3-D photonic crystals (PhCs) have been inspiredly studied to control photonic band gaps (PBGs), i.e. reflected light, which are originated from periodically dielectric structures. For soft PBG structures, hydrogel among the polymeric materials has been received much attentions recently because of its tunable optical property, which is induced by gradual or abrupt volume changes under the external stimuli. Also, it is simple to form networks of crossliked hydrogel by photo-polymerization. Meanwhile, holographic interference lithography is a robust tool to create 3-D nanostructures with free-defects by multi-coherent lights. Moreover just by a single light emission, desired pattern can build up over the large area without masks or templates unlike conventional lithography.
In this study, the experimental conditions including preparation of hydrogel solution (i.e. ratio of composition of random copolymer, photoacid generator, crosslinker, and solvent), laser exposure dose, and post-exposure baking were optimized for well-defined photonic structures. The fabrication of 3-D porous hydrogel pattern with thermo-sensitivity via a single refracting prism was demonstrated to avoid elaborate beam alignment and total reflection. Based on the unique swelling property of hydrogel as a visco-elatic material, hydrogel PhCs with reversible optical properties have potential applications such as functional microfluidic sensors and adaptive photonic crystal devices. Not only volume changes of structures, but also it showed that modification of surface property by physical grafting could be used for various tunable functions.
광결정은 구조상으로 규칙적으로 반복적인 주기를 갖는 서로 다른 유전체 상수의 물질들로 구성되어있다. 이로부터 투과시키지 못하고 반사되는 특정 파장의 빛을 광밴드갭이라고 한다. 오팔이나 모포나비의 날개와 같이 자연에서도 찾아 볼 수 있는 광결정은 반파장의 주기를 갖는 구조로 일부 빛의 자연 방사를 억제한다. 광밴드갭을 갖는 구조를 제조하는 방법으로는 크게 탑다운 방식과 바텀업 방식, 두 가지로 나뉠 수 있다. 바텀업 접근방법은 건축용 블록이 스스로 더욱 복잡한 조립을 이루게 하는 것을 말하는 반면, 탑다운 접근은 광식각공정과 같이 외부 장비를 사용하여 직접 원하는 구조를 제조하는 것을 말한다.
여러 다양한 방법들 중에서도, 홀로그래피 식각공정은 마스크를 사용하지 않고도 넓은 부분에 걸쳐 빠르게 내부에 결함이 없는 광결정을 제조하는 간단하고 경제적인 방법 중에 하나이다. 두 개 이상의 간섭성 빛을 이용하여 광학적 간섭 패턴을 단 한 번의 노광으로 다차원의 광결정 구조를 만들 수 있다, 이는 기존의 다른 방식들에 비해 두드러지는 강점이라 할 수 있다. 강도, 편광, 상을 포함하는 빛의 성질을 조절하여, 전자기 파동 특성에 근거한 간섭 패턴을 쉽게 조작할 수 있다. 또한 광민감성 기록 매체인 광경화성수지를 이용하기 때문에 홀로그래피 식각공정은 광식각법과 조화하여 사용하면 광밴드갭 구조 내부에 원하는 결함을 부여할 수도 있다. 게다가, 여기에 광경화성 하이드로겔 수지를 적용시킨다면, 외부 자극에 반응하는 다기능성 광밴드갭 구조를 얻을 수 있다.
본 논문에서, 홀로그래픽 식각공정을 통해서 결함이 없는 삼차원의 하이드로겔 간섭패턴의 제조를 보여주었다. 하나로 제작된 굴절 프리즘을 사용하여 정교한 빔의 정렬을 필요로 하는 복잡한 광학 장치의 구성을 단순화하였다. 홀로그래픽 식각공정을 통해 얻어진 나노 크기의 면심입방 구조는 적외선 파장의 광밴드갭을 나타내었다. 또한, 하이드로겔 광결정의 광밴드갭은 일정한 습도 하에서 온도에 의해 조정될 수 있음을 보여주었다. 이러한 체계는 습기에 따른 반사 스펙트럼의 작은 변화를 시작으로 열을 가열함으로써 반대 방향으로 더 넓은 범위의 이동을 보여주었다. 이 때의 변화는 격자들의 팽창과 층 간 간격의 침몰에 기인한다. 점탄성 물질이라는 측면에서, 경화된 망상 조직의 하이드로겔은 가역적인 반응의 광특성을 갖게 된다. 이러한 점들로 볼 때, 하이드로겔 광결정은 조정이 가능한 광자유체 센서와 같이 그 밖의 다기능적인 환경에도 적합하며 많은 응용력을 갖기에 뛰어난 잠재력을 지닌다. 또한, 화학 물질이나 생물학 물질에도 반응하는 유능한 여러 특성들을 갖도록 하는 연구가 현재 진행 중에 있다. 구조상의 부피 변화를 통한 조정가능성뿐만 아니라, 다른 대안 물질의 교체 없이도 고분자 가지의 물리적 접목 방법을 통해 표면 특성의 조절이 가능함을 보여주었다. 단순한 물리적인 흡착이나 공유 결합과는 뚜렷이 구별되는 것으로, 영구적으로 고정되는 PEG 가지는 보다 안정적이며 다양한 기능성 환경에도 적용될 수 있을 것이다.
