KR102494682B1 - Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same - Google Patents

Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same Download PDF

Info

Publication number
KR102494682B1
KR102494682B1 KR1020210012512A KR20210012512A KR102494682B1 KR 102494682 B1 KR102494682 B1 KR 102494682B1 KR 1020210012512 A KR1020210012512 A KR 1020210012512A KR 20210012512 A KR20210012512 A KR 20210012512A KR 102494682 B1 KR102494682 B1 KR 102494682B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanobeads
particles
poly
metal
hydrogel
Prior art date
Application number
KR1020210012512A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210097052A (en
Inventor
조은철
편승범
김성욱
김민규
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Publication of KR20210097052A publication Critical patent/KR20210097052A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102494682B1 publication Critical patent/KR102494682B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

본 개시 내용에서는 가시광-근적외선 대역 내 특정 주파수 영역(대역)에서 외부 환경 조건 또는 자극에 관계없이 지속적으로 전기장 및 자기장 공명 현상이 동시에 발현되고 유지할 수 있으며, 또한 왼손잡이 광 특성이 발현될 수 있는 나노비드 및 이의 제조방법이 기재된다. In the present disclosure, in a specific frequency region (band) within the visible light-near infrared band, regardless of external environmental conditions or stimuli, electric field and magnetic field resonance phenomena can be continuously expressed and maintained simultaneously, and nanobeads can also express left-handed optical characteristics. and methods for their preparation are described.

Description

왼손잡이 광 특성을 갖는 나노비드 및 이의 제조방법{Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same}Nanobeads with left-handed optical properties and their manufacturing method {Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same}

본 개시 내용은 왼손잡이 광 특성을 갖는 나노비드 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 가시광-근적외선 대역 내 특정 주파수 영역(대역)에서 외부 환경 조건 또는 자극에 관계없이 지속적으로 전기장 및 자기장 공명 현상이 동시에 발현되고 유지할 수 있으며, 또한 왼손잡이 광 특성이 발현될 수 있는 나노비드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to nanobeads having left-handed optical properties and a method for preparing the same. More specifically, the present disclosure provides that an electric field and a magnetic field resonance phenomenon can be continuously expressed and maintained at the same time regardless of external environmental conditions or stimuli in a specific frequency region (band) within the visible light-near infrared ray band, and left-handed optical characteristics can be expressed. It relates to nanobeads that can be used and a method for preparing the same.

광은 전기장 및 자기장으로 이루어지며, 일정 파장을 갖는 전자기파에 해당된다. 광이 새로운 매질을 관통하게 되면, 일반적으로 광이 진행하는 방향으로 스넬의 법칙에 따라 굴절하는 현상이 발생한다. 이와 같이, 굴절률이 양인 자연계의 일반적인 물질과는 달리, 물질이 음의 굴절률을 갖게 되면 광이 진행하는 방향과 반대되는 방향으로 꺾인 굴절 현상이 발생하게 된다.Light consists of an electric field and a magnetic field, and corresponds to an electromagnetic wave having a certain wavelength. When light passes through a new medium, a phenomenon generally occurs in which the light travels according to Snell's law. In this way, unlike a general material in the natural world having a positive refractive index, when a material has a negative refractive index, a refraction phenomenon bent in a direction opposite to the direction in which light travels occurs.

자연계의 모든 물질은 원자 또는 분자로 이루어져 있는 바, 이의 전자기 특성은 물질 고유의 유전율(permittivity) 또는 투자율(permeability)에 의하여 결정된다. 대부분의 물질은 양의 유전율 및 투자율 값을 갖고 있어 DPS(Double Positive)로 불리며 전기장, 자기장 및 위상 벡터가 오른손 법칙을 적용하므로 오른손잡이 물질(right-handed material)이라고 한다.All materials in the natural world are composed of atoms or molecules, and their electromagnetic properties are determined by their inherent permittivity or permeability. Most materials have positive permittivity and magnetic permeability values, so they are called DPS (Double Positive), and electric, magnetic, and phase vectors apply the right-hand rule, so they are called right-handed materials.

