KR101878850B1 - 색변환 광결정 구조체 및 이를 이용한 색변환 광결정 센서 - Google Patents

색변환 광결정 구조체 및 이를 이용한 색변환 광결정 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상이한 굴절률을 갖는 두 층을 교대로 적층된 구조를 이용하되, 반복되는 하나의 층에 알킬 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위 및 광활성 관능기를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머부터 유도된 반복 단위를 동시에 포함하는 코폴리머를 사용하여 탄화수소 화합물을 식별할 수 있는 광결정 구조체에 관한 것으로, 이를 이용하여 우수한 감도 및 재현성을 가지면서 빠른 응답 시간을 나타내는 색변환 광결정 센서를 제조할 수 있다는 특징이 있다.

Description

색변환 광결정 구조체 및 이를 이용한 색변환 광결정 센서{COLORIMETRIC PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE AND COLORIMETRIC PHOTONIC CRYSTAL SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 탄화수소 화합물을 식별할 수 있는 색변환 광결정 구조체, 및 이를 이용한 색변환 광결정 센서에 관한 것이다.
광결정(photonic crystal)이란, 서로 다른 굴절률을 갖는 유전물질이 주기적으로 배열된 구조체로서, 각각의 규칙적인 격자점에서 산란되는 빛들 사이에 중첩적 간섭이 일어나 특정한 파장 영역대에서 빛을 투과시키지 않고 선택적으로 반사하는, 즉 광밴드갭을 형성하는 물질을 의미한다.
이러한 광결정은 정보 처리의 수단으로 전자 대신 광자를 이용함으로써, 정보처리의 속도가 우수하여 정보화 산업의 효율 향상을 위한 핵심 물질로 부각되고 있다. 더욱이, 광결정은 광자가 주축 방향으로 이동하는 1차원 구조, 평면을 따라 이동하는 2차원 구조, 또는 물질 전체를 통해 모든 방향으로 자유롭게 이동하는 3차원 구조로 구현될 수 있고, 광밴드갭 조절을 통한 광학적 특성의 제어가 용이하여 다양한 분야에 적용 가능하다. 예를 들어, 광결정은 광결정 섬유, 발광소자, 광기전소자, 광결정 센서, 반도체레이저 등 광학 소자에 응용될 수 있다.
특히, 브래그 스택(Bragg stack)은 1차원 구조를 갖는 광결정으로서, 상이한 굴절률을 갖는 두 층의 적층만으로 쉽게 제조가 가능하고, 상기 두 층의 굴절률 및 두께 조절에 의한 광학적 특성의 제어가 용이하다는 장점이 있다. 이러한 특징으로 인해 상기 브래그 스택은 태양 전지와 같은 에너지 소자뿐만 아니라, 전기적, 화학적, 열적 자극 등을 감지하는 광결정 센서로의 응용에 널리 이용되고 있다. 이에 따라, 감도 및 재현성이 우수한 광결정 센서를 용이하게 제조하기 위한 여러 가지 물질 및 구조에 대한 연구가 이루어지고 있다.
이에 본 발명자들은 예의 노력한 결과, 후술할 바와 같이 브래그 스택 중 반복되는 하나의 층에 알킬 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위 및 광활성 관능기를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머부터 유도된 반복 단위를 동시에 포함하는 코폴리머를 이용할 경우, 색변환을 통하여 탄화수소 화합물을 식별할 수 있는 색변환 광결정 구조체 및 이에 따른 우수한 감도를 나타내는 광결정 센서를 용이하게 제조할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 탄화수소 화합물을 식별할 수 있는 색변환 광결정 구조체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 색변환 광결정 구조체를 이용한 우수한 감도 및 재현성을 가지면서 빠른 응답 시간을 나타내는 색변환 광결정 센서를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 교대로 적층된, 제1 굴절률을 나타내는 제1 폴리머를 포함하는 제1 굴절률층; 및 제2 굴절률을 나타내는 제2 폴리머를 포함하는 제2 굴절률층;을 포함하고, 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률은 상이하고, 상기 제1 폴리머 및 상기 제2 폴리머 중 하나는, 하기 화학식 1로 표시되는 코폴리머인 색변환 광결정 구조체를 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112016111135698-pat00001
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-3 알킬이고,
X1은 C1-20 알킬이고,
L1은 O 또는 NH이고,
Y1은 벤조일페닐이고,
여기서 Y1은 비치환되거나, 또는 하이드록시, 할로겐, 니트로, C1-5 알킬 및 C1-5 알콕시로 구성되는 군으로부터 각각 독립적으로 선택되는 1개 내지 4개의 치환기로 치환되고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
n+m은 50 내지 1,000이다.
또한, 본 발명은 상기 광결정 구조체를 포함하는 색변환 광결정 센서를 제공한다.
본 발명의 색변환 광결정 구조체는, 알킬 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위 및 광활성 관능기를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머부터 유도된 반복 단위를 동시에 포함하는 코폴리머를 이용한 저굴절률층을 포함하여, 탄화수소 화합물의 종류에 따라 시각적으로 판단 가능하도록 색이 변환될 수 있고, 상기 색변환 광결정 구조체를 이용한 광결정 센서는 우수한 감도 및 재현성을 가지면서 빠른 응답 시간을 나타낼 수 있다는 특징이 있다.
도 1은, 일 실시예에 따른 색변환 광결정 구조체의 구조를 간략하게 나타낸 것이다.
도 2a, 2b 및 2c는, 각각 제조예 2에서 제조한 코폴리머에 대한 1H-NMR 스펙트럼, GPC 결과 및 DSC 결과를 나타낸 것이다.
도 3a, 3b 및 3c는, 각각 제조예 3에서 제조한 코폴리머에 대한 1H-NMR 스펙트럼, GPC 결과 및 DSC 결과를 나타낸 것이다.
도 4a, 4b 및 4c는, 각각 실시예 1에서 제조한 광결정 구조체의 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 대한 색변환 사진(a: 1분간 swelling, b: 5분간 swelling) 및 정반사도(c)를 나타낸 것이다.
도 5a 및 5b는, 각각 실시예 3에서 제조한 광결정 구조체의 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 대한 색변환 사진(a) 및 정반사도(b)를 나타낸 것이다.
도 6은, 실시예 5에서 제조한 광결정 구조체의 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸, 테트라데칸, 등유 및 경유에 대한 색변환 사진을 나타낸 것이다.
도 7은, 비교예 1에서 제조한 광결정 구조체의 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 대한 색변환 사진을 나타낸 것이다.
도 8 내지 10은, 각각 실시예 2 내지 4에서 제조한 광결정 구조체의 헥산, 옥탄, 데칸 및 도데칸에 대한 시간의 경과에 따른 반사 파장 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은, 실시예 3에서 제조한 광결정 구조체의 등유 및 경유에 대한 색변환 사진을 나타낸 것이다.
이하에서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한 본 발명의 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하의 명세서에서 사용된 용어의 일부는 다음과 같이 정의될 수 있다.
