KR100466250B1 - Manufacturing Method for Colloidal Crystals with Variable Form and Multi-Pore Structure Using Said Colloidal Crystals - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광통신 분야 등의 소자산업의 재료로서 제공되는 콜로이드 결정의 형성방법에 관한 것으로, 모세관 내부에 콜로이드 용액을 침투시키는 단계와, 콜로이드 용액내의 용매를 증발시켜 콜로이드를 결정화하는 단계, 및 모세관을 제거하는 단계를 포함하는 콜로이드 결정의 제조방법을 개시한다.The present invention relates to a method for forming a colloidal crystal, which is provided as a material for the device industry, such as in the field of optical communication, comprising the steps of infiltrating a colloidal solution into a capillary tube, evaporating a solvent in the colloidal solution to crystallize the colloid, and Disclosed is a method of preparing a colloidal crystal comprising the step of removing.
또한 본 발명은 모세관 내부에 콜로이드 용액을 침투시키는 단계와, 콜로이드 용액내의 용매를 증발시켜 콜로이드를 결정화하는 단계와, 모세관 내부에 고분자 전구체 또는 무기물 전구체를 침투시켜 고분자 중합 또는 무기물화하는 단계, 및 모세관과 콜로이드 결정을 제거하는 단계를 포함하는 콜로이드 결정을 이용한 다공성 구조체의 제조방법을 개시한다.In another aspect, the present invention is to penetrate the colloidal solution into the capillary, to evaporate the solvent in the colloidal solution to crystallize, to penetrate the polymer precursor or inorganic precursor inside the capillary to polymerize or mineralize, and the capillary Disclosed is a method of preparing a porous structure using colloidal crystals, including removing colloidal crystals.
Description
본 발명은 광통신 분야 등의 소자산업의 재료로서 제공되는 콜로이드 결정의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콜로이드 결정의 형태가 자유자재로 제어되며, 광통신 분야 등에 요구되는 소형소자에 다양하게 응용이 가능한 콜로이드 결정 및 이를 주형으로 하는 다공성 구조체의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing colloidal crystals, which is provided as a material for the device industry, such as the optical communication field. More specifically, the shape of the colloidal crystal can be freely controlled, and various applications can be made to small devices required for the optical communication field. It relates to a possible colloidal crystal and a method for producing a porous structure having the template.
콜로이드 결정은 균일한 크기의 고분자 혹은 무기물의 구형 입자들이 결정구조를 갖고 배열해 있는 것을 말하며, 이때 자가배열에서 얻어지는 일반적인 결정구조는 면심입방구조(face-centered cubic)를 갖는다. 콜로이드 결정은 결정구조가 빛의 파장 크기와 비슷한 크기의 주기성을 가지기 때문에 빛의 특정파장에 대해 투과하지 못하게 하는 등 빛의 전파에 영향을 주므로 광결정(photonic crystals)이라고 불리운다. 특히 광결정을 통해 투과하지 못하는 빛의 파장 영역을 광밴드갭(photonic band gap)이라고 한다. 현재 이러한 광결정을 실제 산업적으로 이용하기 위한 많은 시도들이 이루어지고 있는데, 그 중 하나로는 콜로이드 결정의 겉모양을 제어하는 것이며, 이러한 시도는 광도파로나 렌즈 같은 광학소자의 제조를 목적으로 한다.Colloidal crystals are those in which spherical particles of a uniform size of polymer or inorganic are arranged in a crystal structure. In this case, a general crystal structure obtained from self-array has a face-centered cubic structure. Colloidal crystals are called photonic crystals because they affect the propagation of light, such that they do not transmit through a specific wavelength of light because the crystal structure has a periodicity of a size similar to the wavelength of light. In particular, the wavelength region of light that cannot pass through the photonic crystal is called a photonic band gap. At present, many attempts have been made to use such photonic crystals industrially, and one of them is to control the appearance of colloidal crystals, and such an attempt is to manufacture optical devices such as optical waveguides and lenses.
