KR102308194B1 - Method for manufacturing block copolymer film - Google Patents

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Abstract

본 발명은 블록 공중합체의 계면자기조립(ISA)에 의해 형성된 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 이용하여 코팅된 기판의 표면에너지를 손쉽게 조절함으로써, 상온 및 상압 조건에서도 단시간 동안 간단한 방법으로 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는 블록 공중합체 필름을 제공할 수 있다. 상기 제조방법에 따르면, 우수한 공정 경제성을 가질 뿐만 아니라, 기판의 크기, 형태 및 종류에 제한 없이 다양한 기판에 적용 가능하고, 단순히 계면자기조립의 물 표면적을 조절함으로써 원하는 배향 및 패턴 밀도로 자기조립된 블록 공중합체 필름을 제조할 수 있다.The present invention easily controls the surface energy of a coated substrate using a polymer nanomosaic (PNM) coating layer formed by interfacial self-assembly (ISA) of a block copolymer. It is possible to provide a block copolymer film including vertically oriented block copolymer nanoregions. According to the manufacturing method, not only has excellent process economy, but also can be applied to various substrates without limitation on the size, shape and type of the substrate, and the self-assembled self-assembled with the desired orientation and pattern density by simply controlling the water surface area of the interfacial self-assembly. A block copolymer film can be prepared.

Description

블록 공중합체 필름의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING BLOCK COPOLYMER FILM}Method for producing a block copolymer film {METHOD FOR MANUFACTURING BLOCK COPOLYMER FILM}

본 발명은 공기/물 계면에서의 계면자기조립(interfacial self-assembly; ISA)을 이용한 블록 공중합체 필름의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a block copolymer film using interfacial self-assembly (ISA) at an air/water interface.

블록 공중합체(block copolymers; BCP)의 자기조립(self-assembly)에 기초하는 미세 상분리(microphase separation)를 이용하여 제조된 다양한 나노 패턴은 수십 년간 나노 기술의 응용분야에서 큰 발전을 이루어 왔다. Various nanopatterns fabricated using microphase separation based on the self-assembly of block copolymers (BCP) have made great strides in the application of nanotechnology for decades.

블록 공중합체는 고분자 재료의 한 종류로서, 두 가지 이상의 고분자가 공유결합을 통해 서로의 끝을 연결하고 있는 형태를 나타낸다. 블록 공중합체의 가장 간단한 구조인 이중 블록 공중합체(diblock copolymer)는 서로 다른 성향을 갖는 두 고분자가 서로 연결되어 하나의 고분자를 형성한다. 서로 연결되어 있는 두 고분자들은 상이한 재료적 성질로 인해 쉽게 상분리 되고, 최종적으로 상기 블록 공중합체가 자기조립되어 나노 구조체를 형성할 수 있다.A block copolymer is a type of polymer material and represents a form in which two or more polymers are connected to each other through a covalent bond. In a diblock copolymer, which is the simplest structure of a block copolymer, two polymers with different tendencies are linked to each other to form a single polymer. The two polymers connected to each other are easily phase-separated due to different material properties, and finally, the block copolymer can be self-assembled to form a nanostructure.

이러한 블록 공중합체의 자기조립에 의하면, 블록 공중합체에 일반적으로 열을 통해 충분한 에너지를 가하면 상분리가 발생하여 구(sphere)형, 실린더(cylinder)형, 자이로이드(gyroid)형, 및 라멜라(lamella)형 등이 주기적으로 배열된 형태의 나노 구조를 형성할 수 있기 때문에, 블록 공중합체의 자기조립은 다양한 응용 분야에서 광범위하게 이용되고 있다. According to the self-assembly of such block copolymers, phase separation occurs when sufficient energy is generally applied through heat to the block copolymer, resulting in sphere, cylinder, gyroid, and lamella. ) type can form a periodically arranged nanostructure, so the self-assembly of block copolymers is widely used in various application fields.

블록 공중합체를 이용한 다양한 나노 패턴 형성의 실제 응용에서 가장 중요한 이슈는 박막(또는 기판)에서의 블록 공중합체 나노 구조체의 배향을 조절하는 것이다. 상기 나노 구조체의 배향은 기판 방향과 평행한 평행 배향, 그리고 기판 방향과 수직인 수직 배향을 들 수 있다. 특히, 이 둘 중에서는 수직 배향이 수평 배향보다 더 큰 중요성을 갖게 되는데, 수직으로 배향된 블록 공중합체의 도메인을 구현하기 위해서는, 블록 공중합체를 형성하고 있는 두 개의 블록 모두에 대해 화학적으로 중성인(중성 표면에너지를 갖는) 기판을 사용해야 한다. The most important issue in the practical application of the formation of various nanopatterns using block copolymers is to control the orientation of the block copolymer nanostructures in the thin film (or substrate). The orientation of the nanostructure may include a parallel orientation parallel to the substrate direction and a vertical orientation perpendicular to the substrate direction. In particular, among these two, vertical orientation has greater importance than horizontal orientation. A substrate (with neutral surface energy) should be used.

이러한 화학적으로 중성인 기판을 얻기 위한 가장 일반적인 방법은 랜덤 공중합체의 브러쉬(brush)/매트(mat)를 기판에 접목시키는 방법이다. 여기서 상기 "브러쉬"는 고분자 브러쉬(Polymer Brush) 로서, 기판에 부착되는 중합체 사슬의 층을 형성하기 위해 기판의 표면상의 작용기와 반응할 수 있는 반응성 작용기를 포함하는 중합체를 의미한다. 상기 "매트"는 가교된 랜덤 공중합체 매트(cross-linked random copolymer mat)로서, 체인 백본이 기판에 수평으로 정렬될 수 있다.The most common method for obtaining such a chemically neutral substrate is to graft a brush/mat of a random copolymer onto the substrate. Here, the “brush” refers to a polymer brush, which means a polymer including a reactive functional group capable of reacting with a functional group on the surface of the substrate to form a layer of polymer chains attached to the substrate. The "mat" is a cross-linked random copolymer mat, in which a chain backbone can be horizontally aligned to a substrate.

이와 관련하여, 예를 들어 대한민국 등록특허 제0930966호에는 단위체 쌍의 정확한 비율을 갖는 랜덤 공중합체의 나노 구조체 및 고분자 브러쉬 성장을 통해 상기 랜덤 공중합체 나노 구조체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 복잡할 뿐만 아니라 공유 결합된 브러쉬/매트를 형성하기 위해 진공 조건에서 장시간 고온 공정을 수행해야 하며, 적용하는 기판에 제약이 있는 문제점이 있다.In this regard, for example, Korean Patent Registration No. 0930966 discloses a nanostructure of a random copolymer having an accurate ratio of unit pairs and a method of manufacturing the random copolymer nanostructure through polymer brush growth. However, this method is not only complicated, but also has a problem in that a high temperature process must be performed under vacuum conditions for a long time to form a covalently bonded brush/mat, and there is a limitation in the applied substrate.

대한민국 등록특허 제0930966호Republic of Korea Patent No. 0930966

본 발명은 상기 종래 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 제1 기술적 과제는 공기/물 계면에서의 블록 공중합체의 계면자기조립(ISA)에 의해 형성된 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 이용하여 다양한 기판의 표면에너지를 손쉽게 제어하고, 표면에너지가 제어된 다양한 기판에 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는 블록 공중합체 필름을 간단한 방법으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention is designed to solve the above conventional problems, and the first technical problem to be solved by the present invention is a polymer nanomosaic (PNM) coating layer formed by interfacial self-assembly (ISA) of a block copolymer at the air/water interface. To provide a method for easily controlling the surface energy of various substrates using

또한, 본 발명의 해결하고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 제조방법에 의해 제조된 블록 공중합체 필름을 제공하는 것이다.In addition, the second technical problem to be solved by the present invention is to provide a block copolymer film prepared by the above manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위해 일 구현예는 1) 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계; 및 3) 상기 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, one embodiment provides an interfacial self-assembled product by 1) adding a solution containing the first block copolymer to water and interfacial self-assembling (ISA) of the first block copolymer at the air/water interface. Forming a 1-block copolymer layer; 2) transferring a part or all of the first block copolymer layer on a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer; And 3) coating a solution containing a second block copolymer on the polymer nano-mosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer, it provides a method for producing a block copolymer film .

또 다른 일 구현예는, 1') 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계; 2') 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계; 3') 상기 폴리머나노모자이크 코팅층을 패터닝하는 단계; 및 4') 상기 패터닝된 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법을 제공한다.In another embodiment, 1') a solution containing the first block copolymer is added to water, and the first block copolymer is interfacially self-assembled by interfacial self-assembly (ISA) at the air/water interface. forming a copolymer layer; 2') transferring a part or all of the first block copolymer layer onto a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer; 3') patterning the polymer nano-mosaic coating layer; and 4') coating a solution containing a second block copolymer on the patterned polymer nano-mosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer. Method of producing a block copolymer film provides

또 다른 구현예는 상기 제조방법에 의해 제조된 블록 공중합체 필름을 제공한다.Another embodiment provides a block copolymer film prepared by the above manufacturing method.

본 발명의 제조방법에 따르면, 공기/물 계면에서의 블록 공중합체의 계면자기조립(ISA)에 의해 형성된 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 이용함으로써 기판에 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는 블록 공중합체 필름을 상온 및 상압 조건에서도 단시간 동안 간단한 방법으로 제조할 수 있다. 이로서, 본 발명의 블록 공중합체 필름 제법은 종래 기술에 비해 우수한 공정 경제성을 갖는다.According to the manufacturing method of the present invention, block copolymer nanoregions oriented perpendicular to the substrate are included by using a polymer nanomosaic (PNM) coating layer formed by interfacial self-assembly (ISA) of the block copolymer at the air/water interface. The block copolymer film can be prepared by a simple method for a short time even at room temperature and pressure conditions. As such, the block copolymer film manufacturing method of the present invention has excellent process economics compared to the prior art.

또한, 본 발명의 제조방법은 기판의 크기, 형태 및 종류에 제한 없이 다양한 기판에 적용 가능하다.In addition, the manufacturing method of the present invention can be applied to various substrates without limitation on the size, shape, and type of the substrate.

나아가, 본 발명의 제조방법에 따르면, 단순히 물 표면적을 조절함으로써 PNM으로 코팅된 기판이 원하는 표면에너지를 갖도록 조절할 수 있으며, 원하는 배향 및 패턴 밀도를 갖는 블록 공중합체 필름을 제조할 수 있다.Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, the substrate coated with PNM can be controlled to have a desired surface energy by simply controlling the water surface area, and a block copolymer film having a desired orientation and pattern density can be manufactured.

이하 첨부된 아래의 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
이하의 도면의 간단한 설명에 기재된 약어들의 의미는 구체적인 실시예에서 정의된 바와 같다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법을 설명하는 모식도이다.
도 2는 (a) 본 발명의 일 구현예에 따라 수조 내에서 계면자기조립에 의해 형성된 나노 구조체의 모식도, 및 (b) 제1 블록 공중합체층에 형성 가능한 다양한 패턴 종류를 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 (a) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 PNM47nm 코팅층 표면의 SEM 사진, (b) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, (c) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, 및 (d) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진이다.
도 4는 (a) PNM47nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM47nm 코팅층 표면의 SEM 사진, (b) PNM58nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM58nm 코팅층 표면의 SEM 사진, 및 (c) PNM70nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM70nm 코팅층 표면의 SEM 사진이다.
도 5는 (a) PNM47nm 코팅층 상에 수직으로 형성된 PS-b-PMMA 나노 영역(라멜라형 구조체)에 대한 예상 단면 사진, (b) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름의 스침각 입사 소각 X-선 산란(GISAXS) 2D 데이터, (c) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 2D 데이터, (d) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 2D 데이터, (e) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일, (e) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일, 및 (f) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일이다.
도 6a는 (a) 제1 블록 공중합체층의 다양한 표면압에 따른 PNM58nm 코팅층(실시예 2-1 내지 2-3)의 표면 SEM 사진(첫번째 행), 실시예 2-1의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(두번째 행), 실시예 2-2의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(세번째 행), 및 실시예 2-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(네번째 행), (b) PNM58nm 코팅층의 GISAXS 1D 데이터, (c) 표면압 10 m/Nm에서 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 2-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 데이터, (d) 제1 블록 공중합체층의 다양한 표면압에 따른 PNM70nm 코팅층 표면의 SEM 사진(첫번째 행), 실시예 3-1의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(두번째 행), 실시예 3-2의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(세번째 행), 및 실시예 3-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진(네번째 행), (e) PNM70nm 코팅층의 GISAXS 1D 데이터, (f) 표면압 10 m/Nm에서 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 3-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 데이터이다.
도 6b는 수평균분자량이 45,000-b-49,000 g/mol인 PS-b-P2VP가 수직 배향된 실시예 1-5의 블록 공중합체 필름의 SEM 사진이다.
도 7은 (a) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 PNM 코팅층 상의 물 접촉각의 변화를 나타낸 그래프, (b) PNM 코팅층에 형성된 점 상기 점 패턴의 직경(a)/패턴의 중심간 거리(dc-c)에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프, 및 (c) PS-b-PMMA 나노 영역(라멜라형 구조체)의 도메인 배향과 PNM 코팅층의 도메인 간격 비율의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 (a) 다양한 기판 상에 형성된 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, (b) 상기 (a)에서 사용된 기판에 대한 물 접촉각을 나타낸 그래프, (c) 유리 피펫의 곡면 상에 형성된 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, 및 (d) PNM47nm 코팅된 AFM 팁 및 캔틸레버의 SEM 사진이다.
도 9는 (a) 계층형 PNM 코팅층을 이용하여 계층형 블록 공중합체 필름의 제조방법을 설명하는 모식도, (b) 산소 플라즈마 처리 또는 UV 처리된 영역, 및 쉐도우 마스크로 보호된 영역에 따라 선택적으로 패터닝된 PNM 코팅층 표면의 SEM 사진, 및 (c) 상기 패터닝된 PNM 코팅층을 이용하여 형성된 계층형 블록 공중합체 필름 표면의 SEM사진이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
The meanings of the abbreviations described in the brief description of the drawings below are as defined in the specific embodiments.
1 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a block copolymer film according to an embodiment of the present invention.
2 is (a) a schematic diagram of a nanostructure formed by interfacial self-assembly in a water tank according to an embodiment of the present invention, and (b) an SEM photograph showing various types of patterns that can be formed in the first block copolymer layer.
3 is (a) SEM photograph of the surface of the PNM 47nm coating layer according to the surface pressure of the first block copolymer layer, (b) SEM of the block copolymer film surface of Example 1-1 according to the surface pressure of the first block copolymer layer Photograph, (c) SEM photograph of the block copolymer film surface of Example 1-2 according to the surface pressure of the first block copolymer layer, and (d) Example 1-3 according to the surface pressure of the first block copolymer layer It is a SEM photograph of the block copolymer film surface.
Figure 4 (a) PNM SEM picture of size distribution and PNM 47nm coating layer surface of the dot pattern formed on a 47nm coating layer, (b) PNM 58nm SEM picture of size distribution and PNM 58nm coating layer surface of the dot pattern formed on the coating layer, and (c ) is a SEM photograph of a size distribution and the surface of the coating layer PNM 70nm 70nm PNM dot pattern formed on the coating layer.
5 is (a) an expected cross-sectional photograph of a PS-b-PMMA nanoregion (lamellar structure) formed vertically on a PNM 47nm coating layer, (b) Example 1-1 at various angles of incidence of 0.06 to 0.17°; Grazing Angle Incident Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) of Block Copolymer Films 2D data, (c) GISAXS 2D data of the block copolymer film of Examples 1-2 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°, (d) Block aerials of Examples 1-3 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17° GISAXS 2D data of the copolymer film, (e) GISAXS 1D profile of the block copolymer film of Example 1-1 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°, (e) Example 1- at various angles of incidence from 0.06 to 0.17° GISAXS 1D profile of the block copolymer film of 2, and (f) GISAXS 1D profile of the block copolymer film of Examples 1-3 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°.
Figure 6a is (a) the surface SEM photograph (first row) of the PNM 58nm coating layer (Examples 2-1 to 2-3) according to various surface pressures of the first block copolymer layer, the block copolymer film of Example 2-1 SEM photograph of the surface (second row), SEM photograph of the block copolymer film surface of Example 2-2 (third row), and SEM photograph of the block copolymer film surface of Example 2-3 (fourth row), (b ) GISAXS 1D data of the PNM 58nm coating layer, (c) GISAXS 1D data of the block copolymer film of Example 2-2 at various incident angles of 0.06 to 0.17° at a surface pressure of 10 m/Nm, (d) first block copolymerization SEM photograph of the surface of the PNM 70nm coating layer according to various surface pressures of the sieve layer (first row), SEM photograph of the surface of the block copolymer film of Example 3-1 (second row), the surface of the block copolymer film of Example 3-2 SEM photograph (third row), and SEM photograph of the block copolymer film surface of Example 3-3 (fourth row), (e) GISAXS 1D data of the PNM 70 nm coating layer, (f) 0.06 to 0.06 at a surface pressure of 10 m/Nm GISAXS 1D data of the block copolymer film of Example 3-3 at various angles of incidence of 0.17°.
6b is a SEM photograph of the block copolymer film of Examples 1-5 in which PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 45,000-b-49,000 g/mol is vertically oriented.
7 is (a) a graph showing the change in the water contact angle on the PNM coating layer according to the surface pressure of the first block copolymer layer, (b) the point formed on the PNM coating layer The diameter of the dot pattern (a) / The distance between the centers of the pattern ( d cc ) is a graph showing the change in contact angle, and (c) a graph showing the relationship between the domain orientation of the PS-b-PMMA nano region (lamellar structure) and the domain spacing ratio of the PNM coating layer.
8 is (a) an SEM photograph of the surface of the block copolymer film of Examples 1-3 formed on various substrates, (b) a graph showing the water contact angle with respect to the substrate used in (a) above, (c) a glass pipette SEM pictures of the surface of the block copolymer film formed on the curved surface of (d) PNM 47nm coated AFM tips and SEM pictures of the cantilever.
9 is (a) a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a layered block copolymer film using a layered PNM coating layer, (b) an oxygen plasma treatment or UV-treated area, and a region protected by a shadow mask. SEM pictures of the patterned PNM coating layer surface, and (c) SEM pictures of the layered block copolymer film surface formed using the patterned PNM coating layer.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 1) 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계, 2) 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계; 및 3) 상기 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, 1) a solution containing the first block copolymer is added to water and the first block copolymer is interfacially self-assembled by interfacial self-assembly (ISA) at the air/water interface. forming a block copolymer layer; 2) transferring a part or all of the first block copolymer layer on a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer; And 3) coating a solution containing a second block copolymer on the polymer nano-mosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer, a method for producing a block copolymer film is provided .