먼저, 본 발명에서 사용하는 용어 '색변환 광결정 구조체'는 굴절률이 상이한 물질을 반복적으로 교대 적층하여 제조된 1차원 광결정 구조를 갖는 브래그 스택으로, 적층된 구조의 굴절률의 주기적인 차이에 의해 특정한 파장 영역 대의 빛을 반사할 수 있고, 이러한 반사 파장은 외부 자극에 의해 시프트(Shift)되어 반사색이 변환되는 구조체를 의미한다. 구체적으로, 구조체 각각의 층의 경계에서 빛의 부분 반사가 일어나게 되고, 이러한 많은 반사파가 구조적으로 간섭하여 높은 강도를 갖는 특정 파장의 빛이 반사될 수 있다. 이때, 외부 자극에 의한 반사 파장의 시프트는, 층을 형성하는 물질의 격자 구조가 외부 자극에 의해 변화함에 따라 산란되는 빛의 파장이 변화되면서 일어나게 된다. 이러한, 색변환 광결정 구조체는 별도의 기재 또는 기판 상에 코팅된 코팅막 형태로, 혹은 프리 스탠딩 필름의 형태로 제조될 수 있고, 광결정 섬유, 발광소자, 광기전소자, 광결정 센서, 반도체레이저 등 광학 소자에 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 색변환 광결정 구조체는 화학 및 생물 종 탐지를 위한 환경 소자와 같은 광센서, 글루코스 센서, 단백질 센서, DNA 센서, 질병 진단센서, 휴대용 진단센서와 같은 바이오 센서 등에 사용될 수 있으나, 그 응용 분야가 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 색변환 광결정 구조체는, 교대로 적층된, 제1 굴절률을 나타내는 제1 폴리머를 포함하는 제1 굴절률층; 및 제2 굴절률을 나타내는 제2 폴리머를 포함하는 제2 굴절률층;을 포함하고, 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률은 상이하다.
따라서, 상기 제1 굴절률층이 고굴절률층이고, 상기 제2 굴절률층이 저굴절률층이거나, 다르게는 상기 제1 굴절률층이 저굴절률층이고, 상기 제2 굴절률층이 고굴절률층일 수 있다.
저굴절률층
본 발명에서 사용하는 용어 '저굴절률층'은 광결정 구조체 내에 포함된 두 종류의 층 중에서 상대적으로 굴절률이 낮은 층을 의미한다. 이때, 상기 제1 폴리머 및 상기 제2 폴리머 중 하나로서, 상기 저굴절률층에 포함되는 폴리머는 하기 화학식 1로 표시되는 코폴리머이다:
[화학식 1]
Figure 112016111135698-pat00002
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-3 알킬이고,
X1은 C1-20 알킬이고,
L1은 O(산소) 또는 NH이고,
Y1은 벤조일페닐이고,
여기서 Y1은 비치환되거나, 또는 하이드록시, 할로겐, 니트로, C1-5 알킬 및 C1-5 알콕시로 구성되는 군으로부터 각각 독립적으로 선택되는 1개 내지 4개의 치환기로 치환되고,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
n+m은 50 내지 1,000이다.
상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는, 알킬(X1) 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위 및 광활성 관능기(Photo-active functional group, Y1)를 갖는 아크릴레이트(L1 = O) 또는 아크릴아미드(L1 = NH)계 모노머부터 유도된 반복 단위를 동시에 포함하는 고분자를 의미한다.
상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머가 알킬(X1) 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위를 포함하는 경우, 상기 반복 단위를 포함하지 않는 폴리머에 비하여 굴절률이 낮고, 비극성 용매에 대한 용해도가 높아 외부 자극이 탄화수소 화합물인 경우 쉽게 감응할 수 있다.
또한, 상기 알킬(X1)기를 갖는 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 탄화수소 화합물과 상용성이 우수하여 탄화수소 화합물과 접촉시 이를 흡수하여 팽윤될 수 있다. 이에 따라, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 층의 굴절률 및/또는 두께가 변하여, 광결정 구조체의 반사 파장의 시프트에 따른 색 변환이 일어날 수 있다. 이때, 상기 알킬(X1)기의 탄소수가 증가할수록 상기 알킬(X1)기를 갖는 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 탄화수소 화합물과 접촉 시 쉽게 팽윤되어, 광결정 구조체의 반사파장이 시프트되는 정도가 증가될 수 있다.
더욱이, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 광활성 관능기(Y1)를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머부터 유도된 반복 단위를 추가로 포함하여, 별도의 광개시제 혹은 가교제(crosslinker) 없이도 자체적으로 광경화가 가능할 수 있다.
이러한 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는, 알킬(X1) 아크릴레이트계 모노머 및 광활성 관능기(Y1)를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머를 랜덤하게 공중합하여 제조된, 상기 화학식 1의 대괄호 사이의 반복 단위들이 서로 랜덤하게 배열되어 있는 랜덤 코폴리머일 수 있다.
다르게는, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는, 상기 화학식 1의 대괄호 사이의 반복 단위들의 블록이 공유 결합에 의해 연결되어 있는 블록 코폴리머일 수 있다. 또한 다르게는, 상기 화학식 1의 대괄호 사이의 반복 단위들이 교차되어 배열되어 있는 교호 코폴리머이거나, 혹은 어느 하나의 반복 단위가 가지 형태로 결합되어 있는 그라프트 코폴리머일 수 있으나, 상기 반복 단위들의 배열 형태가 한정되지는 않는다.
이러한 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 1.3 내지 1.5의 굴절률을 나타낼 수 있다. 상술한 범위일 때, 후술하는 고굴절률층에 사용된 폴리머와의 굴절률 차이에 의해 원하는 파장의 빛을 반사하는 광결정 구조체가 구현될 수 있다.
상기 화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있다. 예를 들어, R1 및 R2는 수소일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에서, X1은 비치환된 C5-20 알킬일 수 있다. 더욱 구체적으로, X1은 직쇄의 n-C5-15(normal C5-15) 알킬일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1에서, X1은 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 또는 펜타데실일 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에서, Y1은 비치환되거나, 또는 C1-3 알킬로 치환된 벤조일페닐일 수 있다. Y1이 벤조일페닐인 경우, 광경화의 용이성 측면에서 유리할 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에서, n은 상기 코폴리머 내 알킬 아크릴레이트계 모노머로부터 유도된 반복 단위의 총 개수를 의미하고, m은 상기 코폴리머 내 광활성 관능기(Y1)를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머로부터 유도된 반복 단위의 총 개수를 의미한다.
이때, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 n:m의 몰비가 100:0.1 내지 100:10일 수 있고, 수 평균 분자량이 5,000 내지 300,000 g/mol일 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 n:m의 몰비가 100:0.5 내지 100:5, 구체적으로 100:0.5 내지 100:2일 수 있다. 또한 예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 수 평균 분자량이 5,000 내지 80,000 g/mol, 구체적으로 5,000 내지 60,000 g/mol일 수 있다. 상기 범위에서, 굴절률이 낮으면서도 광경화가 용이한 코폴리머의 제조가 가능하다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는, 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표시되는 코폴리머일 수 있다:
[화학식 1-1]
Figure 112016111135698-pat00003
[화학식 1-2]
Figure 112016111135698-pat00004
하기 화학식 1-1 또는 1-2에서, n 및 m의 정의는 앞서 정의한 바와 같다.
