KR102147599B1 - Photonic crystal structure and a method of fabricating the same - Google Patents

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KR102147599B1
KR102147599B1 KR1020190042288A KR20190042288A KR102147599B1 KR 102147599 B1 KR102147599 B1 KR 102147599B1 KR 1020190042288 A KR1020190042288 A KR 1020190042288A KR 20190042288 A KR20190042288 A KR 20190042288A KR 102147599 B1 KR102147599 B1 KR 102147599B1
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photonic crystal
hydrophilic polymer
crystal structure
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block copolymer
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KR1020190042288A
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박철민
강한솔
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연세대학교 산학협력단
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics

Abstract

The present invention relates to a photonic crystal structure and a manufacturing method thereof. The photonic crystal structure according to one embodiment of the present invention may include: a hydrophobic-hydrophilic block copolymer having a lamellar structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated; a hydrogel material forming an interpenetrating polymer network (IPN) structure to which a hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain is photo-crosslinked; and a transfer channel formed in the block copolymer in the thickness direction and transferring the hydrogel material to be photo-crosslinked to the hydrophilic polymer domain.

Description

광결정 구조체 및 이의 제조 방법{Photonic crystal structure and a method of fabricating the same}Photonic crystal structure and a method of fabricating the same}

본 발명은 광결정(photonic crystal) 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광결정 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photonic crystal technology, and more particularly, to a photonic crystal structure and a method of manufacturing the same.

초고속 정보화 사회의 구현을 위하여 그 효율과 집적도 면에서 향상된 광전자 소자(photoelectronic device)에 대한 개발의 필요성이 증대되고 있으며, 이에 미시적인 공간에서 광자를 제어할 수 있는 광결정(photonic crystal)의 이용에 관심이 집중되고 있다. 상기 광결정은 물질의 굴절률을 주기적으로 변화시켜 특정 파장 대역의 전자기파가 전달되지 않는 광밴드갭(photonic band gap)을 갖는 물질로서, 광 필터, 마이크로 레이저, 전기발광 소자, 광기전 소자, 광 스위치, 센서 등 다양한 광전자 소자에의 응용성을 가지고 있다. For the realization of an ultra-high-speed information society, the need for development of photoelectronic devices improved in terms of efficiency and integration is increasing, and therefore, interest in the use of photonic crystals that can control photons in a microscopic space. Is being concentrated. The photonic crystal is a material having a photonic band gap in which electromagnetic waves of a specific wavelength band are not transmitted by periodically changing the refractive index of the material, and includes optical filters, microlasers, electroluminescent devices, photovoltaic devices, optical switches, It has applicability to various optoelectronic devices such as sensors.

상기 광결정을 제작하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 리소그라피(lithography), 이온빔 에칭(ion beam etching)과 같은 나노 미세 가공기술을 바탕으로 하는 탑-다운(top-down) 방식과 나머지 하나는 콜로이드 입자(colloidal particle)나 고분자 등의 물리적 또는 화학적 자기조립(self-assembly)을 이용하는 바텀-업(bottom-up) 방법이다. The method of manufacturing the photonic crystal is largely divided into two types. One is a top-down method based on nano-fine processing techniques such as lithography and ion beam etching, and the other is physical or chemical such as colloidal particles or polymers. It is a bottom-up method using self-assembly.

그러나, 상기 탑-다운 방식은 미세 가공기술을 이용하기 때문에 공정이 복잡하고, 고가의 광학 장비가 필요하며, 많은 비용이 소모되는 단점이 있다. 반면, 바텀-업 방식은 콜로이드 입자를 제어하기 어려운 문제가 있고, 하나의 물질에 의하여 하나의 차단 대역(stop-band) 만을 나타낼 수 있는 한계가 있으므로, 다양한 광밴드갭을 갖는 광결정 구조체를 형성하기 위하여는 매번 다른 콜로이드 용액 또는 고분자를 이용하여 광결정을 성장 또는 생성시켜야 하는 번거로움이 있다. However, since the top-down method uses a fine processing technique, the process is complicated, expensive optical equipment is required, and a lot of cost is consumed. On the other hand, the bottom-up method has a problem in that it is difficult to control the colloidal particles, and there is a limitation in that only one stop-band can be expressed by one material, so it is possible to form a photonic crystal structure having various optical band gaps. In order to do so, there is an inconvenience of growing or generating a photonic crystal using a different colloidal solution or polymer each time.

또한, 상기 자기조립을 이용하는 바텀-업 방법은 가시 거리(visible range)의 구조색을 부여하기 위해 팽윤제를 사용하기 때문에 주로 액상 상태에서 구조색 발현이 가능하다. 이로 인해, 광결정을 갖는 박막의 기계적 특성을 악화시켜서 광결정의 미세 구조를 변경하기 어려울 수 있으며, 동시 구조색의 기록 및 판독이 어렵다.In addition, since the bottom-up method using self-assembly uses a swelling agent to impart a structural color of a visible range, it is possible to express structural color mainly in a liquid state. For this reason, it may be difficult to change the microstructure of the photonic crystal by deteriorating the mechanical properties of the thin film having the photonic crystal, and it is difficult to simultaneously record and read the structural color.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 저비용으로 다양한 광밴드갭을 쉽게 표현할 수 있고, 기계적 특성을 유지하고, 광결정의 미세 구조를 쉽고 민감하게 변경할 수 있고, 가역성을 가지며, 빠른 반응 시간을 갖는 재기록(re-writable)이 가능한 광결정 구조체를 제공하는 것이다. Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is that it is possible to easily express various optical band gaps at low cost, maintain mechanical properties, easily and sensitively change the microstructure of a photonic crystal, have reversibility, and have a fast reaction time. It is to provide a photonic crystal structure capable of being re-writable.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 광결정 구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a photonic crystal structure having the above-described advantages.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 라멜라 구조를 갖는 소수성-친수성 블록 공중합체; 상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 광가교 결합된 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성하는 하이드로겔 물질; 및 상기 블록 공중합체 내에 두께 방향으로 형성되며, 상기 광가교 결합될 하이드로겔 물질을 상기 친수성 고분자 도메인으로 전달하는 이송 채널을 포함하는 광결정 구조체가 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 친수성 고분자 도메인으로 전달된 상기 하이드로겔 물질의 양에 의해, 상기 광결정 구조체의 초기 반사광의 파장이 결정되고, 상기 하이드로겔 물질의 양은 상기 광가교 결합의 정도에 의해 조절될 수 있다. 상기 하이드로겔 물질의 양이 증가하거나 상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질 사이의 광가교 결합의 정도가 클수록 상기 초기 반사광은 적색 편이(red-shift)될 수 있다. 상기 이송 채널은 나사 전위(screw dislocation)의 위상학적 결함(topological defect)이고, 상기 소수성-친수성 블록 공중합체는 자기조립 구조를 가질 수 있다. 상기 광결정 구조체는 이온성 액체를 이용한 잉크젯 인쇄가 가능하며, 상기 잉크젯 인쇄된 이온성 액체는 상기 이송 채널을 통해 상기 IPN 구조를 갖는 친수성 고분자 도메인으로 1차 흡수되어, 상기 친수성 고분자 도메인을 국부적으로 팽창시킴으로써, 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있다. 상기 친수성 고분자 도메인으로 1차 흡수된 이온성 액체가 상기 소수성-친수성 블록 공중합체 상에 배치되는 별도의 하이드로겔 블록에 의해, 상기 하이드로겔 블록으로 2차 흡수되어, 상기 광결정 구조체는 초기화될 수 있다. 상기 소수성 고분자 도메인은 폴리스티렌, 폴리사이클로헥실에틸렌, 및 폴리메틸스티렌 중 어느 하나 이상이고, 상기 친수성 고분자 도메인은 폴리비닐피리딘, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리락티드, 및 폴리하이드록시스티렌 중 어느 하나 이상이고, 상기 하이드로겔 물질은 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트 (polyethylene glycol diacrylate, PEGDA), 젤라틴 메타크릴레이트(gelatin methacrylate, GelMA), 아크릴산, 아크릴아미드 및 N-아이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide, NIPAAM)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 광가교 결합은 자외선(Ultraviolet: UV), 적외선(infrared), 가시광선, x선, 감마선 및 전파 중 어느 하나의 조사에 의해 수행되고, 상기 친수성 고분자 도메인 내에 상기 하이드로겔 물질과 함께 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a hydrophobic-hydrophilic block copolymer having a lamellar structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated; A hydrogel material forming an interpenetrating polymer network (IPN) structure in which the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain is photo-crosslinked; And a transfer channel formed in the block copolymer in the thickness direction and transferring the hydrogel material to be photo-crosslinked to the hydrophilic polymer domain may be provided. According to an embodiment, the wavelength of the initial reflected light of the photonic crystal structure is determined by the amount of the hydrogel material transferred to the hydrophilic polymer domain, and the amount of the hydrogel material is adjusted by the degree of the photocrosslinking. I can. As the amount of the hydrogel material increases or the degree of photocrosslinking between the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material increases, the initial reflected light may be red-shifted. The transfer channel is a topological defect of screw dislocation, and the hydrophobic-hydrophilic block copolymer may have a self-assembled structure. The photonic crystal structure is capable of inkjet printing using an ionic liquid, and the inkjet printed ionic liquid is first absorbed into the hydrophilic polymer domain having the IPN structure through the transfer channel, thereby locally expanding the hydrophilic polymer domain. By doing so, it is possible to implement full color. The ionic liquid first absorbed into the hydrophilic polymer domain is absorbed secondarily into the hydrogel block by a separate hydrogel block disposed on the hydrophobic-hydrophilic block copolymer, so that the photonic crystal structure can be initialized. . The hydrophobic polymer domain is any one or more of polystyrene, polycyclohexylethylene, and polymethylstyrene, and the hydrophilic polymer domain is polyvinylpyridine, polymethylmethacrylate, polybutylacrylate, polyethylene oxide, polylactide, and Any one or more of polyhydroxystyrene, and the hydrogel material is polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), gelatin methacrylate (GelMA), acrylic acid, acrylamide, and N-isopropylacrylamide. It may be one selected from the group consisting of (N-isopropylacrylamide, NIPAAM), or a combination thereof. The photocrosslinking is performed by irradiation of any one of ultraviolet (Ultraviolet), infrared (infrared), visible ray, x-ray, gamma ray, and radio waves, and a photoinitiator (photo initiator) with the hydrogel material in the hydrophilic polymer domain initiator) and water (H2O).

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 가지며, 이송 채널을 포함하는 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 이송 채널을 통해, 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하는 단계; 및 상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질이 가교결합되도록 광을 조사하는 단계를 포함하는 광결정 구조체의 제조 방법이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계는, 블록공중합체 전구체 용액을 준비하는 단계; 상기 블록공중합체 전구체 용액을 블록공중합체 박막이 형성되도록 스핀코팅하는 단계; 및 상기 블록공중합체 박막을 용매 어닐링(solvent annealing) 시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하는 단계는, 상기 하이드로겔 물질, 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)을 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 상기 혼합용액을 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체 상에 코딩하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코팅하는 단계는 담금(dipping), 도포(spreading), 브러싱(brushing), 나이프 코팅(knife coating), 롤링(rolling), 분사(spraying), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing) 및 커튼코팅(curtain coating)을 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, forming a hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure having a structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated and including a transport channel; And injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain through the transfer channel. And irradiating light so that the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material are crosslinked may be provided. In one embodiment, the step of forming the hydrophobic-hydrophilic block copolymerization layered structure comprises: preparing a block copolymer precursor solution; Spin coating the block copolymer precursor solution to form a block copolymer thin film; And it may include a step of solvent annealing the block copolymer thin film (solvent annealing). Injecting the hydrogel material into the hydrophilic polymer domain may include preparing a mixed solution containing the hydrogel material, a photo initiator, and water (H2O); It may include the step of coding the mixed solution on the hydrophobic-hydrophilic block copolymerized layered structure. The coating steps include dipping, spreading, brushing, knife coating, rolling, spraying, spin coating, and screen printing. And it may include a curtain coating (curtain coating).