상기 제조방법에 따르면, 공기/물 계면에서의 블록 공중합체의 계면자기조립에 의해 원하는 PNM 코팅층을 얻을 수 있고, 이를 이용함으로써 기판의 크기, 형태 및 종류 등에 제한 없이 표면에너지를 제어할 수 있으며, 표면에너지가 제어된 기판위에 블록 공중합체 필름을 빠르고 용이하게 제조할 수 있다.According to the manufacturing method, the desired PNM coating layer can be obtained by interfacial self-assembly of the block copolymer at the air/water interface, and by using this, the surface energy can be controlled without limitation on the size, shape, and type of the substrate, A block copolymer film can be quickly and easily produced on a substrate with controlled surface energy.

화학적으로 중성인 기판을 얻기 위해 기존에 사용되는 방법 중 랜덤 공중합체의 브러쉬(brush)/매트(mat)를 기판에 접목시키는 방법은 공유 결합을 통한 화학적인 흡착(chemical adsorption)을 기반으로 하고 있기 때문에, 그 과정이 복잡하고 대상 기판에 제한이 있었다. 그에 반해, 본 발명의 제조방법에서 특징적으로 제조 및 이용하는 블록 공중합체의 계면자기조립(PNM 코팅층 형성)은 반데르발스 인력 및 수소 결합을 이용한 비가역적인 물리적 흡착(physical adsorption)을 기반으로 하고 있기 때문에 다양한 형태, 소재의 기판에 범용적으로 적용이 가능하다. Among the existing methods used to obtain a chemically neutral substrate, the method of grafting a brush/mat of a random copolymer onto a substrate is based on chemical adsorption through covalent bonding. Therefore, the process was complicated and there was a limitation in the target substrate. In contrast, the interfacial self-assembly (PNM coating layer formation) of the block copolymer characteristically manufactured and used in the manufacturing method of the present invention is based on irreversible physical adsorption using van der Waals attraction and hydrogen bonding. It can be universally applied to substrates of various shapes and materials.

상기 제조방법에 사용되는 각 성분들을 이하 구체적으로 설명한다.Each component used in the manufacturing method will be described in detail below.

water

상기 물의 종류는 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 증류수(distilled water), 탈이온수(deionized water), 초순수(ultrapure water; 18.2 Mohm 이상, 3차수) 또는 극초순수(ultra-hyper pure water; 25 Mohm 이상, 4차수)를 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 물은 정수 시스템(예: Millipore Milli-Q Gradient 시스템)을 사용하여 증류수를 정화시킨 탈이온수를 사용할 수 있다. The type of water may be used without limitation, for example, distilled water, deionized water, ultrapure water (18.2 Mohm or more, tertiary water) or ultra-hyper pure water (25 Mohm). above, 4th order) can be used. More specifically, as the water, deionized water obtained by purifying distilled water using a water purification system (eg, Millipore Milli-Q Gradient system) may be used.

제1 블록 공중합체first block copolymer

상기 제1 블록 공중합체는 양쪽 친매성(amphiphilic) 블록 공중합체를 사용할 수 있다. 양쪽 친매성이란, 친수성과 친유성을 동시에 갖는 성질로서, 이러한 성질을 갖는 블록 공중합체를 물 표면에 첨가하는 경우 공기/물 계면에서 블록 공중합체의 계면자기조립을 야기할 수 있다.The first block copolymer may be an amphiphilic block copolymer. Amphiphilicity is a property of having both hydrophilicity and lipophilicity, and when a block copolymer having these properties is added to the surface of water, it may cause interfacial self-assembly of the block copolymer at the air/water interface.

상기 제1 블록 공중합체는 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록을 포함한다. 상기 제1 블록 공중합체는 공기/물 계면에서 계면자기조립되어 점-, 스트랜드- 및 판상 형태의 패턴(이하, 점 패턴, 스트랜드 패턴 및 판상 패턴으로 칭함)을 형성할 수 있다. 이러한 형태는 상기 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록의 수평균분자량비에 따라 달라질 수 있다. The first block copolymer includes a hydrophilic unit block and a hydrophobic unit block. The first block copolymer may be interfacially self-assembled at the air/water interface to form dot-, strand-, and plate-shaped patterns (hereinafter, referred to as dot patterns, strand patterns, and plate-shaped patterns). Such a shape may vary depending on the number average molecular weight ratio of the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block.

예를 들면, 상기 제1 블록 공중합체 수평균분자량을 100 %라 하면, 상기 친수성 단위체 블록의 수평균분자량이 약 30 % 이상인 경우, 상기 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층은 점 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 친수성 단위체 블록의 수평균분자량이 약 10 % 초과 내지 30 % 미만인 경우, 상기 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층은 스트랜드 패턴을 포함할 수 있다. 한편, 상기 친수성 단위체 블록의 수평균분자량이 약 10 % 이하인 경우, 상기 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층은 판상 패턴을 포함할 수 있다. For example, if the number average molecular weight of the first block copolymer is 100%, when the number average molecular weight of the hydrophilic unit block is about 30% or more, the interfacial self-assembled first block copolymer layer may include a dot pattern. In addition, when the number average molecular weight of the hydrophilic unit block is greater than about 10% to less than 30%, the interfacial self-assembled first block copolymer layer may include a strand pattern. On the other hand, when the number average molecular weight of the hydrophilic unit block is about 10% or less, the interfacial self-assembled first block copolymer layer may include a plate-shaped pattern.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 블록 공중합체의 친수성 단위체 블록이 상기 제1 블록 공중합체의 전체 수평균분자량에 대해 25 % 이상의 수평균분자량 분율을 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hydrophilic unit block of the first block copolymer may have a number average molecular weight fraction of 25% or more with respect to the total number average molecular weight of the first block copolymer.

구체적으로, 상기 제1 블록 공중합체의 수평균분자량을 100 %라 하면, 상기 친수성 단위체 블록 및 상기 소수성 단위체 블록은 수평균분자량비가 30 : 70 내지 80 : 20일 수 있다. 구체적으로, 상기 친수성 단위체 블록 및 상기 소수성 단위체 블록은 수평균분자량비가 30 : 70 내지 75 : 25일 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 친수성 단위체 블록 및 상기 소수성 단위체 블록은 수평균분자량비가 30 : 70 내지 70 : 30 일 수 있다. Specifically, when the number average molecular weight of the first block copolymer is 100%, the number average molecular weight ratio of the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block may be 30:70 to 80:20. Specifically, the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block may have a number average molecular weight ratio of 30:70 to 75:25. More specifically, the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block may have a number average molecular weight ratio of 30:70 to 70:30.

상기 친수성 단위체 블록의 수평균분자량은 3,000 g/mol 내지 200,000 g/mol, 구체적으로 7,000 g/mol 내지 90,000 g/mol, 더욱 구체적으로 9,000 g/mol 내지 80,000 g/mol일 수 있다. The number average molecular weight of the hydrophilic unit block may be 3,000 g/mol to 200,000 g/mol, specifically 7,000 g/mol to 90,000 g/mol, and more specifically 9,000 g/mol to 80,000 g/mol.

상기 소수성 단위체 블록의 수평균분자량은 3,000 g/mol 내지 300,000 g/mol, 구체적으로 9,000 g/mol 내지 250,000 g/mol, 더욱 구체적으로 12,000 g/mol 내지 200,000 g/mol일 수 있다. The number average molecular weight of the hydrophobic unit block may be 3,000 g/mol to 300,000 g/mol, specifically 9,000 g/mol to 250,000 g/mol, and more specifically 12,000 g/mol to 200,000 g/mol.

상기 제1 블록 공중합체의 다분산 지수(PDI)는 1 내지 3, 구체적으로 1 내지 2, 더욱 구체적으로 1 내지 1.5, 1 내지 1.2, 1 내지 1.1, 1 내지 1.0.8, 1 내지 1.07 또는 1 내지 1.05일 수 있다. 상기 PDI는 중량평균분자량을 상기 수평균분자량으로 나누어 산출한다. The polydispersity index (PDI) of the first block copolymer is 1 to 3, specifically 1 to 2, more specifically 1 to 1.5, 1 to 1.2, 1 to 1.1, 1 to 1.0.8, 1 to 1.07 or 1 to 1.05. The PDI is calculated by dividing the weight average molecular weight by the number average molecular weight.

상기 제1 블록 공중합체는 상기 자기조립 특성을 갖는 한 제한없이 사용 가능하나, 예를 들면 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트)(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)(PS-b-PEO), 폴리스티렌-블록-폴리디메틸실록세인(PS-b-PDMS), 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(PS-b-P2VP) 및 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(PS-b-P4VP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 블록 공중합체는 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(PS-b-P2VP), 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(PS-b-P4VP) 및/또는 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트)(PS-b-PMMA)를 포함할 수 있다. The first block copolymer can be used without limitation as long as it has the self-assembly characteristics, for example, polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA), polystyrene-block-poly(ethylene oxide) ) (PS-b-PEO), polystyrene-block-polydimethylsiloxane (PS-b-PDMS), polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP) and polystyrene-block-poly( It may include one or more selected from the group consisting of 4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP). Specifically, the first block copolymer is polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP), polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) and/or polystyrene -block-poly(methylmethacrylate) (PS-b-PMMA).

만일, 상기 제 1 블록 공중합체로서 PS-b-P2VP를 사용하는 경우, PS-b-P2VP의 수평균분자량은 예를 들면 18,000-b-9,000 g/mol, 44,000-b-18,500 g/mol, 45,000-b-49,000 g/mol, 50,900-b-29,100 g/mol, 79,000-b-36,500 g/mol 또는 180,000-b-77,000 g/mol 일 수 있다. If PS-b-P2VP is used as the first block copolymer, the number average molecular weight of PS-b-P2VP is, for example, 18,000-b-9,000 g/mol, 44,000-b-18,500 g/mol, 45,000-b-49,000 g/mol, 50,900-b-29,100 g/mol, 79,000-b-36,500 g/mol or 180,000-b-77,000 g/mol.

상기 제1 블록 공중합체는 0.1 mg/㎖ 내지 3 mg/㎖, 구체적으로 0.5 mg/㎖ 내지 2.0 mg/㎖, 더욱 구체적으로 0.7 mg/㎖ 내지 1.5 mg/㎖의 농도로 용매 중에 포함될 수 있다. The first block copolymer may be included in the solvent at a concentration of 0.1 mg/ml to 3 mg/ml, specifically 0.5 mg/ml to 2.0 mg/ml, more specifically 0.7 mg/ml to 1.5 mg/ml.

제2 블록 공중합체second block copolymer

상기 제2 블록 공중합체는 자기조립을 통해 패턴을 형성할 수 있는 한, 분자량에 한정하지는 않는다. The second block copolymer is not limited in molecular weight as long as it can form a pattern through self-assembly.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 블록 공중합체가 2개의 서로 다른 단위체 블록을 포함하고, 상기 단위체 블록에서 한 단위체 블록의 다른 단위체 블록에 대한 수평균분자량 분율이 60 % 이하일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the second block copolymer may include two different unit blocks, and in the unit block, the number average molecular weight fraction of one unit block with respect to the other unit block may be 60% or less.

더욱 구체적으로, 상기 제2 블록 공중합체의 자기조립된 구조가 라멜라형 구조인 경우 한 단위체 블록의 다른 단위체 블록에 대한 수평균분자량 분율이 40 % 내지 60 % 일 수 있다. More specifically, when the self-assembled structure of the second block copolymer is a lamellar structure, the number average molecular weight fraction of one unit block with respect to the other unit block may be 40% to 60%.

또한, 상기 제2 블록 공중합체의 자기조립된 구조가 실린더형 구조인 경우 한 단위체 블록의 다른 단위체 블록에 대한 수평균분자량 분율이 20 내지 40 % 일 수 있다. In addition, when the self-assembled structure of the second block copolymer is a cylindrical structure, the number average molecular weight fraction of one unit block with respect to the other unit block may be 20 to 40%.

또한, 상기 제2 블록 공중합체의 자기조립된 구조가 구형 구조인 경우 한 단위체 블록의 다른 단위체 블록에 대한 수평균분자량 분율이 20 % 미만일 수 있다.In addition, when the self-assembled structure of the second block copolymer has a spherical structure, the number average molecular weight fraction of one unit block with respect to the other unit block may be less than 20%.

