^*리소그레피: 반도체 제작 공정 중 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 그림을 그리듯이 형성하는 공정을 말한다.

^*블록공중합체(block copolymer): 서로 다른 고분자 사슬이 공유결합으로 연결되어있는 형태를 가지고 있는 고분자를 말한다. 미세상분리를 통해 다양한 나노미터 단위의 구조를 자발적으로 형성한다.

^*분할정복법: 주어진 문제를 작은 사례들로 나누고 각각의 작은 문제들을 해결하여 정복해나가는 알고리즘을 뜻한다.

^*선패턴균일도: 출발점과 도착점이 동일하다면 꼬불꼬불한 길이 직선으로 쭉 뻗은 길보다 그 길이가 더 길다는 점에 착안하여 본 연구에서 새롭게 정의한 개념이다. 완벽히 정렬된 선패턴에 비해 어떤 특정 선패턴이 가지는 전체 윤곽길이를 의미한다. 결함이 있거나 휘어지는 등의 불완전한 부분이 존재하면, 완벽한 패턴에 비해 전체 윤곽길이는 길어진다. 따라서 완벽한 패턴의 경우 선패턴균일도는 1이고, 결함이 존재함에 따라 1보다 큰 값을 가지게 된다.

^*플라즈모닉 소자: 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자인 플라즈몬(Plasmon)을 설계, 제어, 응용하여 만들어진 소자로 태양전지, 디스플레이 등의 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

나노미터 크기의 주기적인 구조, 즉 나노패턴의 제작기술은 반도체산업의 전자소자뿐만 아니라 광소자, 또는 금속 물질의 경우 플라즈모닉 소자1) 등 다양한 분야에서 그 필요성이 강조되고 있다. 하지만 나노패턴의 제작은 대부분 포토리소그래피2)와 같은 값비싸고 복잡한 공정에 의존하고 있는 것이 현실이다. 이와 같은 나노패턴을 쉽고 저렴하게 만들 수 있는 방법으로 블록공중합체3)를 활용할 수 있다. 블록공중합체는 박막상태에서 다양한 나노미터 크기의 주기적인 구조를 자발적으로 형성할 수 있는 것으로 잘 알려져 있다. 특히 소자의 성능과 직결되는 구조의 모양과 크기의 조절이 용이하다는 점, 그리고 무기질로의 치환이 쉽게 가능하다는 점에서 기존의 기술들을 대체할 수 있는 물질로 기대되고 있다.

블록공중합체를 이용한 나노패터닝을 성공적으로 수행하기 위해서는 구조를 원하는 대로 통제할 수 있어야 할 것이다. 이를 위한 몇 가지 요구조건들이 존재하는데, 첫 번째로는 구조의 정렬 배향을 통제하는 것, 두 번째는 구조적 결함을 통제하는 것, 그리고 이러한 나노미터 수준에서의 구조적 통제를 대면적 내에서 균일하게 이루어내는 것이다.

본 연구에서는 위와 같은 여러 조건들을 충족시키기 위해 정렬 배향의 통제와 구조적 결함의 통제를 두 단계로 나누어 해결할 수 있는 실험적 설계를 고안했다. 더 나아가 패턴 품질의 분석, 메커니즘의 규명 등 다각적인 연구를 수행하였다. 자세한 연구의 내용은 다음과 같다.

2. 연구내용

연구를 진행하기에 앞서 본 연구를 수행하기 위해 블록공중합체는 선패턴을 형성하는 폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘) (polystyrene-b-poly(2-vinyl pyridine)) 이라는 고분자를 선택하였다. 박막의 두께는 40 nm 정도로 실리콘 기판 위에 스핀코팅4)된 후 실험이 진행되었다. 본 연구를 통해 새롭게 설계된 실험은 두 단계로 나뉜다.

첫 번째 단계는 전단응력5)을 가하여 대면적(1.5 cm2) 내에서 한 쪽 방향으로 패턴의 정렬을 유도하는 것이다. 이 단계에서 전단응력을 가한 방향을 따라서 선패턴의 정렬이 일어나지만 여러 부분에서 구조적 결함이 제거되지 않고 그대로 남아있게 된다. 두 번째 단계에서는 용매증기처리를 이용하여 남아있던 구조적 결함을 제거하게 된다. 용매는 테트라하이드로퓨란(THF), 톨루엔(toluene), 그리고 이 두 용매의 혼합물이 사용되었다. 용매증기처리를 하게 되면, 용매증기가 고분자 박막으로 침투하여 팽윤현상(swelling)6)이 일어나 박막이 부풀게 된다. 이에 따라 고분자 사슬들은 여유 공간이 생긴 만큼 유동성을 확보하게 되어 에너지 적으로 불안정한 결함 구조들을 스스로 제거하게 된다. 이 두 단계의 걸친 결함 제거 과정을 ‘전단-용매증기처리 과정’이라 명명하였다.