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제 1 항에 기재된 광결정 구조체를 준비하는 단계; 상기 광결정 구조체 상에, 이온성 액체 잉크를 사용하여 프린팅하는 단계를 포함하는 정보 표시 방법이 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the step of preparing the photonic crystal structure according to claim 1; An information display method comprising the step of printing on the photonic crystal structure using ionic liquid ink may be provided.

본 발명의 실시예에 따르면, 소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 갖는 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체 내에 수직 관통하여, 광가교 결합될 하이드로겔 물질을 상기 친수성 고분자 도메인으로 전달하는 이송 채널을 포함함으로써, 저비용으로 다양한 광밴드갭을 쉽게 표현할 수 있고, 가역성을 가지며, 빠른 반응 시간을 갖는 재기록(re-writable)이 가능한 광결정 구조체를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a hydrogel material to be photocrosslinked is delivered to the hydrogel material to be photocrosslinked by vertically penetrating a hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure having an alternately repeated structure. By including a transport channel, it is possible to provide a photonic crystal structure capable of easily expressing various optical band gaps at low cost, having reversibility, and capable of re-writable having a fast reaction time.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 이점을 갖는 광결정 구조체의 제조 방법을 제공할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a photonic crystal structure having the above-described advantages can be provided.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체의 제조 방법을 나타내는 순서도이며, 도 3 및 도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 단면도를 보여주는 TEM 이미지이며, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6a 내지 도 6c의 광결정 구조체에 대한 GISAXS(Grazing-incidence small-angle scattering) 결과를 보여주는 그래프이다
도 7a는 자외선 노출 시간에 따른 광결정 구조체의 광 밴드 값을 측정하기 위한 US-vis 분광 광도계 실험 결과이며, 도 7b는 자외선 노출 시간에 따른 차단 대역(stop band)의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7c는 상기 광결정 구조체에 의하여 표현된 색상 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광결정 구조체의 기계적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에서 따른 광결정 구조체 상에 잉크젯 인쇄되는 개념을 보여주는 도면이며, 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크의 농도 변화에 따라 이온성 액체 잉크로 인쇄된 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 UV-vis 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크의 농도 변화에 따라 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 차단 대역(stop band) 위치를 나타내는 그래프이고, 도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크로 인쇄된 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체의 이미지이고, 도 10e 및 도 10f는 본 발명의 실시예에 따른 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 광결정 구조체 상에 잉크젯 인쇄된 이미지이다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 광결정 구조체의 쓰기 및 소거의 반복적인 사용을 보여주는 도면이며, 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크 및 하이드로 겔 블록을 사용하여 반복적으로 쓰기 및 소거된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 이미지를 보여주는 도면이고, 도 11c는 이온성 액체 잉크 및 하이드로 겔 블록을 사용하여 반복적으로 쓰기 및 소거된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 UV-vis 스펙트럼을 보여주는 도면이고, 도 11d는 쓰기 및 소거의 반복적인 사이클에 따른 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 차단 대역(stop band)의 위치를 보여주는 그래프이고, 도 11e는 이온성 액체 잉크가 서서히 주입된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 UV-vis 스펙트럼이고, 도 11f 내지 도 11h는 광결정 구조체의 이미지이고, 도 11i는 색상의 혼합을 보여주는 도면이다.
1 is a cross-sectional view of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 and 4A to 4B are views for explaining a method of manufacturing a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.
5A to 5C are TEM images showing a cross-sectional view of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 6A to 6C are GISAXS for the photonic crystal structure of FIGS. 6A to 6C according to an embodiment of the present invention. Grazing-incidence small-angle scattering)
7A is a US-vis spectrophotometer experiment result for measuring the optical band value of the photonic crystal structure according to the UV exposure time, FIG. 7B is a graph showing the change of the stop band according to the UV exposure time, and FIG. 7C Is a color image expressed by the photonic crystal structure.
8 is a graph showing mechanical properties of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining a method of manufacturing a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.
10A is a view showing a concept of inkjet printing on a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10B is an IPN printed with ionic liquid ink according to a change in concentration of the ionic liquid ink according to an embodiment of the present invention. A graph showing the UV-vis spectrum of a block copolymer having a structure, and FIG. 10C is a stop band position of a block copolymer having an IPN structure according to a change in concentration of an ionic liquid ink according to an embodiment of the present invention. 10D is an image of a photonic crystal structure of a self-assembled block copolymer (BCP) printed with an ionic liquid ink according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 10E and 10F are This is an inkjet-printed image on a photonic crystal structure of a block copolymer having an IPN structure.
FIG. 11A is a diagram showing the repeated use of writing and erasing of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a diagram showing the repeated use of writing and erasing an ionic liquid ink and a hydrogel block according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing an image of the erased self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure, and FIG. 11C is a view of the self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure repeatedly written and erased using an ionic liquid ink and a hydrogel block. A diagram showing a UV-vis spectrum, FIG. 11D is a graph showing the position of a stop band of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure according to repetitive cycles of writing and erasing, and FIG. 11E is an ionic It is a UV-vis spectrum of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure in which liquid ink is gradually injected, FIGS. 11F to 11H are images of a photonic crystal structure, and FIG. 11I is a diagram showing color mixing.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명은 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되는 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to explain the present invention more completely to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.

또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, in the following drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used in this specification are used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates another case. Further, as used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and/or groups thereof. And does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, members, elements, and/or groups.

본 명세서에서 층 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 층 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 층 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다. Reference to a layer formed "on" a layer or another layer in this specification refers to a layer formed directly on the layer or other layer, or formed on an intermediate layer or intermediate layers formed on the layer or other layer. It may also refer to a layer. Further, for those skilled in the art, a structure or shape arranged “adjacent” to another shape may have a portion disposed below or overlapping with the adjacent shape.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향 뿐 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.In this specification, "below", "above", "upper", "lower", "horizontal" or "vertical" Relative terms such as, as shown on the drawings, may be used to describe the relationship between one component member, layer, or region with another component member, layer, or region. It is to be understood that these terms encompass not only the orientation indicated in the figures, but also other orientations of the device.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically showing ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체의 단면도를 나타내는 것이다. 1 is a cross-sectional view of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 광결정 구조체(100)는 서로 다른 고분자 물질들을 포함하는 블록 공중합체(block copolymer: BCP)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 블록 공중합체(BCP)는 친수성 고분자 도메인(10)과 소수성 고분자 도메인(20)이 교대로 반복되는 라멜라 구조를 가질 수 있다. 친수성 고분자 도메인(10)과 소수성 고분자 도메인(20)은 각각 친수성 고분자와 소수성 고분자로 우세하게 점유된 영역을 지칭할 수 있다. 일 실시예에서 상기 블록 공중합체(BCP)는 자기조립 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 1, the photonic crystal structure 100 may include a block copolymer (BCP) including different polymer materials. In one embodiment, the block copolymer (BCP) may have a lamellar structure in which the hydrophilic polymer domain 10 and the hydrophobic polymer domain 20 are alternately repeated. The hydrophilic polymer domain 10 and the hydrophobic polymer domain 20 may refer to regions predominantly occupied by a hydrophilic polymer and a hydrophobic polymer, respectively. In one embodiment, the block copolymer (BCP) may have a self-assembled structure.

일 실시예에서, 광결정 구조체(100)는 상기 블록 공중합체(BCP) 내에 두께 방향으로 형성되며, 광가교 결합될 하이드로겔 물질(13)을 친수성 고분자 도메인(10)으로 전달하는 이송 채널(30)을 포함할 수 있다. 이송 채널(30)은, 라멜라 구조의 광결정 구조체(100)에서 나타나는 위상학적 결함(topological defect)에 의해 제공될 수 있다. 상기 위상학적 결함은 칼날 전위(edge dislocation), 나선 전위(screw dislocation) 또는 혼합 전위(mixed dislocation)일 수 있다. 바람직하게, 본원 발명에서, 이송 채널(30)은 나선 전위일 수 있다. In one embodiment, the photonic crystal structure 100 is formed in the block copolymer (BCP) in a thickness direction, and a transfer channel 30 for transferring the hydrogel material 13 to be photocrosslinked to the hydrophilic polymer domain 10 It may include. The transfer channel 30 may be provided by a topological defect appearing in the photonic crystal structure 100 having a lamellar structure. The topological defect may be an edge dislocation, a screw dislocation, or a mixed dislocation. Preferably, in the present invention, the conveying channel 30 may be a helical dislocation.

이송 채널(30)을 통해 하이드로겔 물질(13)이 친수성 고분자 도메인(10)으로 전달됨으로써, 친수성 고분자 도메인(10)의 친수성 고분자와 하이드로겔 물질(13)이 광가교 결합하여, 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성할 수 있다. 상기 IPN는 두 가교 고분자의 네트워크가 물리적으로 서로 얽혀 있어서, 내약품성, 내용제성, 내열성의 가교 고분자의 특성과 물성의 상승효과 또는 양친성(amphiphilicity)의 고분자 블렌드의 특성을 갖는다. 또한, 상기 IPN의 모폴로지는 합성과정 중 합성조건의 변경(예컨대, 합성온도, 압력, 촉매농도, 용매, 가교밀도)이 가능하며 고분자 블렌드, 블록 공중합체와는 달리 한번 형성된 모폴로지는 가교 구조 사이의 물리적 얽힘 때문에 유지될 수 있다. As the hydrogel material 13 is transferred to the hydrophilic polymer domain 10 through the transport channel 30, the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain 10 and the hydrogel material 13 are photocrosslinked to each other, thereby interpenetrating the network ( Interpenetrating polymer network: IPN) structure can be formed. The IPN has properties of a crosslinked polymer having chemical resistance, solvent resistance, and heat resistance, and a synergistic effect of physical properties or a polymer blend of amphiphilicity because the network of the two crosslinked polymers is physically intertwined with each other. In addition, the morphology of the IPN can change the synthesis conditions (e.g., synthesis temperature, pressure, catalyst concentration, solvent, crosslinking density) during the synthesis process, and unlike polymer blends and block copolymers, the morphology formed once is between crosslinked structures. It can be maintained because of physical entanglement.

친수성 고분자 도메인(10)에 하이드로겔 물질(13)을 광가교시킬 경우 별도의 용매에 의한 팽윤 없이도 가시광 영역의 반사광을 유지시킬 수 있기 때문에 액상의 팽윤 없이 고상형의 광결정 구조를 형성할 수 있다. 종래의 블록 공중합체를 이용하여 광결정을 형성할 경우, 용매에 친수성 고분자 도메인이 팽윤이 되지 않으면 가시광 영역에 반사광을 가질 수 없거나 또는 고 분자량의 블록 공중합체를 자기조립하여 in-plane 라멜라 구조를 형성해야 하기 때문에 광결정을 형성하기 어려울 수 있다.When the hydrogel material 13 is photo-crosslinked in the hydrophilic polymer domain 10, the reflected light in the visible light region can be maintained without swelling by a separate solvent, so that a solid photonic crystal structure can be formed without swelling of the liquid phase. When a photonic crystal is formed using a conventional block copolymer, if the hydrophilic polymer domain is not swelled in the solvent, it cannot have reflected light in the visible light region, or a high molecular weight block copolymer is self-assembled to form an in-plane lamellar structure. It can be difficult to form a photonic crystal because it has to.

일 실시예에서, 친수성 고분자 도메인(10)은 전달된 하이드로겔 물질(13)의 양에 의해, 광결정 구조체(100)의 초기 반사광의 파장이 결정될 수 있으며, 친수성 고분자 도메인(10)이 함유하는 하이드로겔 물질(13)의 양은 상기 광가교 결합의 정도에 의해 조절될 수 있다. 구체적으로, 하이드로겔 물질(13)의 양이 증가하거나 친수성 고분자 도메인(10)의 친수성 고분자와 하이드로겔 물질(13) 사이의 광가교 결합의 정도가 클수록 광결정 구조체(100)의 초기 반사광은 적색 편이(red-shift)되어 적외선 영역에 나타날 수 있다. In one embodiment, the hydrophilic polymer domain 10 may determine the wavelength of the initial reflected light of the photonic crystal structure 100 by the amount of the transferred hydrogel material 13, and the hydrophilic polymer domain 10 contains The amount of the gel material 13 may be controlled by the degree of photocrosslinking. Specifically, as the amount of the hydrogel material 13 increases or the degree of photocrosslinking between the hydrogel material 13 and the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain 10 increases, the initial reflected light of the photonic crystal structure 100 shifts red. It can be red-shifted and appear in the infrared region.

