이다예 ▲ (오른쪽)김소연 교수와 김동협 연구원. 울산과학기술원 제공. ▲ 물공기 계면에 형성된 박막을 이용한 블록공중합체 자기조립 유도 개념도. 울산과학기술원 제공. 반도체나 디스플레이 등에 필요한 나노 패턴을 보다 쉽고 빠르게 제조할 수 있는 방법이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀이 고분자 중 하나인 블록 공중합체의 박막 내 ‘흡착층(adsorbed layer)’에 변화를 줘, 복잡한 나노 패턴을 대면적으로 제조하는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다. 블록 공중합체는 고분자 사슬 간의 반발력과 인력이 작용해 스스로 나노구조를 만드는 특성(자기조립성, self-assembly)이 있다. 특히, 박막 상태에서는 최신 나노 패터닝 기술로도 만들기 힘든 최대 수십 나노미터(㎚, 10억 분의 1m) 크기의 미세한 점이나 선 등 패턴을 새길 수 있다. 그러나 기존 블록 공중합체를 활용해 실제 반도체나 디스플레이에 필요한 나노 패턴을 형성하기 위해서는 추가로 복잡한 공정이 필요하고, 비용과 시간도 천문학적으로 들어간다. 연구진은 새로운 블록 공중합체 자기조립 시스템을 구현해 기존보다 정밀하고 복잡한 나노 패터닝에 성공했다. 다양한 패턴을 새길 수 있는 박막 기판 바로 위에 수 나노미터 두께로 형성되는 ‘흡착층’을 ‘물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체’로 바꿨다. 흡착층은 블록 공중합체로 나노 패터닝을 할 때 고분자와 기판 사이에 형성되는 아주 얇고 무질서한 구조의 막을 말한다. 이 얇은 층은 전체 블록 공중합체의 성질을 조절하는 역할을 하는데, 연구진이 이를 다른 형태로 바꾼 것이다. 연구진은 ‘물/공기 계면에서 자기조립된 블록 공중합체’를 기판에 옮겨, 수 나노미터 두께의 흡착층을 만들었다. 그 위에 새로운 블록 공중합체 박막을 만들자 전체 블록 공중합체의 자기조립 현상이 달라졌다. 인위적으로 만들어진 흡착층이 나노 패터닝 과정에 가해지는 열이나 힘을 견딜 수 있을 정도로 안정적으로 변했다. 또 자연적 흡착층의 형성을 막아, 상부의 블록 공중합체 자기조립을 조절했다. 이로써 기존의 나노 패턴보다 더 복잡한 형태의 새로운 나노 패턴을 대면적으로 얻을 수 있었다. 제1저자로 연구에 참여한 UNIST 화학공학과 석·박사통합과정 김동협 연구원은 “고분자 박막 내 구조는 물론 고분자 박막 자체의 물성을 조절하는 다양한 연구에 기여할 것”라고 전했다. 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 앞으로 다양한 계면과학 연구에도 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다. 한국연구재단의 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업 및 글로벌박사양성사업 지원을 받은 이번 연구는 종합화학 분야 세계적 권위지인 ‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’에 9월 10일자로 게재됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 연구진은 반도체나 디스플레이 등이 필요한 나노 패턴을 쉽고 빠르게 제조할 수 있는 방법을 개발했다고 18일 밝혔다.