Today, nanomaterials have already been used in many parts of our life. They have been used in fields because of their unique and useful properties, which are different from bulk materials and they accomplished remarkable achievements. As interest in nanomaterials increases, many researches on the manufacturing technologies have been carried out in order to develop more efficient fabrication methods. However, 3D nanostructures cannot be widely used, even their effectiveness in specific fields, because their complicated structures make difficult the precise structural controls. Most of the 3D nanostructure fabrication processes have trade-off between controllability and throughput. In this dissertation, a novel fabrication method with excellent controllability and high throughput using by solvent-assisted nanotransfer printing and plasma deep etching process and its application will be described.
In Chapter 2, we will demonstrate 3D nanostructures on polymer electrolyte membrane surface for high performance polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) and clarify the performance enhancement mechanism through sophisticated structural controls. The created surface nanostructures effectively increase the active surface area and enhance the mass transport.
In Chapter 3, we will describe multiscale patterned surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for E.coli detection. The substrates are customized to the size of E.coli which is much larger compared to conventional analytes. The customized structures can confine E.coli and remarkably enhance Raman signals through the enlarged contact area and dense nanoscale patterns.
This 3D nanostructure fabrication process will be able to use in various applications due to its improved structural controllability and high throughput. We can solve the problems of conventional fabrication technologies with this novel method.
현대 시대에는 이미 우리 생활 곳곳에서 나노 물질들이 이용되고 있다. 나노 물질들은 그 작은 크기로 인해 기존 벌크 물질들과는 다른 독특하고 유용한 특성들을 가지기 때문에 여러 분야에서 적용되어 높은 성능을 보였다. 이러한 나노 물질들에 대한 관심이 증가하면서 많은 연구자들이 더 효율적인 나노 물질 제작 공정을 개발하고자 하였다. 하지만 3차원 나노 구조는 몇몇 분야에서 매우 우수한 성능을 보임에도 널리 사용되기 어려웠는데, 그 복잡한 구조로 인해 정밀한 제어가 어려웠기 때문이다. 본 학위 논문에서는 나노 전사 프린팅과 플라즈마 식각 공정을 이용하여 이러한 문제들을 해결하고 다양한 분야에 응용하고자 하였다.
2장에서는 고분자 전해질 막의 표면을 3차원 구조로 패터닝하여 고성능 고분자 전해질 막 연료 전지를 구현하였다. 또한 정밀한 제어를 통해 3차원 구조 변화와 따른 연료 전지 성능 변화에 대한 연관성을 분석할 수 있었다. 표면이 패터닝된 전해질 막을 통해 활성 손실 구간과 물질 이동 손실 구간에서 큰 성능 향상을 확인하였다.
3장에서는 두 가지 이상의 주기를 가지는 나노 구조를 조합하여 대장균 검출용 SERS 기판을 제작하였다. 제작한 기판은 대장균의 크기에 맞춤형으로 만들어져 증가된 접촉 면적과 조밀한 나노 수준의 패턴들을 제공하였고, 이를 통해 표면 증강 라만 산란 증대에 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
새롭게 개발된 3차원 나노 구조 제작 공정은 높은 구조 제어 능력과 양산성을 가지기 때문에, 기존의 제작 방식들의 문제점을 보완하여 다양한 분야에 걸쳐 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
