김소연 UNIST 교수 공동연구팀, 나노패턴 효과적으로 정렬시킬 전략 제시
패턴의 배향 정렬과 결함 제거를 순차적으로 진행

▲ 김소연 UNIST 교수(우측)와 김예찬 UNIST 연구원(좌측)이 실험 결과에 대한 논의를 하고 있다.

[기계신문] 나노미터 크기의 주기적인 구조, 즉 나노패턴의 제작기술은 반도체산업의 전자소자뿐만 아니라, 광소자 또는 금속 물질의 경우 플라즈모닉 소자 등 다양한 분야에서 그 필요성이 강조되고 있다. 하지만 나노패턴의 제작은 대부분 포토리소그래피와 같은 값비싸고 복잡한 공정에 의존하고 있는 것이 현실이다.

이와 같은 나노패턴을 쉽고 저렴하게 만들 수 있는 방법으로 블록공중합체를 활용할 수 있다. 블록공중합체는 고분자 사슬 간의 반발력과 인력이 작용해 스스로 나노구조를 만드는 특성(자기조립성, self-assembly)이 있다.

이런 특성 덕분에 블록공중합체로 나노 패턴을 만들면 다른 공정보다 저렴하고 빠르게 결과물을 얻을 수 있다. 그러나 패턴의 방향을 정렬하고 패턴 내에 생긴 구조적 결함을 제거하는 데 비싸고 복잡한 공정이 필요해 실제 적용에 한계가 있었다.

블록공중합체를 이용한 나노패터닝을 성공적으로 수행하기 위해서는 구조를 원하는 대로 통제할 수 있어야 할 것이다. 이를 위한 몇 가지 요구조건들이 존재하는데, 첫 번째로는 구조의 정렬 배향을 통제하는 것, 두 번째는 구조적 결함을 통제하는 것, 그리고 이러한 나노미터 수준에서의 구조적 통제를 대면적 내에서 균일하게 이루어내는 것이다.

최근 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 김소연 교수팀은 KIST 권석준 책임연구원, 전남대 허수미 교수팀과 공동으로 블록공중합체를 이용하여 효과적으로 대면적 나노패턴을 제조하는 방법을 개발했다.

김소연 교수팀은 패턴의 방향 정렬과 패턴 내 결함을 차례로 정복해나가는 ‘분할정복’ 방법을 통해 이 문제를 해결했다. 먼저 선 패턴(stripe pattern)을 형성하는 블록공중합체 박막 위에 밀어주는 힘(전단응력, shear stress)을 가해 패턴 정렬의 방향성을 만들었다.

다음으로 남아있는 결함 제거는 용매 증기 처리 방식을 이용했다. 용매 증기가 고분자 박막 내부에 침투하고 박막이 부풀어 오르면, 늘어난 공간만큼 고분자 사슬들이 움직일 수 있게 되면서 불안정한 결함 구조를 스스로 제거하게 되는 것이다.

또 공동연구팀은 ‘선패턴균일도’라는 개념을 개발해 전단-용매증기처리 두 단계를 거친 후 패턴의 품질이 얼마나 향상됐는지 분석해 품질 향상을 입증했다. 연구팀은 더 나아가 전단-용매처리 과정에서 어떻게 결함이 효과적으로 제거될 수 있는지 하나의 가능한 메커니즘을 제시하였다.

▲ 전단-용매증기처리 방법에 대한 모식도와 각 단계에 해당하는 블록공중합체 패턴을 전자현미경으로 관찰한 사진. (단계1) 전단응력을 가하여 전반적인 배향을 정렬. (단계2) 추가적인 용매증기처리를 통해 배향이 정렬된 패턴 내부에 존재하던 결함구조를 제거
▲ 전단-용매증기처리에 의해 패턴의 품질이 향상되는 것을 다양한 지표를 통해 분석한 결과. 배향성(orientation), 결함(defect), 그리고 선패턴균일도(stripe pattern uniformity)을 종합적으로 평가해보았을 때 전단-용매증기처리에 의해 패턴의 품질이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

시뮬레이션 기법을 통해 결함이 제거되기에 가장 적합한 패턴 간격이 존재하는 것을 확인했는데, 전단-용매처리 과정으로 이 적합한 패턴 간격에 부합하는 값이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 전단-용매처리 이외에 결함제거가 효과적으로 이루어지지 않는 방법들과 비교했을 때 이와 같은 현상은 오직 전단-용매처리 과정에서 발견할 수 있었다.

따라서 결함제거에 용이한 패턴간격을 가질 수 있도록 유도하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 전단-용매처리 과정이 매우 효과적인 방법이라는 사실을 도출할 수 있었다.

▲ 패턴 간격에 따른 결함 제거 과정의 자유 에너지 계산 결과(왼쪽 그래프)와 전단응력, 그리고 전단-용매증기처리 이후의 패턴 간격을 도식화한 그림(오른쪽 모식도)

연구에 참여한 김예찬 UNIST 화학공학과 석박사통합과정 연구원은 “이번 연구에서 고안된 나노 패턴 제작법은 매우 단순한 과정이지만, 다양한 이미지 분석 및 광학 측정 결과 대면적 내에서 우수한 패턴을 형성했다”고 설명헸다.

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 소자등 다양한 소자의 나노 패터닝에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 전했다.

▲ 전단-용매증기처리에 의해 얻어진 나노패턴에 금속화 과정을 거쳐 얻어진 금나노선의 모습과 해당 패턴으로 얻어진 광학측정결과

이번 연구를 통해 고안된 패턴의 제작 방법은 매우 단순하며 얻어진 패턴의 우수성 또한 뛰어났다. 또, 연구에서 사용된 블록공중합체 이외에 다양한 물질에 대해서도 확장될 수 있는 가능성을 충분히 가지고 있다. 더 나아가 금속화 과정을 통해 금속나노패턴을 쉽게 얻을 수 있기에 추가적인 플라즈모닉 소자와 같은 활용에 대한 가능성을 보여준다.

한편, 이번 연구에는 신태주 UNIST 연구지원본부장도 참여했으며, UNIST-PAL(포항가속기연구소) 빔라인, 한국연구재단, KIST 기관 연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 미국과학진흥회(AAAS)에서 발행하는 종합과학(multidisciplinary sciences) 분야 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 6월 14일자로 게재됐다.

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