^*고분자 용액: 블록공중합체 용액을 사용했다. 물에 블록공중합체 용액을 떨어뜨리면 물/공기 계면(계면자기조립)에 의해 점 무늬의 ‘나노 모자이크’가 만들어진다. 나노모자이크의 조밀도는 표면압력(surface pressure)으로 조절 한다.

[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

1971년에 개발된 모 기업의 최초의 프로세서는 회로 선폭 10마이크로미터로 칩 하나에 트렌지스터 2,300개를 탑재하였다. 그 이후로 지난 수십년간 전자기기의 소형화가 가속화 되어왔고 현재 동일 기업에서 출시하는 최신 프로세서는 회로선폭을 10나노미터(10억분의 1미터)까지 줄여 칩 하나에 훨씬 많은 트렌지스터를 탑재하여 성능을 기하급수적으로 향상시켰다.

이러한 배경에는 나노패터닝(nanopatterning)1) 기술의 발전이 있었다. 하지만 요구되는 미세 패턴의 사이즈가 나노미터 수준으로 줄면서 전통적인 리소그래피(lithography) 방식은 나노패턴 형성을 위해 필요한 돈과 시간이 천문학적으로 증가하게 되었다. 이러한 전통적인 리소그래피의 한계점들을 극복하기 위해 블록공중합체2) 자기조립을 통한 차세대 나노패터닝 방법이 등장하였다.

블록공중합체는 박막 상에서 자기조립을 통해 스스로 주기적인 나노패턴을 형성한다고 알려져 있으며 이 성질을 이용하면 10나노미터 이하의 초미세패터닝이 가능하다. 이 기술은 기존의 리소그래피(lithography)3)기술 보다 값싸고 빠르게 초미세 나노패턴을 형성할 수 있다는 이점으로 차세대 나노패터닝 기술로 각광을 받고 있다. 하지만 블록공중합체 박막이 형성하는 나노패턴은 박막과 기판사이의 계면조건 혹은 박막의 표면조건을 정확하게 통제해줘야 원하는 나노패턴을 얻을 수 있다는 한계점이 있었다.

2.연구내용

본 연구에서는 본 연구팀이 독자적으로 개발한 ‘나노모자이크’4) 코팅기술을 통해 블록공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제하여 초미세 나노패터닝을 가능하게 하였다. 나노모자이크 코팅을 위해서 우선 블록공중합체 용액을 물 표면에 단순히 몇 방울 떨어트리면 계면자기조립5)을 통하여 스스로 조밀한 점무늬의 나노모자이크를 형성하게 된다. 연구팀은 이렇게 형성된 나노모자이크가 어떠한 모양과 어떠한 재료의 기판이던 비가역적으로 코팅이 가능한 것을 발견하였다. 또한 코팅 된 나노모자이크의 밀도는 블록공중합체가 얼마나 조밀하게 퍼져있는 지에 따라 수 나노미터의 정밀도로 제어가 가능하며 표면에너지를 자유자재로 통제할 수 있었다. 결과적으로 나노모자이크 코팅된 기판을 사용하여 블록공중합체 초미세 나노패턴을 손쉽게 얻을 수 있었다.

이러한 나노모자이크 코팅이 적용된 블록공중합체 초미세 나노패터닝은 기판에 모양과 재질에 구애받지 않아 다양한 기능성 물질의 3차원 나노패터닝이 가능하다. 특히 블록공중합체 나노패터닝 기술로 10나노미터 이하의 초미세 나노패턴을 얻기 위해서는 박막의 표면조건까지 통제해야 하는데, 나노모자이크 코팅 된 탄성체를 박막 표면에 접촉시켜 표면조건을 정확하게 통제하여 더욱 작은 초미세 나노패턴을 얻을 수 있는 가능성을 보여주었다.

3.기대효과

나노모자이크 코팅기술은 물/공기 계면을 이용하기 때문에 공정상 유해하지 않으며 손쉽게 대면적으로 코팅이 가능하고 고온, 진공 등의 조건이 필요하지 않아 산업화가 용이하며, 기존의 고분자 박막의 계면을 통제하는 방식에 비하여 훨씬 경제적이고 간단하여 블록공중합체 자기조립을 이용한 차세대 나노패터닝 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 향후 고분자 박막의 계면조절에 국한 되지 않고 다양한 시스템의 계면조절에 응용 가능 할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 나노패터닝(nanopatterning)

기판에 원하는 회로나 모양을 나노미터 크기로 식각하는 행위.  

2. 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.

3. 리소그래피(lithography)

반도체 기판에 회로를 새겨 넣는 기법의 하나. 기판 위에 회로의 원형을 새긴 마스크를 올리고 그 위에서 레이저, 엑스선, 입자 빔 따위를 쪼여서 반도체 기판에 마스크 모양이 그대로 옮겨지도록 한다.

4. 나노모자이크(nanomosaic)

블록공중합체가 계면자기조립을 통해 만드는 이차원 나노 구조. 모자이크란 여러 가지 빛깔의 돌이나 유리, 금속, 조개껍데기, 타일 따위를 조각조각 붙여서 무늬나 회화를 만드는 기법으로서, 본 연구에서는 나노사이즈의 고분자 점들이 조밀하게 모여서 만드는 모양이 모자이크와 유사하여 나노모자이크라고 명명하였다.

5. 계면 자기조립(interfacial self-assembly)

블록공중합체 용액을 물/공기 계면 (혹은 물 표면)에 퍼트리게 되면 수 초 이내에 계면자기조립을 통해 이차원 나노패턴(본 연구에서는 나노모자이크)을 형성한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 나노 모자이크 코팅공정의 개념도 고분자 용액을 물에 떨어 뜨려 점무늬의 나노 모자이크를 만들 수 있다.

그림 2. 나노 모자이크 코팅된 기판 표면의 전자현미경 사진. 점무늬가 마치 모자이크 형상과 같아 나노 모자이크로 명명됐다.

그림 3. 기판의 물질과 모양에 관계없이 범용적으로 적용 가능한 나노모자이크 코팅기술과 그에 따른 차세대 나노패터닝

그림 3. 나노 모자이크 코팅을 통한 계면 조절 및 초미세 나노 패터닝 (위)나노미터 수준의 정밀도로 조절된 나노모자이크 코팅 및 그에 따른 기판의 표면에너지 변화와 (아래)나노모자이크 코팅기술이 적용된 차세대 초미세 나노패터닝

그림 5. 나노 모자이크 코팅 적용 유무에 따른 블록 공중합체 나노패터닝