Structural colorants based on photonic microbeads containing crystalline colloidal arrays have emerged in various applications, including inks and cosmetics. However, their low color saturation and deformability generally limit their potential uses. In this study, we design elastic photonic microbeads with enhanced color saturation and high deformability. To produce the photonic microbeads, we use oil-in-oil (O/O) single emulsion droplets as a template. For structural coloration within spheres, highly concentrated silica particles in elastomer precursors are microfluidically emulsified into immiscible oil to produce monodisperse droplets. The silica particles spontaneously form crystalline arrays in the entire volume of the droplets due to interparticle repulsion which is unperturbed by the diffusion of the surrounding oil whereas weakened for oil-in-water droplets. The crystalline arrays are permanently stabilized by photopolymerization of the precursor, forming elastic photonic microbeads. The high crystallinity of colloidal arrays increases the reflectivity at stopband, enhancing color saturation. The microbeads composed of elastic polymer show high deformability under mechanical deformation. To further improve the color saturation and deformability of microbeads, elastic photonic shells are fabricated using water-in-oil-in-water (W/O/W) double-emulsion templates. The elastic shells are produced by photocuring acrylate-based resin containing non-close-packed arrays of silica particles in the middle oil layer. The presence of two concentric interfaces and high concentrations of water-soluble molecules in the inner and continuous water phases improves the crystalline order of silica particles. Moreover, the absence of relatively disordered core reduces incoherent random scattering, further enhancing color saturation. Although the shells themselves are elastically deformable, the liquid core renders them more deformable with low stiffness. Additionally, the microbeads with high color saturation and deformability can be easily formed using bulk emulsification for photonic inks. The microbeads with high deformability can be redisepersed in photocurable and printable acrylate-based resin, which is potentially beneficial for improving the fluidity of suspensions. These advancements in elastic photonic microbeads offer new opportunities for structural coloration in inks.
콜로이드 입자들의 자가조립을 통해 형성된 규칙적인 배열 구조의 콜로이드 광결정은 파장 선택적 반사를 통해 구조색을 나타낸다. 이러한 구조색은 변색 우려가 없으며, 독성이 없어 화학적 색소를 대체하여 염료 등에 활용될 수 있다. 특히, 구형의 미세입자로 형성된 콜로이드 광결정은 구조색 잉크나 화장품 등에 색소 첨가물로 활용될 수 있다. 이러한 실용적인 응용을 위해서는 구조색 포화도가 높은 광결정 미세입자를 형성하는 것이 매우 중요하며, 탄성 소재의 사용으로 변형성을 높여 잉크의 흐름성을 향상시키는 전략이 필요하다. 또한, 쉽고 간단한 방식으로 미세입자를 형성하는 것이 실용적인 응용측면에서 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 탄성 소재를 사용하면서 구조색 포화도가 높은 광결정 미세입자를 형성하고 응용하는 방법에 대해 보고한다. 먼저, 구조색 미세입자를 형성하기 위해 미세 유체 시스템을 활용하였다. 섞이지 않는 두 유체를 미세 채널 내부에 흘려주어 에멀젼을 형성하고, 에멀젼 내부에 콜로이드 입자들의 결정화를 유도하여 구조색을 갖는 광결정 미세입자를 연속적으로 생산하였다. 콜로이드로 사용한 실리카 입자는 탄성 고분자 레진 내에서 입자 간의 반발력에 의해 규칙적인 배열을 형성하므로 미세입자는 선명한 구조색을 나타낸다. 입자 간의 반발력에 영향을 줄 수 있는 극성의 물 대신 비극성의 오일을 연속상으로 사용하는 경우, 실리카 입자들의 결정성을 향상시키면서 구조색 포화도가 높은 광결정 미세입자를 형성할 수 있다. 미세입자는 탄성 고분자로 이루어져 있어 기계적인 힘에 의해 높은 변형성을 보여준다. 미세입자의 구조색 포화도 및 변형성은 캡슐형태의 미세입자를 형성함으로써 추가적으로 개선될 수 있다. 이중 액적을 주형으로 얻어진 캡슐형 미세입자의 경우 쉘에 콜로이드 입자들의 결정화를 유도하게 되면, 쉘의 내부와 외부 계면에서 결정화가 진행되기 때문에 실리카 입자들의 결정성을 높여주어 구조색 포화도가 향상된 캡슐형 미세입자를 형성할 수 있다. 또한, 캡슐의 내부는 물로 채워져 있기 때문에 비드형 미세입자 보다 변형에 따른 저항성이 낮아 우수한 변형성을 보인다. 이러한 높은 구조색 포화도를 갖는 탄성 광결정 미세입자는 벌크 유화를 이용하여 간단한 방식으로도 형성이 가능하며, 미세입자를 광중합이 가능하고 프린팅이 용이한 레진에 분산시켜 잉크로서의 활용 가능성도 확인하였다.
