KR100426961B1 - Manufacturing Method for Photonic Crystals Using Self-assembled Particles on Solvent Surface - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노입자를 이용한 광자결정의 제조방법으로서,The present invention is a method for producing photonic crystal using nanoparticles,

용매의 밀도보다 작은 유효밀도를 가지는 소정의 나노 입자를 당해 용매에 고르게 분산시키는 단계와, 용매를 증발시켜 입자들을 용액 표면에 자기조립시키는 단계와, 자기조립된 입자들을 기판위로 옮기는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법을 개시한다.Evenly dispersing certain nanoparticles having an effective density less than that of the solvent in the solvent, evaporating the solvent to self-assemble the particles onto the solution surface, and transferring the self-assembled particles onto the substrate. Disclosed is a method for producing a photonic crystal characterized by the above-mentioned.

상기 구성에 의하면 입자의 크기에 제한이 없고, 결함이 적으며, 빠른 시간내에 대면적에 균일하게 광자결정을 제조할 수 있어, 광자결정을 필요로 하는 레이져, 압전센서, 엑츄에이터, 크로마토그라피의 분리막, 촉매의 담지체, 광학집적회로, 광학필터, 광학센서, 디스플레이 소자 등의 제작에 있어 매우 유용하다.According to the above structure, there is no limitation in particle size, there are few defects, and it is possible to produce photonic crystals uniformly in a large area within a short time, and thus separation membranes of lasers, piezoelectric sensors, actuators, and chromatography that require photonic crystals are required. , A catalyst carrier, an optical integrated circuit, an optical filter, an optical sensor, a display element, and the like are very useful.

Description

용매 표면에서의 입자의 자기조립을 이용한 광자결정의 제조방법 {Manufacturing Method for Photonic Crystals Using Self-assembled Particles on Solvent Surface}Manufacturing Method for Photonic Crystals Using Self-assembled Particles on Solvent Surface

본 발명은 나노입자를 이용한 광자결정의 제조방법으로서, 보다 상세하게는 광학 집적회로, 광학 필터, 레이저, 센서 등에 이용되는 광자결정을 밀도차에 의한 입자의 자기부상과 입자간의 모세관력을 이용하여 용매의 표면상에서 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention is a method of manufacturing a photonic crystal using nanoparticles, and more specifically, the photonic crystal used in an optical integrated circuit, an optical filter, a laser, a sensor, or the like using magnetic levitation of the particles due to density difference and capillary force between the particles. A method for producing on the surface of a solvent.

광자 결정을 제조하는 방법은 기존의 반도체 공정에 이용되는 기술을 이용한 포토 리소그라피와 이온빔 에칭과 고분자 나노입자를 이용하여 쌓는 기술로 크게 나눌 수 있다.Photonic crystals can be classified into photolithography, ion beam etching, and polymer nanoparticles using a technique used in a conventional semiconductor process.

기존의 포토 리소그라피와 이온빔 에칭을 통한 광자 결정의 제조는 정교한 장점은 있지만, 그에 따른 부대비용이 비싸고 많은 시간을 필요로 하는 단점이 지적된다.The production of photonic crystals through conventional photolithography and ion beam etching has sophisticated advantages, but the disadvantage is that the associated costs are high and require a lot of time.

반면, 고분자 나노 입자를 이용한 광자 결정의 제조방법은 부대장비를 필요로 하지 않으므로 저렴하게 광자 결정을 만들 수 있는 장점이 있지만, 정교한 광자 결정의 제조 및 빠른 시간에 큰 면적에 걸쳐 광자 결정을 쌓을 수 없는 단점이 지적된다.On the other hand, the method of manufacturing photonic crystals using polymer nanoparticles has the advantage of making photonic crystals inexpensively because it does not require additional equipment, but it is possible to manufacture photonic crystals over a large area in a short time and to produce sophisticated photonic crystals. No drawbacks are noted.

따라서, 고분자 나노 입자를 이용한 광자 결정의 제조 분야에서, 비교적 결함이 적고, 빠른 시간 내에 큰 면적에 광자 결정을 쌓을 수 있는 기술은 가장 중요하고도 선행되어야 할 과제인 것이다.Therefore, in the field of manufacturing photonic crystals using polymer nanoparticles, the technique of relatively small defects and the ability to stack photonic crystals in a large area in a short time is the most important and prior task.

고분자 나노 입자를 이용한 광자 결정의 제조는, 중력에 의한 침전 법[H. Miguez et al, Adv. Mater. 10, 480 (1998)], 수직 침전 법[P. Jiang et al, Chem. Mater. 11, 2132 (1999)], 온도 분포를 통한 수직 침전 법[Y .A. Vlasov et al, Nature (London) 414, 289 (2001), J. D. Joannopoulos, Nature (London) 414, 257 (2001)], 전기 영동 법[A .L. Rogach et al, Chem. Mater. 12, 2721 (2000)] 등이 있다.The production of photonic crystals using polymer nanoparticles is based on the precipitation method by gravity [H. Miguez et al, Adv. Mater. 10, 480 (1998)], vertical precipitation method [P. Jiang et al, Chem. Mater. 11, 2132 (1999)], vertical precipitation method through temperature distribution [Y.A. Vlasov et al, Nature (London) 414, 289 (2001), J. D. Joannopoulos, Nature (London) 414, 257 (2001)], electrophoresis [A.L. Rogach et al, Chem. Mater. 12, 2721 (2000).

