Nanoparticles exhibit unique properties which differ from those of bulk. In addition to the excellent physical properties that randomly deposited nanoparticles grant to many applications, nanoparticles that are localized in particular pattern have significant potentials to broaden their intrinsic characteristics due to coupling and ensemble effects that each different nanoparticle orientation carries. However, subtle control of positional information of 1-100 nm sized particles requires complex manipulation of the confinement effect, thermodynamic stabilization, and post-transfer to final device structures. Nanoparticles are mass-synthesized using solution synthesis method, which makes them challenging to be adopted to the conventional deposition processes used for patterning. Therefore it is critical to develop a paradigm shifting methodology to pattern solution-based nanoparticles via innovative principle. In this thesis, thermodynamic behavior of nanoparticles in confined environment is carefully studied in order to understand the fundamental interaction of single-nanoparticle. Then, a novel patterning and transfer-printing techniques of nanoparticle arrays was developed, which were finally adopted to suggest innovative designs on electroluminescence quantum dot light emitting diode and multiplex miRNA detection platform.
나노입자는 같은 물질의 벌크 형태에 비해 독특한 고유의 재료 성질을 띄게 된다. 이러한 나노입자를 사용한 차세대 응용분야들이 떠오르고 있는데, 나노입자를 단순히 최조밀 구조의 박막형태로 적용하는 것에서 더 나아가 각 입자들의 특정 패턴이나 방향성 정보를 유도할 경우, 입자간 커플링 효과에 의해 특수하거나 더 향상된 물성을 보이게 된다. 하지만 1-100 나노미터 급의 크기를 갖는 입자들의 위치정보를 제어하기 위해서는 패터닝을 위한 구속효과나 열역학적 안정도에 대한 이해 및 제어가 필수적이며, 위치정보를 최종 디바이스에 적용하기 위해 필요한 특정 공정기술 역시 개발되어야 한다. 나노입자는 용액기반으로 합성되기 때문에 기존에 물질을 패터닝하는데 사용하는 증착 기법들을 적용시킬 수 없는 문제점이 있기 때문에 새로운 원리 기반 패터닝 기술 개발이 필수적이다. 본 학위논문에서는 먼저, 나노입자가 구속효과를 받을 때의 열역학적 거동을 이해하기 위한 연구에 대해 진행하고, 이러한 근본적인 이해도를 바탕으로 다양한 나노입자 배열을 제작하는 벙법론을 제시한다. 액상 박막의 디웨팅 현상을 효과적으로 제어해 나노입자 용액의 선택적 패터닝을 유도하는 기술을 개발하였으며, 이렇게 제작된 패턴 배열을 템플릿 기판으로부터 전사매체를 사용해 분리, 최종 기판에 접착 에너지 제어 방식으로 이동시키는 전사 프린팅 기술을 개발하였다. 마지막으로, 새롭게 개발한 나노입자 패터닝 및 전사 프린팅 공정을 사용한 양자점 전기발광 다이오드와 다중 miRNA 검출 플랫폼 개발에 대한 부분을 다루고자 한다.
