Direct application of nanostructures into devices and systems has been limited because of low func-tional efficiency, poor mechanical and chemical reliability, and low manufacturability. In this work, we introduce new nanomanufacturing methods that combine top-down nanofabrication (nanoimprint lithography) and bottom-up nanofabrication (local electrodeposition of nanostructures) processes to address these issues. Various novel nanostructures are proposed as high performance photocatalysts, piezoelectric nano-generators and anti-oxidation transparent electrodes by using nanoimprint lithography and electrodeposition processes. First, periodic arrays of silver/titanium dioxide ($Ag/TiO_2$) open core-shell nanowires have been developed as flexible and strong plasmonic photocatalysts. Nanoimprint lithography, oblique thermal evaporation of Ag thin film and selective electrodeposition of $TiO_2$ thin film are used to fabricate a uniform and periodic array of $Ag/TiO_2$ core-shell nanowires with a dramatic enhancement in the plasmonic behavior. The improved photocatalysis functionality is investigated by numerical simulation and photocatalytic measurement. Moreover, the mechanical bendability and repeatable photocatalytic activity due to the mechanical robustness of $Ag/TiO_2$ core-shell nanowire array are verified. Second, strongly adhesive metal electrodes have been fabricated by the metal deposition on the nanoimprinted polymer substrate, followed by a selective electrodeposition of piezoelectric ZnO nanowires on the nanostructured metal electrodes. The nano-textured surface of metal electrodes enhances the adhesion with ZnO nanowires. The adhesion properties of nanoimprinted metal electrode are investigated by bending and accelerated test. Pull-off forces of various patterned interfaces have been simulated to study the effect of geometries on the adhesion characteristics. Furthermore, the piezoelectricity of ZnO nanowires electrodeposited on the surface of nano-textured metal electrodes has been investigated. Lastly, an anti-corrosion method for the Ag nanowire based transparent electrode by Ni electrodeposition is introduced for the chemical-resistive and durable electronic applications. We have verified that the formation of Ag/Ni core-shell nanostructures can dramatically improve the anti-oxidation and anti-sulfurization performance of Ag nanowire-based transparent electrodes. Also, anti-corrosion mechanisms of Ni coated Ag nanowires are analyzed by the surface characterization techniques for the samples after exposure to harsh environment.
나노 임프린트 기술은 대면적으로 3D 형상으로 나노 패턴을 형성하는데 효율적인 패터닝 방법이다. 나노 임프린트 기술은 패턴의 경화하는 방식에 따라uv 임프린트 방식과 열 임프린트 방식으로 나뉜다. UV 임프린트 기술은 저온에서도 임프린트를 할 수 있고, 열 임프린트 방식은 기판에 직접 나노 패턴을 형상화 할 수 있는 장점이 있다. 기존의 임프린트 기술에 대한 연구는 대부분 패터닝 방식의 진화, 패턴의 미세화 및 대면적화에 치중되어 있다.
본 연구에서는 나노 임프린트 기술과 도금 기술을 이용하여 기존의 단순 나노 패턴 및 패터닝 기술을 광촉매, 압전 소자, 투명 전극에 응용하였다.
첫 째, 먼저 3D 형상 나노 패턴을 만들 수 있는 나노 임프린트 기술을 이용하여 높은 효율의 플라즈모닉 광촉매 필름을 디자인 하고 제작하였다. 패턴의 주기성을 가지는3D나노 패턴을 나노 임프린트 방식으로 만든 후, 그 위에 금속 필름을 증착하여 일정 주기를 가지는 3D 금속 나노 구조체를 형성하였다. 그 후 금속 나노 구조체 위에 도금 방식을 이용하여 타이타니아 ($TiO_2$)를 선택적으로 증착하여 최종적으로 은-타이타이아 코어쉘(core-shell) 나노 와이어 어레이 (nano wire array) 구조체 필름을 제작하였다. 이 구조체는 주기적인 금속 나노 구조체 형상의 플라즈모닉스 성질을 가지므로 기존의 자외선에서만 광촉매 반응을 나타내는 타이타니아 물질을 가시광선 영역에서도 광촉매 반응을 가지게 하였고, 높은 광촉매 효율을 가지는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 금속 나노 구조체 및 젤(gel)상태의 타이타니아 재료를 이용하였으므로 높은 유연성(flexibility) 및 광촉매 반복성을 가지는 것을 확인 하였다. 본 내용은 “Chapter 2. Large-scale $Ag/TiO_2$ open core-shell nanowire arrays with enhanced plasmonic photocatalytic effects”에서 확인 할 수 있다.
둘 째, 나노 크기 음각와 양각 형태의3D 패턴을 가지는 폴리머 표면에 금속을 증착하면 높은 접착력을 가지는 것을 발견하였고, 이를 이용하여 기존의 폴리머와 금속 표면 사이의 낮은 접착력 문제를 해결하였다. 또한 이 구조체를 전극으로 하여, 도금 기술을 이용해 압전 소재 중 하나인 산화아연 (ZnO) 나노 와이어 구조체를 전극 위에 형성시켰다. 이 구조체를 이용하여 대표적인 전기-기계 기전체 소자 중 하나인 압전 소자를 형성하였고, 높은 압전 효율을 가지는 것을 확인하였다. 본 내용은 “Chapter 3. Adhesive and flexible metal nano-structured electrode for piezoelectric generator“에 자세한 내용이 있다.
셋 째, 나노 임프린트 기술을 이용한 금속 전극 뿐만 아니라, 다른 형태의 금속 전극에도 도금 기술을 적용하여 새로운 항산화 구조 및 기술을 개발하였다. 은(Ag) 나노 와이어 네트워크 구조체 위에 니켈 (Ni)을 도금방식을 이용하여 다양하게 증착시켰으며, 이 구조체를 이용하여 투명전극 성능을 유지하면서도 높은 항황화, 항산화 기능과 화학적 내구성, 기계적 내구성을 가지는 것을 확인하였다.
본 연구의 나노 임프린트와 도금을 이용하여 형성된 다양한 구조체 및 형상화 기술은 높은 기계적 신뢰성 및 성능을 보여주므로 디스플레이 및 다양한 소자에도 직o간접적으로 적용할 수 있다.
