Micro/nanoscale structures of functional materials such as metal nanoparticle (NP), quantum dot (QD) and polymer are important factors to improve the overall performance in biological devices, photonic devices, and optoelectronic devices. The cost-effective micro/nanoscale structures are generally fabricated by nanoimprinting lithography as an alternative of traditional expensive vacuum deposition and photolithography processes. However, oxygen reactive ion etching, which is required for eliminating unwanted residual layers after the nanoimprinting process, increases the cost of manufacturing and offsets the advantages of the nanoimprinting process. Polydimethylsiloxane (PDMS)-based patterning methods can directly produce micro/nanoscale structures without any post process at low cost and high throughput. Among the PDMS-based patterning methods, a direct imprinting of functional inorganic materials provides tremendous potential to fabricate micro/nanoscale structures due to several advantages such as the minimum residual layers by conformal contact and the ease of demolding by low surface energy. Also, the PDMS mold deformation, such as roof deformation and sidewall deformation, can be used to not only improve the device performance, but also fabricate scale-down structures for use in a variety of next-generation flexible optoelectronic devices.
Transparent conductors (TCs) are key components of various optoelectronic devices, such as photovoltaic cells, organic lightemitting diodes, or touch screen panels. Conventionally, indium tin oxide (ITO) is the most widely used as a transparent conductive material due to its low sheet resistance and excellent optical transparency; however, the inherent deficiencies of ITO hinder applications in flexible optoelectronic devices. Although there have been increasing efforts in developing alternative materials of TCs, including conductive polymers, graphene and carbon nanotubes, their performance are insufficient for the next-generation flexible optoelectronic applications in terms of conductivity and stability. Metal grids have been found to provide superior electrical and optical properties, comparable to ITO. A direct imprinting of colloidal metal NPs can fabricate metal-based micro/nanoscale structures at low cost and high throughput. However, there are two challenges to fabricate high-performance metal grid TCs using the direct imprinting of colloidal metal NPs. Firstly, colloidal metal NPs during the direct imprinting process suffers from NP agglomerates and low metal concentration. Secondly, a sufficient filling of the concentrated ink inside the mold cavity should be achieved with the minimum residual layers. We developed a direct imprinting of thermally reduced Ag NPs using a reservoir-assisted mold in order to fabricate the high-performance metal grid TCs. A grid patterned mold was created to have a macroscale cavity by designing a “reservoir” that captured an outgoing ink and injected the captured ink into the grid patterned mold cavity by the roof deformation. The ink supply from the reservoir contributed to not only improving the ink filling, but also decreasing the linewidth of the grid patterned mold cavity due to the sidewall deformation on the liquid film. These behaviors led to not only lowering the sheet resistance ($R_s$), but also enhancing the transmittance (T). The metal grid TCs were embedded into a large-scale, flexible, and transparent films, which showed a reasonable electromechanical stability under repeated bending. The metal grid embedded TCs were applied to touch touch screen panels. Also, Ag NW networks were incorporated into the metal grids, which were fabricated via a direct imprinting process using deformation-driven ink injection. The solution-processed hybrid TCs consist of integration of microscale metal grids and Ag NW networks, which shows superior performance than the only Ag NW networks. We estimated the $R_s$-T performance of the Ag grids using geometric calculation, and demonstrated their effect on the en-hancement in the performance of the Ag NW networks. The hybrid TCs were successfully transferred into a flexible polymer matrix, which reduced the surface roughness of metal structures and showed the reasonable electromechanical stability. The hybrid Ag gird and NW embedded TCs were applied to a flexible organic solar cell (OSC) as an anode electrode.