이렇게 결함이 제거된 후에 얼마나 패턴의 품질이 향상됐는지 확인하기 위해 다양한 정량적 지표를 이용하여 분석을 수행했다. 패턴의 배향성, 결함밀도와 더불어 ‘선패턴균일도’7)라는 개념을 새롭게 도입하여 분석한 결과 전단-용매증기처리 과정으로 패턴의 품질이 비약적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

더 나아가 전단-용매처리 과정에서 어떻게 결함이 효과적으로 제거될 수 있는지 하나의 가능한 메커니즘을 제시하였다. 시뮬레이션 기법을 통해 결함이 제거되기에 가장 적합한 패턴 간격이 존재하는 것을 확인했는데, 전단-용매처리 과정으로 이 적합한 패턴 간격에 부합하는 값이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 전단-용매처리 이외에 결함제거가 효과적으로 이루어지지 않는 방법들과 비교했을 때 이와 같은 현상은 오직 전단-용매처리 과정에서 발견할 수 있었다. 따라서 결함제거에 용이한 패턴간격을 가질 수 있도록 유도하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 전단-용매처리 과정이 매우 효과적인 방법이라는 사실을 도출할 수 있었다.

마지막으로 얻어진 나노패턴을 이용하여 금속패턴을 제작한 후에 여러 광학측정으로 대면적 내의 균일성을 확인하였다. 엑스선브래그회절8), 그리고 편광반사율측정9)을 통해 전단-용매처리에 의해 얻어진 패턴이 대면적 내에서 매우 균일한 패턴을 형성하는 것을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구를 통해 고안된 패턴의 제작 방법은 매우 단순하며 얻어진 패턴의 우수성 또한 뛰어났다. 또한 이 연구에서 사용된 블록공중합체 이외에 다양한 물질에 대해서도 확장될 수 있는 가능성을 충분히 가지고 있다. 더 나아가 금속화 과정을 통해 금속나노패턴을 쉽게 얻을 수 있기에 추가적인 플라즈모닉 소자와 같은 활용에 대한 가능성을 보여준다.

[붙임] 용어설명

1) 플라즈모닉 소자(plasmonic devices): 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자인 플라즈몬을 설계, 제어, 응용하여 만들어진 소자를 말한다.

2) 포토리소그래피(photolithography): 감광수지(photoresist, PR)라는 물질과 포토마스크를 이용해서 포토마스크에 그려진 모양대로 빛을 받은 감광수지에 패턴을 그려내는 공정을 말한다.

3) 블록공중합체(block copolymer): 서로 다른 고분자 사슬이 공유결합으로 연결되어있는 형태를 가지고 있는 고분자를 말한다. 미세상분리를 통해 다양한 나노미터 단위의 구조를 자발적으로 형성한다.

4) 전단응력(shear stress): 전단응력은 재료가 전단력을 받을 때 이에 저항하여 생기는 응력을 말한다.

5) 팽윤(swelling): 물질이 용매를 흡수하여 부푸는 현상

6) 선패턴균일도(stripe pattern uniformity): 본 연구에서 새롭게 정의한 개념으로, 완벽히 정렬된 선패턴에 비해 어떤 특정 선패턴이 가지는 전체 윤곽길이를 의미한다. 결함이 있거나 휘어지는 등의 불완전한 부분이 존재하면, 완벽한 패턴에 비해 전체 윤곽길이는 길어진다. 따라서 완벽한 패턴의 경우 선패턴균일도는 1이고, 결함이 존재함에 따라 1보다 큰 값을 가지게 된다.

7) 스핀코팅(spin coating): 기판 위에 액상을 소량 적하한 후 고속 회전시켜서 원심력으로 용액을 펼치면서 건조시켜 박막을 제작하는 기술을 뜻한다.

8) 엑스선브래그회절법(X-ray Bragg diffraction): 엑스레이를 물질에 입사시켜 얻어지는 회절 무늬를 분석하는 실험 기법.

9) 편광반사율측정(polarized UV-Vis-NIR reflectance measurement): 두 가지 모드로 편광된 빛에 대한 반사율을 측정하여 그 차이를 통해 격자 구조의 균일성을 측정하는 기법.

[붙임] 그림설명

그림 1. 본 연구에서 제안하는 전단-용매증기처리 방법에 대한 모식도와 각 단계에 해당하는 블록공중합체 패턴을 전자현미경으로 관찰한 사진. (단계1) 전단응력을 가하여 전반적인 배향을 정렬. (단계2) 추가적인 용매증기처리를 통해 배향이 정렬된 패턴 내부에 존재하던 결함구조를 제거.

그림 2. 전단-용매증기처리에 의해 패턴의 품질이 향상되는 것을 다양한 지표를 통해 분석한 결과. 배향성(orientation), 결함(defect), 그리고 선패턴균일도(stripe pattern uniformity)을 종합적으로 평가해보았을 때 전단-용매증기처리에 의해 패턴의 품질이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

그림 3. 패턴 간격에 따른 결함 제거 과정의 자유 에너지 계산 결과(왼쪽 그래프)와 전단응력, 그리고 전단-용매증기처리 이후의 패턴 간격을 도식화한 그림(오른쪽 모식도).

그림 4. 전단-용매증기처리에 의해 얻어진 나노패턴에 금속화 과정을 거쳐 얻어진 금나노선의 모습과 해당 패턴으로 얻어진 광학측정결과.