UNIST 연구팀, 블록공중합체의 미는 힘으로 빠르게 패턴 형성
용매 증기로 박막 부풀려 불안정 구조 자가 제거
UNIST(총장 정무영)는 김소연 에너지 및 화학공학부의 교수팀이 권석준 KIST 책임연구원, 허수미 전남대 교수팀과 공동으로 블록공중합체를 이용한 대면적 나노패턴 제조법을 개발했다고 15일 밝혔다.
고분자 사슬이 연결된 블록공중합체는 스스로 나노구조를 만드는 자기조립성이 있다. 이런 특성 때문에 블록공중합체로 나노 패턴을 만들면 다른 공정보다 저렴하고 빠르게 결과물을 얻을 수 있다. 그러나 패턴의 방향을 정렬하고 패턴 내에 생긴 구조적 결함을 제거하려면 비싸고 복잡한 공정이 필요해 실제 적용하는 데 한계가 있다.
연구팀은 패턴의 방향 정렬과 패턴 내 결함을 차례로 정복해나가는 '분할정복' 방법으로 이를 해결했다. 연구팀은 먼저 선 패턴을 형성하는 블록공중합체 박막 위에 밀어주는 힘(전단응력)을 가해 패턴 정렬의 방향성을 만들었다.
이후, 남아있는 결함을 '용매증기처리' 방식으로 제거했다. 용매 증기가 고분자 박막 내부에 침투해 박막이 부풀어 오르면, 늘어난 공간만큼 고분자 사슬들이 움직일 수 있게 되면서 불안정한 결함 구조를 스스로 제거한다.
연구팀은 '선패턴균일도'라는 개념을 개발해 전단과 용매증기처리 단계를 거친 후 패턴의 품질이 얼마나 향상됐는지 분석해 품질 향상도 입증했다. 전단-용매증기처리 과정에서 결함이 효과적으로 제거되는 원리는 시뮬레이션을 통해 제시됐다.
제1저자인 김예찬 UNIST 연구원은 "이번 연구에서 고안된 나노 패턴 제작법은 매우 단순한 과정이지만, 다양한 이미지 분석과 광학 측정 결과 대면적 내에서 우수한 패턴을 형성했다"고 말했다.
김소연 교수는 "블록공중합체를 이용한 나노 패터닝에 관한 연구는 많지만 큰 면적의 나노 패턴에서 배향 문제와 결함 제거를 한 번에 해결한 연구는 드물다"며 "반도체뿐만 아니라 광전소자, 플라즈모닉 소자 등 다양한 소자의 나노 패터닝에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 평가했다.
연구 결과는 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 6월 14일 자에 게재됐다. 논문명은 'Shear-Solvo Defect Annihilation of Diblock Copolymer Thin Films over Large Area'다.
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