Recently, development of functional devices using various nanostructures including nanowire, nanotube, and nanoparticles has been actively studied. The studies in this field are stimulated as many outstanding properties of electrical, optical, mechanical and chemical in nanoscale have been revealed. Using these properties, functional devices with much better performance can be achieved. Nanostructure synthesis methods can be basically divided into two methods which are top-down and bottom-up. Using the latter method, few nanometers to several tens of nanometer sized nanostructures can be fabricated easily without an additional lithography process, and therefore various functional nanostructures’ bottom-up synthesis methods are widely studied and developed. In this thesis, two kinds of techniques were investigated for the functional device fabrication. First, a microcontact printing technique was used for zinc oxide nanowire (ZnO NW) and functional materials aligned patterning. Second, the microfluidic systems were studied for zinc oxide nanoparticle (ZnO NP) synthesis and silver thin film formation. Each chapters of this thesis described the detailed fabrication process, related physical theories and results. Chapter 2 presents a novel and simple method for the patterned growth of ZnO NWs that combines (1) the direct patterning of ZnO NP seeds via microcontact printing and (2) subsequent low temperature hydrothermal growth. The ZnO NPs can be patterned as seed layers for ZnO NW growth on various substrates including flexible polymer films. The NW geometry and configuration can be controlled by varying the printing conditions (time and pressure) and the hydrothermal reaction time. To assess the possibility of high performance electronic applications of the patterned ZnO NWs, their field emission characteristics will be examined by fabricating a high performance field emission device with a patterned ZnO NW array. Chapter 3 described the developing a novel vacuum-assisted microcontact printing (uCP) process that presents a powerful method for patterning functional materials with precise alignment. The printing pressure of the vacuum-assisted uCP was applied using the pressure difference between the inside and outside of an elastomeric stamp. The outer protrusion was designed to be higher than the printing patterns, thereby acting as a vacuum sealing wall. The printing pressure was easily applied and controlled using commercial syringes and motorized syringe controllers. A high printing pressure exceeding 10 psi was applied uniformly to the target substrate. Precision alignment was realized using a common optical alignment system. During the alignment process, damage to the previously patterned material and undesired printing patterns due to stamp dragging was avoided by imposing a separation distance between the printed pattern and the substrate. Several functional materials, including proteins and nanomaterials, could be successively patterned. Protein-protein, protein-nanowire, and three-dimensionally patterned nanowires are described. Chapter 4 describes the synthesis of ZnO NPs using a microfluidic system. A continuous and efficient synthetic process was developed based on a microfluidic reactor in which was implemented a time pulsed mixing method that had been optimized using numerical simulations and experimental methods. Chapter 5 demonstrated a simple and novel method for patterning Ag thin film. The patterning process is based on polyol method; it was conducted under atmospheric pressure and low temperature (150°C) conditions which are appropriate for flexible polymer substrates. Ag thin film was simultaneously patterned on the substrate and the polymer microfluidic channel. These Ag-covered substrates were used as SERS active plates. Chapter 6 demonstrated a novel and robust method for fabrication of Ag NPs embedded ZnO NW hierarchical nanostructure process that induced by photon-assisted Ag reduction is presented. The Raman signal intensities of various synthetic conditions were measured for applying the in-situ real time bio molecule (glucose) detection microfluidic system. As a result, the 20 J of total UV exposure energy case shows the highest SERS property and applied to microfluidic SERS system. For fabricating the microfluidic SERS device, patterned ZnO NW on the silicon substrate was used as backbone structure and Ag NPs were synthesized at the surface of ZnO NW. By the effect Ag NPs generation only on the ZnO NW, the microfluidic system was well fabricated without any bonding region cleaning process. In time variation glucose molecule detection process, fabricated microfluidic system was successfully detected the molecule concentration varies sequentially.
최근, 다양한 형태의 나노구조물을 이용하여 유용한 기능을 가지는 다양한 전기, 전자 및 기계적 장치를 개발하는 연구가 활발하다. 이는 나노구조에서 발견되는 유용한 특성을 이용한 것으로, 부피에 비해 상대적으로 큰 비를 가지는 표면적 의해 발생하는 전기, 광학, 화학 그리고 기계적 특징에 기인한다. 본 연구에서는 이러한 나노물질이 가지는 특성을 바탕으로 다양한 형태의 나노구조체 형성에 관한 방법을 제시하고, 기존의 마이크로 장치에 접목하여 새로운 형태의 응용기술 개발에 관하여 논의한다. 특히, 반도체, 압전성 및 화학적, 전기적 변화에 높은 반응성을 보이는 특성을 가진 산화아연(ZnO)과 라만 분광 효과를 이용한 물질 분석에 있어 높은 효율을 보이는 은(Ag)을 이용한 고효율 전계효과(Field emission) 장치와 실시간으로 물질의 농도 변화를 분석하는 미세유체 시스템 제작 공정과 특성을 분석, 제시한다.