광결정은 콜로이드 결정구조 뿐만 아니라 콜로이드 결정의 역전된 구조를 이용할 수 있으며 콜로이드를 이용한 광결정의 제조는 미국특허 6,339,030에 다양하게 소개되어 있다. 이 특허에서는 수백 나노미터 크기를 갖는 균일한 크기의 구형입자를 사용하여 콜로이드 결정구조의 광결정을 제조하고, 그 사이 사이에 수 나노미터 크기의 무기물, 반도체 입자를 채워넣고 콜로이드 결정을 제거함으로써 역전된 구조의 광결정을 제조하였다.Photonic crystals can utilize not only colloidal crystal structures but also inverted structures of colloidal crystals. The production of photonic crystals using colloids is variously disclosed in US Pat. No. 6,339,030. In this patent, photonic crystals of colloidal crystal structure are fabricated using uniformly sized spherical particles of several hundred nanometers in size, and inverted by filling nanometer-sized inorganic and semiconductor particles and removing colloidal crystals therebetween. Photonic crystal of structure was prepared.
광결정 구조의 응용은 다양한 특허에서 소개되고 있으며, 미국특허 6,343,167에 2차원적으로 주기적인 형태의 광결정구조를 이용한 광신호지연 (Photonic signal delay)소자에의 응용이 개시된 바 있다. 또한, 미국특허 6,175,671에는 광도파로(waveguide)소자, 미국특허 5,740,287에는 서로 다른 유전율을 가진 물질의 적층구조를 이용한 광스위치(optical switch) 소자로의 응용이 보고 된 바 있다.The application of the photonic crystal structure has been introduced in various patents, and US Patent 6,343,167 has been disclosed in the photonic signal delay device using a photonic crystal structure of the two-dimensional periodic form. In addition, US Pat. No. 6,175,671 discloses an application as an optical switch device using a waveguide device, and US Pat. No. 5,740,287 uses a laminated structure of materials having different dielectric constants.
상기와 같은 특허는 콜로이드를 이용한 광결정의 제조는 가능하나 소자에 적용하기 위해 겉모양이 제어된 것이 아니며, 광결정을 이용한 광학소자의 경우에도 콜로이드 법을 통해 만들어진 것과 같은 3차원이 아니라 단순 1차원의 구조를 갖는점에서 본 발명과는 상이하다.Such a patent is possible to manufacture a photonic crystal using a colloid, but the appearance is not controlled to apply to the device, and even in the case of an optical device using a photonic crystal, a simple one-dimensional, not three-dimensional, such as that made through the colloidal method. It differs from this invention in the point which has a structure.
본 발명의 목적은 콜로이드 결정의 형태가 자유자재로 제어되며, 광통신 분야 등에 요구되는 소형소자에 다양하게 응용이 가능한 콜로이드 결정의 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a colloidal crystal in which the form of the colloidal crystal is freely controlled, and which can be variously applied to small devices required in the field of optical communication.
본 발명의 다른 목적은 광밴드갭의 성질을 변화시켜 광통신분야에서 매우 유용하게 활용할 수 있도록 상기 콜로이드 결정을 주형으로 하는 역전된 다공성 구조체의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing an inverted porous structure having the colloidal crystal as a template so as to change the properties of the optical bandgap to be very useful in the optical communication field.
