KR101276700B1 - Fabrication of photonic membrane containing black-dye molecules and application thereof - Google Patents

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양승만
최재훈
심태섭
심재영
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한국과학기술원
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Abstract

PURPOSE: A manufacturing method of a polymer film is provided to contain black dye in a photonic crystal, and to provide the polymer film with clear color, by reducing reflection of scattering particles. CONSTITUTION: A manufacturing method of a polymer film in which a photonic crystal is included comprises: a step of manufacturing the photonic crystal including black dye; a step of manufacturing the polymer film in which the photonic crystal is impregnated by pouring a polymer with elasticity and transparency; and a step of selectively expanding the surface of the polymer film by air pressure. The black dye is water dispersible black dye. [Reference numerals] (AA) Dip-coating; (BB) Nanoparticles; (CC) Black dye particles; (DD) Photonic crystal manufacturing process by a dip-coating method; (EE) Photonic crystal; (FF) Polymer; (GG) Manufacturing process of a photonic crystal membrane; (HH) Polymer mold with a microchannel; (II) Pressure; (JJ) Control process of a photonic crystal reflective surface

Description

흑색 염료를 포함하는 광결정이 매립된 고분자 막의 제조와 이의 응용{Fabrication of Photonic Membrane Containing Black-Dye Molecules and application thereof}Fabrication and Application of Photonic Membrane-embedded Polymer Membranes Containing Black Dye

본 발명은 광결정의 특정 파장의 빛을 반사하는 성질을 이용한다. 광결정의 반사 색 조절은 광결정의 각도에 의하여 반사색이 변하게 되는데 이를 용이하게 도모하기 위하여 탄성이 높은 고분자 막 안에 광결정을 매립을 하여 압력에 의한 고분자 막의 곡률을 조절하였다. 흑색 염료는 나노 입자에 의해 산란되는 빛을 흡수하여 광결정에 의한 반사색을 더욱 선명하게 해준다. 이를 이용하여 전기적인 신호에 의한 압력 조절을 통해 디스플레이를 위한 기본 소자로의 응용하는 것이다.The present invention utilizes the property of reflecting light of a specific wavelength of a photonic crystal. The reflection color of the photonic crystal is changed by the angle of the photonic crystal. To facilitate this, the photonic crystal is buried in a highly elastic polymer film to adjust the curvature of the polymer film under pressure. The black dye absorbs the light scattered by the nanoparticles, making the color reflected by the photonic crystal clearer. By using this, it is applied as a basic element for display by controlling pressure by an electrical signal.

오늘날 다양한 재료를 이용한 반사형 디스플레이 제작에 많은 연구가 진행 중이다. 그 중에서도 적은 전력 소모, 제작의 용이성 및 낮은 제조 가격을 위하여 광결정을 이용한 반사형 디스플레이 연구가 발전 가능성이 높은 기술로 손꼽힌다. 광결정은 화학물질의 발광효과를 이용하는 것이 아니라 광결정이 가지는 구조적 특징 때문에 물리적인 빛의 반사를 유도한다. 그러므로 구조적인 변형만 제외하면 반영구적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 광결정은 광결정을 이루는 입자의 크기나 단위면적 내의 입자의 부피비, 그리고 빛이 조사되는 각도 등 여러가지 방법으로 반사색을 조절할 수 있다.
Today, much research is being made on the manufacture of reflective displays using various materials. Among them, research on reflective displays using photonic crystals is considered as a high potential technology for low power consumption, ease of manufacture, and low manufacturing cost. Photonic crystals do not exploit the luminous effects of chemicals, but induce physical reflection of light due to their structural characteristics. Therefore, there is an advantage that can be used semi-permanently except for structural modifications. The photonic crystal can adjust the reflection color in various ways such as the size of the particles forming the photonic crystal, the volume ratio of the particles in the unit area, and the angle at which light is irradiated.

한번 제작된 광결정의 입자의 크기 변화 및 부피비 변화는 불가능하며 빛이 조사되는 각도 조절은 전체적인 색 변화를 유도하기 때문에 실제로 이용하기엔 효과적이지 않다. 입자간의 간격을 조절하여 색을 변화시키는 방법 중 하나는 순수한 물에 반발력이 강한 나노입자를 분산시키는 것인데 이는 입자간의 반발력에 의해 입자들끼리 서로 일정 거리를 유지하고 있다. 이 때, 전기장을 걸어주면 입자가 가지는 표전전하에 의하여 전극 쪽으로 이동을 하며 입자간의 거리도 외부의 힘에 의해 조절이 되는데 이를 이용하여 반사색을 변화시킬 수 있었다. 하지만 위의 방법은 매우 순수한 용액 상에 입자가 분산되어 있어야 하므로 용액의 오염에 약하며 전기를 가하기 때문에 물에서 전기분해가 발생하여 기포가 발생하는 등의 한계가 있다.
It is impossible to change the size and volume ratio of the particles of the photonic crystal once manufactured, and it is not effective to use them because the angle adjustment to which the light is irradiated induces the overall color change. One way to change the color by adjusting the spacing between particles is to disperse the nanoparticles with strong repulsive force in pure water, which maintains a certain distance from each other by the repulsive force between the particles. At this time, when the electric field is applied, the particles move to the electrode by the charge charges of the particles, and the distance between the particles is also controlled by an external force. However, the above method has a limitation in that the particles are dispersed in a very pure solution, so it is weak to the contamination of the solution and applies electricity, thereby generating bubbles due to electrolysis in water.