고굴절률층
본 발명에서 사용하는 용어 '고굴절률층'은 광결정 구조체 내에 포함된 두 종류의 층 중에서 상대적으로 굴절률이 높은 층을 의미한다. 상기 고굴절률층에 포함된 폴리머는 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머가 아닌, 상기 제1 폴리머 및 상기 제2 폴리머 중 다른 하나로서, 다음의 모노머로부터 유도된 구조 단위를 포함하여, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머에 비하여 높은 굴절률을 나타낼 수 있다: (메타)아크릴레이트계 화합물, (메타)아크릴아미드계 화합물, 비닐기 함유 방향족 화합물, 디카르복시산, 자일릴렌(xylylene), 알킬렌옥사이드, 아릴렌옥사이드, 및 이들의 유도체. 이들은 단독 또는 2 종 이상 혼합하여 적용될 수 있다.
예를 들어, 상기 고굴절률층에 포함된 폴리머는 다음의 모노머로부터 유도된 구조 단위를 1 종 또는 2 종 이상 포함할 수 있다: 메틸 (메타)아크릴레이트, 에틸 (메타)아크릴레이트, 이소부틸 (메타)아크릴레이트, 1-페닐에틸 (메타)아크릴레이트, 2-페닐에틸 (메타)아크릴레이트, 1,2-디페닐에틸 (메타)아크릴레이트, 페닐 (메타)아크릴레이트, 벤질 (메타)아크릴레이트, m-니트로벤질 (메타)아크릴레이트, β-나프틸 (메타)아크릴레이트, 벤조일페닐 (메타)아크릴레이트 등의 (메타)아크릴레이트계 모노머; 메틸 (메타)아크릴아미드, 에틸 (메타) 아크릴아미드, 이소부틸 (메타)아크릴아미드, 1-페닐에틸 (메타) 아크릴아미드, 2-페닐에틸 (메타) 아크릴아미드, 페닐 (메타)아크릴아미드, 벤질 (메타)아크릴아미드, 벤조일페닐 (메타)아크릴아미드 등의 (메타)아크릴아미드계 모노머; 스티렌, o-메틸스티렌, m-메틸스티렌, p-메틸스티렌, p-메톡시스티렌, o-메톡시스티렌, 4-메톡시-2-메틸스티렌 등의 스티렌계 모노머; p-디비닐벤젠, 2-비닐나프탈렌, 비닐카바졸, 비닐플루오렌 등의 방향족계 모노머; 테레프탈산, 이소프탈산, 2,6-나프탈렌 디카르복시산, 2,7-나프탈렌 디카르복시산, 1,4-나프탈렌 디카르복시산, 1,4-페닐렌 디옥시페닐렌산, 1,3-페닐렌 디옥시디아세트산 등의 디카르복시산 모노머; o-자일릴렌, m-자일릴렌, p-자일릴렌 등의 자일릴렌계 모노머; 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 등의 알킬렌 옥사이드계 모노머; 페닐렌 옥사이드, 2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드 등의 페닐렌 옥사이드계 모노머. 이 중, 바람직한 굴절률 차이 구현 및 광경화의 용이성 측면에서 스티렌계 모노머로부터 유도된 구조 단위 및 (메타)아크릴레이트 및 (메타)아크릴아미드 중 하나로부터 유도된 구조 단위를 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머가 아닌, 상기 제1 폴리머 및 상기 제2 폴리머 중 다른 하나는, 하기 화학식 2로 표시되는 코폴리머일 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112016111135698-pat00005
상기 화학식 2에서,
R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-3 알킬이고,
R11은 하이드록시, 시아노, 니트로, 아미노, SO3H, SO3(C1- 5알킬), C1-10 알킬 또는 C1-10 알콕시이고,
a1은 0 내지 5의 정수이고,
L2는 O 또는 NH이고,
Y2는 벤조일페닐이고,
여기서 Y2는 비치환되거나, 또는 하이드록시, 할로겐, 니트로, C1-5 알킬 및 C1-5 알콕시로 구성되는 군으로부터 각각 독립적으로 선택되는 1개 내지 4개의 치환기로 치환되고,
n' 및 m'는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
n'+ m'는 100 내지 1,000이다.
상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는, 스티렌계 모노머로부터 유도된 구조 단위 및 광활성 관능기(Y2)를 갖는 아크릴레이트(L2 = O) 또는 아크릴아미드(L2 = NH)계 모노머부터 유도된 반복 단위를 동시에 포함하는 고분자를 의미할 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머가 스티렌계 모노머로부터 유도되는 반복 단위를 포함하는 경우, 상기 알킬(X1) 아크릴레이트계 모노머로부터 유도되는 반복 단위를 포함하는 경우에 비하여 굴절률이 높아 고굴절률층의 구현이 가능하다.
더욱이, 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는 광활성 관능기(Y2)를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머부터 유도된 반복 단위를 추가로 포함하여, 별도의 광개시제 혹은 가교제 없이도 자체적으로 광경화가 가능할 수 있다.
이러한 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는, 스티렌계 모노머 및 광활성 관능기(Y2)를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머를 랜덤하게 공중합하여 제조된, 상기 화학식 2의 대괄호 사이의 반복 단위들이 서로 랜덤하게 배열되어 있는 랜덤 코폴리머일 수 있다.
다르게는, 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는, 상기 화학식 2의 대괄호 사이의 반복 단위들의 블록이 공유 결합에 의해 연결되어 있는 블록 코폴리머일 수 있다. 또한 다르게는, 상기 화학식 2의 대괄호 사이의 반복 단위들이 교차되어 배열되어 있는 교호 코폴리머이거나, 혹은 어느 하나의 반복 단위가 가지 형태로 결합되어 있는 그라프트 코폴리머일 수 있으나, 상기 반복 단위들의 배열 형태가 한정되지는 않는다.
이러한 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는 1.51 내지 1.8의 굴절률을 나타낼 수 있다. 상술한 범위일 때, 상기 화학식 1로 표시되는 폴리머와의 굴절률 차이에 의해 원하는 파장의 빛을 반사하는 광결정 구조체가 구현될 수 있다.
상기 화학식 2에서, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸일 수 있다. 예를 들어, R3 및 R4는 수소일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서, R11은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸, 또는 tert-부틸일 수 있다. 이때, a1은 R11의 개수를 의미하는 것으로, 0, 1 또는 2일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에서, Y2는 비치환되거나, 또는 C1-3 알킬로 치환된 벤조일페닐일 수 있다. Y2가 벤조일페닐인 경우, 광경화의 용이성 측면에서 유리하다.
또한, 상기 화학식 2에서, n'는 상기 코폴리머 내 스티렌계 모노머로부터 유도된 반복 단위의 총 개수를 의미하고, m'는 상기 코폴리머 내 광활성 관능기를 갖는 아크릴레이트 또는 아크릴아미드계 모노머로부터 유도된 반복 단위의 총 개수를 의미한다.
이때, 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는 n':m'의 몰비가 100:1 내지 100:20, 예를 들어, 100:1 내지 100:10, 또한 예를 들어 100:1 내지 100:5일 수 있다. 또한, 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는 수 평균 분자량(Mn)이 10,000 내지 300,000 g/mol, 예를 들어, 10,000 내지 180,000 g/mol일 수 있다. 상기 범위에서, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머와 상술한 범위의 굴절률 차이를 가지면서도 광경화가 용이한 코폴리머의 제조가 가능하다.
구체적으로, 상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는, 하기 화학식 2-1로 표시되는 코폴리머일 수 있다:
[화학식 2-1]
Figure 112016111135698-pat00006
하기 화학식 2-1에서, n' 및 m'의 정의는 앞서 정의한 바와 같다.
