Understanding the Structural and Interfacial Behavior of Polymer Thin Films under Solvent Interactions : From Chain Adsorption to Block Copolymer Nanopatterns = 용매 상호작용에 의한 고분자 박막의 구조 및 계면 거동에 대한 이해

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polymer thin films exhibit properties distinct from bulk materials due to confinement and interfacial effects. Under solvent exposure, polymer chains undergo rearrangement driven by changes in chain mobility and interfacial interactions. However, solvent-induced behavior in nanometer-thick films remains difficult to understand because of the complexity of interfacial phenomena under confinement. This dissertation investigates the structural and interfacial behavior of polymer thin films under solvent interactions, focusing on polymer adsorption layers formed at solid substrates. Solvent vapor annealing was used to examine homopolymer adsorption layers with controlled thicknesses. The results show that solvent-induced structural responses strongly depend on adsorption-layer thickness, and that solvent exposure can induce chain rearrangement and modify interfacial structure in ultrathin layers. This study further extends the investigation from homopolymer adsorption layers to block copolymer nanopattern systems. The morphology transformation of block copolymer surface micelles under solvent immersion was analyzed, demonstrating that solvent–polymer–substrate interactions govern the reorganization of block copolymer nanostructures. Overall, this dissertation provides insight into solvent-induced interfacial rearrangement in polymer thin films and offers a framework for understanding and controlling interfacial structure and nanoscale organization using solvent-based processing.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 용매 상호작용 하에서 고분자 박막이 보이는 구조적 및 계면 거동을 이해하는 것을 목적으로 한다. 고분자 박막은 공간적 구속과 계면 효과로 인해 벌크와는 상이한 물성을 나타내며, 특히 용매에 노출될 경우 사슬 이동성과 계면 구조가 크게 변화한다. 그러나 나노미터 두께의 박막에서 용매에 의해 유도되는 사슬 재배열과 계면 구조 변화를 정량적으로 해석하는 데에는 여전히 많은 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 용매 조건 하에서 고분자–기판 계면에서 형성되는 고분자 흡착층의 구조 변화에 주목하였다. 먼저, 용매 증기 어닐링 공정을 이용하여 단일 중합체 흡착층의 두께와 구조적 응답을 체계적으로 분석하였다. 그 결과, 흡착층의 두께에 따라 용매에 대한 반응이 달라지며, 특히 수 나노미터 이하의 초박막 흡착층에서는 용매에 의해 사슬의 재배열이 유도되고 계면 구조가 변화함을 확인하였다. 이러한 변화는 표면 젖음성뿐만 아니라 상부 고분자층의 사슬 동역학 및 유리전이 거동에도 영향을 미침을 보였다. 더 나아가 본 논문은 단일 중합체 흡착층에 대한 연구를 블록 공중합체 나노패턴 시스템으로 확장하였다. 용매 침지 조건에서 블록 공중합체 표면 마이셀이 재배열 및 형태 전이를 보이는 현상을 분석하였으며, 분자량 및 블록 조성에 따른 구조 변화 거동을 체계적으로 정리하였다. 이를 통해 용매–고분자–기판 간 상호작용이 나노패턴 형성 과정에서 중요한 역할을 한다는 점을 제시하였다. 종합적으로 본 논문은 용매 조건 하에서 고분자 사슬 거동과 계면 구조 변화를 중심으로, 단일 중합체 흡착층과 블록 공중합체 나노패턴을 하나의 관점에서 포괄적으로 다룬다. 본 연구는 용매 공정을 활용한 고분자 박막의 계면 제어 및 나노구조 설계에 대한 기초적인 이해를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables xiv
• Chapter 1. Background
• 1.1. Polymer Thin Films 1
• 1.2. Polymer–Solvent Interactions 4
• 1.3. Solvent Annealing for Polymer Thin Films 8
• Chapter 2. Solvent-Induced Polymer Chain Adsorption
• 2.1. Introduction 10
• 2.2. Experimental Methods 13
• 2.3. Results and Discussion
• 2.3.1. Thickness-Dependent Wettability Transition Induced by SVA 25
• 2.3.2. Structural Rearrangement of Polymer Adsorption Layers during SVA 34
• 2.3.3. SVA-Induced Changes in Substrate–Chain Interactions 42
• 2.3.4. Overall Mechanism of Chain Rearrangement under SVA 49
• 2.3.5. Effect of SVA-Modified Adsorption Layers on Chain Dynamics 66
• 2.4. Conclusion 76
• Chapter 3. BCP Surface Micelle Morphology Transformation
• 3.1. Introduction 78
• 3.2. Experimental Methods 81
• 3.3. Results and Discussion
• 3.3.1. General Splitting Behavior: Morphology Transformation of a Unit Pattern 87
• 3.3.2. General Splitting Behavior: Overall Order Transition of Patterns 98
• 3.3.3. Splitting Behavior by Mw and fP2VP 107
• 3.3.4. Mechanism: Solvent and Substrate Interactions 115
• 3.3.5. Surface micelles as a platform for versatile nanopattern fabrication 133
• 3.4. Conclusion 140
• Chapter 4. Conclusion 142
• Bibliography 144
• Abstract in Korean 153