Metal nanostructures have unique optical and mechanical properties. From the optical point of view, nanostructured metal exhibits unique optical properties such as scattering, diffraction and surface plasmon which cannot be obtained from bulk metals due to the strong light-matter interaction. Recently, due to the advance of lithography technology, it has been possible to realize a fine and complicated metal nanostructure which was previously difficult to realize. Thereby, various optical phenomena which have previously been difficult to be utilized experimentally have been adopted to various applications.
As the era of the Internet of things (IoT) comes along with the emergence of smart phones, the portability of electronic devices are increasingly emphasized. Therefore, there is a need for flexible, foldable and rollable devices with enhanced portability. Mechanical properties of the conductors constituting the electrode and electrical wiring of the flexible electronic device should be durable and stable against the mechanical deformation. For reliable operation of flexible devices, it is necessary to maintain electrical conductivity of the electrode and electrical wiring stably even under repetitive mechanical deformation. The metal nanostructure is known to exhibits excellent mechanical properties than the bulk metals and metal thin films. Accordingly, attribute to such unique optical properties and outstanding mechanical properties, in recent years, metal nanostructures have been adopted to various applications such as photovoltaics, light emitting diodes, sensors, meta materials, color filers, transparent electrodes and polarizers.
Among the nanofabrication methods, conventional top-down approaches represented by the photolithography form micro- and nanostructure on the wafer, which has led the electronic industry. Photolithography satisfies demand of the semiconductor industry, which require precise and high resolution nanopatterning at the wafer scale. However, photolithography cannot meet all the demands of industrial applications which require the low cost, high throughput and large area. Nanoimprint lithography is a promising nanopatterning method that can meet such requirements. Using the nanoimprint lithography, soft molds can be replicated easily and almost infinitely from the Si master formed by the conventional lithography techniques. Moreover, using the roll-to-roll nanoimprint process, large area and high speed processing on low cost flexible substrates is possible using less complex equipments. Therefore, nanoimprint lithography can provide the solution in various fields such as optoelectronic components, nanophotonics and biological applications
Nanoimprinted polymer templates provide a suitable platform for the fabrication of metal nanostructures via the bottom-up processes. By filling the metal along the nanoimprinted pattern, metal nanostructure with the desired structure and dimension can be obtained. In order to form the metal nanostructure on the nanoimprinted template, appropriate bottom-up approach to control nanoscale building blocks to be assembled into the desired position in the desired form is required. In this dissertation, I suggest the bottom-up processes to form metal nanostructure for the metal nanogrid transparent electrode and wire grid polarizer.
In chapter 2, I report the fabrication of a high-aspect-ratio metal nanogrid transparent electrode prepared using a solution processable, bottom-up approach. Using a facile, bottom-up approach that exploits capillarity assisted nanoparticle assembly, I assembled silver nanoparticles along a high-aspect-ratio trench of a patterned nanogrid template. High resistance due to junctions between nanoparticles is effectively reduced by photochemical welding and post-fabrication annealing. Our high-aspect-ratio silver nanogrids have an average sheet resistance of 15.2 $\Omega/sq$ and optical transmittance of 85.4 %. Moreover, the speed of fabrication by capillary assembly is significantly improved from a few $\mum/s$ to $220 \mum/s$ by controlling the fabrication conditions.
In chapter 3, I propose a facile solution process for fabricating Al wire grid polarizers. The wire grid polarizer consisting of parallel metal nanogratings is an attractive alternative to conventional polarizers because it offers thin layer thickness, easy integration capability, and outstanding chemical and thermal stability. High-aspect-ratio Al nanostructures are formed in a 1D nanoimprinted template by electroless plating. Because of the geometrically irreversible deposition and wet etching processes on the nanotemplate, only the embedded Al nanogratings are retained. The solution-processed Al nanostructured WGP with a line width of 60 nm and a height of 150 nm exhibits an average extinction ratio of 77 and transmittance of 51.1% in the visible wavelengths.
금속 나노구조는 벌크 금속에서 얻을 수 없는 특별한 광학적, 기계적 특성을 가진다. 광학적 관점에서 빛의 파장보다 작은 크기의 금속 나노구조는 강한 빛과 물질 사이 상호 작용으로 인해 산란, 회절, 표면 플라즈몬 등 특별한 광학적 특성을 나타낸다. 최근에는 리소그래피 기술의 발달로 정교하고 복잡한 구조의 금속 나노구조의 제작이 가능해졌고 이전에 활용하기 어려웠던 다양한 광학적 특성을 다양한 분야에 적용할 수 있게 되었다.
