1-dimensional photonic crystal is an alternately-stacked nanostructure which consists of two different materials with different refractive index which results in performing structural color. Compared to chemical color, structural color becomes more pronounced under stronger ambient light. One of the example of struc-tural color made by 1-D photonic crystal is shiny blue color of Morpho butterfly, being promising for reflec-tive displays.
In this thesis, I develop new type of active color pigments to provide enhanced optical property and simple process of fabrication. Color pigments are composed of alternated dielectric layers deposited on one part of hemisphere of magneto-responsive spherical microparticle. In color pigment, dielectric layers provide structural color with high color purity and magnetic balls provide magnetic response and rotation under ex-ternal magnetic field, thereby enabling switching of structural color. Highly monodisperse droplets of photo-curable resin is generated in a dripping mode with glass capillary device, which are then collected in petri-dish. Two methods are used to make ball magneto-responsive. Firstly, magnetic nanoparticles dispersed in photo-curable resin is used in oil phase, followed by emulsification. After making magnetic nanoparticle magnetic-oriented in emulsion, UV light is exposed to make magnetic ball. Secondly, iron layer is deposited on spherical ball. Dielectric layers of $SiO_2$ and $TiO_2$ are deposited alternately after magnetic ball is fabricated in order to deposit 1-D photonic crystal on spherical ball. Prior to dielectric layer deposition, chromic layer is deposited on the magnetic ball in order to prevent back reflection of the transmitted light and increase color purity. Then, $TiO_2$ and $SiO_2$ layers are alternately deposited to form 1-D photonic crystal-based color reflector. The color can be controlled by changing the thickness of deposited layers of $TiO_2$ and $SiO_2$. As the active color pigments are free to rotate under external magnetic field and able to perform the structural color on and off, these can function as color pigments in ‘Gyricon Display’. We believe that the active structural color pigments can potentially serve as reflective display such as E-ink.
디스플레이에는 크게 투과형 디스플레이와 반사형 디스플레이가 있다. 투과형 디스플레이는 백라이트를 사용하여 전력소모가 크다는 단점이 있는데 반해, 반사형 디스플레이는 백라이트가 아닌 태양광선과 같은 외부광선을 이용하기 때문에 에너지 소모 관점에서 보았을 때 더 효율적이라고 볼 수 있다. 특히 반사형 디스플레이는 전자책과 같은 분야에 많이 사용되고 있고, 트위스트 볼 형태의 디스플레이 (Gyricon display), 전기영동 형태의 디스플레이가 있다. 일반적으로 상용화되고 있는 전자책의 경우, 대부분 흑백 색 안료를 사용하고 있기 때문에 다양한 색 구현을 하는데 한계가 있다. 따라서 본 학위 논문에서는 나비 날개 구조에서 착안한 1차원 광결정을 이용하여 트위스트 볼 형태의 디스플레이에 이용될 수 있는 자성에 반응하는 구조색 색 안료를 제조하였다.
트위스트 볼을 만들기 위해서 균일한 크기의 구형입자가 필요하게 되는데, 이는 미세유체시스템을 이용해서 제조하였다. 유리 미세관 유체소자 내의 수상 (water phase)에는 계면활성제 수용액을, 유상 (oil phase)에는 광경화성 수지를 흘려주어 단일 액적을 만들고 그와 동시에 자외선 노출을 통해 유상을 경화시켜서 구형입자를 제조하였다. 그 다음으로 자성에 반응하는 구형입자를 만들기 위해서 두 가지 방법을 사용했다. 첫번째는 자성 나노입자를 유상에 분산시켜 단일 액적을 만들어 샬레에 모은 후, 자기장을 걸어주어 자성 나노입자들이 충분히 단일액적 내에서 배향이 되도록 한 다음 광경화를 통해서 구형입자를 제조하였다. 두번째로는 먼저 구형입자를 제조한 뒤, 철 자성층 증착을 통해서 자기장에 반응하는 구형입자를 제조하였다. 만들어진 능동형 구형 입자들을 자성배향이 되어 있는 상태로 고분u자 필름이 깔린 기판 위에 고정시킨 다음, sputter 증착 장비를 이용해서 $SiO_2$와 $TiO_2$를 교대로 증착시켜 1차원 광결정을 구형 입자 위에 구현했다.
자기장을 걸어주게 되면 능동형 색 안료가 회전을 하게 되면서 트위스트 볼 형태의 디스플레이를 구현할 수 있다. 그리고 $SiO_2$ 와 $TiO_2$ 가 증착되는 두께를 조절함으로써 다층 간섭 (multilayer interference)을 조절하여 다양한 색을 가지는 색 안료를 제조할 수 있다. 구형 입자에 증착을 하기 때문에 구형입자의 중심부분에서 멀어질수록 증착되는 필름의 두께가 얇아지는 문제가 생기지만, 60도 각도 내에서는 색의 변화가 거의 없기 때문에 on/off 형태의 반사형 디스플레이로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
