Proximity field nanopatterning (PnP) offers a new route to fabricate various three-dimensional (3D) nano-structures using elastomeric and conformable phase masks in a single exposure step. Light passing through a transparent binary mask with surface relief structures generates complex 3D intensity distribution in photopo-lymer. Many advantages of PnP such as single step, scalability to large areas, sub-wavelength resolution, vi-bration tolerance and experimental simplicity make this method attractive for real world applications includ-ing photonics, energy devices, bioengineering, and many others. The key components of PnP are phase masks and photosensitive materials. This thesis describes the optimization of phase mask designs (i.e., relief depth, material) for improving the quality of 3D nanostructures and the extension of patterning capabilities by adopting a new photosensitive material that has completely different patterning mechanisms compared to conventional photopolymerization. We provide simple applications relate to optical coatings that involve systematic analysis of optical transmission behavior from multidimensional nanostructures patterned by PnP, potentially applicable to antireflection or highly scattering coatings. Finally, we suggest some of significant applications with high potential to PnP, such as 3D electrodes for high-performance energy devices and mechanically enhanced 3D nanomaterials.
오늘날 나노사이언스와 미세 바이오 분야의 발전을 가능하게 하였던 것은 나노 영역의 패터닝 기술 개발과 밀접한 관련이 있다. 하지만 지금까지 개발된 대부분의 나노 패터닝 기술은 1차원 또는 2차원의 나노구조물 제작에 머무르는 수준이고, 아직까지 쉽고 저렴한 3차원 패터닝 기술은 많이 부족한 실정이다. 대면적에 적용 가능한 손 쉬운 3차원 나노 패터닝 기술은 나노 사이언스의 다양한 분야에 새로운 기술적 기반을 제공하고, 이를 바탕으로 신개념의 응용분야를 제공한다. 이러한 기술적 수요를 기초로 판단하였을 때 1㎛ 이내의 주기성을 갖는 평면 격자구조를 통하여 광학적인 방법으로 규칙적인 3차원 나노구조를 단 한번의 공정으로 수십 ㎛에서 수 mm 두께에 형성하는 Proximity field nanoPatterning (PnP) 기술은 국내에 연구 성과가 매우 부족하여 신속한 개발을 요구하며, 그와 관련된 소재 및 3차원 구조체의 최적화는 관련 기술의 시급한 당면 과제라 할 수 있다. 본 연구에서는 PnP 공정을 최적화하고 실제 소자에 응용 가능한 질 좋은 3차원 나노구조체를 제작하기 위해 PnP의 가장 중요한 요소 중 두 가지인 위상 마스크와 감광 물질을 개발하고 향상시키는 것을 목표로 한다.
특히, 위상 마스크 표면의 단차는 입사되는 빛의 위상차를 결정하기 때문에 그 높이가 중요한 역할을 한다. 기존에 사용되던 poly(dimethylsiloxane) (PDMS) 위상 마스크는 나노 수준의 밀착성이 있는 탄성체로 표면 에너지와 영률이 매우 낮아 다른 기판에 손상 없이 반복적으로 붙였다 떼어낼 수 있다. 하지만 영률이 너무 낮은 관계로 고종횡비의 나노구조물을 실리콘 원판으로부터 복제하는 데는 한계가 있다. 따라서 보다 단단한 물성을 가진 새로운 재료가 적용되어야만 하며, 1.7GPa이라는 높은 영률을 가지고 자외선으로 경화가 가능한 polyurethane acrylate (PUA)을 적용함으로써 약 6:1 이상의 고종횡비를 갖는 나노구조물을 복제할 수 있었다. 하지만 높은 영률로 인해 다른 기판과의 밀착성을 잃게 됨으로써 기존의 PDMS 위상 마스크와 다르게 전면적에 균일한 패터닝이 불가능하게 되었으나, PUA 위에 얇은 PDMS 접착층을 코팅한 새로운 복합체 위상 마스크를 디자인함으로써 이를 해결할 수 있었고 이를 바탕으로 고품질의 3차원 나노구조체를 제작할 수 있었다.
또한, 감광성 물질은 실제로 고상의 3차원 나노구조체가 형성되는 부분으로써 패터닝의 역량을 결정하는 데 가장 중요한 역할을 한다. PnP를 통해 제작된 대부분의 3차원 나노구조체들은 높은 기공률로 인해 현상과 탈수 공정 중에 무너지는 문제가 발생한다. 아조고분자는 새로운 형태의 광 반응성 물질로써 현재까지 사용되던 감광성 물질과 전혀 다른 메커니즘으로 패터닝이 가능하다. 특정한 파장의 빛에 반응하여 분자 수준에서 trans 형태에서 cis 형태로 이성질화가 진행되고 (또는 반대로) 이것은 거시적인 물질의 이동으로 이어진다. 즉, 노광 후 열처리나 현상 공정이 필요하지 않기 때문에 기존의 광중합 반응성 메커니즘을 가진 감광성 물질의 단점들을 극복할 가능성을 제시한다. 현재까지는 아조고분자에 포함된 발색단의 높은 광 흡수 특성으로 인해 입사광의 투과 두께가 수 백 nm 영역으로 제한되어 2차원 패터닝까지만 가능하지만, 노광 중 열처리를 통한 물질의 이동도 증가와 같은 방법으로 3차원 패터닝이 가능할 수 있다.
PnP를 통하여 제작된 3차원 나노구조체들을 궁극적으로 다양한 실제 소자에 적용하기에 앞서 간단한 광학 필름에 적용해 보았다. 감광성 물질의 두께를 스핀코팅으로 조절하는 방법을 통해 2차원에서 3차원으로 이어지는 다양한 나노구조체들을 제작 할 수 있었고, 실제로 나노구조체의 두께가 변함에 따라 광 투과도가 연속적으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 광학 특성은 반사방지필름이나 고산란 필름을 값 싸고, 손 쉽게 제작할 수 있는 새로운 기술적 기반을 제시한다. 이와 더불어 잠재적으로 적용 가능한 고효율의 3차원 전극에 대한 연구와 3차원 나노구조체를 형성하는 방법을 통해 기계적으로 강화된 탄성체에 관한 연구 또한 PnP의 중요한 연구결과로써 제시되었다.
