국내 연구진이 승화(昇華)현상을 이용해 액정 내부의 나노구조를 그려낼 수 있는 방법을 개발했다. 이같은 승화현상을 이용하면 간단한 온도조절로 정교한 3차원 나노패터닝이 가능해 차세대 소자개발에 기여할 것으로 보인다.

3차원 나노패터닝은 반도체 공정 등에서 원하는 구조를 나노미터 크기로 만드는 나노패터닝 기술 가운데 여러 층으로 된 구조에서 내부의 원하는 층에만 패턴을 만들 수 있는 기술을 말한다.

KAIST 나노과학기술대학원 윤동기 교수가 주도하고 KAIST 생명화학공학과 정희태 교수와 콜로라도주립대학 노엘 클락(Noel Clark) 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업(우수신진)의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 미국립과학원회보(PNAS) 11월 11일 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Three-dimensional textures and defects of soft material layering revealed by thermal sublimation)

나노물질의 내부를 보기 위해서는 물질을 얼려 깨뜨리는 방법이 많이 이용되는데, 고분자나 액정, 바이오물질 같이 말랑한 연성물질은 이조차도 쉽지 않았다. 이에 연구팀은 연성물질의 내부를 보기 위해 액정이 고체 결정만큼은 아니어도 준결정 구조로 분자와 결합하는 성질이 강하다는 점에 착안했다.

연구팀은 기체로 승화돼 날아가던 액정분자 일부가 되돌아와 원래 있던 준결정상태의 액정분자들과 재결합하면서 만드는 돔 모양의 3차원 나노구조체를 나노미터(10-9m) 수준에서 현미경을 통해 직접 밝혀낸 것이다. 향후 디스플레이, 광학스위치, 약물전달체 등에 널리 쓰이는 액정이나 바이오 물질과 같은 연성물질의 구조를 해석하고 응용하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 재결합을 이용해 3차원 나노패터닝도 가능할 것으로 주목되는데, 실제로 연구팀은 온도 등을 조절해 액정의 판상구조를 정교하게 한 겹씩 벗겨내는 데 성공했다. 차세대 트랜지스터로 꼽히는 수직 트랜지스터 제작 등을 위해 기존 2차원 식각공정 대신 3차원 나노패터닝 이용할 경우 공정 단계와 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

윤동기 교수는 “전자기장에 민감하게 반응하는 액정의 고유성질과 이번 재결합 현상을 잘 융합하면 고효율의 광전자 소자 개발에 도움이 될 수 있을 것”이라며 “실용화를 위해서는 액정 분자에 대연적에 안정적으로 일정한 두께로 코팅하는 것이 필요하다”고 밝혔다.