또한 입자간의 간격을 변화시켜주는 방법으로는 광결정을 제작한 후 그 주위를 고분자로 채우는 방법이 있다. 이는 고분자를 유기용매를 담가서 팽창시킴으로써 광결정을 이루는 입자간의 간격을 조절함으로써 반사색을 변화시켰다. 그러나 위의 방법은 유기 용매에 대한 입자 사이를 채우고 있는 고분자의 팽창 및 수축을 이용하기 때문에 반사색이 변하는 시간이 수 십초에 달한다. 그렇기 때문에 실시간으로 변하는 디스플레이로는 응용하기 어려우므로 광결정의 반사색을 빠르게 조절하는 방법이 광결정을 소자로 하는 반사형 디스플레이 활용에 있어 중요한 기술이라 할 수 있겠다.
In addition, a method of changing the spacing between particles is a method of manufacturing a photonic crystal and then filling the surroundings with a polymer. This changed the reflection color by controlling the spacing between particles forming the photonic crystal by dipping the polymer in an organic solvent. However, the above method takes advantage of the expansion and contraction of the polymer filling the particles with respect to the organic solvent, so the reflection color changes for several tens of seconds. Therefore, it is difficult to apply to a display that changes in real time. Therefore, a method of quickly adjusting the reflection color of a photonic crystal is an important technology for utilizing a reflective display using a photonic crystal as an element.

이하 본 발명과 관련된 특허문헌에 대해서 기재한다.Hereinafter, the patent document related to this invention is described.

첫째, 출원번호 10-2009-0075340(출원인 : 삼성전자주식회사) 이 존재한다. 이 발명은 이색성 염료를 포함하는 고분자 분산형 액정 디스플레이 장치의 제조방법이 개시된다. 나아가 개시된 고분자 분산형 액정 디스플레이 장치의 제조방법은 제1 전극과 제2 전극 사이에 액정, 광중합성 재료, 이색성 염료 및 액정성 고분자를 포함하는 혼합 용액을 채운 다음, 자외선 경화 공정 전에 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기장을 인가함으로써 혼합 용액 내에서 이색성 염료를 정렬시킨다는 것을 기술적 특징으로 하고 있는바, 본 발명과 상이하다.
First, there is application number 10-2009-0075340 (Applicant: Samsung Electronics Co., Ltd.). This invention discloses a method for producing a polymer dispersed liquid crystal display device comprising a dichroic dye. Furthermore, the disclosed method for manufacturing a polymer dispersed liquid crystal display device includes filling a mixed solution containing a liquid crystal, a photopolymerizable material, a dichroic dye, and a liquid crystalline polymer between a first electrode and a second electrode, and then before the ultraviolet curing process, the first electrode. The technical feature is that the dichroic dye is aligned in the mixed solution by applying an electric field between the second electrode and the second electrode, which is different from the present invention.

둘째, 출원번호 10-2004-0013253(출원인 : 학교법인 호서학원) 이 존재한다. 이 발명은 전도성 고분자를 이용한 전기영동 매체 및 이를 이용한 디스플레이에 관한 것이다. 보다 구체적으로 전기영동 매체는 현탁유체에 부유되어 있는 복수의 파티클을 구비하는 전기영동 매체에 있어서, 상기 파티클이 전도성 고분자 또는 상기 전도성 고분자 및 염료이며, 현탁유체에 0.25 내지 2.5중량%의 전도성 고분자 또는 상기 전도성 고분자 및 0.05 내지 0.6 중량%의 염료가 마이크로캡슐로 분산된 것으로 매체에 전계를 인가하면 상기 전도성 고분자가 전기 이동함으로써 종래보다 화상 안정도를 증가시킬 수 있는 개선된 전기영동 매체 및 이를 이용한 디스플레이를 제공할 수 있다는 것을 기술적 특징으로 하는바, 본 발명과 본질적으로 다르다.Second, there is an application number 10-2004-0013253 (Applicant: Hoseo Institute). The present invention relates to an electrophoretic medium using a conductive polymer and a display using the same. More specifically, the electrophoretic medium is an electrophoretic medium having a plurality of particles suspended in a suspension fluid, wherein the particles are a conductive polymer or the conductive polymer and a dye, 0.25 to 2.5% by weight of a conductive polymer in a suspension fluid or When the conductive polymer and 0.05 to 0.6% by weight of the dye is dispersed in microcapsules and an electric field is applied to the medium, the electrophoretic medium and the display using the same may increase the image stability than before by conducting electrophoresis of the conductive polymer. Technical features that it can provide, essentially different from the present invention.

종래의 광결정을 이용한 반사색 조절의 경우 고분자의 팽창과 수축을 이용하였으나 반사색이 조절되기 위한 시간이 매우 길다는 한계를 갖고 있다. 따라서 본 발명은 흑색 염료를 함유하는 광결정을 제조하는 단계, 제조된 광결정에 탄성이 높고 투명한 열경화성 고분자를 침투시켜 광결정 막을 만드는 단계, 제조된 광결정 막을 작동시키기 위한 미세 채널을 가지고 있는 열경화성 고분자 몰드(mold)에 산소플라즈마 처리(oxygen plasma treatment)로 붙이는 단계 및 공기압을 가하여 막의 일부분의 팽창을 유도하여 반사색 조절을 제어하는 단계로 구성된 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
In the conventional case of controlling the reflection color using a photonic crystal, the expansion and contraction of the polymer is used, but it has a limitation in that the time for controlling the reflection color is very long. Therefore, the present invention is to prepare a photonic crystal containing a black dye, a step of penetrating a highly elastic and transparent thermosetting polymer into the prepared photonic crystal to form a photonic crystal film, a thermosetting polymer mold having a microchannel for operating the photonic crystal film (mold) It is an object of the present invention to provide a manufacturing method comprising the step of attaching to the oxygen plasma treatment (oxygen plasma treatment) and applying air pressure to induce the expansion of a portion of the film to control the reflection color control.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention .

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 (a) 흑색 염료가 포함된 광결정을 제조하는 제1단계; (b) 상기 광결정에 탄성(elasticity) 및 투명성(transparency)을 갖는 고분자를 부어서 광결정이 매립된 고분자 막을 제조하는 제2단계; 및 (c) 상기 고분자 막을 미세 채널을 가지는 몰드(mould)에 붙인 후, 공기압에 의해 고분자 막의 표면을 선택적으로 팽창시키는 제3단계; 를 포함하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법을 제공한다.
In order to solve the problems of the prior art, the present invention (a) a first step of producing a photonic crystal containing a black dye; (b) a second step of preparing a polymer film in which the photonic crystal is embedded by pouring a polymer having elasticity and transparency into the photonic crystal; And (c) attaching the polymer film to a mold having a microchannel, and then selectively expanding the surface of the polymer film by air pressure; It provides a method for producing a polymer membrane buried photonic tablet containing a black dye containing.

바람직하게는 상기 제3단계 이후, (d) 컴퓨터에 의한 공기압 제어를 이용한 광결정 막의 선택적이고 자동적인 팽창을 유도하여 반사형 디스플레이로 응용하는 제4단계;를 더 포함할 수 있다.
Preferably, after the third step, (d) a fourth step of inducing selective and automatic expansion of the photonic crystal film using air pressure control by a computer and applying it to the reflective display.

바람직하게는 상기 공기압은 압력을 조정함으로써 광결정의 반사면을 제어하여 빛의 반사색을 조절할 수 있음을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the air pressure may be characterized in that the reflection color of the light may be adjusted by controlling the reflective surface of the photonic crystal by adjusting the pressure.

바람직하게는 상기 제1단계의 흑색염료는 물에 분산이 가능한 흑색염료인 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the black dye of the first step may be a black dye which can be dispersed in water.

바람직하게는 상기 제1단계의 흑색염료의 질량은 광결정을 형성하는 나노입자 100중량부에 대하여 1~10중량부 인 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the mass of the black dye of the first step may be 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the nanoparticles forming the photonic crystal.

바람직하게는 상기 제1단계의 광결정의 제조는 딥코팅(Dip-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the first step of manufacturing the photonic crystal may be characterized in that it is prepared by using dip-coating.

바람직하게는 상기 제2단계의 탄성 및 투명성을 가지는 고분자는 열경화성 고분자 또는 광경화성 고분자인 것을 특징으로 할 수 있다. 보다 바람직하게는 열경화성 고분자로서 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 사용이 가능하고, 광경화성 고분자로서 에폭시(epoxy) 등의 사용이 가능하다.
Preferably, the polymer having elasticity and transparency in the second step may be a thermosetting polymer or a photocurable polymer. More preferably, PDMS (Polydimethylsiloxane) or the like may be used as the thermosetting polymer, and epoxy or the like may be used as the photocurable polymer.

바람직하게는 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 제조는 스핀코팅(spin-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the photonic crystal-embedded polymer film may be prepared by spin-coating.

바람직하게는 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 두께는 10~1000μm인 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the thickness of the polymer film in which the photonic crystal is embedded may be 10 to 1000 μm.

바람직하게는 상기 제3단계의 미세채널은 깊이가 1~1000μm이고, 너비가 100~1000μm인 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably, the third channel may have a depth of 1 to 1000 μm and a width of 100 to 1000 μm.

바람직하게는 상기 제3단계의 공기압은 10~40 psi 인 것을 특징으로 할 수 있다.
Preferably the air pressure of the third step may be characterized in that 10 ~ 40 psi.

또한 본 발명에서는 상기 방법 내지 바람직한 태양으로 제조한 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막을 제공한다.
In addition, the present invention provides a polymer film in which a photonic crystal containing a black dye prepared according to the above method or preferred embodiment is embedded.

요컨대 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광결정의 반사면을 탄성이 높은 고분자를 이용하여 변화를 유도하였으며 선택적으로 압력을 가함으로써 광결정에 의해 반사되는 빛을 선택적으로 제어한다. 또한 컴퓨터를 이용한 자동적이며 선택적인 공기압의 공급을 유도하여 반사형 디스플레이로의 응용을 하였다.In short, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by using a polymer of high elasticity in the reflective surface of the photonic crystal to induce a change and by selectively applying pressure to selectively control the light reflected by the photonic crystal . In addition, it was applied to the reflective display by inducing automatic and selective supply of air pressure using a computer.

광결정 내부에 흑색 염료를 함유시킴으로써 나노 입자에 의해 산란되는 빛의 반사를 줄였기에 더욱 선명한 반사색을 보였다. 미세채널을 가지는 고분자 몰드(mold) 에 광결정 막을 붙이고 미세채널을 통한 공기압에 의한 광결정의 반사면 제어는 기존의 방법과는 달리 빠른 반응 속도를 보이기 때문에 반사형 디스플레이 소자로의 응용이 가능할 것으로 기대된다. The inclusion of black dye inside the photonic crystal reduces the reflection of light scattered by the nanoparticles, resulting in a sharper reflection. It is expected that the application of the photonic crystal film to the polymer mold having the microchannels and the reflection surface control of the photonic crystals by air pressure through the microchannels show a fast reaction speed unlike the conventional methods, and thus the application to the reflective display device is possible. .