색변환 광결정 구조체
본 발명에 따른 색변환 광결정 구조체는, 최하부에 배치된 제1 굴절률층, 상기 제1 굴절률층 상에 배치된 제2 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층 상에 교대로 적층되어 배치된 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층의 구조를 갖는다.
또한, 상기 색변환 광결정 구조체는, 용도에 따라 상기 최하부에 배치된 제1 굴절률층의 제2 굴절률층이 배치되지 않은 다른 일면에 기판을 더 포함할 수 있다. 따라서, 이 경우 상기 색변환 광결정 구조체의 최하부에는 기판이 위치할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 색변환 광결정 구조체(10) 의 개략적인 구조를 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 색변환 광결정 구조체(10)는 기판(11), 및 상기 기판(11) 상에 교대로 적층된 제1 굴절률층(13) 및 제2 굴절률층(15)으로 구성된다.
이때, 제1 굴절률층(13)은 색변환 광결정 구조체의 최상부에 위치할 수 있다. 따라서, 제1 굴절률층(13)과 제2 굴절률층(15)이 교대로 적층된 적층체 상에 제1 굴절률층(13)이 추가로 적층되어, 상기 광결정 구조체는 홀수 개 층의 굴절률층을 가질 수 있다. 상기의 경우에, 후술하는 바와 같이 각각의 층의 경계면에서 반사된 빛들 간의 보강 간섭이 증가하여, 광결정 구조체의 반사 파장의 강도가 증가할 수 있다.
상기 기판(11)은 기계적 강도, 열적 안정성, 투명성, 표면 평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 탄소계 재료, 금속 포일, 박막 유리(thin glass), 실리콘(Si), 플라스틱, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 고분자 필름, 종이, 피부, 의류, 또는 웨어러블 소재일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 적용되는 용도에 따라 가요성이 있거나 혹은 가요성이 없는 다양한 소재를 이용할 수 있다.
상기 기판(11) 상에 교대로 적층된 상기 제1 굴절률층(13)은 제1 굴절률(n1)을 나타내는 제1 폴리머를 포함하고, 상기 제2 굴절률층(15)은 제2 굴절률(n2)을 나타내는 제2 폴리머를 포함한다. 이때, 상기 제1 굴절률(n1)과 상기 제2 굴절률(n2)의 차이는 0.01 내지 0.5일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 굴절률(n1)과 상기 제2 굴절률(n2)의 차이는 0.05 내지 0.3, 구체적으로 0.1 내지 0.2일 수 있다. 이러한 굴절률간의 차이가 클수록 광결정 구조체의 광 밴드갭이 커지므로, 상술한 범위 내에서 굴절률간의 차이를 조절하여 원하는 파장의 빛이 반사되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 굴절률(n1)은 1.51 내지 1.8이고, 상기 제2 굴절률 (n2)은 1.3 내지 1.5일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 굴절률층(13)이 고굴절률층이고, 상기 제2 굴절률층(15)이 저굴절률층에 해당되어, 상기 광결정 구조체(10)는 기판(11) 상에 고굴절률층/ 저굴절률층/ 고굴절률층/ 저굴절률층/ 고굴절률층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. aaa
다르게는, 상기 제1 굴절률(n1)은 1.3 내지 1.5이고, 상기 제2 굴절률(n2)은 1.51 내지 1.8일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 굴절률층(13)이 저굴절률층이고, 상기 제2 굴절률층(15)이 고굴절률층에 해당되어, 상기 광결정 구조체(10)는 기판(11) 상에 저굴절률층/ 고굴절률층/ 저굴절률층/ 고굴절률층/ 저굴절률층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 저굴절률층의 두께 대 상기 고굴절률층의 두께의 비는 1:0.3 내지 1:2, 보다 구체적으로 1:1 내지 1:2일 수 있다. 예를 들어, 상기 저굴절층의 두께는 상기 고굴절률층의 두께보다 작을 수 있다. 구체적으로, 상기 저굴절률층의 두께는 20 내지 70 nm이고, 상기 고굴절률층의 두께는 30 내지 120 nm일 수 있다. 상술한 범위로 두께를 조절하여, 광결정 구조체의 반사 파장을 조절할 수 있다. 각 굴절률층의 두께는 폴리머 분산액 조성물 내 폴리머의 농도 또는 분산액 조성물의 코팅 속도를 달리하여 조절 가능하다.
특히, 상기 광결정 구조체는 색변환 용이 측면에서 상기 제1 굴절률층이 20 내지 70nm의 두께의 저굴절률층이고, 상기 제2 굴절률층이 30 내지 120 nm의 두께의 고굴절률층이며, 상기 제1 굴절률층과 상기 제2 굴절률층의 총 적층수가 홀수여서 상기 저굴절률층이 최상부에 위치된 구조가 바람직하다.
도 1에서는 총 5층으로 구성된 광결정 구조체(10)만을 도시하나, 상기 광결정 구조체의 총 적층수가 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 제1 굴절률층과 상기 제2 굴절률층의 총 적층수는 5 내지 30 층일 수 있다. 상술한 범위로 적층된 구조체일 경우에, 각각의 층 경계 면에서 반사된 빛들의 간섭이 충분히 일어나 외부 자극에 따른 색의 변화가 감지될 정도의 반사 강도를 가질 수 있다.
한편, 상기 색변환 광결정 구조체(10)에 등비례의 모든 색으로 이루어진 다색의 백색광이 입사되면, 각각의 층 경계면에서 입사광의 부분 반사가 일어나게 되고, 이렇게 부분 반사된 빛들의 간섭에 의해 하나의 파장으로 집중된 반사 파장(λ)에 따른 색을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 상기 색변환 광결정 구조체(10)의 반사 파장(λ)은 하기 식 1에 의해 결정될 수 있다:
[식 1]
λ = 2(n1*d1 + n2*d2)
상기 식에서, n1 및 n2는 각각 제1 굴절률층(13) 및 제2 굴절률층(15)의 굴절률을 의미하고, d1 및 d2는 각각 제1 굴절률층(13) 및 제2 굴절률층(15)의 두께를 의미한다. 따라서, 제1 및 제2 폴리머의 종류 및 제1 굴절률층(13) 및 제2 굴절률층(15)의 두께를 조절하여 원하는 반사 파장(λ)을 구현할 수 있다.
상기 색변환 광결정 구조체(10)는, 외부 자극이 없는 경우에 상기 수학식 1에 따라 380 내지 760 nm의 가시 광선 영역에 해당하는 반사 파장(λ)을 나타내어, 상기 광결정 구조체에 의한 반사색을 확인할 수 있다.
이러한 상기 색변환 광결정 구조체(10)가 외부 자극을 받는 환경에 위치되는 경우, 제1 굴절률층(13) 및 제2 굴절률층(15)을 각각 구성하고 있는 제1 폴리머 및 제2 폴리머의 결정 격자 구조가 변화하게 됨으로써, 각각의 층 경계면에서 산란되는 형태가 변화함에 따라, 상기 광결정 구조체(10)는 시프트된 파장(λ')을 반사하게 된다. 따라서, 외부 자극이 없는 경우와 비교하여 광결정 구조체에 의해 구현되는 색이 변환될 수 있다. 만일 외부 자극의 강도가 높다면, 상기 제1 폴리머 및 제2 폴리머의 결정 격자 구조의 변화의 정도가 커져 반사 파장은 더욱 시프트되게 되므로, 구현되는 색에 따라 외부 자극의 강도를 검출할 수 있다.
