Cuticular photonic structures found in insect effectively manage light within an ultrathin layer. For last decade, these cuticular photonic structures have been inspired for many novel imaging or display applications. Nature also implements such efficient photonic structures for out-coupling bioluminescent light from the body. However, optical functions of the photonic structures were not well concluded and little effort on engineering biomimetics for illumination has yet been made. In this study, we report optical functions and engineering inspirations of the photonic structures found in the firefly light organs.
The characteristics of firefly light organs were investigated such as anatomical features, spectrum of firefly bioluminescence, and photonic structures on the lantern cuticle. The lantern consists of a cuticle, a photogenic layer and a dorsal layer. The spectral peak is around 560 nm in male. The cuticular nanostructures were found on a lantern cuticle of a firefly, Luciola lateralis Motschulsky. The period, height, and width roughly range near 250 nm, 110 nm, and 150 nm, respectively. The nanostructures serve as highly efficient light extraction by the optical index matching and diffraction. The cuticular hierarchical structures were found on a lantern cuticle of a firefly, Pyrocoelia rufa. The lantern has hierarchical structures, which consist of asymmetric microstructures and nanostructures. The width of asymmetric microstructures roughly range near $10 \mu m$ and the physical dimensions of nanostructures are similar to those of the firefly, Luciola lateralis Motschulsky. The hierarchical structures improve light extraction by reducing total internal reflection and Fresnel reflection.
The cuticular nanostructures found on a lantern cuticle of a firefly, Luciola lateralis Motschulsky, were mimicked by implementing nanostructures on a curved lens surface, i.e., bioinspired LED lens. The nanofabrication was done by colloidal lithography, reactive ion etching, and reconfigurable nanomolding. The experimental results unveil that highly ordered nanostructures on the lantern cuticle substantially contribute to increase light transmission as a low index effective medium. The bioinspired LED lens features the nanostructures on a curved lens surface. This lens demonstrates the maximum transmittance of 98.3 % at 560nm and also 3 % over visible ranges higher than that of a smooth surface lens, also comparable to that of conventional AR coating of magnesium fluoride. The bioinspired LED lens has the maximum transmission when all rays from a LED light source are normally incident to the lens surface.
The cuticular hierarchical structures found on a lantern cuticle of a firefly, Pyrocoelia rufa, were mim-icked by implementing hierarchical structures on a LED lighting panel. We developed a simple and monolithic fabrication method, termed geometry-guided resist reflow, for asymmetric microstructures. The slope profiles can be freely formed as a concave, convex, or linear shape and the slope angle can also be tuned from 7 to 68 degrees. The micro-nanofabrication was done by geometry-guided resist reflow, replica molding, and PDMS oxidation. The experimental results reveal that hierarchical structures on the lantern cuticle substantially contribute to increase light extraction by reducing total internal reflection. The hierarchical structures provide higher light extraction than the asymmetric microstructures with same inclined angles of structures. The bioinspired hierarchical structures improve light extraction up to 70.37 % at 560 nm, compared to smooth surface. The asymmetric microstructures and hierarchical structures precisely controlled the illumination angles by varying inclined angles.
In summary, this work reports optical functions and engineering inspirations of the photonic structures found in the firefly light organs. Both the calculated and experimental results unveil that cuticular nanostruc-tures and cuticular hierarchical structures on the lantern cuticle substantially contribute to increase light ex-traction efficiency by reducing Fresnel reflection and total internal reflection. These biological inspirations can offer new opportunities for LED and OLED based highly efficient lighting or display systems.
곤충 외피에 존재하는 광학구조들은 미세 체적 내에서 다양하고 효율적인 광특성을 가진다. 편광을 조절하는 딱정벌레 겉날개, 구조색을 가지는 나비 날개 및 무반사 특성을 가지는 곤충 눈 등의 광학구조들을 다양한 광학적 소자에 응용하려고 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 기존의 연구들은 대부분 외부에서 입사되는 빛을 다루는 광학구조에만 국한되어 있었다. 이에 체내에서 빛을 발생시키는 생물발광체의 광학구조에 대한 연구를 통해 발광체의 빛을 효율적으로 추출해내고 제어하는 방법을 알아내고자 하였다. 본 연구에서는 대표적 발광생물체인 반딧불이의 발광기관 광학구조에 대한 연구를 수행하였다. 반딧불이 발광기관의 외피층에 존재하는 미세광학구조를 발견하였고, 광학 수치 해석 및 공학모사를 통하여 미세광학구조의 광학적 역할을 규명하고 이를 공학모사하여 조명 및 디스플레이 소자에 적용하고자 하였다.