중력에 의한 침전법은 가장 먼저 알려진 방법으로 고분자 입자 및 실리카 나노 입자가 분산된 용액을 오랫동안 놓아 두면, 중력에 의해서 입자들이 침전이 되고, 자기 조립이 되는 현상을 이용한 것이다. 이에 의하면 광자 결정의 제조 시 많은 시간을 필요로 하게 되고, 대 면적에 결함이 없는 균일한 광자 결정을 얻을 수 없다.Gravity precipitation method is the first known method that takes advantage of the phenomenon that the particles are precipitated by the gravity, and self-assembly when the solution in which the polymer particles and silica nanoparticles are dispersed for a long time. As a result, a large amount of time is required in manufacturing the photonic crystal, and a uniform photonic crystal without defects in a large area cannot be obtained.

수직 침전법은 고분자 입자 및 실리카 나노 입자가 분산된 용액 속에 수직 방향으로 용액과 친화성이 있는 기판을 놓아 두면, 용액이 기판 표면에서 계면장력에 의해 왜곡이 되고, 이 왜곡된 면에 나노 입자들이 정렬이 되어 용매가 증발시 기판 위에 침착되는 원리를 이용한 것이다. 이 방법은 비교적 넓은 면적에 결함이 적은 균일한 광자 결정을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 입자의 크기가 큰 것에는 적합하지 않으며, 비교적 많은 시간을 필요로 한다는 단점을 가지고 있다.In the vertical precipitation method, if a substrate having affinity with a solution in a vertical direction is placed in a solution in which polymer particles and silica nanoparticles are dispersed, the solution is distorted by the interfacial tension at the surface of the substrate, and the nanoparticles The alignment is based on the principle that the solvent is deposited on the substrate upon evaporation. This method has the advantage of obtaining uniform photonic crystals with relatively few defects in a relatively large area, but has a disadvantage in that it is not suitable for a large particle size and requires a relatively long time.

최근 상기 방법을 개선하여 기판에 온도 분포를 줌으로써, 입자의 크기를 보다 크게 하는 기술도 보고되고 있다. 하지만 이 방법은 온도 분포를 제어할 부대 장비를 필요로 한다는 단점을 가지고 있다.In recent years, a technique of improving the method and giving a temperature distribution to a substrate to increase the particle size has also been reported. However, this method has the disadvantage of requiring auxiliary equipment to control the temperature distribution.

또한 표면 전하를 띈 나노 입자를 전극 사이에 두고, 전기장을 걸어 전극에 광자 결정을 쌓는 전기 영동법도 보고되었다. 이 방법은 빠른 시간 내에 광자 결정을 쌓을 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 결함이 없는 광자 결정을 제조하기엔 부적합하다.Electrophoresis has also been reported in which surface-charged nanoparticles are sandwiched between electrodes and subjected to an electric field to deposit photonic crystals on the electrodes. This method has the advantage of being able to accumulate photonic crystals in a short time, but is not suitable for producing defect-free photonic crystals.

본 발명의 목적은 상기 종래 고분자 나노 입자를 이용한 광자 결정의 제조시 지적되는 문제를 해결하기 위한 것으로, 입자의 크기에 제한이 없고, 결함이 적으며, 빠른 시간내에 대면적에 균일하게 광자결정을 제조할 수 있는 신규한 제조 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the problems pointed out in the production of photonic crystals using the conventional polymer nanoparticles, there is no limitation on the size of the particles, there are few defects, and the photonic crystals are uniformly distributed in a large area within a short time It is to provide a novel manufacturing method that can be produced.

도 1은 본 발명에 의한 광자 결정의 제조과정을 설명하기 위한 원리도1 is a principle diagram for explaining the manufacturing process of the photonic crystal according to the present invention

도 2는 본 발명에 의해 제조된 광자 결정(228nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과2 is an electron scanning microscope observation result of the photonic crystal (228 nm) prepared by the present invention

도 3은 본 발명에 의해 제조된 광자 결정(500nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과3 is an electron scanning microscope observation result of the photonic crystal (500nm) prepared by the present invention

도 4는 본 발명에 의해 제조된 광자 결정(900nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과4 is an electron scanning microscope observation result of the photonic crystal (900nm) prepared by the present invention

도 5는 온도(60℃)에 따른 용매표면 위의 광자결정(228nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과Fig. 5 shows the results of electron scanning microscopy of photonic crystals (228 nm) on the solvent surface with temperature (60 ° C.).

