Nanotechnology has been received much attention recently because of their potential for overcoming the limitation of classical mechanics. When the feature size is decreased under visible range, nanometer size, it shows unique behavior optically and mechanically. When the regularly ordered metal particles, which have under incident light dimension, are exposed to the light, those particles trap the incident light and generate surface Plasmon resonance. Due to the recent development of nanotechnology, SPR can be tuned by changing the shape, size and distance of metal particles through various lithography techniques. Many researchers are now trying to find its applications, and one of the most prospective applications of SPR is bio and chemical sensing. On the other hand, Gecko effect is the most important characteristic of nanostructure in mechanical application. Gecko can easily stick to any surface due to their feet which have the unique geometry of micro and nano structure. This surprising adhesion property is considered a major breakthrough in mechanical adhesion research.
In this thesis, some novel nanotechnology applications are introduced to optical sensing area and mechanical adhesion area. After a brief explain and overview about whole researches at chapter 1, optical application of nanostructure is discussed at chapter 2. Highly ordered Ag/$SiO_2$/Au layered nanopatterns bring high performance on surface-enhanced Raman scattering (SERS) and its reproducibility. The next chapter is related to the mechanical application of micro and nano structures. Micro line pattern with nanohole array on aluminum surface causes remarkably increased adhesion power with polymer resin.
In chapter 2, the highly ordered Ag/$SiO_2$/Au layered nanopatterns that can be used as an efficient surface-enhanced Raman scattering (SERS) active substrate is introduced. The hybrid nanopattern with a silica inter-layer shows large SERS enhancement (up to EF = 3.3×$10^6$) as compared to bimetallic nanopatterns with no dielectric gap (EF = 3.5×$10^4$). We demonstrate the control of the intergap distances between two metals plays an essential role to achieve the high performance for detecting low concentrated analytes such as fluorescent and DNA molecules. Fabrication of the large-scale highly-ordered hybrid patterns provides controllable SERS signals at the desired locations, resulting in the reproducibility of SERS based detection.
Adhesive bonding has been widely applied for diverse industrial purpose, such as airplane, automobile, microelectronic, and so on. In chapter 3, we introduce the unique surface treatment of aluminum which has the micro line pattern with nano-hole array using photolithography and anodized aluminum oxide (AAO) techniques. Also, to verify the mechanism, samples are checked by single leg bending (SLB) test. Micro and nano hybrid metal surface shows notable adhesion power enhancement on both open and sliding fracture test.
나노 기술은 지난 10년간 과학계에서 가장 주목을 받았던 분야이고 많은 연구인력들이 그 특성을 규명하고 응용하는데 많은 노력을 기울여온 분야이다. 이렇게 큰 관심을 받은 데에는 나노 구조가 지니는 특성이 기존의 가시영역에서 다루어져 왔던 기술들의 한계를 뛰어넘을 수 있는 가능성을 제시하여 주고 있기 때문이다. 이러한 특성은 광학적인 특성 뿐만 아니라 기계적인 특성도 크게 향상시킬 수 있다.
본 학위 논문의 2장에서는 은-실리카-금이 차례로 쌓여있는 기판을 패턴기술을 이용하여 일정한 배열을 지니는 나노 구조체를 형성하여 이를 표면증강라만산란 (SERS)을 활성화 시키는 기판으로 이용할 수 있는 가능성을 제시하였다. 일반적으로 거친 표면을 지니는 금과 은에서 라만산란 신호가 크게 증폭되는 현상을 이용한 표면증강라만사란 (SERS)은 저농도의 물질까지 쉽게 식별할 수 있는 센싱 기술로서 이 활발히 연구되고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 금속은 금과 은인데, 은은 신호증강효과가 큰 반면 쉽게 산화되어 바이오 물질을 검출하는데 한계를 보이고 있고, 금은 은에 비해 신호증강효과가 작은 반면 바이오 물질과 친화력이 있다는 장점을 지니고 있다. 이러한 두 물질의 장점을 이용하기 위해 은-실리카-금이 층을 이루고 있는 나노 구조체를 형성하여 상층부의 금이 바이오 물질과 접촉하도록 함과 동시에 전하전이효과로 인한 추가적인 신호의 증폭효과를 가지는 SERS기판을 제작하였다. 또한 유전체인 실리카 층이 두 금속 사이에 위치할 때 그 두께의 변화에 따라 전하전이로 인한 SERS 증폭 신호의 강도가 달라짐을 확인하고, 본 시스템에서 가장 효과적인 유전층의 두께를 찾았다.
3장에서는 나노구조체를 이용하여 기계적 접합 물성을 향상시키는 연구 결과를 설명하였다. 접착제 결합(adhesive bonding)은 거의 모든 공학적으로 유용한 재료의 접합을 가능하게 하는 결합 방법으로서, 기존의 기계적인 결합 방법인 볼트, 리벳 방식과 비교하여 구조물 경량화에 유리하며, 넓은 면적에 하중을 분산시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. 이와 같은 접착제 결합에서 중요한 연구 분야는 표면처리를 통하여 접착력을 증가시키는 데에 있다. 포토리쏘그래피 기술을 이용하여 알루미늄 합금 표면에 마이크로 크기의 라인패턴을 형성하고, 그 위에 양극산화법을 이용하여 나노크기의 기공을 균일하게 형성함으로써 알루미늄과 접착제 사이의 기계적 맞물림(mechanical interlock) 효과가 크게 증가함을 확인하였다. 이러한 효과는 응집파괴(cohesive failure)를 증가시켜 CFRP/알루미늄 계면의 접착강도를 크게 향상시켰다.