상기 제2 블록 공중합체의 전체 수평균분자량은 5,000 g/mol 내지 200,000 g/mol, 구체적으로 15,000 g/mol 내지 150,000 g/mol, 더욱 구체적으로 20,000 g/mol 내지 110,000 g/mol일 수 있다. The total number average molecular weight of the second block copolymer may be 5,000 g/mol to 200,000 g/mol, specifically 15,000 g/mol to 150,000 g/mol, more specifically 20,000 g/mol to 110,000 g/mol.

만일, 상기 제2 블록 공중합체의 수평균분자량이 상기 범위에 벗어나는 수평균분자량을 가질 경우, 패턴 형성이 제대로 일어나지 않거나 점도가 크게 상승하여 균일한 두께의 제2 블록 공중합체층을 얻는데 어려움이 있을 수 있다.If the number average molecular weight of the second block copolymer has a number average molecular weight that is out of the above range, it may be difficult to obtain a second block copolymer layer having a uniform thickness because the pattern formation does not occur properly or the viscosity is greatly increased. have.

상기 제2 블록 공중합체의 다분산 지수(PDI)는 1 내지 2.5, 구체적으로 1 내지 2, 더욱 구체적으로 1 내지 1.5, 1 내지 1.2, 1 내지 1.1, 또는 1 내지 1.05일 수 있다. The polydispersity index (PDI) of the second block copolymer may be 1 to 2.5, specifically 1 to 2, more specifically 1 to 1.5, 1 to 1.2, 1 to 1.1, or 1 to 1.05.

상기 제2 블록 공중합체는 상기 자기조립 특성을 갖는 한 제한없이 사용 가능하나, 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트)(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)(PS-b-PEO), 폴리스티렌-블록-폴리디메틸실록세인(PS-b-PDMS), 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(PS-b-P2VP) 및 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(PS-b-P4VP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 제2 블록 공중합체는 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트)(PS-b-PMMA) 및/또는 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(PS-b-P2VP)을 포함할 수 있다. The second block copolymer can be used without limitation as long as it has the above self-assembly properties, but polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA), polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS) -b-PEO), polystyrene-block-polydimethylsiloxane (PS-b-PDMS), polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP) and polystyrene-block-poly(4-vinyl) pyridine) (PS-b-P4VP) may include at least one selected from the group consisting of. Specifically, the second block copolymer includes polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) and/or polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP). can do.

만일, 상기 제 2 블록 공중합체로서 PS-b-PMMA를 사용하는 경우, PS-b-PMMA의 수평균분자량은 예를 들면 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, 52,000-b-52,000 g/mol, 또는 64,000-b-35,000 g/mol 일 수 있으며, PS-b-P2VP를 사용 하는 경우, PS-b-P2VP의 수평균분자량은 45,000-b-49,000 g/mol 일 수 있다.If PS-b-PMMA is used as the second block copolymer, the number average molecular weight of PS-b-PMMA is, for example, 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, 52,000-b-52,000 g/mol, or 64,000-b-35,000 g/mol, and when PS-b-P2VP is used, the number average molecular weight of PS-b-P2VP is 45,000-b-49,000 g/mol can be

상기 제2 블록 공중합체는 상기 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액의 총 중량을 기준으로 0.2 중량% 내지 3 중량%, 구체적으로 0.4 중량% 내지 2 중량%, 더욱 구체적으로 0.5 중량% 내지 1.5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. The second block copolymer is 0.2 wt% to 3 wt%, specifically 0.4 wt% to 2 wt%, more specifically 0.5 wt% to 1.5 wt%, based on the total weight of the solution containing the second block copolymer % may be included.

용매menstruum

상기 단계 1) 및 2) 각각에 사용되는 용액은 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 1,2-디클로로에탄, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 벤젠, 톨루엔, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드 및 디메틸아세트아미드로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 용매는 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The solutions used in each of steps 1) and 2) are chloroform, methylene chloride, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, benzene, toluene, acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and dimethyl One or more solvents selected from the group consisting of acetamide may be included. Specifically, the solvent may be toluene, tetrahydrofuran, chloroform, or a mixture thereof.

기판Board

상기 기판은 제한 없이 다양한 기판을 사용할 수 있다. 상기 기판은 2차원 외에도 3차원 기판에 적용가능하며, 예를 들어 휘어지는 기판, 구형 기판, 또는 육면체 기판, 복잡한 3차원 구조의 반도체 기판 등에 제한 없이 적용 가능하다. 구체적으로 상기 기판은 금속, 금속 산화물, 세라믹 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 2차원 기판 또는 3차원 기판을 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로 실리콘(Si), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 인듐 주석 산화물(ITO), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 질화규소(Si3N4), 산화티타늄(TiO2), 텅스텐(W), 산화아연(ZnO2), 은(Au), 폴리이미드(PI), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 및 질화 탄탈(TaN)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 2차원 기판 또는 3차원 기판을 사용할 수 있다.As the substrate, various substrates may be used without limitation. The substrate may be applied to a three-dimensional substrate in addition to the two-dimensional substrate, for example, a curved substrate, a spherical substrate, or a hexahedral substrate, a semiconductor substrate having a complex three-dimensional structure, and the like, without limitation. Specifically, the substrate may be a two-dimensional or three-dimensional substrate including at least one selected from the group consisting of metal, metal oxide, ceramic, and polymer, and more specifically, silicon (Si), aluminum oxide (Al 2 O). 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), indium tin oxide (ITO), molybdenum (Mo), nickel (Ni), silicon nitride (Si 3 N 4 ), titanium oxide (TiO 2 ), tungsten (W), zinc oxide ( ZnO 2 ), silver (Au), polyimide (PI), platinum (Pt), tantalum (Ta), and a two-dimensional substrate or a three-dimensional substrate containing at least one selected from the group consisting of tantalum nitride (TaN) Can be used.

블록 공중합체 필름의 제조방법 (A)Method for producing block copolymer film (A)

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법을 설명하는 모식도이다. 이하, 도 1을 참고하여, 각 공정을 단계별로 구체적으로 설명한다.1 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a block copolymer film according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, each process will be described in detail step by step with reference to FIG. 1 .

1) 제1 블록 공중합체층 형성 단계1) First block copolymer layer forming step

본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1)은 도 1의 (a)에서와 같이, 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계이다.In the method for producing a block copolymer film according to an embodiment of the present invention, step 1) is performed by adding a solution containing the first block copolymer to water, as in (a) of FIG. Interfacial self-assembly (ISA) of the first block copolymer at the interface to form the interfacial self-assembled first block copolymer layer.

상기 물은 통상적으로 사용되는 용기 또는 수조에 첨가될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 랭뮤어-블로젯(LB) 장비를 이용한 수조 내에 물을 첨가할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 랭뮤어-블로젯 장비는 도 2의 (a)에 계략적으로 도시하였다. The water may be added to a commonly used container or water tank, but is not limited thereto. Specifically, water may be added into the water tank using the Langmuir-Blodgett (LB) equipment. The Langmuir-Blodgett device according to an embodiment of the present invention is schematically shown in FIG. 2(a).

상기 수조에 물을 첨가하고, 상기 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 수 내지 수십 방울 첨가하여 공기/물 계면에서 제1 블록 공중합체를 계면자기조립시켜 제1 블록 공중합체층을 형성할 수 있다. By adding water to the water tank and adding several to tens of drops of a solution containing the first block copolymer, the first block copolymer is interfacially self-assembled at the air/water interface to form a first block copolymer layer .

상기 계면자기조립은 5초 내지 60분, 구체적으로 10초 내지 40분, 더욱 구체적으로 30초 내지 20분 동안 용액 중의 용매를 증발시켜 이루어질 수 있다. The interfacial self-assembly may be accomplished by evaporating the solvent in the solution for 5 seconds to 60 minutes, specifically 10 seconds to 40 minutes, and more specifically 30 seconds to 20 minutes.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 소수성 단위체 블록 및 친수성 단위체 블록을 포함하는 제1 블록 공중합체는 공기/물 계면에서 계면자기조립됨으로써, 상기 제1 블록 공중합체층이 상기 소수성 단위체 블록으로부터 유도된 점 패턴의 소수성 응집체; 및 상기 친수성 단위체 블록으로부터 유도된, 상기 소수성 응집체에 연결된 복수개의 친수성 사슬 분자를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, as shown in (a) of FIG. 2, the first block copolymer including the hydrophobic unit block and the hydrophilic unit block is interfacially self-assembled at the air/water interface, whereby the first block a hydrophobic aggregate having a dot pattern in which the copolymer layer is derived from the hydrophobic unit block; and a plurality of hydrophilic chain molecules derived from the hydrophilic unit block and linked to the hydrophobic aggregate.

상기 점 패턴은 도 2의 (b)에서와 같이, 제1 블록 공중합체의 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록의 수평균분자량비에 따라 스트랜드 패턴 또는 판상 패턴 등으로 달라질 수 있다.The dot pattern may be changed into a strand pattern or a plate-shaped pattern, etc. according to the number average molecular weight ratio of the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block of the first block copolymer, as in (b) of FIG. 2 .

상기 점 패턴의 소수성 응집체는 평균 직경이 20 nm 내지 300 nm, 구체적으로 30 nm 내지 100 nm, 더욱 구체적으로 40 nm 내지 80 nm일 수 있다. 이때, 상기 평균 직경은 수평균 직경(number mean diameter)을 의미하고, 단위면적 1 ㎟을 기준으로 하여 주사전자현미경(SEM) 및 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 관측되는 각각의 점 패턴의 소수성 응집체 직경을 측정하여 계산될 수 있다.The hydrophobic aggregates of the dot pattern may have an average diameter of 20 nm to 300 nm, specifically 30 nm to 100 nm, and more specifically 40 nm to 80 nm. In this case, the average diameter means a number mean diameter, and the hydrophobic aggregate diameter of each dot pattern observed using a scanning electron microscope (SEM) and image analysis software based on a unit area of 1 mm 2 It can be calculated by measuring.

2) 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층 형성 단계2) Polymer nano-mosaic (PNM) coating layer formation step

본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2)는 도 1의 (b)에서와 같이, 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계이다.In the method for producing a block copolymer film according to an embodiment of the present invention, step 2) is performed by transferring a part or all of the first block copolymer layer on a substrate as shown in FIG. This is a step of forming a mosaic (PNM) coating layer.

상기 제1 블록 공중합체층은 물의 표면에 막형태로 형성되므로, 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 손으로, 또는 도구를 이용하여 기판 상에 옮길 수 있다. 또한, 원하는 기판을 물에 담구어 상기 기판 상에 제1 블록 공중합체층이 적층되도록 한 후, 상기 기판을 물 밖으로 옮겨 상기 기판 상에 PNM 코팅층을 형성할 수 있다. Since the first block copolymer layer is formed in the form of a film on the surface of water, part or all of the first block copolymer layer may be transferred onto the substrate by hand or using a tool. In addition, after the desired substrate is immersed in water to laminate the first block copolymer layer on the substrate, the substrate may be moved out of water to form a PNM coating layer on the substrate.

3) 제2 블록 공중합체층 형성 단계3) Forming the second block copolymer layer

본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3)은 상기 PNM 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계이다.In the method for producing a block copolymer film according to an embodiment of the present invention, in step 3), a second block copolymer layer self-assembled by coating a solution containing a second block copolymer on the PNM coating layer and heat-treating it is the step of forming

상기 코팅은 스핀코팅, 바코팅, 딥코팅 또는 롤코팅에 의해서 수행될 수 있으며, 구체적으로 스핀코팅에 의해 수행될 수 있다. The coating may be performed by spin coating, bar coating, dip coating, or roll coating, and specifically may be performed by spin coating.

상기 제2 블록 공중합체층의 두께는 약 10 nm 내지 100 nm, 구체적으로 약 15 nm 내지 80 nm, 더욱 구체적으로 약 20 nm 내지 60 nm일 수 있다. 상기 제2 블록 공중합체층의 두께는 분광 엘립소미터(M-2000V, J.A.Woollam Co.)를 사용하여 측정할 수 있다.  The thickness of the second block copolymer layer may be about 10 nm to 100 nm, specifically about 15 nm to 80 nm, and more specifically about 20 nm to 60 nm. The thickness of the second block copolymer layer may be measured using a spectroscopic ellipsometer (M-2000V, J.A. Woollam Co.).

또한, 상기 제2 블록 공중합체는 그 도메인 간격과 동등한 두께로 PNM 코팅층 상에 스핀 코팅할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 제2 블록 공중합체층의 두께에 대한 특정 언급이 없는 한, 제2 블록 공중합체의 도메인 간격과 동일한 두께로 PNM 코팅층 상에 코팅된 것으로 해석될 수 있다. In addition, the second block copolymer may be spin-coated on the PNM coating layer to a thickness equal to the domain spacing. Accordingly, in the present specification, unless there is a specific reference on the thickness of the second block copolymer layer, it may be interpreted as coated on the PNM coating layer with the same thickness as the domain spacing of the second block copolymer.

또한, 상기 열처리는 120 ℃ 내지 250 ℃에서 10 분 내지 30 시간 동안, 구체적으로 150 ℃ 내지 200 ℃에서 10 분 내지 25 시간 동안 수행될 수 있다.In addition, the heat treatment may be performed at 120° C. to 250° C. for 10 minutes to 30 hours, specifically, at 150° C. to 200° C. for 10 minutes to 25 hours.

블록 공중합체 필름의 제조방법 (B)Method for producing block copolymer film (B)

본 발명의 또 다른 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법은 1') 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계; 2') 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계; 3') 상기 폴리머나노모자이크 코팅층을 패터닝하는 단계; 및 4') 상기 패터닝된 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 의해 계층형 PNM 코팅층 및 계층형 블록 공중합체층을 형성할 수 있다. In the method for producing a block copolymer film according to another embodiment of the present invention, 1') a solution containing the first block copolymer is added to water, and the first block copolymer is interfacially self-assembled at the air/water interface ( ISA) to form a first interfacial self-assembled block copolymer layer; 2') transferring a part or all of the first block copolymer layer onto a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer; 3') patterning the polymer nano-mosaic coating layer; and 4') coating a solution containing a second block copolymer on the patterned polymer nano-mosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer. By the above method, a layered PNM coating layer and a layered block copolymer layer can be formed.

상기 제조방법에 따르면, 상기 1') 및 2')는 본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법(A)의 단계 1) 및 2)에 기재된 내용과 동일한 방법을 수행하여 PNM 코팅층을 형성할 수 있다.According to the manufacturing method, 1') and 2') were carried out in the same manner as described in steps 1) and 2) of the method (A) of the block copolymer film according to an embodiment of the present invention. A coating layer may be formed.

상기 단계 3')는 상기 PNM 코팅층을 패터닝하는 단계로서, 도 9의 (a)에 나타낸 모식도와 같이, 상기 PNM 코팅층을 선택적으로 산소 플라즈마 처리(여러가지 조건에서 수행 가능하나, 구체적으로 60 W, 10 sccm, CUTE-1MPR, Femto Science Inc.) 또는 UV 처리(여러가지 조건에서 수행 가능하나, 구체적으로 λ = 254 nm, 40 mW/cm2의 UV 램프)에 의해 에칭 방식으로 패터닝할 수 있다. 상기 패터닝시 쉐도우 마스크를 사용할 수 있으며, 상기 쉐도우 마스크는 예를 들어, Cu TEM 그리드(G400-C3, Gilder Grids)를 사용할 수 있다. The step 3') is a step of patterning the PNM coating layer, and as shown in the schematic diagram of FIG. sccm, CUTE-1MPR, Femto Science Inc.) or UV treatment (it can be performed under various conditions, specifically, λ = 254 nm, UV lamp of 40 mW/cm 2 ). A shadow mask may be used during the patterning, and the shadow mask may be, for example, a Cu TEM grid (G400-C3, Gilder Grids).

