수 있다는 장점이 있다. 여기에 더해 원격 플라스마 장치를 이용한 플라스마 강화 ALD 방식을 적용하거나, 기계적 유동화 방식을 접목해 기계적 진동이나 음향, 외부 자기장을 이용한 조대 입자의 교반도 추가적으로 적용할 수 있을 것이다.
향후 분말 코팅을 위한 ALD 리액터 개발은 양산성을 갖기 위해 스케일을 키워야 하고, 분말과 공정 간의 상호 오염을 막기 위해서는 분말 회수와 리액터 세척이 용이한 구조가 되어야 할 것으로 예상된다. 반도체 및 디스플레이 양산 공정에서 검토되고 있는 공간 분할 방식의 ALD 방식을 분말용 ALD 리액터에 적용하여, 유동화된 분말 입자를 전구체 주입/퍼지/반응가스/퍼지 영역으로 통과 시켜 코팅된 입자를 형성하는 방식도 양산성 측면에서 고려해볼 만 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자층 증착법이란?	원자층 증착법(atomic layer deposition; 이하 ALD)은 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)의 일종으로, Å 단위에서의 두께 조절이 가능하고 단차 피복성이 높아 복잡한 형상에서도 균일한 박막을 성장시킬 수 있는 박막 형성 기술이다. ALD 기술은 원료가 되는 기체 상태의 분자를 교대로 주입하여 기판 표면에서의 리간드 교환 반응을 통해 박막을 형성하는 원리이다.
	분말 입자를 ALD를 이용해 코팅는 경우 특징은?	분말 입자를 ALD를 이용해 코팅하는 경우, 표면적이 크게 증가하게 될 뿐만 아니라, 리액터(reactor) 내에 놓여있는 입자의 위치에 따라 가스가 확산되어 반응할 수 있는 양적, 시간적인 농도가 크게 다르다. Fig.
	ALD 기술의 두께 제어 특성이 좋은 이유는 무엇인가?	ALD 기술은 원료가 되는 기체 상태의 분자를 교대로 주입하여 기판 표면에서의 리간드 교환 반응을 통해 박막을 형성하는 원리이다. 이 때 표면에 흡착되어 있는 분자와 새로 주입된 분자가 선택적으로 강한 화학적 결합을 하고, 강하게 흡착되지 못한 여분의 기체 분자는 퍼지(purge) 과정을 통해 비활성 기체에 의해 표면에서 제거되는 자기 제어적인 성장(self-regulated growth) 특성으로 인해, 매우 정밀하게 두께를 제어할 수 있다. 이러한 우수한 단차 피복성과 균일성으로 인해 ALD 기술은 극미세화와 고도의 3차원 구조화가 일어나고 반도체 공정에서 필수 불가결한 박막 형성 공정이 되고있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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