도 6은 온도(40℃)에 따른 용매표면 위의 광자결정(228nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과FIG. 6 shows the results of electron scanning microscopy of photonic crystals (228 nm) on the solvent surface with temperature (40 ° C.)

도 7은 온도(30℃)에 따른 용매표면 위의 광자결정(228nm)의 전자 주사 현미경 관찰 결과FIG. 7 shows the results of electron scanning microscopy of photonic crystals (228 nm) on the solvent surface with temperature (30 ° C.)

도 8은 종래 기술에 의한 포토닉 밴드갭 그래프8 is a photonic band gap graph according to the prior art.

본 발명은 나노입자를 이용한 광자결정의 제조방법으로서,The present invention is a method for producing photonic crystal using nanoparticles,

용매의 밀도보다 작은 유효밀도를 가지는 소정의 나노 입자를 당해 용매에 고르게 분산시키는 단계와, 용매를 증발시켜 입자들을 용액 표면에 자기조립시키는 단계와, 자기조립된 입자들을 기판위로 옮기는 단계가 포함되는 광자결정의 제조방법을 포함한다.Uniformly dispersing certain nanoparticles having an effective density less than that of the solvent in the solvent, evaporating the solvent to self-assemble the particles on the surface of the solution, and moving the self-assembled particles onto the substrate. It includes a method for producing photonic crystals.

도 1은 본 발명에 의한 광자결정의 제조과정을 설명하기 위한 원리도이다.1 is a principle diagram illustrating a manufacturing process of a photonic crystal according to the present invention.

이에 의하면 용매보다 유효밀도가 작은 소정의 나노 입자가 당해 용매에 고르게 분산되고, 당해 용매를 강제로 증발시키는 경우 입자는 용매의 표면에 부상하게 되며, 부상한 입자는 모세관력에 의해 자기조립이 이루어짐을 보여주고 있다.According to this, predetermined nanoparticles having a smaller effective density than the solvent are uniformly dispersed in the solvent, and when the solvent is forcibly evaporated, the particles float on the surface of the solvent, and the floating particles are self-assembled by capillary force. Is showing.

자기조립된 입자들의 유효밀도는 용매에 비해 작기 때문에 계속 떠있을 수 있고, 용매 표면상에 넓고 균일하게 쌓이게 된다.Since the effective density of the self-assembled particles is small compared to the solvent, they can remain floating and accumulate broadly and evenly on the surface of the solvent.

상기 자기조립과정을 위한 구제적인 조건을 예시하면 다음과 같다.Illustrative conditions for the self-assembly process are as follows.

= =

상기에서는 입자의 유효밀도를,는 용매의 밀도를 의미하며, r은 분산된 입자의 반지름을, N은 이차원으로 자기조립된 입자의 한쪽 면에서의 입자의 개수를 의미하며,은 분산된 입자의 밀도를 의미한다.From above Is the effective density of the particles, Where is the density of the solvent, r is the radius of the dispersed particles, N is the number of particles on one side of the particle self-assembled in two dimensions, Means the density of the dispersed particles.

상기 조건을 만족하는 대표적인 입자의 예로는, 물에 분산된 폴리스티렌 입자를 들 수 있다. 폴리스티렌 입자의 밀도는 1.05 g/cm3이고, 물의 밀도는 1.0 g/cm3이다. 폴리스티렌 입자 하나의 밀도는 물 보다 크지만, 물이 증발됨으로써 물 표면에 자기 조립된 폴리스티렌 입자의 유효 밀도는 물보다 작게 된다. 따라서, 물 표면에 자기 조립된 폴리스티렌 입자들은 떠 있게 되고, 앞의 과정이 반복되어서 광자 결정이 형성되게 된다.Examples of the representative particles that satisfy the above conditions include polystyrene particles dispersed in water. The density of polystyrene particles is 1.05 g / cm 3 and the density of water is 1.0 g / cm 3 . The density of one polystyrene particle is greater than water, but as the water evaporates, the effective density of the polystyrene particles self-assembled on the water surface becomes smaller than water. Thus, the polystyrene particles self-assembled on the surface of the water will float, and the above process is repeated to form photonic crystals.

