Complex two-dimensional/three-dimensional (2D/3D) atypical micro/nanostructures are being widely used in various fields such as physical/chemical sensors, energy harvesting, security patterns, and optical devices. Accordingly, research on the fabrication processes of the various atypical micro/nanostructures is also being actively conducted. The methods that have been developed thus far to fabricate atypical structures can be categorized into two groups: serial and parallel processes. In general, serial processes require complex equipment and have a low throughput, whereas parallel processes have limited design diversity. In addition, materials that are compatible with each of these groups of processes are limited owing to their respective procedures. Moreover, they were designed to fabricate standardized structures (i.e., lines, holes, and pillars); thus, they do not lend themselves to the fabrication of a variety of atypical micro/nanostructures. This thesis therefore proposes a parallel fabrication process for fabricating atypical 2D/3D micro/nanostructures (multilayer-, heterogeneous-, hierarchical-, three-dimensional structures). In addition, to improve the practicality by guaranteeing uniformity and reproducibility, the process is designed such that each of the micro-/nanoscale structures has an atypical shape but macroscopically, these structures are uniformly arrayed and controlled. The process was realized by drawing from methods inspired by techniques developed for macroscopic-scale fabrication during the evolution from 3D printing to 4D printing. The proposed methods are appropriate for fabricating atypical structures in that they include a secondary shape-morphing step involving the application of additional external thermal or mechanical stimuli to the 2D nanostructures fabricated by the conventional nanotransfer process. The thermally induced shape-morphing step of a polymer substrate or metallic thin film of multilayered or heterogeneous nanostructures is described in Chapter 2. The mechanically induced shape-morphing step of bound or suspended 2D nanostructures for hierarchical or 3D micro/nanostructures is described in Chapter 3. Finally, to demonstrate the broad applicability of the atypical micro/nanostructures, those fabricated using the developed process are incorporated in electronic devices with various applications such as surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for the detection of biomolecules, security patterns for anti-counterfeiting, a superhydrophobic triboelectric nanogenerator (S-TENG) for the self-powered detection of coughing, and a stretchable gas sensor for the detection of explosive/toxic gases.
2D/3D 비정형 마이크로/나노 구조체는 물리/화학 센서, 에너지 수확, 보안 패턴, 광학 소자 등 다양한 분야에 활용되고 있으며 그에 따라 비정형 마이크로/나노구조체를 효율적으로 제작하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다. 현재까지 연구되고 있는 방법들은 크게 직렬 제작 공정과 병렬 제작 공정으로 구분될 수 있는데, 일반적으로 직렬 제작 공정은 복잡한 공정 설비가 필요하고 느린 처리율을 갖고 있으며 병렬 제작 공정은 제작 가능한 형상의 자유도가 낮다는 한계점을 갖고 있다. 또한 두 방법 모두 적용 가능한 소재가 한정되어 있고 정형화된 구조를 제작하는데 특화되어 있기 때문에 다층 구조, 비균질 구조, 3차원 구조 등과 같은 비정형 구조를 제작하는 데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 공정 방법으로 제작하기 어려운 비정형 2D/3D 마이크로/나노구조체(다층, 비균질, 계층, 3차원 구조체)를 저비용 대면적으로 빠르게 제작할 수 있는 방법을 제안한다. 또한 구조체의 균일성과 재현성을 확보하여 실용성을 향상시키기 위하여, 각각의 미시적 구조체는 비정형적인 형상을 이루지만 거시적으로는 균일하게 정렬되어 있는 어레이 형상의 구조체를 개발하는 것을 연구 목표로 한다. 이를 위해 3D 프린팅에서 4D 프린팅 기술로 발전해 나가고 있는 거시적 규모의 인쇄 기술 개발 과정을 모티브로 하여 기존의 나노전사 인쇄 기술로 만들어진 2D 나노구조체에 열적 혹은 기계적 외부 자극을 더하여 2차적인 형상 변형을 만들어 냄으로써 비정형적 구조를 제작하는 방법을 제안한다. 구체적으로, 2장과 3장에서는 각각 폴리머 기판 혹은 금속 필름의 열적 형상 변형을 통해 다층 구조와 비균질 구조를 제작하는 방법과, 기판 부착형 혹은 공중부유형 2D 나노구조체의 기계적 형상 변형을 통한 계층 구조 및 3차원 마이크로/나노 구조를 구현하는 방법을 서술한다. 최종적으로, 제안된 인쇄 기술로 설계 및 제작된 비정형 나노구조체가 생체 분자 감지를 위한 표면 증강 라만 산란, 위조 방지를 위한 보안패턴, 자가발전 기침 감지를 위한 초발수 마찰전기 나노발전기, 폭발성/유동성 가스 감지를 위한 신축 가스센서 등 다양한 소자로 응용될 수 있음을 보여준다.