도 1 은 본 발명에 의한 콜로이드 결정 및 다공성 구조체의 제조과정을 설명하기 위한 원리도1 is a principle diagram for explaining the manufacturing process of the colloidal crystal and porous structure according to the present invention
도 2 는 모세관에 콜로이드 용액이 침투된 광학현미경 사진FIG. 2 is an optical micrograph of a colloidal solution penetrated into a capillary
도 3 은 고분자 입자로 구성된 가는 실린더 모양의 콜로이드 결정의 전자 주사 현미경 사진3 is an electron scanning micrograph of a thin cylindrical colloidal crystal composed of polymer particles
도 4 는 실리카 입자로 구성된 가는 실린더 모양의 콜로이드 결정의 전자 주사 현미경 사진4 is an electron scanning micrograph of a thin cylindrical colloidal crystal composed of silica particles;
도 5 는 콜로이드 결정을 주형으로 하여 제조된 실리카 재질의 다공성 구조체의 전자 주사 현미경 사진5 is an electron scanning micrograph of a porous structure made of silica prepared using colloidal crystals as a template
도 6 은 콜로이드 결정을 주형으로 하여 제조된 고분자 재질의 다공성 구조체의 전자 주사 현미경 사진6 is an electron scanning micrograph of a porous structure made of a polymeric material prepared using a colloidal crystal as a template
도 7 은 가는 실린더 형태의 콜로이드 결정에서 고분자 입자의 크기에 따른 반사도 측정결과7 is a result of measuring the reflectivity according to the size of the polymer particles in the colloidal crystal of the thin cylinder form
본 발명은 콜로이드 결정의 제조방법으로서,The present invention is a method for producing colloidal crystals,
모세관 내부에 콜로이드 용액을 침투시키는 단계와, 콜로이드 용액내의 용매를 증발시켜 콜로이드를 결정화하는 단계, 및 모세관을 제거하는 단계를 포함하는 콜로이드 결정의 제조방법을 포함한다.Penetrating the colloidal solution into the capillary; and evaporating the solvent in the colloidal solution to crystallize the colloid; and removing the capillary.
상기 본 발명에 의하면 사용되는 모세관의 형상에 따라 다양한 형상의 콜로이드 결정을 제조할 수 있으며, 또한 이를 주형으로 하여 콜로이드 결정의 역전된 구조체를 제조할 수도 있다.According to the present invention, it is possible to produce colloidal crystals of various shapes depending on the shape of the capillary tube to be used, and also to invert the structure of the colloidal crystals by using this as a template.
모세관은 콜로이드 용액을 충전하기 위한 소정 형상의 공간을 제공하며, 이 경우 구체적인 형상은 특별한 제한을 요하지 않는다. 따라서 최종 결정체의 원하는 형상에 따라 모세관의 형상은 가변적일 수 있다. 이하에서 후술하는 바람직한 실시예는 원통형상의 실린더 구조체를 개시하고 있지만 이는 본 발명의 내용을 설명하기 위해 제공되는 다양한 형상의 일태양에 불과함에 유의해야 한다.The capillary provides a space of a predetermined shape for filling the colloidal solution, in which case the specific shape does not require special limitation. Thus, depending on the desired shape of the final crystals, the shape of the capillary can be variable. The following preferred embodiment described below discloses a cylindrical cylinder structure, but it should be noted that this is only one aspect of various shapes provided to explain the contents of the present invention.
모세관은 콜로이드 결정이 형성된 후 제거되기에 용이한 재질이어야 한다. 이러한 요구를 만족하는 재질로는 바람직하게는 특정 용매에 용해가 가능한 고분자 또는 무기물과 소결로 인해 제거가 가능한 재질이다. 용매로 제거할 것인지 소결에 의할 것인지는 구체적으로 내부의 콜로이드 결정의 특성 등을 고려하여 당업자가 적의 선택할 수 있다.The capillary tube should be of a material that is easy to remove after the colloidal crystals are formed. The material that satisfies these requirements is preferably a material that can be removed by sintering with a polymer or inorganic material that can be dissolved in a specific solvent. Whether to remove with a solvent or sintering can be appropriately selected by those skilled in the art in consideration of the characteristics of the colloidal crystal therein.
