KR20190047859A - 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법 - Google Patents

기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 기술에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법은, 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계; 및 목적하는 촉매의 표면 형태 및 활성도에 따라 상기 금속 나노 입자에 기체 클러스터 이온 빔을 조사하여 식각하는 단계;를 포함한다.

Description

기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF NANO STRUCTURE CATALYST USING GAS CLUSTER ION BEAM}
본 발명은 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체 클러스터 이온 빔을 조사함으로써 나노 입자의 구조를 목적에 맞게 제조할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
기체 클러스터 이온 빔(GCIB)은 박막을 에칭(etching), 세정, 연화(smoothing), 및 형성하기 위해 사용된다. 기체 클러스터라 함은 표준 온도 및 압력의 조건 하에서 기체 상태로 되는 물질을 말하는데, 이러한 기체 클러스터는 느슨하게 함께 결합된 수 개 내지 수천 개 단위 이상의 분자를 포함하는 나노 크기의 응집체로 이루어질 수 있다.
기체 클러스터는 전자 충격(electron bombardment)에 의해 이온화될 수 있고, 이는 기체 클러스터가 제어 가능한 에너지를 갖는 지향된 빔(directed beam)으로 형성되도록 할 수 있다. 이러한 기체 클러스터 이온은 전하의 크기와, 클러스터 이온의 전하 상태를 나타내는 1 이상의 정수의 곱(product)에 의해 계산된 양전하를 운반한다.
기체 클러스터 이온은 각각의 개별 분자 각각은 적당한 에너지를 가지면서도, 큰 크기의 클러스터 이온을 형성할 경우 이온 집합체로서는 상당한 에너지를 지니는 특징이 있다. 이러한 특징은 종종 유용하게 이용될 수 있다.
일 예로서, 기체 클러스터 이온은 기판과 충돌 시 개별 분자로 분해되는데, 분해된 특정한 기체 클러스터 이온 중 각각의 분자는 총 클러스터 에너지의 작은 일부 만을 지니게 된다. 결과적으로, 큰 기체 클러스터 이온의 기판과의 충돌 효과는 전체적으로는 상당하지만, 개별 분자로 분해되어 그 효과가 매우 얕은 표면 영역으로 제한되게 된다.
이러한 효과 때문에 기체 클러스터 이온은, 통상적인 이온 빔 처리에 비해서 깊은 하부-표면 손상(deeper sub-surface damage)을 일으키는 경향이 없기 때문에, 각종 표면 개질 또는 표면 식각 공정에 효과적으로 이용될 수 있다.
기판의 기체 클러스터 이온 빔 처리는 산업적 규모로는 반도체 분야에서 주로 이용되고 있었으며, 일부 연구실에서 기체 클러스터 이온 빔을 이용하는 기술들에 대해 산발적인 연구가 수행되고 있었다.
일부 특허 문헌들에서는 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 기판 표면에 증착 물질을 형성하여 박막 또는 나노 구조체를 제조하는 기술을 개시하고 있다. 또한, 많은 연구실 들에서 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 다양한 표면 처리 방법에 대한 연구를 수행 중에 있었다.
그럼에도 불구하고, 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 기판 표면의 입자를 정밀하게 식각함으로써 표면 구조를 디자인하거나 제조되는 기판 표면 입자의 중요한 특성 및/또는 치수를 충분히 제어하는 기술은 여전히 개발되어 있지 않은 상태이다.
본 발명의 목적은 친환경적이면서도 고체 표면 위에 형성되어 있는 나노 사이즈 미세입자를 원하는 형태로 가공하기 위한 기술을 제공하기 위함이다. 본 발명은 보다 상세하게는, 시편을 오염시키지 않아 별도의 세척 공정을 필요로 하지 않으면서도, 나노 입자의 패터닝이 가능한 기술을 제공함으로써 디자인 된 촉매를 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 나노 촉매를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 측면에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법은, 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계; 및 목적하는 촉매의 표면 형태 및 활성도에 따라 상기 금속 나노 입자에 기체 클러스터 이온 빔을 조사하여 식각하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 입자는, 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)으로 이루어진 귀금속 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체 클러스터 이온 빔은, 아르곤(Ar) 클러스터 이온을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조사되는 기체 클러스터 이온 빔은, 10 내지 10000개의 원자로 구성된 클러스터 이온을 포함하고, 가속 에너지는 1 keV 내지 10 keV 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터에 포함되는 원자의 수(또는, 시료에 조사하는 클러스터 이온의 크기)를 조절하여 조사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터의 크기는, 상기 촉매의 식각 정밀도에 비례하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 상기 기체 클러스터 이온 빔을 구성하는 클러스터의 크기에 따라 식각 속도를 제어하며 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 용액을 사용하지 않는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계를 복수 회 실시하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사전 설계에 따라 상기 금속 나노 입자의 형태를 디자인하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매는, 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 기체 클러스터 이온의 충돌에 의해 식각된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조 촉매는 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 제조한 것일 수 있다.
