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Construction of Surface Nanostructures and Nanonetworks based on Assembly of Colloidal Particles
콜로이드 입자 자기조립 기반의 표면 나노구조물 및 나노네트워크 형성 기술 연구

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor이신두-
dc.contributor.author박승철-
dc.date.accessioned2017-07-13T07:23:34Z-
dc.date.available2017-07-13T07:23:34Z-
dc.date.issued2013-08-
dc.identifier.other000000013280-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/119322-
dc.description학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 8. 이신두.-
dc.description.abstract최근, 표면나노구조물과 나노네트워크는 광학, 전자기학, 플라즈모닉스 및 포토닉스 등 다양한 분야의 핵심 요소로서 매우 많은 관심을 받고 있다. 표면 금속 나노 구조물은 다양한 비선형 광학, 예를 들어, 메타물질형성을 통한 광학 클로킹과 전자의 집단적 거동인 플라즈모닉 현상을 이용한 플라즈모닉 센서, 밴드 갭 조정을 이용한 광의 특이적 투과성 등을 유도할 수 있으므로 이러한 금속 나노 구조의 건설은 다양한 응용의 기본이 되는 핵심요인이 될 것이다. 또한 표면 금속 나노네트워크는 단순한
전극으로의 응용뿐만 아니라 유기발광다이오드 또는 유기태양전지 등의 전기-광학적 소자의 기능적인 요소로 응용될 수 있다. 따라서 이러한 다양한 분야의 적용가능하기 위해서는 다양한 크기와 모양 그리고 주기를 가지는 표면 나노구조물과 나노네트워크 형성기술에 대한 연구가 확립되어야 한다.
본 논문에서는 자기 조립된 콜로이드 입자를 기반으로 한 다양한 구조적 조건, 예를 들어 크기, 모양, 주기 등을 가지는 표면 나노구조물 및 나노네트워크 형성 방법을 제안하고 이러한 구조물을 이용한 다양한 응용을 논의하였다. 특히 콜로이드 입자와 기능성 물질 사이의 상호작용에 대한 물리적 메커니즘에 대하여 논의하였다. 이를 위하여 우선 표면나노구조물과 나노네트워크를 형성하는 다양한 기술에 대한 소개를 하고 상향식 방식인 자기조립 콜로이드 입자 기반의 형성기술에 대하여 논의하였다. 특히 형성하는 구조물의 구조적인 조건에 따른 형성기술의 방식에 관하여 논의하였다.
우선, 자기 조립된 콜로이드 입자를 하나의 형판으로 이용하여 다른 기능성 물질로 이루어진 표면나노구조물 및 나노네트워크 형성방식을 제안하였다. 액체-다리현상으로 알려진 방식을 이용하여 기능성 물질이 콜로이드 입자들 사이사이에 자발적으로 형성되었다. 이러한 액체-다리현상을 이용할 경우, 기능성 물질의 특성과 형판으로 이용되는 자기 조립된 콜로이드 구조의 크기 등이 상호 고려되어야 한다. 또한 이러한 기능성 물질의 자발적인 분포는 금속입자를 이용할 경우 나노그물모양의 구조물을 형성할 뿐아니라 다양한 폴리머를 이용할 경우 희생층으로 작용하여 리프트오프 공정에 적용되어 증착을 이용한 이차적인 금속물질의 나노닷 패턴에 이용된다. 한편, 이러한 기능성 물질을 금속전극 위에 형성할 경우 자발적으로 구조물이 형성된 기능성 물질이 식각 공정에 대한 희생층으로 작용하여 위치에 따른 차별적인 식각 공정이 가능하게 된다. 이러한 차별적인 식각 공정은 그 공정시간을 조절하여 다양한 크기를 가지는 구멍을 제작할 수 있다. 이러한 크기조절 가능한 금속 나노네트워크 전극의 경우 다양한 전기광학적 소자의 핵심부품으로 사용될 수 있다.