일 실시예에서, 친수성 고분자 도메인(10)은 친수성 고분자 도메인(10)의 친수성 고분자와 하이드로겔 물질(13)의 광가교 결합을 촉진하기 위하여 광개시제(12) 및/또는 물(H2O)(11)를 더 포함할 수 있으며, 광개시제와 물을 하이드로겔 물질(13)과 혼합하여 함께 이송 채널(30)을 통해 주입될 수도 있다. 또는, 하이드로겔 물질(13) 광개시제(12)와 물(11)이 랜덤하게 또는 기순서로 순차적으로 이송 채널(30)을 통해 주입될 수 있다. In one embodiment, the hydrophilic polymer domain 10 is a photoinitiator 12 and/or water (H2O) 11 in order to promote the photocrosslinking of the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain 10 and the hydrogel material 13 A photoinitiator and water may be mixed with the hydrogel material 13 and injected together through the transfer channel 30. Alternatively, the hydrogel material 13, the photoinitiator 12, and the water 11 may be sequentially injected through the transfer channel 30 randomly or in a random order.

일 실시예에서, 광결정 구조체(100)는 라멜라 구조의 폴리스티렌(polystyrene)-폴리비닐피리딘(poly(vinylpyridine)) 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트(poly(methylmethacrylate)) 공중합체, 폴리스티렌-폴리(t-부틸아크릴레이트)(poly(tert-butylacrylate) 공중합체, 폴리아이소프렌(polyisoprene)-폴리(에틸렌옥사이드)(poly(ethyleneoxide)) 공중합체, 폴리스티렌-폴리락티드(polylactide) 공중합체, 폴리사이클로헥실에틸렌(poly(cyclohexylethylene))-폴리락티드 공중합체, 또는 폴리메틸스티렌(polymethylstyrene)-폴리하이드록시스티렌(polyhydroxystyrene) 공중합체일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리비닐피리딘, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리(t-부틸아크릴레이트), 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리락티드, 및 폴리하이드록시스티렌 중 어느 하나 이상은 친수성 고분자가 우세한 친수성 고분자 도메인(10)에 포함될 수 있고, 폴리스티렌, 폴리아이소프렌, 폴리사이클로헥실에틸렌, 및 폴리메틸스티렌 중 어느 하나 이상은 소수성 고분자가 우세한 소수성 고분자 도메인(20)에 포함될 수 있다. In one embodiment, the photonic crystal structure 100 is a lamellar structure polystyrene (polystyrene)-polyvinylpyridine (poly(vinylpyridine)) copolymer, polystyrene-polymethylmethacrylate (poly(methylmethacrylate)) copolymer, polystyrene-poly (t-butylacrylate) (poly(tert-butylacrylate) copolymer, polyisoprene-poly(ethyleneoxide) copolymer, polystyrene-polylactide copolymer, polycyclo Hexylethylene (poly(cyclohexylethylene))-polylactide copolymer, or polymethylstyrene-polyhydroxystyrene copolymer may be used, but the present invention is not limited thereto. Any one or more of polymethylmethacrylate, poly(t-butylacrylate), poly(ethylene oxide), polylactide, and polyhydroxystyrene may be included in the hydrophilic polymer domain 10 in which the hydrophilic polymer is dominant, Any one or more of polystyrene, polyisoprene, polycyclohexylethylene, and polymethylstyrene may be included in the hydrophobic polymer domain 20 in which the hydrophobic polymer predominates.

일 실시예에서, 하이드로겔 물질(13)은 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트 (polyethylene glycol diacrylate, PEGDA), 젤라틴 메타크릴레이트(gelatin methacrylate, GelMA), 아크릴산, 아크릴아미드 및 N-아이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide, NIPAAM)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다. In one embodiment, the hydrogel material 13 is polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), gelatin methacrylate (GelMA), acrylic acid, acrylamide, and N-isopropylacrylamide (N- isopropylacrylamide, NIPAAM), or a mixture thereof.

광개시제(12)는 히드록시케톤, 벤조페논, 아실 포스핀 옥시드, 페닐글리옥실레이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 물(11)은 증류수 일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않는다. The photoinitiator 12 may be selected from the group consisting of hydroxy ketone, benzophenone, acyl phosphine oxide, phenylglyoxylate, and mixtures thereof, and water 11 may be distilled water. However, the present invention is not limited to these materials.

본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체(100)가 갖는 반사광의 파장은, 친수성 고분자 도메인(10)으로 전달된 하이드로겔 물질(13)의 양 및 상기 친수성 고분자와 광가교된 하이드로겔 물질(13)의 경화 시간 정도에 의해 제어될 수 있다. The wavelength of the reflected light of the photonic crystal structure 100 according to an embodiment of the present invention is the amount of the hydrogel material 13 delivered to the hydrophilic polymer domain 10 and the hydrogel material 13 photocrosslinked with the hydrophilic polymer. ) Can be controlled by the degree of curing time.

상기 광가교 결합은 자외선(Ultraviolet: UV), 적외선(infrared), 가시광선, x선, 감마선 및 전파 중 어느 하나의 조사에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 실시예는 자외선(Ultraviolet: UV)에 의해 가교 결합이 수행될 수 있다. The photocrosslinking may be performed by irradiation of any one of ultraviolet (UV), infrared, visible light, x-ray, gamma ray, and radio waves. Preferably, in the embodiment of the present invention, crosslinking may be performed by ultraviolet (UV) light.

일 실시예에서, 광결정 구조체(100)는 이온성 액체 또는 물을 이용한 잉크젯 인쇄가 가능하며, 상기 잉크젯 인쇄된 이온성 액체는 이송 채널(30)을 통해 IPN 구조를 갖는 친수성 고분자 도메인(10)으로 1차 흡수되어, 친수성 고분자 도메인(10)을 국부적으로 팽창시킴으로써, 풀 컬러(full color)를 구현할 수 있다. 친수성 고분자 도메인(10)으로 1차 흡수된 이온성 액체가 상기 블록 공중합체(BCP) 상에 배치되는 별도의 하이드로겔 블록(미도시함)에 의해, 상기 하이드로겔 블록으로 2차 흡수되어, 광결정 구조체(100)는 초기화되어, 원래 초기 반사광을 갖는다. In one embodiment, the photonic crystal structure 100 is capable of inkjet printing using an ionic liquid or water, and the inkjet printed ionic liquid is transferred to the hydrophilic polymer domain 10 having an IPN structure through the transfer channel 30. It is absorbed first and expands the hydrophilic polymer domain 10 locally, thereby realizing full color. The ionic liquid first absorbed into the hydrophilic polymer domain 10 is absorbed secondarily into the hydrogel block by a separate hydrogel block (not shown) disposed on the block copolymer (BCP), and photonic crystal The structure 100 is initialized and originally has initial reflected light.

일 실시예에서, 상기 광가교 결합에 의해 결정된 광결정 구조체(100)의 초기 반사광(또는 1차 반사광)은 가시광 영역에서 1차 피크(peak)으로 나타나며, 상기 이온성 액체 또는 물이 친수성 고분자 도메인(10)로 추가 주입함에 따라서, 상기 1차 피크이 적색 편이(red shifted)되어 적외선(IR) 영역으로 이동하게 될 수 있다. 또한, 상기 1차 피크이 적색 편이(red shifted)되어 적외선(IR) 영역으로 이동함에 따라 2차 피크 및 3차 피크,..., n차 피크가 가시광 영역에서 나타나며, 이때 광결정 구조체(100)는 제 2 반사광을 가질 수 있다. In an embodiment, the initial reflected light (or first reflected light) of the photonic crystal structure 100 determined by the photocrosslinking appears as a first peak in the visible light region, and the ionic liquid or water is a hydrophilic polymer domain ( According to the additional injection to 10), the first peak may be red shifted to move to the infrared (IR) region. In addition, as the first peak is red shifted and moves to the infrared (IR) region, the second peak and the third peak, ..., n-th peak appear in the visible light region, and at this time, the photonic crystal structure 100 It may have a second reflected light.

일 실시예에서, 상기 이온성 액체는 EMIBF4, EMITFSI, 에틸메틸이미다졸리움 클로라이드(EMIM Cl), 에틸메틸이미다졸리움 디시아나미드(EMIM DCA), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(EMIM Otf), 에틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸 설포닐이마이드(EMIM TFSI), 에틸메틸이미다졸리움 아세테이트(EMIM Ac), 에틸메틸이미다졸리움 수화물(EMIM OH), 에틸메틸이미다졸리움 디에틸포스페이트(EMIM DEP), 에틸메틸이미다졸리움 메틸 카보네이트(EMIM MeOCO2), 에틸메틸이미다졸리움 락테이트(EMIM Lactate), 부틸메틸이미다졸리움 클로라이드(BMIM Cl), 부틸메틸이미다졸리움 메틸카보네이트 용액(BMIM MeOCO2), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메탄설포네이트(BMIM Otf), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르메틸설포닐이마이드(EMIM TFSI), 부틸메틸이미다졸리움 트리플루오르아세테이트(BMIM CF3CO2) 및 디메틸이미다졸리움 메탄설포네이트(MMIM CH3SO3) 중 어느 하나일 수 있다. In one embodiment, the ionic liquid is EMIBF4, EMITFSI, ethylmethylimidazolium chloride (EMIM Cl), ethylmethylimidazolium dicyanamide (EMIM DCA), ethylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (EMIM Otf), ethylmethylimidazolium trifluoromethyl sulfonylimide (EMIM TFSI), ethylmethylimidazolium acetate (EMIM Ac), ethylmethylimidazolium hydrate (EMIM OH), ethylmethylimidazolium diethylphosphate (EMIM DEP), ethyl methyl imidazolium methyl carbonate (EMIM MeOCO2), ethyl methyl imidazolium lactate (EMIM Lactate), butyl methyl imidazolium chloride (BMIM Cl), butyl methyl imidazolium methyl carbonate solution (BMIM MeOCO2), butylmethylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM Otf), butylmethylimidazolium trifluoromethylsulfonylimide (EMIM TFSI), butylmethylimidazolium trifluoroacetate (BMIM CF3CO2) and dimethyl are It may be any one of midazolium methanesulfonate (MMIM CH3SO3).

잉크젯 인쇄와 결합된 자기조립 블록 공중합체의 광결정 구조체를 기반으로 풀 컬러, 재기록 가능한 반사 모드 디스플레이가 제공될 수 있다. 이온성 액체 잉크가 하이드로 겔 중합체의 광가교 결합된 IPN를 포함하는 라멜라 구조로 교대로 구성된 고체 상태의 1 차원 자기조립 블록 공중합체의 광결정 구조체 상에 잉크젯 인쇄함으로써, 고해상도의 풀 구조색 이미지를 인쇄할 수 있다. IPN 구조를 갖는 친수성 고분자 도메인(10)으로 이온성 액체 잉크를 분사할 시에 친수성 고분자 도메인(10)의 국부적인 팽창이 일어나 다양한 풀 컬러 구조색 이미지를 형성할 수 있다. 또한, 자기조립 블록 공중합체의 광결정 구조체(100) 상에 별도의 하이드로 겔 블록층을 배치하면, 광결정 구조체(100)로부터 이온성 액체가 완전히 제거되어 초기화될 수 있다. 이어서 잉크젯 인쇄를 통해 광결정 구조체(100) 상에 다시 구조색을 발현시킴으로써, 비휘발성 정보 저장 및 디스플레이를 위한 다양한 용도에 적합한 유연하며 재기록이 가능한 자기조립 블록 공중합체의 광결정 구조체 디스플레이로 구현할 수 있다. A full color, rewritable reflection mode display can be provided based on a photonic crystal structure of a self-assembled block copolymer combined with inkjet printing. High-resolution full structure color images are printed by inkjet printing on the photonic crystal structure of solid one-dimensional self-assembled block copolymers in which ionic liquid ink is alternately composed of a lamellar structure containing IPN photo-crosslinked of a hydrogel polymer. can do. When the ionic liquid ink is sprayed onto the hydrophilic polymer domain 10 having the IPN structure, local expansion of the hydrophilic polymer domain 10 may occur, thereby forming various full-color structure color images. In addition, when a separate hydrogel block layer is disposed on the photonic crystal structure 100 of the self-assembled block copolymer, the ionic liquid may be completely removed from the photonic crystal structure 100 and initialized. Subsequently, by expressing the structural color again on the photonic crystal structure 100 through inkjet printing, a photonic crystal structure display of a flexible and rewritable self-assembled block copolymer suitable for various uses for storing and displaying nonvolatile information can be implemented.