국내에 서식하는 종인 애반딧불이(Luciola lateralis Motschulsky)와 늦반딧불이(Pyrocoelia rufa) 수컷을 기준으로 반딧불이 발광기관의 해부학적 구조, 발광특성 및 광학구조에 대하여 분석하였다. 발광기관은 외피, 발광세포층, 반사층으로 구성되어 있었다. 약 560 nm 파장에서 발광 피크를 갖는 것으로 측정되었으며, 이 값은 수치해석에 활용되었다. 주사전자현미경을 통해 반딧불이 발광기관 외피층에 형성된 미세광학구조를 발견하였고, 구조를 분석하였다. 애반딧불이에서 발견된 미세광학구조는 시상면(sagittal plane)과 평행하게 정렬되어 있고, 약 250 nm의 주기, 110 nm의 높이, 150 nm의 너비를 가진다. 그리고 늦반딧불이에서 발견된 미세광학구조는 계층적 구조로 비대칭 마이크로구조 위에 애반딧불이에서 관찰된 나노구조가 형성되어있다. 비대칭 마이크로구조는 약 5도 정도의 경사 각도와 약 $10 \mu m$ 의 너비를 가진다. 반딧불이 발광기관 외피에서 발견된 미세광학구조의 광학적 역할 규명을 위하여 광학수치해석을 수행하였다. 유한차분 시간영역법(Finite Difference Time Domain)을 이용하여 광학수치해석을 수행하였다. 이를 통해 애반딧불이가 가지는 나노구조와 늦반딧불이가 가지는 계층적 구조가 프레넬 반사 및 전반사를 감소시켜 빛을 더 많이 추출함을 수치해석적으로 밝혔다.
애반딧불이에서 발견된 나노구조를 모사하여 실험적으로 나노구조의 역할을 밝히고 이를 이용하여 고효율 LED 렌즈를 개발하였다. 나노입자리소그래피 및 3차원 미세몰딩 공정을 활용하여 반딧불이 모사 LED 렌즈를 제작하였다. 이 LED 렌즈는 파장 560 nm에서 98.3%의 최고 투과율을 보였고, 가시광 영역에서 나노구조가 없는 렌즈 대비 기존에 사용되는 무반사코팅에 상응하는 3%의 효율 증가를 보였다. 고효율 LED 렌즈의 표면에 빛이 수직 입사할 때 가장 높은 효율을 보였다.
늦반딧불이에서 발견된 계층적 구조를 모사하여 실험적으로 계층적 구조의 역할을 밝히고, 이를 LED 조명 패널에 적용하였다. 먼저 늦반딧불이에서 발견된 비대칭 마이크로구조를 모사하기 위하여 열경화성 및 열가소성 물질을 이용한 대면적 비대칭 마이크로구조 제작법을 개발하였다. 그리고 이 공정법에 polydimethylsiloxane(PDMS) 산화처리 방법을 이용하여 비대칭 마이크로구조 위에 나노구조를 형성하여 계층적 구조를 모사하였다. 입사각에 따른 투과율 측정을 통하여 계층적 구조가 전반사 이상의 입사각을 가지는 빛을 효율적으로 추출함을 밝혔다. 그리고 광분포 측정을 통하여 계층적 구조가 비대칭 마이크로구조 보다 빛을 효율적으로 추출함을 보였다. 뿐만 아니라, 광학구조의 기울어진 각도에 따라 광분포도 조절 가능함을 보였다.
본 연구에서는 발광생물체인 반딧불이에서 발견된 미세광학구조가 전반사 및 프레넬 반사를 감소시켜 빛을 효율적으로 추출함을 밝혔다. 또한 공학모사를 통하여 효율적인 광소자를 개발하였다. 이러한 광소자는 향후 다양한 조명 및 디스플레이 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
