반도체나 디스플레이 등에 필요한 나노 패턴을 만드는 새로운 기술이 나왔습니다. 스스로 조립해 나노 패턴을 만드는 고분자를 이용하는 방식을 한층 개선했습니다. 기존에 얻기 어려웠던 복잡한 무늬도 쉽고 빠르게 제조할 수 있는데요. UNIST 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀이 고분자 중 하나인 블록 공중합체의 박막 내 '흡착층(adsorbed layer)'을 조절해 복잡한 나노 패턴을 대면적으로 제조하는 방법을 개발했다고 합니다. 해당 논문은 <ACS Central Science>에 게재됐습니다.
블록 공중합체
블록 공중합체(block copolymer)는 다양하고 주기적으로 나노 구조로 '자기조립(self-assembly)'을 할 수 있는 물질입니다. 자기조립의 형태는 일반적으로 블록 공중합체의 블록 사이 분리 강도와 상대적인 블록 분율에 따라 결정됩니다. 반면 자기조립 나노 구조의 길이 규모는 그들의 분자량에 따라 수~수십 ㎚(1㎚는 10억분의 1m) 이상으로 다양하죠.
특히 박막처럼 이차원에 한정된 블록 공중합체 자기조립 시스템은 잘 정의된 이차원 나노 패턴을 만들어냅니다. 덕분에 많은 응용 분야에서 과학자들은 상향식 나노 패턴 제작에 블록 공중합체 자기조립 시스템을 사용합니다.
하지만 단순한 점이나 선보다 복잡한 형태의 나노 패턴을 얻으려면 추가로 복잡한 공정이 필요합니다. 천문학적인 비용과 시간이 들기도 하죠. 또한 블록 공중합체 자기조립 시스템을 반도체나 디스플레이에 실제로 적용하기 위해서는 더욱 복잡한 나노 패턴을 대면적으로 쉽게 얻을 수 있는 기술이 필요한 실정이었습니다.
연구팀의 해결책은?
블록 공중합체 박막은 기판 위에 자발적으로 형성되는 비가역적 흡착층을 동반합니다. 이 부분은 블록 공중합체 자기조립에 큰 영향을 미치지만 지금까지는 제어할 방법이 없었죠. 이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 블록 공중합체 계면 자기조립을 이용해 비가역적 흡착층을 조절하는 방법을 제안했습니다. 이로써 연구팀은 최종적인 블록 공중합체의 자기조립을 통제하고 더욱 복잡한 형태의 나노 패턴을 추구하기로 했습니다.
연구팀은 새로운 블록 공중합체 자기조립 시스템을 구현해 기존보다 정밀하고 복잡한 나노 패터닝에 성공했습니다. 연구팀은 블록 공중합체 박막 기판 바로 위에 수 나노미터 두께로 형성되는 '흡착층'을 '물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체'로 바꾸는 방법을 사용해 시스템을 구현했습니다. 여기서 흡착층은 블록 공중합체로 나노 패터닝을 할 때 고분자와 기판 사이에 형성되는 아주 얇고 무질서한 구조의 막을 말합니다. 이 얇은 층은 전체 블록 공중합체의 성질을 조절하는 역할을 하는데요. 연구팀은 이를 새로운 형태로 바꿨습니다.
연구팀은 물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체를 기판에 옮겨 수nm 두께의 흡착층을 만들었습니다. 그 위에 새로운 블록 공중합체 박막을 만들었죠. 그 결과 전체 블록 공중합체의 자기조립 현상이 달라졌습니다. 인위적으로 만들어진 흡착층이 나노 패터닝 과정에 가해지는 열이나 힘을 견딜 수 있을 정도로 안정적으로 변했습니다.
또한 연구팀이 개발한 블록 공중합체 시스템은 자연적 흡착층의 형성을 막아 상부의 블록 공중합체 자기조립을 조절했습니다. 물/공기 계면에서 계면 자기조립 블록 공중합체의 구조를 수nm 수준으로 정교하게 조절해 '자기조립된 공중합체 흡착층' 구조의 조절이 가능해졌는데요. 이에 따라 '자기조립된 공중합체 흡착층-유도 자기조립'으로 얻을 수 있는 나노 패턴의 모양과 주기, 크기 등도 조절 가능하다고 합니다.
기대 효과는?
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 있습니다. 따라서 반도체, 디스플레이, 센서 등을 포함한 다양한 나노 패터닝 관련 연구 개발에도 유용할 것으로 기대됩니다.
제1저자로 연구에 참여한 김동협 UNIST 화학공학과 석·박사통합과정 연구원은 "고분자 박막 내에 자연스럽게 형성되는 흡착층을 대신해 물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체를 흡착층으로 쓰면서 체계적으로 조절하면 원하는 나노 패턴을 얻을 수 있다"며 "고분자 박막 내 구조는 물론 고분자 박막 자체의 물성을 조절하는 다양한 연구에 기여할 것"이라고 전했습니다.
김소연 교수는 "'물/공기 계면 자기조립 블록 공중합체가 기판에 비가역적으로 흡착한다는 것'을 발견한 것은 최초이며 매우 의미 있는 일"이라며 "비가역적으로 흡착된 계면 자기조립 블록 공중합체는 향후 다양한 계면과학 연구에도 적용이 가능할 것"이라고 기대를 밝혔습니다.
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