Block copolymer self-assembly produces periodic nanostructures on a large substrate with low cost, which is a promising candidate of the next generation lithographic tool. Although many researches about block copolymer lithography and its application have been studied, there are several issues to be addressed. Firstly, the nanostructures assembled from block copolymer self-assembly are simple dot or line patterns composed of hexagonal cylinder or sphere, or linear lamellae. Secondly, pattern transfer processes using the self-assembled polymer template induces chemically homogenous metal or metal oxide nanopatterns. Those simple nanopatterns with chemical homogeneity become an obstacle for the advanced utilizations such as electronics, photonics, catalysis, and so on.
In this dissertation, complex nanostructures including core-shell nanoparticles with two different core-shell elements, and 3D multimetal complex nanomeshes, and nanodot array with square symmetry were successfully fabricated by block copolymer self-assembly and other assisted techniques. Core-shell nanopatterns show synergetic effects in optical and catalytic applications including surface-enhanced Raman scattering and solid oxide fuel cell. In addition, 3D multimetallic nanomeshes were easily synthesized using perforated lamellar block copolymer self-assembly and such 3D complex nanostructures with nanoscale holes are potentially useful in catalytic application like hydrogen evolution reaction. Lastly, we generated nanodots with square array which is hard to make by conventional block copolymer self-assembly. Orthogonal stacking of lamellar nanomorphology in a topological trench induced square nanopattern and subsequent metal pattern transfer enabled the metal nanodot array with square symmetry which is a significantly important pattern in integrated circuit industry.
블록공중합체 자기조립은 넓은 면적에 저비용으로 주기적인 나노패턴을 손쉽게 만들 수 있는 차세대 리소그래피 기술로 주목받고 있다. 블록공중합체 리소그래피와 그 응용에 관해서 많은 연구가 진행되어왔지만, 아직 해결해야 할 몇 가지 문제점들이 남아있다. 첫번째로, 블록공중합체 자기조립으로부터 형성되는 나노구조는 점 또는 선 형태의 단순한 패턴에 그쳐있다. 둘째로, 블록공중합체 자기조립으로부터 형성된 나노구조를 주형으로 패턴을 전사하게 되면 하나의 성분으로 이루어진 금속 또는 금속 산화물 조성을 가지게 된다. 이처럼 단순한 나노패턴과 단일 조성은 전자소자, 광학, 촉매 등 다양한 분야로의 응용을 저해하는 요소가 된다.
본 학위 논문에서는 지금까지 만들기 힘들었던 두 가지 다른 성분으로 이루어진 코어-쉘 나노입자 배열, 3차원 다중금속 그물구조, 정사각형 배열을 가진 나노점 패턴을 블록공중합체 자기조립을 이용하여 성공적으로 제조하였다. 코어-쉘 나노입자 배열을 표면증강라만산란과 고체산화물연료전지에 적용함으로써 광학 또는 촉매적 응용에서 우수한 시너지 효과를 보임을 확인할 수 있었다. 또한 구멍 뚫린 라멜라 자기조립을 이용하여서 다양한 금속으로 이루어진 3차원 다중금속 나노그물구조를 손쉽게 형성하였고, 이를 수소발생촉매로 이용하였다. 마지막으로, 전자소자에서 꼭 필요한 패턴이지만, 기존 블록공중합체 자기조립으로 만들기 어려웠던 정사각형 배열의 나노패턴을 제어하는 기법을 발명하였다. 지형학적으로 패턴이 되어있는 기판상에서 라멜라가 수직으로 배향되는 현상을 이용하여 다양한 크기와 주기를 가진 정사각형 배열을 가진 나노점 패턴을 제조하였다.
