Conductive metal-organic framework (C-MOF) thin-films have a wide variety of potential applications in the field of electronics, sensors, and energy devices. The immobilization of various functional species within the pores of C-MOFs can further improve the performance and extend the potential applications of C-MOFs thin-films. However, there are currently no effective strategies for facile and scalable synthesis of high quality ultra-thin C-MOFs while simultaneously immobilizing functional species within the MOF pores. Here, we develop microfluidic channel-embedded solution-shearing (MiCS) for ultra-fast (≤ 5 mm/s) and large-area synthesis of high-quality nanocatalyst-embedded C-MOF thin-films with thickness controllability down to tens of nanometers. The MiCS method synthesizes nanoscopic catalyst-embedded C-MOF particles within the microfluidic channels, and simultaneously grows catalyst-embedded C-MOF thin-film uniformly over a large area using solution shearing. In this thesis, First, the study of the overall thin film formation mechanism for the solution shearing process using organic semiconducting materials are discussed. After that, we are discussed a study on the fabrication of a metal-organic framework thin-film produced through a solution shearing process. Lastly, we would like to discuss the evaluation of the characteristics of a high-performance metal-organic framework thin-film with metal particles immobilized by MiCS process, and the evaluation of the characteristics of the gas sensor using the fabricated thin-film are discussed. Finally, the thesis concludes with a brief outlook, some foresighted ideas, and future directions.
다공성 구조를 가지는 금속유기골격체는 최근 전도성 유기리간드 도입을 통해 전하 수송, 전계 효과 및 전자 상호작용과 같은 전기적 특성 제어가 가능하고 금속 입자 담지가 가능하여 높은 선택성과 민감도를 요구하는 가스센서 분야에 적용되고 있다. 위와 같은 재료적 특성으로 높은 가스 선택성을 가지지만 고 민감도를 가지기 위해서는 균일한 MOF 입자의 합성과 합성된 금속유기골격체간 입자 사이의 간격을 최소화하여 향상된 전자 이동도를 확보할 수 있는 고품질, 대면적 금속유기골격체 박막 제작이 요구된다. 지금까지의 금속유기골격체 박막 제작 기술의 경우, 나노 수준의 두께 제어 및 대면적의 박막 제작과 박막 형성 시 기능성 나노 입자의 담지가 불가능 하여 고민감도 전자 소자 적용에 한계로 존재 하고 있다. 본 학위 논문에서는 위와 같은 한계를 극복하기 위하여, 금속유기골격체의 박막 성장을 제어할 수 있는 용액 전단 공정 시스템과 금속유기골격체 및 금속 입자의 합성 시간을 수초 내 (~ ms) 수준으로 정밀하게 제어하여 균일한 나노 입자의 합성과 동시에 이를 금속유기골격체 구조 안에 담지 시킬 수 있는 미세 유체 시스템을 통합하는 공정을 개발한 연구에 대해 이야기를 하고자 한다. 첫 번째로 유기 전자 재료를 사용하여 용액 전단 공정에 대한 전반적인 박막 형성 메커니즘에 대한 연구를 논의 하고자 한다. 이후 용액 전단 공정을 통해 제작한 금속유기골격체 박막 제작 연구를 논의 하고자 한다. 마지막으로는 용액 전단 공정 시스템과 미세 유체 시스템을 통합하여 제작한 금속 입자가 결착된 고성능 금속유기골격체 박막의 특성 평가 및 제작된 박막을 활용한 가스 센서 연구에 대해 논의하고자 한다. 마지막으로, 위 통합 형 공정의 중요한 발견을 강조하고, 간략한 전망 및 향후 방향을 제시하고자 한다.