본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법에 따르면, 식각된 나노 구조 촉매 표면에 잔여물이나 불순물이 잔류하지 않기 때문에, 표면 세정을 위한 물 또는 유기 용매를 필요로 하지 않게 된다. 따라서 나노 입자의 친환경적인 가공 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 식각 과정에서 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터 크기, 가속 에너지 등을 조절함으로써 나노 입자의 형태를 원하는 형태로 정밀하게 디자인하는 것이 가능해지고, 나노 입자로부터 목적하는 특성을 이끌어 낼 수 있는 효과도 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 클러스터 이온 빔 조사 장치를 이용하여 아르곤 기체 클러스터 이온 빔을 실리콘 기판 상의 금속 나노 입자에 조사하여 금속 나노 입자를 세밀하게 식각함으로써 불균일 촉매가 제조되는 과정이 도시되어 있다.
도 2는, 본 발명의 비교예로서, 기체 클러스터 이온이 아닌 아르곤 이온 빔을 도 1과 동일한 실리콘 기판 상의 금속 나노 입자에 조사하여 금속 나노 입자가 식각되는 과정이 도시되어 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조방법의 각 단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔에 의한 금 나노 입자 표면 식각 관찰을 위해 사용한 X선 광전자 분광법에 사용된 실험 기기의 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 300 개의 아르곤 원자로 구성된 클러스터(Ar300) 이온의 빔을 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 10 초 / cycle 로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 횟수(cycle 수)가 늘어날수록 실리콘 기판 상의 금 나노 입자가 식각되어 가는 과정을 도시한 개략도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 300 개의 아르곤 원자로 구성된 클러스터(Ar300) 이온 빔을 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 10 초 / cycle로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 횟수(cycle 수)가 늘어날수록 실리콘 기판 상에서 확인되는 성분들의 피크(peak) 값을 나타내는 그래프이다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는, 본 발명의 일 실시예에 따라 300 개의 아르곤 원자로 구성된 클러스터(Ar300) 이온 빔, 1000 개의 아르곤 원자로 구성된 클러스터(Ar1000) 이온 빔 및 2000 개의 아르곤 원자로 구성된 클러스터(Ar2000) 이온 빔을, 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 각각 10 초, 30 초 및 60 초를 단일 사이클로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 표면에서 확인되는 원자의 비율을 확인할 수 있는 Depth profile 측정 값이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
물질의 크기가 벌크 상태에서 나노 사이즈로 작아지면 독특한 물리적, 화학적 및 광학적 특징을 가지게 된다. 이러한 나노 사이즈 입자의 특성을 기반으로 하는 다양한 분야에서의 응용 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중, 특히 고체 표면 위에 형성된 나노 구조를 제어하는 기술은, 불균일 촉매, 기능성 표면, 전자소자를 제조하는 분야에서 활용 가능성이 높을 것으로 예상되면서 최근 큰 주목을 받고 있었다.
그럼에도 불구하고 주로 고체 표면의 나노 입자를 제어하는 방법은 입자 자체를 형성하는 과정에서 제어하는 기술들이 대부분이었으며, 이미 형성되어 있는 입자를 원하는 형태의 나노 구조로 식각 또는 가공하는 기술에 대해서는 연구가 미진한 상태에 있었다. 또한, 종래의 대부분의 기술들에 따르면 산업에 적용하는 과정에서 형성된 나노 구조를 식각 용액을 이용한 세정 또는 후처리 작업이 필수적으로 수반되는 특징이 있었다. 이는 다량의 물 또는 유기 용매를 필요로 하게 됨에 따라 폐수로 인한 환경 오염을 유발하고, 나노 구조 표면의 잔여물이 남아 의도한 특징의 발현을 저하시키는 문제가 있었다.