반면, 음의 굴절률을 갖는 물질은 자연 상태로 존재하지 않는 음의 유전율 및 음의 투자율을 갖게 되는데, 인위적으로 조작 처리된 합성물(composite)이 음의 굴절률을 나타낼 경우, 이를 왼손잡이 물질(left-handed material)로 부를 수 있다. 즉, 인위적으로 조작 처리된 합성물(composite) 중 음수를 포함하여 1보다 작은 굴절률을 갖는 물질인 메타물질을 의미하며, 유전율(ε)과 투자율(μ)의 부호에 따라 투자율 및 유전율이 동시에 음의 값을 갖게 된다. 이와 같이, 광의 진행 방향과 반대되는 방향으로 광을 굴절시키는 왼손잡이 광 특성을 갖는 물질의 가능성은 Veselago에 의하여 최초로 제안되었는 바(Sov. Phys. Usp. 1968, 10, 509-514), 이후 1999년 경에는 스프릿-링(split-ring) 공진기를 통하여 왼손잡이 광 특성을 갖는 물질이 구현될 수 있음이 증명된 바 있고, 이후 다수의 연구자들에 의하여 특정 주파수 영역에서 왼손잡이 광 특성을 갖는 물질이 제조된 바 있다.On the other hand, a material having a negative refractive index has a negative permittivity and negative permeability that do not exist in nature. When an artificially engineered composite exhibits a negative refractive index, it is referred to as a left-handed material. material). In other words, it means a metamaterial, which is a material having a refractive index smaller than 1, including negative numbers, among artificially manipulated composites. have a value As such, the possibility of a material having a left-handed optical property that refracts light in a direction opposite to the traveling direction of light was first proposed by Veselago (Sov. Phys. Usp. 1968, 10, 509-514), and then in 1999. In the past, it has been proven that a material having left-handed optical properties can be implemented through a split-ring resonator, and since then, a number of researchers have produced materials having left-handed optical properties in a specific frequency range. there is a bar

일반적으로, 왼손잡이 광 특성을 갖는 물질은 특정 주파수에서 전기장과 자기장 공명이 동시에 가능한 구조로 이루어져 있으며, 자기장은 외부 자기장과 반대 방향으로 발생되도록(즉, 음의 투자율을 갖도록) 설계된다. 광의 90% 이상을 차지하는 가시광-근적외선 주파수 영역에서 물질이 왼손잡이 특성을 갖기 위하여는 물질 크기를 광의 파장보다 작은 스케일로 설계해야 하는데, 최근 리소그래피 방식을 이용하여 다양한 형태의 왼손잡이 광 특성을 갖는 물질을 제조할 수 있는 것으로 알려져 있다. 최근에는 메타물질의 응용에 관한 연구가 이루어지고 있는데, 이러한 응용을 위하여 리소그래피 방식을 활용하여 넓은 면적에서 균일한 메타 물질을 제조하려는 시도가 보고되고 있다(ACS Nano 2012, 3, 2385).In general, a material having left-handed optical characteristics has a structure capable of simultaneous electric and magnetic field resonance at a specific frequency, and is designed so that a magnetic field is generated in a direction opposite to an external magnetic field (ie, has negative magnetic permeability). In order for materials to have left-handed properties in the visible-near-infrared frequency range, which accounts for more than 90% of light, the material size must be designed on a scale smaller than the wavelength of light. It is known to be able to. Recently, research on the application of metamaterials has been conducted, and an attempt to manufacture a uniform metamaterial in a large area using a lithography method for this application has been reported (ACS Nano 2012, 3, 2385).

이와 관련하여, 금속 나노입자를 적절히 2차원 평면에 배열할 경우, 한 연구에서는 원형 순환 전류 (circulating current)가 발생할 수 있다는 결과를 보고하였으며 (Science 2010, 328, 1135), 다른 연구에서는 왼손잡이 광 특성을 나타낼 수 있도록 금속 나노입자가 2차원 평면에 배열된 구조체 내부에 자기장이 강하게 형성된 결과를 보고한 바 있다(Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 95).In this regard, when metal nanoparticles are properly arranged on a two-dimensional plane, one study reported that a circular circulating current could occur (Science 2010, 328, 1135), and another study reported left-handed optical characteristics It has been reported that a strong magnetic field is formed inside a structure in which metal nanoparticles are arranged on a two-dimensional plane so as to represent (Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 95).

그러나, 왼손잡이 물질 또는 구조체를 다양한 배열을 통하여 제조할 경우, 외부환경 변화 또는 자극에 의하여 왼손잡이 광 특성을 발현하는 배열이 변화될 수 있고, 이 경우 왼손잡이 광 특성을 지속적으로 발현시키기 곤란할 수 있다. 따라서, 제조된 구조체는 외부 환경 변화 및 자극에 관계없이 지속적으로 왼손잡이 광 특성을 유지할 수 있도록 구조가 설계 및 제조될 필요가 있다.However, when a left-handed material or structure is manufactured through various arrangements, the arrangement expressing left-handed optical characteristics may change due to changes in the external environment or stimuli, and in this case, it may be difficult to continuously express left-handed optical characteristics. Accordingly, the fabricated structure needs to be designed and manufactured so that left-handed optical properties can be continuously maintained regardless of external environmental changes and stimuli.

또한, 구조체를 제조하기 위하여는 복잡한 과정 및 특별한 장치를 사용해야 하기 때문에 보다 간단한 방안을 마련할 필요가 있다. 더 나아가, 상업적 활용을 위하여는 대용량으로 제조할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, it is necessary to prepare a simpler method because a complicated process and a special device must be used to manufacture the structure. Furthermore, for commercial use, it is desirable to be able to manufacture in large quantities.

따라서, 다양한 광 주파수(또는 파장) 영역에서 전자기장을 증폭시킬 수 있는 실용적인 왼손잡이 물질의 설계 및 제조 방법이 요구된다.Therefore, a method for designing and manufacturing a practical left-handed material capable of amplifying electromagnetic fields in various optical frequency (or wavelength) regions is required.

