Colloidal photonic crystals composed of self-assembled monodisperse particles and their derivatives have been intensively studied and developed during the past two decades owing to their unique optical properties from diffraction and interference of incident lights. A specific range of frequencies or wavelengths cannot propagate through the photonic crystals and are reflected. The range of frequencies or wavelengths are called photonic bandgap and when the bandgap is in a visible range, the photonic crystals show brilliant color. In this thesis, I deal with thermally-controlled deformation of polymeric photonic structures for bandgap engineering. Specifically, I describe a novel preparation of polymeric inverse opal by using a partial coalescence of polymeric shell of the particles, multi-colored micropatterns with spatially addressable and rate controllable of thermally deformation of photonic structures and time-temperature indicator for recording thermal history by using the thermally irreversible deformation of the partial crosslinked inverse opals.
In Chapter 2, I report the stable photonic structures created by using colloidal building blocks composed of an inorganic core and an organic shell. The core？shell particles are convectively assembled into an opal structure, which is then subjected to thermal annealing. During the heat treatment, the inorganic cores, which are insensitive to heat, retain their regular arrangement in a face centered cubic lattice, while the organic shells are partially fused with their neighbors; this forms a monolithic structure with high mechanical stability. The interparticle distance and therefore stop band position are precisely controlled by the annealing time; the distance decreases and the stop band blue shifts during the annealing. The composite films can be further treated to give a high contrast in the refractive index. The inorganic cores are selectively removed from the composite by wet etching, thereby providing an organic film containing regular arrays of air cavities. The high refractive index contrast of the porous structure gives rise to pronounced structural colors and high reflectivity at the stop band position.
In Chapter 3, I report a lithographic approach that provides a high level of control over the size, shape, and color of a micropattern using the anisotropic shrinkage of inverse opals made of a negative photoresist heated to high temperatures. Shrinkage occurred uniformly across the thickness of the film, leading to a blue shift in the structural color while maintaining a high reflectivity across the full visible spectrum. The rate of shrinkage was determined by the annealing temperature and the photoresist crosslinking density. The rate could, therefore, be spatially modulated by applying UV radiation through a photomask to create multicolor micropatterns from single-colored inverse opals. The lateral dimensions of the micropattern features could be as small as the thickness of the inverse opal.
In chapter 4, I report a recording thermal condition device using the anisotropic compression of the partial crosslinked inverse opals made of a negative photoresist. This shrinkage is irreversible, which cannot be back to the original state due to reducing the interfacial energy between air and the negative photoresist. The rate or degree of the compression is determined by UV dose, which can control the crosslinking density of the photoresist. The recording thermal condition device can be fabricated by a consecutive UV irradiation through designed photomasks and provide several different optical codes, which can be converted to the required time for shifting the optical codes at a certain temperature. These different time-temperature functions can provide the decoupled information of heating time and temperature.
콜로이드 광결정은 일정한 크기를 갖는 입자들이 자기조립 함으로써 주기적인 배열을이루고 있는 나노 구조체이다. 이러한 주기적인 나노 구조체 또는 역전된 나노 구조체에 빛이 입사하는 경우, 회절과 간섭 현상에 의해 특정한 주파수 또는 파장 영역대에 해당되는 빛이 그 구조 내에 존재하지 못하게 되어 반사를 하게 되는데, 그 영역대를 광밴드갭이라고 한다. 본 논문에서는 광밴드갭의 조절을 위한 고분자 광결정 구조체의 제어된 열적 변형에 대해서 다루고자 한다. 각 장에서는, 코어쉘 입자의 고분자 쉘의 부분적인 융합을 이용하여 고분자로 이루어진 역전된 오팔 구조를 제조하는 새로운 방법에 대해 설명하고, 국부적으로 감광성 고분자로 이루어진 역전된 오팔 구조체의 변형 속도를 조절하여 다색의 마이크로 패턴을 제조하는 방법, 그리고 부분적으로 가교가 되어 있는 역전된 오팔 구조체의 비가역적 구조 변형을 통하여 시간과 온도를 기록할 수 있는 기기에 대해 기술하였다.