이때, 상기 광결정 구조체(10)의 색변환은 탄화수소 화합물과 접촉 시 광결정 구조체의 반사 파장이 시프트되어 나타나는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 광결정 구조체가 탄화수소 화합물과 접촉되는 경우, 예를 들어, 상기 광결정 구조체가 액체 상태인 탄화수소 화합물에 함침되는 경우, 상술한 바와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머 및/또는 화학식 2로 표시되는 코폴리머가 탄화수소 화합물을 흡수하여 팽윤될 수 있고, 이에 따라, 저굴절률층 및/또는 고굴절률층의 굴절률 및/또는 두께가 변할 수 있다. 따라서, 상기 식 1에 따른 상기 광결정 구조체(10)의 반사 파장이 시프트될 수 있다. 보다 구체적으로는, 알킬(X1)기를 가져 탄화수소 화합물을 보다 잘 흡수할 수 있는 제1 폴리머를 포함하는 저굴절률층의 굴절률 및/또는 두께의 변화에 의해 상기 광결정 구조체(10)의 반사 파장이 시프트될 수 있다. 이때, 시프트된 반사 파장(λ')은 380 nm 내지 760 nm 범위 내여서 육안으로 색변화를 관찰할 수 있다. 상기 반사 파장(λ) 및 시프트된 반사 파장(λ')은 반사계(Reflectometer)와 같은 장치로 측정 가능하다.
이러한 상기 광결정 구조체(10)의 색변환은 탄화수소 화합물의 종류에 따라 달라질 수 있다. 이는 탄화수소 화합물의 탄소수에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머의 팽윤 거동(Swelling behavior)이 달라지기 때문이다. 따라서, 상기 광결정 구조체의 색변환으로부터 탄화수소 화합물을 식별할 수 있다. 상기 탄화수소 화합물의 탄소수가 증가할수록 이와 접촉한 광결정 구조체의 반사 파장은 단파장 쪽으로 시프트되므로, 상기 광결정 구조체의 변환된 색으로부터 상기 탄화수소 화합물의 종류의 확인이 가능하다.
구체적으로, 예시적인 탄화수소 화합물에 대한 Solvent solubility parameter를 하기 표 1에 나타내었다.
종류 δd δP δh Molar Volume
Hexane(C6) 14.9 0.0 0.0 131.6
Octane(C8) 15.5 0.0 0.0 163.5
Decane(C10) 15.7 0.0 0.0 195.9
Dodecane(C12) 16.0 0.0 0.0 228.6
Tetradecane(C14) 16.2 0.0 0.0 261.3
상기 표 1에서, δd는 분산성 성분(Dispersion component)이고, δP는 극성 성분(Polar component)이고, δh는 수소 결합 성분(Hydrogen bonding component)을 의미한다.
예를 들어, 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머의 팽윤 거동은 Molar Volume effect에 영향을 받을 수 있다. 구체적으로, Molar Volume이 작아질수록 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머에 더 빨리 확산되어 상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머의 팽윤 정도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 용매의 탄소수가 작을수록 Molar Volume이 작아져서 상기 광결정 구조체의 반사 파장이 시프트되는 정도가 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광결정 구조체의 색변환으로부터 식별 가능한 탄화수소 화합물은 CnH2n +2(여기서, n은 1 내지 40의 정수)로 표시되는 선형 지방족 탄화수소 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄화수소 화합물은 n-CnH2n +2(여기서, n은 1 내지 25의 정수)로 표시되는 선형 지방족 탄화수소 화합물일 수 있다.
따라서, 상기 광결정 구조체(10)의 색변환에 따라, 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난, 데칸, 도데칸, 운데칸, 도데칸, 트리데칸, 테트라데칸, 또는 펜타데칸 등과 같은 탄화수소 화합물을 식별할 수 있다.
또한, 상기 광결정 구조체(10)의 색변환에 따라, 휘발유, 경유 및 등유와 같은 석유 제품을 식별할 수 있다. 통상적으로 유통되는 휘발유, 경유 및 등유는 각각 C5-10 탄화수소의 혼합물, C10-16 탄화수소의 혼합물 및 C14-20 탄화수소의 혼합물이다. 따라서, 상기 광결정 구조체(10)는 휘발유, 경유 및 등유와 같은 석유 제품과 접촉시 다르게 색이 변환될 것이므로, 석유 제품 종류별 식별이 가능하다.
상술한 바와 같은 색변환 광결정 구조체는 다음의 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조될 수 있다:
1) 제1 굴절률을 나타내는 제1 폴리머를 포함하는 제1 분산액 조성물을 사용하여 제1 굴절률층을 제조하는 단계;
2) 제2 굴절률을 나타내는 제2 폴리머를 포함하는 제2 분산액 조성물을 사용하여 상기 제1 굴절률층 상에 제2 굴절률층을 제조하는 단계; 및
3) 상기 제1 굴절률층과 상기 제2 굴절률층을 교대로 적층하여, 5 내지 30 층이 적층된 광결정 구조체를 제조하는 단계.
상기 색변환 광결정 구조체의 제조 방법에서, 제1 굴절률, 제1 폴리머, 제2 굴절률, 제2 폴리머, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
먼저, 제1 분산액 조성물 및 제2 분산액 조성물을 제조한다. 각각의 분산액 조성물은 폴리머를 용매에 분산시켜 제조될 수 있고, 여기서 분산액 조성물은 용액상, 슬러리상 또는 페이스트상 등의 여러 가지 상태를 나타내는 용어로서 사용된다. 이때, 용매는 제1 및 제2 폴리머를 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 사용 가능하며, 제1 및 제2 폴리머는 각각 분산액 조성물 총중량을 기준으로 0.5 내지 5 중량%으로 포함될 수 있다. 상술한 범위에서, 기판 상에 도포되기에 적절한 점도를 갖는 분산액 조성물을 제조할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 분산액 조성물은 용매 및 제1 폴리머로 이루어지고, 상기 제2 분산액 조성물은 용매 및 제2 폴리머로 이루어질 수 있다. 다시 말하면, 광경화를 위한 별도의 광개시제 및 가교제, 혹은 무기물 입자를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 광결정 구조체를 보다 용이하고 경제적으로 제조할 수 있으며, 별도의 첨가제를 포함하지 않아 제조된 광결정 구조체의 위치에 따른 광특성의 편차가 감소될 수 있다.
다음으로, 제조된 제1 분산액 조성물을 기판 또는 기재 상에 도포한 후 광조사를 수행하여 제1 굴절률층을 제조하고, 이후, 상기 제1 굴절률층 상에 제조된 제2 분산액 조성물을 도포한 후 광조사를 수행하여 제2 굴절률층을 제조할 수 있다.
여기서, 상기 분산액 조성물을 기판 또는 굴절률층 상에 도포하는 방법으로 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 롤코팅(roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 분무코팅(spray coating), 스핀 캐스팅(spin casting), 흐름코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing), 잉크젯(ink jet) 또는 드롭 캐스팅(drop casting) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광조사 단계는 질소 조건 하에서 365 nm 파장을 조사하는 방법으로 수행할 수 있다. 상기 광조사에 의해 폴리머 내에 포함된 벤조페논 모이어티가 광개시제로 작용하여 광경화된 굴절률층이 제조될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상술한 색변환 광결정 구조체를 포함하는 색변환 광결정 센서가 제공된다.