그리고 금속과 자기조립된 콜로이드 입자를 이용한 다양한 표면구조물 형성 방식에 대하여 연구하였다. 금속과 유전체는 다양한 광학적 특성을 가지므로 이러한 금속과 유전체가 함께있는 구조물을 형성하는 연구는 필수적이다. 자기조립된 콜로이드 입자에 금속층을 증착한후 콜로이드 입자를 제거하면 표면금속나노구조물을 형성할 수 있다. 자기 조립된 콜로이드 입자들은 밀집 단일 층을 형성하므로 이러한 밀집 단일 층의 경우 입자와 입자 사이의 공간은 기판이 노출된다. 따라서 이러한 노출된
기판은 금속을 증착하고 콜로이드 입자를 제거할 경우 금속나노구조물이 형성이 된다. 나노구형 식각 방식으로 알려진 이 방식은 입자의 크기를 변경할 경우 다양한 크기와 주기를 가지는 삼각형 모양의 표면 금속나노구조물을 형성할 수 있다. 이러한 표면금속나노구조물의 경우 플라즈모닉스나 포토닉스등의 핵심소자로 이용될 수 있다. 또한 자기조립된 콜로이드 입자에 금속을 증착하면 구면을 가지는 콜로이드의 입자의 특성상 입자를 통과한 빛은 수렴현상을 보이게 된다. 이러한 수렴현상은 광을
집속시키는 결과를 야기하므로 이러한 광의 집속은 광경화성 물질을 매우 작은 크기로 경화 시킬수 있다. 이러한 집속은 콜로이드 입자 윗부분에 증착된 금속 층을 통하여 조절할 수 있다. 이러한 광경화성 물질의 작은 크기로 경화시킨 기판을 이용하여 식각 공정 및 리프트오프 공정을 통하여 상호 반대되는 패턴을 가지는 기판을 제작할 수 있다.
또한 표면나노구조물 형성의 관점에서, 콜로이드 입자 그자체를 하나의 구조물로 적용하여 제작하였다. 열처리에 따른 콜로이드 입자의 구조적인 변화를 이용하여 열처리 정도를 조절하여 다양한 크기의 표면나노구조물을 제작하였다. 이러한 크기조절이 가능한 표면구조물을 나노물질과의 상호작용에 관한 연구를 위하여 적용하였다. 표면나노구조물은 나노물질, 즉 액정의 위치적인 거동을 변화시켜 다양한 광학적인 특성을 유도하였다. 결론적으로 본 논문에서는 다양한 크기와 모양 그리고 주기를
가지는 표면나노구조물 및 나노네트워크 형성 방식을 구현하였다. 이러한 다양한 구조적 조건을 가지는 표면나노구조물 및 나노네트워크 형성기술 및 그 배경원리는 다양한 전기광학적 소자 연구에 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
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dc.description.abstractRecently, surface nanostructures and nanonetworks have extremely much attention for core element in diverse fields such as optics, electronics, plasmonic, and photonics. Since the surface nanostructures can generate the non-linear optics, for example, meta-materials for optical cloaking and collective oscillation of electrons for plasmonic detection, and band-gap tuning such as extraordinary transmission of light, the construction of surface nanostructures might be the key factor for various applications. In addition, surface metal nanonetworks can be applied not only the electrode in electronic devices but also the functional element in opto-electronic devices which are the organic light emitting diode and organic photo-voltaic. Therefore, for application of various fields, construction of surface nanostructures and nanonetworks with various sizes, shape, and periodicity for special functionality should be established.
In this thesis, new platform for construction of surface nanostructures and nanonetworks with metal or nonmetal materials based on self-assembled colloidal particle are presented for the various sizes, shapes, and periodicities of surface metal or nonmetal nanostructures and nanonetworks. First, the general overview of the construction methods for surface nanostructures and nanonetworks and the construction methods based on the colloidal particle assembly as bottom-up approach are introduced. Especially, the convective method for self-assembled colloidal particle platform is presented. In addition, it is presented that the underlying physical mechanism comes from the interface between the colloidal particles on substrate.
In the viewpoint of the surface nanostructure formation, combination of the self-assembled colloidal particles and functional fluids for the formation of surface nanostructures and nanonetworks is demonstrated. The interaction between the functional fluids and self-assembled colloidal particle is known as liquid bridging phenomenon. The liquid bridging phenomenon can help to make surface nanonetwork of functional fluid by spontaneous distribution between the colloidal particles. The surface nanonetworks by functional fluids can be applied not only as the nanomesh structure by Ag ink but also sacrificial layer for surface nanodots formation. By the basic principle of liquid bridging phenomenon, the relationship between the size of colloidal particle and the thickness of functional fluid should be considered for surface nanodots and nanomesh formation. In addition, size scalable conducting nanonetwork electrode can be formed by using the functional fluid formation on Au electrode. The formation of functional fluid on Au electrode can be the sacrificial layer against the etching process that the selective etching process can induce the Au electrode. The selective etching process on Au electrode can make the various sizes of pores with nano-range periodicity by control the etching time. This size scalable conducting nanonetwork electrode might be the key element in opto-electronic devices.
