초록 ▼

□ 연구개요
비균일 고분자(heterogeneous polymer)를 이용한 나노구조의 제조는 오랫동안 연구되어 온 나노과학의 핵심 주제 중 하나이다. 그러나 비균일 고분자 나노구조의 동역학적 진화는 컴퓨터 계산 성능의 한계 때문에 입자 기반 시뮬레이션으로 분석하기 힘들다.
이런 연구를 위해 최근 개발된 도구가 장이론 기반의 SCMF(single chain in mean field) 시뮬레이션이다. 본 연구에서는 다양한 고분자 계의 시뮬레이션을 수행하는 SCMF 방법론을 확립하고, 이를 SCFT(self-consisten

□ 연구개요
비균일 고분자(heterogeneous polymer)를 이용한 나노구조의 제조는 오랫동안 연구되어 온 나노과학의 핵심 주제 중 하나이다. 그러나 비균일 고분자 나노구조의 동역학적 진화는 컴퓨터 계산 성능의 한계 때문에 입자 기반 시뮬레이션으로 분석하기 힘들다.
이런 연구를 위해 최근 개발된 도구가 장이론 기반의 SCMF(single chain in mean field) 시뮬레이션이다. 본 연구에서는 다양한 고분자 계의 시뮬레이션을 수행하는 SCMF 방법론을 확립하고, 이를 SCFT(self-consistent field theory), DCSCFT(Discrete Chain SCFT) 등의 기존의 장이론 기반의 도구들과 비교하였다. SCMF 시뮬레이션으로 AB 블록공중합체 계에 대해 연구하고 열역학적 적분이나 응력 계산으로 그 평형상태의 나노구조 형성과 동역학적 진화에 대해 연구하였고 표면 근처에서 고분자 말단의 분포에 대한 이론적인 연구를 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
각 주제별 연구 내용은 다음과 같다.
1. SCMF 시뮬레이션 방법론 정립: 본 연구를 통해 SCMF 시뮬레이션을 수행하는 프로그램을 완성하였고 이 프로그램을 이용하여 기본적인 고분자 계의 성질을 계산하는 테스트를 수행하였다. 대칭적인 (f = 0.5) 블록공중합체가 만드는 라멜라 도메인을 잘 재현할 수 있었고 상자 안의 고분자 개수 n이 늘어남에 따라 밀도의 요동(fluctuation)이 줄어드는 것 역시 확인할 수 있었다. 또한 DCSCFT 결과는 N이 충분히 크면 SCFT에 수렴하게 되는데, 흔히 생각되는 것과는 달리 SCMF 시뮬레이션과 SCFT와의 차이의 대부분은 유한한 개수의 모노머를 사용한 모델에서 온다는 것을 밝혀낼 수 있었다. 유한범위 상호작용을 도입한 FRI-DCSCFT 계산을 수행하여 보았고 상호작용의 범위를 그리드의 크기 정도로 정했을 때 FRI-DCSCFT의 결과가 SCMF 시뮬레이션의 결과와 거의 일치하게 됨을 확인하였다.
2. SCMF를 이용한 블록공중합체 연구: 이 시스템이 통상적인 고분자 계와 다른 것 중 하나는 특정한 도메인 크기에서 자유에너지가 최소가 된다는 것인데, 자유에너지를 쉽게 구할 수 있던 SCFT, DCSCFT와는 달리 SCMF 시뮬레이션에서는 자유에너지 계산에 상당한 노력을 필요로 한다. 이를 위해 가장 흔하게 사용되는 기술인 열역학적 적분을 통해 자유 에너지 계산을 수행하였고, 또한 근본적으로 느릴 수밖에 없는 열역학적 적분을 대체할 수 있는 시뮬레이션 기법들을 시도해 보았다.
기본적인 BS, FJC 모델에 본드 간의 구부림 에너지를 더한 해밀토니안을 사용해 반유연성(semiflexible) 고분자의 SCMF 시뮬레이션을 시도해 보았다. 실제 실험에서 중립적인 표면처리를 하면 벽에 수직한 라멜라 구조가 잘 생기게 되는데, 이것을 이론적으로 설명하였다.
3. 표면 근처에서의 고분자 말단 분포 연구: 표면 근처에서 고분자는 엔트로피 감소효과 때문에 벌크(bulk)에서와는 다른 분포를 보이는데, 이 효과에 따라 용융고분자의 표면장력(surface tension)이 변화한다는 것이 알려져 있다. 동일한 고분자 모델링으로 DCSCFT와 SCMF 시뮬레이션 계산을 수행하면 고분자의 개수가 무한인 극한에서 SCMF 계산 결과가 DCSCFT 결과에 이론적으로 수렴하게 되므로, 기존에 알려진 DCSCFT 결과와 비교하여 SCMF 시뮬레이션의 정확도를 평가할 수 있었다. 또한 기존의 DCSCFT로는 얻을 수 없었던 용융고분자 표면 성질에 요동이 주는 효과를 정확하게 예측할 수 있었다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
최근 반도체 공정 등에 고분자 나노구조를 이용하고자 하는 기업체들의 기술개발 노력이 활발한데, 이러한 시스템의 시뮬레이션에 10nm 이하의 고분자 나노구조 계산에 적합한 DCSCFT 및 이를 기반으로 한 SCMF 시뮬레이션을 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
실험 연구 그룹들에게 어떠한 방식으로 나노구조가 만들어지고 어떤 파라미터를 사용하는 게 적절한지 가이드를 해 주는 방법으로 10nm 급의 블록공중합체 나노구조체를 이용한 편광자, 고밀도 메모리 디바이스, 메타물질, 포토닉 밴드갭 물질 등의 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 또한 용액과 전하를 다루는 적절한 장이론의 개발을 통해 생체물질의 시뮬레이션 방법 개발에도 기여를 할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 7
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 12
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 21