또한, 본 발명에서 휘발성이 거의 없는 이온성 액체 잉크가 초기 자기조립 블록 공중합체(BCP)를 갖는 광결정 구조체의 기계적 특성에 미치는 영향이 미미하도록 적은 양으로 B, G에서 R 범위의 전체 구조색을 위한 자기조립 블록 공중합체의 광결정의 미세 구조를 쉽고 민감하게 변경할 수 있다. 또한, 동시 기록 및 구조색 판독 기능을 갖춘 유연하고 재기록 가능한 자기조립 블록 공중합체 구조색 잉크젯 디스플레이로 활용될 수 있다. In addition, in the present invention, the entire structure color in the range of B, G to R is changed in a small amount so that the effect of the ionic liquid ink with little volatility on the mechanical properties of the photonic crystal structure having the initial self-assembled block copolymer (BCP) is minimal. It is possible to easily and sensitively change the microstructure of the photonic crystal of the self-assembled block copolymer. It can also be utilized as a flexible and rewritable self-assembled block copolymer structure color inkjet display with simultaneous recording and structure color reading functions.

본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체(100)는, 잉크젯 프린팅 장치(미도시함)와 같은 프린팅 장치에서 이용될 수 있다. 상기 잉크젯 프린팅 장치는 이미지 또는 문자를 출력하고자 하는 이미지 출력층으로서 광결정 구조체(100)를 사용하고, 소정의 위치에 소정의 발광 파장을 결정하기 위한 하이드로겔 물질(13), 광개시제 및 물을 포함하는 혼합 용액을 상기 잉크젯 프린팅 장치의 노즐을 이용하여 광결정 구조체(100)의 원하는 위치에 프린팅할 수 있다. 일 실시예에서, 광결정 구조체(100)은 기판과 일체화되어 있을 수 있으며, 별도의 기판 상에 형성될 수 있다. The photonic crystal structure 100 according to an embodiment of the present invention may be used in a printing apparatus such as an inkjet printing apparatus (not shown). The inkjet printing apparatus uses the photonic crystal structure 100 as an image output layer for outputting images or characters, and a mixture containing a hydrogel material 13 for determining a predetermined emission wavelength at a predetermined position, a photoinitiator, and water The solution may be printed on a desired position of the photonic crystal structure 100 using a nozzle of the inkjet printing device. In one embodiment, the photonic crystal structure 100 may be integrated with a substrate, and may be formed on a separate substrate.

상기 프린팅된 상기 혼합 용액은 친수성 고분자 도메인(10)에 흡수되어 상기 친수성 고분자의 일부와 결합 반응을 수행할 수 있으며, 상기 결합 반응으로 인하여 광결정 구조체(100)으로부터 반사되는 광의 파장을 결정할 수 있다. 상기 혼합 용액은 친수성 고분자 도메인(10) 중 일부 고분자 도메인에서만 결합 반응이 진행될 수 있다. The printed mixed solution may be absorbed by the hydrophilic polymer domain 10 to perform a binding reaction with a portion of the hydrophilic polymer, and the wavelength of light reflected from the photonic crystal structure 100 due to the binding reaction may be determined. In the mixed solution, the binding reaction may proceed only in some of the polymer domains of the hydrophilic polymer domain 10.

일 실시예에서, 상기 혼합 용액은 친수성 고분자 도메인(10)과만 결합 반응을 수행할 수 있다. 상기 결합 반응은 가교 반응, 공유 결합, 이온 결합 또는 수소 결합 일 수 있으며, 바람직하게는 가교 반응(cross-link) 또는 공유결합 일 수 있다. In one embodiment, the mixed solution may perform a binding reaction only with the hydrophilic polymer domain 10. The bonding reaction may be a cross-linking reaction, a covalent bonding, an ionic bonding or a hydrogen bonding, and preferably, a cross-linking or a covalent bonding.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체의 제조 방법을 나타내는 순서도이며, 도 3 및 도 4a 내지 도 4b는 광결정 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3 and 4A to 4B are views for explaining a method of manufacturing the photonic crystal structure.

도 2 및 도 3를 참조하면, 광결정 구조체의 제조 방법은 소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 가지며, 이송 채널을 포함하는 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계(S10); 및 상기 이송 채널을 통해, 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하는 단계(S20); 및 상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질이 가교결합되도록 광을 조사하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. 2 and 3, the method of manufacturing a photonic crystal structure is a step of forming a hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure having a structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated and including a transport channel (S10). ; And injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain through the transfer channel (S20). And irradiating light so that the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material are crosslinked (S30).

상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계(S10)는, 먼저 친수성 고분자, 소수성 고분자 및 분산 용매를 함유한 블록 공중합체 전구체 용액을 준비하는 단계, 상기 블록공중합체 전구체 용액을 블록공중합체 박막이 형성되도록 스핀코팅하는 단계 및 상기 블록공중합체 박막을 용매 어닐링(solvent annealing) 시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 친수성 고분자는 사차화(quarternize)된 결합기를 갖고 벤젠 고리 중 탄소가 수소 결합에 용이한 질소 원자로 치환된 피리딘(pyridine)을 갖는 고분자일 수 있고, 상기 소수성 고분자는 폴리스티렌일 수 있다. 바람직하게는, 상기 친수성 고분자는 쿼터나이즈드-폴리-2-비닐피리딘(quaternized Poly 2vinyl pyridine: QP2VP)일 수 있고, 상기 소수성 고분자는 폴리스티렌(Polystyrene: PS)일 수 있다. The step of forming the hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure (S10) includes first preparing a block copolymer precursor solution containing a hydrophilic polymer, a hydrophobic polymer, and a dispersion solvent, and using the block copolymer precursor solution into a block copolymer thin film It may include a step of spin-coating so as to be formed and a step of solvent annealing the block copolymer thin film. The hydrophilic polymer may be a polymer having a quaternized bonding group and pyridine in which carbon in a benzene ring is substituted with a nitrogen atom that is easy for hydrogen bonding, and the hydrophobic polymer may be polystyrene. Preferably, the hydrophilic polymer may be quaternized-poly-2-vinylpyridine (QP2VP), and the hydrophobic polymer may be polystyrene (PS).

상기 분산 용매는 지방족 또는 방향족 탄화수소(예를 들어, 헵탄, 톨루엔), 할로겐화 지방족, 방향족 탄화수소(예를 들어, 디클로로메탄, 브로모벤젠), 에테르(예를 들어, 디에틸 에테르), 알코올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는, 상기 분산 용매는 벤젠, 에탄올, 또는 PGMEA(Propylene glycol methyl ether acetate)일 수 있다. The dispersion solvent is any of aliphatic or aromatic hydrocarbons (e.g., heptane, toluene), halogenated aliphatic, aromatic hydrocarbons (e.g., dichloromethane, bromobenzene), ether (e.g., diethyl ether), alcohol It may be one or a mixture thereof. Preferably, the dispersion solvent may be benzene, ethanol, or propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA).

일 실시예에서, 상기 분산 용매 하에 혼합된 상기 친수성 고분자 및 상기 소수성 고분자는 기판 상에 코팅 또는 프린팅되어 상기 블록공중합체 박막을 형성할 수 있다. 상기 코팅 또는 프린팅 방법은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅(dip coating), 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 진공여과, 함침 코팅, 도포 코팅, 드롭 캐스팅(drop casting), 또는 닥터 블레이드(doctor blade)와 같은 방법일 수 있다. In one embodiment, the hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer mixed in the dispersion solvent may be coated or printed on a substrate to form the block copolymer thin film. The coating or printing method may include spin coating, spray coating, dip coating, screen printing, inkjet printing, vacuum filtration, impregnation coating, coating coating, drop casting, or doctor blade. It could be the way.

상기 친수성 고분자 및 상기 소수성 고분자에 포함된 상기 관능기에 의하여 결합하여 자기 조립될 수 있다. 상기 자기 조립된 광결정 구조체(100)은 상기 친수성 고분자 도메인과 상기 소수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 가질 수 있다. 상기 블록 공중합체는 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌-폴리(t-부틸아크릴레이트) 공중합체, 폴리아이소프렌-폴리(에틸렌옥사이드) 공중합체, 폴리스티렌-폴리락티드 공중합체, 폴리사이클로헥실에틸렌-폴리락티드 공중합체, 또는 폴리메틸스티렌-폴리하이드록시스티렌 공중합체일 수 있다. 바람직하게는 상기 블록 공중합체는 폴리스티렌-쿼터나이즈드-폴리비닐피리딘 공중합체(PS-b-QP2VP)일 수 있다. It may be self-assembled by bonding by the hydrophilic polymer and the functional group included in the hydrophobic polymer. The self-assembled photonic crystal structure 100 may have a structure in which the hydrophilic polymer domain and the hydrophobic polymer domain are alternately repeated. The block copolymer is polystyrene-polyvinylpyridine copolymer, polystyrene-polymethylmethacrylate copolymer, polystyrene-poly(t-butylacrylate) copolymer, polyisoprene-poly(ethylene oxide) copolymer, polystyrene-poly It may be a lactide copolymer, a polycyclohexylethylene-polylactide copolymer, or a polymethylstyrene-polyhydroxystyrene copolymer. Preferably, the block copolymer may be a polystyrene-quaternized-polyvinylpyridine copolymer (PS-b-QP2VP).

상기 친수성 고분자와 상기 소수성 고분자가 차례로 교번하며 적층되며, 이송 채널(예: 나사 전위(screw dislocation))을 포함하는 라멜라 구조( Lamellar Structure)의 블록 공중합체가 형성될 수 있으며, 이후, 어닐링(annealing) 단계가 선택적으로 수행될 수 있다. 상기 어닐링 단계는 열 어닐링(thermal annealing)법 또는 용매 어닐링(solvent annealing)법을 사용하여 수행될 수 있다. The hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer are alternately stacked in sequence, and a block copolymer having a lamella structure including a transport channel (eg, screw dislocation) may be formed, and then, annealing (annealing) ) Step may be selectively performed. The annealing step may be performed using a thermal annealing method or a solvent annealing method.

상기 어닐링 과정에서 상기 혼합 용액 내의 상기 친수성 고분자와 상기 소수성 고분자의 반복 정렬 정도가 크게 향상되는 광결정 구조체(100)이 형성될 수 있다. 상기 광결정 구조체(100) 내의 상기 친수성 고분자 도메인 및 상기 소수성 고분자 도메인의 반복 정렬 구조는 상기 광결정 구조체(100) 내에 함유된 상기 친수성 고분자와 상기 소수성 고분자의 부피 분율에 따라 라멜라 구조, 실린더 구조 또는 구형 구조를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 광결정 구조체(100) 내에 상기 친수성 고분자 블록과 상기 소수성 고분자 블록이 서로 비슷한 부피 분율을 가질 수 있고, 이에 따라 상기 광결정 구조체(100) 내의 상기 친수성 고분자 도메인과 상기 소수성 고분자 도메인이 라멜라 구조로 반복 정렬될 수 있다. During the annealing process, the photonic crystal structure 100 may be formed in which the degree of repetition of the hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer in the mixed solution is greatly improved. The repetitive alignment structure of the hydrophilic polymer domain and the hydrophobic polymer domain in the photonic crystal structure 100 is a lamellar structure, a cylinder structure, or a spherical structure according to the volume fraction of the hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer contained in the photonic crystal structure 100 Can have Preferably, the hydrophilic polymer block and the hydrophobic polymer block in the photonic crystal structure 100 may have similar volume fractions, and accordingly, the hydrophilic polymer domain and the hydrophobic polymer domain in the photonic crystal structure 100 are lamellar. Can be arranged repeatedly into structures.