Next, combination of the self-assembled colloidal particles and metal layer for the formation of surface nanostructures and nanonetworks is demonstrated. Using the self-assembled colloidal particles as the sacrificial layer in lift-off process after metal deposition, the surface metal nanostructures can be generated. The self-assembled colloidal particles on substrate are arranged as a close-packed monolayer formation which has the void space between the neighboring colloidal particles. When the metal layer is deposited on the substrate, the metal nanostructures which are positioned between the colloidal particles are remained on substrate after the detachment of colloidal particle. This method which is known as nanosphere lithography can provide triangular shaped surface metal nanostructure with various size and periodicity by altering the size of colloidal particle. Such the surface metal nanostructures are employed key element of various applications including plasmonics and photonics. In addition, self-assembled colloidal particle can be the platform of not physically formation of functional fluid but also the optically modulation of light pathway when the metal layer are deposited on the self-assembled colloidal particles. Due to the spherical shape of colloidal particles, the pathway of light which pass through the colloidal particle can be modulated. The modulation of light pathway can focus the light in small area that such focusing of light can generate the small feature size of photoresistor. It is also can control the amount of focusing ratio by altering the thickness of metal layer which can block the penetration of light. Using this focusing effect of colloidal particles, patterned photoresistor on substrate can be achieved that the reversal patterns which are surface structure and patterned electrode can be formed by lift-off process and etching process, respectively.
Moreover, it is presented that the surface nanostructure is formed by the colloidal particle itself. Using the structural deformation by the thermal treatment, the colloidal particles arranged on substrate can be applied as the surface nanostructure for nanotopography. Such the surface nanotopography
can be the platform interaction between the surface nanostructure and nanomaterials such as liquid crystals (LCs) or biomaterials. The interaction
between the surface nanostructures and LCs can change the distribution of nanomaterials on substrate that the variation of optical characteristic of device
can be achieved.
In conclusion, though this thesis, it is presented that the various construction methods of surface nanostructures and nanonetworks based on the self-assembled colloidal particles and its applications. Various construction methods of various size, shape, and periodicity of surface nanostructures and nanonetoworks, introduced here, are expected to provide a basis for realizing many applications in various fields. Moreover, the basic principle and construction technique for construction of surface nanostructures and nanonetworks will provide a platform for the optoelectronic devices.
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dc.description.tableofcontentsChapter 1 . Introduction ...................................................... 1
1.1 Importance of Surface Nanostructures and Nanonetworks ....... 1
1.2 Construction Methods of Surface Nanostructures .................... 3
1.2.1 Conventional methods ................................................................... 3
1.2.2 Colloidal particle based construction methods .............................. 8
1.3 Outline of Thesis ........................................................................ 11
Chapter 2 . Liquid Bridging in Colloidal Assembly ....... 15
2.1 Introduction ........................................................................... 15
2.2 Liquid Bridging ..................................................................... 16
2.3 Liquid Bridging of Various Functional Fluids ........................ 18
2.3.1 Metal dispersion solution ........................................................ 20
2.3.2 Polymer solution .................................................................... 21
2.4 Nanonetwork Formation ......................................................... 24
2.4.1 Nanomesh of Ag ink ............................................................ 26
2.4.2 Scalable nanonetwork by selective etching ......................... 28
2.5 Au Nanodots Formation .......................................................... 38
2.6 Conclusion ............................................................................... 40
Chapter 3 . Metal with Self-assembled Particles ........... 42
3.1 Introduction ............................................................................. 42
3.2 Metal Nanostructures for Plasmonic Biosensor ...................... 42
3.2.1 Theoretical analysis ..................................................................... 44
3.2.2 Nanosphere lithography for surface nanostructure ...................... 45
3.2.3 Supported lipid bilayers for cell membrane environment ........... 47
3.2.4 Plasmonic detection of protein binding event ............................. 49
3.3 Metal on Spherical Particle for Lithographic Mask ................ 51
3.3.1 Hemispherical metal cap-on dielectric particle ........................... 52
3.3.2 Light focusing effect and metal thickness dependency ............... 54
3.3.3 Reversal pattern formation .......................................................... 55
3.4 Conclusion ............................................................................... 56
Chapter 4 . Surface Nanotopography by Thermal
Fixation of Colloidal Particles ................... 58
4.1 Introduction ............................................................................... 58
4.2 Thermal Fixation ....................................................................... 59
4.3 Liquid Crystal Display application ............................................ 63
4.4 Conclusion ................................................................................. 71
Chapter 5 . Concluding Remarks ..................................... 73
Bibliography ....................................................................... 77
Publications ......................................................................... 83
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent3488523 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoen-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject나노구조물-
dc.subject콜로이드-
dc.subject.ddc621-
dc.titleConstruction of Surface Nanostructures and Nanonetworks based on Assembly of Colloidal Particles-
dc.title.alternative콜로이드 입자 자기조립 기반의 표면 나노구조물 및 나노네트워크 형성 기술 연구-
dc.typeThesis-
dc.contributor.AlternativeAuthorseung chul park-
dc.description.degreeDoctor-
dc.citation.pagesxvi, 93-
dc.contributor.affiliation공과대학 전기공학부-
dc.date.awarded2013-08-
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Electrical and Computer Engineering (전기·정보공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._전기·정보공학부)
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