Broadening Structural Versatility of Polymer Nanostructures in Thin Films via Interfacial and Confinement Effects = 계면 및 구속 효과를 통한 박막 고분자 나노구조의 다양성 확장

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Block copolymers (BCPs) can spontaneously form ordered domains only a few nanometers in size, making them highly attractive for device fabrication across diverse fields. Despite extensive efforts to exploit BCP self-assembly, particularly in thin films, practical application remains limited because strategies to precisely and efficiently control their nanostructures are difficult to establish.
Polymers in thin films exhibit markedly different behavior from their bulk counterparts. This disparity arises primarily from interfacial effects, which dominate in two-dimensional systems, and from geometric confinement, which imposes additional restrictions on chain mobility. As a result, understanding polymer thin films from a thermodynamic perspective is essential for controlling and designing desired nanostructures.

This dissertation addresses these challenges by integrating interfacial engineering, lattice manipulation, and polymer topology control to expand the structural and functional design space of polymer thin films. Chapter 2 introduces a frustrated interfacial self-assembled layer coating that neutralizes surface energies and induces perpendicular orientation of BCP domains. Chapter 3 demonstrates lattice engineering of sphere-forming BCPs under solvent vapor annealing, achieving transitions from hexagonal to orthorhombic and square lattices and enabling fabrication of alternating bimetallic nanodot arrays with enhanced hydrogen evolution activity. Chapter 4 explores integration with EUV lithography, using resist-defined guides to direct BCP assembly toward tip-to-tip structures beyond conventional morphologies. Chapter 5 investigates polymer topology as an entropic variable, providing the first direct experimental validation of topological entropy gain through chain threading.

국문 초록 (Abstract)

블록 공중합체는 수 나노미터 크기의 규칙적인 도메인을 자발적으로 형성할 수 있어 다양한 분야의 소자 제작에 매력적인 소재로 주목받고 있다. 그러나 특히 박막 형태에서의 자기조립을 활용하려는 많은 연구에도 불구하고, 나노구조를 정밀하고 효율적으로 제어할 수 있는 간단한 전략의 부재로 인해 실제 응용은 여전히 제한적이다.
박막 상태의 고분자는 벌크 상태와는 뚜렷이 다른 거동을 보인다. 이러한 차이는 주로 2차원 계에서 지배적인 계면 효과와, 고분자 사슬 운동성을 제한하는 기하학적 구속에 의해 발생한다. 따라서 고분자 박막을 열역학적 관점에서 이해하는 것은 원하는 나노구조를 설계하고 제어하는 데 필수적이다.
본 학위논문은 이러한 한계를 극복하기 위해 계면 공학, 격자 조절, 그리고 고분자 토폴로지 제어를 결합하여 박막 고분자의 구조적·기능적 설계 공간을 확장하는 전략을 제시한다. 제2장에서는 표면 에너지를 중화하여 블록 공중합체 도메인의 수직 배향을 유도하는 좌절된 계면 자기조립 층 코팅을 소개한다. 제3장에서는 구형 BCP를 용매 증기 어닐링으로 처리하여 육방정, 사방정, 정방정 격자 구조로의 전이를 구현하고, 이를 활용하여 수소 발생 반응 활성이 향상된 교차 배치된 이종 금속 나노점 배열을 제작한다. 제4장에서는 EUV 리소그래피와의 융합을 통해 레지스트 기반 가이드 패턴을 활용하여 기존 형태를 넘어서는 tip-to-tip 구조 형성을 탐구한다. 제5장에서는 고분자 토폴로지를 엔트로피 변수로 규명하고, 고리형–선형 혼합계에서의 사슬 꿰임(threading)을 통한 토폴로지 엔트로피 이득량을 최초로 실험적으로 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures v
• List of Tables xviii
• Chapter 1. Background 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.2. Purpose of Research 7
• Chapter 2. Interfacial engineering to control out-of-plane domain orientation 9
• 2.1. Introduction 9
• 2.2. Results and Discussion 12
• 2.3. Conclusion 56
• 2.4. Materials and Experiments 57
• Chapter 3. Lattice engineering to alter the in-plane structure 62
• 3.1. Introduction 62
• 3.2. Results and Discussion 65
• 3.3. Conclusion 101
• 3.4. Materials and Experiments 102
• Chapter 4. Combination with EUV lithography for tip-to-tip structure formation 106
• 4.1. Introduction 106
• 4.2. Results and Discussion 109
• 4.3. Conclusion 139
• 4.4. Materials and Experiments 140
• Chapter 5. Topological effect on interdiffusion phenomenon at polymer-polymer interface 142
• 5.1. Introduction 142
• 5.2. Results and Discussion 146
• 5.3. Conclusion 161
• 5.4. Materials and Experiments 169
• Chapter 6. Conclusions and Perspectives 172
• 6.1. Conclusions 172
• 6.2. Perspectives 174
• Bibliography 176
• Abstract in Korean 185
• Acknowledgement 186