3D nanostructures have greatly attracted many interests for various practical applications due to their large surface area, periodicity, continuity and porosity. Especially, the 3D hybrid nanostructures can realize more superior material properties due to synergetic effect in each phase compared to single phase 3D nanostructures. However, most of the known manufacturing methods still need to optimize fabricating conditions of 3D nanostructures and 3D hybrid nanostructures with binary or ternary phase in a bulk-scale. Proximity-field nanopatterning (PnP) offers a novel efficient route to produce well-oriented and porous 3D nanostructures using simple optical set-up. PnP has many advantages including experimental simplicity, scalability to large area and vibration tolerance. These advantages make this technique attractive for practical application such as photonics, energy devices, sensors, catalysts and many others. The following materials conversion methods, including atomic layer deposition (ALD) and electroplating, can give various functionalities (i.g. electrical conductivity, thermal conductivity and catalytic activity) in 3D nanostructures. Therefore, a good understanding of the material conversion process is necessary for achieving 3D hybrid nanostructures in a bulk-scale. We successfully attain polymer/ceramic and ceramic/metals hybrid nanostructures via sequential material conversion process including PnP/ALD and PnP/ALD/electroplating, respectively. Also we analyze the surface, composition and interface between $1^{st}$ and $2^{nd}$ phase materials through various measurement tools such as SEM, AFM, XRD, EDS and many other. Finally, I provide the successful use of the 3D hybrid nanostructures for practical applications in photocatalyst with high activity and recyclability, optical polymer films with highly mechanical properties, transparency, and thermal conductivity, and reinforced metal nanocomposites with highly mechanical strength in a bulk-scale. We hope that these results can provide useful design criteria of 3D hybrid nanostructures for practical application.
3차원 나노 구조체는 넓은 비표면적, 주기성, 연속성 및 기공률이라는 장점 때문에 다양한 응용분야에서 각광받고 있다. 특히, 두가지 상(binary phase) 또는 세가지 상(ternary phase)로 이루어진 3차원 하이브리드 나노 구조체는 각 물질 사이의 시너지 효과를 통해 단일 상으로 이루어진 3차원 나노 구조체를 뛰어넘는 재료 물성을 구현 할 수 있을 것이라 기대된다. 그러나 현재까지 알려진 대부분의 나노 구조체 제작 방법들은 벌크 스케일 (bulk scale)에서 3차원 나노 구조체와 3차원 하이브리드 나노 구조체를 제작하기에는 아직도 많은 공정 최적화가 필요한 실정이다. 근접장 나노 패터닝(proximity-field nanopatterning, PnP) 기술은 간단한 광학 구성으로 넓은 면적에서 주위 환경에 영향을 받지 않고 신뢰성 있게 정렬된 3차원 나노 구조체를 제작 할 수 있으므로 광학 소자, 에너지 소자, 센서, 촉매 등 다양한 실제 응용 분야에 적용 시킬 수 있다. 위의 근접장 나노 패터닝 기술로 제작된 3차원 나노 구조체를 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)과 전기도금법 (electroplating) 등의 소재 전환기술을 이용하여 금속, 세라믹 재료로 치환 시킴으로써 다양한 기능성 (전기전도성, 열전도성, 촉매 활성)을 3차원 나노 구조체에 부여 할 수 있다. 그러므로 소재 전환 공정의 높은 이해는 3차원 하이브리드 나노 구조체를 벌크 스케일에서 구현하는데 꼭 필요한 과정이다. 본 학위 논문에서는 고분자/세라믹 (근접장 나노 패터닝/원자층 증착법)과 금속/세라믹 (전기도금/원자층 증착법)으로 구성된 3차원 하이브리드 나노 구조체를 성공적으로 벌크 스케일에서 제작 할 수 있었다. 또한 위의 3차원 하이브리드 나노 구조체의 조성과 표면, 첫번째 상과 두번째 상 사이 계면을 SEM, AFM, XRD, EDS 등의 다양한 측정 장비를 통해 분석 했다. 마지막으로 벌크 스케일의 3차원 하이브리드 나노 구조체를 높은 활성, 재사용성을 가지는 광촉매, 높은 기계적 강도, 투명도, 열전도도를 가지는 광학 필름, 높은 강도를 가지는 금속 복합소재 등의 실제 응용분야에 적용 시켰다. 학위기간의 이 연구 결과들은 3차원 하이브리드 나노 구조체를 실제 응용분야에 적용시키는데 유용한 설계 및 접근 방식을 제시 할 수 있을 것이라 기대한다.