본 발명에 사용가능한 입자의 예로는 특별히 한정되는 것은 아니지만 상기 폴리스티렌 이외에도 폴리알파메틸스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리페닐메타크릴레이트, 폴리1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리클로로벤질메타크릴레이트, 폴리1-페닐에틸메타크릴레이트, 폴리1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 폴리디페닐메틸메타크릴레이트, 폴리퍼퓨릴메타크릴레이트, 폴리1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 폴리펜타클로로페닐메타크릴레이트, 및 폴리펜타브로모페닐메타크릴레이트로 이루어진 단일 중합체의 군으로부터 선택되어지는 적어도 1종을 포함한다.Examples of the particles usable in the present invention are not particularly limited, but in addition to the polystyrene, polyalphamethylstyrene, polyacrylate, polymethyl methacrylate, polybenzyl methacrylate, polyphenyl methacrylate, poly1-methylcyclohexyl Methacrylate, polycyclohexyl methacrylate, polychlorobenzyl methacrylate, poly1-phenylethyl methacrylate, poly1,2-diphenylethyl methacrylate, polydiphenylmethyl methacrylate, polyperfuryl And at least one member selected from the group of homopolymers consisting of methacrylate, poly1-phenylcyclohexyl methacrylate, polypentachlorophenyl methacrylate, and polypentabromophenyl methacrylate.

또한 상기 단일 중합체 이외에도 공중합체를 사용하는 것도 가능하다. 이들 공중합체의 예로서는 메틸메타크릴레이트(MMA)-벤질메타크릴레이트 공중합체(BMA), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN) 공중합체, MMA-TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트)공중합체, MMA-PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트)공중합체, MMA-HFIPMA(1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소메타크릴레이트)공중합체, MMA-HFBMA(2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트)공중합체, TFEMA-PFPMA 공중합체, TFEMA-HFIPMA 공중합체, 스티렌-메틸메타크릴레이트(SM) 공중합체, 및 TFEMA-HFBMA 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 적어도 1종을 포함한다.It is also possible to use copolymers in addition to the above homopolymers. Examples of these copolymers include methyl methacrylate (MMA) -benzyl methacrylate copolymer (BMA), styrene-acrylonitrile (SAN) copolymer, MMA-TFEMA (2,2,2-trifluoroethylmethacryl). Copolymer), MMA-PFPMA (2,2,3,3,3-pentafluoropropylmethacrylate) copolymer, MMA-HFIPMA (1,1,1,3,3,3-hexafluoroiso Methacrylate) copolymer, MMA-HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutylmethacrylate) copolymer, TFEMA-PFPMA copolymer, TFEMA-HFIPMA copolymer, styrene- At least one member selected from the group consisting of methyl methacrylate (SM) copolymer, and TFEMA-HFBMA copolymer.

용매는 상기 선택되는 입자의 유효밀도보다 큰 물질 중에서 선택될 것이 요구된다. 이러한 용매로서 사용가능한 예를 들면 물, 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜, 글리세롤, 퍼플루오로데칼린, 퍼플루오르메틸데칼린, 퍼플루오르노난, 퍼플루오르이소산, 퍼플루오르시클로헥산, 퍼플루오르1,2-디메틸시클로헥산, 퍼플루오르2-메틸2-펜텐, 퍼플루오르케로센으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함한다.The solvent is required to be selected from materials which are larger than the effective density of the particles of choice. Usable as such solvents, for example, water, methanol, ethanol, ethylene glycol, glycerol, perfluorodecalin, perfluoromethyldecalin, perfluorononane, perfluoroisoacid, perfluorocyclohexane, perfluoro1,2-dimethyl It includes one selected from the group consisting of cyclohexane, perfluoro2-methyl2-pentene and perfluorokerosene.

용매의 증발과정은 통상적으로 용매의 끓는점 아래에서 수행될 것이 요구되며, 용매의 증발속도가 빨라질수록 용매의 표면 위에 광자결정이 형성되는 시간이 단축되는 반면, 증발속도가 너무 빠르면, 광자결정에 결함을 유발시키는 문제가 생길 수 있다. 본 발명에서는 사용되는 입자 및 용매의 종류에 따라 상기 결정형성을 위한 최적의 증발조건이 상이하고 이는 본 발명의 기재로부터 당업자라면 용이하게 선택할 수 있는 사항에 불과하므로 이러한 조건의 구체적인 특정은 요구되지 않는다.The evaporation process of the solvent is usually required to be performed below the boiling point of the solvent. The faster the evaporation rate of the solvent, the shorter the time taken for photonic crystals to form on the surface of the solvent. Can cause problems. In the present invention, the optimum evaporation conditions for the crystal formation are different depending on the type of particles and the solvent used, and these are merely matters that can be easily selected by those skilled in the art from the description of the present invention, and thus no specific specification of these conditions is required. .

상기와 같은 자기조립과정을 거쳐 용매 표면상에 넓고 균일하게 쌓인 입자들은 이후 기판으로 옮겨지며, 이때 단순히 기판을 용액 속에 수직 또는 소정각도를 주어 경사지게 넣어서 용매 위에 쌓인 광자결정을 기판으로 옮기는 수직 침전법을 이용하거나, LB법, 또는 용매 표면 위에 광자결정을 형성시킨 후, 단순히 용매를 증발시켜 광자결정을 기판 위에 옮기는 침전법 등을 통해 용이하게 수행될 수 있다.Through the self-assembly process as described above, particles that are broadly and uniformly stacked on the surface of the solvent are then transferred to the substrate. In this case, the vertical precipitation method is used to transfer the photonic crystals stacked on the solvent to the substrate by simply placing the substrate vertically or at an angle in the solution. Or by forming a photonic crystal on the surface of the solvent, or simply by evaporating the solvent to move the photonic crystal on the substrate, and the like.

