【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 화학과 박문정 교수 · 통합과정 이호준 씨 연구팀이 상상 속에만 존재하던 블록공중합체(이하 BCP, block copolymers)나노 구조체를 세계 최초로 구현했다고 8일 밝혔다.

▲ 이중 말단 BCP를 사용해 구현한 나노 구조 이미지  © 포스텍

이번 연구는 한국연구재단과 중견연구자 지원사업, 미래소재디스커버리 사업, 선도연구센터지원사업지원으로 수행됐으며 지난 5일‘사이언스(Science)’에 게재됐다.

BCP는 한 단량체의 블록이 다른 단량체의 블록과 연결되어 만들어진 고분자다. BCP는 자체 조립이 가능해 다양한 특성을 가진 나노미터(nm) 구조체를 형성할 수 있어 반도체와 의료 등 여러 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근 BCP 구조에 따른 광학적, 기계적 특성을 비교하는 연구가 활발하게 진행되고 있지만 구조가 복잡해질수록 열역학적 안정성이 떨어져 제작에 어려움이 많았다.

그 중 ‘배관공의 악몽’ 구조는 고분자 사슬 말단이 모두 중앙에 모여 특이하면서도 매우 복잡해 실제로 구현된 사례는 없지만 독특한 채널구조로 인해, 다른 나노 구조체와 차별화된 광학적 · 기계적 특성을 가질 것으로 추측하고 있다.

연구팀은 이번 연구에서 뜻밖의 시도로 ‘불가능’을 ‘가능’으로 만들었다. 대부분의 연구가 BCP를 구성하는 고분자 메인 사슬에 집중했던 반면, 연구팀은 고분자 사슬에서 단 1%도 되지 않는 말단부에 주목했다. 사슬 말단부에 서로 다른 분자를 각각 연결한 이중 말단 BCP(di-end-functionalized BCP)를 제작했다. 그 결과, BCP 사슬 내 말단부가 서로를 강하게 끌어당겨 고분자 꼬리들이 모두 내부로 모여들었고, 연구팀은 세계 최초로 ‘배관공의 악몽’ 구조를 실제로 구현했다.

그뿐 아니라 자이로이드(gyroid), 다이아몬드(diamond) 등 그동안 미스터리로 남아있던 다양한 BCP 구조를 제작하는 데도 성공했다. 상상과 이론에서만 존재하던 BCP 구조들을 현실에서 선보이는 데 성공한 것이다.

특히, 이번 연구는 BCP 고분자 조성과 메인 사슬의 화학적 성질 등을 다양하게 조절했음에도 말단부의 강한 인력이 존재하는 경우 복잡한 구조가 안정적으로 구현된다는 결론을 도출했다는 점에서 큰 의의가 있다. 이는 이번 연구가 추후 다양한 복합구조 고분자 나노 구조체 개발 연구에 적용될 수 있는 보편성과 범용성을 가졌음을 의미한다.

BCP 분야 연구자인 영국 셰필드대(University of Sheffield) 화공생물공학전공 알리신 네도마(Alisyn J. Nedoma) 교수는 사이언스 논평을 통해 “새로운 BCP 나노 구조체 설계를 위한 기반을 제공했다”며, “원하는 특성의 나노 구조체를 보다 효율적으로 만들어 공정 비용을 절감할 수 있을 것”이라고 이 연구를 평가했다.

연구를 이끈 박문정 교수는 “이번 연구를 통해 고분자 BCP에서 맞춤형 네트워크 구조를 개발하는 방법을 확립했다”며, “나노 기술 응용 분야에서 다양한 특성을 가진 고분자 BCP개발 플랫폼이 될 것”이라는 기대를 전했다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH Professor Park Moon-jeong's team solves BCP research difficulties through polymer chain terminal substitution

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced on the 8th that the research team of Professor Moon-jeong Park of the Department of Chemistry and Ho-jun Lee of the Integrated Course has realized the world's first block copolymer (BCP, hereinafter referred to as block copolymers) nanostructure that existed only in imagination.

This study was conducted with the support of the National Research Foundation of Korea, the Mid-career Researcher Support Project, the Future Materials Discovery Project, and the Leading Research Center Support Project, and was published in ‘Science’ on the 5th.

BCP is a polymer made by connecting blocks of one monomer to blocks of another monomer. BCP can be self-assembled to form nanometer (nm) structures with various characteristics, so it is widely used in various fields such as semiconductors and medicine. Recently, research has been actively conducted to compare the optical and mechanical properties of BCP structures, but as the structure becomes more complex, thermodynamic stability decreases, making manufacturing difficult.

Among them, the ‘plumber’s nightmare’ structure is unique and very complex, with all polymer chain ends gathered in the center. Although there has been no actual implementation, it is presumed to have optical and mechanical properties that are differentiated from other nanostructures due to its unique channel structure.

In this study, the research team turned ‘impossible’ into ‘possible’ through an unexpected attempt. While most studies focused on the main polymer chain that makes up BCP, the research team focused on the terminal portion, which accounts for less than 1% of the polymer chain. We produced a double-end-functionalized BCP (BCP) in which different molecules were connected to each other at the end of the chain. As a result, the end portions of the BCP chain were strongly attracted to each other, causing all the polymer tails to gather inside, and the research team actually realized the ‘plumber’s nightmare’ structure for the first time in the world.

In addition, they succeeded in producing various BCP structures that had remained a mystery, such as gyroid and diamond. It was successful in presenting BCP structures that existed only in imagination and theory in reality.

In particular, this study is of great significance in that it concluded that a complex structure is stably implemented when a strong attractive force at the terminal region exists, even though the composition of the BCP polymer and the chemical properties of the main chain were variously adjusted. This means that this research has universality and versatility that can be applied to future research on the development of various complex polymer nanostructures.

Professor Alisyn J. Nedoma, a researcher in the BCP field and majoring in chemical and biological engineering at the University of Sheffield in the UK, said in a Science commentary, “We have provided the basis for the design of a new BCP nanostructure,” adding, “We have provided the basis for the design of a new BCP nanostructure.” “We will be able to reduce process costs by making nanostructures more efficient,” he said.

Professor Park Moon-jeong, who led the research, said, “Through this research, we have established a method to develop a customized network structure in polymer BCP,” and expressed his expectation that “it will become a platform for the development of polymer BCP with various characteristics in the field of nanotechnology applications.”