본 개시 내용에서는 종래기술의 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 간편한 방식으로 외부 환경 조건 또는 자극에 관계없이 지속적으로 전기장 및 자기장 공명 현상이 동시에 발현되고 유지할 수 있으며, 왼손잡이 광 특성을 나타낼 수 있는 나노비드 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.In the present disclosure, it is possible not only to overcome the limitations of the prior art, but also to continuously develop and maintain electric and magnetic resonance phenomena simultaneously regardless of external environmental conditions or stimuli in a simpler manner, and to exhibit left-handed optical characteristics. It is intended to provide nanobeads and methods for preparing them.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of the present disclosure,

구형의 하이드로겔 입자;spherical hydrogel particles;

상기 하이드로겔 입자 표면에 회합된 복수의 금속 나노콜로이드 입자; 및a plurality of metal nano-colloidal particles associated with the hydrogel particle surface; and

상기 금속 나노콜로이드 입자가 부착된 하이드로겔 입자 상에 형성된 광 투과성 무기 산화물 나노코팅층;a light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer formed on the hydrogel particles to which the metal nano-colloidal particles are attached;

을 포함하는 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 구조의 나노비드로서, A three-dimensional structure of nanobeads having left-handed optical properties comprising

상기 나노비드가 소정 광 주파수 대역에서 왼손잡이 광 특성을 나타내어 내부에 전기장 및 자기장 공명을 동시에 발생시키고 증폭하도록, 상기 금속 나노콜로이드 입자가 하이드로겔 입자의 표면에 회합되어 있는 구조를 형성하고,Forming a structure in which the metal nanocolloidal particles are associated with the surface of the hydrogel particles so that the nanobeads exhibit left-handed optical characteristics in a predetermined optical frequency band to simultaneously generate and amplify electric and magnetic field resonances therein,

상기 무기 산화물 나노코팅층은 왼손잡이 광 특성을 보존하도록 상기 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드의 회합 구조에 고정력을 제공하는 나노비드가 제공된다.The inorganic oxide nanocoating layer is provided with nanobeads that provide fixing force to an association structure of metal nanocolloids formed on the hydrogel particles so as to preserve left-handed optical properties.

예시적 구체예에 따르면, 상기 하이드로겔 입자의 직경(수력학적 직경)은 50 내지 1000 nm 범위 내에서 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the diameter (hydrodynamic diameter) of the hydrogel particles may be adjusted within the range of 50 to 1000 nm.

예시적 구체예에 따르면, 상기 금속 나노콜로이드 입자의 직경은 1 내지 200 nm 범위 내에서 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the diameter of the metal nano-colloidal particle may be adjusted within a range of 1 to 200 nm.

예시적 구체예에 따르면, 상기 회합 구조 내 금속 나노콜로이드 입자 간 간격은 0.1 내지 20 nm 범위 내에서 정하질 수 있다. According to an exemplary embodiment, the distance between the metal nano-colloidal particles in the association structure may be determined within the range of 0.1 to 20 nm.

예시적 구체예에 따르면, 상기 무기 산화물 나노코팅층의 두께는 1 내지 1000 nm 범위 내에서 정하여질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the thickness of the inorganic oxide nano-coating layer may be determined within the range of 1 to 1000 nm.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present disclosure,

a) 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물을 제공하는 단계;a) providing an aqueous dispersion of metal nanocolloidal particles;

b) 상기 단계 a)와 별도로, 구형의 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 제공하는 단계;b) apart from step a), providing an aqueous dispersion of spherical hydrogel particles;

c) 상기 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물과 상기 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 조절된 온도 조건 하에서 조합하여 상기 하이드로겔 입자 상에 금속 나노콜로이드를 회합시키는 단계; 및c) combining the aqueous dispersion of the metal nanocolloid particles and the aqueous dispersion of the hydrogel particles under controlled temperature conditions to associate the metal nanocolloid on the hydrogel particles; and

d) 상기 금속 나노콜로이드가 회합된 하이드로겔 입자 상에 무기 산화물 전구체를 이용하여 광 투과성 무기 산화물 나노코팅층을 형성하는 단계;d) forming a light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer on the hydrogel particles in which the metal nano-colloids are associated using an inorganic oxide precursor;

를 포함하는 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 구조의 나노비드를 제조하는 방법으로서,A method for producing a three-dimensional structure of nanobeads having left-handed optical properties comprising

상기 나노비드가 소정 광 주파수 대역에서 왼손잡이 광 특성을 나타내어 내부에 전기장 및 자기장 공명을 동시에 발생시키고 증폭하도록, 상기 금속 나노콜로이드 입자가 하이드로겔 입자의 표면에 회합되어 있는 구조를 형성하고,Forming a structure in which the metal nanocolloidal particles are associated with the surface of the hydrogel particles so that the nanobeads exhibit left-handed optical characteristics in a predetermined optical frequency band to simultaneously generate and amplify electric and magnetic field resonances therein,

