한 가닥의 모발보다 얇은 초박막 고분자 필름(ultrathin polymer film)은 과학 및 공학계의 큰 관심거리로서, 예를 들면 보호 코팅(protective coatings)을 들 수 있다.

콘스탄츠대(University of Konstanz) 스테판 메킹(Stefan Mecking) 연구진은 최근 웨이퍼 두께의 플라스틱 구조를 제조할 수 있는 방법을 개발하였다. 연구진은 개개의 미리 제조된 나노결정(nanocrystal) 구축블록으로부터 필름을 제조하였다.

현재 많은 기술 응용 분야에서 고분자 재료가 사용되고 있으며, 고분자 박막재료은 실생활에서 다양하게 볼 수 있는데 대표적인 고분자 필름으로 배향막, 편광막, 반사방지필름과 같은 광학재료와 전자파 차폐필름, 백그라인드 필름, 콘덴서용 필름, 반도체 보호피막용 폴리이미드 등의 반도체용 필름, 그리고 생분해성의 친환경 필름 등이 있다. 이러한 재료들은 그 요구 특성에 맞추어 다른 물질의 표면과 접촉하며, 다양한 계면 현상을 나타내게 된다.

한편 최근 나노입자와 고분자를 이용하여 고분자 나노복합체 등의 다양한 연구가 수행되고 있는데, 이는 기능성 나노입자와 고분자의 결합기술을 통해 가볍고, 강하며 다양한 기능을 갖는 새로운 물질을 만들 수 있어, 기계적인 성질과 열적인 성질을 향상시킬 수 있기 때문이다. 하지만, 금번 보고서는 나노입자와 고분자의 조합을 통한 복합체의 제조가 아닌 나노결정을 제조한 후 이를 박막으로 형성시키는 방법을 다루고 있다.

초박막 고분자 필름(0.1 um이하의 필름)을 제조하는 기존의 방법은 유기 용매에 고분자를 희석하는 것으로 개시되며, 희석된 고분자 용액을 표면에 뿌려 건조시키는 과정을 거치게 된다. 일단 고체 고분자의 결정 구조를 깨뜨려 용액으로 제조하기 위해선 일반적으로 고온이 요구되며, 정렬된 결정 층은 용매가 제거 혹은 냉각된 후에 형성된다.

사실 이러한 방법은 일반적인 것이라 할 수 있는데, 과거 고분자를 물과 섞이지 않는 용매에 용해시킨 후, 계면활성제 용액을 첨가하고 초음파를 통해 고분자 용액이 함유된 안정한 미니-에멀젼을 제조하였다. 이후 용매가 증발되고 남은 물속의 안정한 고체 고분자 나노입자 분산액을 유리 혹은 실리콘 기질 위에 떨어뜨려 스핀-코팅을 통해 균일한 나노구조가 제조된 보고가 있었다.

이와 달리 메킹 연구진은 유기 용매 없이 상온에서 작동하는 전혀 다른 방법을 취하였다. 선택된 고분자는 폴리에틸렌(polyethylene)으로서, 간단한 화학 구조를 갖는 고분자이지만, 필름 및 포장 재료에서부터 기술적으로 중요한 요소 혹은 임플란트에 이르는 다양한 분야에 응용되고 있다. 폴리에틸렌은 생리학적으로 무해하고 친환경적이지만, 초박막 필름으로 제조하기가 어렵다는 단점을 갖고 있다.

니켈 착물을 이용한 에틸렌의 촉매 고분자 반응(catalytic polymerization)은 수용액에 분산된 결정 고분자 입자를 생성하게 된다. 이들은 1 nm 두께의 무정형 층으로 둘러싸인 25 X 6 nm의 결정 박판(lamella) 구조로 구성된 단결정(single crystals)이다.

표면 위의 무정형 도메인(amorphous domains)은 고분자 결정에 존재하는 전형적인 모습이다. 이러한 수용성 분산 방울을 유리 슬라이드에 떨어뜨린 후 분당 2000번의 회전 속도를 인가한다. 그러면 과량의 액체는 회전하여 배출되고 50 nm 두께의 초박막 필름이 형성된다.

이와 같은 제조법의 성공 요인은 결정 크기와 조합되어 단결정 주변에 무정형 도메인이 존재한다는 사실에 근거한다. 비록 무정형 도메인은 입자 부피의 작은 부분을 구성하고 있지만, 서로 강하게 상호작용하여 필름 내에서 개개 입자를 강하게 결속하게 된다.

따라서, 박막은 쉽게 부서지지 않으며, 비교적 높은 온도에서도 구조적으로 안정하고, 강도와 인성이 우수하여 향후 멤브레인 등의 다양한 응용 분야에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

홍순우 기자/ kip@packnet.co.kr