상기 색변환 광결정 센서는 탄화수소 화합물의 식별용으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 색변환 광결정 센서는 탄화수소 화합물과 접촉 시 그 종류에 따라 상이하게 색이 변환되므로, 변환된 색을 관찰하여 탄화수소 화합물의 식별이 가능하다. 또한, 상기 색변환 광결정 센서는 탄화수소 화합물 종류에 따라 색변환이 명확할 뿐만 아니라, 탄화수소 화합물과의 접촉이 중단되는 경우 빠르게 원래의 상태로 회복될 수 있어, 반복적으로 재사용이 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
사용 물질
이하 제조예 및 비교제조예에서 하기의 물질을 사용하였다. 이때, 각 물질들을 별도의 정제 공정 없이 사용하였다.
- 4-아미노벤조페논: 순도 98%의 TCI(Tokyo chemical industry) 사 제품을 사용하였다.
- 트리에틸아민: 순도 99%의 TCI(Tokyo chemical industry) 사 제품을 사용하였다.
- 디클로로메탄: 순도 99.9%의 Burdick&jackson 사 제품을 사용하였다.
- 아크릴로일 클로라이드: 순도 96%의 Merck 사 제품을 사용하였다.
- 테트라하이드로퓨란: 순도 99.99%의 Burdick&jackson 사 제품을 사용하였다.
- p-메틸스티렌: 순도 96%의 Sigma-aldrich 사 제품을 사용하였다.
- 아조비스이소부티로니트릴: 순도 98%의 JUNSEI 사 제품을 사용하였다.
- 1,4-다이옥산: 순도 99%의 Sigma-aldrich 사 제품을 사용하였다.
- N-이소프로필 아크릴아미드: 순도 98%의 TCI(Tokyo chemical industry) 사 제품을 사용하였다.
- 옥틸 아크릴레이트: TCI(Tokyo chemical industry) 사 제품을 사용하였다.
-헥실 아크릴레이트: 순도 96%의 TCI(Tokyo chemical industry) 사 제품을 사용하였다
모노머 및 코폴리머의 표기
이하의 제조예 및 비교제조예에서 제조한, 모노머 및 코폴리머의 명칭 및 표기는 하기 표 2와 같다.
명칭 표기
제조예 A N-(4-benzoylphenyl)acrylamide BPAA
제조예 1 poly(para-methylstyrene)-co-(N-(4-benzoylphenyl)acrylamide) Poly(p-MS-BPAA)
제조예 2 poly(N-(octylacrylate)-co-N-(4-benzoylphenyl)acrylamide) Poly(OA-BPAA)
제조예 3 poly(N-(hexylacrylate)-co-N-(4-benzoylphenyl)acrylamide) Poly(HA-BPAA)
비교제조예 1 Poly(N-Isopropylacrylamide)-co-(N-(4-benzoylphenyl)acrylamide) Poly(NIPAM-BPAA)
(모노머 합성)
제조예 A: BPAA의 제조
9.96 g의 4-아미노벤조페논, 7 mL의 트리에틸아민, 80 mL의 디클로로메탄을 250 mL 라운드 플라스크에 넣은 후 상기 플라스크를 얼음물에 두었다. 4.06 mL의 아크릴로일 클로라이드를 8 mL의 디클로로메탄에 희석시킨 후 상기 플라스크 내에 천천히 한방울씩 떨어트린 후 12 시간 교반하였다. 상기 반응 종료 후 분별깔때기를 이용하여 미반응물 및 염을 5% NaHCO3 와 염화나트륨 포화수용액으로 제거해준 다음 유기층을 무수 NaSO4를 이용하여 여분의 물을 제거한 후 회전 증발 농축기를 이용하여 용매를 제거한 후, 상온 진공 오븐에 건조시켜, 노란색 고체의 표제 화합물을 얻었다.
( 코폴리머의 합성)
제조예 1: Poly(p-MS-BPAA)의 제조
Figure 112016111135698-pat00007
3 ml의 p-메틸스티렌, 0.451 g의 상기 제조예 A에서 제조한 BPAA, 0.0046 g의 아조비스이소부티로니트릴(0.0913 mmol), 30 mL의 1,4-다이옥산을 25 ml의 슈랭크 라운드 플라스크에 넣어준 다음 교반하였다. Freeze-pump-thaw를 3 번 정도 한 후 질소로 20 분간 불어준 다음 80 도 오일 배스에 플라스크를 넣어서 15 시간 반응을 진행하였다. 상기 반응 종료 후 메탄올로 침전을 잡은 다음 필터하여 고분자를 추출한 후 상온 진공오븐에 건조시켜, Poly(p-MS-BPAA)(n'= 250, m'=9)를 얻었다.
제조예 2: Poly(OA-BPAA)의 제조
Figure 112016111135698-pat00008
2 ml의 옥틸 아크릴레이트(9.6 mmol), 0.024 g의 상기 제조예 A에서 제조한 BPAA(4.8 mmol), 0.0032 g의 아조비스이소부티로니트릴(4.9×10- 5 mol), 6 mL의 1,4-다이옥산을 25 ml의 슈랭크 라운드 플라스크에 넣어준 다음 교반시킨다. Freeze-pump-thaw를 3번정도 한 후 질소로 20 분간 불어준 다음 60 도 오일 배스에 플라스크를 넣어서 21 시간 반응을 진행하였다. 상기 반응 종료 후 메탄올로 침전을 잡은 다음 필터하여 고분자를 추출한 후 상온 진공오븐에 건조시켜, Poly(OA-BPAA)(n= 497, m=3)를 얻었다.
제조예 3: Poly(HA-BPAA)의 제조
Figure 112016111135698-pat00009
2 ml의 헥실 아크릴레이트(11.5 mmol), 0.029 g의 상기 제조예 A에서 제조한 BPAA(0.12 mmol), 0.0038 g의 아조비스이소부티로니트릴(2.32×10- 5 mol), 8 mL의 1,4-다이옥산을 25 ml의 슈랭크 라운드 플라스크에 넣어준 다음 교반시킨다. Freeze-pump-thaw를 3번정도 한 후 질소로 20 분간 불어준 다음 60 도 오일 배스에 플라스크를 넣어서 21 시간 반응을 진행하였다. 상기 반응 종료 후 메탄올로 침전을 잡은 다음 필터하여 고분자를 추출한 후 상온 진공오븐에 건조시켜, Poly(HA-BPAA)(n= 495, m=5)를 얻었다.
비교제조예 1: Poly(NIPAM-BPAA)의 제조
Figure 112016111135698-pat00010
1.57 g의 N-이소프로필 아크릴아미드(1.38 mmol), 0.0351 g의 상기 제조예 1에서 제조한 BPAA(0.14 mmol), 0.0046 g의 아조비스이소부티로니트릴(0.028 mmol), 6 mL의 1,4-다이옥산을 25 ml의 슈랭크 라운드 플라스크에 넣어준 다음 교반하였다. Freeze-pump-thaw를 3 번 정도 한 후 질소로 20 분간 불어준 다음 80 도 오일 배스에 플라스크를 넣어서 15 시간 반응을 진행하였다. 상기 반응 종료 후 냉각된 에틸 에테르로 침전을 잡은 다음 필터하여 고분자를 추출한 후 상온 진공오븐에 건조시켜, Poly(NIPAM-BPAA)(n= 495, m= 6)를 얻었다.