A one-step micro/nanoscale patterning method of metal NPs via the mold deformation and slip behavior was developed. The dramatic size reduction (~ 10 times) of metal NP structures was generated inside the de-formed cavity where its sidewall deformation and slip behavior led to decreasing the width of the mold cavity. To predict the mold deformation by considering the slip effect, the mold deformation was simulated using finite element analysis with assuming Neo-Hookean hyperelastic material and coefficient of friction. This phenomenon allowed fabrication of various, complex and isolated micro/nanoscale metallic structures, which were applied to organic field effect transistors for device demonstration. Our approach provides a promising tool to fabricate and manipulate micro/nanoscale structures of functional materials at large area, low cost and high throughput. Also, a micro/nanoscale patterning method of QDs via direct imprinting over a large area at low temperatures and low pressures was demonstrated as an alternative to conventional vacuum deposition and photolithography methods. More complex QD patterning could be demonstrated by expanding the QD direct imprinting process for multiple colored QDs and patterning on the multiple layers. A self-alignment scheme was developed to pattern multiple layers without the need for laborious alignment steps. Our approach may be useful for fabrication of QD-based optoelectronic device and patterning on large flexible substrates due to the low-temperature requirements of this process.
금속 나노입자, 양자점과 폴리머와 같은 기능성 물질의 마이크로/나노스케일의 구조물들은 생물학적 장치, 광학적 장치 그리고 광전자 장치에서 전반적인 성능향상을 위한 중요한 요소들이다. 비용 효율이 높은 마이크로/나노스케일의 구조물은 일반적으로 전통적인 값비싼 진공 증착과 포토리소그라피 공정 대신에 나노 임프린팅 리소그라피에 의해서 제작된다. 하지만, 임프린팅 공정 후에 원치 않는 잔류층의 제거를 위해서 산소 반응성 이온 식각은 공정 비용을 증가시키고 나노 임프린팅의 이점을 상쇄시킨다. 피디엠에스를 기초한 패터닝 방법들은 어떤 후처리 공정 없이 낮은 비용과 높은 생산성으로 마이크로/나노스케일의 구조물을 직접적으로 생산할 수 있다. 피디엠에스를 기초한 패터닝 방법들 중에, 기능성 물질의 직접적 임프린팅은 컨포멀 컨택에 의한 최소 잔류층과 낮은 표면 에너지에 의한 몰드 제거의 쉬움 등의 몇 가지 장점으로 비용 효율이 높은 마이크로/나노스케일의 구조물들의 생산을 위해서 상당한 잠재력을 가진다. 또한, 지붕 변형과 옆면 변형 등의 피디엠에스 몰드의 변형은 장치 성능 향상 뿐만아니라 다양한 다음 세대 유연 광전자 장치의 사용을 위해서 스케일 다운된 구조물의 제작에 이용될 수 있다.