상기 무기 산화물 나노코팅층은 왼손잡이 광 특성을 보존하도록 상기 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드의 회합 구조에 고정력을 제공하는 방법이 제공된다.The inorganic oxide nanocoating layer provides a method of providing a fixing force to an association structure of metal nanocolloids formed on the hydrogel particles so as to preserve left-handed optical characteristics.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 c)에서 상기 하이드로겔 입자와 상기 금속 나노콜로이드 입자는 정전기적 인력에 의하여 금속 나노콜로이드가 하이드로겔 입자 표면에 부착되어 회합되며, 그리고According to an exemplary embodiment, in step c), the hydrogel particles and the metal nanocolloid particles are associated with each other by being attached to the surface of the hydrogel particle by electrostatic attraction, and

상기 하이드로겔 입자의 가역적 팽창 및 수축에 의하여 이의 표면에 회합된 금속 나노콜로이드 입자 간의 회합 구조 및 이에 따른 금속 나노콜로이드 입자 간의 거리 및 밀도가 변화할 수 있다.Due to the reversible expansion and contraction of the hydrogel particles, the association structure between the metal nanocolloid particles associated with the surface thereof and thus the distance and density between the metal nanocolloid particles may change.

본 개시 내용에 따른 3차원 구조의 나노비드는 특정 주파수 대역(구체적으로 수백 테라헤르츠의 광 주파수 또는 가시광-근적외선 대역)에 대해 자기장 및 전기장 공명 현상을 동시에 유도하고, 이로 인하여 왼손잡이 광 특성을 나타내도록 설계되어 있다. 특히, 나노비드의 내부 구조 또는 치수에 의하여 공명 주파수를 조절함으로써 다양한 광 주파수의 에너지를 증폭시킬 수 있는 장점을 제공한다. 이러한 특성은 외부 환경의 변화에 영향을 받지 않고 지속적으로 발현될 수 있다. 더 나아가, 습식 공정을 통하여 나노비드를 단일 반응기 내에서 연속적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상대적으로 간단한 제조 방식을 채택함으로써 상업적 규모의 제조에 유리하다.The three-dimensional structure of nanobeads according to the present disclosure simultaneously induces magnetic and electric field resonance phenomena for a specific frequency band (specifically, an optical frequency of several hundred terahertz or a visible light-near infrared band), thereby exhibiting left-handed optical characteristics. It is designed. In particular, by adjusting the resonance frequency according to the internal structure or dimensions of the nanobead, it provides an advantage of amplifying energy of various optical frequencies. These characteristics can be continuously expressed without being affected by changes in the external environment. Furthermore, nanobeads can be continuously produced in a single reactor through a wet process, and a relatively simple manufacturing method is advantageous for commercial scale manufacturing.

