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…NICE, 제27권 제6호, 2009신기술 소개
반도체 성질을 지닌 고분자를 패터닝(patterning) 하는 것은 나노일렉트로닉스(nanoelectronics)와 나 노광학(nanophotonics) 응용분야에서 중요한 기술이 다. 무기물질의 패터닝에 주로 사용되는 나노리소그 래피(nanolithography)는 유기반도체에 적용하기에 는 적절하지 않기 때문에 광학패터닝(optical patterning)과 다양한 소프트리소그래피(soft lithography)에 중점을 둔 반도체 고분자 패터닝 연구 가 진행되고 있다. 최근 영국 Lancaster 대학교의 Cacialli 연구팀은 주사탐침(scanning probe)을 이용 하여 poly(p-phenylene vinylene)(PPV)를 열화학 적(thermochemical)으로 나노패터닝하는 기술을 보 고하였다.
최초의 고분자 LED(light emitting diode) 물질로 사용된 PPV는 고분자 LED, 트랜지스터, 그리고 태 양전지까지 다양한 분야에서 연구되고 있는 물질 중 하나로서, 열화학적 나노패터닝 기술에서는 치환되지 않은 PPV 전구체가 열적으로 또는 광학적으로 변환 될 수 있는 특성을 이용한다. 이들은 사용된 Wollaston wire probe[그림 1]를 이용하여 열화학적
나노패터닝을 수행하였는데, 이 probe는 직경 5 μm의 백금(Pt)-로듐(Rh) 코어를 갖는 은 wire로 구성된 다. 이 wire probe 중 코어부분은 50 μm 길이만 남기 도록 식각된 후 노출되고, wire 부분은 저항력을 지닌 probe로 제조된다. Wollaston wire probe는 전자힘현 미경(AFM) 위에 올려진 후 일정한 온도에서 부분적 으로 불용화된 PXT라 불리우는 poly(p-xylene tetrahydrothiophenium chloride) (PPV의 나노패터 닝 구조 형성에서 전구체 고분자로 사용되는 물질)
유기반도체 물질의 나노패터닝
그림 1. Wollaston wire probe를 사용하는 열화학적 나노 패터닝의 개념도.
(B)
그림 2. 줄 간격이 2 µm인 PPV 유기 반도체의 나노패터닝 실시 예 (A) AFM 사진, (B) confocal fluorescence 사진.
(A)
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009…
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외부 자극에 반응하는 밴드갭을 갖는 광 결정(photonic crystal) 물질은 생물· 화학 센서 및 컬러 잉크재료, 페인트, 반사 표시장치, 광학 필터, 스위치 등 다양한 광학부품에 응용 가능하다. 자기장에 초상 자성(superparamagnetic)콜로이드 입자들을 노출시 켜 색을 변화시키는 기술은 이미 수 년 전에 개발되었 지만, 주로 물질의 배열이나 굴절률의 주기를 변화 시 키는데 의존하여 외부자극에 대한 변화가 어렵거나 진행이 느리다는 단점이 있었다. 최근 미국 UC Riverside 대학교의 Yin 연구팀은 외부 자기장의 방 향에 따라 즉각적이고 가역적으로 색을 바꾸는 미세 폴리머 구체(sphere)를 개발하였다.
미세구체 제조는 다음과 같은 방법으로 이루어진다.
먼저, 액체상태이지만 나중에 자외선 경화 수지에 노 출되면 고체로 바뀌는 수지(resin)속에 자기 산화철 입자(Fe3O4@SiO2)를 혼합하면, 척력과 인력의 균형 으로 1차원의 체인이 형성된다. 이를 미네랄 오일이나
실리콘 오일 속에 넣고 수지 용액을 분산시키면 수지 는 오일 속에서 구형방울들로 변형된다. 다음에 외부 자기장을 인가하여 산화철 입자들을 주기적으로 정렬 된 구조로 조직화 한다. 이 때, 자기장 방향을 따라서 관찰하면, 이러한 구조는 반사형 컬러를 표시한다. 마 지막으로 액체 시스템을 자외선 복사에 노출시켜 수 지 방울들을 중합하여 딱딱한 미세구체로 만든다[그 림 1(A)]. 자기장의 영향으로 인해 구체 내부의 산화 철 입자들의 배열이 바뀌면서 색체에도 변화가 뒤따 르게 되고, 자기장을 다르게 흘리면 배열도 달라지면 서 색채들의 회절 또한 다양하게 나타난다. 이러한 방 식은 외부 자기장을 이용함으로써 미세구체, 즉 주기 적 배열인 광 결정의 상대적 방향을 바꾸어 색을 조절 하기 때문에 미세구체 자체의 구조나 고유 특성이 바 뀌지 않으며[그림 1(B)], 순간적인 작용, 비접촉 제어 및 이미 시장에 나온 전자 장치들에 쉽게 통합시킬 수 있다는 부수적인 장점을 가진다. 또한 미세구체는 구 위를 스캔 한다. Wollaston wire probe를 사용하여
PXT로부터 열화학적으로 패터닝한 PPV 구조는 음 각 리소그래피 형상을 보임과 동시에 분해능 (resolution)이 10배 이상 향상되고, 기록속도는 무려 1000배 이상 개선되었다.
[그림 2]는 열화학적 리소그래피 기술을 이용하여 만든 PPV 격자구조로서, 열화학적 리소그래피가 효 과적인 패터닝 기술임을 보여준다. 또한 공촛점의 발 광 이미지를 통해 나노패터닝된 구조가 발광 특성을 가짐을 알 수 있다.
많은 상업적 가교제, 첨가제와 포토레지스트를 포
함하는 광학물질의 다수가 열적으로 활성화 될 수 있 는 화학적 메커니즘을 따르기 때문에 열화학적 리소 그래피는 다양한 분야에 응용될 수 있으며 신뢰성이 높은 나노패터닝 기술이다. 이 연구는 기능성물질, 복 합 고분자에 대한 직접적인 열화학 나노패터닝의 가 능성과 함께 열화학 나노패터닝 기술을 다른 기능성 물질에 역시 적용할 수 있음을 보여준다. 직접적인 열 화학적 제조 방법을 이용하여 다양한 전자 장비와 광 학장비를 제조할 수 있으리라 기대한다[Nature nanotechnology, Vol. 4, p. 664 (2009)].