스마트폰의 등장에 이어 사물인터넷의 시대가 도래함에 따라서 전자기기의 휴대성은 점점 강조되어 왔다. 따라서 휴대성이 강화된 휠 수 있는, 접을 수 있는, 말 수 있는 전자기기에 대한 요구도 증가하였다. 유연전자 소자의 안정적인 구동을 위해서는 유연전자기기를 이루는 배선과 전극의 전도성이 반복적인 휘어짐에도 안정적으로 유지되어야 한다. 이전의 연구들에서 금속 나노구조는 금속 박막에 비해 뛰어난 안정성을 가지는 것으로 알려져 있다. 이러한 금속 나노구조의 특별한 광학적, 기계적 특성은 태양전지, 발광 다이오드, 센서, 메타 물질, 컬러 필터, 투명 전극, 편광판 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
나노가공 공정 중 포토리소그래피로 대표되는 하향식(Top-down) 제작 방식이 전자 산업을 이끌어왔다. 포토리소그래피는 웨이퍼 상에서 정교하고 높은 해상도를 요구하는 반도체 산업의 요구를 충족한다. 하지만 낮은 가격, 높은 생산량, 대면적을 요구하는 여러 분야의 요구를 모두 충족하지는 못한다. 기존의 공정을 통해 제작한 실리콘 마스터로부터 복제를 통해 간단하게 소프트 몰드를 무한히 복제해 낼 수 있는 나노가공 공정인 나노임프린트 리소그래피가 낮은 가격, 높은 생산량, 대면적에 대한 요구를 충족할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 나노임프린트 리소그래피는 롤투롤(Roll-to-roll) 공정을 통해 대면적 유연기판에 연속 생산이 가능하기 때문에 저렴하고 생산성이 높은 방법이다. 따라서 나노임프린트 리소그래피는 광학, 전자, 생명 등의 다양한 적용분야에 포토리소그래피를 대체할 대안을 제공해 줄 것으로 기대된다.
고분자 나노임프린트 템플릿은 상향식(Bottom-up) 공정을 통한 금속 나노구조의 제작을 위해 알맞은 플랫폼이다. 나노임프린트를 통해 형성한 패턴에 금속을 채워 넣음으로써 원하는 구조와 형상을 가지는 금속 나노구조의 제작이 가능하다. 그러기 위해서는 나노스케일의 구성 요소들을 원하는 위치에 원하는 배열로 조립할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 상향식 공정을 통해 나노임프린트 템플릿에 금속 나노구조를 형성하는 방법을 제시하였고 이를 이용해 금속 나노격자 투명전극과 선격자 편광판을 제작하였다.
2장에서는 용액 공정 기반의 상향식 공정을 통해 고종횡비의 금속 나노격자를 형성하고 이를 투명전극으로 사용한 연구에 대해 소개하고자 한다. 은 나노입자의 모세관 조립을 이용한 간단한 용액 공정을 통해 우리는 고종횡비의 금속 나노격자 패턴에 나노입자를 정렬할 수 있었다. 광화학적 용접과 이어지는 열처리 과정을 통해 나노입자 사이의 높은 접촉 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있었고 금속 나노격자 투명전극의 면저항을 15.2 $\Omega/sq$까지 효과적으로 감소시킬 수 있었다. 또한 공정 조건의 조절을 통해 공정 속도 또한 수 $\mum/s$에서 $220 \mum/s$까지 향상시킬 수 있었다.
3장에서는 용액 공정을 이용해 나노임프린트 템플릿에 알루미늄 나노 선격자 편광판을 제작하였다. 선격자 편광판은 얇은 두께, 용이한 집적성, 뛰어난 열적, 화학적 안정성으로 인해 기존 편광판의 대체재로 주목받고 있다. 높은 종횡비의 1차원 나노구조 템플릿에 무전해 도금을 통해 알루미늄 나노구조를 형성하였고 나노구조 상에서 균일 도포와 등방성 식각 사이의 기하적 비가역성을 이용함으로써 나노패턴에 선택적으로 임베디드 알루미늄 나노격자를 형성할 수 있었다. 용액 공정을 통해 제작한 주기 95nm, 선폭 60nm, 높이 150nm의 알루미늄 나노 선격자 편광판은 가시광 영역에서 51.1%의 투과도, 77의 소멸비를 나타내었다.