도 1a 및 도 1b 각각은 예시적 구체예에 따른, 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 나노비드의 전체적인 구조를 도시하는 도면 및 내부를 개략적으로 도시하는 단면도(d는 금속 나노콜로이드의 직경, s는 금속 나노콜로이드 간의 간격, t는 금속 나노콜로이드 외측면에서 나노비드 외측면까지의 거리(즉, 금속 산화물 나노코팅층의 두께))이고,
도 2는 실시예에서 25 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 나노비드를 제조하는 과정 중 금 나노콜로이드의 광 특성의 변화 (스펙트럼의 변화)를 나타내는 그래프이고,
도 3는 실시예에서 25 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드가 포함된 수분산 용액의 온도에 따른 광 특성을 나타내는 그래프이고,
도 4는, 실시예에 있어서, (a) 25 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드의 주사전자 현미경(SEM) 사진, (b) 도 2의 실험 결과와 가장 근접한 결과를 나타내는 나노비드를 소프트웨어를 통하여 도출한 모델의 모식도, (c) 실험을 통하여 수득된 나노비드의 광 특성 및 모델을 통하여 얻은 광 특성을 보여주는 그래프, (d) 모델에서 600 nm, 680 nm, 760 nm, 및 800 nm의 광 각각을 조사한 경우에 나노비드에 생성되는 전기장 및 자기장의 변화를 나타내는 도면이고;
도 5는 (a, b) 600 nm 및 (c, d) 760 nm 파장을 갖는 광을 나노비드에 조사한 경우에 나노비드에 발생되는 전기장 및 자기장의 변화, 그리고 전기장 및 전기장의 벡터를 위상 각(phase angle)에 따라 나타내는 도면이고;
도 6은 (a) 600 nm 및 (b) 760 nm 파장을 갖는 광을 나노비드에 조사한 경우에 나노비드에 발생되는 Poynting vector의 방향을 나타내는 도면이고;
도 7은 실시예에서 40 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 나노비드를 제조하는 과정 중 금 나노콜로이드의 광 특성의 변화(스펙트럼의 변화)를 나타내는 그래프이고;
도 8은 실시예에서 40 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드가 포함된 수분산 용액의 온도에 따른 광 특성을 나타내는 그래프이고, 그리고
도 9는, 실시예에 있어서, (a) 40 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드의 주사전자 현미경(SEM) 사진, (b) 도 7의 실험 결과와 가장 근접한 결과를 나타내는 나노비드를 소프트웨어를 통하여 도출한 모델의 모식도, (c) 실험을 통하여 수득된 나노비드의 광 특성 및 모델을 통하여 얻은 광 특성을 보여주는 그래프, (d) 모델에서 570 nm, 760 nm 및 870 nm의 광 각각을 조사한 경우에 나노비드에 생성되는 전기장 및 자기장의 변화를 나타내는 도면, (e) 870 nm 파장을 갖는 광을 나노비드에 조사한 경우에 나노비드에 발생되는 전기장 및 자기장의 변화 및 전기장 및 전기장의 벡터를 위상 각(phase angle)에 따라 나타내는 도면, 및 (f) 870 nm 파장을 갖는 광을 나노비드에 조사한 경우에 나노비드에 발생되는 Poynting vector의 방향을 나타내는 도면이다.
1A and 1B respectively show the overall structure of a three-dimensional nanobead having a left-handed optical characteristic and a cross-sectional view schematically showing the inside (d is the diameter of the metal nanocolloid, s is the metal nanobead) according to an exemplary embodiment. The distance between the nanocolloids, t, is the distance from the outer surface of the metal nanocolloids to the outer surface of the nanobeads (ie, the thickness of the metal oxide nanocoating layer)),
2 is a graph showing the change in optical properties (change in spectrum) of gold nano-colloids during the process of preparing nanobeads using gold nano-colloids having a diameter of 25 nm in Example;
Figure 3 is a graph showing the optical properties according to the temperature of the aqueous dispersion solution containing nanobeads prepared using gold nanocolloids with a diameter of 25 nm in Example,
Figure 4, in the embodiment, (a) a scanning electron microscope (SEM) photograph of nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 25 nm, (b) nanoparticles showing results closest to the experimental results of FIG. A schematic diagram of a model derived from beads through software, (c) a graph showing optical properties of nanobeads obtained through experiments and optical properties obtained through models, (d) 600 nm, 680 nm, 760 nm, and A diagram showing changes in electric and magnetic fields generated in nanobeads when irradiated with light of 800 nm, respectively;
5 shows (a, b) changes in the electric and magnetic fields generated in the nanobeads when light having a wavelength of 600 nm and (c, d) 760 nm is irradiated to the nanobeads, and the vector of the electric field and the electric field at a phase angle ( phase angle);
6 is a diagram showing directions of Poynting vectors generated in nanobeads when the nanobeads are irradiated with light having a wavelength of (a) 600 nm and (b) 760 nm;
7 is a graph showing the change in optical properties (change in spectrum) of gold nano-colloids during the process of preparing nanobeads using gold nano-colloids having a diameter of 40 nm in Example;
8 is a graph showing optical properties according to temperature of an aqueous dispersion solution containing nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 40 nm in Example, and
9 is an example, (a) a scanning electron microscope (SEM) photograph of nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 40 nm, (b) nanoparticles showing results closest to the experimental results of FIG. 7 . A schematic diagram of the model derived from the beads through software, (c) a graph showing the optical properties of the nanobeads obtained through the experiment and the optical properties obtained through the model, (d) the light of 570 nm, 760 nm, and 870 nm in the model A diagram showing changes in the electric and magnetic fields generated in the nanobeads when each is irradiated, (e) when the nanobeads are irradiated with light having a wavelength of 870 nm, the changes in the electric and magnetic fields generated in the nanobeads, and the electric and electric fields A diagram showing a vector according to a phase angle, and (f) a diagram showing the direction of a pointing vector generated in a nanobead when light having a wavelength of 870 nm is irradiated to the nanobead.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.The present invention can all be achieved by the following description. The following description should be understood as describing preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, the accompanying drawings are for understanding, and the present invention is not limited thereto, and details of individual components can be properly understood by the specific purpose of the related description to be described later.

본 명세서에 있어서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.Terms used in this specification may be defined as follows.

"하이드로겔"은 "수화겔"로서 불리우며, 일반적으로 친수성 단량체의 가교 중합체로서 다량의 물을 흡수할 수 있는 3차원적, 친수성 또는 양친매성 고분자 네트워크를 의미할 수 있다. 이러한 고분자 네트워크는 단일중합체 또는 공중합체일 수 있고, 공유 화학적 또는 물리적(이온성, 소수성 상호작용, 얽힘 현상 등) 가교 연결의 존재로 인하여 수계 매질과 상이 분리될 수 있다. 그러나, 가교점 이외의 고분자 사슬은 물 또는 수용액과의 친화성 정도에 따라 사슬의 구조가 수축하거나 팽창이 가능하며, 그 결과, 하이드로겔은 고분자와 수계 매질 내에서 팽윤하고 수축될 수 있다."Hydrogel" is also called "hydrogel" and can refer to a three-dimensional, hydrophilic or amphiphilic polymer network capable of absorbing large amounts of water, usually as a cross-linked polymer of hydrophilic monomers. These polymer networks can be homopolymers or copolymers and can phase separate from the aqueous medium due to the presence of covalent chemical or physical (ionic, hydrophobic interactions, entanglement, etc.) cross-links. However, polymer chains other than the crosslinking point can contract or expand the structure of the chain depending on the degree of affinity with water or aqueous solution, and as a result, the hydrogel can swell and contract in the polymer and aqueous medium.