본 발명은 상기 과정을 통해 자기조립된 입자의 공극을 반도체(예를 들면, Si, CdS, Cdse, GaAs 등 일반적으로 통용되는 반도체를 모두 포함하며 특별히 한정되지 아니한다), 금속(예를 들면 Ag, Au, Al, 등 일반적으로 통용되는 금속 모두를 포함하며 특별히 한정되지 아니한다), 금속산화물(예를 들면 산화 알루미늄, 산화철 등 일반적인 금속 산화물 모두를 포함하며 특별히 한정되지 아니한다), 또는 유기물 (예를 들면 폴리(파라-페닐렌비닐렌), 폴리티오펜, 폴리(파라-페닐렌), 폴리퀴놀린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 또는 폴리플로렌 및 유기물의 각 유도체들을 포함하며 특별히 한정되지 아니한다)에서 선택되는 적어도 1종의 물질로 충전하는 단계가 추가로 포함된 광자결정의 제조방법을 포함한다.The present invention includes pores of self-assembled particles through the above process, including semiconductors (for example, all commonly used semiconductors such as Si, CdS, Cdse, GaAs, and the like), metals (eg, Ag, It includes, but is not limited to, all commonly used metals such as Au, Al, and the like, metal oxides (including, but not limited to, all common metal oxides such as aluminum oxide and iron oxide), or organic materials (eg, Poly (para-phenylenevinylene), polythiophene, poly (para-phenylene), polyquinoline, polypyrrole, polyacetylene, or polyfluorene and the respective derivatives of organics, and are not particularly limited). Filling with at least one material includes a method for producing a photonic crystal further included.

또한 본 발명은 각종 소자에 사용할 목적으로 역상을 얻기 위해 템플레이팅 과정을 도입할 수 있다. 즉 본 발명은 상기에서와 같이 공극이 충전된 광자결정에서 주형을 제거하는 단계가 추가로 포함되는 광자 결정의 제조방법을 포함한다.In addition, the present invention may introduce a template process to obtain a reversed phase for use in various devices. That is, the present invention includes a method of manufacturing a photonic crystal further comprises the step of removing the template from the photonic crystal filled with pores as described above.

상기 과정을 통해 제조되는 광자 결정은 레이져, 압전센서, 엑츄에이터, 크로마토그라피의 분리막, 촉매의 담지체, 광학집적회로, 광학필터, 광학센서, 디스플레이 소자 등의 제작에 제공되어진다.Photonic crystals produced through the above process are provided for the manufacture of lasers, piezoelectric sensors, actuators, chromatographic separators, catalyst carriers, optical integrated circuits, optical filters, optical sensors, display devices, and the like.

이하 본 발명의 내용을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only presented to understand the content of the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.

<실시예 1> 입자크기에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅠExample 1 Preparation of Photonic Crystal on Solvent Surface According to Particle Size I

용매와 밀도가 비슷하고 자기 조립시 용매 보다 유효 밀도가 낮은 입자의 쌍으로 물과 폴리스티렌(polystyrene)이 이용되었다.Water and polystyrene were used as pairs of particles with similar densities to solvents and lower effective densities than solvents for self-assembly.

폴리스티렌 228nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 90℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 10 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 228nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 광자결정은 수직 침전법에 의해 기판으로 옮겼다.After dispersing polystyrene 228 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a 90 ° C. convection oven. After about 10 minutes, the polystyrene particles self assembled on the surface of the water. Through this procedure, photonic crystals of polystyrene 228 nm size were obtained on the water surface, and the photonic crystals were transferred to the substrate by the vertical precipitation method.

이는 도 2의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.This can be confirmed through the electron scanning microscope observation result of FIG. 2.

<실시예 2> 입자크기에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅡExample 2 Preparation of Photonic Crystal on Solvent Surface According to Particle Size II

폴리스티렌 500nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 90℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 10 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 500nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 이는 도 3의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.After dispersing the polystyrene 500 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a 90 ° C. convection oven. After about 10 minutes, the polystyrene particles self assembled on the surface of the water. Through the above procedure, a photonic crystal having a polystyrene size of 500 nm was obtained on the surface of water, which can be confirmed by electron scanning microscope observation of FIG. 3.

<실시예 3> 입자크기에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅢExample 3 Preparation of Photonic Crystal on Solvent Surface According to Particle Size III

폴리스티렌 900nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 90℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 10 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 900nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 이는 도 4의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.The polystyrene 900 nm sized particles were dispersed in water at 5% by weight, and then the solution was placed in a 90 ° C. convection oven. After about 10 minutes, the polystyrene particles self assembled on the surface of the water. Through the above procedure, photonic crystals having a polystyrene size of 900 nm were obtained on the water surface, which can be confirmed by electron scanning microscope observation of FIG. 4.

