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UNIST, '나노 모자이크 컨트롤러' 개발...반도체 등 미세소자 나노 패터닝 응용
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UNIST, '나노 모자이크 컨트롤러' 개발...반도체 등 미세소자 나노 패터닝 응용
  • 유민정 기자
  • 승인 2020.06.23 12:26
  • 댓글 0
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블록공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제
더욱 작은 초미세 나노패턴을 얻을 수 있는 가능성
공정상 유해하지 않고, 산업화 용이해
나노 모자이크 코팅공정의 개념도 고분자 용액을 물에 떨어 뜨려 점무늬의 나노 모자이크를 만들 수 있다.
나노 모자이크 코팅공정의 개념도 고분자 용액을 물에 떨어 뜨려 점무늬의 나노 모자이크를 만들 수 있다./UNIST

국내 연구진이 반도체 등 미세소자 나노 패터닝 공정 개발에 도움이 될 '나노 모자이크 코팅' 기술을 개발했다. 

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 김소연 교수팀이 '나노 모자이크 코팅'을 이용해 블록공중학체의 복잡한 패턴을 제어할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 

블록 공중합체(block copolymer)란 다른 종류의 고분자(분자가 여러개 이어진 물질)가 블록 단위로 연결된 물질로, 스스로 머리카락 10만분의 1두께로 특정 패턴을 만든다. 

연구팀이 개발한 기술을 이용하면 블록 공중합체가 스스로 만드는 그림을 더 정밀하게 조절 할 수 있다고 한다. 

반도체 같은 미세 소자는 강한 빛을 이용해 기판에 회로를 그리는 리소그래피(반도체 기판에 회로를 새겨 넣는 기법의 하나)공정을 이용해 제작한다. 더 성능 좋은 전자기기를 만들려면 반도체 크기가 작아져야 하고, 회로 폭도 더 가늘어져야 한다.

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/UNIST

하지만 현재 기술로는 10나노미터 폭 이하로는 회로 구현이 힘들다. 게다가 공정 비용이 비싸고, 각종 화학약품을 사용하는 문제도 있다.

박막 상에서 자기조립을 통해 스스로 주기적인 나노패턴을 형성하는 블록 공중합체의 성질을 이용하면 10나노미터(10억분의 1미터) 이하의 초미세 패터닝이 가능하다. 하지만 블록 공중합체를 이용해 원하는 나노패턴을 얻으려면 박막과 기판 사이의 ‘계면 조건(계면에너지)’이나 박막의 표면 조건(표면에너지)을 정확하게 통제해야 한다는 한계가 있다.


나노모자이크 코팅기술, 블록공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제

연구팀은 '나노 모자이크' 코팅 기술을 통해 블록 공중합체 박막의 계면을 정확하고 정교하게 통제해 블록 공중합체 나노 패턴을 얻는 데 성공했다고 설명했다. 고분자 용액을 물 표면에 몇 방울 떨어뜨리면 조밀한 점 무늬인 나노 모자이크가 만들어지는데, 이렇게 형성된 나노 모자이크 위에 블록 공중합체를 올려 원하는 형태의 나노 패턴을 얻는 방식이다. 

기판의 물질과 모양에 관계없이 범용적으로 적용 가능한 나노모자이크 코팅기술과 그에 따른 차세대 나노패터닝/UNIST

블록 공중합체와 기판 사이의 나노 모자이크 막(코팅)이 계면 에너지를 조절 하는 ‘컨트롤러’ 역할을 한다. 나노 모자이크 간격을 얼마나 조밀하게 만드느냐에 따라 계면에너지 크기를 쉽게 조절 할 수 있다.

제1저자인 김동협 연구원은 “블록 공중합체를 패터닝 하려는 기판을 고분자 용액을 떨어뜨린 물 표면에 통과하기만 하면 나노 모자이크가 영구적(비가역적)으로 코팅된다”며 “기판의 종류와 모양에 관계없이 코팅이 가능하다”고 설명했다.

연구팀은 실리콘 기판 외에도 인듐틴옥사이드, 몰리브덴 기판 등 16가지 종류의 기판에 나노 모자이크를 코팅해 블록 공중합체 나노 패터닝에 성공했다. 또 미세한 피라미드나 원통모양의 형태의 기판에도 나노 모자이크 코팅을 적용해 3차원 나노패터닝이 가능했다.

나노 모자이크 코팅 적용 유무에 따른 블록 공중합체 나노패터닝/UNIST

나노모자이크 코팅 기술은 물·공기 계면을 이용하기 때문에 공정상 유해하지 않으며 손쉽게 대면적으로 코팅이 가능하고 고온, 진공 등의 조건이 필요하지 않아 산업화가 용이하다. 

김소연 교수는 “블록 공중합체 나노 패터닝은 차세대 리소그래피 방식으로 주목을 받았지만 정확한 계면조절이 필요하다는 한계점이 있다”며 “나노 모자이크 코팅이라는 간단한 방식을 이용해 블록 공중합체 박막의 계면을 조절하는 데 성공했다”고 연구 의의를 밝혔다.

또한 "나노 모자이크 코팅은 기존 고분자 박막 계면 조절 방식보다 훨씬 간단해 대면적으로 산업화가 용이하며, 향후 다양한 시스템의 계면조절에 응용 가능 할 것"이라고 기대했다. 

연구진 사진: 교신 저자 김소연 교수(왼쪽)와 제1저자 김동협 연구원(오른쪽)/UNIST

이 연구 결과는 나노과학 및 재료과학 (Nanoscience & Material science) 분야 세계적 권위지인 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’에 6월 4일자로 'Universal Interfacial Control through Polymeric Nanomosaic Coating for Block Copolymer Nanopatterning'라는 논문명으로 온라인 출판됐다.



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