시험예 1: 코폴리머의 물성 측정
상기 제조예 1 내지 3 및 비교제조예 1에서 제조한 코폴리머의 구체적인 물성을 하기의 방법으로 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 이 중 제조예 2 에서 제조한 코폴리머에 대한 1H-NMR 스펙트럼, GPC 결과 및 DSC 결과를 각각 도 2a, 2b 및 2c에 나타내었고, 제조예 3 에서 제조한 코폴리머에 대한 1H-NMR 스펙트럼, GPC 결과 및 DSC 결과를 각각 도 3a, 3b 및 3c에 나타내었다.
1) Mn(수 평균 분자량): 폴리메틸 메타크릴레이트를 Calibration용 표준 시료로 하여 겔투과크로마토그래피(GPC)를 사용하여 측정하였다.
2) Tg(유리전이온도): DSC(differential scanning calorimeter)를 사용하여 측정하였다.
3) BPAA 구조 단위의 함량: NMR에 의해 측정하였다.
4) 굴절률: 타원계측법(Ellipsometer)에 의해 측정하였다.
코폴리머 종류 Mn
(g/mol)		 Tg
(℃)		 BPAA의 함량
(%)		 굴절률
제조예 1 Poly(p-MS-BPAA) 13,496 113 3.5 1.597
제조예 2 Poly(OA-BPAA) 13.966 -56.89 0.6 1.470
제조예 3 Poly(HA-BPAA) 9,877 -56.79 1% 1.378
비교제조예 1 Poly(NIPAM-BPAA) 12,664 141 1.18 1.491
( 색변환 광결정 구조체의 제조)
실시예 1
상기 제조예 1에서 제조한 Poly(p-MS-BPAA)를 톨루엔에 2 wt%가 되도록 녹여 고굴절률 분산액 조성물을 제조하였고, 상기 제조예 2에서 제조한 Poly(OA-BPAA)를 헵탄에 1.2 wt%가 되도록 녹여 저굴절률 분산액 조성물을 제조하였다.
유리 기판 상에 상기 저굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 2,000 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 5 분간 질소상태에서 경화시켜 41 nm 두께의 저굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층이 형성된 유리 기판을 헵탄 용액에 넣어 경화되지 않은 부분을 제거하였다.
다음으로, 상기 저굴절률층 상에 상기 고굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 2,000 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 5 분간 경화시켜 73 nm 두께의 고굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층 및 고굴절률층이 형성된 유리 기판을 톨루엔 용액에 넣어 경화되지 않는 부분을 제거하였다.
이후, 상기 고굴절률층 상에 저굴절률층 및 고굴절률층을 반복적으로 적층하여, 총 7 층의 굴절률층이 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 유리 기판 상에 저굴절률층 및 고굴절률층이 반복적으로 총 9 층 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 유리 기판 상에 저굴절률층 및 고굴절률층이 반복적으로 총 11 층 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 유리 기판 상에 저굴절률층 및 고굴절률층이 반복적으로 총 13 층 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
실시예 5
상기 제조예 1에서 제조한 Poly(p-MS-BPAA)를 톨루엔에 1.5 wt%가 되도록 녹여 고굴절률 분산액 조성물을 제조하였고, 상기 제조예 3에서 제조한 Poly(HA-BPAA)를 헥산에 2 wt%가 되도록 녹여 저굴절률 분산액 조성물을 제조하였다.
유리 기판 상에 상기 저굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 3,300 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 10 분간 질소상태에서 경화시켜 60 nm 두께의 저굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층이 형성된 유리 기판을 헵탄 용액에 넣어 경화되지 않은 부분을 제거하였다.
다음으로, 상기 저굴절률층 상에 상기 고굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 3,300 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 5 분간 경화시켜 62 nm 두께의 고굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층 및 고굴절률층이 형성된 유리 기판을 톨루엔 용액에 넣어 경화되지 않는 부분을 제거하였다.
이후, 상기 고굴절률층 상에 저굴절률층 및 고굴절률층을 반복적으로 적층하여, 총 7 층의 굴절률층이 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
비교예 1
상기 제조예 1에서 제조한 Poly(p-MS-BPAA)를 톨루엔에 1 wt%가 되도록 녹여 고굴절률 분산액 조성물을 제조하였고, 상기 제조예 2에서 제조한 Poly(NIPAM-BPAA)를 프로판올에 2 wt%가 되도록 녹여 저굴절률 분산액 조성물을 제조하였다.
유리 기판 상에 상기 저굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 1,900 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 경화시켜 67 nm 두께의 저굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층이 형성된 유리 기판을 프로파올 용액에 넣어 경화되지 않은 부분을 제거하였다.
다음으로, 상기 저굴절률층 상에 상기 고굴절률 분산액 조성물을 스핀 코터를 이용하여 1,900 rpm에서 50 초간 도포한 후 365 nm에서 5 분간 경화시켜 40 nm 두께의 고굴절률층을 제조하였다. 상기 저굴절률층 및 고굴절률층이 형성된 유리 기판을 톨루엔 용액에 넣어 경화되지 않는 부분을 제거하였다.
이후, 상기 고굴절률층 상에 저굴절률층 및 고굴절률층을 반복적으로 적층하여, 총 15 층의 굴절률층이 적층된 광결정 구조체를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 광결정 구조체에 대하여 하기 표 4에 정리하였다.
저굴절률층 고굴절률층 두께비
(고/저)		 총
적층수
코폴리머 종류 두께(nm) 코폴리머 종류 두께 (nm)
실시예 1 Poly(OA-BPAA) 41 Poly(p-MS-BPAA) 73 1.78 7
실시예 2 Poly(OA-BPAA) 41 Poly(p-MS-BPAA) 73 1.78 9
실시예 3 Poly(OA-BPAA) 41 Poly(p-MS-BPAA) 73 1.78 11
실시예 4 Poly(OA-BPAA) 41 Poly(p-MS-BPAA) 73 1.78 13
실시예 5 Poly(HA-BPAA) 60 Poly(p-MS-BPAA) 62 1.03 7
비교예 1 Poly(NIPAM-BPAA) 40 Poly(p-MS-BPAA) 67 0.60 15
시험예 2: 탄화수소 화합물 변화에 따른 색변환 관찰
탄화수소 화합물에 따른 색변환 여부를 관찰하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조한 광결정 구조체를 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 각각 1분 및 5분간 담근 후, 변화된 색을 관찰하여 도 4a 및 도 4b에 나타내었고, 상기 탄화수소 화합물들에 1 분간 담근 광결정 구조체의 정반사도를 Reflectometer(USB 4000, Ocean Optics)를 이용하여 측정하여 도 4c에 나타내었다. 이때, 맨 좌측의 사진은 상기 탄화수소 화합물에 담그기 전의 광결정 구조체의 색을 나타낸다.
또한, 상기 실시예 3에서 제조한 광결정 구조체를 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 각각 1분간 담근 후, 변화된 색을 관찰하여 도 5a에 나타내었고, 상기 탄화수소 화합물들에 1 분간 담근 광결정 구조체의 정반사도를 Reflectometer(USB 4000, Ocean Optics)를 이용하여 측정하여 도 5b에 나타내었다.