구체적으로 상기 모세관의 재질로 사용될 수 있는 고분자 및 무기물을 열거하면 다음과 같다. 고분자로는 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리페닐메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리알파메틸스티렌, 폴리1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리클로로벤질메타크릴레이트, 폴리1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 폴리1-페닐에틸메타크릴레이트, 폴리퍼퓨릴메타크릴레이트, 폴리1,2-디페닐에틸메타크릴레이트,폴리펜타브로모페닐메타크릴레이트, 폴리디페닐메틸메타크릴레이트, 및 폴리펜타클로로페닐메타크릴레이트 등의 단일 중합체와, 이들로부터 구성되는 공중합체가 있다.Specifically, the polymer and inorganic materials that can be used as the material of the capillary are listed. Polymers include polystyrene, polymethylmethacrylate, polyphenylmethacrylate, polyacrylate, polyalphamethylstyrene, poly1-methylcyclohexyl methacrylate, polycyclohexyl methacrylate, polybenzyl methacrylate, poly Chlorobenzyl methacrylate, poly1-phenylcyclohexyl methacrylate, poly1-phenylethyl methacrylate, polyperfuryl methacrylate, poly1,2-diphenylethyl methacrylate, polypentabromophenyl methacrylate There are homopolymers, such as acrylate, polydiphenylmethyl methacrylate, and polypentachlorophenyl methacrylate, and the copolymer comprised from these.
무기물로는 실리카(fused synthetic silica), 석영(fused quartz), 보로실리케이트(borosilicate), 타이타니아, 지로코니아 등이 있다.Inorganic materials include fused synthetic silica, fused quartz, borosilicate, titania, zirconia, and the like.
콜로이드 용액에 포함된 입자는 용매의 증발로 자기조립을 통한 결정화가 가능한 물질로서 당해 결정이 산업적으로 유용한 것인 한 특별한 종류로 국한될 필요는 없다. 가능한 입자의 예로는 유기 고분자 입자 또는 무기물 입자가 대표적이며, 고분자 입자의 예로는 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리페닐메타크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리알파메틸스티렌, 폴리1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 폴리시클로헥실메타크릴레이트, 폴리벤질메타크릴레이트, 폴리클로로벤질메타크릴레이트, 폴리1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 폴리1-페닐에틸메타크릴레이트, 폴리퍼퓨릴메타크릴레이트, 폴리1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 폴리펜타브로모페닐메타크릴레이트, 폴리디페닐메틸메타크릴레이트, 및 폴리펜타클로로페닐메타크릴레이트로 이루어진 단일 중합체 또는 이들로부터 구성되는 공중합체로서 메틸메타크릴레이트-벤질메타크릴레이트 공중합체, 스티렌-아크릴로니트릴 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 공중합체 등이 있다.Particles contained in the colloidal solution is a substance capable of crystallization through self-assembly by evaporation of the solvent and need not be limited to a particular kind as long as the crystal is industrially useful. Examples of possible particles are organic polymer particles or inorganic particles, and examples of polymer particles include polystyrene, polymethylmethacrylate, polyphenylmethacrylate, polyacrylate, polyalphamethylstyrene, poly1-methylcyclohexylmetha. Acrylate, polycyclohexyl methacrylate, polybenzyl methacrylate, polychlorobenzyl methacrylate, poly1-phenylcyclohexyl methacrylate, poly1-phenylethyl methacrylate, polyperfuryl methacrylate, poly Methyl methacrylate as a homopolymer or copolymer composed of 1,2-diphenylethyl methacrylate, polypentabromophenyl methacrylate, polydiphenylmethyl methacrylate, and polypentachlorophenyl methacrylate Acrylate-benzyl methacrylate copolymer, styrene-acrylonitrile copolymer, MMA-TFEMA (2,2,2-tri Fluoroethyl 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 Copolymers, styrene-methylmethacrylate (SM) copolymers, and TFEMA-HFBMA copolymers.
무기물 입자의 예로는 실리카(fused synthetic silica), 석영(fused quartz), 보로실리케이트(borosilicate), 타이타니아, 지로코니아 등이 있다.Examples of inorganic particles include fused synthetic silica, fused quartz, borosilicate, titania, zirconia, and the like.
