Photonic crystals have nanostructure in which the refractive index is changed periodically and show unique optical properties by selectively reflecting the light of a specific wavelength. The optical properties of photonic crystals are preserved as long as the nanostructure is not changed, so photonic crystals have the potential to substitute dyes or pigments. In particular, colloidal photonic crystals can be fabricated on a large scale by the self-assembly of colloid particles, and its structural color can be easily tuned by an external stimulus or viewing angle. Thus, colloidal photonic crystals can be used for display, sensors, and anti-counterfeiting materials. In this study, we propose the application of photonic crystals composed of macroporous hydrogels. We fabricate film type colloidal photonic crystals by dispersing monodispersed silica particles in a photocurable resin and photopolymerization. In the case of the low cross-linking density of hydrogels constituting the film, the film is transparent due to the collapsed structure when the silica particles are selectively removed. However, when the transparent hydrogel is exposed to polar solvents such as water or ethanol, the porous structure is restored by swelling of hydrogels, resulting in showing structural color. The structural color change is reversible and repetitively, so the transparent film can be used as sensors to detect polar solvents. Also, the transparent film containing micropattern fabricated by photolithography has the potential to use as anti-counterfeiting patches due to showing different structural color patterns depending on the type of solvent.
광결정은 굴절율이 주기적으로 변하는 나노 격자 구조를 이루고 있어, 특정 파장대의 빛을 선택적으로 반사하여 독특한 광특성을 보인다. 이러한 광특성을 가지는 광결정은 나노 구조가 변하지 않는 한 광특성을 지속적으로 유지할 수 있어, 염료나 색소를 대체할 수 있는 방안으로 주목받고 있다. 특히, 콜로이드 입자들의 자가조립을 통해 3차원 구조의 콜로이드 광결정을 구현하는 방식은 간단하고 빠르게 대면적에 광결정을 형성할 수 있고, 이렇게 만들어진 콜로이드 광결정은 외부 자극이나 시야각에 의해 구조색을 자유롭게 변화시킬 수 있어 디스플레이, 센서, 위변조 방지 소재 등에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 다공성 하이드로젤로 구성된 광결정을 구현하고 이의 활용 방안을 제시하였다. 나노미터 크기의 실리카 입자를 광중합이 가능한 레진에 분산시키고 이를 광중합하면 필름 형태의 콜로이드 광결정을 제조할 수 있다. 이 필름의 실리카 입자를 선택적으로 제거하여 만든 다공성 하이드로젤은 고분자의 가교도가 낮은 경우에 다공성 구조가 무너져 투명하게 된다. 하지만, 투명한 하이드로젤이 극성 용매인 물, 에탄올 등에 노출되면 고분자의 스웰링에 의해 다공성 구조가 다시 회복되면서 선명한 구조색을 나타낸다. 이러한 구조색의 변화는 가역적일 뿐만 아니라, 뛰어난 반복성을 보이므로 극성 용매를 검출하는 센서로 사용될 수 있다. 또한, 광식각 공정 방식을 통해 만들어진 마이크로 패턴을 갖는 투명한 필름은 용매의 종류에 따라 다른 구조색이 나타나기 때문에 복제품의 진위 여부를 판별하는 위변조 방지용 소재로의 적용이 가능하다.