상기 단계 4')는 상기 패터닝된 PNM 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계로서, 상기 단계 4')는 본 발명의 일 구현예에 따른 블록 공중합체 필름의 제조방법(A)의 단계 3)에 기재된 내용과 동일한 방법을 수행하여 상기 패터닝된 PNM 코팅층 상에 제2 블록 공중합체층을 형성하여 계층형 블록 공중합체 필름을 제조할 수 있다.Step 4') is a step of coating a solution containing a second block copolymer on the patterned PNM coating layer and heat-treating it to form a self-assembled second block copolymer layer, wherein step 4') is the method of the present invention. By performing the same method as described in step 3) of the method for producing a block copolymer film (A) according to an embodiment, a second block copolymer layer is formed on the patterned PNM coating layer to form a layered block copolymer film can be manufactured.

상기 제2 블록 공중합체층은 상기 에칭된 PNM 코팅층 상에는 기판에 대해 평행하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하고, 상기 에칭되지 않은 PNM 코팅층 상에는 기판에 대해 수직하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함할 수 있다. The second block copolymer layer includes block copolymer nanoregions oriented parallel to the substrate on the etched PNM coating layer, and block copolymer nanoregions oriented perpendicular to the substrate on the unetched PNM coating layer. can do.

상기 블록 공중합체 필름의 제조방법(B)에 따르면, PNM 코팅층 상에 정렬된 다양한 패턴을 선택적인 영역에 형성할 수 있으므로, 다양한 반도체 공정에 응용하여 사용할 수 있다. According to the manufacturing method (B) of the block copolymer film, since various patterns aligned on the PNM coating layer can be formed in a selective region, it can be applied and used in various semiconductor processes.

제1 블록 공중합체층 및 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층의 모폴로지Morphology of the first block copolymer layer and the polymer nanomosaic (PNM) coating layer

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 블록 공중합체층 및 PNM 코팅층의 모폴로지는 동일한 모폴로지를 갖는다.According to one embodiment of the present invention, the morphologies of the first block copolymer layer and the PNM coating layer have the same morphology.

상기 제1 블록 공중합체층 및 상기 PNM 코팅층의 모폴로지는 상기 제1 블록 공중합체층 또는 상기 PNM 코팅층의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정함으로써 확인할 수 있다.The morphology of the first block copolymer layer and the PNM coating layer can be confirmed by measuring the surface of the first block copolymer layer or the PNM coating layer with a scanning electron microscope (SEM).

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 PNM 코팅층의 모폴로지는 1 블록 공중합체층의 표면압에 따라 달라질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the morphology of the PNM coating layer may vary depending on the surface pressure of the 1-block copolymer layer.

상기 제1 블록 공중합체층의 표면압은 1 mN/m 내지 30 mN/m, 구체적으로 1 mN/m 내지 15 mN/m, 더욱 구체적으로 1 mN/m 내지 12 mN/m일 수 있다. 상기 제1 블록 공중합체층의 표면압은 상기 단계 1)에서 물의 표면 넓이를 제어함으로써 조절할 수 있다. 그러나, 상기 범위의 표면압을 만족하는 한, 물의 표면 넓이를 제어하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 본 발명은 일 구현예에 따라 백금 Wilhelmy 판이 장착된 컴퓨터 제어 KSV NIMA KN 2002 랭뮤어 블로젯 장비를 이용하여, 일정한 압축 속도로 물의 표면 넓이를 제어할 수 있다. The surface pressure of the first block copolymer layer may be 1 mN/m to 30 mN/m, specifically 1 mN/m to 15 mN/m, and more specifically 1 mN/m to 12 mN/m. The surface pressure of the first block copolymer layer can be adjusted by controlling the surface area of water in step 1). However, as long as the surface pressure in the above range is satisfied, the method for controlling the surface area of water is not particularly limited, but the present invention provides a computer-controlled KSV NIMA KN 2002 Langmuir Blojet equipment equipped with a platinum Wilhelmy plate according to an embodiment. By using it, it is possible to control the surface area of water at a constant compression rate.

상기 제1 블록 공중합체층의 표면압이 30 mN/m을 초과하는 경우, 상기 제1 블록 공중합체층에서 상기 소수성 단위체 블록으로부터 유도된 점 패턴의 소수성 응집체가 불균일하게 배열될 수 있으며, PNM 코팅층 상에 수직한 제2 블록 공중합체층을 형성하는데 어려움이 있다. 반면, 상기 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m 미만인 경우에도 표면압이 1 mN/m인 경우와 동일한 효과를 보이나 부분적으로 코팅이 안 되는 등의 문제가 있을 수 있다. When the surface pressure of the first block copolymer layer exceeds 30 mN/m, the hydrophobic aggregates of the dot pattern derived from the hydrophobic unit block in the first block copolymer layer may be non-uniformly arranged, and on the PNM coating layer It is difficult to form a second vertical block copolymer layer. On the other hand, even when the surface pressure of the first block copolymer layer is less than 1 mN/m, the same effect as when the surface pressure is 1 mN/m is exhibited, but there may be problems such as partial coating failure.

또한, 상기 PNM 코팅층에 형성된 점 패턴은 제1 블록 공중합체층의 표면압이 증가할수록 더 조밀한 점 패턴을 형성할 수 있다.In addition, the dot pattern formed on the PNM coating layer may form a denser dot pattern as the surface pressure of the first block copolymer layer increases.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 제1 블록 공중합체를 사용한 경우, 표면압이 1 mN/m 내지 12 mN/m일 때, 상기 표면압이 증가할수록 상기 PNM 코팅층이 더 조밀한 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 점 패턴은 육각형 형태의 나노구조로 정렬된 균일한 패턴을 가질 수 있다. 만일, 상기 표면압이 12 mN/m를 초과하는 경우 상기 점 패턴은 육각형 형태의 나노구조로 정렬이 아닌 준-정사각형 배열로 변환될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, when the first block copolymer having a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol is used, when the surface pressure is 1 mN/m to 12 mN/m, the surface pressure is As it increases, the PNM coating layer may have a denser pattern. Also, the dot pattern may have a uniform pattern arranged in a hexagonal nanostructure. If the surface pressure exceeds 12 mN/m, the dot pattern may be converted into a quasi-square arrangement instead of a hexagonal nanostructure.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 수평균분자량이 44,000-b-18,500 g/mol 또는 수평균분자량이 79,000-b-36,500 g/mol인 제1 블록 공중합체를 사용한 경우, 표면압이 1 mN/m 내지 15 mN/m일 때, 상기 표면압이 증가할수록 상기 PNM 코팅층이 더 조밀한 패턴을 가질 수 있다. 또한, 상기 점 패턴은 육각형 형태의 나노구조로 정렬된 균일한 패턴을 가질 수 있다. 만일, 상기 표면압이 15 mN/m를 초과하는 경우 상기 점 패턴은 육각형 형태의 나노구조 정렬이 아닌 준-정사각형 배열로 변환될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, when the first block copolymer having a number average molecular weight of 44,000-b-18,500 g/mol or a number average molecular weight of 79,000-b-36,500 g/mol is used, the surface pressure is 1 mN When the /m to 15 mN/m, the PNM coating layer may have a denser pattern as the surface pressure increases. Also, the dot pattern may have a uniform pattern arranged in a hexagonal nanostructure. If the surface pressure exceeds 15 mN/m, the dot pattern may be converted into a quasi-square arrangement rather than a hexagonal nanostructure arrangement.

제2 블록 공중합체층의 모폴로지Morphology of the second block copolymer layer

상기 제2 블록 공중합체층의 모폴로지는 상기 제2 블록 공중합체층의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 측정함으로써 확인할 수 있다. 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함한다. 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역은 라멜라(lamella)형 구조체일 수 있다. The morphology of the second block copolymer layer can be confirmed by measuring the surface of the second block copolymer layer with a scanning electron microscope (SEM). The second block copolymer layer includes block copolymer nano-regions oriented perpendicular to the substrate. The block copolymer nanoregion oriented perpendicular to the substrate may be a lamella-type structure.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 블록 공중합체층의 모폴로지는 상기 제1 블록 공중합체층 및 PNM 코팅층의 모폴로지에 따라 달라질 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the morphology of the second block copolymer layer may vary depending on the morphology of the first block copolymer layer and the PNM coating layer.

구체적으로, 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m 및 30 mN/m인 경우, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함할 수 있다.Specifically, when the surface pressure of the first block copolymer layer is 1 mN/m and 30 mN/m, the second block copolymer layer may include block copolymer nanoregions oriented perpendicular to the substrate.

또한, 상기 제1 블록 공중합체 및 제2 블록 공중합체의 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록의 수평균분자량에 따라 제2 블록 공중합체층의 모폴로지가 달라질 수 있다.In addition, the morphology of the second block copolymer layer may vary according to the number average molecular weight of the hydrophilic unit block and the hydrophobic unit block of the first block copolymer and the second block copolymer.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 제1 블록 공중합체를 사용하고, 수평균분자량이 25,000-b-26,000 g/mol인 제2 블록 공중합체를 사용 한 경우, 표면압이 10 mN/m 내지 12 mN/m일 때, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a first block copolymer having a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol is used, and a second block copolymer having a number average molecular weight of 25,000-b-26,000 g/mol is used. When used, when the surface pressure is 10 mN/m to 12 mN/m, the second block copolymer layer may include block copolymer nanoregions oriented perpendicular to the substrate.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 제1 블록 공중합체를 사용하고, 수평균분자량이 35,000-b-37,000 g/mol 또는 수평균분자량이 52,000-b-52,000 g/mol인 제2 블록 공중합체를 사용한 경우, 표면압이 1 mN/m 내지 12 mN/m일 때, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a first block copolymer having a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol is used, and a number average molecular weight of 35,000-b-37,000 g/mol or a number average molecular weight of 52,000 -b-52,000 g/mol of the second block copolymer is used, when the surface pressure is 1 mN/m to 12 mN/m, the second block copolymer layer is a block copolymer oriented perpendicular to the substrate It may include nano-regions.

블록 공중합체 필름의 특성Characteristics of block copolymer films

본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 블록 공중합체 필름을 제공한다.The present invention provides a block copolymer film prepared by the above manufacturing method.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 블록 공중합체층의 모폴로지는 상기 제1 블록 공중합체층 및 PNM 코팅층의 모폴로지에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 기판에 대해 수직하게 배향된 제2 블록 공중합체 나노 영역의 도메인 배향은 상기 PNM 코팅층의 패턴 밀도에 따라 달라질 수 있으므로, 상기 제1 블록 공중합체층의 표면압을 조절하여 PNM 코팅층의 패턴 밀도를 제어하여 코팅된 기판의 표면에너지를 조절함으로써 원하는 배향을 갖는 제2 블록 공중합체 나노 영역을 형성할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the morphology of the second block copolymer layer may vary depending on the morphology of the first block copolymer layer and the PNM coating layer. Specifically, since the domain orientation of the nano-region of the second block copolymer oriented perpendicular to the substrate may vary depending on the pattern density of the PNM coating layer, the surface pressure of the first block copolymer layer is adjusted to form the pattern of the PNM coating layer. By controlling the density to control the surface energy of the coated substrate, it is possible to form a second block copolymer nanoregion having a desired orientation.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 PNM 코팅층이 중성 표면에너지를 가질 때, 제2 블록 공중합체 나노 영역이 수직으로 배향될 수 있다. 여기서, '중성 표면에너지'라는 용어는 상기 PNM 코팅층이 코팅층 위에 올라오는 기질에 대해 동일한 계면에너지를 가진다는 것을 의미한다. 상기 PNM 코팅층이 중성 표면에너지를 갖는다면, 그 위에 코팅 되는 블록 공중합체의 서로 다른 두 블록에 대한 화학적 계면에너지 차이는 동일하게 된다. According to another embodiment of the present invention, in the second block copolymer layer, when the PNM coating layer has a neutral surface energy, the nano-regions of the second block copolymer may be vertically oriented. Here, the term 'neutral surface energy' means that the PNM coating layer has the same interfacial energy with respect to the substrate rising on the coating layer. If the PNM coating layer has a neutral surface energy, the difference in chemical interface energy for two different blocks of the block copolymer coated thereon becomes the same.

구체적으로, 상기 PNM 코팅층이 약 60 ° 내지 90 °의 물 접촉각을 갖고, 20 dyne/cm 내지 40 dyne/cm의 표면 에너지를 가질 경우, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함할 수 있다. 만일, 상기 PNM 코팅층의 물 접촉각이 60 °미만이거나 90 °를 초과하는 경우, PNM 코팅층에 대한 상기 제2 블록 공중합체 나노 영역의 중성 표면에너지 조건이 맞지 않게 되므로, 상기 제 2 블록 공중합체가 수직으로 배향되는데 어려움이 있을 수 있다.Specifically, when the PNM coating layer has a water contact angle of about 60° to 90° and a surface energy of 20 dyne/cm to 40 dyne/cm, the second block copolymer layer is oriented perpendicular to the substrate. It may include a block copolymer nano region. If the water contact angle of the PNM coating layer is less than 60 ° or exceeds 90 °, the neutral surface energy condition of the nano-region of the second block copolymer for the PNM coating layer does not match, so the second block copolymer is vertical Orientation may be difficult.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 제2 블록 공중합체 나노 영역의 도메인 간격은 상기 PNM 코팅층의 도메인 간격과 밀접한 관계를 가질 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the domain spacing of the nano-region of the second block copolymer oriented perpendicular to the substrate may have a close relationship with the domain spacing of the PNM coating layer.

구체적으로, 상기 DL이 25 nm 내지 55 nm인 경우, 상기 DPNM은 40 nm 내지 120 nm일 수 있으며, 이때 상기 DPNM이 DL 의 1.2 제곱(DL 1.2) 보다 더 작을 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 DL이 약 28 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 40 nm 초과 내지 약 55 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었고, 상기 DL이 약 45 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 40 nm 초과 내지 약 90 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었고, 상기 DL이 약 54 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 40 nm 초과 내지 약 120 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었음을 확인하였다. Specifically, if the D L is the 25 nm to 55 nm, may be in the D PNM is 40 nm to 120 nm, wherein the D PNM this can be smaller than 1.2, the square of D L (D L 1.2). More specifically, when the D L is about 28 nm, the D PNM has a vertical lamellar structure oriented in a range of greater than about 40 nm to about 55 nm or less, and when the D L is about 45 nm, the D PNM is The vertical lamellar structure was oriented in greater than about 40 nm to about 90 nm or less, and when the D L was about 54 nm, the D PNM confirmed that the vertical lamellar structure was oriented in more than about 40 nm to about 120 nm or less did.

또한, 상기 제2 블록 공중합체 나노 영역인 라멜라형 구조체들 간의 간격(DL)이 PNM 코팅층의 도메인 간격(DPNM)보다 더 작을 수 있다. In addition, the gap (D L ) between the lamellar structures, which is the second block copolymer nano region, may be smaller than the distance between the domains (D PNM ) of the PNM coating layer.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 블록 공중합체 필름은 금속, 금속 산화물, 세라믹 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 2차원 기판 또는 3차원 기판 등에 기판의 크기, 형태 및 종류에 제한 없이 다양하게 적용하여 제조될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the block copolymer film is a two-dimensional substrate or a three-dimensional substrate including at least one selected from the group consisting of metals, metal oxides, ceramics and polymers, etc. The size, shape and type of the substrate It can be manufactured by variously applying without limitation.

[실시예] [Example]

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단 이들 실시예로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples.

이하의 실시예 및 도에서 사용된 약어들의 의미는 아래와 같다.The meanings of the abbreviations used in the following examples and figures are as follows.

