초록 ▼

본 연구과제에서는 합성된 디스크 모양의 유기분자 (Planar-shape organic molecule)를 기반으로 이를 블록공중합체의 상분리 현상과 융합하여 자기 조립(Self-assembly)된 유기 전자 회로와 인공 광합성 시스템(Artificial photosynthetic system)을 구현하여, 새로운 종류의 광전자 소재 시장의 원천 기술 확보 및 관련기술을 선도 하는 것을 목표로 하였음.

본 연구의 최종적 목표를 달성하기 위해 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 시스템 모사 기술 개발에 대한 연구를 진행하였

본 연구과제에서는 합성된 디스크 모양의 유기분자 (Planar-shape organic molecule)를 기반으로 이를 블록공중합체의 상분리 현상과 융합하여 자기 조립(Self-assembly)된 유기 전자 회로와 인공 광합성 시스템(Artificial photosynthetic system)을 구현하여, 새로운 종류의 광전자 소재 시장의 원천 기술 확보 및 관련기술을 선도 하는 것을 목표로 하였음.

본 연구의 최종적 목표를 달성하기 위해 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 시스템 모사 기술 개발에 대한 연구를 진행하였음. 이를 위해 본 연구에서는 MIT에서 최근 개발한 Latitice-Boltzmann 방법을 기본으로 하는 SCFT(Self-Consistent Field Theory) 기반의 시뮬레이션 기법을 사용하여 일차적으로 블록 공중합체와 구형 나노 입자의 시뮬레이션을 구현해 자유에너지를 계산하는 연구를 진행하였음. 최종적으로 목표하는 시스템은 실린더를 형성하는 블록 공중합체 속에 디스크 모양의 나노 입자가 들어갔을 때 열역학적 특성들을 계산하는 것이므로, 디스크 입자의 양을 변화시키며 블록 공중합체 실린더 속에서의 디스크의 거동을 살펴보았음.

적합한 시뮬레이션 기술을 개발한 후 그것에 기반하여 실험적으로 동일한 시스템을 구현하기 위해 먼저 sub-20 nm급의 정밀하고 새로운 블록 공중합체 패턴 형성기술 개발에 대한 연구를 진행하였음. 먼저, 고온 용매 어닐링 방법(WSA)을 통하여 높은 값의 PS-b-PDMS (~0.26 at 300K) 블록 공중합체의 12nm~16nm 급의 패턴을 수분 내에 결함이 거의 없이 어셈블리 시키는데 성공하였음. 하지만 디스크 모양의 유기 분자와 블록 공중합체의 블렌딩 과정시 온도가 올라가거나 어닐링 공정이 추가가 되게 되면 공정상의 추가 비용이나 여러 가지 문제가 있을 수 있음. 따라서 어닐링 과정이 없이 스핀코팅 만으로도 블록 공중합체의 어셈블리가 되는 기술을 개발하였음.

블록 공중합체 기반의 템플레이트를 구현한 후 무기 나노 입자와 블록 공중합체의 블렌딩 기술 개발에 대한 연구를 진행하였음. 원형 금나노 입자를 3차원으로 구속하여 위치제어를 시키기 위해 수평 라멜라에 구멍이 뚫려있는 구조인 Hexagonally Perforated Lamellar (HPL) 패턴을 이용하였음. 15nm 정도 크기의 금 나노 입자를 용액상에서 합성하였으며, 블록 공중합체의 PS부분에 금나노 입자가 열역학적으로 안정하게 위치할 수 있도록 금나노 입자의 합성과정에서 입자의 리간드를 PS로 치환하였음. 최종적으로 porphyrin 분자의 블렌드 시스템을 정확히 이해하기 위해서는 나노 입자와 블록 공중합체를 블렌딩한 시스템의 열역학적 안정성이 필히 파악이 되어야 함. 따라서 블렌드의 어닐링을 오래 진행하여 평형상태에 도달하도록 실험을 진행하였고, 앞서 개발한 시뮬레이션 툴과의 접목을 통해 HPL 구조의 구멍 속에 금나노 입자가 열역학적으로 안정한 지점이 있음을 이해하였음.

나노입자-블록 공중합체 블렌드 시스템에 대한 이해를 통해 블록 공중합체 미세패턴의 Line-Edge Fluctiation (LEF) 이 최소화 됨으로써 템플레이트의 구속효과를 최대화 할 수 있다는 필요성을 이해하였음. 따라서 매우 높은 값을 갖는 P4VP-b-PDMS 블록 공중합체를 합성하고 자기조립하여 LEF 를 크게 감소시키는 연구를 진행하였음. 기존에 연구되었던 높은 값을 갖는 블록 공중합체인 PS-b-PDMS보다 대략 7배 넘는 값을 갖을 수 있도록 P4VP와 PDMS 모노머의 RAFT polymerization을 통해 새로운 블록 공중합체를 합성하였음. 새로 합성한 블록 공중합체를 자기조립 하여 0.98 nm의 3σ LEF을 갖는 미세패턴을 구현하였음. 최종적으로 porphyrin 분자를 구속시키는 템플레이트로 이용 할 수 있을 것이라 기대됨.

디스크 모양의 분자와 블록 공중합체의 블렌딩과 비슷한 연구로 막대분자 (rod molecule) 와 고분자를 결합시킨 P3HT (Poly 3-hexylthiophene) 기반의 rod-coil 블록 공중합체의 연구도 동시에 수행하였음. P3HT 는 전도성이 높은 고분자로 알려져 있는데 기존의 P3HT-coil 블록 공중합체는 결정도가 너무 높아서 정렬이 안되는 단점이 있었음. 이를 새로 개발한 regioregularity (RR)을 조절 합성법과 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 정밀한 미세구조 제어를 실현하였음. 최종적으로 전도성이 높은 유기 분자를 구속시켜서 우리가 원하는 전도성 회로를 구현하였음.

( 출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 4p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 8