도 1은 딥코팅 방법에 의한 광결정 제조와 광결정 막에 고분자를 채워넣어 광결정막을 만드는 모식도와 미세채널을 가지는 고분자 몰드를 이용한 광결정 반사면 제어에 관한 모식도이다.
도 2는 흑색 염료를 함유한 광결정을 찍은 사진이다. 광원의 위치에 따라 색이 변하는 모습을 보이는데 이는 광결정의 특징이므로 이는 제조된 물질이 광결정임을 보여준다
도 3은 제조된 광결정의 광원 위치에 따른 반사색 변화에 대한 현미경 사진이다. 맨 오른쪽사진은 주사전자현미경(SEM)을 이용해 찍은 사진이며 나노입자 사이에 흑색 염료가 있음을 보여준다.
도 4는 광결정에 함유된 흑색 염료의 농도에 따른 반사색 변화를 보여주는 현미경 사진과 이의 그래프이다. 흑색 염료의 유무에 따라 해당 반사색 이외의 다른 파장에서의 반사율이 현저히 낮아진 것을 볼 수 있다.
도 5는 미세채널을 가지는 고분자 몰드에 대한 제조 과정이며, 아래 사진은 고분자 몰드에이에 광결정 막을 부착한 후의 사진들이다.
도 6은 광결정 막을 압력에 의해 팽창시키기 전과 후의 모습이다. 광결정 막에 입사하는 빛의 각도에 따라 다양한 반사색을 가지는 모습이다.
도 7은 광결정 막의 선택적인 제어 및 디스플레이로의 응용을 위한 미세 채널의 모습과 컴퓨터에 의한 공기압 제어를 이용한 자동적이고 실시간으로 변하는 반사형 디스플레이로 응용 예이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of a photonic crystal manufacturing method using a dip coating method and a photonic crystal filling surface of a photonic crystal film, and a photonic crystal reflection surface control using a polymer mold having a microchannel.
2 is a photograph of a photonic crystal containing a black dye. The color changes according to the position of the light source, which is a characteristic of the photonic crystal, which shows that the manufactured material is a photonic crystal.
3 is a photomicrograph of the change in reflection color according to the position of the light source of the prepared photonic crystal. The photo on the far right was taken using a scanning electron microscope (SEM), showing black dye between the nanoparticles.
4 is a photomicrograph showing a change in reflection color according to the concentration of the black dye contained in the photonic crystal and its graph. It can be seen that the reflectance at wavelengths other than the reflection color is significantly lowered depending on the presence or absence of black dye.
5 is a manufacturing process for a polymer mold having a microchannel, and the following pictures are photographs after the photonic crystal film is attached to the polymer mold.
6 is a view before and after the photonic crystal film is expanded by pressure. It has a variety of reflection colors depending on the angle of light incident on the photonic crystal film.
FIG. 7 is an application example of an automatic and real-time changing reflective display using the appearance of a microchannel for selective control of a photonic crystal film and its application to a display and air pressure control by a computer.

본 발명은 (a) 흑색 염료가 포함된 광결정을 제조하는 제1단계; (b) 상기 광결정에 탄성(elasticity) 및 투명성(transparency)을 갖는 고분자를 부어서 광결정이 매립된 고분자 막을 제조하는 제2단계; 및 (c) 상기 고분자 막을 미세 채널을 가지는 몰드(mould)에 붙인 후, 공기압에 의해 고분자 막의 표면을 선택적으로 팽창시키는 제3단계; 를 포함하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention (a) a first step of preparing a photonic crystal containing a black dye; (b) a second step of preparing a polymer film in which the photonic crystal is embedded by pouring a polymer having elasticity and transparency into the photonic crystal; And (c) attaching the polymer film to a mold having a microchannel, and then selectively expanding the surface of the polymer film by air pressure; It relates to a method for producing a polymer film embedded with a photonic crystal containing a black dye containing.

바람직하게는 상기 제3단계 이후, (d) 컴퓨터에 의한 공기압 제어를 이용한 광결정 막의 선택적이고 자동적인 팽창을 유도하여 반사형 디스플레이로 응용하는 제4단계;를 더 포함할 수 있다.
Preferably, after the third step, (d) a fourth step of inducing selective and automatic expansion of the photonic crystal film using air pressure control by a computer and applying it to the reflective display.

바람직하게는 상기 공기압은 압력을 조정함으로써 광결정의 반사면을 제어하여 빛의 반사색을 조절할 수 있음을 특징으로 할 수 있고; 상기 제1단계의 흑색염료는 물에 분산이 가능한 흑색염료인 것을 특징으로 할 수 있고; 상기 제1단계의 흑색염료의 질량은 광결정을 형성하는 나노입자 100중량부에 대하여 1~10중량부 인 것을 특징으로 할 수 있고; 상기 제1단계의 광결정의 제조는 딥코팅(Dip-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 할 수 있다. 한편 본 발명에 있어, 흑색 염료는 물에 분산이 되는 모든 염료의 사용이 가능하며 흑색 염료의 부재 시 여러가지 색을 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 부푸는 성질을 가진 하이드로젤층은 온도, pH, 특정 이온의 농도, 전기장, 자기장 등에 의해 부푸는 성질을 갖는 하이드로젤을 사용할 수 있다.
Preferably, the air pressure may be characterized by controlling the reflection surface of the photonic crystal by adjusting the pressure to adjust the reflection color of light; The black dye of the first step may be characterized in that the black dye which can be dispersed in water; The mass of the black dye of the first step may be characterized in that 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of nanoparticles to form a photonic crystal; The manufacturing of the photonic crystal of the first step may be characterized in that it is prepared by using dip-coating. On the other hand, in the present invention, the black dye can be used for all the dyes are dispersed in water and can be used by mixing a variety of colors in the absence of the black dye. In addition, the hydrogel layer having a blowing property may be used a hydrogel having a blowing property by temperature, pH, concentration of a specific ion, electric field, magnetic field, and the like.

그리고 바람직하게는 상기 제2단계의 탄성 및 투명성을 가지는 고분자는 열경화성 고분자 또는 광경화성 고분자인 것을 특징으로 할 수 있고; 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 제조는 스핀코팅(spin-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 할 수 있고; 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 두께는 10~1000μm인 것을 특징으로 할 수 있다.
And preferably, the polymer having elasticity and transparency in the second step is a thermosetting polymer or a photocurable polymer; The photonic crystal-embedded polymer film may be prepared by spin-coating; The thickness of the polymer film in which the photonic crystal is embedded may be 10 to 1000 μm.