도 4a를 참조하면, 일 실시예에서 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 선택적으로 주입하는 단계(S20)는, 하이드로겔 물질, 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계 및 상기 혼합 용액을 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체 상에 코딩하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코팅하는 단계는 담금(dipping), 도포(spreading), 브러싱(brushing), 나이프 코팅(knife coating), 롤링(rolling), 분사(spraying), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing) 및 커튼코팅(curtain coating) 중 어느 하나에 의해 수행될 수 있다. 이때, 상기 혼합 용액 내의 물에 의해 상기 친수성 고분자 도메인들이 팽윤되어, 광결정 구조체는 제 1 색상에 대응하는 차단 대역(stop band) 특성을 가질 수 있다. Referring to FIG. 4A, in an embodiment, in the step of selectively injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain (S20), a mixed solution including a hydrogel material, a photo initiator, and water (H2O) is prepared. And coding the mixed solution on the hydrophobic-hydrophilic block copolymerized layered structure. The coating steps include dipping, spreading, brushing, knife coating, rolling, spraying, spin coating, and screen printing. And it may be performed by any one of curtain coating (curtain coating). In this case, the hydrophilic polymer domains are swollen by water in the mixed solution, so that the photonic crystal structure may have a stop band characteristic corresponding to the first color.

일 실시예에서, 상기 하이드로겔 물질은 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트 (polyethylene glycol diacrylate, PEGDA), 젤라틴 메타크릴레이트(gelatin methacrylate, GelMA), 아크릴산, 아크릴아미드 및 N-아이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide, NIPAAM)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들 재료에 한정되지 않는다. In one embodiment, the hydrogel material is polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), gelatin methacrylate (GelMA), acrylic acid, acrylamide, and N-isopropylacrylamide, NIPAAM) may be one selected from the group consisting of, or a mixture thereof. However, the present invention is not limited to these materials.

S30 단계 이후에, 선택적으로 상기 광결정 구조체를 건조하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 건조 단계를 통해, 상기 하이드로겔 물질에 의해 주입된 수분이 제거될 수 있으며, 이로 인해 광결정 구조체는 경화될 수 있다. After step S30, a step of optionally drying the photonic crystal structure may be further included. Through the drying step, moisture injected by the hydrogel material may be removed, and thus the photonic crystal structure may be cured.

일 실시예에서, 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 선택적으로 주입하는 단계(S20)에서, 상기 혼합 용액의 일부가 상기 친수성 고분자 도메인으로 선택적으로 주입되고, 상기 혼합 용액의 다른 일부는 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체의 표면 상에 하나의 블록층이 형성될 수도 있다. 상기 블록층의 표면과 내부의 팽창 비율이 다르기 때문에, 상기 블록층은 건조 단계에서, 스트레스에 의해 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체로부터 박리될 수도 있다.In one embodiment, in the step (S20) of selectively injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain, a part of the mixed solution is selectively injected into the hydrophilic polymer domain, and another part of the mixed solution is the hydrophobic- One block layer may be formed on the surface of the hydrophilic block copolymerized layered structure. Since the expansion ratios of the surface and the interior of the block layer are different, the block layer may be peeled from the hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure by stress in the drying step.

도 4b를 참조하면, 일 실시예에서 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체 내에 친수성 고분자 도메인(예: P2VP)으로 선택적으로 상기 하이드로겔 물질(예: PEGDA)이 주입된 후에, 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체가 자외선(UV)에 노출되는 경우(S30단계)에 PEGDA와 P2VP가 가교 결합되어, P2VP 내에 가교 결합된 PEGDA를 포함하는 상호 침투 네트워크 (interpenetrating polymer network: IPN) 구조가 형성될 수 있다. 4B, in an embodiment, after the hydrogel material (eg, PEGDA) is selectively injected into the hydrophilic-hydrophilic block copolymerization layered structure as a hydrophilic polymer domain (eg, P2VP), the hydrophobic-hydrophilic block copolymerization When the layered structure is exposed to ultraviolet rays (UV) (step S30), PEGDA and P2VP are cross-linked to form an interpenetrating polymer network (IPN) structure including PEGDA cross-linked in P2VP.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 광결정 구조체(100) 상에 상기 광결정 구조체(100) 중 적어도 일부와 결합하여 상기 광결정 구조체(100)의 반사 광의 파장을 변경시킬 수 있는 상기 하이드로겔 물질, 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)을 포함하는 혼합 용액을 프린팅할 수 있다. 상기 혼합 용액은 상기 광결정 구조체(100) 중 어느 한 도메인과 선택적으로 결합할 수 있다. In an exemplary embodiment of the present invention, the hydrogel material, photoinitiator, which can change the wavelength of reflected light of the photonic crystal structure 100 by bonding with at least a portion of the photonic crystal structure 100 on the photonic crystal structure 100 A mixed solution containing photo initiator) and water (H2O) can be printed. The mixed solution may be selectively combined with any one domain of the photonic crystal structure 100.

또한, 상기 혼합 용액 및 상기 친수성 고분자 도메인의 적어도 일부 사이에 형성되는 상기 교차 결합은 광결정 삭제 물질을 상기 광결정 구조체(100) 상에 프린팅함으로써, 가역적으로 분해될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체는 상기 광결정 물질의 상기 교차 결합을 형성하였다가 상기 광결정 삭제 물질에 의하여 용이하게 상기 교차 결합을 분해하는 가역적인 반응이 가능하다. 그러므로, 상기 광결정 구조체(100)을 필름으로 이용하여 다양한 이미지를 디스플레이 하는 것이 가능하다.In addition, the cross-link formed between the mixed solution and at least a portion of the hydrophilic polymer domain may be reversibly decomposed by printing a photonic crystal deletion material on the photonic crystal structure 100. In the photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, a reversible reaction is possible in which the cross-link of the photonic crystal material is formed and the cross-link is easily decomposed by the photonic crystal deletion material. Therefore, it is possible to display various images by using the photonic crystal structure 100 as a film.

상기 광결정 삭제 물질은 브롬화수소, 염산, 요오드화수소 일 수 있고, 바람직하게는 브롬화수소일 수 있다. 상기 광결정 삭제 물질은 프린팅시 상기 광결정 구조체(100) 중 상기 친수성 고분자 도메인에 선택적으로 침투하여 상기 친수성 고분자 도메인 내에 형성된 상기 교차 결합을 분해하여 삭제할 수 있다. 이와 같이, 상기 교차 결합이 분해되는 경우, 일반적으로 상기 친수성 고분자 도메인에 의하여 반사되는 소정 파장의 광을 출력할 수 있다.The photonic crystal removal material may be hydrogen bromide, hydrochloric acid, hydrogen iodide, and preferably hydrogen bromide. The photonic crystal deletion material may selectively penetrate the hydrophilic polymer domain of the photonic crystal structure 100 during printing to decompose and delete the cross-link formed in the hydrophilic polymer domain. In this way, when the cross-link is decomposed, light of a predetermined wavelength that is generally reflected by the hydrophilic polymer domain may be output.

이와 같이, 상기 광결정 구조체는 상기 친수성 고분자 도메인 내에서 상기 혼합 용액에 의하여 상기 친수성 고분자 간의 교차 결합이 빠르게 형성될 수 있을 뿐 아니라, 상기 교차 결합은 상기 광결정 삭제 물질에 의하여 가역적으로 분해가 가능하다. 그러므로, 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 구조체는 다양한 광을 생성하기 위하여 반복적으로 사용할 수 있게 된다.In this way, in the photonic crystal structure, cross-links between the hydrophilic polymers can be rapidly formed by the mixed solution in the hydrophilic polymer domain, and the cross-links can be reversibly decomposed by the photonic crystal deletion material. Therefore, the photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention can be repeatedly used to generate various lights.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 단면도를 보여주는 TEM 이미지이며, 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5a 내지 도 5c의 광결정 구조체에 대한 GISAXS(Grazing-incidence small-angle scattering) 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5a는 적색을 발산하는 IPN 구조를 갖는 광결정 구조의 단면도이고, 도 5b는 녹색을 발산하는 IPN 구조를 갖는 광결정 구조의 단면도이며, 도 5a는 파랑색을 발산하는 IPN 구조를 갖는 광결정 구조의 단면도이다. 5A to 5C are TEM images showing a cross-sectional view of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 6A to 6C are GISAXS for the photonic crystal structure of FIGS. 5A to 5C according to an embodiment of the present invention. Grazing-incidence small-angle scattering) is a graph showing the results. 5A is a cross-sectional view of a photonic crystal structure having an IPN structure emitting red color, FIG. 5B is a cross-sectional view of a photonic crystal structure having an IPN structure emitting green color, and FIG. 5A is a cross-sectional view of a photonic crystal structure having an IPN structure emitting blue color. to be.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 광결정 구조는 하이드로겔 물질(13)의 양 및 친수성 고분자와 광가교된 하이드로겔 물질(13)의 경화 정도에 의해 해당 반사광의 파장(예: 적색, 녹색, 파랑색)을 가질 수 있다. 더하여, 광결정 구조의 반사광은 이온성 액체 또는 물을 주입함으로써 추가 제어될 수 있다. 5A to 5C, the photonic crystal structure is determined by the amount of the hydrogel material 13 and the degree of curing of the hydrogel material 13 photo-crosslinked with the hydrophilic polymer, depending on the wavelength of the reflected light (e.g., red, green, blue). Color). In addition, the reflected light of the photonic crystal structure can be further controlled by implanting ionic liquid or water.

도 6a를 참조하면, 투과율 모드에서 적색을 발산하는 IPN 구조의 광자 결정이 평면내에서 잘 형성되었음을 알 수 있고, 도 6b를 참조하면, 투과율 모드에서 녹색을 발산하는 IPN 구조의 광자 결정이 평면내에서 잘 형성되었음을 알 수 있고, 도 6c를 참조하면, 투과율 모드에서 파랑색을 발산하는 IPN 구조의 광자 결정이 평면내에서 잘 형성되었음을 알 수 있었다.Referring to FIG. 6A, it can be seen that the photonic crystal of the IPN structure emitting red color in the transmittance mode is well formed in the plane. Referring to FIG. 6B, the photonic crystal of the IPN structure emitting green color in the transmittance mode is in the plane. It can be seen that the photonic crystals of the IPN structure emitting blue color in the transmittance mode were well formed in the plane, referring to FIG. 6C.

본 발명의 일실시예에 따른 상기 광결정 구조체는 다양한 광 밴드갭을 갖는 파장을 반사시킬 수 있다. 도 7a 내지 도 7c는 자외선 노출 시간에 따른 광결정 구조체의 광 밴드 값을 측정하기 위한 US-vis 분광 광도계 실험 결과 및 상기 광결정 구조체에 의하여 표현된 색상 이미지를 나타내는 것이다.The photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention may reflect wavelengths having various optical band gaps. 7A to 7C show results of a US-vis spectrophotometer for measuring the optical band value of the photonic crystal structure according to the UV exposure time and color images represented by the photonic crystal structure.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 하이드로겔 물질을 친수성 고분자 도메인으로 선택적으로 주입한 후 자외선에 각각 10 sec, 20 sec, 30 sec, 40 sec, 60 sec 노출시킨 경우의 광결정 구조체의 반사 파장 값을 비교한 결과, 노출 시간이 증가할수록 최대 반사 파장 값은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 7A and 7B, the reflection wavelength values of the photonic crystal structure when the hydrogel material is selectively injected into the hydrophilic polymer domain and exposed to ultraviolet rays for 10 sec, 20 sec, 30 sec, 40 sec, and 60 sec, respectively. As a result of comparison, it can be seen that as the exposure time increases, the maximum reflected wavelength value increases.