용매는 자기조립이 가능한 것으로 바람직하게는 선택된 입자의 유효밀도보다 큰 물질 중에서 선택된다. 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 1종이 있다.The solvent is capable of self-assembly and is preferably selected from materials larger than the effective density of the selected particles. Usable as such solvents, for example, water, methanol, ethanol, ethylene glycol, glycerol, perfluorodecalin, perfluoromethyldecalin, perfluorononane, perfluoroisoacid, perfluorocyclohexane, perfluoro1,2-dimethyl There is one kind 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, 결정에 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 of the solvent is typically required to be carried out 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. It 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. .
도 1에는 상기 콜로이드 결정을 제조하는 과정의 모식도로서, 콜로이드 용액을 실린더 형상의 모세관에 침투시켜 용매를 증발시키면 자기조립과정에 의해 면심입방구조로 밀집하여 실리더 형상의 콜로이드 결정이 형성되는 과정이 도시되어 있다.1 is a schematic diagram of a process of manufacturing the colloidal crystal, the colloidal solution penetrates into a cylindrical capillary and the solvent is evaporated to form a colloidal crystal in the form of a cylinder by densification in a face-centered cubic structure by a self-assembly process. Is shown.
본 발명은 모세관 내부에 콜로이드 용액을 침투시키는 단계와, 콜로이드 용액내의 용매를 증발시켜 콜로이드를 결정화하는 단계와, 모세관 내부에 고분자 전구체를 침투시켜 고분자 중합하는 단계, 및 모세관과 콜로이드 결정을 제거하는 단계를 포함하는 콜로이드 결정을 이용한 다공성 구조체의 제조방법을 포함한다.The present invention comprises the steps of infiltrating the colloidal solution into the capillary, evaporating the solvent in the colloidal solution to crystallize the colloid, infiltrating the polymer precursor into the capillary and polymerizing, and removing the capillary and colloidal crystals It includes a method for producing a porous structure using a colloidal crystal comprising a.
상기에서 모세관, 콜로이드 용액에 관해서는 앞서 설명한 바와 동일하므로 이하에서는 다공성 구조체를 형성하는 과정에 대해서만 설명하기로 한다.Since the capillary and colloidal solution is the same as described above, only the process of forming the porous structure will be described below.
콜로이드는 낮은 농도와 모세관내에서의 용액의 표면장력으로 인해 내벽에 코팅되지 않는다. 따라서 모세관내에 고분자 전구체 용액을 개시제와 함께 결정의 내부 및 모세관의 내부에 침투시켜 고분자 중합시키면 결정을 주형으로 하는 새로운 복합 구조체를 얻을 수 있다. 복합 구조체는 다공성 구조체를 얻기 위한 중간체로서 향후 모세관과 콜로이드 결정체를 제거하게 되면 도 1에서 도시한 바와 같은 최종 다공성 구조체가 얻어진다.Colloids are not coated on the inner wall due to the low concentration and surface tension of the solution in the capillary. Therefore, when the polymer precursor solution is penetrated into the crystal and the capillary together with the initiator in the capillary to polymerize the polymer, a new composite structure having the crystal as a template can be obtained. The composite structure is an intermediate for obtaining a porous structure, and when the capillary and colloidal crystals are removed in the future, the final porous structure as shown in FIG. 1 is obtained.
콜로이드 결정이 형성된 모세관 내부에 침투되는 고분자 전구체는 통상적인 고분자 합성에 사용되는 단량체로서, 스티렌, 우레탄, 메틸메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 아크릴레이트, 알파메틸스티렌, 1-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 시클로헥실메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트, 클로로벤질메타크릴레이트, 1-페닐시클로헥실메타크릴레이트, 1-페닐에틸메타크릴레이트, 퍼퓨릴메타크릴레이트, 1,2-디페닐에틸메타크릴레이트, 펜타브로모페닐메타크릴레이트, 디페닐메틸메타크릴레이트, 및 펜타클로로페닐메타크릴레이트 등을 포함한다.The polymer precursor that penetrates into the capillary in which the colloidal crystal is formed is a monomer used in conventional polymer synthesis, and includes styrene, urethane, methyl methacrylate, phenyl methacrylate, acrylate, alphamethyl styrene, and 1-methylcyclohexyl methacryl. Latex, cyclohexyl methacrylate, benzyl methacrylate, chlorobenzyl methacrylate, 1-phenylcyclohexyl methacrylate, 1-phenylethyl methacrylate, perfuryl methacrylate, 1,2-diphenylethyl methacrylate Acrylate, pentabromophenyl methacrylate, diphenylmethyl methacrylate, pentachlorophenyl methacrylate, and the like.
