[논문 리뷰] Nanoassembly of Polydisperse Photonic Crystals Based on Binary and Ternary Polymer Opal Alloys

Qibin Zhao, Chris E. Finlayson외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 09.

Photonic Crystals and Applications인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 굴절율 비율이 최대 120%에 이르는 고도로 순서 정렬된 다분산 이성분 및 삼성분 고분자 옵알(PO) 합금을 굴절 유도 진동 비틀림(비소)을 이용해 처음으로 성공적으로 나노조립한 바 있다. 이는 기존의 콜로이드계에서 일반적으로 0.5~0.6 수준의 한계를 훨씬 초월한 결과이다. 이 방법은 입자 크기 혼합 조절과 비틀림 유도 정렬을 통해 조절 가능한 구조적 색을 가진 두꺼운(최대 80 µm), 다층 구조의 광학 필름을 대량으로, 용매 없이 제조할 수 있다.

ABSTRACT

Ordered binary and ternary photonic crystals, composed of different sized polymer‐composite spheres with diameter ratios up to 120%, are generated using bending‐induced oscillatory shearing. This viscoelastic system creates polydisperse equilibrium structures, producing mixed opaline colored films with greatly reduced requirements for particle monodispersity, and very different sphere size ratios compared to other methods of nanoassembly.

연구 동기 및 목표

• 기존 콜로이드 합금 조립에서 입자 크기 비율이 약 0.3 이하 또는 0.6 초과일 경우 일반적으로 불안정한 점을 극복하기 위해 고비율 합금 조립을 가능하게 하기 위해.
• 향상된 구조적 질서와 광학 조절 가능성을 가진 다분산 광학 결정을 대량으로, 용매 없이 조립할 수 있는 확장 가능한 방법 개발을 위해.
• 점성탄성체 시스템에서 진동 비틀림을 가할 경우, 고도로 다분산된 입자들 사이에서도 장거리 결정 구조가 형성될 수 있음을 보여주어, 고전적인 콜로이드 안정성 제약을 초월함을 입증하기 위해.
• 세 가지 크기의 고분자 구슬(92 nm, 110 nm, 130 nm)을 제어된 혼합을 통해 두꺼운(80 µm), 다층 구조의 광학 필름을 제조하고, 각각의 구조적 색을 조절 가능하게 하기 위해.
• 단일 공정, 대량 생산 가능한 BIOS 공정이 단일 성분 시스템에 비해 다분산성 요구 조건을 낮춘 기능성 복합 광학 재료를 제작하는 데 일반화 가능한 플랫폼으로 정립하기 위해.

제안 방법

• 핵심-인터레이어-쉘 고분자 나노입자의 점성탄성성 용매 없는 산란계에서 굴절 유도 진동 비틀림(BIOS)을 적용하여 장거리 결정 구조 정렬을 유도하였다.
• 다단계 에멀션 중합을 사용하여 외부 반지름이 각각 92 nm(B), 110 nm(G), 130 nm(R)인 경직성 코어/부드러운 쉘 입자를 정밀하게 제조하였으며, 각각 2–4%의 다분산성을 확보하였다.
• 제어된 변형률 속도에서 40회에 걸쳐 BIOS를 시행하면서 입자를 혼합하여 이성분(G:R = 1:1) 및 삼성분(B:G:R = 3:2:1, 1:1:1, 1:2:3) 합금을 제조하였다.
• 집속 이온선-스캐닝 전자현미경(FIB-SEM)을 통해 횡단면의 층상 구조와 평면 내 정육각형 배열을 시각화하여 구조적 질을 분석하였다.
• 소각형 X선 산란(SAXS)을 정상 및 각도 의존성 입사 조건에서 분석하여 결정 품질, 격자 간격, 정렬 방향을 평가하였다.
• 반사 스펙트럼 측정을 통해 Bragg 피크 위치와 강도를 조합 및 구조적 질과 연관지어 광학적 반응을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BIOS 방법이 일반적으로 콜로이드 합금에서 안정한 자가 조립을 방해하는 크기 비율 한계(DS/L > 0.6)를 극복할 수 있는가?
• RQ2 점성탄성성, 용매 없는 시스템에서 고도의 다분산성(2–4%)을 가진 다성분 광학 결정의 장거리 순서 정렬 형성에 얼마나 잘 견딜 수 있는가?
• RQ3 진동 비틀림이 다성분 고분자 옵알 합금에서 비틀림 축 방향으로 가장 밀도 높은 배열 방향을 선호적으로 정렬시키는가?
• RQ4 용매 매개 없이 단일 공정, 대량 생산 가능한 방법으로 두꺼운(80 µm), 다층 구조의 광학 필름을 제조할 수 있는가?
• RQ5 이성분 및 삼성분 합금에서 효과적인 굴절률 대비 대비와 Bragg 피크 강도는 단일 성분 시스템에 비해 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• BIOS 공정은 입자 직경 비율이 최대 120%까지(즉, DS/L = 0.85) 가능한 고도로 순서 정렬된 이성분 및 삼성분 고분자 옵알 합금을 성공적으로 제조하였으며, 이는 기존 콜로이드 합금의 일반적인 상한선인 약 0.6을 크게 초월한 결과이다.
• FIB-SEM 영상 분석 결과, 평면 내 정육각형 배열을 보이며, 가장 밀도 높은 배열(mcp) 방향이 비틀림 방향에 정렬된 층상 구조가 확인되었다.
• SAXS 패턴은 BIOS 후 명확하고 날카로운 衍射 점을 보이며 장거리 질서를 나타내었으며, 비틀림 횟수가 증가함에 따라 점 위치가 체계적으로 이동하였다.
• 다분산성에 비해 정규화된 Bragg 피크 강도는 모든 이성분 및 삼성분 합금에서 일관된 강도를 보이며, 크기 다분산성에도 불구하고 높은 구조적 품질을 나타내었다.
• 조성 비율이 3:2:1, 1:1:1, 1:2:3인 삼성분 합금은 각각 577 nm, 613 nm, 640 nm의 피크 파장을 보이며, 가시광선 영역 전체에 걸쳐 조절 가능한 구조적 색을 나타내었다.
• 깊이 방향에 따른 효과적인 굴절률 프로파일의 푸리에 변환(FFT) 분석 결과, 모든 샘플에서 일관된 간격의 주기성이 확인되었으며, 삼성분 합금에서 가장 높은 대비를 보였다.