이에 본 발명자는 상술한 문제점을 해결하고자 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 고체 표면에 형성된 나노 입자를 정밀한 패턴의 나노 구조로 식각할 수 있는 친환경적인 방법을 개발하였다. 본 발명에서 제공하는 기체 클러스터 이온 빔을 이용하면, 정밀하게 디자인 된 나노 구조 또는 불균일 촉매 등을 손쉽게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용하면, 나노 구조 표면에 잔여물이 생성되지 않아 별도의 용액을 이용한 후처리 공정을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 일 측면에서는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매의 제조방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 클러스터 이온 빔 조사 장치(1)를 이용하여 아르곤 기체 클러스터 이온 빔(10)을 실리콘 기판(100) 상의 금속 나노 입자(200)에 조사하여 금속 나노 입자를 세밀하게 식각함으로써 불균일 촉매가 제조되는 과정이 도시되어 있다.
도 2는, 본 발명의 비교예로서, 기체 클러스터 이온이 아닌 아르곤 이온 빔(20)을 도 1과 동일한 실리콘 기판 상의 금속 나노 입자에 조사하여 금속 나노 입자가 식각되는 과정이 도시되어 있다.
도 2와 같이 통상적인 통상적인 기체 모노머를 이용한 이온 빔을 금속 나노 입자에 조사할 경우, 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 경우와는 다르게 금속 나노 입자가 빠르게 식각되어 대부분 없어지거나 기판과 혼합되는 등의 손상이 일어날 수 있다. 즉, 일반적인 기체 이온 빔을 조사할 경우에는, 도 2와 같이 금속 나노 입자가 전부 식각되어 나노 구조 촉매의 제조가 불가능해진다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조방법의 각 단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
아래에서는 도 3의 각 단계를 참조하여 본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법은, 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계(S10); 및 목적하는 촉매의 표면 형태 및 활성도에 따라 상기 금속 나노 입자에 기체 클러스터 이온 빔을 조사하여 식각하는 단계(S20);를 포함한다.
본 발명에서는 기체 클러스터 이온 빔을 형성하고, 이를 이용하여 기판 표면에 형성된 금속 나노 입자를 식각할 수 있다. 이 과정에서 형성될 촉매의 표면 형태 및 활성도를 고려하여 기체 클러스터 이온 빔의 크기, 전하량 및 에너지 등을 제어하며 조사할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따르면, 형성하려는 촉매의 나노 구조를 고려하여 기체 클러스터 이온의 에너지를 정밀하게 제어할 수 있으며, 계산된 크기 및 에너지를 가진 기체 클러스터 이온 빔을 안정적으로 금속 나노 입자에 조사할 수 있다.
본 발명에서는 기체 클러스터 이온 빔은 어떠한 크기를 가지는 클러스터를 형성하였느냐에 따라서 식각의 정밀도와 속도가 결정될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 형성된 기체 클러스터 이온의 크기가 커질수록 개별 원자당 에너지는 작아지게 되고, 따라서 더 세밀한 식각이 가능하게 되는 효과가 있다.
본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 나노 구조 촉매를 제조할 경우, 기체 모노머를 이용하여 식각을 행하는 경우에 비해 세밀한 식각 형태의 제어가 가능하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노 입자는, 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)으로 이루어진 귀금속 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
금속 나노 입자는 실리콘 기판 표면에 형성된 것일 수 있다. 금속 나노 입자는 나노 구조 촉매로서 요구되는 성질에 따라 다양한 소재를 이용하여 형태 및 크기가 계산되어 기판 표면에 형성될 수 있다.
일 예로서, 상기 금속 나노 입자를 금(Au)으로 선택할 경우 유기물의 산화 및중합 등 다양한 반응이 가능하게 될 수 있고, 금 나노입자의 크기 및 형태에 따라 독특한 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체 클러스터 이온 빔은, 아르곤(Ar) 클러스터 이온을 포함하는 것일 수 있다.
아르곤 등으로 구성되는 불활성 기체 클러스터 이온을 이용할 경우, 클러스터 이온이 금속 입자나 기판 등과 반응하지 않기 때문에, 식각된 나노 구조 촉매의 표면에 잔여물이나 불순물이 잔류하지 않게 된다. 이를 이용하면, 산업 현장 적용을 위해 종래 필수적으로 수반되던, 용액을 이용한 후처리 세정 공정을 생략할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 일 측에서 제공하는 아르곤을 비롯한 불활성 기체 클러스터 이온을 이용할 경우, 후처리 공정을 생략함으로써 촉매 제조 공정의 시간 및 비용이 단축되고, 폐수가 발생하지 않아 폐수 처리 문제에 대한 비용이 절감되며 친환경적인 방법으로 나노 구조 촉매를 확보할 수 있다.