- PS-b-P2VP: 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)- PS-b-P2VP: polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine)

- PS-b-PMMA: 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트) - PS-b-PMMA: polystyrene-block-poly(methyl methacrylate)

- ISA: 계면자기조립- ISA: interfacial self-assembly

- PNM: 폴리머나노모자이크- PNM: Polymer nanomosaic

- PNM47nm: 47 nm의 평균 직경을 갖는 균일한 점 패턴을 형성한 PNM 코팅층- PNM 47nm : PNM coating layer with a uniform dot pattern having an average diameter of 47 nm

- PNM58nm: 58 nm의 평균 직경을 갖는 균일한 점 패턴을 형성한 PNM 코팅층- PNM 58nm : PNM coating layer with a uniform dot pattern having an average diameter of 58 nm

- PNM70nm: 70 nm의 평균 직경을 갖는 균일한 점 패턴을 형성한 PNM 코팅층- PNM 70nm : PNM coating layer with a uniform dot pattern having an average diameter of 70 nm

- PS-b-PMMA(25-26k) 또는 SM(25-26k): 수평균분자량이 25,000-b-26,000 g/mol인 PS-b-PMMA- PS-b-PMMA (25-26k) or SM (25-26k): PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 25,000-b-26,000 g/mol

- PS-b-PMMA(35-37k) 또는 SM(35-37k): 수평균분자량이 35,000-b-37,000 g/mol인 PS-b-PMMA- PS-b-PMMA (35-37k) or SM (35-37k): PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 35,000-b-37,000 g/mol

- PS-b-PMMA(52-52k) 또는 SM(52-52k): 수평균분자량이 52,000-b-52,000 g/mol인 PS-b-PMMA- PS-b-PMMA (52-52k) or SM (52-52k): PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 52,000-b-52,000 g/mol

- PS-b-PMMA(64-35k) 또는 SM(64-35k): 수평균분자량이 64,000-b-35,000 g/mol인 PS-b-PMMA- PS-b-PMMA (64-35k) or SM (64-35k): PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 64,000-b-35,000 g/mol

- PS-b-P2VP(18-9k): 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 PS-b-P2VP- PS-b-P2VP (18-9k): PS-b-P2VP with a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol

- PS-b-P2VP(44-18.5k): 수평균분자량이 44,000-b-18,500 g/mol인 PS-b-P2VP- PS-b-P2VP (44-18.5k): PS-b-P2VP with a number average molecular weight of 44,000-b-18,500 g/mol

- PS-b-P2VP(45-49k): 수평균분자량이 45,000-b-49,000 g/mol인 PS-b-P2VP- PS-b-P2VP (45-49k): PS-b-P2VP with a number average molecular weight of 45,000-b-49,000 g/mol

- PS-b-P2VP(79-36.5k): 수평균분자량이 79,000-b-36,500 g/mol인 PS-b-P2VP- PS-b-P2VP (79-36.5k): PS-b-P2VP with a number average molecular weight of 79,000-b-36,500 g/mol

- PDI: 다분산 지수(polydispersity index)- PDI: polydispersity index

- DL: 블록 공중합체 나노 영역인 라멜라형 구조체의 도메인 간격- D L : domain spacing of lamellar structure, which is a block copolymer nano region

- DPNM: PNM 코팅층 도메인 간격- D PNM : PNM coating layer domain spacing

이하의 실시예에서 사용한 측정기기는 다음과 같다:The measuring instruments used in the following examples are as follows:

- 주사전자현미경(SEM): Hitachi S-4800 전계방출 주사현미경(field emission scanning electron microscope, 고진공, 1 keV).- Scanning electron microscope (SEM): Hitachi S-4800 field emission scanning electron microscope (high vacuum, 1 keV).

- 스침각 입사 소각 X-선 산란(GISAXS): 한국 포항 가속기 연구소(PAL)의 PLS-II 9A U-SAXS 빔라인 - Grazing angle incident small angle X-ray scattering (GISAXS): PLS-II 9A U-SAXS beamline at Pohang Accelerator Laboratory (PAL), Korea

- 막 두께 측정: 분광 엘립소미터(M-2000V, J.A.Woollam Co.)- Film thickness measurement: spectroscopic ellipsometer (M-2000V, J.A. Woollam Co.)

이하의 실시예에서 사용한 성분 및 장비는 다음과 같다:The components and equipment used in the examples below were as follows:

- PS-b-P2VP: Polymer Source, Inc.- PS-b-P2VP: Polymer Source, Inc.

PS-b-P2VP의 분자량: Molecular weight of PS-b-P2VP:

18,000-b-9,000 g/mol(18-9k, PDI = 1.08),18,000-b-9,000 g/mol (18-9k, PDI = 1.08);

44,000-b-18,500 g/mol(44-18.5k, PDI = 1.07), 44,000-b-18,500 g/mol (44-18.5k, PDI = 1.07);

45,000-b-49,000 g/mol(45-49k, PDI = 1.07), 45,000-b-49,000 g/mol (45-49k, PDI = 1.07);

79,000-b-36,500 g/mol(79-36.5k, PDI = 1.05) 79,000-b-36,500 g/mol (79-36.5k, PDI = 1.05)

- PS-b-PMMA: Polymer Source, Inc.- PS-b-PMMA: Polymer Source, Inc.

PS-b-PMMA의 분자량:Molecular weight of PS-b-PMMA:

25,000-b-26,000 g/mol(25-26k, PDI = 1.06), 25,000-b-26,000 g/mol (25-26k, PDI = 1.06);

35,000-b-37,000 g/mol(35-37k, PDI = 1.09), 35,000-b-37,000 g/mol (35-37k, PDI = 1.09);

52,000-b-52,000 g/mol(52-52k, PDI = 1.09), 52,000-b-52,000 g/mol (52-52k, PDI = 1.09);

64,000-b-35,000 g/mol(64-35k, PDI = 1.09) 64,000-b-35,000 g/mol (64-35k, PDI = 1.09)

- 클로로포름: Sigma-Aldrich, HPLC 등급, 99.9% - Chloroform: Sigma-Aldrich, HPLC grade, 99.9%

- 톨루엔: Sigma-Aldrich, 무수, 99.8%- Toluene: Sigma-Aldrich, anhydrous, 99.8%

- 탈이온수: Millipore Milli-Q Gradient 시스템을 사용하여 증류수를 정화시킨 탈이온수(18.2 MΩ/cm) - Deionized water: deionized water (18.2 MΩ/cm) purified with distilled water using the Millipore Milli-Q Gradient system

- PNM 코팅 기판에 사용된 원자간력 현미경(AFM) 팁: 캔티레버 길이 125 ㎛ 및 팁 반경 8 nm를 갖는 Bruker 팁(RTESP) - Atomic force microscope (AFM) tip used for PNM coated substrate: Bruker tip (RTESP) with cantilever length 125 μm and tip radius 8 nm

- 기판: Si 웨이퍼, Waferbiz사- Substrate: Si wafer, Waferbiz

- 랭뮤어-블로젯(LB) 장비: 최대 크기 273 cm2를 갖는 랭뮤어 수조(trough) 및 백금 Wilhelmy 판이 장착된 컴퓨터 제어 KSV NIMA KN 2002 랭뮤어 블로젯 장비. 수조 내의 수온은 실온으로 유지. 모든 대칭 장벽 압축은 장벽 속도 5 mm/min(3.75 cm2/min)로 진행됨.- Langmuir-Blodgett (LB) equipment: Computer-controlled KSV NIMA KN 2002 Langmuir Blodgett equipment equipped with a Langmuir trough with a maximum size of 273 cm 2 and a platinum Wilhelmy plate. Keep the water temperature in the water tank at room temperature. All symmetric barrier compressions proceeded at a barrier velocity of 5 mm/min (3.75 cm 2 /min).

<블록 공중합체 필름의 제조><Production of block copolymer film>

실시예 1-1Example 1-1

단계 1) 제1 블록 공중합체 층의 형성Step 1) Formation of the first block copolymer layer

제1 블록 공중합체로서 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 PS-b-P2VP 1 mg/㎖의 농도로 클로로포름에 용해하여 PS-b-P2VP를 포함하는 용액을 30 μL 준비하였다.As the first block copolymer, PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol was dissolved in chloroform at a concentration of 1 mg/ml to prepare 30 μL of a solution containing PS-b-P2VP.

상기 랭뮤어-블로젯(LB) 장비의 수조 내에 탈이온수를 넣고 상기 PS-b- P2VP를 포함하는 용액을 탈이온수 표면에 6 방울 스프레드 하였다. 상기 용액중의 용매를 약 20 분간 증발시킴으로써 PS-b-P2VP를 계면자기조립(ISA)시켜 제1 블록 공중합체층을 얻었다. 이때, 상기 수조 내의 대칭 장벽을 5 mm/분의 속도로 압축하면서 표면압을 각각 1 mN/m, 5 mN/m, 8 mN/m, 10 mN/m, 12 mN/m, 15 mN/m, 20 mN/m, 및 30 mN/m로 조절하였다.Deionized water was put into the tank of the Langmuir-Blodgett (LB) equipment, and 6 drops of the solution containing the PS-b-P2VP was spread on the surface of the deionized water. By evaporating the solvent in the solution for about 20 minutes, PS-b-P2VP was interfacially self-assembled (ISA) to obtain a first block copolymer layer. At this time, the surface pressure was reduced to 1 mN/m, 5 mN/m, 8 mN/m, 10 mN/m, 12 mN/m, and 15 mN/m, respectively, while compressing the symmetrical barrier in the water tank at a rate of 5 mm/min. , 20 mN/m, and 30 mN/m.

단계 2) 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층의 형성Step 2) Formation of polymer nanomosaic (PNM) coating layer

기판으로 깨끗한 Si 웨이퍼를 준비하였다.A clean Si wafer was prepared as a substrate.

상기 Si 웨이퍼의 일부를 제1 블록 공중합체층이 형성된 수조에 담구어 랭뮤어-블로젯(LB) 장비를 통하여 상기 Si 웨이퍼 상에 제1 블록 공중합체층을 적층하여 상기 기판상에 PNM 코팅층을 형성하였다. A portion of the Si wafer was immersed in a water bath in which the first block copolymer layer was formed, and the first block copolymer layer was laminated on the Si wafer through a Langmuir-Blodgett (LB) equipment to form a PNM coating layer on the substrate. .

단계 3) 제2 블록 공중합체층의 형성Step 3) Formation of the second block copolymer layer

상기 단계 2)에서 얻은 PNM 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 2000 rpm으로 스핀코팅하여 약 24 nm 두께의 막을 형성하였다.The solution containing the second block copolymer was spin-coated on the PNM coating layer obtained in step 2) at 2000 rpm to form a film having a thickness of about 24 nm.

상기 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액은 제2 블록 공중합체로서 수평균분자량이 25,000-b-26,000 g/mol인 PS-b-PMMA를 1 중량% 농도로 톨루엔에 용해시킨 용액을 사용하였다.As the solution containing the second block copolymer, a solution obtained by dissolving PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 25,000-b-26,000 g/mol in toluene at a concentration of 1% by weight as the second block copolymer was used.

상기 스핀코팅된 막을 진공하에서 약 190 ℃에서 24 시간 동안 열처리하여 상기 PNM 코팅층 상에 PS-b-PMMA를 수직 방향으로 자기조립시켜 제2 블록 공중합체층을 형성함으로써, 상기 제2 블록 공중합체층이 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역을 포함하는, 블록 공중합체 필름을 얻었다.By heat-treating the spin-coated film at about 190° C. under vacuum for 24 hours to self-assemble PS-b-PMMA on the PNM coating layer in a vertical direction to form a second block copolymer layer, the second block copolymer layer is A block copolymer film comprising PS-b-PMMA nanoregions oriented perpendicular to the substrate was obtained.

실시예 1-2 내지 1-4Examples 1-2 to 1-4

하기 표 1과 같이, 상기 실시예 1-1의 단계 3)에서 제2 블록 공중합체로서 PS-b-PMMA의 수평균분자량을 각각 35,000-b-37,000 g/mol, 52,000-b-52,000 g/mol, 및 64,000-b-35,000 g/mol로 변경하고, 제2 블록 공중합체층의 두께가 달라진 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 블록 공중합체 필름을 얻었다.As shown in Table 1 below, the number average molecular weight of PS-b-PMMA as the second block copolymer in step 3) of Example 1-1 was 35,000-b-37,000 g/mol and 52,000-b-52,000 g/mol, respectively. mol, and 64,000-b-35,000 g/mol, except that the thickness of the second block copolymer layer was changed, a block copolymer film was obtained in the same manner as in Example 1-1.

실시예 1-5Examples 1-5

하기 표 1과 같이, 상기 실시예 1-1의 단계 3)에서 제2 블록 공중합체로서 수평균분자량이 45,000-b-49,000 g/mol인 PS-b-P2VP를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 블록 공중합체 필름을 얻었다.As shown in Table 1 below, in step 3) of Example 1-1, PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 45,000-b-49,000 g/mol was used as the second block copolymer. A block copolymer film was obtained in the same manner as in Example 1-1.

실시예 2-1 내지 2-3Examples 2-1 to 2-3

하기 표 1과 같이, 상기 실시예 1-1의 단계 1)에서, 제1 블록 공중합체로서 수평균분자량이 44,000-b-18,500 g/mol인 PS-b-P2VP를 사용하고, 단계 3)에서 제2 블록 공중합체로서 PS-b-PMMA의 수평균분자량을 각각 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, 및 52,000-b-52,000 g/mol로 변경하고, 제2 블록 공중합체층의 두께가 달라진 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 블록 공중합체 필름을 얻었다.As shown in Table 1 below, in step 1) of Example 1-1, PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 44,000-b-18,500 g/mol was used as the first block copolymer, and in step 3) As the second block copolymer, the number average molecular weight of PS-b-PMMA was changed to 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, and 52,000-b-52,000 g/mol, respectively, and the second A block copolymer film was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that the thickness of the block copolymer layer was changed.

실시예 3-1 내지 3-3Examples 3-1 to 3-3

하기 표 1과 같이, 상기 실시예 1-1의 단계 1)에서, 제1 블록 공중합체로서 수평균분자량이 79,000-b-36,500 g/mol인 PS-b-P2VP를 사용하고, 단계 3)에서 제2 블록 공중합체로서 PS-b-PMMA의 수평균분자량을 각각 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, 및 52,000-b-52,000 g/mol로 변경하고, 제2 블록 공중합체층의 두께가 달라진 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 블록 공중합체 필름을 얻었다.As shown in Table 1 below, in step 1) of Example 1-1, PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 79,000-b-36,500 g/mol was used as the first block copolymer, and in step 3) The number average molecular weight of PS-b-PMMA as the second block copolymer was changed to 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, and 52,000-b-52,000 g/mol, respectively, and the second A block copolymer film was obtained in the same manner as in Example 1-1, except that the thickness of the block copolymer layer was changed.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1-1의 단계 2)에서 얻은 PNM 코팅층을 패터닝하였다. 상기 패터닝은 쉐도우 마스크로서 Cu TEM 그리드(G400-C3, Gilder Grids)를 사용하여 상기 쉐도우 마스크를 선택적으로 장착한 후, 산소 플라즈마 처리(60 W, 10 sccm, CUTE-1MPR, Femto Science Inc.)를 수행함으로써 반응성 이온 에칭 방식으로 PNM 코팅층을 패터닝하였다. The PNM coating layer obtained in step 2) of Example 1-1 was patterned. The patterning was performed by selectively mounting the shadow mask using a Cu TEM grid (G400-C3, Gilder Grids) as a shadow mask, followed by oxygen plasma treatment (60 W, 10 sccm, CUTE-1MPR, Femto Science Inc.) The PNM coating layer was patterned by a reactive ion etching method.