이때 고분자 중합을 위한 통상의 개시제로서, 아조-비스-이소- 부틸니트릴(AIBN), 아조비스디메틸벨러로니트릴, 벤조일퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시옥타노에이트, t-부틸퍼옥시벤조에이트, 큐민하이드로퍼옥사이드, 큐밀퍼옥사이드 등이 상기 단량체와 함께 침투될 수 있다.In this case, as a conventional initiator for polymer polymerization, azo-bis-iso-butylnitrile (AIBN), azobisdimethylvelonitrile, benzoyl peroxide, t-butylhydroperoxide, t-butylperoxyoctanoate, t -Butyl peroxybenzoate, cumin hydroperoxide, cumyl peroxide and the like can be penetrated with the monomer.
또한 본 발명은 모세관 내부에 콜로이드 용액을 침투시키는 단계와, 콜로이드 용액내의 용매를 증발시켜 콜로이드를 결정화하는 단계와, 모세관 내부에 무기물 전구체를 침투시켜 무기물화(mineralization)하는 단계, 및 모세관과 콜로이드 결정을 제거하는 단계를 포함하는 콜로이드 결정을 이용한 다공성 구조체의 제조방법을 포함한다.In another aspect, the present invention is to penetrate the colloidal solution into the capillary, to evaporate the solvent in the colloidal solution to crystallize, to penetrate the mineral precursor in the capillary and mineralization (mineralization), and capillary and colloidal crystals It includes a method for producing a porous structure using a colloidal crystal comprising the step of removing.
무기물 전구체의 예로는 테트라메틸오르토실리케이트, 테트라에틸오르토실리케이트, 타이타니움부톡사이드(titanium butoxide), 지르코니움부톡사이드 (zirconium butoxide) 등이 있다. 이들 전구체를 이용한 무기물화반응은 통상적인 졸-겔 제조법을 포함한다.Examples of the inorganic precursors include tetramethylorthosilicate, tetraethylorthosilicate, titanium butoxide, zirconium butoxide and the like. Mineralization reactions using these precursors include conventional sol-gel preparation.
모세관과 콜로이드 결정의 제거는 특정 용매(예로 불산)에 용해 내지는 소결방법이 이용될 수 있다. 용매로 제거할 것인지 소결에 의할 것인지는 구체적으로 내부의 콜로이드 결정의 특성 등을 고려하여 당업자가 적의 선택할 수 있다.Capillary and colloidal crystals can be removed by dissolving or sintering in a specific solvent (eg hydrofluoric acid). Whether to remove with a solvent or sintering can be appropriately selected by those skilled in the art in consideration of the characteristics of the colloidal crystal therein.
상기 과정을 통해 제조되는 콜로이드 결정 및 역전된 구조체는 레이저, 압전센서, 엑츄에이터, 크로마토그라피의 분리막, 촉매의 담지체, 광학집적회로, 광학필터, 광학센서, 디스플레이 소자 등의 제작에 제공될 수 있다.The colloidal crystal and the inverted structure manufactured through the above process may be provided in the manufacture of a laser, a piezoelectric sensor, an actuator, a separation membrane of chromatography, a catalyst carrier, an optical integrated circuit, an optical filter, an optical sensor, a display device, 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.