<실시예 4> 온도에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅠExample 4 Preparation of Photonic Crystals on Solvent Surface by Temperature I

폴리스티렌 228nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 60℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 20 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 228nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 이는 도 5의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.After dispersing polystyrene 228 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a convection oven at 60 ° C. After 20 minutes, the polystyrene particles self assembled on the surface of the water. Through the above procedure, a photonic crystal having a polystyrene size of 228 nm was obtained on the surface of water, which can be confirmed by electron scanning microscope observation of FIG. 5.

<실시예 5> 온도에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅡExample 5 Preparation of Photonic Crystal on Solvent Surface by Temperature II

폴리스티렌 228nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 40℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 30 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 228nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 이는 도 6의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.After dispersing polystyrene 228 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a 40 ° C. convection oven. After 30 minutes, the polystyrene particles self-assembled on the surface of the water. Through the above procedure, a photonic crystal having a polystyrene size of 228 nm was obtained on the surface of water, which can be confirmed by electron scanning microscope observation of FIG. 6.

<실시예 6> 온도에 따른 용매표면 위의 광자결정의 제조 ⅢExample 6 Preparation of Photonic Crystals on Solvent Surface with Temperature III

폴리스티렌 228nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 30℃의 컨벡션 오븐에 넣어 두었다. 60 분 정도 지나자 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되었다. 상기 과정을 통해 물표면 위에 폴리스티렌 228nm 크기의 광자 결정이 얻어졌으며, 이는 도 7의 전자 주사 현미경 관찰 결과를 통해 확인할 수 있다.After dispersing polystyrene 228 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a convection oven at 30 ° C. After 60 minutes, the polystyrene particles self-assembled on the surface of the water. Through the above procedure, a photonic crystal having a polystyrene size of 228 nm was obtained on the surface of water, which can be confirmed by electron scanning microscope observation of FIG. 7.

<실시예 7> 템플레이트의 제조 ⅠExample 7 Preparation of Template I

투명전극(ITO: Indium Tin Oxide) 위에 실시예 1의 방법을 이용해 광자 결정을 얻어 AgNO3수용액에 담근 후, 광자결정을 음극, 알루미늄 판을 양극으로 하여 Ag 양이온을 광자 결정 공극에서 Ag로 환원시켰다. 상기 과정을 통해 광자결정의 공극을 은으로 채운 후, 광자 결정을 톨루엔에 담가두어 폴리스티렌을 녹여내어 템플레이트를 제조하였다.After the photonic crystal was obtained on the transparent electrode (ITO: Indium Tin Oxide) using the method of Example 1 and immersed in an AgNO 3 aqueous solution, the Ag cation was reduced from the photonic crystal pore to Ag using the photonic crystal as the cathode and the aluminum plate as the anode. . After filling the pores of the photonic crystal with silver through the above process, the photonic crystal was immersed in toluene to melt polystyrene to prepare a template.

<실시예 8> 템플레이트의 제조 ⅡExample 8 Preparation of Template II

실시예 1의 방법으로 광자 결정을 제조한 후, 광자 결정의 공극사이에 3nm 금(Au) 입자를 충진하였다. 충진 후, 500도에서 폴리스티렌을 태워서 템플레이트를 제조하였다.After the photonic crystal was prepared by the method of Example 1, 3 nm gold (Au) particles were filled between the pores of the photonic crystal. After filling, the polystyrene was burned at 500 degrees to prepare a template.

<실시예 9> 템플레이트의 제조 ⅢExample 9 Preparation of Template III

실시예 1의 방법으로 광자 결정을 제조한 후, 5nm의 CdSe를 충진시킨 후, 500도에서 폴리스티렌을 태워서 템프레이트를 제조하였다.After the photonic crystal was prepared by the method of Example 1, 5 nm of CdSe was charged, and then, polystyrene was burned at 500 degrees to prepare a template.

<실시예 10> 템플레이트의 제조 ⅣExample 10 Preparation of Template IV

실시예 1의 방법으로 광자 결정을 제조한 후, 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV)를 충진시킨 후, 톨루엔의 담가두어 폴리스티렌을 녹여내어 템플레이트를 제조하였다.After the photonic crystal was prepared by the method of Example 1, polyparaphenylene vinylene (PPV) was charged, and then, toluene was immersed to dissolve polystyrene to prepare a template.