제 2장에서는, 무기물 코어와 고분자 쉘로 이루어진 콜로이드 입자를 이용하여 기계적 특성이 높은 광결정 구조체 제조에 대해 보고한다. 코어쉘입자를 자기조립시킴으로써 오팔 구조체를 형성하고, 기계적 특성 향상 및 광결정의 구조와 특성의 제어를 위해 고분자의 유리전이온도보다 높은 온도로 열처리를 한다. 열처리 동안 무기물 코어는 열처리에 영향을 받지 않으면서 입자의 결정 구조가 면심입방구조로 유지되게 해주며, 고분자 쉘은 이웃한 입자와 부분적 융합이 일어나게 된다. 이러한 융합은 광결정 구조체의 기계적 안정성을 높여준다. 입자 간 거리와 광밴드갭의 위치는 열처리의 시간에 따라 정확하게 조절가능하며, 열처리 동안 입자간의 거리는 감소하고, 광밴드갭의 위치는 단파장으로 이동한다. 무기물 코어 고분자 매트릭스로 이루어진 광결정 구조체의 굴절률 차이를 높이기 위해 무기물 코어를 불산용액으로 제거를 하게 되면 공극이 규칙적으로 배열이 되어있는 유기물 필름이 만들어지게 된다. 공극과 유기물로 이루어진 필름은 높은 굴절률의 차이로 인해 확연한 구조색을 띄게 되고, 광밴드갭에서 높은 반사도를 보인다.
제 3장에서는, 네거티브 포토레지스트로 이루어진 역전된 오팔 구조를 가열함으로써 광결정 구조체의 비등방성 수축을 이용하여, 광결정 마이크로 패턴의 크기, 모양 그리고 구조색을 높은 수준으로 제어할 수 있는 리소그래피 방법에 대해 보고한다. 역전된 오팔 구조체를 유리전이온도보다 높은 온도로 가열할 경우, 필름 전 영역에서 고르게 수축이 일어나게 되며, 이는 가시광선 전 영역대에서 높은 반사도를 유지하며 구조색을 단파장으로 이동하게 한다. 수축의 속도는 열처리의 온도와 포토레지스트의 가교도에 따라 정해진다. 따라서, 포토마스크를 통해 국부적으로 자외선의 조사량을 다르게 하면, 수축속도 역시, 국부적으로 제어할 수 있게 된다. 이를 통해 한 가지의 구조색을 갖는 역전된 오팔 구조로부터 다색의 마이크로 패턴화된 광결정 구조체를 제조 할 수 있다. 마이크로 패턴의 해상도는 역전된 오팔구조의 두께에 따라 결정이 된다.
제 4장에서는, 부분적으로 가교된 네거티브 포토레지스트로 이루어진 역전된 오팔 구조체의 비등방성 수축을 이용하여 시간과 온도를 알려주는 기기에 대해 보고한다. 이 수축은 비가역적 수축으로써, 공기와 네거티브 포토레지스트간의 계면에너지를 낮추기 위해 일어나므로 원래의 상태로 돌아가지 못한다. 수축의 정도나 속도는 포토레지스트의 가교도를 조절할 수 있는 자외선 조사량에 따라 정해진다. 시간과 온도를 알려주는 기기는 디자인된 포토마스크를 통해 연속적인 자외선 조사에 의해 만들어지고, 특정 온도로 특정 시간 동안 열이 가해졌을 경우, 여러 개의 다른 광학 코드들을 제공할 수 있다. 이 코드들은 특정한 온도에서 그 코드들은 얻기 위한 시간으로 변환 가능하다. 코드로부터 얻은 시간과 온도의 함수를 이용하여 열처리 시간과 온도를 분리하여 얻을 수 있다.