그리고 바람직하게는 상기 제3단계의 미세채널은 깊이가 1~1000μm이고, 너비가 100~1000μm인 것을 특징으로 할 수 있고; 상기 제3단계의 공기압은 10~40 psi 인 것을 특징으로 할 수 있다.
And preferably the microchannel of the third step is characterized in that the depth is 1 ~ 1000μm, the width is 100 ~ 1000μm; The air pressure of the third step may be characterized in that 10 ~ 40 psi.

또한 본 발명은 상기 방법 내지 바람직한 태양으로 제조한 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막에 관한 것이다.
The present invention also relates to a polymer film in which photonic crystals containing black dyes prepared according to the above methods and preferred embodiments are embedded.

요컨대, 본 발명은 흑색 염료를 포함하는 광결정과 탄성이 있는 고분자를 이용한 광결정 막의 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는 특정 각도에서 특정 색을 반사하는 광결정이 얇은 고분자 막에 매립되고 탄성이 있는 얇은 막의 특정 부분에 압력을 가하여 막의 팽창을 유도함으로써 특정 조건에서 특정 빛의 반사시키는 기능성 고분자 막 제조와 이를 이용한 반사색 조절에 관한 것이다.
In short, the present invention relates to the production of a photonic crystal film using a photonic crystal containing a black dye and an elastic polymer. More specifically, a photonic crystal that reflects a specific color at a specific angle is embedded in a thin polymer film, and a functional polymer film is produced that reflects specific light under specific conditions by inducing expansion of the film by applying pressure to a specific portion of the elastic thin film. It relates to the reflection color control used.

이하 본 발명에 대해 좀더 구체적으로 개시한다. 본 발명은 특정 빛을 반사하는 광결정을 얇은 고분자 막에 매립하여 광결정 면을 제어함으로써 광결정 막이 압력에 의해 팽참됨을 유도하여 입사각 변화에 의한 반사색을 제어하는 것에 관한 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The present invention relates to controlling a reflection color due to an incident angle change by inducing photonic crystal film expansion under pressure by embedding a photonic crystal reflecting a specific light in a thin polymer film to control the photonic crystal surface.

상기에서 광결정이 광결정 내에 흑색 염료를 함유하게 하였는데 이는 광결정을 이루는 나노 입자에 의해 특정 반사색 이외의 산란되어 반사되는 빛의 흡수를 유도하여 더욱 선명한 빛을 반사시킬 수 있도록 하였다. 사용된 색소는 물에 분산되는 어떠한 검정색 색소가 사용이 가능하며 검정색 색소의 부재 시, 여러가지 색을 혼합하여 광결정 내에 함유하여도 같은 결과를 얻을 수 있다.
In the above, the photonic crystal contained a black dye in the photonic crystal, which induces absorption of scattered and reflected light other than a specific reflective color by the nanoparticles constituting the photonic crystal to reflect more clear light. As the dye used, any black pigment dispersed in water can be used, and in the absence of the black pigment, the same result can be obtained even if various colors are mixed and contained in the photonic crystal.

상기에서 사용된 흑색 염료의 농도는 제한적이다. 그 농도는 광결정을 형성하기 위한 나노입자의 무게 대비 1 % ~ 10 % 가 바람직하다. 염료의 농도가 1 % 이하일 때, 산란되는 빛의 흡수가 이루어지지 않아 효과가 거의 없으며, 10% 이상일 경우, 산란되는 빛 뿐만 아니라 광결정에 의해 반사되는 빛도 흡수를 하여 제조된 광결정의 반사색이 보이지 않는다.
The concentration of the black dye used above is limited. The concentration is preferably 1% to 10% by weight of the nanoparticles for forming the photonic crystal. When the concentration of the dye is 1% or less, the scattered light is not absorbed, and thus there is little effect. When the dye concentration is 10% or more, the reflected color of the photonic crystal manufactured by absorbing not only the scattered light but also the light reflected by the photonic crystal is Invisible

상기에서 딥코팅(dip-coating) 에 의해 제조되는 광결정의 두께는 10 μm 이상이 바람직하다. 그 이하의 두께를 가지는 광결정은 나노 입자 층이 너무 얇아서 반사색이 명확히 보여지지 않기 때문이다.
The thickness of the photonic crystal manufactured by dip-coating is preferably 10 μm or more. Photonic crystals with thicknesses less than that are because the nanoparticle layer is so thin that the reflected color is not clearly seen.

상기에서 광결정의 반사면을 제어하기 위하여 광결정을 탄성이 높은 고분자 막에 매립하였다. 사용 가능한 고분자로는 투명하고 탄성을 가지고 있는 고분자를 제한없이 사용할 수 있다.
In order to control the reflective surface of the photonic crystal, the photonic crystal was embedded in a highly elastic polymer film. As the polymer that can be used, a transparent and elastic polymer can be used without limitation.

상기에서 광결정이 매립된 고분자 막의 두께는 고분자를 광결정에 부은 후 스핀코팅(spin-coating)의 속도에 의해 결정된다. 스핀코팅(spin-coating) 의 속도는 500 rpm ~ 6000 rpm 이면 바람직하다. 고분자 막의 두께는 1000 μm 이하가 바람직하다. 그 이상의 경우 광결정 막을 늘리기 위해 가해져야하는 압력이 증가하여 망가질 수 있다.
The thickness of the polymer film in which the photonic crystal is embedded is determined by the speed of spin-coating after the polymer is poured into the photonic crystal. The speed of spin-coating is preferably 500 rpm to 6000 rpm. The thickness of the polymer film is preferably 1000 μm or less. Beyond that, the pressure that must be applied to increase the photonic crystal film is increased and can be broken.