본 발명에서 기체 클러스터 이온 빔 분사 수단은, 일반적인 기체 클러스터 이온 빔 장치라면 그 구조를 특별히 한정하지 아니한다. 상기 소스 물질의 분자 및 분자 이온을 디자인된 전하와 크기를 가지는 클러스터로 만들기 위한 유닛 및 형성된 클러스터를 금속 나노 입자에 분사하기 위한 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조사되는 기체 클러스터 이온은, 10 개 내지 10000 개의 원자로 구성된 클러스터 이온을 포함하고, 가속 에너지는 1 keV 내지 10 keV 인 것일 수 있다.
상기 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터에 포함된 원자의 수는 10 개 내지 10000 개의 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 상기 기체 클러스터 이온 빔의 가속 에너지는 1 keV 내지 10 keV 내에서 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터에 포함되는 원자의 수(또는 클러스터 이온의 크기)를 조절하여 조사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터의 크기는, 상기 촉매의 식각 정밀도에 비례하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 상기 기체 클러스터 이온 빔을 구성하는 클러스터 크기에 따라 식각 속도를 제어하며 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계는, 용액을 사용하지 않는 것일 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 기체 클러스터 이온 빔을 이용할 경우, 입자 표면에 불순물 또는 잔여물이 형성되지 않아 별도의 용액을 이용한 세정 과정이 필요로 되지 않는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식각하는 단계를 복수 회 실시하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 기체 클러스터 이온 빔은 복수 회 사이클로 상기 금속 나노 입자에 조사되는 것일 수 있다. 이 때, 첫 번째 사이클에서는 금속 나노 입자를 안정화시키고 있던 유기리간드와 표면 불순물들이 대부분 제거된다. 그 다음으로 나노 입자의 금속 성분들이 기체 클러스터 이온 빔에 의해 식각되기 시작하고, 사이클이 반복될수록 기체 클러스터 이온 빔의 처리 시간이 증가하면서 실리콘 기판과 금속 나노 입자 사이에 형성된 금속-실리사이드(metal-silicide) 복합층이 드러날 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사전 설계에 따라 상기 금속 나노 입자의 형태를 디자인하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측에서는 사전 설계에 따라 금속 나노 입자의 형태를 디자인하고 난 후, 촉매의 표면 형태 및 활성도를 고려하여 기체 클러스터 이온 빔의 이온의 수, 가속에너지 등을 제어하여 금속 나노 입자에 조사할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 제조된 나노 구조 촉매를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매는, 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 기체 클러스터 이온의 충돌에 의해 식각된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나노 구조 촉매는 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 제조한 것이다.
본 발명의 나노 구조 촉매는 기체 클러스터 이온 빔을 이용하여 사전 설계된 형태대로 식각되어 정밀하게 디자인된 것일 수 있다.
실시예
본 발명에서 제공하는 기체 클러스터 이온 빔의 식각 효과를 파악하기 위한하나의 실시예로서, 실리콘 기판 상에 금(Au) 나노 입자를 형성하고, 아르곤 기체 클러스터 이온의 클러스터 크기(클러스터에 포함된 원자의 수)를 조절해가며 나노 입자를 표면부터 식각하였다. 이 때, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터를 구성하는 원자의 개수는 300 개, 1000 개, 2000 개로 달리하여 실험하였고, 가속 에너지는 8 keV로 형성하였다. 또한, 반복 사이클에 따른 식각 효과를 파악하기 위하여 10 초, 30 초 및 60 초의 조사 시간으로 1 cycle을 구성하고 아르곤 기체 클러스터 이온 빔을 조사하면서 금 나노 입자를 식각하였다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔에 의한 금 나노 입자 표면 식각 관찰을 위해 사용한 X선 광전자 분광법에 사용된 실험 기기의 개략도이다.
상술한 금속 나노 입자 표면의 식각 효과를 확인하기 위하여, 도 4와 같은 기기를 이용하여 상기 금 나노 입자 표면을 X선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)으로 관찰하였다.