제2장에서는 미세접촉인쇄(microcontact printing) 기법을 이용한 산화아연 나노와이어의 패터닝 공정이 제시되어있다. 미세전자기계(MEMS) 제작 공정을 통하여 원하는 패턴 형태가 형성된 플라스틱 스탬프에 산화아연 나노파티클을 플라즈마 공정 및 침적법을 이용하여 배치 시킨 후 이를 원하는 기판 위에 일정한 시간과 압력으로 인쇄한 후 열수화학적(hydrothermal) 합성을 통해 패터닝 된 형태의 산화아연 나노와이어 배열을 구현하다. 제시된 인쇄 공정과 열수화학적 합성법은 고진공, 고압력, 100 OC 이상의 고열 환경을 배제한 공정으로서, 열변형에 약한 유연 플라스틱 기판 등에 응용이 가능하며, 연속 생산 시설로의 접목이 용이하여 고기능 장치를 낮은 비용으로 제작이 가능한 이점을 제공한다. 또한 고효율 전계효과 장치로의 응용에 있어 패터닝 된 형태의 산화아연 나노구조체가 가지는 구조적 특성을 통하여 스크리닝 효과(screening effect)에 의한 전계효과 성능 저감 현상을 방지하여 1.64 Vμm-1 의 고효율의 전계방출 전압을 가지는 장치를 제시하였다.
제 3장에서는 2장에서 제시된 접촉인쇄 공정에 있어 생산성 향상 및 다른 기능성 물질과의 정렬 패터닝이 가능한 진공 배기를 이용한 미세접촉인쇄 기법이 개발, 제시되었다. 진공을 이용한 인쇄 공정은 대면적의 기판 위에 원하는 인쇄압력을 균일하게 부여할 수 있으며, 기 패터닝된 나노 구조물 및 마이크로 구조물의 손상 없이 단백질과 같은 생물학적 물질을 원하는 위치에 패터닝할 수 있다. 또한 응용 공정으로서 마이크로 구조물 위에 나노 구조물을 기계적 가공을 거치지 않고 구현 하였으며, 이종 단백질 등의 패터닝 등의 응용에도 유용함을 보였다.
제 4장에서는 미세유체시스템을 이용한 산화아연 나노파티클 연속 생산 기법이 제시되었다. 에탄올에 용해된 0.03 mM의 아세틸산아연과 0.01 mM의 수산화나트륨이 1:1.924의 부피비로 합성되었으며, 혼합과정에서의 고효율성을 구현하기 위하여 자동 주사액 주입기를 이용하여 맥동 혼합(pulse mixing) 기법을 도입하였다. 이 때 빠른 혼합을 통한 공정 효율화를 위해 수치해석을 통하여 생산성 척도 (productivity factor)를 측정하였으며, 5~15 Hz의 맥동 혼합이 가장 높은 성능을 보임을 확인하였다. 이를 바탕으로 5 Hz의 맥동 혼합 조건을 실험적으로 구현하여 산화아연 나노파티클을 합성하였으며, 합성 결과를 TEM, EDS, XRD 기법을 통하여 분석하였다. 분석 결과 제시된 연속 생산 공정을 통하여 산화아연 나노파티클을 성공적으로 합성하였으며, 이를 병렬 구조 형태로 대규모화 시설화할 경우 여러 형태의 나노물질을 저비용으로 대량 생산할 수 있음을 확인하였다.
제 5장에서는 미세유체시스템을 이용한 은나노구조체 박막 형성 및 패터닝 기법에 대해 제시하였다. 폴리올 (polyol) 공정을 응용한 박막 형성 공정은 0.1 M의 질산은 (AgNO3)이 용해된 에틸렌글리콜 용액을 미세유체시스템 내에 주입 (10 μl/min)하면서 150 OC로 가열하여 이루어진다. 이 때 형성되는 나노입자의 형태 조절을 위하여 폴리머 (PVP),와 염화구리 (CuCl2)를 첨가하였으며, 결과적으로 200~500 nm 정도의 은나노구조체가 미세유체채널 내에 형성됨을 확인하였다. 합성된 은나노구조체는 합성 시간에 따라 형태가 달라짐을 확인하였으며, 1시간 정도의 합성 시간에서 가장 높은 라만 분광 효과를 보였다. 제시된 공정은 미세유체시스템을 이용하여 효율적인 은나노구조체 형성 및 패터닝 성능을 보였으며, 이를 응용하여 다양한 형태의 센서 및 전기, 전자 장치로의 응용이 가능함을 제시하였다.
제6장에서는 광자를 이용한 산화금속 표면에서의 은나노구조체 합성 방법이 제시되었다. 플랑크 법칙 (Planck’s law)을 이용하여 산화아연 나노와이어가 합성된 기판을 은이온이 포함되어 있는 용액 내에 담근 후 자외선 (UV, 312 nm wavelength)을 조사하면, 여기된 전자가 은이온을 환원시켜 은나노구조체가 산화아연 표면에 형성된다. 이러한 기법을 바탕으로 자외선 조사 에너지 총량에 따른 다양한 형태의 은나노구조체를 산화아연 나노와이어 표면에 형성시켰으며, 이 때 20 J 의 총 에너지가 조사된 구조체가 가장 높은 효율의 라만 분과효과를 보였다. 이를 2장에서 제시된 산화아연 나노와이어 패터닝 기법과 더불어 미세유체시스템에 접목하여 실시간으로 물질의 농도 변화 검출이 가능한 장치를 구성하였으며, 구성된 장치를 통하여 1 fM에서 1 mM까지의 농도 변화를 가지는 포도당 (glucose) 용액을 100 μl/min의 유량으로 주입하면서 실시간 농도 변화를 관측하였다. 측정된 결과를 정량적 분석을 통하여 실제 농도 값과 비교하였으며, 개발된 장치가 물질의 농도 변화를 실시간으로 분석할 수 있음을 확인하였다.
