For maximizing device performance, tailoring the material structure according to desired property, such as optical and electrical properties, is essential. 5~100 nm highly periodic nanopattern can be introduced over a large area with uniform distribution using block copolymer self-assembly. With proper pattern transfer process, various types of materials can be easily patterned with high ordering. However, due to the intrinsic phase separation behavior of block copolymer self-assembly, only relatively simple pattern is introduced. Accordingly, block copolymer self-assembly based materials are hard to integrate with various devices and applications. In this regard, precise control of macropore and mesopore of self-assembled pattern is inevitable for applying various applications.
In this dissertation, unconventional nanomesh structures via pore engineering were successfully introduced. Especially, as introducing macropore using colloidal self-assembly and polymer film dewetting, hierarchical nanomesh can be generated. Hierarchical nanomesh have abundant pore and surface area, so that high performance and transparent gas sensor devices was demonstrated. Moreover, due to its transparent character, hierarchical mesh-based gas sensor can be easily integrated with other functional devices. Also, we can successfully demonstrate mesopore of block copolymer nanomesh using initiated chemical vapor deposition for introducing pore size controlled isoporous membrane. This size tuned membrane can sieve the solute size with nanometer size variation. Furthermore, surface charged membrane can filter the smaller solute than its pore size. Finally, MXene nanomesh was introduced using judicious sequential etching process. We verified physical and chemical structure of nanopatterned MXene and applied it to thermoelectric device for unveiling its electrical and thermal conduction mechanism.
반도체 소자의 고집적화에 따라 발전해온 나노패터닝 기술은 에너지 소자, 촉매 소자, 광학 소자 등의 다양한 분야에서 소재의 성능을 증가시키기 위해 활발하게 이용되고 있다. 소자의 효율을 극대화하기 위해서는 응용분야에 맞게 소재의 형태를 정확하게 재단하여 광학적, 전기적 성질을 개질하는 것이 중요하다. 블록공중합체 자기조립 패턴은 넓은 영역에서 수 나노 크기의 패턴을 균일하게 형성할 수 있는 차세대 기술이다. 하지만, 블록공중합체 자기조립 상분리 원리에 의해 고분자 사슬의 길이와 분율 만큼의 주기와 형태를 갖는 상대적으로 단순한 형태의 구조만을 형성한다. 따라서, 응용에 맞게 거대기공 및 미소기공을 정확히 제어하기 힘들어 다양한 소자와의 결합과 다양한 분야로의 응용이 저해된다.
본 학위 논문에서는 블록공중합체 기반의 나노매쉬구조를 형성하고 응용에 맞게 거대기공 및 미소기공을 제어하여 소자의 효율을 극대화하였다. 첫째로, 폴리머 콜로이드 마이크로 패터닝과 박막의 디웨팅을 이용하여 거대기공을 제어하여 기존에 얻기 힘들었던 투명도를 갖는 구조체를 제작하였다. 높은 투명도와 더불어 넓은 반응 비표면적을 갖는 계층적 형태의 나노매쉬구조체를 다양한 가스에 예민하게 반응할 수 있는 가스 센서 소자로 응용하였고 다양한 소자와의 결합특성을 확인하였다. 또한, iCVD 공정을 도입하여 나노매쉬의 미세기공을 제어하였으며 나노미터 단위에서 기공의 크기 조절 및 표면 특성 개질이 가능한 멤브레인을 형성하였다. 마지막으로, 전기전도도가 높고 용액 분산성이 좋아 차세대 2차원 물질로 주목받고 있는 맥신을 나노매쉬 형태의 구조체로 형성하여 기공의 크기를 미세하게 제어하였으며 그 열전 특성을 제어하였다.