상기에서 제조된 광결정 막은 선택적인 막의 변화를 주기 위하여 미세 채널이 있는 고분자 몰드(mold) 에 붙이는 것이 바람직하다. 산소 플라즈마 처리 (oxygen plasma treatment) 에 의해 표면을 산소 라디칼(radical) 을 가지게 변화를 주고 붙이는 것이 바람직하다. 미세 채널의 높이는 1 μm ~ 1000 μm, 너비는 100 μm ~ 1000 μm 가 바람직하며 이는 미세 채널 안에 공기압을 불어 넣어 막을 늘리기 위함이다. 미세채널의 모양에 대한 표현하고자 하는 디자인에 따라 자유롭게 제작이 가능하다.
The photonic crystal film prepared above is preferably attached to a polymer mold having a microchannel in order to give a selective film change. It is desirable to change and attach the surface with oxygen radicals by oxygen plasma treatment. The height of the microchannel is preferably 1 μm to 1000 μm and the width is 100 μm to 1000 μm, in order to increase the membrane by blowing air pressure into the microchannel. It can be produced freely according to the design to express the shape of the microchannel.

상기에서 제작된 광결정 막과 미세 채널을 가지는 고분자 몰드(mold)가 붙어 있으므로 미세 채널에 따라 공기압을 높여주면 막이 팽창하게 된다. 광결정 막은 고분자에 의해 탄성을 가지므로 가해지는 압력에 의해 늘어나게 되는데 이에 의하여 고분자 막에 내포된 광결정의 반사면이 휘어지게 된다. 막에 가해지는 압력은 10 psi ~ 40 psi 가 바람직하며 10 psi 보다 낮은 경우는 팽창 정도에 큰 변화가 없어 입사각의 변화가 적으므로 반사색의 변화가 약하며 40 psi 이상일 경우, 미세 채널을 가지는 고분자와 광결정 막이 분리되는 현상이 발생한다.
Since the prepared photonic crystal film and the polymer mold having the microchannels are attached, increasing the air pressure according to the microchannels causes the membrane to expand. Since the photonic crystal film has elasticity by the polymer, the photonic crystal film is stretched by the pressure applied thereto, thereby bending the reflective surface of the photonic crystal film contained in the polymer film. The pressure applied to the membrane is preferably 10 psi to 40 psi. If the pressure is lower than 10 psi, the change in the incident angle is small because there is no big change in the degree of expansion. The phenomenon that the photonic crystal film is separated occurs.

상기에서 제작된 광결정 막을 가지는 고분자 몰드(mold)는 컴퓨터를 통한 미세 채널로의 공기압의 선택적이며 자동적인 전달을 이용하여 반사형 디스플레이를 시현하였으며, 미세 채널의 수 및 모양에 대한 제한 없이 자유롭게 제작이 가능하다.
The polymer mold having the photonic crystal film prepared above exhibited a reflective display using selective and automatic transfer of air pressure to the microchannels through a computer, and was freely manufactured without limiting the number and shape of the microchannels. It is possible.

이하에서 보다 상세하게 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의거하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter will be described in detail with reference to the embodiments with reference to the accompanying drawings in more detail.

<실시예 1> : 흑색 염료를 함유하는 폴리스타이렌 (polystyrene) 광결정의 Example 1 Polystyrene Photonic Crystals Containing Black Dye

물에 폴리스타이렌(Polystyrene) 나노입자를 1wt% 녹인 용액에 흑색 염료를 나노입자와의 질량 대비 1 % ~ 10 % 에 해당되는 염료의 질량을 혼합하였다. 여기서 사용된 흑색 염료는 물에 분산이 잘 되는 흑색 염료인 나이그로신(Nigrosin) 이다. 나노 입자와 염료가 잘 혼합된 용액을 유리 혹은 실리콘 (silicone) 기반의 기판을 담근 후 딥 코팅 (dip-coating) 방법으로 기판을 초당 0.5 μm 씩 천천히 끌어올려 광결정을 형성하였다. 위의 방법으로 만들어진 광결정의 두께는 약 50 μm 이며 나노 입자 내부에 흑색 염료가 함유되어 있었다. 염료의 함유 전과 함유 후의 광결정의 반사색은 산란되는 빛을 흡수하는 효과를 보여주었다. 도 2는 생성된 흑색 염료를 함유하는 광결정의 모습이며 광원의 위치에 따라 색이 변하는 것을 볼 수 있다. 이는 광결정의 특징인 광원의 조사 각도에 대한 반사색의 변화를 보여주는 것이다. 도 3은 현미경으로 촬영한 사진이며 주사전자현미경을 통하여 나노입자 주위에 흑색 염료가 있는 것을 볼 수 있었다. 또한 도 4는 생성된 광결정의 파장 변화를 나타내는 그래프이며 색소가 함유된 경우 특정 반사 파장 이외의 전 파장의 빛의 반사가 감소하는 것을 보인다.In a solution of 1 wt% of polystyrene nanoparticles in water, a black dye was mixed with a mass of a dye corresponding to 1% to 10% of the mass of the nanoparticles. The black dye used here is Nigrosin, a black dye that is well dispersed in water. After the nanoparticles and dyes were well mixed, the glass or silicon (silicone) -based substrate was immersed, and the substrate was slowly pulled up by 0.5 μm per second by dip-coating to form a photonic crystal. The thickness of the photonic crystal produced by the above method was about 50 μm and contained black dye inside the nanoparticles. The reflection color of the photonic crystal before and after the dye showed an effect of absorbing the scattered light. 2 is a view of a photonic crystal containing the generated black dye and it can be seen that the color changes according to the position of the light source. This shows the change of the reflection color with respect to the irradiation angle of the light source which is characteristic of the photonic crystal. Figure 3 is a photograph taken with a microscope it can be seen that there is a black dye around the nanoparticles through a scanning electron microscope. In addition, Figure 4 is a graph showing the change in the wavelength of the resulting photonic crystal it is shown that the reflection of light of all wavelengths other than the specific reflection wavelength when the dye is contained.

