Hollow Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIF) for Enhanced Low Dielectric Performance

국문 초록 (Abstract)

차세대 전자 및 통신 기술의 고속화 및 고집적화에 따라, 신호 간섭을 최소화하고 에너지 소비를 줄이기 위한 저유전율 소재 개발의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 기존의 저유전율 소재로는 대표적으로 실리카가 널리 활용되어 왔으며, 상대적으로 낮은 유전율과 공정 호환성으로 주목받아왔다. 그러나 실리카는 구조적 조절의 한계, 기계적 취약성, 높은 습도나 고온 환경에서의 안정성 저하와 같은 문제를 동반한다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 구조적으로 정밀하게 설계된 다공성 소재 기반의 복합화와 같은 새로운 전략이 요구되고 있다.
금속-유기 구조체(MOF)는 복합화 전략을 위한 유망한 소재로 주목받고 있다. MOF는 금속 클러스터와 유기 리간드로 이루어진 다공성 물질로, 높은 비표면적과 조정 가능한 기공을 특징으로 한다. 이러한 특성은 MOF가 구조적 특성 및 기공 조정을 통해 내부 공극률을 조절함으로써, 초저유전율 특성을 구현할 수 있는 다공성 필러임을 보여준다. 본 연구에서는 MOF 중 소수성 특성과 자체로 고유한 저유전율 특성을 갖는 ZIF-8을 기반으로, 중공 구조를 설계하여 내부 공기 함량을 증가시키는 전략을 채택하였다. 중공 ZIF-8 입자는 선택적 에칭법과 템플릿 기반 합성을 통해 제작되었으며, 열적 및 기계적 안정성을 유지하면서 내부 다공성을 극대화하였다. 합성된 ZIF-8 및 중공 ZIF-8 입자를 고내열성 고분자인 폴리이미드 전구체에 분산시켜 복합 필름을 제작하였고, 상온 조건에서 유전율 특성을 확인하였다. 연구 결과, ZIFs가 혼합된 복합 필름은 기존 폴리이미드 필름 대비 우수한 저유전율 특성을 보였으며, 특히 중공 구형 ZIF-8의 복합 필름에서 가장 뛰어난 성능을 확인하였다.
본 연구는 MOF의 중공 구조 설계를 활용하여 저유전율 특성 향상의 가능성을 입증하였으며, 고분자 필름 기반 차세대 절연소재 설계에 있어 MOF의 응용 범위를 확장하는 기반을 마련하였다. 또한, MOF의 우수한 기공 조절 능력과 구조적 안정성을 바탕으로 고주파 환경 및 고집적 소자에 적합한 기능성 절연 소재로의 실용화 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the advancement of next-generation electronic and communication technologies toward higher speed and integration, the development of low-dielectric materials has become increasingly important to minimize signal interference and reduce energy consumption. Among conventional low-dielectric materials, silica has been widely utilized due to its relatively low dielectric constant and process compatibility. However, silica suffers from limitations such as restricted structural tunability, mechanical fragility, and degradation under high humidity or elevated temperatures. To overcome these challenges, new strategies such as the incorporation of structurally engineered porous materials into composites are being explored.
Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as promising candidates for such hybridization strategies. Composed of metal clusters and organic ligands, MOFs are porous materials characterized by high surface areas and tunable pore structures. These properties enable control over internal void fractions through structural and pore size engineering, making MOFs as effective porous fillers for achieving ultra-low dielectric performance. In this study, zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8, a hydrophobic MOF known for its intrinsically low dielectric constant, was employed. A hollow structure was designed to increase the internal air content, thereby enhancing the low-k performance. Hollow ZIF-8 particles were fabricated via selective etching and template-based synthesis methods, maximizing internal porosity while maintaining thermal and mechanical stability.
The synthesized ZIF-8 and hollow ZIF-8 particles were dispersed in heat-resistant polyimide to fabricate composite films, and their dielectric properties were evaluated under ambient conditions. The results showed that the composite films containing ZIFs exhibited superior low dielectric performance compared to pristine polyimide film, with the composite incorporating hollow spherical ZIF-8 showing the most outstanding performance.
Our findings demonstrate the potential of hollow MOF structures for enhancing low dielectric performance, establishing a foundation for expanding their applications in the design of next-generation polymer-based insulating materials. Furthermore, the excellent pore tunability and structural stability of MOFs suggest their practical applicability as functional insulating materials suitable for high-frequency environments and highly integrated devices. This study underscores the potential of MOF engineering to achieve enhanced low dielectric performance and provide energy-efficient solutions in microelectronics.

목차 (Table of Contents)

• Chapter Ⅰ. General Introduction = 1
• 1. Permittivity = 1
• 2. Metal-organic frameworks = 6
• 3. Low dielectric performance = 12
• 4. Research objectives = 16
• 5. Reference = 17
• Chapter Ⅱ. Introducing hollow interior into ZIF-8 = 24
• 1. Introduction = 24
• 2. Materials and methods = 30
• 3. Results and discussion = 34
• 4. Conclusion = 55
• 5. Reference = 57
• Chapter Ⅲ. Application of ZIFs in Polyimide Film for Low-k Performance = 59
• 1. Introduction = 59
• 2. Materials and methods = 64
• 3. Results and discussion = 69
• 4. Conclusion = 87
• 5. Reference = 89