Colloidal crystals which are self assembled ordered structures formed from monodisperse colloidal particles, are promising materials for fabrication nanostructure or nanopatterns due to their regular periodicity with small feature size, as well as to their low-cost process compared to other fabrication processes such as photolithographic techniques, electron-beam, and X-ray lithography. Although colloidal crystals have such advantages, their limited structures and long fabrication time have been hindered the widespread applications.
In this thesis, simple and fast processes to fabricate colloidal nanopatterns have been introduced and several approaches to overcome structural limitation of colloidal crystal also have been described. Furthermore, some applications are discussed.
In chapter 2, it is possible to improve the crystal quality and physical stability of 3D colloidal crystals by simply introducing a small amount of water-soluble polymer into the colloidal suspension. By using the obtained high-quality and robust 3D colloidal crystals, we successfully replicated the regular surface structures of colloidal crystal via soft lithography. The replicated 2D patterns showed highly regular and periodic structures, with few defects over a large area. In addition, the mechanical strength of the replicated 2D patterns is good enough to be transferred onto flexible substrate.
In chapter 3, we have overcome the structural limitation of colloidal crystals by using stretched PDMS replica molds. Rectangular and elongated hexagon-shaped patterns with various aspect ratios have been successfully fabricated. Pattern shape and feature size can be easily controlled by changing the stretching axis and ratio of the PDMS mold. The simulated deformation of the PDMS replica mold is consistent with the experimental results.
In chaper 4, various new colloidal assembly structures including lines, zigzags, and dimers were successfully fabricated by adjusting the lattice space of the bottom layer of binary colloidal crystals. Especially, it is remarkable that colloidal crystals in linear form, (zigzag-LS2, single-line-LS and double-line-LS) which have never been achieved using conventional colloidal self-assembly, were obtained. In addition, by selectively welding the top layer of these new types of binary structures, nano-hole arrays, zigzag colloidal rods were produced.
In chaper 5, colloidal crystal can be successfully transferred in centimeter scale using thermal transfer printing method. The thermal process render high adhesion between substrate and polymeric colloidal particles consequently interlayer free transfer process is possible. Thus colloidal crystal can be transferred to various substrates on which colloidal crystal hard to be assembled. The aspect ratio and inter particle spacing of transferred non close packed hemisphere array can be easily tunable by changing the temperature of target substrate. The non close packed hemisphere array is very similar to moth eye structure therefore it can be used as anti reflective coating. The transferred colloidal structure without interlayer also can be used as lithographic mask to fabricate mushroom like structure, tree stump like structure and conical nanopillar array.
In chapter 6, we have fabricated CNT films with special network structure having ordered voids within the film by using sacrificial 2-D silica colloidal crystals. These CNT films show superior optical transmittance compared to CNT films with random network structures because the ordered voids enable efficient transmittance of light. Our method affords several degrees of freedom in tailoring the physical properties of the films. For example, additional deposition of carbon nanotubes onto the colloid-CNT complex films, allowed us to control the density and thickness of the carbon nanotube chain in the films, while varying the size of the sacrificial colloidal particles enabled us to further tailor the microstructure of CNT-films. These CNT films make excellent potential candidates for use in transparent conducting media, while this work offers a new concept in CNT network structuring.
콜로이드 결정은 단분산 콜로이드 입자들이 자기 조립과정을 통해서 일정한 규칙을 가지고 배열한 물질로 마이크로/나노 크기의 규칙적인 구조를 간단하고 값싸게 제조할 수 있기에 광학, 전자소자 등에 적용하기 위한 나노 구조체나 패턴을 제조하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 콜로이드 결정은 그 가질 수 있는 결정 구조가 한정되어 있고 제작 과정에도 시간이 많이 소요되기 때문에 콜로이드 결정이 실제로 적용되기 위해서는 넘어야 할 장벽들이 많이 있다.