<실시예 2> 탄성을 가지는 고분자를 이용한 광결정 막의 제조Example 2 Preparation of Photonic Crystal Film Using Polymer Having Elasticity

상기 실시예 1에서 제조된 광결정에 탄성을 가지는 열경화성 고분자인 Polydimethylsiloxane(이하 PDMS) 를 부었다. 경화가 되기 전의 PDMS 는 액체 상태이므로 광결정 내부로 침투하여 나노입자 주변을 채우게 된다. 고분자가 내부에 침투된 후 스핀코팅(spin-coating) 과정을 거치면 얇은 막이 만들어지게 된다. 그 후 온도가 70℃의 오븐에 넣고 2시간이 지나면 고분자를 경화시키면 광결정이 도입된 고분자 막이 제조되었다. 도 1은 딥코팅에 의한 광결정 제조 및 제조된 광결정에 경화 전 액상인 고분자를 부어 광결정 내부 공극에 채우는 것을 보이고 있다. Polydimethylsiloxane (hereinafter referred to as PDMS), which is a thermosetting polymer having elasticity, was poured into the photonic crystal prepared in Example 1. PDMS before curing is in the liquid state, so it penetrates into the photonic crystal and fills around the nanoparticles. After the polymer has penetrated the inside, spin-coating process creates a thin film. Then, the polymer was cured after 2 hours in an oven having a temperature of 70 ° C. to prepare a polymer film into which photonic crystals were introduced. FIG. 1 shows that the photonic crystal is prepared by dip coating and the prepared photonic crystal is poured into the photonic crystal internal void by pouring a liquid polymer before curing.

<실시예 3> 미세 채널을 가지는 고분자 몰드(mold)와 광결정 막의 <Example 3> of the polymer mold and photonic crystal film having a microchannel

상기 실시예 2 에서 제조된 광결정이 도입된 고분자 막을 미세채널을 가지고 있는 고분자 몰드(mold) 에 붙였다. 이는 두 고분자 표면에 산소 플라즈마 처리 (oxygen plasma treatment) 를 거쳐 표면에 산소 라디칼 (radical) 을 형성 시킨 후 서로 붙여주면 라디칼끼리 결합이 발생하여 화학적으로 붙어지게 된다. 도 5는 미세 채널을 가지는 고분자 몰드(mold) 의 제작 방법을 나타낸다. 제작된 고분자 몰드는 광결정 막과 산소 플라즈마 처리로 붙은 모습을 보이고 있다. 도 5 아래의 사진은 다양한 색을 가지는 제작된 소자의 사진이다. The polymer film into which the photonic crystal prepared in Example 2 was introduced was attached to a polymer mold having microchannels. It forms oxygen radicals on the surface through oxygen plasma treatment on the surfaces of the two polymers, and then attaches them to each other, whereby the radicals are bonded and chemically attached. 5 shows a method of manufacturing a polymer mold having a microchannel. The produced polymer mold is shown to adhere to the photonic crystal film and oxygen plasma treatment. 5 is a photo of the fabricated device having a variety of colors.

<실시예 4> 공기압을 통한 광결정 막의 반사색 제어 Example 4 Control of Reflective Color of Photonic Crystal Film by Pneumatic Pressure

상기 실시예 3에 의해 제조된 소자는 미세채널에 공기압을 넣어줌으로써 선택적으로 막의 팽창을 유도할 수 있었다. 미세채널에 12 psi 에 달하는 압력을 가해주면 광결정 막이 탄성을 가지고 있기 때문에 그림과 같이 소자의 외부로 늘어나게 되었다. 압력이 가해지지 않은 광결정 막은 푸른색을 보이고 있으나 압력이 가해진 부분은 광결정의 반사면의 변화 때문에 붉은색을 띄었다. 도 6은 압력을 가하기 전과 후의 광결정 막의 색생 변화를 나타낸다. 압력을 가하기 전 푸른색의 광결정 막에 압력을 가하면 붉은색으로 변하는 것을 보여준다. 또한 광결정 막에 입사하는 빛의 각도가 바뀌면 압력을 가하기 전 붉은색의 광결정 막에 압력을 가하면 어두운 초록색으로 변하는 것을 보여준다. 이는 압력의 차단과 공급을 반복적으로 하여도 같은 결과를 가진다.The device manufactured in Example 3 could selectively induce expansion of the membrane by putting air pressure in the microchannel. Applying a pressure of up to 12 psi to the microchannels stretched out of the device as shown, because the photonic crystal film is elastic. The photonic crystal film, which was not subjected to pressure, showed a blue color, but the portion where the pressure was applied became red due to the change of the reflective surface of the photonic crystal. 6 shows the color change of the photonic crystal film before and after applying pressure. It is shown that applying pressure to a blue photonic crystal film before applying pressure turns red. In addition, when the angle of light incident on the photonic crystal film is changed, it is shown that when the red photonic crystal film is pressed before applying pressure, the color turns dark green. This has the same effect even if the pressure is repeatedly cut off and supplied.

