NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 27, No. 6, 2009…671 외부 자극에 반응하는 밴드갭을 갖는 광 결정
(photonic crystal) 물질은 생물· 화학 센서 및 컬러 잉크재료, 페인트, 반사 표시장치, 광학 필터, 스위치 등 다양한 광학부품에 응용 가능하다. 자기장에 초상 자성(superparamagnetic)콜로이드 입자들을 노출시 켜 색을 변화시키는 기술은 이미 수 년 전에 개발되었 지만, 주로 물질의 배열이나 굴절률의 주기를 변화 시 키는데 의존하여 외부자극에 대한 변화가 어렵거나 진행이 느리다는 단점이 있었다. 최근 미국 UC Riverside 대학교의 Yin 연구팀은 외부 자기장의 방 향에 따라 즉각적이고 가역적으로 색을 바꾸는 미세 폴리머 구체(sphere)를 개발하였다.
미세구체 제조는 다음과 같은 방법으로 이루어진다.
먼저, 액체상태이지만 나중에 자외선 경화 수지에 노 출되면 고체로 바뀌는 수지(resin)속에 자기 산화철 입자(Fe3O4@SiO2)를 혼합하면, 척력과 인력의 균형 으로 1차원의 체인이 형성된다. 이를 미네랄 오일이나
실리콘 오일 속에 넣고 수지 용액을 분산시키면 수지 는 오일 속에서 구형방울들로 변형된다. 다음에 외부 자기장을 인가하여 산화철 입자들을 주기적으로 정렬 된 구조로 조직화 한다. 이 때, 자기장 방향을 따라서 관찰하면, 이러한 구조는 반사형 컬러를 표시한다. 마 지막으로 액체 시스템을 자외선 복사에 노출시켜 수 지 방울들을 중합하여 딱딱한 미세구체로 만든다[그 림 1(A)]. 자기장의 영향으로 인해 구체 내부의 산화 철 입자들의 배열이 바뀌면서 색체에도 변화가 뒤따 르게 되고, 자기장을 다르게 흘리면 배열도 달라지면 서 색채들의 회절 또한 다양하게 나타난다. 이러한 방 식은 외부 자기장을 이용함으로써 미세구체, 즉 주기 적 배열인 광 결정의 상대적 방향을 바꾸어 색을 조절 하기 때문에 미세구체 자체의 구조나 고유 특성이 바 뀌지 않으며[그림 1(B)], 순간적인 작용, 비접촉 제어 및 이미 시장에 나온 전자 장치들에 쉽게 통합시킬 수 있다는 부수적인 장점을 가진다. 또한 미세구체는 구 위를 스캔 한다. Wollaston wire probe를 사용하여
PXT로부터 열화학적으로 패터닝한 PPV 구조는 음 각 리소그래피 형상을 보임과 동시에 분해능 (resolution)이 10배 이상 향상되고, 기록속도는 무려 1000배 이상 개선되었다.
[그림 2]는 열화학적 리소그래피 기술을 이용하여 만든 PPV 격자구조로서, 열화학적 리소그래피가 효 과적인 패터닝 기술임을 보여준다. 또한 공촛점의 발 광 이미지를 통해 나노패터닝된 구조가 발광 특성을 가짐을 알 수 있다.
많은 상업적 가교제, 첨가제와 포토레지스트를 포
함하는 광학물질의 다수가 열적으로 활성화 될 수 있 는 화학적 메커니즘을 따르기 때문에 열화학적 리소 그래피는 다양한 분야에 응용될 수 있으며 신뢰성이 높은 나노패터닝 기술이다. 이 연구는 기능성물질, 복 합 고분자에 대한 직접적인 열화학 나노패터닝의 가 능성과 함께 열화학 나노패터닝 기술을 다른 기능성 물질에 역시 적용할 수 있음을 보여준다. 직접적인 열 화학적 제조 방법을 이용하여 다양한 전자 장비와 광 학장비를 제조할 수 있으리라 기대한다[Nature nanotechnology, Vol. 4, p. 664 (2009)].
Magnetochromatic Microspheres:
Rotating Photonic Crystals
조적 안정성이 우수하며 물, 알코올, 헥산 및 심지 어 폴리머 용액과 같은 다양한 종류의 분산 매질과 도 친화성이 높아 다양한 화학적 환경에서 자기적 으로 조절될 수 있는 색을 유지할 수 있다. 이러한 미세구체는 재기록이나 재사용이 가능한 도료표지, 포스터, 컬러 인쇄용 잉크 재료는 물론, 페인트와 화장품에 쓰일 친환경 염료를 만드는 데에도 이용 될 수 있다.
이번 기술은 미세구체 회전에 의한 회절색의 on/off 스위칭이 빠르고, 픽셀 구조를 크게 단순화 시키기 때문에 능동 도로표지와 같은 초대규모 디 스플레이를 비롯한 광범위한 광학분야에서 큰 가능 성이 있다. 특히 종이와 포스터와 같은 재기록 가능 에너지 절감 디스플레이 제작에 요구되는 쌍안정 컬러상태를 만드는 장점도 갖추고 있어 색이 바뀌 는 안정적인 광 결정물질을 대규모로 제조할 수 있 을 것이라 기대한다[J. Am. Chem. Soc, Vol. 131, p. 15687 (2009)].
672…NICE, 제27권 제6호, 2009
신기술 소개
그림 1. (A) Magnetochromatic microsphere를 합성하는 과정, (B) PEGDA matrix 안에 둘러 싸여 체인을 형성하고 있는 자 기 산화철 입자(Fe3O4@SiO2)의 SEM 사진, (C) 자기장 속에서 미세구체 변화에 대한 개략도와 광학현미경 사진.
그림 2. 외부 자기장이 가해졌을 때; ‘on’상태(A, C, E)와‘off’
상태(B, D, F)의 미세구체의 광학현미경 사진.