상기 패터닝된 PNM 코팅층 상에 수평균분자량이 25,000-b-26,000 g/mol인 PS-b-PMMA를 1 중량% 농도로 톨루엔에 용해시킨 용액을 2000 rpm으로 스핀코팅하여 약 24 nm 두께의 막을 형성하였다. A solution obtained by dissolving PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 25,000-b-26,000 g/mol in toluene at a concentration of 1 wt% on the patterned PNM coating layer was spin-coated at 2000 rpm to form a film with a thickness of about 24 nm did.

상기 스핀코팅된 막을 진공하에서 약 190 ℃에서 24 시간동안 열처리하여 상기 PNM 코팅층 상에 PS-b-PMMA를 수직 방향으로 자기조립시켜 제2 블록 공중합체층을 형성하였다. 이때, 상기 제2 블록 공중합체층은 상기 반응성 이온 에칭에 노출된 PNM 코팅층 상에는 기판에 대해 평행하게 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역을 포함하고, 상기 반응성 이온 에칭에 노출되지 않은 PNM 코팅층 상에는 기판에 대해 수직하게 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역을 포함하였다.The spin-coated film was heat treated at about 190° C. under vacuum for 24 hours to self-assemble PS-b-PMMA on the PNM coating layer in a vertical direction to form a second block copolymer layer. In this case, the second block copolymer layer includes PS-b-PMMA nano-regions oriented parallel to the substrate on the PNM coating layer exposed to the reactive ion etching, and on the PNM coating layer not exposed to the reactive ion etching on the substrate. PS-b-PMMA nanoregions oriented perpendicular to each other were included.

[표 1][Table 1]

Figure 112019089251638-pat00001
Figure 112019089251638-pat00001

실험예Experimental example

실험예 1: 주사전자현미경(SEM) 측정Experimental Example 1: Scanning electron microscope (SEM) measurement

상기 실시예에서 얻은 PNM 코팅층, 및 블록 공중합체 필름의 표면을 각각 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.The surfaces of the PNM coating layer and the block copolymer film obtained in the above Examples were respectively observed with a scanning electron microscope (SEM).

<실시예 1-1 내지 1-3의 PNM 코팅층, 및 블록 공중합체 필름의 모폴로지><PNM coating layer of Examples 1-1 to 1-3, and morphology of the block copolymer film>

도 3은 (a) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 PNM47nm 코팅층 표면의 SEM 사진, (b) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, (c) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진, 및 (d) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진이다. 3 is (a) SEM photograph of the surface of the PNM 47nm coating layer according to the surface pressure of the first block copolymer layer, (b) SEM of the block copolymer film surface of Example 1-1 according to the surface pressure of the first block copolymer layer Photograph, (c) SEM photograph of the block copolymer film surface of Example 1-2 according to the surface pressure of the first block copolymer layer, and (d) Example 1-3 according to the surface pressure of the first block copolymer layer It is an SEM photograph of the block copolymer film surface.

도 3의 (a)와 같이, 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m에서 12 mN/m로 증가함에 따라 초기 육각형 형태의 나노구조로 정렬된 PNM47nm 코팅층의 패턴은 더욱 조밀해졌다. As shown in (a) of FIG. 3 , as the surface pressure of the first block copolymer layer increased from 1 mN/m to 12 mN/m, the pattern of the PNM 47 nm coating layer aligned in the initial hexagonal nanostructure became more dense.

또한, 수평균분자량이 각각 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, 및 52,000-b-52,000 g/mol인 PS-b-PMMA를 사용한 실시예 1-1 내지 1-3에서 형성된 블록 공중합체 필름의 나노 영역의 패턴을 알아보기 위해 블록 공중합체 필름의 표면을 SEM으로 관찰하였다. In addition, Examples 1-1 to 1- using PS-b-PMMA having number average molecular weights of 25,000-b-26,000 g/mol, 35,000-b-37,000 g/mol, and 52,000-b-52,000 g/mol, respectively 3, the surface of the block copolymer film was observed by SEM in order to examine the pattern of the nano region of the block copolymer film.

도 3의 (b) 내지 (d)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름은 제1 블록 공중합체층의 표면압이 10 mN/m 및 12 mN/m인 경우만 기판에 대해 수직으로 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역(라멜라형 구조체)을 포함하는 반면(도 3의 (b)의 제4 및 제5 열), 실시예 1-2 및 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름은 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m 내지 12 mN/m의 넓은 범위에서 기판에 대해 수직으로 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역을 포함하였다(각각 도 3의 (c) 및 (d)의 처음 5개 열). 제1 블록 공중합체층의 표면압이 15 mN/m이상인 경우에는, 기판에 대해 평행하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역 또는 기판에 대해 수직하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역이 모두 나타났다. As can be seen from (b) to (d) of Figure 3, the block copolymer film of Example 1-1 is a substrate only when the surface pressure of the first block copolymer layer is 10 mN/m and 12 mN/m PS-b-PMMA nanoregions (lamellar structures) oriented perpendicular to The block copolymer film included PS-b-PMMA nano-regions oriented perpendicular to the substrate in a wide range where the surface pressure of the first block copolymer layer was 1 mN/m to 12 mN/m (Fig. 3 ( first 5 columns of c) and (d)). When the surface pressure of the first block copolymer layer was 15 mN/m or more, both block copolymer nanoregions oriented parallel to the substrate or block copolymer nanoregions oriented perpendicular to the substrate appeared.

한편, 도 4는 (a) PNM47nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM47nm 코팅층 표면의 SEM 사진, (b) PNM58nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM58nm 코팅층 표면의 SEM 사진, 및 (c) PNM70nm 코팅층에 형성된 점 패턴의 크기 분포도 및 PNM70nm 코팅층 표면의 SEM 사진이다. 상기 분석에 사용된 SEM 이미지는 각각, 1764X1764 nm, 2904X2904 nm, 및 2940X2940 nm였다.On the other hand, Fig. 4 (a) PNM SEM picture of size distribution and PNM 47nm coating layer surface of the dot pattern formed on a 47nm coating layer, (b) SEM photograph of a size distribution and PNM 58nm coating layer surface of the dot pattern formed on a PNM 58nm coating layer, and (c) a SEM image of the size distribution and the surface of the coating layer PNM 70nm 70nm PNM dot pattern formed on the coating layer. The SEM images used for the analysis were 1764X1764 nm, 2904X2904 nm, and 2940X2940 nm, respectively.

도 4의 (a)에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m, 5 mN/m, 8 mN/m, 10 mN/m, 및 12 mN/m로 증가함에 따라, 47 nm의 평균 직경을 갖는 균일한 점 패턴이 육각형 형태의 나노 구조로 정렬되어 더욱 조밀하게 분포됨을 알 수 있다. 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)도 마찬가지로, 표면압이 1 mN/m 내지 15 mN/m로 증가함에 따라, 각각 58 nm(도 4의 (b)) 및 70 nm(도 4의 (c))의 평균 직경을 갖는 균일한 점 패턴이 육각형 형태의 나노구조로 정렬되어 더욱 조밀하게 분포됨을 알 수 있다. As can be seen from (a) of Figure 4, the surface pressure of the first block copolymer layer increases to 1 mN / m, 5 mN / m, 8 mN / m, 10 mN / m, and 12 mN / m Accordingly, it can be seen that the uniform dot pattern having an average diameter of 47 nm is arranged in a hexagonal nanostructure and more densely distributed. 4(b) and 4(c) also, as the surface pressure increases from 1 mN/m to 15 mN/m, 58 nm (FIG. 4(b)) and 70 nm (FIG. 4), respectively It can be seen that the uniform dot pattern having the average diameter of (c)) is arranged in a hexagonal nanostructure and more densely distributed.

<실시예 2-1 내지 2-3의 PNM 코팅층, 및 블록 공중합체 필름의 모폴로지><PNM coating layer of Examples 2-1 to 2-3, and morphology of block copolymer film>

도 6a의 (a)및 (d)는 각각 수평균분자량이 44,000-b-18,500 g/mol(PNM58nm, 실시예 2-1 내지 2-3) 및 79,000-b-36,500 g/mol인 PS-b-P2VP(PNM70nm, 실시예 3-1 내지 3-3)를 사용한 경우, 제1 블록 공중합체층의 표면압 1 mN/m, 5 mN/m, 10 mN/m, 15 mN/m, 및 20 mN/m에 따른 PNM 코팅층 및 블록 공중합체 필름 표면 SEM 사진이다. 6a (a) and (d) are PS- with a number average molecular weight of 44,000-b-18,500 g/mol (PNM 58nm, Examples 2-1 to 2-3) and 79,000-b-36,500 g/mol, respectively When b-P2VP (PNM 70nm , Examples 3-1 to 3-3) was used, the surface pressure of the first block copolymer layer was 1 mN/m, 5 mN/m, 10 mN/m, 15 mN/m, and It is a SEM photograph of the surface of the PNM coating layer and the block copolymer film according to 20 mN/m.

구체적으로, 도 6a의 (a) 및 (d)의 각각 첫번째 행에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2-1 내지 2-3의 PNM58nm 및 실시예 3-1 내지 3-3의 PNM70nm 코팅층의 패턴은 실시예 1-1 내지 1-3의 PNM47nm 코팅층의 패턴과 마찬가지로 제1 블록 공중합체층의 표면압이 1 mN/m 내지 15 mN/m로 증가함에 따라, 균일한 점 패턴이 육각형 형태의 나노구조로 정렬되어 더욱 조밀하게 분포됨을 알 수 있다. 한편, PNM58nm 및 PNM70nm 코팅층의 패턴은 15 mN/m보다 높은 표면압에서는 육각형 형태의 나노구조 정렬이 아닌 준-정사각형 배열로 변환되었다.Specifically, as can be seen in the first row of each of (a) and (d) of Figure 6a, PNM 58nm of Examples 2-1 to 2-3 and PNM 70nm coating layer of Examples 3-1 to 3-3 Similar to the pattern of the PNM 47nm coating layer of Examples 1-1 to 1-3, as the surface pressure of the first block copolymer layer increased from 1 mN/m to 15 mN/m, the uniform dot pattern had a hexagonal shape. It can be seen that the nanostructures are arranged and more densely distributed. On the other hand, the patterns of the PNM 58 nm and PNM 70 nm coating layers were converted to a quasi-square arrangement rather than a hexagonal nanostructure arrangement at a surface pressure higher than 15 mN/m.

한편, 제2 블록 공중합체의 자기조립은 그 하부의 PNM 코팅층에 형성된 점 패턴의 평균 직경에 따라 달라졌다.On the other hand, the self-assembly of the second block copolymer was different depending on the average diameter of the dot pattern formed on the PNM coating layer below it.

구체적으로, PNM47nm로부터 PNM58nm 및 PNM70nm로 PNM 코팅층에 형성된 점 패턴의 평균 직경이 증가함에 따라, 기판에 대해 수직하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역인 수직 라멜라형 구조체를 형성하는 표면압 윈도우는 점차 감소하였다. 예를 들어, 도 3의 (b) 내지 (d)에서 PNM47nm인 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름은 제1 블록 공중합체층의 표면압이 10 mN/m 및 12 mN/m인 경우에 제2 블록 공중합체층이 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역인 수직 라멜라형 구조체를 형성하였는데, 도 6a의 (a) 및 (d)의 두 번째 행에 나타낸 바와 같이, PNM58nm 및 PNM70nm 코팅층 모두 표면압이 10 mN/m 및 15 mN/m에서도 수직 라멜라형 구조체를 형성하지 못함을 확인하였다. Specifically, the surface pressure window from PNM 47nm form a PNM 58nm and PNM as to 70nm mean diameter of the point pattern increases formed in PNM coating layer, in a vertically oriented block copolymer nm region to the substrate perpendicular to the lamellar type structure gradually decreased. For example, in the case of the block copolymer film of Example 1-1 having a PNM of 47 nm in FIGS. 3 (b) to (d), the surface pressure of the first block copolymer layer is 10 mN/m and 12 mN/m The second block copolymer layer formed a vertical lamellar structure, which is a PS-b-PMMA nanoregion oriented perpendicular to the substrate, as shown in the second row of FIG. 6A (a) and (d), PNM It was confirmed that both the 58nm and PNM 70nm coating layers did not form a vertical lamellar structure even at a surface pressure of 10 mN/m and 15 mN/m.

따라서, PNM 코팅층에 형성된 점 패턴의 평균 직경 변화는 수직 라멜라형 구조체를 형성하는 표면압 윈도우에 영향을 미침을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the change in the average diameter of the dot pattern formed on the PNM coating layer affects the surface pressure window forming the vertical lamellar structure.

한편, 도 6b는 실시예 1-5의 블록 공중합체로서, 수평균분자량이 45,000-b-49,000 g/mol인 PS-b-P2VP로 수직 배향된 블록 공중합체 필름의 SEM 사진이다.Meanwhile, FIG. 6b is a SEM photograph of the block copolymer film of Example 1-5, vertically oriented with PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 45,000-b-49,000 g/mol.

한편, 도 6a의 (b), (c), (e), 및 (f)는 실시예 2-1 내지 2-3의 PNM58nm 및 실시예 3-1 내지 3-3의 PNM70nm 코팅층의 GISAXS 1D 데이터이며, 이와 관련해서는 하기 실험예 2에서 상세히 설명하기로 한다. On the other hand, (b), (c), (e), and (f) of Figure 6a are GISAXS of the PNM 58nm coating layer of Examples 2-1 to 2-3 and the PNM 70nm coating layer of Examples 3-1 to 3-3 1D data, which will be described in detail in Experimental Example 2 below.

실험예 2: 스침각 입사 소각 X-선 산란(GISAXS) 측정Experimental Example 2: Grazing angle incident small angle X-ray scattering (GISAXS) measurement

실시예의 PNM 코팅층 상에 수직으로 형성된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는 제2 블록공중합체층의 내부 나노 구조를 알아보기 위해, 기판에 대해 수직하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역인 수직 라멜라형 구조체에 대한 입사각을 변화시켜 스침각 입사 소각 X-선 산란(GISAXS) 분석을 수행하였다.In order to investigate the internal nanostructure of the second block copolymer layer including the block copolymer nanoregion formed vertically on the PNM coating layer of the embodiment, the vertical lamellar structure, which is the block copolymer nanoregion oriented perpendicular to the substrate, Grazing angle incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) analysis was performed by varying the angle of incidence.

GISAXS 측정은 한국 포항 가속기 연구소(PAL)의 PLS-II 9A U-SAXS 빔라인에서 수행되었다. GISAXS 측정에서, X-선의 에너지는 11.025 keV(파장, λ = 1.12454 Å)이었고, 입사각은 0.06로부터 0.17°까지 변화시켰고, 샘플과 디텍터 간의 거리는 PNM 코팅층에 형성된 패턴에 대해 6367.87 mm, PS-b-PMMA 막(제2 블록 공중합체층)에 대해 4444.63 mm였다. 산란 패턴은 2D CCD 디텍터(SX-165, Rayonix)를 사용하여 수집되었다.GISAXS measurements were performed on the PLS-II 9A U-SAXS beamline at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL), Korea. In the GISAXS measurement, the energy of X-rays was 11.025 keV (wavelength, λ = 1.12454 Å), the angle of incidence was varied from 0.06 to 0.17°, and the distance between the sample and the detector was 6367.87 mm for the pattern formed on the PNM coating layer, PS-b- 4444.63 mm for the PMMA membrane (second block copolymer layer). Scatter patterns were collected using a 2D CCD detector (SX-165, Rayonix).