일 실시예에서는, 자외선에 10 sec 노출된 경우, 파장은 약 455 nm 이며, 자외선에 20 sec 노출된 경우, 파장은 약 510 nm 이며, 자외선에 40 sec 노출된 경우, 파장은 약 545 nm 이며, 자외선에 60 sec 노출된 경우, 파장은 약 560 nm 이며, 자외선에 노출된 시간이 길어질수록 약 570 nm에 수렴하여 적색 영역의 가시 광선을 반사할 수 있음을 알 수 있다. In one embodiment, when exposed to UV for 10 sec, the wavelength is about 455 nm, when exposed to UV for 20 sec, the wavelength is about 510 nm, and when exposed to UV for 40 sec, the wavelength is about 545 nm, When exposed to ultraviolet rays for 60 sec, the wavelength is about 560 nm, and as the exposure time to ultraviolet rays increases, it converges to about 570 nm and reflects visible light in the red region.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광결정 구조체의 기계적 특성을 보여주는 그래프이다. 8 is a graph showing mechanical properties of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.

도 8를 참조하면, 초기 구조색을 각각 적색, 녹색, 청색으로 갖는 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 유효 물성치는 300-500MPa 범위를 갖는다. 이온성 액체 잉크가 광결정 구조체 상에 인쇄된 후 이온성 액체가 흡수된 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체(IPN+IL)의 유효 물성치는 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체(IPN structure)와 유사하게 나타난다. 이는 다른 하이드로겔 기반의 광결정과는 달리, 가시 영역에서 색상 변화가 발생하더라도, 기계적 강도는 잘 유지되며, 이는 일반적으로 kPa 범위의 PEGDA 기반 광결정보다 훨씬 우수하다. 이러한 탁월한 기계적 특성으로 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체를 반도체 디스플레이에 적용할 수 있다. Referring to FIG. 8, the effective physical properties of the self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure having an IPN structure having an initial structural color of red, green, and blue, respectively, have a range of 300-500 MPa. IPN structure self-assembled block copolymer (BCP) with ionic liquid absorbed after ionic liquid ink is printed on the photonic crystal structure The effective properties of the photonic crystal structure (IPN+IL) are the IPN structure self-assembled block copolymer (BCP). ) It appears similar to the photonic crystal structure (IPN structure). Unlike other hydrogel-based photonic crystals, even if a color change occurs in the visible region, the mechanical strength is well maintained, which is generally much better than PEGDA-based photonic crystals in the kPa range. With such excellent mechanical properties, a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure having an IPN structure can be applied to a semiconductor display.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체의 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining a method of manufacturing a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 교대로 평면내 정렬된 PS와 P2VP 라멜라 구조 도메인을 구성하는 대략 700nm 두께의 PS-b-P2VP 박막이 유리 기판상에 propylene glycol monomethyl acetate(PGMEA)으로부터 스핀-코팅(spin coatig)하여, 이후 PS-b-P2VP 박막은 정렬된 1 차원 광결정을 형성하기 위해 24 시간 동안 60 ℃에서 클로로포름 증기를 이용한 용매 어닐링(solvent-annealing)을 수행함으로써 제조되었다. 다음, P2VP 층은 1-bromoethane/hexane solution 용액을 사용하여 24 시간 동안 4중화(quaternization)될 수 있다. 박막이 건조된 후, PEGDA/DI/2-Hydroxy-2methylpropiophenone(HOMPP)/triton-X 용액은 PS-b-P2VP 박막의 표면 상에 드롭 캐스팅되어 박막의 4 차화된 P2VP 도메인으로 흡수된다(PEGDA injection). 이후 흡수된 PEGDA 올리고머는 자외선 램프로 UV 경화된다(UV curing). 이후 선택적으로, PS-b-P2VP 박막의 표면 상에 경화된 PEGDA 올리고머는 제거되고(removal of top PEGDA), PS-b-P2VP 박막의 표면 또는 전체를 물로 세척(washing)한 후 건조(drying)시킬 수 있다. PS-b-P2VP의 광결정 구조체의 4 차화된 P2VP 도메인 내에서 PEGDA 체인들과 P2VP 체인들이 광가교 결합하여, 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 9, a PS-b-P2VP thin film having a thickness of approximately 700 nm constituting the PS and P2VP lamellar structural domains which are alternately aligned in a plane is spin-coated from propylene glycol monomethyl acetate (PGMEA) on a glass substrate. ), then the PS-b-P2VP thin film was prepared by performing solvent-annealing using chloroform vapor at 60° C. for 24 hours to form aligned one-dimensional photonic crystals. Next, the P2VP layer may be quaternized for 24 hours using a 1-bromoethane/hexane solution solution. After the thin film is dried, the PEGDA/DI/2-Hydroxy-2methylpropiophenone (HOMPP)/triton-X solution is drop-cast on the surface of the PS-b-P2VP thin film and absorbed into the quaternized P2VP domain of the thin film (PEGDA injection). ). The absorbed PEGDA oligomer is then UV cured with an ultraviolet lamp. Thereafter, optionally, the cured PEGDA oligomer on the surface of the PS-b-P2VP thin film is removed (removal of top PEGDA), and the surface or the whole of the PS-b-P2VP thin film is washed with water and then dried. I can make it. In the quaternized P2VP domain of the photonic crystal structure of PS-b-P2VP, PEGDA chains and P2VP chains are photocrosslinked to form an interpenetrating polymer network (IPN) structure.

도 10a는 본 발명의 실시예에서 따른 광결정 구조체 상에 잉크젯 인쇄되는 개념을 보여주는 도면이다. 10A is a view showing a concept of inkjet printing on a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.

도 10a를 참조하면, 잉크젯 인쇄는 종이에 풀 컬러 정보를 인쇄하는데 가장 유용하고 일반적으로 사용되는 인쇄 기술이며, 유리 상에 배치된 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체는 인쇄 이외의 다른 추가 공정없이 풀 컬러 정보를 패터닝 할 수 있는 잉크젯 인쇄가 가능하다. Referring to FIG. 10A, inkjet printing is the most useful and commonly used printing technique for printing full color information on paper, and IPN structure self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structures disposed on glass Inkjet printing that can pattern full color information without any additional process is possible.

도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크의 농도 변화에 따라 이온성 액체 잉크로 인쇄된 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 UV-vis 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 10c는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크의 농도 변화에 따라 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 차단 대역(stop band) 위치를 나타내는 그래프이다. 일시예에서, 이온성 액체 잉크로 인쇄되기 전 초기 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 광결정 구조체는 가시광 영역의 250 nm를 최대 반사광으로 가질 수 있다. 광결정 구조체의 QP2VP 도메인의 팽창 상태를 유지하며 초기 구조색을 변경하기 위해 PEGDA 같은 하이드로겔 물질에 대한 UV 노출의 다양한 시간을 사용할 수 있다. 광결정 구조체 상에 이온성 액체 잉크가 국부적으로 분사됨으로써, QP2VP 도메인은 국부적으로 팽창될 수 있다. 10B is a graph showing the UV-vis spectrum of a block copolymer having an IPN structure printed with an ionic liquid ink according to a change in the concentration of the ionic liquid ink according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10C is an implementation of the present invention. It is a graph showing the position of a stop band of a block copolymer having an IPN structure according to a change in concentration of an ionic liquid ink according to an example. In one example, the photonic crystal structure of the block copolymer having the initial IPN structure before printing with the ionic liquid ink may have 250 nm of the visible light region as the maximum reflected light. Various times of UV exposure to a hydrogel material such as PEGDA can be used to change the initial structure color while maintaining the expanded state of the QP2VP domain of the photonic crystal structure. By locally spraying the ionic liquid ink on the photonic crystal structure, the QP2VP domain can be locally expanded.

도 10b 및 도 10c를 참조하면, 이온성 액체 잉크(ionic liquid ink)에 의한 국소 팽창 정도는 이온성 액체 잉크의 농도에 따라 결정되며, 이온성 액체 잉크의 농도가 증가할수록 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체의 최대 반사의 파장의 적색 편이되는 것을 알 수 있다. 10B and 10C, the degree of local expansion by ionic liquid ink is determined according to the concentration of the ionic liquid ink, and as the concentration of the ionic liquid ink increases, the self-assembled block copolymer ( It can be seen that the wavelength of the maximum reflection of the photonic crystal structure of BCP) is shifted in red.

도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크로 인쇄된 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체의 이미지이다. 10D is an image of a photonic crystal structure of a self-assembled block copolymer (BCP) printed with an ionic liquid ink according to an embodiment of the present invention.

도 10d를 참조하면, 이온성 액체 잉크의 농도에 따라 반사된 구조색은 근적외선 영역(NIR)에서 가시 광선 영역 전체에서 적외선 영역으로 넓은 파장 범위를 통해 편리하게 제어될 수 있음을 보여준다. Referring to FIG. 10D, it is shown that the structure color reflected according to the concentration of the ionic liquid ink can be conveniently controlled through a wide wavelength range from the near infrared region (NIR) to the visible ray region to the infrared region.

도 10e 및 도 10f는 본 발명의 실시예에 따른 IPN 구조를 갖는 블록 공중합체의 광결정 구조체 상에 잉크젯 인쇄된 이미지이다. 도 10e는 RGB 패턴이 Si 웨이퍼 상의 IPN 구조화 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체에서 수행되었으며, 도 10f는 종이와 같은 기판으로 이동된 IPN 구조화 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체이다. 10E and 10F are images of inkjet printing on the photonic crystal structure of the block copolymer having an IPN structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 10E is a photonic crystal structure of an IPN structured self-assembled block copolymer (BCP) on a Si wafer, and FIG. 10F is a photonic crystal structure of an IPN structured self-assembled block copolymer (BCP) transferred to a substrate such as paper. .

도 10e를 참조하면, Si 웨이퍼의 유리 반사로 인해 IPN 구조를 갖는 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체는 청색 색상이 나타나며. 도 10f를 참조하면, IPN 구조 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체는 브롬화 수소 용액에 담그면 기판과 쉽게 분리되어, IPN 구조를 갖는 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체는 종이와 같은 다른 기판으로 이동될 수 있다. 종이의 검은 배경으로 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체에서 금속과 같은 반사가 관찰되었다. 이처럼, IPN 구조를 갖는 블록 공중합체를 갖는 광결정 구조체의 표면 상에 이온성 액체 잉크를 패턴화하여 출력함으로써, 문자, 도형 또는 이미지 같은 다양한 형태를 구조색으로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 10E, the photonic crystal structure of the self-assembled block copolymer (BCP) having an IPN structure has a blue color due to glass reflection of the Si wafer. 10F, the IPN structure self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure is easily separated from the substrate when immersed in a hydrogen bromide solution, and the photonic crystal structure of the self-assembled block copolymer (BCP) having an IPN structure is other It can be moved to the substrate. A metal-like reflection was observed in the IPN-structured self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure against the black background of the paper. As described above, by patterning and outputting the ionic liquid ink on the surface of the photonic crystal structure having the block copolymer having the IPN structure, various shapes such as characters, figures, or images can be expressed as structural colors.