"나노 스케일"은 포괄적으로는 특징부(feature)의 최대 치수가 나노미터 수준, 예를 들면 약 0.1 내지 1000 nm, 구체적으로 약 1 내지 700 nm 범위인 것을 의미할 수 있다.“Nanoscale” can broadly mean that the largest dimension of a feature is on the nanometer scale, for example in the range of about 0.1 to 1000 nm, specifically about 1 to 700 nm.

"연성(soft)"은 소정 스트레인 레벨(예를 들면, 약 1 내지 1000%, 구체적으로 약 10 내지 500%)에서 손상 또는 파괴되지 않는 방식으로 가역적으로 변형(예를 들면, 팽창 또는 수축) 가능한 재료의 성상을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.“Soft” means capable of reversibly deforming (eg, expanding or contracting) in a manner that does not damage or break at a given strain level (eg, from about 1 to 1000%, specifically from about 10 to 500%). It can be understood to mean the properties of the material.

"외부 자극 응답성"은 온도를 비롯한 외부 자극(external stimuli)에 따라 변화하는 거동(예를 들면, 가역적으로 변화하는 거동)을 나타내는 성질을 의미하는 것으로 이해될 수 있다."External stimulus responsiveness" may be understood to mean a property that exhibits behavior (eg, reversibly changing behavior) depending on external stimuli, including temperature.

"표면 플라즈몬"은 전도성 입자가 비전도성(dielectric) 물질과 계면을 형성하는 경우, 대전 현상에 의하여 전자들의 집단적이고 주기(frequency)를 가지면서 규칙적으로 진동(charge collective oscillation)하는 현상을 의미할 수 있다. 이때, 입자의 기하학적 형태뿐만 아니라, 입자의 회합 구조에 의하여도 진동 주기가 변화하며, 이에 따라 광의 특정 파장 또는 주기가 진동 주기와 일치할 때 특정 광의 파장이 입자 또는 구조체에 의하여 산란될 수 있다."Surface plasmon" may refer to a phenomenon in which electrons collectively and regularly oscillate with a regular frequency due to a charging phenomenon when a conductive particle forms an interface with a dielectric material. there is. At this time, the vibration period is changed not only by the geometric shape of the particle but also by the association structure of the particle, and accordingly, when a specific wavelength or period of light coincides with the vibration period, a specific wavelength of light may be scattered by the particle or structure.

"LCST(low critical solution temperature)"는 광의로는 고분자가 용매 내에서 용해될 수 있는 최대 온도이고, 협의로는 하이드로겔을 구성하는 고분자가 수계 매질 내에서 용해도를 상실하는 온도를 의미할 수 있다. "LCST (low critical solution temperature)" is the maximum temperature at which a polymer can be dissolved in a solvent in a broad sense, and in a narrow sense, it may mean the temperature at which a polymer constituting a hydrogel loses solubility in an aqueous medium. .

"접촉한다"는 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다."Contacting" narrowly means direct contact between two objects, but in a broad sense it can be understood that any additional component may be intervened.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. It can be understood that the expressions "on" and "above" are used to refer to the concept of relative position. Therefore, not only when other components or layers are directly present in the mentioned layers, other layers (intermediate layers) or components may be interposed or present therebetween. Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts of position. In addition, the expression “sequentially” may also be understood as a relative positional concept.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In this specification, when it is said that a certain component is "included", it means that it may further include other components and / or steps unless otherwise stated.

왼손잡이 광 특성을 갖는 나노비드Nanobeads with left-handed optical properties

본 개시 내용의 일 구체예에 따른 나노비드(구체적으로 3차원 구조의 나노비드)는 특정 광 주파수 대역, 구체적으로 수백 테라헤르쯔 광 주파수(가시광-근적외선) 대역에서 전기장 및 자기장 공명 현상이 동시에 발현되어 왼손잡이 광 특성을 나타낼 수 있다. 이와 관련하여, 도 1a 및 도 1b 각각은 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 나노비드(100)의 전체적인 구조 및 이의 내부 단면을 개략적으로 도시한다.Nanobeads (specifically, nanobeads having a three-dimensional structure) according to one embodiment of the present disclosure exhibit simultaneous electric and magnetic resonance phenomena in a specific optical frequency band, specifically several hundred terahertz optical frequency (visible light-near infrared ray) band, Left-handed optical characteristics can be exhibited. In this regard, FIGS. 1A and 1B each schematically show the overall structure and internal cross-section of a 3D nanobead 100 having left-handed optical characteristics.

