[붙임] 연구결과 개요

  1.연구배경

블록 공중합체(block copolymer)1)는 다양하고 주기적인 나노 구조로 자기조립(self-assembly)을 할 수 있는 물질이다. 자기조립의 형태는 일반적으로 블록 공중합체의 블록 사이 분리 강도와 상대적인 블록 분율에 의해 결정된다. 반면 자기조립 나노 구조의 길이 규모는 그들의 분자량에 따라 수~수십 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 이상으로 다양하다.

특히 박막처럼 이차원에 한정된 블록 공중합체 자기조립 시스템은 잘 정의된 이차원 나노 패턴을 만들어낼 수 있다. 그 덕분에 많은 응용 분야에서 상향식 나노 패턴 제작에 블록 공중합체 자기조립 시스템이 쓰이고 있다.

그러나 단순한 점이나 선보다 복잡한 형태의 나노 패턴을 얻으려면 추가로 복잡한 공정이 필요하며, 여기에는 천문학적인 비용과 시간이 든다. 또 블록 공중합체 자기조립 시스템을 반도체나 디스플레이에 실제로 적용하기 위해서는 더욱 복잡한 나노 패턴을 대면적으로 쉽게 얻을 수 있는 기술이 필요하다.

이런 문제를 해결하고자 본 연구팀은 전혀 새로운 메커니즘의 블록 공중합체 자기조립 시스템을 제안했다.

블록 공중합체 박막은 기판 위에 자발적으로 형성되는 비가역적 흡착층2)을 동반한다. 이 부분은 블록 공중합체 자기조립에 큰 영향을 미치지만, 지금까지는 제어할 방법이 없었다. 연구진은 블록 공중합체 계면 자기조립3)을 이용해 비가역적 흡착층을 조절하는 방법을 제안했다. 이로써 최종적인 블록 공중합체의 자기조립을 통제하고 더욱 복잡한 형태의 나노 패턴을 추구하기로 했다.

2. 연구내용

블록 공중합체는 물/공기 계면에서 자기조립으로 분자 수준 두께의 이차원 형상을 만들어낼 수 있다. 이처럼 물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체를 기판 위에 전사하면 기판상에 비가역적으로 흡착할 수 있다는 사실은 이번 연구를 통해 최초로 규명됐다.

비가역적으로 흡착된 계면 자기조립 블록 공중합체 위에 새로운 블록 공중합체 박막을 형성하면, 기저층은 블록 공중합체 박막 내에서 ‘자기조립된 공중합체 흡착층(SCAL; Self-assembled Copolymer Adsorption Layer)’4)으로 작용한다. 이는 상부의 블록 공중합체 자기조립에 영향을 끼치게 된다. 결과적으로 기존의 블록 공중합체 자기조립 현상과는 다른 메커니즘의 ‘자기조립된 공중합체 흡착층-유도 자기조립 (SCAL-induced self-assembly)’5)이 관측된다. 이를 활용해 기존에 얻을 수 없었던 다양하고 복잡한 형태의 나노 패턴을 나타낼 수 있었다.

물/공기 계면에서 계면 자기조립 블록 공중합체의 구조를 수 나노미터 수준으로 정교하게 조절함으로써 ‘자기조립된 공중합체 흡착층’ 구조의 조절이 가능하다. 이에 따라 ‘자기조립된 공중합체 흡착층-유도 자기조립’으로 얻을 수 있는 나노 패턴의 모양과 주기, 크기 등도 조절 가능하다.

 3.기대효과

이번 연구에서 제시한 새로운 블록 공중합체 자기조립 시스템은 전통적인 블록 공중합체 자기조립으로는 만들 수 없었던 복잡한 형태의 나노 패턴을 쉽고 빠르게 대면적으로 생산해 낼 수 있다. 따라서 반도체, 디스플레이, 센서 등을 포함한 다양한 나노 패터닝 관련 연구개발에도 유용할 것으로 기대된다.

학술적으로는 그동안 난제로 여겨지던 고분자 박막의 비가역적 흡착층의 체계적인 조절을 가능하게 됐다는 의미가 있다. 향후 비가역적 흡착층에 따른 고분자 박막의 물성을 조절하는 다양한 연구에도 기여할 전망이다.

[붙임] 용어설명

 1.  블록공중합체(block copolymer)

서로 다른 종류의 고분자가 하나의 고분자 사슬에 화학적으로 연결된 고분자이다. 블록 공중합체는 자기조립 과정을 통해 스스로 다양한 초미세 나노 구조를 형성할 수 있으며, 박막 상태에서는 다양한 이차원의 나노 패턴을 형성하게 된다. 이를 이용하면 최신 나노 패터닝 기술로 만들기 힘든 수~수십 나노미터 크기의 미세한 점이나 선 등을 쉽고 빠르고 값싸게 제조할 수 있다.

2.   비가역적 흡착층(irreversibly adsorbed layer)

고분자의 특성상 고분자 사슬은 고체 표면 위에서 자발적으로 비가역적(열이나 힘에 안정적인)인 흡착을 한다. 고분자 박막의 경우는 기판 위에 비가역적으로 흡착된 고분자 사슬들이 층을 이루어 수 나노미터 두께의 비가역적 흡착층을 형성한다.

 3.  계면 자기조립(interfacial self-assembly)

블록 공중합체는 물/공기 계면에서 자기조립을 통해 이차원 나노 구조를 갖는 수 나노미터 두께의 층을 형성한다.

4.   자기조립된 블록 공중합체 흡착층(SCAL; Self-assembled Copolymer Adsorption Layer)

계면 자기조립 블록 공중합체가 기판 위에 옮겨져서 비가역적으로 흡착된 후에 그 위에 새로운 블록 공중합체 박막을 형성했을 때, 아래에 깔린 계면 자기조립 블록 공중합체 층은 블록 공중합체 박막 내에서 기존 자연흡착층을 대체하는 ‘자기조립된 블록공중합체 흡착층’으로 작용한다.

 5.   자기조립된 공중합체 흡착층-유도 자기조립(SCAL-induced self-assembly)

자기조립된 블록 공중합체 흡착층으로 인해 영향을 받은 블록 공중합체가 박막 내에서 새로운 종류의 자기조립을 하게 되는데, 이를 지칭하는 개념이다.