본 발명의 실시예에서 사용된 X선 광전자 분광법에 대해 구체적으로 설명하면, 기체 클러스터 이온 빔 조사장치(1)로부터 조사된 기체 클러스터 이온 빔을 실리콘 기판(100) 위의 금 나노 입자(200)에 조사하면서, 식각되어가는 금 나노 입자를 X-ray 소스(3)으로부터 가해진 X선 광전자를 전자 탐지기(Electron detector)(2)로 관찰하는 방법을 이용하였다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 300 개의 아르곤으로 이루어진 기체 클러스터 이온(Ar300 +)의 빔을 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 10 초 / cycle 로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 횟수(cycle 수)가 늘어날수록 실리콘 기판 상의 금 나노 입자가 식각되어 가는 과정을 도시한 개략도이다.
최초 표면 불순물과 유기 리간드 들(210)에 의해 덮여있던 금 나노 입자(200)의 표면은 식각 초기 단계에서 대부분 제거됨을 확인하였다. 그 후, 계속적으로 아르곤 기체 클러스터 이온 빔이 조사되자, 금 입자가 표면으로부터 식각되기 시작하였다. 조사 시간이 점점 늘어감에 따라 금 나노 입자가 대부분 식각되고, 금 나노 입자와 실리콘 기판 사이에 형성된 금-실리사이드(Au-silicide) 복합층(220)이 기판의 표면으로 노출되는 것을 확인하였다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 300 개의 아르곤으로 이루어진 기체 클러스터 이온(Ar300 +) 빔을 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 10 초 / cycle로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 횟수(cycle 수)가 늘어날수록 실리콘 기판 상에서 확인되는 성분들의 피크(peak) 값을 나타내는 그래프이다.
도 6(a) 및 도 6(b)의 그래프를 통해 아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 시간이 증가될수록 금(Au) 4f 피크 값이 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 금 나노 입자가 아르곤 기체 클러스터 이온 빔에 의해 식각되어 점점 제거되는 것을 의미한다.
아르곤 기체 클러스터 이온 빔의 조사 시간이 더욱 증가하면서 금(Au) 4f peak이 높은 결합 에너지(binging energy)로 이동하게 되는데, 그 과정에서 금 나노 입자가 식각되며 실리콘 기판과 금 나노 입자 사이에 형성된 금-실리사이드(Au-silicide) 복합층이 드러나게 됨을 확인하였다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 300 개의 아르곤으로 이루어진 기체 클러스터 이온(Ar300 +)빔, 1000 개의 아르곤으로 이루어진 기체 클러스터 이온(Ar1000 +) 빔 및 2000 개의 아르곤으로 이루어진 기체 클러스터 이온(Ar2000 +) 빔을, 8 keV 가속 에너지로 금 나노 입자에 각각 10 초, 30 초 및 60 초를 단일 사이클로 하여 반복적으로 조사하였을 경우, 표면에서 확인되는 원자의 비율을 확인할 수 있는 Depth profile 측정 값이다.
도 7(a) 내지 도 7(c)를 통해 아르곤 기체 클러스터에 포함된 원자의 수를 300 개에서 2000 개로 키워 실리콘 기판 위의 금 나노 입자에 조사하더라도 동일하게 금 나노 입자가 식각되어, 최종적으로 금-실리사이드(Au-silicide) 복합층이 표면에 노출되는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계; 및
    목적하는 촉매의 표면 형태 및 활성도에 따라 상기 금속 나노 입자에 기체 클러스터 이온 빔을 조사하여 식각하는 단계;를 포함하는,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는, 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt) 로 이루어진 귀금속 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기체 클러스터 이온 빔은, 아르곤(Ar) 클러스터 이온을 포함하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조사되는 기체 클러스터 이온 빔은, 10 내지 10000개의 원자로 구성된 클러스터 이온을 포함하고, 가속 에너지는 1 keV 내지 10 keV 인 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는, 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터에 포함되는 원자의 수를 조절하여 조사하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터의 크기는,
    상기 촉매의 식각 정밀도에 비례하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는, 상기 기체 클러스터 이온 빔의 클러스터의 크기에 따라 식각 속도를 제어하며 수행되는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 식각하는 단계는, 용액을 사용하지 않는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 식각하는 단계를 복수 회 실시하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    사전 설계에 따라 상기 금속 나노 입자의 형태를 디자인하는 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매 제조 방법.
  11. 금속 나노 입자가 표면에 형성된 실리콘 기판을 포함하고,
    상기 금속 나노 입자는 기체 클러스터 이온의 충돌에 의해 식각된 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 나노 구조 촉매는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법을 이용하여 제조한 것인,
    기체 클러스터 이온 빔을 이용한 나노 구조 촉매.
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