EMITFSI 같은 이온성 액체 잉크가 인쇄된 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체는 적어도 140 ℃까지 도메인 크기를 유지할 수 있으며, 이는 EMITFSI가 인쇄된 PEG-QP2VP 도메인이 온도에 안정하다는 것을 알 수 있다. 상기 이온성 액체로 인쇄된 IPN 구조를 갖는 자기조립 블록 공중합체(BCP)의 광결정 구조체는 열적으로 안정하는 것에 주목한다. IPN 구조의 고체 광결정 구조체는 이미 하이드로겔 물질에 의해 팽창된 상태이므로 잉크젯 인쇄로 매우 적은 양의 이온성 액상 잉크를 사용하여 입사광의 가시 범위를 반영할 수 있다. 대부분의 이온성 액체는 습도 및 흡습성에 민감하므로, EMIM + TFSI-와 같이 물 분자와의 친화력이 적고 습기에 영향이 적은 이온성 액체가 잉크젯 인쇄에 적합하다.The photonic crystal structure of the self-assembled block copolymer (BCP) printed with an ionic liquid ink such as EMITFSI can maintain the domain size up to at least 140°C, indicating that the EMITFSI-printed PEG-QP2VP domain is stable at temperature. . Note that the photonic crystal structure of the self-assembled block copolymer (BCP) having an IPN structure printed with the ionic liquid is thermally stable. Since the IPN-structured solid photonic crystal structure has already been expanded by the hydrogel material, a very small amount of ionic liquid ink can be used by inkjet printing to reflect the visible range of incident light. Since most ionic liquids are sensitive to humidity and hygroscopicity, ionic liquids such as EMIM + TFSI- which have little affinity with water molecules and less influenced by moisture are suitable for inkjet printing.

도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 광결정 구조체의 쓰기 및 소거의 반복적인 사용을 보여주는 도면이다. 11A is a diagram showing repeated use of writing and erasing of a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention.

도 11a를 참조하면, 이온성 액체 잉크는 EMITFSI, 에틸알코올(EtOH) 및 DI의 농도로 조절되어 종래의 잉크젯 프린터와 같은 유사한 해상도를 가질 수 있다. 상기 이온성 액체 잉크를 사용하여 광결정 구조체에 인쇄된 정보는 비휘발성이며, 국부적이며, 풀 컬러를 가질 수 있다. 원하는 경우, EMITFSI 잉크로 인쇄된 정보는 완전히 팽창된 PEGDA 하이드로 겔 블록을 광결정 구조체의 표면에 접촉하여 소거될 수 있다. 광결정 구조체의 P2VP 도메인과 PEGDA 하이드로 겔 블록 사이의 이온 농도 기울기(concentration gradient)는 EMITFSI 이온을 PEGDA 하이드로 겔 블록으로 이동시킬 수 있다. 광결정 구조체를 건조시킨 후, 정보가 제거되어 재사용할 준비가 된다. IPN 구조를 갖는 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체에서 잉크의 습윤성 및 이동성을 제어하기 위해 에탄올, 물 및 이온성 액체를 적절히 혼합하여 잉크 점도 및 접촉각을 조절할 수 있다. 미세 조정된 EMITFSI 잉크를 사용하여 기존의 잉크젯 프린터 및 RGB 풀 컬러 이미지로 거의 동일한 해상도의 이미지를 얻을 수 있다. 인쇄된 이미지의 구조색은 IPN 구조를 갖는 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 표면에 증착된 EMITFSI 액적의 양에 따라 달라질 수 있다. Referring to FIG. 11A, the ionic liquid ink is adjusted to the concentration of EMITFSI, ethyl alcohol (EtOH), and DI to have a resolution similar to that of a conventional inkjet printer. The information printed on the photonic crystal structure using the ionic liquid ink is non-volatile, local, and can have full color. If desired, the information printed with EMITFSI ink can be erased by contacting the fully expanded PEGDA hydrogel block with the surface of the photonic crystal structure. The ion concentration gradient between the P2VP domain of the photonic crystal structure and the PEGDA hydrogel block can transfer EMITFSI ions to the PEGDA hydrogel block. After drying the photonic crystal structure, the information is removed and ready to be reused. In order to control the wettability and mobility of the ink in the self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure having an IPN structure, the viscosity and contact angle of the ink may be adjusted by appropriately mixing ethanol, water, and an ionic liquid. Using fine-tuned EMITFSI inks, you can get images of almost the same resolution with conventional inkjet printers and RGB full color images. The structure color of the printed image may vary depending on the amount of EMITFSI droplets deposited on the surface of the self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure having an IPN structure.

종래의 멀티 잉크 카트리지 기반 잉크젯 인쇄보다 본 발명의 IPN 구조를 갖는 광결정 구조체는 블랙/그레이/화이트 대비가 있는 단일 이온성 액체 기반 잉크로 모든 RGB 패턴을 형성할 수 있다. 종래의 상업용 잉크젯 인쇄의 단점 중 하나는 한번 인쇄되면 용지를 재사용할 수 없다는 것이다. 반면에 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체는 이온 농도 기울기로 인해 이온성 액체 분자가 재배치될 수 있기 때문에 반복해서 기록 및 삭제할 수 있다. UV 경화된 PEGDA 하이드로 겔 블록을 적용하여 IPN 구조 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 나사 전위를 통해 하이드로 겔의 물 분자가 PEG-QP2VP 도메인으로 확산되고 이때 이온성 액체가 이온 농도 차이로 인해 하이드로 겔 블록에 흡수될 수 있다. 따라서, 반복적으로 가역적 쓰기 및 소거가 가능함으로써, 최대 반사율을 갖는 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체는 인쇄 정보 디스플레이용으로 사용될 수 있다.Compared to the conventional multi-ink cartridge-based inkjet printing, the photonic crystal structure having the IPN structure of the present invention can form all RGB patterns with a single ionic liquid-based ink having a black/gray/white contrast. One of the drawbacks of conventional commercial inkjet printing is that once printed, paper cannot be reused. On the other hand, the IPN-structured self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure can be repeatedly recorded and deleted because ionic liquid molecules can be rearranged due to the gradient of ion concentration. By applying a UV-cured PEGDA hydrogel block, the water molecules of the hydrogel diffuse into the PEG-QP2VP domain through the screw potential of the IPN structure self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure, and the ionic liquid at this time due to the difference in ion concentration. It can be absorbed into the hydrogel block. Accordingly, since reversible writing and erasing are possible repeatedly, a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure of an IPN structure having a maximum reflectance can be used for printing information display.

도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 이온성 액체 잉크 및 하이드로 겔 블록을 사용하여 반복적으로 쓰기 및 소거된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 이미지를 보여주는 도면이다. 11B is a view showing an image of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure repeatedly written and erased using an ionic liquid ink and a hydrogel block according to an embodiment of the present invention.

도 11b를 참조하면, 이온성 액체 잉크 및 하이드로 젤 블록을 사용한 인쇄 및 삭제 프로세스가 성공적으로 수행되었음을 알 수 있다. Referring to FIG. 11B, it can be seen that the printing and erasing process using the ionic liquid ink and the hydrogel block was successfully performed.

도 11c는 이온성 액체 잉크 및 하이드로 겔 블록을 사용하여 반복적으로 쓰기 및 소거된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 UV-vis 스펙트럼을 보여주는 도면이고, 도 11d는 쓰기 및 소거의 반복적인 사이클에 따른 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 차단 대역(stop band)의 위치를 보여주는 그래프이다. 11C is a view showing a UV-vis spectrum of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure repeatedly written and erased using an ionic liquid ink and a hydrogel block, and FIG. 11D is a repetitive cycle of writing and erasing. It is a graph showing the position of a stop band of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure according to.

도 11c를 참조하면, 초기 차단 대역과 일치하는 광결정 구조체의 인쇄 및 삭제된 상태의 반사 피크를 보여주며, 도 11d를 참조하면, 다수의 소거 공정 후에 반사율의 최대 값의 약간의 변화를 갖는 것은 결정 구조체 내의 잔여 이온성 액체로 인한 것으로 보여진다. Referring to FIG. 11C, it shows the reflection peak of the photonic crystal structure in the printed and erased state that coincides with the initial cutoff band. Referring to FIG. 11D, it is determined that the maximum value of the reflectance has a slight change after a number of erasing processes. It appears to be due to residual ionic liquid in the structure.

도 11e는 이온성 액체 잉크가 서서히 주입된 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 UV-vis 스펙트럼이고, 도 11f 내지 도 11h는 광결정 구조체의 이미지이고, 도 11i는 색상의 혼합을 보여주는 도면이다. 11E is a UV-vis spectrum of a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure in which an ionic liquid ink is gradually injected, FIGS. 11F to 11H are images of the photonic crystal structure, and FIG. 11I is a diagram showing color mixing. .

도 11e 내지 도 11h를 참조하면, 이온성 액체 잉크를 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체로 주입하여 가시 광선 영역(Ⅰ 군) 이상으로 팽창시키면(Ⅱ 군, Ⅲ 군), 2 차 이상의 고차의 차단 대역 피크가 나타난다. 2차 (적색) 및 3차(청색) 피크로 구성된 광의 첨가 혼합은 이온성 액체가 팽창된 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체는 자홍색 컬러를 가질 수 있다. 이처럼, 차단 대역의 가시 범위에 여러 피크가 있으면 IPN 구조의 자기조립 블록 공중합체(BCP) 광결정 구조체의 제어된 매우 비대칭인 라멜라 구조로 뛰어난 광자 결정 색상 혼합이 가능함을 알 수 있다.11E to 11H, when ionic liquid ink is injected into a self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure and expanded beyond the visible light region (group I) (group II, group III), higher order The cutoff band peak of appears. Addition and mixing of light composed of secondary (red) and tertiary (blue) peaks may have an ionic liquid-expanded IPN structured self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure having a magenta color. As such, if there are several peaks in the visible range of the cut-off band, it can be seen that excellent photonic crystal color mixing is possible with the controlled very asymmetric lamellar structure of the self-assembled block copolymer (BCP) photonic crystal structure of the IPN structure.

전술한 바와 같이, IPN 구조의 광자 결정의 경우, PS 층과 P2VP+하이드로젤 IPN 구조층의 비대칭(asymmetric) 구조로 인하여 1차 반사 피크가 가시광 영역에서 적외선(IR) 영역으로 적색 편이(red-shifted)되는 것이 가능하다. 이로 인해서, 2차, 3차, 4차 피크가 가시광 영역에 나타날 수 있으며, 차수가 높아질수록 피크 간 간격이 좁아지는 특성을 가지므로, 하나의 박막으로 가시광 영역에서의 색 혼합(color mixing)이 가능하며, 고차 피크일 수록 더 높은 반사율을 갖는 광자 결정 제조가 가능하다. As described above, in the case of the photonic crystal of the IPN structure, due to the asymmetric structure of the PS layer and the P2VP + hydrogel IPN structure layer, the primary reflection peak is red-shifted from the visible light region to the infrared (IR) region. ) Is possible. As a result, the second, third, and fourth peaks may appear in the visible light region, and as the order increases, the gap between the peaks narrows. Therefore, color mixing in the visible light region with one thin film It is possible, and the higher the peak, the higher the reflectance of the photonic crystal can be produced.

전술한 바와 같이, 본 발명은 자기조립 블록 공중합체의 광결정의 유전율뿐만 아니라 박막 형성 시 자발적으로 형성된 미세 구조가 전기의, 자성의, 열의 용매화 및 기계적 자극 같은 다양한 외부 및 환경적 힘이 있을 시, 외부 자극에 따라 구조색의 가역적 변경을 허용하여, 쉽게 변경될 수 있다. 또한, 특히 잉크젯 및 레이저 인쇄와 같은 기존의 인쇄 기술과 결합하면 자기조립 블록 공중합체의 구조색이 표면 상에 국부화되어 인쇄되므로, 비휘발성, 재기록 가능 및 인쇄 가능 디스플레이에 적합하다. As described above, in the present invention, not only the dielectric constant of the photonic crystal of the self-assembled block copolymer, but also the microstructure spontaneously formed during the formation of a thin film are subjected to various external and environmental forces such as electric, magnetic, thermal solvation and mechanical stimulation. However, it can be easily changed, allowing reversible change of the structural color according to external stimuli. In addition, especially when combined with conventional printing techniques such as inkjet and laser printing, the structural color of the self-assembled block copolymer is localized and printed on the surface, making it suitable for nonvolatile, rewritable and printable displays.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조체(100)는 가역적으로 디스플레이 가능한 광을 변경할 수 있으므로, 광 필터, 마이크로 레이저, 전기 발광소자, 광기전소자, 광 스위치, 및 센서와 같은 다양한 광전자 소자에의 응용성을 가지고 있으며, 반사형 디스플레이 소자에서 컬러 필터뿐만 아니라, 전자책(e-book), 디지털 액자와 같은 다양한 디스플레이 장치에서 가역적으로 다양한 색상을 디스플레이 할 수 있도록 하고, 위조방지 태그(tag)에 이용될 수도 있다. As described above, since the photonic crystal structure 100 according to an embodiment of the present invention can reversibly change displayable light, various optoelectronics such as optical filters, microlasers, electroluminescent devices, photovoltaic devices, optical switches, and sensors It has applicability to devices, and allows reversible display of various colors in various display devices such as e-books and digital picture frames, as well as color filters in reflective display devices, and anti-counterfeiting tags ( tag).

