Colloidal crystallization serves as one of the most economic and scalable production methods for photonic crystals. However, insufficient optical performance and low uniformity and reproducibility remain challenges for advanced high-value applications. In this study, we optimally formulate a photocurable dispersion of silica particles and apply shear flow to unify the orientation of colloidal crystals, ensuring high optical performance and uniformity. The silica particles experience strong repulsion at ultrahigh volume fractions of 50%, but demonstrate low mobility, leading to polycrystalline structures. Applying shear flow to the dispersions allows the silica particles to rearrange into larger crystalline domains with a unidirectional orientation along the flow. This shear-induced structural change produces absolute reflectivity at the stopband as high as 90% and high transparency of 90% at off-resonant wavelengths with minimal diffusive scattering. Furthermore, strong interparticle repulsion ensures a uniform volume fraction of particles throughout the dispersion, reducing deviations in optical properties. We intricately micropattern the photocurable dispersions using photolithography. Additionally, the photonic films and patterns can be stacked to form multiple layers, displaying mixed structural colors and multiple reflectance peaks without sacrificing reflectivity. These superior photonic materials hold promise for various optical applications, including optical components and anti-counterfeiting patches.
콜로이드 결정화는 광결정을 구현하기 위한 경제적이고 확장 가능한 방법 중 하나이다. 그러나 불충분한 광학 성능과 낮은 균일성 및 재현성은 여전히 해결해야할 과제로 남아있다. 본 연구에서는 실리카 입자와 광경화성 레진의 부피비를 최적화한 후 전단 흐름을 도입하여 콜로이드 결정의 방향을 통일시킴으로써 뛰어난 광학 성능과 균일성을 달성하고자 하였다. 50%의 높은 부피비에서는 실리카 입자 간 강한 상호 반발력이 작용하지만, 이로 인해 입자들의 이동성이 낮아져 다결정 구조가 형성된다. 이 상태의 분산액에 전단 흐름을 적용하면 전단력의 방향으로 실리카 입자들의 재배열이 발생하여 하나의 큰 단결정이 형성된다. 이렇게 유도된 구조적 변화는 저지대역에서 90%의 높은 반사도와 비공진 파장에서 90%의 높은 투과도를 달성한다. 또한 입자 간 강한 상호 반발력으로 분산액 내에서 입자의 부피 비율이 균일해져 광학적 특성의 편차가 감소한다. 광경화성 고분자 레진을 사용하였기 때문에 광식각법을 통해 정교한 마이크로패터닝이 가능하다. 형성된 광결정 필름과 패턴은 높은 투과도를 가지기 때문에 적층을 통해 반사도의 큰 저하 없이 혼합된 구조색과 여러 개의 반사 피크를 가지는 복합체를 얻을 수 있다. 이렇게 만들어진 우수한 콜로이드 광결정은 디스플레이, 센서, 위변조 방지 소재 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