상기 도면을 참조하면, 나노비드(100)는, 크게 구형의 하이드로겔 입자(101), 복수의 금속 나노콜로이드 입자(102), 및 무기 산화물 코팅층(또는 유리창; 103)을 포함한다. Referring to the drawing, the nanobeads 100 include largely spherical hydrogel particles 101, a plurality of metal nanocolloidal particles 102, and an inorganic oxide coating layer (or glass window) 103.

이와 관련하여, 하이드로겔 입자(101)는 금속 나노콜로이드(102)가 왼손잡이 광 특성을 발현할 수 있는 회합 구조를 유도할 수 있는 위치(평면) 또는 공간을 제공할 수 있다. 특히, 하이드로겔 입자(101)는 외부 환경 또는 자극에 대한 감응성을 나타내어 크기가 변할 수 있는 연성(soft) 특성을 갖기 때문에 금속 나노콜로이드의 조밀한 회합(close packing)을 극대화할 수 있다.In this regard, the hydrogel particles 101 may provide a position (plane) or space at which the metal nanocolloid 102 can induce an association structure capable of expressing left-handed optical characteristics. In particular, since the hydrogel particles 101 exhibit sensitivity to external environments or stimuli and have a soft property that can change in size, close packing of metal nanocolloids can be maximized.

- 하이드로겔 입자(101)- hydrogel particles (101)

도시된 구체예에 따르면, 하이드로겔 입자(101)의 직경(수력학적 직경)은 금속 나노콜로이드의 크기, 회합 개수, 제조될 나노비드의 크기 등을 고려하여 정할 수 있는 바, 예를 들면 약 50 내지 1000 nm, 구체적으로 약 75 내지 700 nm, 보다 구체적으로 약 100 내지 500 nm 범위 내에서 정하여질 수 있다. 다만, 상술한 하이드로겔 입자의 사이즈 범위는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.According to the illustrated embodiment, the diameter (hydrodynamic diameter) of the hydrogel particles 101 can be determined in consideration of the size of metal nanocolloids, the number of associations, the size of nanobeads to be produced, etc., for example, about 50 to 1000 nm, specifically about 75 to 700 nm, and more specifically about 100 to 500 nm. However, the size range of the above-described hydrogel particles can be understood as an example.

이와 관련하여, 하이드로겔의 재질은, 연성 물질, 구체적으로 외부 자극에 응답하여 가역적으로 변형(예를 들면, 수축 또는 팽창)되는 특성을 갖는 물질일 수 있다. 예시적으로, 하이드로겔은 고분자일 수 있는 바, 이의 재질은, 예를 들면 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)[poly(N-isopropylacrylamide), pNIPAM], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(Nisopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid), poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid), poly(NIPAM-co-MAAc)], 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)[poly(N,N-diethylacrylamide)], 폴리(N-비닐카프롤락탐)[poly(N-vinlycaprolactam)], 폴리(에틸렌글리콜)[poly(ethylene glycol)], 폴리(에틸렌글리콜-b-프로필렌글리콜-b-에틸렌글리콜)[poly(ethylene glycol-b-propylene glycol-b-ethylene glycol)]로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. In this regard, the material of the hydrogel may be a soft material, specifically a material having characteristics of being reversibly deformed (eg, contraction or expansion) in response to an external stimulus. Illustratively, the hydrogel may be a polymer, and its material is, for example, poly(N-isopropylacrylamide) [poly(N-isopropylacrylamide), pNIPAM], poly(N-isopropyl acrylamide-co -Allylamine) [poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)[ poly(Nisopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), poly(NIPAM-co-DMAEMA)], poly(N-isopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate)[poly(N -isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid ), poly(NIPAM-co-AAc)], poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid) [poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid), poly(NIPAM-co-MAAc)], poly(N,N-diethylacrylamide), poly(N-vinylcaprolactam), poly(ethylene glycol) )], and at least one selected from the group consisting of poly(ethylene glycol-b-propylene glycol-b-ethylene glycol) [poly(ethylene glycol-b-propylene glycol-b-ethylene glycol)].

예시적으로, 하이드로겔은 LCST(lower critical solution temperature)를 갖는 고분자일 수 있는 바, 하이드로겔의 LCST는, 예를 들면 약 0 내지 100 ℃, 구체적으로 약 10 내지 70 ℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 50 ℃ 범위 내에서 정하여질 수 있다.Illustratively, the hydrogel may be a polymer having a lower critical solution temperature (LCST), and the LCST of the hydrogel is, for example, about 0 to 100 ° C, specifically about 10 to 70 ° C, more specifically about 25 to 50 °C.

