그린에너지 나노촉매 연구실

The growing demand for high-performance computing and compact electronics has driven the transition toward advanced three-dimensional (3D) packaging technologies. Traditional packaging technologies, such as micro-bump interconnections, face limitations in achieving sub-micrometer pitches, prompting the development of alternative bonding strategies. Among them, Cu/SiO2 hybrid bonding (HB) has emerged as a promising method for enabling fine-pitch, high-density interconnects in next-generation semiconductor packaging. In this study, a reliable low-temperature Cu/SiO2 HB process was developed by combining electroless gold deposition (ELD) on Cu pads with selective surface functionalization of the SiO2 dielectric using silane. The ELD process facilitated uniform and selective Au deposition on Cu, acting as a diffusion metal that maintained interfacial stability during bonding. Conclusively, the SiO2 surface was modified with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), which formed strong covalent networks through silane polymerization, enhancing adhesion at the dielectric interface. This dual-modification strategy facilitated direct Cu–Cu bonding and robust SiO2–SiO2 adhesion, resulting in a defect-free interface without voids or delamination. The bonding was conducted at a low-temperature of 250 °C, thereby minimizing thermal stress typically associated with conventional high-temperature bonding processes. These result clearly demonstrates a practical and scalable method for achieving low-temperature Cu/SiO2 HB, contributing to the advancement of 3D integration in semiconductor packaging.

The demand for technologies that convert waste bio-oils and fats into hydroprocessed esters and fatty acids (HEFA), used as biofuels for decarbonizing long-distance transport, has increased significantly. Here, we present a zeolite beta nanosponge synthesized using a structure-directing surfactant. This material features a highly mesoporous architecture formed by ultrathin (~ 5 nm) zeolitic frameworks. We demonstrate its effectiveness in the catalytic pre-treatment of fat-derived molecules by using tributyrin transesterification. It is a key step prior to hydroprocessing into liquid hydrocarbons. The reaction was conducted in a batch reactor at 373 K using a 1:60 molar ratio of tributyrin to methanol. Due to the bulky nature of tributyrin, catalysis primarily occurs at acid sites on external surfaces and mesopore walls, rather than within internal micropores. As a result, the zeolite beta nanosponge showed a 13.5-fold higher catalytic activity than commercial zeolite beta with limited mesoporosity. It also outperformed Al-MCM-41, a mesoporous material with fewer strong acid sites. Furthermore, the catalyst maintained its crystalline structure and acidity over five consecutive reaction cycles.

Chloroform is one of the most prevalent disinfection byproducts found in drinking water, posing significant risks to human health and aquatic ecosystems due to its carcinogenic properties. Since chloroform is present at very low concentrations (tens to hundreds of ppb), it is crucial to develop effective adsorbents capable of strong interactions with chloroform even in a water-dominant environment. In this study, we investigated the effects of different chemical compositions (Si/Al ratios), silanol defects, and pore topologies (CHA, MFI, and BEA) of zeolites on their chloroform adsorption behavior. The results showed that zeolites with higher Si/Al ratios and fewer silanol defects exhibit greater surface hydrophobicity, leading to effective chloroform uptake properties in aqueous solutions. Adsorption experiments using hydrophobic pure-silica zeolites with different pore topologies revealed that a micropore aperture size of ≥10-membered rings (MFI and BEA) is required for efficient chloroform adsorption, as small-pore zeolites with 8-membered ring apertures (CHA) impose significant diffusion limitations for chloroform. The hydrophobic zeolites demonstrated excellent reusability compared to conventionally used activated carbon and also showed good adsorption performance for other trihalomethanes. These findings highlight the potential of hydrophobic zeolites as efficient adsorbents for removing extremely low concentrations of toxic trihalomethanes from drinking water.

제올라이트는 산소 알루미늄과 규소가 산소 가교로 연결되어 결정을 형성하며 결정 내에 규칙성이 매우 높은 기공 구조를 포함한 물질로 다양한 산업 분야에서 산/염기 촉매(중질유 유동층 접촉분해에서 강산 촉매), 흡착제(탈수 공정에서 고 성능 수분 흡착제), 양이온 교환 수지(경수연화제)로 활용되고 있다 각 분야에서 우수한 성능을 보이는 새로운 구조 또는 다양한 성분의 제올라이트를 개발하기 위해 오랫동안 많은 연구가 진행되었으며 새로운 제올라이트의 특성을 분석하는데 질소흡착측정법, X-선 회절법 전자현미경 기법들이 적극 활용되었다. 과거의 소재 개발에서는 특히 거시적인 분석, 법이 주로 사용되었다. 하지만 최근 탄소중립 이슈가 부각되면서 다양한 분야에서 높은 에너지 효율을 보이며 적용할 수 있는 신규 제올라이트 소재 개발이 강구되면서 제올라이트 표면 특성을 미시적으로 정교하게 조절할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 제올라이트 골격 내의 구조나 물리화학적 특성을 분자 또는 원자 수준에서 정확하게 분석할 수 있는 고도화된 분석 방법이 요구되고 있다. 고체 핵자기 공명(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, 이하 고체 NMR) 분광법은 전자현미경처럼 직관적인 결과를 제공하진 않지만 가장 작은 수준인 원자 수준에서도 해상도가 매우 높은 정보를 제공해줄 수 있는 고급 분석법이다. 청정기술 연구자들도 이미 다방면에서 고체 NMR 분광법을 활용하고 있을 것이다. 이번 총설에서는 여러 청정기술에서 활용되고 있는 소재들 중 일례로 제올라이트 소재에 대해 고체 NMR 분광법을 어떻게 활용하는지, 기본 원리가 어떻게 되는지 심도 있게 다뤄보도록 한다. 특히 제올라이트의 구조와 산점을 고해상도로 분석하는 방법을 여러 사례를 통해 자세히 알아보고, 메탄올 올레핀 및 에틸렌 프로필렌 전환 반응 메커니즘을 규명한 연구들도 함께 살펴보고자 한다.

본 연구에서는, 계면활성제 구조유도체를 이용해 합성된 제올라이트에 존재하는 산점의 세기 특성을 분석하였다. 이를 위해, 4급 암모늄 분자가 존재하는 계면활성제를 기공 구조 유도체로 이용하여 미세기공과 메조기공이 동시에 존재하는 제올라이트를 합성하였다. 이 때, 계면활성제의 암모늄 부분은 MFI 제올라이트 미세기공 골격을 유도하고, 동시에 거대 마이셀을 생성하여, 추후 소성과정을 통해 메조기공 구조체를 형성한다. 이 제올라이트에 크기가 다른 탐침분자인 피리딘과 2,6-다이터트뷰틸피리딘을 각각 흡착시키고 승온 탈착법을 거치며 푸리에 변환 적외선 분광기를 이용하여 분석하였다. 그 결과, 제올라이트의 미세기공 내부뿐 아니라 메조기공 외부 표면에 강한 산점이 형성되어 있음을 확인하였다. 제올라이트 외부 표면에 강한 산세기의 활성점이 형성된 것은 계면활성제 구조유도체에 의해 형성된 위계다공성 구조적 특성에 기인한다. 본 연구 결과를 통해, 제올라이트의 표면 산 특성을 다양한 촉매화학 반응에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.