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and that various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have knowledge.

100: 광결정 구조체
10: 친수성 고분자 도메인
11: 물
12: 광개시제
13: 하이드로겔 물질
20: 소수성 고분자 도메인
30: 이송 채널
100: photonic crystal structure
10: hydrophilic polymer domain
11: water
12: photoinitiator
13: hydrogel material
20: hydrophobic polymer domain
30: feed channel

Claims (13)

소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 라멜라 구조를 갖는 소수성-친수성 블록 공중합체;
상기 친수성 고분자 도메인 내에 친수성 고분자와 광가교 결합된 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성하는 하이드로겔 물질; 및
상기 블록 공중합체 내에 형성된 위상학적 결함(topological defect)을 포함하며, 상기 광가교 결합될 하이드로겔 물질을 상기 친수성 고분자 도메인으로 선택적으로 전달하는 이송 채널을 포함하는 광결정 구조체.
A hydrophobic-hydrophilic block copolymer having a lamellar structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated;
A hydrogel material forming an interpenetrating polymer network (IPN) structure in which the hydrophilic polymer is photo-crosslinked in the hydrophilic polymer domain; And
A photonic crystal structure comprising a transport channel that includes a topological defect formed in the block copolymer and selectively transfers the hydrogel material to be photocrosslinked to the hydrophilic polymer domain.
소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 라멜라 구조를 갖는 소수성-친수성 블록 공중합체;
상기 친수성 고분자 도메인(의)내에 친수성 고분자와 광가교 결합된 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성하는 하이드로겔 물질; 및
상기 블록 공중합체 내에 형성된 위상학적 결함(topological defect)을 포함하며, 상기 광가교 결합될 하이드로겔 물질을 상기 친수성 고분자 도메인으로 선택적으로 전달하는 이송 채널을 포함하며,
상기 친수성 고분자 도메인으로 전달된 상기 하이드로겔 물질의 양에 의해, 상기 광결정 구조체의 초기 반사광의 파장이 결정되고,
상기 하이드로겔 물질의 양은 상기 광가교 결합의 정도에 의해 조절된 광결정 구조체.
A hydrophobic-hydrophilic block copolymer having a lamellar structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated;
A hydrogel material forming an interpenetrating polymer network (IPN) structure in which the hydrophilic polymer is photo-crosslinked in the hydrophilic polymer domain (of); And
It includes a topological defect formed in the block copolymer, and includes a transport channel for selectively transferring the hydrogel material to be photocrosslinked to the hydrophilic polymer domain,
The wavelength of the initial reflected light of the photonic crystal structure is determined by the amount of the hydrogel material transferred to the hydrophilic polymer domain,
A photonic crystal structure in which the amount of the hydrogel material is controlled by the degree of photocrosslinking.
제 2 항에 있어서,
상기 하이드로겔 물질의 양이 증가하거나 상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질 사이의 광가교 결합의 정도가 클수록 상기 초기 반사광은 적색 편이(red-shift)되는 광결정 구조체.
The method of claim 2,
The photonic crystal structure in which the initial reflected light is red-shifted as the amount of the hydrogel material increases or the degree of photocrosslinking between the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material increases.
제 1 항에 있어서,
상기 위상학적 결함은 나사 전위(screw dislocation)이며,
상기 소수성-친수성 블록 공중합체는 자기조립 구조를 갖는 광결정 구조체.
The method of claim 1,
The topological defect is a screw dislocation,
The hydrophobic-hydrophilic block copolymer is a photonic crystal structure having a self-assembled structure.
소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 라멜라 구조를 갖는 소수성-친수성 블록 공중합체;
상기 친수성 고분자 도메인(의)내에 친수성 고분자와 광가교 결합된 상호 침투 네트워크(interpenetrating polymer network: IPN) 구조를 형성하는 하이드로겔 물질; 및
상기 블록 공중합체 내에 형성된 위상학적 결함(topological defect)을 포함하며, 상기 광가교 결합될 하이드로겔 물질을 상기 친수성 고분자 도메인으로 선택적으로 전달하는 이송 채널을 포함하며,
상기 광결정 구조체는 이온성 액체를 이용한 잉크젯 인쇄가 가능하며,
상기 잉크젯 인쇄된 이온성 액체는 상기 이송 채널을 통해 상기 IPN 구조를 갖는 친수성 고분자 도메인으로 1차 흡수되어, 상기 친수성 고분자 도메인을 국부적으로 팽창시킴으로써, 풀 컬러(full color)를 구현하는 광결정 구조체.
A hydrophobic-hydrophilic block copolymer having a lamellar structure in which a hydrophobic polymer domain and a hydrophilic polymer domain are alternately repeated;
A hydrogel material forming an interpenetrating polymer network (IPN) structure in which the hydrophilic polymer is photo-crosslinked in the hydrophilic polymer domain (of); And
It includes a topological defect formed in the block copolymer, and includes a transport channel for selectively transferring the hydrogel material to be photocrosslinked to the hydrophilic polymer domain,
The photonic crystal structure is capable of inkjet printing using an ionic liquid,
The inkjet-printed ionic liquid is first absorbed into the hydrophilic polymer domain having the IPN structure through the transfer channel and locally expands the hydrophilic polymer domain, thereby implementing full color.
제 5 항에 있어서,
상기 친수성 고분자 도메인으로 1차 흡수된 이온성 액체가 상기 소수성-친수성 블록 공중합체 상에 배치되는 별도의 하이드로겔 블록에 의해, 상기 하이드로겔 블록으로 2차 흡수되어, 상기 광결정 구조체는 초기화되는 광결정 구조체.
The method of claim 5,
A photonic crystal structure in which the ionic liquid first absorbed into the hydrophilic polymer domain is absorbed secondarily into the hydrogel block by a separate hydrogel block disposed on the hydrophobic-hydrophilic block copolymer, and the photonic crystal structure is initialized. .
제 1 항에 있어서
상기 소수성 고분자 도메인은 폴리스티렌, 폴리사이클로헥실에틸렌, 및 폴리메틸스티렌 중 어느 하나 이상이고,
상기 친수성 고분자 도메인은 폴리비닐피리딘, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리락티드, 및 폴리하이드록시스티렌 중 어느 하나 이상이고,
상기 하이드로겔 물질은 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트 (polyethylene glycol diacrylate, PEGDA), 젤라틴 메타크릴레이트(gelatin methacrylate, GelMA), 아크릴산, 아크릴아미드 및 N-아이소프로필아크릴아미드(N-isopropylacrylamide, NIPAAM)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 조합인 광결정 구조체.
The method of claim 1
The hydrophobic polymer domain is at least one of polystyrene, polycyclohexylethylene, and polymethylstyrene,
The hydrophilic polymer domain is at least one of polyvinylpyridine, polymethyl methacrylate, polybutyl acrylate, polyethylene oxide, polylactide, and polyhydroxystyrene,
The hydrogel material is a group consisting of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), gelatin methacrylate (GelMA), acrylic acid, acrylamide and N-isopropylacrylamide (N-isopropylacrylamide, NIPAAM). Photonic crystal structure which is one type selected from or a combination thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 광가교 결합은 자외선(Ultraviolet: UV), 적외선(infrared), 가시광선, x선, 감마선 및 전파 중 어느 하나의 조사에 의해 수행되고,
상기 친수성 고분자 도메인 내에 상기 하이드로겔 물질과 함께 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)를 더 포함하는 광결정 구조체.
The method of claim 1,
The photocrosslinking is performed by irradiation of any one of ultraviolet (Ultraviolet: UV), infrared (infrared), visible light, x-ray, gamma ray, and radio waves,
A photonic crystal structure further comprising a photo initiator and water (H2O) together with the hydrogel material in the hydrophilic polymer domain.
소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 가지며, 위상학적 결함을 갖는 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 위상학적 결함을 통해, 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하여 선택적으로 상기 친수성 고분자 도메인으로 전달하는 단계; 및
상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질이 가교결합되도록 광을 조사하는 단계를 포함하는 광결정 구조체의 제조 방법.
Forming a hydrophobic-hydrophilic block copolymer layered structure having a topological defect and having a structure in which the hydrophobic polymer domain and the hydrophilic polymer domain are alternately repeated; And
Injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain through the topological defect and selectively transferring it to the hydrophilic polymer domain; And
A method for producing a photonic crystal structure comprising irradiating light to crosslink the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material.
소수성 고분자 도메인과 친수성 고분자 도메인이 교대로 반복된 구조를 가지며, 위상학적 결함(topological defect)을 갖는 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 위상학적 결함을 통해, 상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하여 선택적으로 상기 친수성 고분자 도메인으로 전달하는 단계; 및
상기 친수성 고분자 도메인의 친수성 고분자와 상기 하이드로겔 물질이 가교결합되도록 광을 조사하는 단계를 포함하며,
상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체를 형성하는 단계는,
블록공중합체 전구체 용액을 준비하는 단계;
상기 블록공중합체 전구체 용액을 블록공중합체 박막이 형성되도록 스핀코팅하는 단계; 및
상기 블록공중합체 박막을 용매 어닐링(solvent annealing) 시키는 단계를 포함하는 광결정 구조체의 제조 방법.
Forming a hydrophobic-hydrophilic block copolymerized layered structure having a structure in which the hydrophobic polymer domain and the hydrophilic polymer domain are alternately repeated and having a topological defect; And
Injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain through the topological defect and selectively transferring it to the hydrophilic polymer domain; And
Including the step of irradiating light so that the hydrophilic polymer of the hydrophilic polymer domain and the hydrogel material are crosslinked,
The step of forming the hydrophobic-hydrophilic block copolymerization layered structure,
Preparing a block copolymer precursor solution;
Spin coating the block copolymer precursor solution to form a block copolymer thin film; And
A method of manufacturing a photonic crystal structure comprising the step of subjecting the block copolymer thin film to solvent annealing.
제 9 항에 있어서,
상기 친수성 고분자 도메인에 하이드로겔 물질을 주입하는 단계는,
상기 하이드로겔 물질, 광개시제(photo initiator) 및 물(H2O)을 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계;
상기 혼합용액을 상기 소수성-친수성 블록 공중합 층상 구조체 상에 코팅하는 단계를 포함하는 광결정 구조체의 제조 방법.
The method of claim 9,
Injecting a hydrogel material into the hydrophilic polymer domain,
Preparing a mixed solution containing the hydrogel material, a photo initiator, and water (H2O);
A method of manufacturing a photonic crystal structure comprising the step of coating the mixed solution on the hydrophobic-hydrophilic block copolymerized layered structure.
제 11 항에 있어서,
상기 코팅하는 단계는 담금(dipping), 도포(spreading), 브러싱(brushing), 나이프 코팅(knife coating), 롤링(rolling), 분사(spraying), 스핀코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen printing) 및 커튼코팅(curtain coating)을 포함하는 광결정 구조체의 제조 방법.
The method of claim 11,
The coating steps include dipping, spreading, brushing, knife coating, rolling, spraying, spin coating, and screen printing. And a curtain coating method of manufacturing a photonic crystal structure.
제 1 항에 기재된 광결정 구조체를 준비하는 단계;
상기 광결정 구조체 상에, 이온성 액체 잉크를 사용하여 프린팅하는 단계를 포함하는 정보 표시 방법.
Preparing the photonic crystal structure according to claim 1;
And printing on the photonic crystal structure using ionic liquid ink.
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