Nanowires have high potential to be applied to very wide range of science and engineering fields. So far, various fabrication methods for generating nanowires based on a top-down and bottom-up approaches. However, existing nanowires fabrication technologies show some problems, such as low productivity, material dependency, lack of dimension-controllability and so on. These technological hurdles make the existing nanowires fabrication method to be used in industrial and commercial applications.
In this research, a novel approach for nanowires production based on a large-area, high-density nanograting template is proposed and demonstrated. A large-area nanograting pattern as a master template is developed through a novel repetitive pattern scaling technology. The fabricated master template was transferred to a plastic substrate through a high-resolution nanoimprinting lithography method reproducibly, as a disposable template. By using a conventional physical vapor deposition and wet etching process, both highly ordered nanowire arrays and randomly distributed nanowire network was successfully produced with a wide range of materials. By applying the proposed approach, industry-compatible high-productivity nanowires fabrication was successfully achieved. The proposed technology provides a way to nanowires production, with high material versatility, high regularity, high productivity and efficiency, which have not be achieved by conventional bottom-up based approaches. As practical applications of the proposed nanowire mass-production technology, a high-throughput palladium nanowire based hydrogen sensor and large-area wire grid polarizer for visible light polarizing were proposed and successfully demonstrated.
물질이 100nm 이하의 사이즈로 작아지게 됨에 따라, 이보다 큰 상태에서는 발견되지 않았던 여러 가지 새로운 물리적 특성들이 나타난다는 점에 착안하여, 나노미터 사이즈의 초미세 구조에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 굵기가 수십 nm에 불과한 선형 구조체인 나노와이어는 전기전자, 화학, 바이오공학 등을 비롯한 첨단과학 분야에서, 새로운 기능을 가진 신소재로서 각광받고 있다.
종래의 나노와이어 제작 방식은, 화학적인 합성 방식에 의한 자연 성장 방법이 주종을 이루어 왔다. 이와 같은 자연 성장 방법은 매우 낮은 생산성을 보이며, 길이나 나노와이어의 밀도, 혹은 나노와이어를 이루는 물질을 자유롭게 선택하기가 매우 어렵다는 한계를 보여 왔다. 뿐만 아니라, 실제 디바이스에 적용하기 위하여 정확한 포지셔닝 및 정렬이 요구되는 바, 이러한 조건에 부합하지 않아 산업적으로 널리 응용되지 못해 왔다. 한편, 전자빔 리소그라피 방법을 이용하여 직접적으로 패터닝하는 방법은, 매우 낮은 생산성과 높은 공정 비용, 그리고 고가의 장비와 실험 환경을 필요로 한다는 점에서 대량 생산에 적합한 방식으로 선택되기 어려웠다.
본 연구에서는, 종래의 화학적 합성 방법, 혹은 전자빔 리소그라피에 의한 패터닝 방법이 가지는 한계를 극복하고, 매우 높은 생산성으로, 완벽히 정렬된, 다종 물질의 나노와이어를 제작하기 위한 방법을 제안하였다. 먼저, 직경 20cm 에 이르는 대면적 기판에 폭 50nm 의 선패턴을 100nm 간격의 초고밀도로 형성함으로써 나노선 제작을 위한 기초 템플릿을 제작하였다. 이러한 템플릿을 제작함에 있어, 종래의 나노패터닝 방법이 가지는 해상도 한계를 극복하기 위해 반복 스페이서 리소그라피 방법이 새로이 도입되었으며, 기존의 투사 노광 장비의 좁은 패터닝 영역을 극복하기 위해 Shot 과 Shot 사이의 패턴 경계를 정확히 이어 붙이는 새로운 Stitching 공법이 도입되었다.
제작된 나노그레이팅 템플릿은 생산성 및 경제성 확보를 위하여 플라스틱 기판에 대량 복제되었다. 이 과정에서 나노임프린팅 방법을 이용한 대면적 패턴 전사 기법이 활용되었으며, 원패턴이 손상 없이 성공적으로 반복 복제되는 것을 확인할 수 있었다.
플라스틱 기판에 전사된 나노그레이팅 패턴상에 널리 알려진 증착 공법을 통하여 원하는 물질을 증착하면, 기판의 패턴에 의해 패턴 사이 골짜기가 가려지는 Shadowing 효과에 의해 자연스럽게 격리된 나노와이어 배열이 형성된다. 이와 같은 공법을 통하여, 다종의 금속, 유전물질, 및 3원소로 이루어진 압전 물질에 이르기까지 다양한 물질의 나노선이 폭 50nm, 길이 20cm 에 이르는 초 고종횡비 (4,000,000:1) 를 가지고 성공적으로 형성될 수 있었다.
제작된 나노와이어의 실제적인 응용 사례를 증명하기 위해, 수소 가스 감지를 위한 센싱 디바이스가 제작되었다. 팔라듐(Pd) 을 이용한 나노와이어 묶음을 제작하고, 이를 수소에 노출시킨 상태에서 저항 변화 양상을 연속적으로 관찰한 결과, 5% 농도에서 62%, 0.1% 농도에서 5.0% 의 저항 변화치를 검출할 수 있었다. 더불어, 평판 및 나노그레이팅 상에서의 수소감지 성능, 서로 다른 나노와이어 굵기에서의 수소감지 성능 변화 양상이 측정되고 평가되었다.
