Nano-patterning technology enables various applications of materials such as plasmonics, catalysts, and energy storage by modifying physical properties or imparting new functions through changes in the structure of materials, and its importance is emerging in the next-generation industry. Among them, in the case of nano-patterning using a block copolymer self-assembled structure, there is an advantage that nano-patterns can be easily formed in a large area at low cost. These block copolymer self-assembled nanostructures basically show a random structure through a stochastic formation process without artificial intervention. Random structures formed through this stochastic process can be found also in many parts in the body, including fingerprints, veins, and the nervous system.
In this dissertation, Focusing on the similarity of random structure formation through a probabilistic process between self-assembly of block copolymers and the formation of various structures in the body, several body structures were imitated using randomized block copolymer nanostructures In addition, a device was fabricated to apply various functions expressed from such a unique structure. First, random metal patterns were stacked several times to create a structurally complex pattern such as a vein, but with different shapes for each sample, and used as an authentication label that cannot be physically clonable. In addition, a silver-polymer memristor device that emulates the nervous system structure of the human brain was fabricated using a metal pattern with random structure and a polymer medium. In addition to synaptic properties, brain-inspired computing functions such as reservoir computing were confirmed to show the possibility of application to next-generation neuromorphic devices.
나노 패터닝 기술은 재료의 구조 변화를 통해 물성을 개질하거나 새로운 기능을 부여함으로써 플라즈모닉스, 촉매, 에너지 저장 등 재료의 여러 응용을 가능케하여 차세대 산업에서 그 중요성이 대두되고 있다. 그 중에서도 블록공중합체 자기 조립 구조를 이용한 나노 패터닝의 경우 저비용으로 대면적에서 손쉽게 나노 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 블록공중합체 자기 조립 나노 구조는 기본적으로 인위적인 개입이 없다면, 확률적 형성과정을 통해 무작위한 구조를 보인다. 이러한 확률적 형성 과정을 통해 형성된 무작위 구조는 지문, 정맥, 신경계를 포함하여 신체 내 여러 곳에서도 발견할 수 있다.
본 학위 논문에서는 블록공중합체 자기 조립과 신체 내 여러 구조 형성 사이에 확률적 과정을 통한 무작위 구조 형성이라는 유사성에 집중하여, 무작위 형태의 블록공중합체 나노 구조를 이용해 여러 신체 구조를 모방하고 독특한 구조로부터 발현되는 여러 기능을 응용하는 소자를 제작하였다. 먼저 무작위한 금속 패턴을 여러 차례 적층함으로써 정맥과 같이 구조적으로 복잡하면서도 시료마다 서로 다른 형태를 가진 패턴을 제작하여 복제 불가능한 인증 매체로 이용하였다. 그리고 무작위한 방향을 갖는 금속 패턴과 폴리머 매개체를 이용하여 인간 뇌의 신경계 구조를 모사하는 은-폴리머 멤리스터 소자를 제작하였고, 사람의 신경계에서 볼 수 있는 시냅스적 특성뿐만 아니라 저수지 컴퓨팅과 같은 뇌 모사 컴퓨팅 기능을 확인하여 차세대 뉴로모픽 소자로의 응용가능성을 보였다.
