Transferring functional nanofilms onto target substrates is a cornerstone to developing nanofilm-based applications. Conventional nanofilm transfer technologies, which can be categorized into following three methods: wet-etching transfer, electrochemical delamination, and mechanical transfer, have been established successfully. However, selective transfer of a target nanofilm pattern, nanofilm transfer to a tubular substrate, and damage-free nanofilm transfer have remained challenges. Here, advanced transfer methods are presented by exploiting fracture mechanics based approaches and unique properties of a water surface. First, capillary-force-driven switchable delamination of nanofilms and its application to a green selective transfer process which can integrate sophisticated nanofilm patterns without recourse to lithographic techniques were demonstrated. Second, a method for transferring nanofilms onto tubular substrates was developed by using the technique for free-standing of nanofilm on water surface and the controlled rolling manner. Diverse applications including an electroactive polymer tube actuator for steerable microcatheter, a super-elastic nanofilm tube, and a tubular stretchable sensor were demonstrated by this method. Third, it was investigated that the adhesion energy of nanofilm can be quantitatively controlled by using various liquid environments. The liquid-assisted adhesion control achieved effective reduction of structural defects in a transferred nanofilm. Finally, nanofilm cracking behavior in the mechanical transfer process was explored by controlling several factors such as thickness of a target substrate, loading angle, and loading rate. Moreover, the mechanism of cracking was explained by considering crack deflection effect, and a guideline for crack-free transfer was provided. I expect that the advanced transfer methods presented here would contribute to development and commercialization of many novel applications.
기능성 나노박막을 목표 기판으로 옮기는 전사 기술은 나노박막 기반의 첨단 응용 제품 개발을 위한 초석이다. 기존 전사 기술은 박막–기판 계면의 박리 원리에 따라 습식 식각 전사, 전기화학적 박리, 기계식 전사의 세 가지 방식으로 발전되어 왔다. 하지만, 목표 박막 패턴의 선택적 전사 기술, 미세 원통형 기판용 박막 전사 기술, 손상 없이 나노박막을 전사할 수 있는 기술은 아직까지 부족한 현황이다. 본 연구에서는 물 표면의 고유한 특성과 계면 파괴 역학 기반의 접근법을 활용하여 기존 한계를 극복할 수 있는 차세대 전사 방법들을 제시한다. 첫째, 모세관력을 통해 수행되는 전환 가능한 나노박막 박리법을 제시하고, 이를 이용하여 기존 리소그래피 기술의 도움 없이 목표 나노박막 패턴을 정교하게 집적할 수 있는 친환경 선택적 전사 공정을 개발하였다. 둘째, 물 표면을 이용한 박막의 프리-스탠딩 기술과 회전 방식을 활용하여 미세 원통형 기판용 나노박막 전사 기술을 개발하였다. 본 방법을 통해 조종 가능한 마이크로 카테터용 액추에이터, 초탄성 나노박막 관형 재료, 관형 신축성 센서 등 다양한 응용 제품을 구현하였다. 셋째, 다양한 액체를 이용하여 나노박막의 계면 접합 에너지를 정량적으로 제어할 수 있음을 입증하고, 접합 에너지 제어를 통해 전사 공정에서 발생하는 나노박막의 구조적 결함을 효과적으로 저감하였다. 마지막으로, 목표 기판의 두께, 로딩 각도, 로딩 속도 등 여러 요인에 따른 전사 공정에서의 나노박막 균열 형성 거동을 조사하였다. 또한 균열 휨 현상을 고려하여 균열 형성 메커니즘을 설명하였으며, 균열 없이 전사할 수 있는 지침을 제공하였다. 본 연구에서 다루는 차세대 전사 기술들은 향후 나노박막 기반의 여러 첨단 응용 제품의 개발 및 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