본 실시예에 사용된 콜로이드 용액은 수백나노미터 크기의 단분산 고분자 폴리스티렌 또는 실리카 입자가 수용액에 분산된 것으로 농도는 10%인 것이 이용되었다. 상기 폴리스티렌 구형입자는 공지된 방법인 유화제 없는 에멀젼 중합방법에 따라 중합한 것이며, 실리카 구형입자는 마찬가지로 공지된 방법인 스토버-핑크-본 방법에 따라 졸-겔을 다단계로 거쳐 제조한 것이다. 모세관은 실리카 재질 또는 폴리메틸메타크릴레이트로 제조된 실린더 형상의 것이 이용되었다.The colloidal solution used in this example was a dispersion of monodisperse polymer polystyrene or silica particles of several hundred nanometers in size, and the concentration was 10%. The polystyrene spherical particles were polymerized according to the emulsion polymerization method without an emulsifier which is a known method, and the silica spherical particles were prepared by a multi-step sol-gel according to the Stover-pink-this method which is similarly known. As the capillary, a cylindrical shape made of silica material or polymethyl methacrylate was used.
<실시예 1> 콜로이드 결정체 ⅠExample 1 Colloidal Crystal Form I
10% 실리카 콜로이드 용액을 폴리메틸메타크릴레이트로 제조된 실린더 형상의 모세관에 침투시켰다(도 2a). 콜로이드 용액이 침투된 모세관을 40℃의 오븐에 넣고 용액내의 용매를 완전히 증발시켰다. 증발이 완료된 모세관은 500℃에서 3시간 동안 소결시켜 도 3과 같은 콜로이드 결정체를 얻었다. 도 3에 의하면 가는 실린더 형태의 콜로이드 결정은 200∼300nm의 균일한 크기의 입자들이 면심입방구조를 이루며 밀집해 있음을 관찰할 수 있다. 결정의 길이는 콜로이드 용액에 의해 결정되며, 수밀리미터까지도 제조할 수 있다. 콜로이드 결정의 직경은 모세관의 직경에 의해 결정되며 본 실시예에 따른 결정의 직경은 대략 5∼10㎛ 임을 보여준다.The 10% silica colloidal solution was permeated into a cylindrical capillary made of polymethylmethacrylate (FIG. 2A). The capillary infiltrated with the colloidal solution was placed in an oven at 40 ° C. and the solvent in the solution was completely evaporated. The evaporated capillary was sintered at 500 ° C. for 3 hours to obtain colloidal crystals as shown in FIG. 3. According to FIG. 3, colloidal crystals having a thin cylinder form can be observed that particles having a uniform size of 200 to 300 nm are densely formed in a face centered cubic structure. The length of the crystals is determined by the colloidal solution and can be made up to several millimeters. The diameter of the colloidal crystal is determined by the diameter of the capillary tube and shows that the diameter of the crystal according to this embodiment is approximately 5 to 10 μm.
<실시예 2> 콜로이드 결정체 ⅡExample 2 Colloidal Crystals II
10% 폴리스티렌 콜로이드 용액을 실리카로 제조된 실린더 형상의 모세관에 침투시켰다(도 2b). 콜로이드 용액이 침투된 모세관을 40℃의 오븐에 넣고 용액내의 용매를 완전히 증발시켰다. 증발이 완료된 모세관은 20% 불산을 처리하여 도 4와 같은 콜로이드 결정체를 얻었다.The 10% polystyrene colloidal solution was penetrated into the cylindrical capillary made of silica (FIG. 2B). The capillary infiltrated with the colloidal solution was placed in an oven at 40 ° C. and the solvent in the solution was completely evaporated. The evaporated capillary was treated with 20% hydrofluoric acid to obtain colloidal crystals as shown in FIG. 4.