<비교실시예 1>Comparative Example 1

폴리스티렌 228nm 크기의 입자를 5 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 25℃ 의 대류가 없는 오븐에 넣어 두었다. 2일 정도 지나 관찰한 결과, 물 표면에 폴리스티렌 입자들이 자기 조립되지 않음이 확인되었다. 이는 중력에 의해 입자들이 바닥에 침전되었기 때문이고 물이 모두 증발되려면 최소한 2일 이상이 소요됨을 알 수 있다. 또한 상기 과정을 통해 제조된 광자 결정은 본 발명에 의해 제조된 광자결정 보다 포토닉 밴드갭이 얕은 것으로 관찰되었다(도 8). 포토닉 밴드갭은 광자결정의 결정상태를 반영하는 것으로 결정의 정렬정도가 좋을수록 깊게 나타난다.After dispersing polystyrene 228 nm size particles in water at 5% by weight, the solution was placed in a 25 ° C. free convection oven. After two days of observation, it was confirmed that the polystyrene particles did not self-assemble on the surface of the water. This is due to the fact that the particles settle to the bottom by gravity and it takes at least two days for all the water to evaporate. In addition, it was observed that the photonic crystals produced through the above process were shallower in photonic bandgap than the photonic crystals produced by the present invention (FIG. 8). The photonic bandgap reflects the crystal state of the photonic crystal, and the deeper the crystal alignment, the deeper it appears.

<비교실시예 2>Comparative Example 2

폴리스티렌 500nm 크기의 입자를 1 중량%로 물에 분산시킨 후, 이 용액을 25℃의 오븐에 넣은 후, 위 용액에 바로 기판을 수직으로 넣어 기판 위에 광자 결정을 쌓았다. 본 발명에 의하면 물 표면 위에 광자 결정이 형성 된 후 기판을 용액에 넣었지만, 여기서는 물 표면에 광자 결정이 형성되기 전에 기판을 넣은 차이가 있다. 이러한 경우, 입자의 침전 속도가 기판 위에 쌓이는 속도보다 빠르므로 기판 위에 균일한 광자결정이 제조되지 않음을 관찰할 수 있었다(Y .A. Vlasov et al, Nature (London) 414, 289 (2001), J. D. Joannopoulos, Nature (London) 414, 257 (2001)참고).After dispersing the particles of polystyrene 500 nm size in water by 1% by weight, the solution was placed in an oven at 25 ° C., and the photonic crystal was stacked on the substrate by directly placing the substrate vertically in the solution. According to the present invention, the substrate is placed in a solution after the photonic crystal is formed on the water surface, but there is a difference in that the substrate is placed before the photonic crystal is formed on the water surface. In this case, it can be observed that uniform photonic crystals are not produced on the substrate because the settling speed of the particles is faster than that on the substrate (Y.A. Vlasov et al, Nature (London) 414, 289 (2001), See JD Joannopoulos, Nature (London) 414, 257 (2001).

<비교실시예 3>Comparative Example 3

폴리스티렌 500nm 크기의 입자를 5 중량%로 에탄올에 분산시킨 후, 이 용액을 60℃ 컨벡션 오븐에 넣고, 20분이 경과한 후 에탄올 표면을 살펴본 결과, 표면 위에 광자 결정이 쌓이지 않았음을 관찰할 수 있었다.After dispersing 500 nm polystyrene particles in 5% by weight in ethanol, the solution was placed in a 60 ° C. convection oven and after 20 minutes, the surface of the ethanol was examined and the photon crystals did not accumulate on the surface. .

본 발명에 의하면 입자의 크기에 제한이 없고, 결함이 적으며, 빠른 시간내에 대면적에 균일하게 광자결정을 제조할 수 있어, 광자결정을 필요로 하는 레이져, 압전센서, 엑츄에이터, 크로마토그라피의 분리막, 촉매의 담지체, 광학집적회로, 광학필터, 광학센서, 디스플레이 소자 등의 제작에 있어 매우 유용하다.According to the present invention, there is no limitation in particle size, there are few defects, and photonic crystals can be produced uniformly in a large area within a short time, and thus separation membranes of lasers, piezoelectric sensors, actuators, and chromatography that require photonic crystals are required. , A catalyst carrier, an optical integrated circuit, an optical filter, an optical sensor, a display element, and the like are very useful.

Claims (8)