투명 전극은 광전지 셀, 유기 발광 다이오드 또는 터치 스크린 패널과 같은 다양한 광전자 장치의 주요한 요소이다. 전통적으로, 아이티오는 낮은 면저항과 우수한 광투과성으로 인해서 가장 널리 이용되는 투명 전도성 물질이다. 하지만, 아이티오에 내재하는 단점들은 유연 광전자 장치에서 응용을 저해한다. 비록, 전도성 폴리머들, 그라핀 그리고 탄소 나노 튜브와 같은 투명전극의 대체 물질을 개발하기 위한 증가하는 노력들이 있지만, 그들의 성능은 전도성과 안정성의 관점에서 광전자 장치의 응용을 위해서 불충분하다. 메탈 그리드는 아이티오에 견줄만한, 우월한 전기적 그리고 광학적 성질을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 콜로이달 금속 나노 입자들의 직접적 임프린팅은 금속을 기초한 마이크로/나노스케일의 구조물들을 저비용과 높은 생산성으로 생산할 수 있다. 하지만, 콜로이달 금속 나노 입자들의 직접적 임프린팅을 이용하여 고성능의 금속 그리드 투명전극을 제작하기 위해서 두 가지 도전들이 있다. 먼저, 직접적 임프린팅 공정 동안, 콜로이달 금속 나노 입자는 나노 입자 뭉침과 낮은 금속 농도로 효과적인 패터닝 공정에 어려움이 있다. 둘째, 최소 잔류층과 함께 몰드 공간 안에 고농도 잉크의 충분한 채워짐이 반드시 달성되어야 한다. 우리는 고성능 금속 그리드 투명전극을 제작하기 위해서 저장조의 지원을 받은 몰드를 이용한 입자의 뭉침현상이 적고 고농도의 잉크로 사용이 가능한 열 환원된 은 나노 입자의 직접적 임프린팅공정을 개발했다. 그리드 패턴된 몰드는 나가는 잉크의 포획과 천장의 변형에 의해 포획된 잉크를 주입을 위한 저장조의 설계를 통해서 메크로 스케일의 공간을 가지도록 만들어졌다. 저장조로부터 잉크의 공급은 잉크의 채워짐 향상 뿐만아니라 옆면의 변형으로 인한 그리드 패턴된 몰드 공간의 선폭 감소에도 기여한다. 이러한 모습은 면저항을 낮추면서 동시에 투과도를 향상을 이끌었다. 이렇게 제작된 금속 그리드는 대면적, 유연 그리고 투명 필름에 내장되었고, 반복적인 굽힘 하에서 적절한 전기기계적 안정성을 보였다. 금속 그리드 내장 투명전극은 터치 스크린 패널에 응용되었다. 또한 은 나노와이어 네트워크는 변형이 유도한 잉크 주입을 이용한 직접적 임프린팅 공정에 의해 제작된 금속 그리드에 통합되었다. 용액 공정에 의한 하이브리드 투명 전극은 마이크로 스케일의 금속 그리드와 은 나노 와이어 네트워크의 통합으로 구성되었으며, 나노 와이어 네트워크보다 우수한 성능을 보였다. 우리는 기하학적인 계산을 사용하여 금속 그리드의 면저항-투과도 성능을 예측하고 나노와이어 네트워크의 성능의 향상에 있어서 그들의 효과를 증명하였다. 하이브리드 투명전극은 유연 폴리머 매트릭스로 성공적으로 전사되었고 그것은 금속 구조물의 표면 거칠기를 감소시키고 적적한 전기기계적 안정성을 보였다. 하이브리드 은 그리드와 와이어 내장 투명전극은 애노드 전극으로 유연 태양전지에 적용되었다.
몰드 변형과 미끄러지는 거동을 이용한 은 나노 입자의 원스탭 나노스케일 패터닝 방법이 개발되었다. 옆면 변형과 미끄러지는 거동은 몰드 공간의 폭 감소를 이끌었고 변형된 공간 안에서 기능성 구조물의 극적인 크기 감소가 발생하였다. 미끄러짐 거동효과에 의한 몰드의 변형을 예측하기 위해서 몰드 변형은 네오-후키안 고탄성 물질과 마찰계수 가정과 함께 유한 요소 분석을 사용하여 시물레이션되었다. 이러한 현상은 다양한, 고립된 그리고 복잡한 마이크로 나노스케일의 금속 구조물의 제작을 허락하고 그것은 장치 증명을 위해서 유기 전계효과 트랜지스터에 적용되었다. 우리의 접근은 기능성 물질의 마이크로/나노스케일의 구조물을 제작하고 조작하기 위한 유망한 도구를 제공한다. 또한, 전통적인 진공 증착과 포토리소그라피 공정의 대체로써 양자점의 대면적 마이크로/나노스케일의 패터닝 방법이 낮은 온도와 압력에서 증명되었다. 복잡한 양잠점의 패터닝이 다양한 색깔의 양자점과 다층의 패터닝을 위한 양자점의 직접적 임프린팅 공정의 확장으로 증명되었다. 힘든 정렬 스탭의 요구없이 다층의 패터닝을 위해서 자기 정렬 스킴이 개발되었다. 우리의 접근은 양자점에 기초한 광전자 장치 제작과 낮은 온도가 요구되는 대면적 유연기판 패터닝에 유용할 것이다.