In this thesis, colloidal photonic bandgap crystals with sub-micrometer sized colloidal particles as a building block were self-assembled through various routes and their applications were investigated.
In chapter 2, fabrication methods of three-dimensional colloidal crystals are described. Firstly, colloidal crystals were fabricated by ice-crystallization. A water based polystyrene suspension was frozen to selectively crystallize water. The frozen water then extrudes polystyrene beads outward from the ice region. The concentration of the polystyrene beads increases rapidly and they are assembled together into a regular structure. The ordered structure showed iridescent color, typical coloring of the ordered colloidal crystal, and revealed photonic stop band. Rapid freezing tended to create various structures including spherical, bending, and planar structures, whereas slow freezing created better-ordered planar structure. Secondly, colloidal particles are assembled at water-air interface by fast evaporating water. The polystyrene colloidal particles protrude easily from the water surface by evaporating water and the protruding particles distort the water surface. The distorted surface causes the strong attractive capillary force between colloidal particles and thus colloidal particles assemble into ordered structure. The ordered structure then grows due to the convective transport of particles to the ordered region. The effective density of the ordered structure becomes lower than that of water and consequently the assembled particles floats on the water surface. Further evaporation of water makes the floating ordered colloidal particles to form three-dimensional structure by the repetition of above process. This method was also applied to assemble various sized-colloidal particles (240, 500, 900 nm in diameter, respectively). Thirdly, multiply layered colloidal crystals were fabricated by dipping method introducing external electric field. Mono-layered colloidal crystal structures depended upon the lift-up rate of a glass substrate when using the dipping method for colloidal crystal formation. The mono-layered colloidal crystals showed the highest quality when the glass substrate was raised at a rate of 3 mm/min at 25℃ in a 1 wt.% polystyrene colloidal suspension (ethanol medium). To obtain multiply layered colloidal crystals by dipping method, 3DC volts of electricity were applied to the substrate because the polystyrene colloidal particles respond to the electric field. Multiple-layered colloidal crystals were successfully obtained via this method. The colloidal particles were well ordered over large areas and assembled into a homogeneous structure.
In chapter 3, Colloidal crystal quality with evaporation temperature was investigated in fast water evaporation method. For this, we analyzed the structures of the colloidal assemblies formed at evaporation temperatures of 30, 40, 60, and 90℃. At 30℃, the rate of particle sedimentation is faster than the rate of crystallization on the water surface. Consequently, the PS particles randomly stack on the glass substrate before forming nuclei on the water surface. At higher evaporation temperatures, on the other hand, the rate of crystallization on the water surface exceeds the sedimentation rate leading to an improvement in the quality of the resulting colloidal crystal. However, crystalline quality diminishes at evaporation temperatures greater than 60℃ because the high crystal growth rate leads to the formation of defects. As a result, there exists an optimum evaporation temperature that yields the highest quality crystals.
In chapter 4, we investigated how the thickness of colloidal crystals is changed with specific tilted angles with respect to vertical (-10, 0, 10, 20, and 30˚, respectively). As a glass substrate is tilted more (from -10˚ to 30˚), a smoother and thicker contact line is formed and thicker colloidal crystals are obtained. It was found that in order to fabricate three-dimensional colloidal crystals with an even surface, the evaporation rate of water should be reduced and/or the glass substrate should be tilted over 10˚ in our cases.
In chapter 5, applications of colloidal crystals were described including photonic band stop filter, smart window, and two-dimensional colloidal crystal patterning mold. Firstly, photonic band stop filters to control reflection at visible regions were fabricated with 180, 270, and 350-nm polystyrene particles, respectively. In whole wavelength-ranges of visible light, the wavelength of reflected light could be tuned by controlling the incident angle of the entering light because the space between lattices depends on the incident angle of light and consequently the positions of photonic bandgap shift. Secondly, it was examined how colloidal particles in a suspension respond to external electric field. A turbid colloidal suspension containing charge colloids became transparent by external electric field because the colloidal particles were assembled into ordered structures. The ordered structures revealed that hexagonal and square structures co-exist with grain boundary. The hexagonal and the square structures were formed by (111) and (100) planes of face centered cubic structure ordered parallel to a substrate, respectively. In the end, the turbid colloidal suspension could be transparent through assemblies of colloidal particles into ordered structures by external electric field. Thirdly, three-dimensional colloidal crystal was used as master mold for two-dimensionally and hexagonally arrayed patterning. The master mold was fabricated by crosslinking polydimethylsiloxane prepolymer infiltrated into the colloidal crystal and peeling off the crosslinked polymer. Two-dimensionally and hexagonally arrayed pattern could be fabricated by hot-embossing method.
본 연구에서는, 수백나노미터 크기의 균일한 콜로이드 입자를 이용하여 콜로이드 광결정을 다양한 방법을 통해서 제조 하였으며, 이를 여러 분야에 적용하여 보았다.
