KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 김상욱(32) 교수가 공동으로 연구한 차세대나노구조 관련 발표논문이 6월3일(금)자 사이언스誌에 게재된다.

‘비정형적인 구조들을 가지는 반도체 소자 제작을 위한 블록공중합체의 나노구조조절(Directed Assembly of Block Copolymer Blends into Non-regular Device Oriented)’ 이라는 제목으로 발표되는 이번 논문은 미국 위스콘신주립대 화학생명공학과, 물리학과와 KAIST 김상욱 교수, 스위스 폴 쉬러 연구소가 공동으로 연구한 결과다.

기존에 나노기술에 대한 연구들은 나노미터 수준의 크기에서만 나타나는 새로운 현상들을 이용해 새로운 기능을 가지는 전·자기 소자나 바이오소자들을 개발하는데 집중해왔다. 그러나 최근에는 그동안 발견되어온 현상들을 실제 전자장치나 바이오센서 등에 적용하기 위해 넓은 면적에서 나노미터크기의 소자들을 원하는 형태로 배열시키는 방법에 대한 연구들이 주목을 받고 있다.

블록공중합체(서로 다른 두 종류 이상의 고분자 사슬이 화학결합을 통해 강제로 연결되어 있는 독특한 형태의 고분자)는 과거에는 주로 고분자복합체 제작을 위한 원료 등으로 이용돼 왔으나, 최근에는 이들이 형성하는 다양한 나노구조들을 이용, 수~수십나노미터 수준의 반도체 선폭을 구현하는데 활용하려는 연구들이 많은 관심을 모으고 있다.

얇은 막 형태의 블록공중합체 내에 스스로 형성되는 수십 나노미터 수준의 구(sphere), 원통(cylinder) 또는 층상(lamellae) 형태의 구조들을 이용하면, 현재 산업계에서 이용되고 있는 반도체 제작법으로는 구현하기 힘든 수십 나노미터 크기의 미세한 점이나 선형태의 구조들을 매우 쉽게 만들어 낼 수 있기 때문이다. 실제로 일본의 도시바나 미국의 IBM 등의 굴지의 기업들이 블록공중합체를 반도체 공정에 도입하여 테라비트(기가비트의 백만배, 1조비트) 급의 초고밀도 하드디스크 등을 제작하기 위한 연구들을 진행해 오고 있다.

그러나 이러한 블록공중합체를 이용한 나노패턴의 제작기술이 하드디스크나 반도체 메모리 제작에 실질적으로 적용되기 위해서는 나노구조를 형성할 때 자연적으로 나타나게 되는 결함(defect)들을 없애고 원하는 형태로 배열을 조절하는 것이 가장 해결하기 어려운 문제점으로 알려져 왔다.

김 교수는 블록공중합체의 나노구조를 원하는 형태로 조절하기 위해 차세대 반도체 공정을 도입, 완벽하게 조절된 나노구조들을 얻는데 성공해 관련 논문을 지난 ‘03년 7월 24일자 네이처 誌에 발표한 바 있으며, 이번 6월 3일자 사이언스 誌에는 기존의 이 연구를 더욱 발전시킨 새로운 논문을 발표할 예정이다.

◀자연적으로 형성된 불규칙한 블록공중합체 나노구조와 ‘ㄱ’ 자 형태로 완벽하게 조절된 블록공중합체 나노구조

이전 네이처지에 발표했던 내용은 직선형태의 패턴을 제작하는 방법에만 국한돼 있었으나, 이번 연구에서는 좀 더 다양한 형태의 블록공중합체 나노패턴을 구현하는데 성공했다. 원래 블록공중합체가 스스로 형성하는 나노구조는 직선 형태로 제한되어 있는 것으로 알려져 있었으나, ‘ㄱ’자 등의 다양한 형태의 패턴위에서도 일체의 결함이 없는 완벽한 나노구조를 형성함이 밝혀졌다.

이번 연구는 다양한 형태의 패턴이 필요한 실제 반도체 메모리 제작에 블록공중합체를 이용할 수 있는 가능성을 한층 높였다. 이번 연구결과는 블록공중합체 나노구조를 이용한 테라비트급 하드디스크나 반도체 메모리 제작등 차세대 나노장치 개발에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 이번 연구는 김 교수가 위스콘신 대학에서 박사 후 연구원으로 일하던 시절, 관련 아이디어를 제시하면서 시작됐으며, 그 후 위스콘신 대학 주관으로 스위스 폴 쉬러 연구소(Paul Scherrer Institute)와의 공동연구로 진행되어 왔다. 김 교수는 ‘고분자 나노구조를 이용한 나노테크노로지’ 연구 분야에서 촉망받는 젊은 기대주다.