이에 본 연구에서는 콜로이드 결정을 소프트리소 그라피 방법을 이용해 쉽고 빠르게 표면을 복사하거나 전사하는 방법을 개발하고, 또한 구형의 육각밀집 구조의 콜로이드 결정의 구조적 한계를 극복하고 새로운 구조를 제조하는 방법과 콜로이드 결정의 다양한 응용 가능성에 대해서 연구하고자 한다.
제2장에서는, 소량의 물에 녹는 고분자를 첨가함으로 결함이 적고 기계적 강도가 높은 삼차원 콜로이드 결정을 제조할 수 있었고 이렇게 제조한 양질의 콜로이드 결정의 표면을 PDMS를 이용한 소프트 리소그라피 방법을 통해서 복제할 수 있었다. 복제된 콜로이드 결정 패턴은 넓은 면적에 균일하고 결함이 적었고 기계적 강도도 콜로이드 결정보다 훨씬 강해서 플라스틱 유연 기판위에도 쉽게 복제됨을 보였다.
제3장에서는, 소프트리소 그라피 방법을 통한 콜로이드 결정의 복제과정에서 PDMS의 늘어나는 성질을 이용하여 기존 콜로이드 결정이 가지고 있는 원형 모양의 구조적 한계를 극복하고 직사각형이나 육각형 모양의 패턴을 제작할 수 있었다. 단순의 PDMS 복제 몰드의 늘리는 정도나 방향을 조절하여 패턴의 모양이나 종횡비를 쉽게 조절할 수 있음을 보였다.
제4장에서는, 그 동안의 콜로이드 자기조립 방법으로는 보고 되지 않았던 지그재그, 선형, 땅콩모양 등의 콜로이드 구조를 제조하는 방법에 관하여 연구하였다. 형태 조절이 가능한 콜로이드 결정 복제 패턴을 바닥층으로 사용하여 작은 입자를 그 위에 자기조립시키는 바이너리 콜로이드 결정을 제조하는 방법을 이용하면, 바닥층이 결정구조에 따라서 다양한 새로운 구조의 콜로이드 결정구조가 생길 수 있고 그러한 바이너리 구조의 윗층만 선택적으로 가열하여 나노구멍, 나노 막대 등을 제조할 수 있음을 보였다.
제5장에서는, 삼차원 콜로이드 결정의 가장 표면 층을 평평한 PDMS 를 도장으로 사용하여 새로운 기판에 전사하는 방법에 관하여 연구하였다. 기존의 콜로이드 결정의 전사과정은 기판과 콜로이드 입자 사이에 접합층이 필요하였는데 본 연구에서는 가열된 기판위에 고분자 콜로이드 입자가 늘러 붙는 성질을 사용하여 접합층을 제거한 공정을 개발함으로 다양한 기판에 전사가 가능함을 보였다. 접합층 없이 전사된 비밀집(non close packed) 반구 정렬 구조는 나방눈 구조와 흡사하여 반사방지 특성을 가지고 또한 식각 마스크로 사용하여 실리콘 나노 버섯, 나노 꼬깔 기둥 등을 제조할 수 있음을 보였다.
제6장에서는, 콜로이드 결정을 주형으로 사용하여 탄소나노튜브의 그물 구조를 제작하였다. 2차원 콜로이드 결정을 제조할 때 용액에 탄소나노튜브를 첨가하면 탄소나노튜브가 콜로이드 입자들을 감싸고 있는 모양의 콜로이드- 탄소나노튜브 복합 결정이 만들어지는데 여기서 콜로이드 결정을 선택적으로 제거하면 탄소나노튜브 그물구조만 남아있게된다. 이렇게 제조된 탄소나노튜브 그물구조는 공극의 존재로 인해 빛의 통과가 자유롭기 때문에 임의의 무질서로 코팅된 탄소나노튜브에 비해 높은 광투과성을 가지기 때문에 차세대 유연전극으로써 ITO(indum thin oxide)를 대체할 물질로서 그 가능성을 보였다.