참고로, 상기 GISAXS는 재료의 임계 각도(11 keV에서 PS-b-PMMA에 대해 약 ≒0.12°)보다 낮은 입사각에서는 표면에 대한 정보를 제공하고, 임계 각도보다 높은 입사각에서는 막의 관통된 부분에 대한 정보를 제공한다. 따라서, 0.06 내지 0.17°의 GISAXS의 입사각을 점진적으로 변화시킴에 따른 제2 블록 공중합체층의 표면으로부터 기판까지의 상대적인 구조 정보를 얻었다.For reference, the GISAXS provides information on the surface at angles of incidence lower than the critical angle of the material (about ≒0.12° for PS-b-PMMA at 11 keV), and at angles of incidence higher than the critical angle for the penetrating portion of the membrane. provide information. Accordingly, relative structural information from the surface of the second block copolymer layer to the substrate was obtained by gradually changing the incidence angle of GISAXS of 0.06 to 0.17°.

<실시예 1-1 내지 1-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 측정><GISAXS measurement of block copolymer films of Examples 1-1 to 1-3>

도 5는 (a) PNM47nm 코팅층 상에 수직으로 형성된 PS-b-PMMA 나노 영역(라멜라형 구조체)에 대한 예상 단면 사진, (b) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름의 스침각 입사 소각 X-선 산란(GISAXS) 2D 데이터, (c) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 2D 데이터, (d) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 2D 데이터, (e) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-1의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일, (f) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일, 및 (g) 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 프로파일이다.5 is (a) an expected cross-sectional photograph of a PS-b-PMMA nanoregion (lamellar structure) formed vertically on a PNM 47nm coating layer, (b) Example 1-1 at various angles of incidence of 0.06 to 0.17°; Grazing Angle Incident Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) of Block Copolymer Films 2D data, (c) GISAXS 2D data of the block copolymer film of Examples 1-2 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°, (d) Block aerials of Examples 1-3 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17° GISAXS 2D data of the copolymer film, (e) GISAXS 1D profile of the block copolymer film of Example 1-1 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°, (f) Example 1- at various angles of incidence from 0.06 to 0.17° GISAXS 1D profile of the block copolymer film of 2, and (g) GISAXS 1D profile of the block copolymer film of Examples 1-3 at various angles of incidence from 0.06 to 0.17°.

모든 막과 입사각에 대해 1:2:3:… 비율을 가진 대칭적이고 주기적인 수직 줄무늬가 나타났고, 이는 수직 라멜라형 구조체가 막 표면으로부터 기판까지 완전히 발달되었음을 나타낸다. GISAXS 2D 데이터 중 일부는 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)의 적색 화살표로 표시된 낮은 q에서의 추가적인 산란 피크를 나타내었다. 이들 추가적인 피크는 단지 더 높은 입사각에서만 나타나며, 기판 부근에 특정 구조가 존재한다는 것을 의미한다.1:2:3:… for all films and angles of incidence. Symmetrical periodic vertical stripes with proportions appeared, indicating that the vertical lamellar structures were fully developed from the film surface to the substrate. Some of the GISAXS 2D data showed additional scattering peaks at low q indicated by the red arrows in FIGS. 5(b) and 5(c). These additional peaks only appear at higher angles of incidence, indicating the presence of specific structures in the vicinity of the substrate.

도 5의 (e) 내지 (g)에서 알 수 있는 바와 같이, 수직 라멜라형 구조체로부터의 피크를 제외한 추가적인 피크는 더 높은 입사각으로 갈수록 강해지고, 그 하부의 PNM47nm 코팅층의 패턴으로부터의 피크와 1:

Figure 112019089251638-pat00002
(루트 3)의 비율로 정확하게 일치한다는 것이 발견되었다. 이 결과로부터, 수직 라멜라형 구조체는 표면으로부터 기판까지 완전히 전파되었고, 또한 코팅 및 열처리 후에도 여전히 PNM 코팅층의 패턴이 그 구조를 유지한다는 것이 확인되었다.As can be seen from (e) to (g) of Figure 5, additional peaks except for the peak from the vertical lamellar structure become stronger as the angle of incidence increases, and the peak from the pattern of the PNM 47nm coating layer below it and 1 :
Figure 112019089251638-pat00002
(Route 3) was found to be an exact match. From this result, it was confirmed that the vertical lamellar structure completely propagated from the surface to the substrate, and the pattern of the PNM coating layer still maintained the structure even after coating and heat treatment.

<실시예 2-1 내지 2-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 측정><GISAXS measurement of block copolymer films of Examples 2-1 to 2-3>

한편, 도 6a의 (b)는 PNM58nm 코팅층의 GISAXS 1D 데이터이고, (c) 표면압 10 m/Nm에서 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 2-2의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 데이터이며, (e) PNM70nm 코팅층의 GISAXS 1D 데이터이고, (f) 표면압 10 m/Nm에서 0.06 내지 0.17°의 다양한 입사각에서의 실시예 3-3의 블록 공중합체 필름의 GISAXS 1D 데이터이다.On the other hand, (b) of Figure 6a is GISAXS 1D data of the PNM 58nm coating layer, (c) GISAXS 1D of the block copolymer film of Example 2-2 at various incident angles of 0.06 to 0.17° at a surface pressure of 10 m/Nm data, (e) GISAXS 1D data of the PNM 70 nm coating layer, and (f) GISAXS 1D data of the block copolymer film of Example 3-3 at various incident angles of 0.06 to 0.17° at a surface pressure of 10 m/Nm.

도 6a의 (b) 및 (e)의 GISAXS 분석에 나타낸 바와 같이, PNM58nm 및 PNM70nm에 대한 표면압 1 mN/m에서의 GISAXS 1D 데이터로부터 15 mN/m에서의 GISAXS 1D 데이터까지, PNM58nm 및 PNM70nm의 산란 피크는 육각형 정렬의 전형적인 피크 비율(1:

Figure 112019089251638-pat00003
)을 명확히 나타내었으며, 그의 1차 피크 위치는 감소된 격자 크기를 나타내며 점차적으로 더 높은 q 범위로 증가하였다. 15 mN/m보다 높은 π에 대한 GISAXS 1D 데이터에서, PNM58nm 및 PNM70nm의 넓은 산란 피크는 정사각형 정렬의 전형적인 피크 비율(1:
Figure 112019089251638-pat00004
)를 나타냈다.As shown in the GISAXS analysis of Figure 6a (b) and (e), from the GISAXS 1D data at 1 mN/m of surface pressure for PNM 58 nm and PNM 70 nm to the GISAXS 1D data at 15 mN/m, PNM 58 nm and the scattering peak of PNM 70nm has a typical peak ratio of hexagonal alignment (1:
Figure 112019089251638-pat00003
), and its primary peak position showed a decreased lattice size and gradually increased to a higher q range. In the GISAXS 1D data for π higher than 15 mN/m, the broad scattering peaks of PNM 58 nm and PNM 70 nm show a typical peak ratio of square alignment (1:
Figure 112019089251638-pat00004
) was shown.

한편, 도 6a의 (c)및 (f)에서 알 수 있는 바와 같이, PNM 코팅층에서 형성된 점 패턴의 평균 직경 변화는 수직 라멜라형 구조체의 내부 구조에는 영향을 미치지 않았다. On the other hand, as can be seen from (c) and (f) of Figure 6a, the change in the average diameter of the dot pattern formed in the PNM coating layer did not affect the internal structure of the vertical lamellar structure.

구체적으로, 실시예 2-2, 및 실시예 3-3의 블록 공중합체 필름에 형성된 수직 라멜라형 구조체는 표면으로부터 기판으로 완전히 전파되었고, 코팅 및 열처리 후에도 여전히 PNM 코팅층의 패턴이 그 구조를 유지한다는 것이 확인되었다.Specifically, the vertical lamellar structures formed on the block copolymer films of Examples 2-2 and 3-3 were completely propagated from the surface to the substrate, and the pattern of the PNM coating layer still maintained its structure even after coating and heat treatment. that was confirmed

실험예 3: 물 접촉각 측정Experimental Example 3: Water contact angle measurement

우선, 실시예 1 내지 3에서 얻은 PNM 코팅층의 물 접촉각을 측정하였고, 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 PNM 코팅층 상의 물 접촉각의 변화를 관찰하였다. 상기 물 접촉각은 KRUSS DSA100 장비로 측정하였다.First, the water contact angle of the PNM coating layer obtained in Examples 1 to 3 was measured, and the change in the water contact angle on the PNM coating layer according to the surface pressure of the first block copolymer layer was observed. The water contact angle was measured with a KRUSS DSA100 instrument.

도 7은 (a) 제1 블록 공중합체층의 표면압에 따른 PNM 코팅층 상의 물 접촉각의 변화를 나타낸 그래프, (b) PNM 코팅층에 형성된 점 상기 점 패턴의 직경(a)/패턴의 중심간 거리(dc-c)에 대한 접촉각 변화를 나타낸 그래프, 및 (c) PS-b-PMMA 나노 영역(라멜라형 구조체)의 도메인 배향과 PNM 코팅층의 도메인 간격 비율의 관계를 나타낸 그래프이다.7 is (a) a graph showing the change in the water contact angle on the PNM coating layer according to the surface pressure of the first block copolymer layer, (b) the point formed on the PNM coating layer The diameter of the dot pattern (a) / The distance between the centers of the pattern ( d cc ) is a graph showing the change in contact angle, and (c) a graph showing the relationship between the domain orientation of the PS-b-PMMA nano region (lamellar structure) and the domain spacing ratio of the PNM coating layer.

구체적으로 살펴보면, 도 7의 (a)에서 알 수 있는 바와 같이, PNM47nm, PNM58nm 및 PNM70nm 코팅층의 접촉각은 제1 블록 공중합체층의 표면압을 변화시킴으로써 점차적으로 제어되었고, PNM 코팅층이 형성되지 않은 노출된 Si 기판의 접촉각은 약 40°였다. Specifically, as can be seen from (a) of Figure 7 , the contact angles of the PNM 47nm , PNM 58nm and PNM 70nm coating layers were gradually controlled by changing the surface pressure of the first block copolymer layer, and the PNM coating layer was not formed. The contact angle of the unexposed Si substrate was about 40°.

육각형 형태로 정렬된 PNM 코팅층의 패턴(PNM47nm의 경우 1 내지 12 mN/m, PNM58nm 및 PNM70nm의 경우 1 내지 15 mN/m)의 접촉각은 제1 블록 공중합체층의 표면압 증가와 함께 균일하게 증가하는 반면, 정사각형 배열의 PNM 코팅층의 패턴(PNM47nm의 경우 15 내지 30 mN/m, PNM58nm 및 PNM70nm의 경우 20 내지 30 mN/m)의 접촉각은 불규칙하게 분산되었다.Pattern of the PNM coating layer arranged in a hexagonal form a contact angle (when the PNM 47nm 1 to 12 mN / m, PNM 58nm and PNM for 70nm 1 to 15 mN / m) is uniform with the surface increases pressure of the copolymer layer first block increases, the contact angle of the coating layer of a square array pattern PNM (PNM for 47nm 15 to 30 mN / m, when the PNM 58nm and 70nm PNM 20 to 30 mN / m) of was irregularly dispersed while.

또한, 도 7의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이, 육각형으로 정렬된 영역(PNM47nm의 경우 1 내지 12 mN/m, PNM58nm 및 PNM70nm의 경우 1 내지 15 mN/m)의 PNM 패턴이 선택되었고, 표준화된 변수의 함수, a/dc-c로서 Cassie 식을 사용하여 그의 접촉각을 비교하였다(dc-c는 PNM의 점 사이의 중심 간 거리이고, a는 그의 평균 직경임). 상기 PNM 코팅층의 접촉각은 하기 식 1의 Cassie 식에 의해 예상된 이론값과 잘 일치함을 확인하였다.In addition, as can be seen from (b) of FIG. 7, the PNM pattern of the hexagonally aligned region (1 to 12 mN/m for PNM 47 nm, 1 to 15 mN/m for PNM 58 nm and PNM 70 nm) is Their contact angles were compared using the Cassie equation as a function of the selected, standardized variable, a/d cc (d cc is the center-to-center distance between points of the PNM, and a is its mean diameter). It was confirmed that the contact angle of the PNM coating layer was in good agreement with the theoretical value expected by the Cassie equation of Equation 1 below.

<식 1><Equation 1>

Figure 112019089251638-pat00005
Figure 112019089251638-pat00005

상기 식 1에서, In Equation 1 above,

f PS f P2VP 는 각각 PNM코팅층에 포함하는 점 패턴의PS 소수성 응집체의 면적비 및 P2VP친수성 사슬 분자들의 면적비이고, f PS and f P2VP are the area ratio of PS hydrophobic aggregates and the area ratio of P2VP hydrophilic chain molecules of the dot pattern included in the PNM coating layer, respectively,

θ PS θ P2VP 는 각각 PS 또는 P2VP로 구성된 화학적으로 균질한 기판 상의 Young 접촉각(Young contact angles)이며, θ PS and θ P2VP are Young contact angles on a chemically homogeneous substrate composed of PS or P2VP, respectively,

θ PNM 은 PNM 코팅층의 유효 접촉각이다. θ PNM is the effective contact angle of the PNM coating layer.

도 7의 (c)에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 기판에 대해 수직하게 배향된 제2 블록 공중합체 나노 영역의 도메인 간격은 상기 PNM 코팅층의 도메인 간격과 밀접한 관계를 가짐을 확인하였다. 구체적으로, 상기 제2 블록 공중합체 나노 영역인 라멜라형 구조체의 도메인 간격(DL)이 PNM 코팅층의 도메인 간격(DPNM)보다 더 작을 경우 기판에 대해 라메라형 구조체가 수직하게 배향되었다. As can be seen from (c) of FIG. 7 , it was confirmed that the domain spacing of the second block copolymer nanoregion oriented perpendicular to the substrate had a close relationship with the domain spacing of the PNM coating layer. Specifically, when the domain spacing (D L ) of the lamellar structure, which is the second block copolymer nano region, was smaller than the domain spacing (D PNM ) of the PNM coating layer, the lamellar structure was vertically oriented with respect to the substrate.

구체적으로, 상기 DL이 약 28 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 55 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었고, 상기 DL이 약 45 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 90 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었고, 상기 DL이 약 54 nm인 경우, 상기 DPNM은 약 120 nm 이하에서 수직 라멜라형 구조체가 배향되었음을 확인하였다. Specifically, when the D L is about 28 nm, the D PNM has a vertical lamellar structure oriented at about 55 nm or less, and when the D L is about 45 nm, the D PNM is vertical at about 90 nm or less The lamellar structure was oriented, and when the D L was about 54 nm, the D PNM confirmed that the vertical lamellar structure was oriented at about 120 nm or less.

실험예 4: 다양한 기판의 적용 가능성 확인Experimental Example 4: Confirmation of applicability of various substrates

실시예 1-2와 같이 제1 블록 공중합체로서 수평균분자량이 18,000-b-9,000 g/mol인 PS-b-P2VP, 및 제 2 블록 공중합체로서 수평균분자량이 52,000-b-52,000 g/mol인 PS-b-PMMA를 사용하여 다양한 기판의 적용 가능성을 확인하기 위해, Si 기판 외에도 Al2O3, HfO2, ITO, Mo, Ni, Si3N4, TiO2, W, ZnO2, Au, 폴리이미드(PI), Pt, Ta, 및 TaN 등의 기판을 이용하여 블록 공중합체 필름을 제조하였다. 이렇게 얻어진 각각의 블록 공중합체 필름의 표면을 SEM 사진으로 확인하여 상기 다양한 기판에 대해 수직하게 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역(수직 라멜라형 구조체)이 생성되었는지의 여부를 관찰하였다. As in Example 1-2, PS-b-P2VP having a number average molecular weight of 18,000-b-9,000 g/mol as a first block copolymer, and a number average molecular weight of 52,000-b-52,000 g/mol as a second block copolymer To confirm the applicability of various substrates using mol PS-b-PMMA, in addition to Si substrates, Al 2 O 3 , HfO 2 , ITO, Mo, Ni, Si 3 N 4 , TiO 2 , W, ZnO 2 , A block copolymer film was prepared using a substrate such as Au, polyimide (PI), Pt, Ta, and TaN. The surface of each block copolymer film thus obtained was confirmed by SEM photographs to observe whether PS-b-PMMA nanoregions (vertical lamellar structures) oriented perpendicular to the various substrates were generated.