2장에서는 3차원 콜로이드 광결정을 제조하는 방법에 대해서 서술하였다. 첫째, 콜로이드 서스펜전에서 물을 얼림으로써 콜로이드 결정을 얻는 방법을 나타내었다. 콜로이드 서스펜전에서 물을 얼릴 경우, 콜로이드 입자들은 불순물로 작용하므로 물만 선택적으로 얼게 되고, 얼음 밖으로 콜로이드 입자들은 추출된다. 따라서, 물이 모두 얼음으로 변하게 되면, 추출된 콜로이드 입자들은 결정을 형성하게 된다. 물의 어는 속도를 빠르게 할 경우, 평판형, 굽은형, 구형의 구조를 가지는 콜로이드 결정들이 얻어졌으며, 어는 속도를 천천히 할 경우, 평판형의 콜로이드 결정이 선택적으로 얻어 지는 것을 알 수 있었다. 둘째, 콜로이드 서스펜전에서 물을 빠르게 증발 시킴으로서 물 표면에 콜로이드 광결정을 쌓을 수 있는 방법을 서술 하였다. 콜로이드 서스펜전에서 물이 증발하면, 콜로이드 입자들은 순간적으로 물 표면으로 튀어 나오게 되고, 튀어 나온 콜로이드 입자들간의 물 표면은 오목하게 휘어진다. 오목해진 표면은 모세관 힘을 만들어 내며 콜로이드 입자들을 자기조립 시킨다. 콜로이드 입자들은 대류에 의해 자기조립된 콜로이드 결정 쪽으로 이동하게 되고 모세관 힘에 의해 계속 성장하게 된다. 콜로이드 결정은 유효 밀도가 물보다 작게 되어 물 표면에 뜨게 되며, 물 표면에서 계속 성장을 하게 된다. 이 방법은 다양한 크기의 콜로이드 입자에 적용 가능한 장점을 가진다. 셋째, dipping 방법을 이용하여 콜로이드 결정을 만드는 방법에 대해서 서술하였다. 기판에 쌓이는 콜로이드 입자의 두께는 기판을 서스펜전에서 끌어 당기는 속도에 따라 결정되었다. 1wt%의 폴리스티렌 서스펜전 (에탄올 분산매)인 경우, 기판을 25℃ 에서 3 mm/min 의 속도로 끌어 당길 경우 가장 양질의 단층의 콜로이드 결정이 얻어졌다. 콜로이드 입자의 표면은 음전하로 치환되어 있으므로 전기장에 응답을 한다. 따라서, 다층의 콜로이드 결정을 얻기 위해서, 양극으로 ITO 기판을, 음극으로 알루미늄 기판을 이용하여 직류 3Volt를 인가하였다. 전기장을 걸어 줌으로써 dipping 방법을 통하여, 다층의 콜로이드 결정을 얻을 수가 있었다.
3장에서는 물의 증발 온도에 따른 콜로이드 결정의 결함 정도를 살펴 보았다. 본 연구에서는 물의 증발 온도를 30, 40, 60, 90℃ 로 조절 하여 실험을 행하였다. 30℃ 인 경우, 물의 증발 속도가 느려서 물 표면 보다 바닥에 무질서하게 쌓이는 경향을 나타내었으며, 증발 온도가 증가 됨에 따라 물의 표면으로 쌓이는 경향을 나타내었으며, 증발 온도가 60℃ 이상일 경우 모두 물 표면에 규칙적인 구조로 쌓이는 것을 알 수 있었다. 하지만, 증발 온도가 90℃ 가 되면, 물 표면에 쌓이는 속도가 증가하게 되어, 결함을 다시 야기시키게 된다. 따라서, 증발 온도가 60℃ 일 경우가 결함이 가장 적은 콜로이드 결정을 얻을 수 있었다.
4장에서는 계면의 모양에 따른 콜로이드 결정의 두께에 관하여 연구하였다. 계면의 모양은 서스펜전에 담그는 기판의 각도에 따라서 달라지며, 본 연구에서는 서스펜전에 수직한 면을 기준으로 하여, -10 ~ 30˚까지 조절하여 실험을 행하였다. 기판의 각도가 증가함에 따라 계면의 모양은 점점 완만한 경향을 나타내었고, 생성되는 콜로이드 결정의 두께도 증가함을 알 수 있었다. 또한, 넓은 면적에 균일한 두께를 가지는 콜로이드 결정은 10˚이상으로 기판을 담그는 경우에만 얻어 지는 것을 알 수 있다.
5장에서는 콜로이드 결정을 광 필터, 스마트 윈도우, 2차원 결정용 몰드로 이용해 보았다. 첫째, 콜로이드 광결정은 결정의 격자 크기와, 입사하는 빛의 각도에 따라서 반사하는 빛의 파장을 조절 할 수 있으므로, 180, 270, 350나노미터 크기의 폴리스티렌 입자를 이용하여 광결정의 제조 하였으며, 입사하는 빛의 각도를 조절함으로써 가시광선 전 영역에서 반사하는 빛의 파장을 조절 할 수 있었다. 둘째, 콜로이드 입자의 표면은 음전하로 안정화 되어 있으므로, 외부 전기장에 의해 자가 조립이 되며 빛을 투과 시키게 된다. 이러한 성질을 이용하여, 전기장에 의해 빛의 투과도를 조절할 수 있는 스마트 윈도우로 응용해 보았다. 셋째, 콜로이드 입자를 3차원의 결정으로 만든 후, 결정의 공극 사이에 PDMS를 채우고 가교를 시켰다. 그 후 콜로이드 결정과 PDMS고무를 분리함으로써, 콜로이드 결정 표면의 역상을 가지는 고무 몰드를 제작 하였으며, 이를 이용하여, 2차원의 규칙적인 구조를 재현성 있게 제작 할 수 있었다.
