서울대학교 공과대학은 화학생물공학부 김소연 교수 연구팀이 DGIST 에너지공학과 허수미 교수팀, 성균관대학교 화학공학부 권석준 교수팀과 공동으로 금속 전구체가 침투한 블록공중합체(block copolymer, BCP) 박막을 활용해 나노패턴 배열의 무질서도를 정밀하게 설계·제어하는 방법론을 개발했다고 밝혔다.
블록공중합체는 서로 다른 종류의 고분자 사슬이 화학적으로 연결돼 블록 형태를 이루는 고분자다.
이번 연구 성과는 지난 4월 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 해당 논문은 네이처 커뮤니케이션즈가 재료과학 및 화학 분야 논문 가운데 소개하는 ‘Editors’ Highlights – Materials science and chemistry’에도 포함됐다.
질서정연한 구조에서는 파동이 일정한 방향으로 전달되지만, 무질서한 구조에서는 반복적인 산란에 따라 파동이 특정 영역에 머무르는 현상이 나타날 수 있다. 이 같은 특성으로 무질서 구조는 빛이나 진동 등 파동의 전달을 조절하는 소재 설계와 관련해 연구돼 왔다.
그러나 나노 스케일에서 무질서 구조를 안정적으로 구현하고, 그 정도를 정량적으로 조절하는 데에는 어려움이 있었다. 기존 블록공중합체 연구는 주로 규칙적으로 배열된 나노패턴 구현에 초점을 맞춰 왔으며, 무질서 구조를 의도적으로 설계하고 분석하는 방식은 제한적이었다.
공동 연구팀은 블록공중합체 박막과 금속 침투 공정을 결합해 나노패턴의 무질서도를 조절하는 방법을 제시했다.
연구팀은 먼저 블록공중합체 박막을 이용해 센티미터 크기의 정렬된 나노구조를 제작했다. 이후 금(Au) 전구체를 도입하고 열처리 조건을 변화시켜, 규칙적인 배열이 점차 무질서한 구조로 전환되는 과정을 구현했다. 각 단계의 구조는 액체질소 급냉 방식을 활용해 보존하고 분석했다.
또한 연구팀은 무질서를 하나의 수치만으로 설명하는 대신, 입자의 위치 변화와 배향 변화를 함께 분석하는 정량화 프레임워크를 구축했다. 이를 통해 무질서 구조가 단순히 정렬이 무너진 상태가 아니라, 위치적 질서와 배향적 질서가 서로 다르게 변화하는 구조적 단계로 구분될 수 있음을 제시했다.
컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 구조 형성 원리 분석도 진행됐다. 연구팀은 열처리 과정에서 금속과 고분자 사이의 상호작용이 분자의 움직임에 영향을 미치며, 형성된 무질서 구조를 유지하는 데 관여한다고 설명했다.
금과 백금(Pt)의 침투 조건을 조절하면 규칙적인 결정 구조에서 액체와 유사한 무질서 구조까지 다양한 배열을 구현할 수 있다는 점도 제시됐다.
연구팀은 제작된 구조의 기능성을 이론적으로 분석한 결과, 무질서의 형태에 따라 진동 에너지 전달 특성이 달라질 수 있음을 확인했다고 밝혔다. 이는 나노 스케일의 무질서 구조를 설계 요소로 활용해 파동 전달을 조절하는 소재와 소자 연구로 확장할 수 있는 가능성을 보여준다.
김소연 서울대 화학생물공학부 교수는 “이번 연구는 무질서를 결함이 아닌 설계 요소로 삼는 접근”이라며 “블록공중합체의 자기조립 특성과 금속 침투 공정을 결합해 나노 스케일 무질서 구조를 재현 가능하게 제작하고 제어하는 방법을 제시했다”고 말했다.
이어 “향후 다양한 금속·고분자 시스템으로 연구 범위를 확장해 기능성 무질서 나노 소재 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.
기존 나노소재 연구가 정렬된 구조 구현에 집중해 왔다면, 이번 연구는 무질서 자체를 제어 가능한 설계 변수로 다뤘다는 데 의미가 있다. 향후 이러한 구조 제어 기술이 실제 파동 조절 소재와 소자 연구에 어떻게 연결될지 주목된다.
출처 : E동아(https://edu.donga.comyainn123@donga.com)