Photonic crystals are periodic nanostructures of which spatial modulation of refractive index gives rise to photonic bandgap property. When the periodicity is comparable with half the wavelength of visible light, photonic crystals display pronounced iridescent structural colors, which are appealing for esthetic coloration. To make granular format of photonic crystals as color pigments, monodisperse colloidal particles have been crystallized in emulsion drops, which has provided spherical color pigment. However, the spherical symmetry exhibits low reflectivity. Furthermore, it is difficult to integrate multiple domains of distinct color into single granules, restricting the use.
In this thesis, I report a pragmatic micromolding technique to fabricate cylinder-shaped photonic mi-croparticles. As a mold, I fabricate elastomer films with cylindrical hole array by soft-lithography. To make colloidal crystals in each hole, I prepare a photocurable suspension containing monodisperse silica particles. The silica particles in the resin spontaneously form a face-centered cubic (fcc) lattice when they are highly concentrated. I fill the holes with the suspension and irradiate them with UV. The silica particles form onion-ring-like configuration within each cylindrical hole, while maintaining overall regularity of colloidal crystals. After removal of the mold, microcylinders are released, which are then treated with hydrofluoric acid to re-move the silica particles selectively. The resultant cylincrical microparticles possess regular air cavity array, which develops pronounced structural colors. Stepwise application of the molding technique enables us to create compartmented microparticles with controlled size and color, providing an application for photonic barcoding
바코드란 물건을 식별하기 위하여 광학적으로 판독이 가능하도록 만들어진 것이며, 정보를 바코드와 연결시키는 과정을 인코딩이라고 한다. 제약이나 분자생물학 등 바이오 분야에서는 시료를 식별할 수 있도록 바코드 역할을 할 수 있는 마이크로 입자가 널리 이용되며, 마이크로 입자에 정보를 인코딩을 하는 방법으로는 크게 스펙트럼 기반의 방법과 그래픽 기반의 방법이 있다. 스펙트럼 기반의 방법은 주로 형광 염료나 양자점을 이용하며, 이들로부터 나오는 형광 스펙트럼을 관찰하여 물체를 식별한다. 하지만 형광 염료나 양자점은 광퇴색이라는 고유의 한계가 있을 뿐만 아니라, 생체 시료로부터 나오는 형광 스펙트럼과 바코드 입자로부터 나오는 형광 스펙트럼이 겹칠 수 있는 가능성이 있다는 단점이 있다. 그래픽 기반의 방법은 간단하게 색이나 형태를 통해 식별하는 기법으로 신호를 해석하기 위한 복잡한 장치가 필요하지 않다는 장점이 있지만, 많은 시료를 식별하는 데에는 한계가 있다. 따라서 기존의 두 가지 방법을 보완하기 위하여 광결정을 도입하였다. 광결정은 굴절률이 다른 두 물질이 주기적으로 반복되는 구조로써, 특정한 파장대의 빛을 반사한다. 뿐만 아니라, 구조가 변하지 않는 한, 색이 지속된다는 장점이 있다. 따라서 본 학위 논문에서는 기존의 인코딩 기술들의 문제점들을 보완한 광결정 기반의 바코드 역할이 가능한 입자를 설계하였다.
실리카 입자를 광중합 가능한 고분자에 분산시켜 자발적으로 결정화가 일어나게 하였으며, 광경화를 통해 고형화된 광결정을 제조할 수 있다. 광중합 가능한 콜로이드 분산액을 마이크로몰딩기술을 이용하여 광결정을 실린더 입자 형태로 제조하였다. 실린더 형태의 광결정은 고유의 반사색을 가지며, 반사색은 콜로이드 분산액에 사용된 실리카 입자의 직경, 실린더 입자에 입사되는 빛의 각도, 실린더 입자가 분산되어 있는 용매에 따라서 조절 가능하였다.
또한 광중합 가능한 콜로이드 분산액과 휘발성 용매를 섞은 혼합액을 이용하여 부분적으로 마이크로몰드를 채움으로써, 다색의 실린더 형태의 광결정 입자를 제조하였다. 두 부분으로 나누어진 실린더 입자는 각각의 부분에서 서로 다른 반사색을 가짐을 확인하였다. 그리고 혼합액 내의 휘발성 용매의 부피비율을 조절함으로써 나누어지는 영역의 비율을 조절할 수 있다. 또한 서로 다른 두 콜로이드 분산액 내의 실리카 입자의 직경을 달리함으로써, 두 영역의 반사색 또한 조절할 수 있다. 이를 통하여 다색의 실린더 형태의 광결정 입자는 광학적 식별 패턴을 가질 수 있으며 바코드로서 응용이 가능할 것으로 예상된다.