도 8의 (a)는 다양한 기판 상에 수평균분자량이 52,000-b-52,000 g/mol인 PS-b-PMMA를 이용하여 형성된 실시예 1-3의 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진이다. 도 8의 (a)에서 알 수 있는 바와 같이, Si 기판 외에도 상기 14개의 다양한 기판을 적용하여 PNM 코팅층 상에 수직하게 배향된 PS-b-PMMA 나노 영역이 성공적으로 생성 되었음을 확인할 수 있다. Figure 8 (a) is a SEM photograph of the surface of the block copolymer film of Example 1-3 formed using PS-b-PMMA having a number average molecular weight of 52,000-b-52,000 g/mol on various substrates. As can be seen from (a) of FIG. 8 , it can be confirmed that PS-b-PMMA nanoregions oriented vertically on the PNM coating layer were successfully created by applying the 14 various substrates in addition to the Si substrate.

도 8의 (b)는 상기 도 8의 (a)와 같이 다양한 기판에 대한 물 접촉각을 나타낸 그래프이다. 도 8의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이, 다양한 기판의 표면 에너지를 제어하여 PNM 코팅층의 물 접촉각을 약 80°로 조정할 수 있음을 확인하였다. FIG. 8(b) is a graph showing water contact angles with respect to various substrates as shown in FIG. 8(a). As can be seen in FIG. 8(b), it was confirmed that the water contact angle of the PNM coating layer can be adjusted to about 80° by controlling the surface energy of various substrates.

한편, 도 8의 (c)는 유리 피펫의 곡면 상에 PNM47nm, 코팅층(표면압: 10 mN/m), 및 후속적인 BCP 나노 패턴 형성 가능성을 나타낸 SEM 사진이다. 도 8의 (c)에서 알 수 있는 바와 같이, 유리 피펫의 곡면 상에 PNM 코팅층, 및 상기 PNM 코팅층 상에 제2 블록 공중합체층(나노 패턴)을 성공적으로 형성함으로써, 3차원(3D) 기판에도 본 발명의 제조방법을 용이하게 적용할 수 있음을 확인하였다.On the other hand, (c) of FIG. 8 shows PNM 47 nm, a coating layer (surface pressure: 10 mN/m), and SEM images showing the possibility of subsequent BCP nanopattern formation. As can be seen from (c) of FIG. 8, by successfully forming a PNM coating layer on the curved surface of a glass pipette, and a second block copolymer layer (nano-pattern) on the PNM coating layer, even on a three-dimensional (3D) substrate It was confirmed that the manufacturing method of the present invention can be easily applied.

나아가, 도 8의 (d)는 표면압 10mN/m에서 PNM47nm 코팅된 AFM 팁 및 캔틸레버의 SEM 사진으로서, PNM 코팅층이 원자간력 현미경(atomic force microscope, AFM) 캔틸레버(cantilever)의 에지에 각을 이루는 표면 및 AFM 팁의 서브 마이크론 크기의 3D 피쳐를 포함하는, 보다 정교한 3D 구조에서도 효과적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.Furthermore, (d) of FIG. 8 is an SEM photograph of an AFM tip and a cantilever coated with PNM 47 nm at a surface pressure of 10 mN/m, wherein the PNM coating layer is at the edge of an atomic force microscope (AFM) cantilever. It was confirmed that it can be effectively applied to more sophisticated 3D structures, including the sub-micron-sized 3D features of the surface forming the AFM tip.

실험예 4: 계층형 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 측정 Experimental Example 4: SEM measurement of the layered block copolymer film surface

실시예 4에서 형성된 계층형 블록 공중합체 필름 표면의 SEM을 측정하였다. PNM 코팅층을 패터닝하고, 상기 패터닝된 PNM 코팅층에 제2 블록 공중합체층이 형성된 계층형 블록 공중합체 필름의 제조방법을 설명하는 모식도를 도 9의 (a)에 나타내었고, 산소 플라즈마 처리 또는 UV 처리된 영역, 및 쉐도우 마스크로 보호된 영역에 따라 선택적으로 패터닝된 PNM 코팅층 표면, 및 상기 패터닝된 PNM 코팅층을 이용하여 형성된 계층형 블록 공중합체 필름 표면의 SEM 사진을 각각 도 9의 (b) 및 (c)에 나타내었다.The SEM of the surface of the layered block copolymer film formed in Example 4 was measured. A schematic diagram illustrating a method for manufacturing a hierarchical block copolymer film in which the PNM coating layer is patterned and the second block copolymer layer is formed on the patterned PNM coating layer is shown in FIG. 9 (a), and oxygen plasma treatment or UV treatment SEM images of the surface of the PNM coating layer selectively patterned according to the region and the region protected by the shadow mask, and the surface of the layered block copolymer film formed using the patterned PNM coating layer are shown in FIGS. 9 (b) and (c), respectively. ) is shown.

도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 쉐도우 마스크를 이용하여 선택적인 산소 플라즈마 처리에 의해 패터닝된 PNM 코팅층을 생성하였음을 확인하였다. As shown in (b) of FIG. 9 , it was confirmed that a patterned PNM coating layer was generated by selective oxygen plasma treatment using a shadow mask.

또한, 도 9의 (c)에 나타낸 바와 같이, PS-b-PMMA 나노 영역은 쉐도우 마스크로 보호된 PNM 코팅층 상에 수직하게 배향된 반면, 산소 플라즈마 처리된 영역에는 평행한 나노 영역을 형성함으로써, 계층형 나노 패턴(계층형 블록 공중합체 필름)을 형성할 수 있음을 확인하였다. In addition, as shown in Fig. 9(c), the PS-b-PMMA nano-regions were vertically oriented on the PNM coating layer protected by the shadow mask, whereas parallel nano-regions were formed in the oxygen plasma-treated region, It was confirmed that a layered nanopattern (layered block copolymer film) could be formed.

Claims (23)

1) 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계,
2) 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계; 및
3) 상기 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 블록 공중합체가 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록을 포함하고,
상기 제1 블록 공중합체의 친수성 단위체 블록이 상기 제1 블록 공중합체의 전체 수평균분자량에 대해 25 % 이상의 수평균분자량 분율을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
1) adding a solution containing the first block copolymer to water and interfacial self-assembly (ISA) of the first block copolymer at an air/water interface to form an interfacial self-assembled first block copolymer layer;
2) transferring a part or all of the first block copolymer layer on a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer; and
3) coating a solution containing a second block copolymer on the polymer nanomosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer,
The first block copolymer comprises a hydrophilic unit block and a hydrophobic unit block,
The method for producing a block copolymer film, wherein the hydrophilic unit block of the first block copolymer has a number average molecular weight fraction of 25% or more with respect to the total number average molecular weight of the first block copolymer.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 블록 공중합체층이 1 mN/m 내지 30 mN/m의 표면압을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The first block copolymer layer having a surface pressure of 1 mN / m to 30 mN / m, a method for producing a block copolymer film.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 블록 공중합체층이 1 mN/m 내지 15 mN/m의 표면압을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The first block copolymer layer having a surface pressure of 1 mN / m to 15 mN / m, a method for producing a block copolymer film.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 친수성 단위체 블록이 3,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 수평균분자량을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a block copolymer film, wherein the hydrophilic unit block has a number average molecular weight of 3,000 g / mol to 200,000 g / mol.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 블록 공중합체층이 상기 소수성 단위체 블록으로부터 유도된 점 패턴의 소수성 응집체; 및 상기 친수성 단위체 블록으로부터 유도된, 상기 소수성 응집체에 연결된 복수개의 친수성 사슬 분자를 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
a hydrophobic aggregate of the first block copolymer layer having a dot pattern derived from the hydrophobic unit block; and a plurality of hydrophilic chain molecules derived from the hydrophilic unit block and linked to the hydrophobic aggregate.
제 6 항에 있어서,
상기 점 패턴의 소수성 응집체가 20 nm 내지 300 nm의 평균직경을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The method for producing a block copolymer film, wherein the hydrophobic aggregate of the dot pattern has an average diameter of 20 nm to 300 nm.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 블록 공중합체가 1 내지 3의 다분산 지수(PDI)를 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The first block copolymer having a polydispersity index (PDI) of 1 to 3, a method for producing a block copolymer film.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 블록 공중합체가 2개의 서로 다른 단위체 블록을 포함하고,
상기 단위체 블록에서 한 단위체 블록의 다른 단위체 블록에 대한 수평균분자량 분율이 60 % 이하인, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The second block copolymer comprises two different unit blocks,
The method for producing a block copolymer film, wherein the number average molecular weight fraction of one unit block to another unit block in the unit block is 60% or less.
제 9 항에 있어서,
상기 제2 블록 공중합체가 5,000 g/mol 내지 200,000 g/mol의 수평균분자량을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The second block copolymer having a number average molecular weight of 5,000 g / mol to 200,000 g / mol, a method for producing a block copolymer film.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 블록 공중합체가 1 내지 2.5의 다분산 지수(PDI)를 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The second block copolymer has a polydispersity index (PDI) of 1 to 2.5, a method of producing a block copolymer film.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 블록 공중합체 및 제2 블록 공중합체가 각각 폴리스티렌-블록-폴리(메틸메타크릴레이트)(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)(PS-b-PEO), 폴리스티렌-블록-폴리디메틸실록세인(PS-b-PDMS), 폴리스티렌-블록-폴리(2-비닐피리딘)(PS-b-P2VP) 및 폴리스티렌-블록-폴리(4-비닐피리딘)(PS-b-P4VP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The first block copolymer and the second block copolymer are polystyrene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PMMA), polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS-b-PEO), respectively; Polystyrene-block-polydimethylsiloxane (PS-b-PDMS), polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP) and polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-b) -P4VP) comprising at least one selected from the group consisting of, a method for producing a block copolymer film.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 1) 및 2) 각각에 사용되는 용액이 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 1,2-디클로로에탄, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 벤젠, 톨루엔, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드 및 디메틸아세트아미드로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The solutions used in each of steps 1) and 2) are chloroform, methylene chloride, 1,2-dichloroethane, chlorobenzene, dichlorobenzene, benzene, toluene, acetone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and dimethyl A method for producing a block copolymer film, comprising at least one solvent selected from the group consisting of acetamide.
제 1 항에 있어서,
상기 계면자기조립이 5초 내지 60분 동안 용액 중의 용매를 증발시켜 이루어지는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a block copolymer film, wherein the interfacial self-assembly is made by evaporating the solvent in the solution for 5 seconds to 60 minutes.
제 1 항에 있어서,
상기 폴리머나노모자이크 코팅층이 60 ° 내지 90 °의 물 접촉각을 갖고, 20 dyne/cm 내지 40 dyne/cm의 표면 에너지를 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The polymer nano-mosaic coating layer has a water contact angle of 60 ° to 90 °, and has a surface energy of 20 dyne / cm to 40 dyne / cm, a method for producing a block copolymer film.
제 1 항에 있어서,
상기 기판이 금속, 금속 산화물, 세라믹 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 2차원 기판 또는 3차원 기판인, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a block copolymer film, wherein the substrate is a two-dimensional or three-dimensional substrate comprising at least one selected from the group consisting of metal, metal oxide, ceramic and polymer.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅이 스핀코팅, 바코팅, 딥코팅 또는 롤코팅에 의해서 수행되는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a block copolymer film, wherein the coating is performed by spin coating, bar coating, dip coating or roll coating.
제 1 항에 있어서,
상기 열처리가 120 ℃ 내지 250 ℃에서 10 분 내지 30 시간 동안 수행되는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The method for producing a block copolymer film, wherein the heat treatment is performed at 120 ° C to 250 ° C for 10 minutes to 30 hours.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 블록 공중합체층이 상기 기판에 대해 수직으로 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
The method of claim 1,
The second block copolymer layer comprising a block copolymer nano-regions oriented perpendicular to the substrate, a method for producing a block copolymer film.
1') 물에 제1 블록 공중합체를 포함하는 용액을 첨가하고 공기/물 계면에서 상기 제1 블록 공중합체를 계면자기조립(ISA)시켜 계면자기조립된 제1 블록 공중합체층을 형성하는 단계,
2') 상기 제1 블록 공중합체층의 일부 또는 전부를 기판 상에 옮겨 폴리머나노모자이크(PNM) 코팅층을 형성하는 단계;
3') 상기 폴리머나노모자이크 코팅층을 패터닝하는 단계; 및
4') 상기 패터닝된 폴리머나노모자이크 코팅층 상에 제2 블록 공중합체를 포함하는 용액을 코팅하고 열처리하여 자기조립된 제2 블록 공중합체층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 블록 공중합체가 친수성 단위체 블록 및 소수성 단위체 블록을 포함하고,
상기 제1 블록 공중합체의 친수성 단위체 블록이 상기 제1 블록 공중합체의 전체 수평균분자량에 대해 25 % 이상의 수평균분자량 분율을 갖는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
1') adding a solution containing the first block copolymer to water and interfacial self-assembly (ISA) of the first block copolymer at an air/water interface to form an interfacial self-assembled first block copolymer layer;
2') transferring a part or all of the first block copolymer layer onto a substrate to form a polymer nanomosaic (PNM) coating layer;
3') patterning the polymer nano-mosaic coating layer; and
4') coating a solution containing a second block copolymer on the patterned polymer nanomosaic coating layer and heat-treating to form a self-assembled second block copolymer layer,
The first block copolymer comprises a hydrophilic unit block and a hydrophobic unit block,
The method for producing a block copolymer film, wherein the hydrophilic unit block of the first block copolymer has a number average molecular weight fraction of 25% or more with respect to the total number average molecular weight of the first block copolymer.
제 20 항에 있어서,
상기 패터닝이 산소 플라즈마 처리 또는 UV 처리에 의해 에칭 방식으로 수행되는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
21. The method of claim 20,
The method for producing a block copolymer film, wherein the patterning is performed in an etching manner by oxygen plasma treatment or UV treatment.
제 21 항에 있어서,
상기 제2 블록 공중합체층이 상기 에칭된 폴리머나노모자이크 코팅층 상에는 기판에 대해 평행하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하고, 상기 에칭되지 않은 폴리머나노모자이크 코팅층 상에는 기판에 대해 수직하게 배향된 블록 공중합체 나노 영역을 포함하는, 블록 공중합체 필름의 제조방법.
22. The method of claim 21,
The second block copolymer layer includes a block copolymer nanoregion oriented parallel to the substrate on the etched polymer nanomosaic coating layer, and a block copolymer oriented perpendicular to the substrate on the unetched polymer nanomosaic coating layer A method for producing a block copolymer film comprising a nano region.
제 1 항 또는 제 20 항에 따라 제조된, 블록 공중합체 필름.A block copolymer film prepared according to claim 1 or 20 .
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Title
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등록특허공보 제10-0930966호(2009. 12. 10.) 1부.*

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