Colloidal crystals, periodic structures composed of colloidal particles, have been re-ceiving increasing attention in materials chemistry owing to their unique optical properties as 3D photonic crystals. However, conventional approaches for creation of such colloidal photonic crystals, including vertical deposition and spin-casting, lack in physical stability of the materials and have a difficulty in micro-patterning, thereby severely limiting practical usages. In this thesis, I propose a novel platform to produce robust colloidal photonic crys-tals which can be patterned by simple photolithography. To achieve this, monodisperse silica particles are dispersed in photocurable resin and the suspension is used for crystal formation and structural fixation. The silica particles dispersed in the resin are spontaneously crystallized under assistance of shear flow owing to repulsive interparticle potential and the crystal structures are easily solidified through UV-induced polymerization of the resin. The resultant colloidal photonic crystals are highly transparent due to low contrast in refractive index between the particles and the medium. This enables the production of multiple layers of photonic crystals and therefore the generation of multiple distinct reflectance peaks. In addition, the photonic crystals can be patterned by photolithography. Selective irradiation of UV light through photomask results in photonic crystal micro-pattern after development of unpolymerized suspension. These multi-colored and micro-patterned colloidal photonic crystals are used for making security materials for anti-counterfeiting; structural colors from colloidal photonic crystals are difficult to duplicate and strong and narrow bandwidth of multiple peaks provide high optical selectivity.
Photolithographically-designed micropattern can be released from substrate to pro-vide freely-suspended microparticles with disk shape. Moreover, multiple steps of photoli-thography may provide photonic microparicles composed of multi-layers. Exploiting these features, multi-layered microparticles with circular-disk shape are prepared. The photonic microparticles can be further functionalized by making magnetic layer which makes overall microparticles magneto-responsive. Such field-responsive photonic disks can be used as active color pigments for microdisplay operated at reflection mode. For example, tri-layered photonic microdisks can be designed to have two distinct photonic crystal layers at the top and bottom and magnetic layer at the middle. The microdisks align their magnetic moment along the direction of external magnetic field, thereby enabling the manipulation of the flipping motion. Therefore, reflection colors from the photonic disks can be switched from one to the other; this is potentially useful for reflection-mode color display.
본 학위 논문에서는 물리적 강성 및 미세패턴화가 가능한 콜로이드 광결정 플랫폼을 개발하고, 이를 통해 광결정의 실용적 응용 가능성을 타진하였다. 이를 위해 콜로이드 입자를 광중합성 레진에 분산하였으며, 이를 광식각법을 이용하여 패턴화함으로써 원하는 광학적 특성과 형상을 갖는 광결정 패턴 및 미세입자를 설계할 수 있었다. 광결정은 특정 파장대만을 선택적으로 반사하는 독특한 광특성을 가지고 있어 다양한 분야에 응용될 수 있는데, 본 연구에서는 보안물질과 반사형 디스플레이의 색 재료로서의 응용성에 대해 연구하였다.
본 학위 논문의 제 1장에서는 광결정의 기본 개념과 콜로이드 결정화의 원리를 hard/soft sphere를 통해 설명하고, 기존의 광결정 제작방법과 그 한계에 대해서 논의하였다.
기존의 광결정 제작방법 및 광결정 구조의 한계점을 극복하고자 제 2장에서는 광중합 가능한 콜로이드 분산액을 이용한 견고한 광결정 형성방법에 대해 논의하였다. 구체적으로는silica 입자를 광중합성 레진인 Ethoxylated trimethylolpropane triacrylate (ETPTA)에 분산하여 자발적 결정화를 유도하였으며, 이를 광경화를 통해 고형화함으로써 연속된 매질 구조를 갖는 광결정을 형성하였다. 또한 광경화 시 광식각법을 도입함으로써 광결정의 형상을 제어하고 패턴화하는 방법에 대한 연구를 진행하였다.
제 3 장에서는, 앞서 제시한 방법을 이용하여 미세패턴화 된 적층 광결정 필름과 삼층의 디스크 입자를 제작하였고, 이들의 광특성에 대해 논의하였다. 먼저 silica 입자가 ETPTA 레진에 분산되어 있는 용액을 이용하여 광결정 필름을 제작하였으며 투명성을 이용하여 여러 개의 필름을 적층하여 다층의 광결정 필름 또한 제작하였다. 더 나아가K모양의 패턴을 갖는 포토마스크를 이용하여 작은 K와 큰 K가 패턴된 다층 광결정 필름을 제작하였다. 이를 통해 복사가 불가능하고, 여러 개의 반사 peak을 갖는 보안물질을 만들었고, 그 응용성을 타진하였다. 동일한 원리로, 3층의 광결정 디스크 입자를 제작하였는데 첫 번째, 세 번째 층은 서로 다른 색을 띠는 광결정 층으로 구성하고, 중간 층은 자성입자가 도입된 자성 층으로 구성하여 외부 자기장에 의해 전체 입자가 뒤집힐 수 있도록 설계하였다. 이는 반사형 컬러 디스플레이의 색 재료로서 응용 가능하다.
본 학위 논문에서는, 광식각법을 이용하여 다양한 광결정을 쉽게 설계 및 제작이 가능한 방법 및 이에 내포된 물리, 화학적 원리를 분석하였다. 또한 보안물질과 반사형 디스플레이의 컬러픽셀 재료로서의 응용성을 보여줌으로써 실질적 응용 가능성을 타진하였다.