<실시예 5> 미세채널로의 선택적인 공기압의 전달을 이용한 반사형 디스플레이 소자로의 응용을 위한 구체적 실시 예Example 5 Specific Example for Application to Reflective Display Device Using Selective Transfer of Air Pressure to Microchannel

상기 실시예 4에 의해 제조된 소자는 7개의 서로 분리된 미세채널을 가진다. 이는 선택적인 작동을 통한 선택적인 반사색 조절을 위함이며, 각각의 미세채널에 가해지는 공기압은 컴퓨터 제어를 통하여 원하는 채널에 공급되어진다. 또한 작동 시간 및 작동 순서 또한 컴퓨터에 사전에 입력된 명령에 의해 작동되어진다. 디자인된 미세채널은 한자리수의 숫자를 표현하기 위함이며 제어를 통하여 자동적으로 숫자가 변함을 볼 수 있다. 반사형 디스플레이로 응용성을 입증하기 위하여 현미경이 아닌 디지털 카메라로 촬영하였으며, 팽창되지 않는 광결정 막의 반사색은 광결정이 가지는 반사색을 띄며 팽창되는 막은 반사되는 색의 세기가 약하여 어두운 색을 띄고 있다.
The device manufactured by Example 4 has seven separate microchannels. This is for selective reflection color control through selective operation, and the air pressure applied to each microchannel is supplied to the desired channel through computer control. In addition, the operating time and sequence of operations are also activated by a command previously input to the computer. The designed microchannel is for expressing single digit number and it can be seen that the number changes automatically through control. In order to prove its applicability as a reflective display, it was photographed by a digital camera rather than a microscope. The reflection color of the non-expanded photonic crystal film has a reflection color of the photonic crystal, and the expanded film has a dark color due to the weak intensity of the reflected color.

이상 본 발명의 구체적이고 바람직한 실시 태양을 토대로 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
The present invention has been described above based on specific and preferred embodiments of the present invention, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Those skilled in the art will also appreciate that some of the components described herein can be omitted without degrading performance or adding components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein depending on the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims and equivalents thereof, not by the embodiments described.

본 발명에 의한 광결정 막의 반사면 제어를 통한 반사되는 빛의 제어는 화학적인 방법이 아닌 물리적인 방법에 의한 반사 빛의 제어이기 때문에 화학물질의 변형에 대한 문제가 없기 때문에 반영구적으로 작동이 가능하다. 공기압에 의한 제어는 반응 속도가 100 밀리초에 달할 정도로 빠르므로 실시간으로 변하는 반사형 디스플레이로의 응용이 가능하다. 사용되는 고분자에 대한 제한도 적기 때문에 다른 기능성의 고분자의 사용도 용이하며 제작에 필요한 나노입자의 제조가 쉬우며 제작 비용이 적기 때문에 경제적인 장점이 있다. Since the control of the reflected light through the reflection surface control of the photonic crystal film according to the present invention is the control of the reflected light by the physical method rather than the chemical method, since there is no problem of deformation of the chemical substance, it is possible to operate semi-permanently. Control by air pressure is as fast as 100 milliseconds, allowing applications in real-time, reflective displays. Since there are few restrictions on the polymer used, it is easy to use other functional polymers, and it is economical because the production of nanoparticles required for manufacturing is easy and the manufacturing cost is low.

Claims (11)

(a) 흑색 염료가 포함된 광결정을 제조하는 제1단계; (b) 상기 광결정에 탄성(elasticity) 및 투명성(transparency)을 갖는 고분자를 부어서 광결정이 매립된 고분자 막을 제조하는 제2단계; 및 (c) 상기 고분자 막을 미세 채널을 가지는 몰드(mould)에 붙인 후, 공기압에 의해 고분자 막의 표면을 선택적으로 팽창시키는 제3단계; 를 포함하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
(a) a first step of preparing a photonic crystal containing a black dye; (b) a second step of preparing a polymer film in which the photonic crystal is embedded by pouring a polymer having elasticity and transparency into the photonic crystal; And (c) attaching the polymer film to a mold having a microchannel, and then selectively expanding the surface of the polymer film by air pressure; Method for producing a polymer film embedded with a photonic crystal containing a black dye comprising a.
제1항에 있어서, 상기 공기압은 압력을 조정함으로써 광결정의 반사면을 제어하여 빛의 반사색을 조절할 수 있음을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the air pressure controls the reflection surface of the photonic crystal by adjusting the pressure to adjust the reflection color of the light.
제1항에 있어서, 상기 제1단계의 흑색염료는 물에 분산이 가능한 흑색염료인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the black dye of the first step is a black dye that can be dispersed in water.
제1항에 있어서, 상기 제1단계의 흑색염료의 질량은 광결정을 형성하는 나노입자 100중량부에 대하여 1~10중량부 인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the mass of the black dye of the first step is 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the nanoparticles forming the photonic crystal. .
제1항에 있어서, 상기 제1단계의 광결정의 제조는 딥코팅(Dip-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the photonic crystal of the first step is prepared by dip-coating. 6.
제1항에 있어서, 상기 제2단계의 탄성 및 투명성을 가지는 고분자는 열경화성 고분자 또는 광경화성 고분자인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the polymer having elasticity and transparency in the second step is a thermosetting polymer or a photocurable polymer.
제1항에 있어서, 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 제조는 스핀코팅(spin-coating)을 이용하여 제조한 것임을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the photonic crystal-embedded polymer film is prepared by spin-coating. 6.
제1항에 있어서, 상기 광결정이 매립된 고분자 막의 두께는 10~1000μm인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the thickness of the polymer film in which the photonic crystal is embedded is 10 μm to 1000 μm.
제1항에 있어서, 상기 제3단계의 미세채널은 깊이가 1~1000μm이고, 너비가 100~1000μm인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the microchannels of the third step have a depth of 1 to 1000 µm and a width of 100 to 1000 µm.
제1항에 있어서, 상기 제3단계의 공기압은 10~40 psi 인 것을 특징으로 하는 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the air pressure of the third step is 10 to 40 psi.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 방법으로 제조한 흑색염료가 포함된 광결정이 매립된 고분자 막.A polymer film in which a photonic crystal containing a black dye prepared by the method of any one of claims 1 to 10 is embedded.
KR1020120003486A 2012-01-11 2012-01-11 Fabrication of photonic membrane containing black-dye molecules and application thereof KR101276700B1 (en)

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