<실시예 3> 다공성 구조체 ⅠExample 3 Porous Structure I
10% 실리카 콜로이드 용액을 실리카로 제조된 실린더 형상의 모세관에 침투시켰다. 콜로이드 용액이 침투된 모세관을 40℃의 오븐에 넣고 용액내의 용매를 완전히 증발시켰다. 증발이 완료된 모세관에 99% 스티렌 단량체 용액, 개시제로 ABIN을 상기 단량체 용액에 0.1중량% 침투시키고 80℃에서 12시간 동안 열중합을 수행하였다. 위와 같이 형성된 복합구조체는 20% 불산으로 모세관과 콜로이드 결정을함께 제거하여 도 5와 같은 콜로이드 결정체를 얻었다.A 10% silica colloidal solution was permeated into a cylindrical capillary made of silica. The capillary infiltrated with the colloidal solution was placed in an oven at 40 ° C. and the solvent in the solution was completely evaporated. A 99% styrene monomer solution, an ABIN as an initiator, was penetrated into the monomer solution by 0.1% by weight, and thermal polymerization was performed at 80 ° C. for 12 hours. The composite structure formed as above was removed with capillary and colloidal crystals with 20% hydrofluoric acid to obtain a colloidal crystal as shown in FIG.
<실시예 4> 다공성 구조체 ⅡExample 4 Porous Structure II
10% 폴리스티렌 콜로이드 용액을 폴리메틸메타크릴레이트로 제조된 실린더 형상의 모세관에 침투시켰다. 콜로이드 용액이 침투된 모세관을 40℃의 오븐에 넣고 용액내의 용매를 완전히 증발시켰다. 증발이 완료된 모세관에 25% 실리카 전구체 용액(테트라메틸오르토실리케이트+1N 히드로클로릭산)을 침투시키고, 졸-겔 반응을 통해 고체화시켰다. 위와 같이 형성된 복합구조체는 500℃에서 3시간 동안 소결시켜 모세관과 콜로이드 결정을 함께 제거하여 도 6과 같은 콜로이드 결정체를 얻었다.A 10% polystyrene colloidal solution was permeated into a cylindrical capillary made of polymethylmethacrylate. The capillary infiltrated with the colloidal solution was placed in an oven at 40 ° C. and the solvent in the solution was completely evaporated. 25% silica precursor solution (tetramethylorthosilicate + 1N hydrochloric acid) was infiltrated into the evaporated capillary and solidified through a sol-gel reaction. The composite structure formed as above was sintered at 500 ° C. for 3 hours to remove capillary and colloidal crystals together to obtain a colloidal crystal as shown in FIG. 6.
<시험예 1> 반사도 분석Test Example 1 Reflectance Analysis
실시예 1에 의해 얻어진 300nm, 320nm, 400nm의 서로 다른 크기의 고분자 입자로 제조되는 콜로이드 결정을 대상으로 단면의 가시광선 파장에 따른 반사율을 분석하였다. 그 결과는 도 7과 같으며, 입자의 크기에 따라 최대반사는 각각 서로 다른 파장에서 발생함을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 브래그 산란조건에 의해 각각의 시료에 대해 반사율이 최대인 파장을 계산한 것과 일치한다. 본 실험 결과 콜로이드 결정이 소형 광학용 필터에 유용하게 적용될 수 있음을 확인하였다.The reflectivity of the colloidal crystals made of polymer particles having different sizes of 300 nm, 320 nm, and 400 nm obtained in Example 1 was analyzed according to the visible light wavelength of the cross section. The results are shown in FIG. 7, and it can be seen that the maximum reflection occurs at different wavelengths depending on the size of the particles. This result is consistent with the calculation of the maximum reflectance wavelength for each sample by Bragg scattering conditions. The experimental results show that the colloidal crystals can be usefully applied to small optical filters.
본 발명에 의하면 모세관의 형상에 따라 다양한 형상의 콜로이드 결정을 제조할 수 있으며, 이를 주형으로 하여 콜로이드 결정의 역전된 구조체를 제조할 수 있다. 위 과정으로 제조된 콜로이드 결정 및 역전된 구조체는 광학적 특성의 제어가 용이하여 광통신 분야에서 요구되는 소자의 소형화에 매우 유용하다.According to the present invention, colloidal crystals of various shapes can be prepared according to the shape of the capillary tube, and an inverted structure of colloidal crystals can be prepared by using this as a template. The colloidal crystal and the inverted structure manufactured by the above process are easy to control the optical properties, which is very useful for miniaturization of the device required in the optical communication field.
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