또한, 상기 실시예 5에서 제조한 광결정 구조체를 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸, 테트라데칸, 등유 및 경유에 각각 1분간 담근 후, 변화된 색을 관찰하여 도 6에 나타내었다.
또한, 실시예에서 제조한 광결정 구조체와의 색변환 정도를 비교하기 위하여, 상기 비교예 1에서 제조한 광결정 구조체를 헥산, 옥탄, 데칸, 도데칸 및 테트라데칸에 각각 1분 및 5분간 담근 후, 변화된 색을 관찰하여 도 7a 및 도 7b에 나타내었다.
도 4 내지 6에서 보는 바와 같이, 상기 실시예에서 제조한 광결정 구조체는 탄화수소 화합물과 접촉 시 그 종류에 따라 광결정 구조체의 반사 파장이 달라져서, 다른 색변환을 나타내었다. 특히, 탄화수소 화합물이 갖는 탄소수가 증가할수록, 이와 접촉하는 광결정 구조체의 반사 파장은 단파장으로 시프트되고, 광결정 구조체 내 폴리머의 팽윤 정도는 탄화수소 화합물의 탄소수가 감소할수록 증가됨을 알 수 있다.
반면, 도 7에서 보는 바와 같이, 상기 비교예 1에서 제조한 광결정 구조체는, 실시예에서 제조한 광결정 구조체와는 달리, 탄화수소 화합물의 종류를 달리하여도 또한 탄화수소 화합물과의 접촉시간을 증가시켜도, 나타내는 색이 거의 차이가 없어, 탄화수소 화합물을 식별할 수 없음을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따라 제조된 광결정 구조체를 포함하는 경우 탄화수소를 식별하기 위한 센서로 사용 가능함을 확인하였다.
시험예 3: 적층수 변화에 따른 색변환 관찰
광결정 구조체의 적층수에 따른 반사파장 시프트 정도의 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 2 내지 4에서 제조한 광결정 구조체를 각각 헥산, 옥탄, 데칸 및 도데칸에 담근 후, 시간 경과에 따른 반사 파장 변화를 측정하였고, 이를 각각 도 8 내지 도 10에 나타내었다.
도 8 내지 10에서 보는 바와 같이, 상기 실시예 2 내지 4에서 제조한 광결정 구조체는 탄화수소 화합물과 접촉 시 그 종류에 따라 광결정 구조체의 반사 파장이 시프트되고, 탄화수소 화합물의 탄소수가 감소되어 Molar Volume이 작을수록 반사 파장이 시프트되는 정도가 증가됨을 알 수 있다.
시험예 4: 등유 및 경유 식별 테스트
상기 광결정 구조체로 등유와 경유를 식별할 수 있는 지 확인하기 위하여, 상기 실시예 3에서 제조한 광결정 구조체를 등유와 경유에 각각 담근 후, 변화된 색을 1분 간격으로 3분간 관찰하여 도 11에 나타내었다. 이때, 맨 좌측의 'Pristine' 사진은 상기 등유 및 경유에 담그기 전의 광결정 구조체의 색을 나타낸다.
도 11에서 보는 바와 같이, 상기 실시예에서 제조한 광결정 구조체는 등유 및 경유에 따라 반사 파장이 달라져서 다른 색변환을 나타내었다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 광결정 구조체를 포함하는 센서는 등유와 경유를 식별하기 위한 용도로 사용 가능함을 확인하였다.
10: 색변환 광결정 구조체 11: 기판
13: 제1 굴절률층 15: 제2 굴절률층

Claims (10)

  1. 색변환 광결정 구조체로서,
    교대로 적층된, 제1 굴절률을 나타내는 제1 폴리머를 포함하는 제1 굴절률층; 및 제2 굴절률을 나타내는 제2 폴리머를 포함하는 제2 굴절률층;을 포함하고,
    상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률은 상이하고,
    상기 제1 폴리머는 하기 화학식 1로 표시되는 코폴리머이며, 상기 제2 폴리머는 하기 화학식 2로 표시되는 코폴리머이고,
    상기 광결정 구조체의 색변환은 탄화수소 화합물과 접촉 시 반사 파장이 시프트되어 나타나는 것인,
    색변환 광결정 구조체:
    [화학식 1]
    Figure 112018026183913-pat00032

    상기 화학식 1에서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-3 알킬이고,
    X1은 C5-20 알킬이고,
    L1은 O 또는 NH이고,
    Y1은 벤조일페닐이고,
    여기서 Y1은 비치환되거나, 또는 하이드록시, 할로겐, 니트로, C1-5 알킬 및 C1-5 알콕시로 구성되는 군으로부터 각각 독립적으로 선택되는 1개 내지 4개의 치환기로 치환되고,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
    n+m은 50 내지 1,000이고,
    [화학식 2]
    Figure 112018026183913-pat00033

    상기 화학식 2에서,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-3 알킬이고,
    R11은 하이드록시, 시아노, 니트로, 아미노, SO3H, SO3(C1-5알킬), C1-10 알킬 또는 C1-10 알콕시이고,
    a1은 0 내지 5의 정수이고,
    L2는 O 또는 NH이고,
    Y2는 벤조일페닐이고,
    여기서 Y2는 비치환되거나, 또는 하이드록시, 할로겐, 니트로, C1-5 알킬 및 C1-5 알콕시로 구성되는 군으로부터 각각 독립적으로 선택되는 1개 내지 4개의 치환기로 치환되고,
    n' 및 m'는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
    n'+ m'는 100 내지 1,000이다.
  2. 제1항에 있어서,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸이고,
    X1은 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 또는 펜타데실인,
    색변환 광결정 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 코폴리머는 n:m의 몰비가 100:0.1 내지 100:10이고, 수 평균 분자량이 5,000 내지 300,000 g/mol인,
    색변환 광결정 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 폴리머는 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표시되는 코폴리머이고, 상기 제2 폴리머는 하기 화학식 2-1로 표시되는 코폴리머인,
    색변환 광결정 구조체:
    [화학식 1-1]
    Figure 112018026183913-pat00034

    [화학식 1-2]
    Figure 112018026183913-pat00035

    하기 화학식 1-1 또는 1-2에서,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
    n+m은 50 내지 1,000이고,
    [화학식 2-1]
    Figure 112018026183913-pat00036

    하기 화학식 2-1에서,
    n' 및 m'는 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고,
    n'+ m'는 100 내지 1,000이다.
  5. 제1항에 있어서,
    R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸이고,
    R11은 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸, 또는 tert-부틸이고,
    a1은 0, 1 또는 2인,
    색변환 광결정 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 2로 표시되는 코폴리머는 n':m'의 몰비가 100:1 내지 100:20이고, 수 평균 분자량이 10,000 내지 300,000 g/mol인,
    색변환 광결정 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률층과 상기 제2 굴절률층의 총 적층수는 5 내지 30 층인,
    색변환 광결정 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률층은 두께가 20 내지 70 nm인 저굴절률층이고,
    상기 제2 굴절률층은 두께가 30 내지 120 nm인 고굴절률층인,
    색변환 광결정 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률층의 두께 대 상기 제2 굴절률층의 두께의 비가 1:0.3 내지 1:2인,
    색변환 광결정 구조체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 색변환 광결정 구조체를 포함하는,
    색변환 광결정 센서.
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