나노입자를 이용한 광자결정의 제조방법에 있어서,In the method for producing photonic crystal using nanoparticles, 용매의 밀도보다 작은 유효밀도를 가지는 소정의 나노 입자를 당해 용매에 고르게 분산시키는 단계와, 용매를 증발시켜 입자들을 용액 표면에 자기조립시키는 단계와, 자기조립된 입자들을 기판위로 옮기는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Evenly dispersing certain nanoparticles having an effective density less than that of the solvent in the solvent, evaporating the solvent to self-assemble the particles onto the solution surface, and transferring the self-assembled particles onto the substrate. Photonic crystal manufacturing method characterized by 제 1항에 있어서, 상기 나노입자는The method of claim 1, wherein the nanoparticles 하기 조건을 만족함을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Method for producing photonic crystals characterized by the following conditions = = 상기에서는 입자의 유효밀도를,는 용매의 밀도를 의미하며, r은 분산된 입자의 반지름을, N은 이차원으로 자기조립된 입자의 한쪽 면에서의 입자의 개수를 의미하며,은 분산된 입자의 밀도를 의미한다.From above Is the effective density of the particles, Where is the density of the solvent, r is the radius of the dispersed particles, N is the number of particles on one side of the particle self-assembled in two dimensions, Means the density of the dispersed particles. 제 1항에 있어서, 상기 나노입자는The method of claim 1, wherein the nanoparticles 폴리스티렌, 폴리알파메틸스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리페닐메타크릴레이트, 폴리1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리클로로벤질메타크릴레이트, 폴리1-페닐에틸메타크릴레이트, 폴리1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 폴리디페닐메틸메타크릴레이트, 폴리퍼퓨릴메타크릴레이트, 폴리1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 폴리펜타클로로페닐메타크릴레이트, 및 폴리펜타브로모페닐메타크릴레이트로 이루어진 단일 중합체의 군으로부터 선택되어지는 적어도 1종임을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Polystyrene, polyalphamethylstyrene, polyacrylate, polymethylmethacrylate, polybenzyl methacrylate, polyphenyl methacrylate, poly1-methylcyclohexyl methacrylate, polycyclohexyl methacrylate, polychlorobenzyl meta Acrylate, poly1-phenylethyl methacrylate, poly1,2-diphenylethyl methacrylate, polydiphenylmethyl methacrylate, polyperfuryl methacrylate, poly1-phenylcyclohexyl methacrylate, poly At least one member selected from the group of homopolymers consisting of pentachlorophenyl methacrylate and polypentabromophenyl methacrylate. 제 1항에 있어서, 상기 나노입자는The method of claim 1, wherein the nanoparticles 메틸메타크릴레이트(MMA)-벤질메타크릴레이트 공중합체(BMA), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN) 공중합체, MMA-TFEMA(2,2,2-트리플루오로에틸메타크릴레이트)공중합체, MMA-PFPMA(2,2,3,3,3-펜타플루오로프로필메타크릴레이트)공중합체, MMA-HFIPMA (1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소메타크릴레이트)공중합체, MMA-HFBMA(2,2,3,3,4,4, 4-헵타플루오로부틸메타크릴레이트)공중합체, TFEMA-PFPMA 공중합체, TFEMA-HFIPMA 공중합체, 스티렌-메틸메타크릴레이트(SM) 공중합체, 및 TFEMA-HFBMA 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되어지는 적어도 1종임을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Methyl methacrylate (MMA) -benzyl methacrylate copolymer (BMA), styrene-acrylonitrile (SAN) copolymer, MMA-TFEMA (2,2,2-trifluoroethyl methacrylate) copolymer, MMA-PFPMA (2,2,3,3,3-pentafluoropropylmethacrylate) copolymer, MMA-HFIPMA (1,1,1,3,3,3-hexafluoroisomethacrylate) Copolymer, MMA-HFBMA (2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutylmethacrylate) copolymer, TFEMA-PFPMA copolymer, TFEMA-HFIPMA copolymer, styrene-methylmethacrylate ( SM) copolymer, and TFEMA-HFBMA copolymer is a method for producing a photonic crystal, characterized in that at least one selected from the group consisting of. 제 1항에 있어서, 용매는The method of claim 1 wherein the solvent is 물, 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜, 글리세롤, 퍼플루오로데칼린, 퍼플루오르메틸데칼린, 퍼플루오르노난, 퍼플루오르이소산, 퍼플루오르시클로헥산, 퍼플루오르1,2-디메틸시클로헥산, 퍼플루오르2-메틸2-펜텐, 퍼플루오르케로센으로 이루어진 군으로부터 선택되어짐을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Water, methanol, ethanol, ethylene glycol, glycerol, perfluorodecalin, perfluoromethyldecalin, perfluorononane, perfluoroisoacid, perfluorocyclohexane, perfluoro1,2-dimethylcyclohexane, perfluoro2-methyl Method for producing photonic crystals, characterized in that selected from the group consisting of 2-pentene, perfluorokerosene 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 자기조립된 입자는 수직 침전법, LB 법 또는 침전 법에서 선택되는 어느 한 방법에 의해 기판으로 옮겨짐을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Self-assembled particles are transferred to the substrate by any method selected from the vertical precipitation method, LB method or precipitation method. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 자기조립된 입자의 공극을 반도체, 금속, 금속산화물 또는 유기물에서 선택되는 적어도 1종의 물질로 충전하는 단계가 추가로 포함됨을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법Filling the pores of the self-assembled particles with at least one material selected from semiconductors, metals, metal oxides or organics. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 역상을 얻기 위해 공극이 충전된 광자결정에서 주형을 제거하는 단계가 추가로 포함됨을 특징으로 하는 광자결정의 제조방법The method of manufacturing a photonic crystal further comprises the step of removing the template from the photonic crystal filled with voids to obtain a reversed phase.
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