- 금속 나노콜로이드(102)- Metal nano colloid (102)

도시된 구체예에 있어서, 금속 나노콜로이드(102)는 나노비드(100)가 왼손잡이 광 특성을 나타내는데 필수적인 요소로서, 하이드로겔 입자(101) 표면에 형성된 금속 나노콜로이드(102) 간의 회합 구조가 형성된다.In the illustrated embodiment, the metal nanocolloid 102 is an essential element for the nanobeads 100 to exhibit left-handed optical properties, and an association structure between the metal nanocolloids 102 formed on the surface of the hydrogel particle 101 is formed. .

이와 같이, 하이드로겔 입자(101) 상에 금속 나노콜로이드(102)의 회합 구조를 형성하도록 설계함으로써 특정 주파수 대역에서 왼손잡이 광 특성을 발현할 수 있다. 구체적으로, 나노비드(100) 중 하이드로겔 입자(101)와 금속 나노콜로이드(102)의 전체 구조 및 개별 구성 요소와 같은 내부 구조를 조절하여 공명 주파수를 변화시킬 수 있기 때문에 전기장 및 자기장 공명 현상을 이용하여 다양한 광 주파수 대역의 에너지를 증폭시킬 수 있다.In this way, by designing the hydrogel particle 101 to form an association structure of the metal nanocolloid 102, left-handed optical characteristics can be expressed in a specific frequency band. Specifically, since the resonant frequency can be changed by adjusting the internal structure such as the overall structure and individual components of the hydrogel particles 101 and the metal nanocolloid 102 of the nanobeads 100, the electric and magnetic field resonance phenomena It can amplify the energy of various optical frequency bands by using.

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드(102)는 구형, 막대형, 와이어형, 피라미드형, 큐브형 및 프리즘형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 형상을 가질 수 있는 바, 보다 구체적으로는 구형 형상을 가질 수 있다. 이때, 회합 구조를 형성하는 개별 금속 나노콜로이드(102)의 직경(d)은, 예를 들면 약 1 내지 200 nm, 구체적으로 약 5 내지 150 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm, 특히 구체적으로 약 20 내지 50 nm 범위에서 원하는 공명 주파수 대역을 고려하여 정하거나 조절할 수 있다. 또한, 회합 구조 내 금속 나노콜로이드 입자(102) 간 간격(s)은, 예를 들면 약 0.1 내지 20 nm, 구체적으로 약 0.5 내지 10 nm, 보다 구체적으로 약 1 내지 5 nm 범위 내에서 타겟으로 하는 공명 주파수 대역을 고려하여 적절히 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the metal nanocolloid 102 may have at least one shape selected from the group consisting of sphere, rod, wire, pyramid, cube, and prism. More specifically, It may have a spherical shape. At this time, the diameter (d) of the individual metal nanocolloids 102 forming the association structure is, for example, about 1 to 200 nm, specifically about 5 to 150 nm, more specifically about 10 to 100 nm, particularly specifically It may be determined or adjusted in consideration of a desired resonant frequency band in the range of about 20 to 50 nm. In addition, the interval (s) between the metal nano-colloidal particles 102 in the association structure is, for example, about 0.1 to 20 nm, specifically about 0.5 to 10 nm, more specifically about 1 to 5 nm within the target range. It can be appropriately adjusted in consideration of the resonant frequency band.

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드 입자의 직경 : 하이드로겔 입자의 직경(수력학적 직경)의 비는 사용되는 금속콜로이드의 구경 및 나노비드에 요구되는 광 특성을 고려하여 정하여질 수 있는 바, 예를 들면 1 : 약 2 내지 1000, 구체적으로 1 : 약 5 내지 100, 보다 구체적으로 1 : 약 10 내지 50의 범위에서 조절 가능하다.According to an exemplary embodiment, the ratio of the diameter of the metal nanocolloid particle to the diameter of the hydrogel particle (hydrodynamic diameter) can be determined in consideration of the aperture of the metal colloid used and the optical properties required for the nanobead, For example, 1: about 2 to 1000, specifically 1: about 5 to 100, more specifically 1: adjustable in the range of about 10 to 50.

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드의 재질은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 알루미늄 중에서 적어도 하나가 선택될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드의 재질은 금(Au) 및/또는 은(Ag)일 수 있고, 특히 금(Au)일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the material of the metal nanocolloid may be at least one selected from among gold, silver, platinum, palladium, copper, and aluminum. According to a specific embodiment, the material of the metal nanocolloid may be gold (Au) and/or silver (Ag), particularly gold (Au).

- 광 투과성 무기 산화물 나노코팅층(103)- Light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer (103)

도시된 구체예에 따르면, 무기 산화물 나노코팅층(또는 나노유리창)은, (i) 나노비드 구조체가 다양한 외부 환경 및/또는 자극에 의하여 왼손잡이 광 특성이 손상되거나 변경되는 현상을 억제하여 왼손잡이 광 특성을 보존할 수 있도록 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드의 회합 구조에 고정력을 제공할 수 있고, 이와 동시에 나노비드가 다양한 분산 환경에서 안정적으로 분산될 수 있도록 하며, (ii) 외부 환경에 따라 크기가 변할 수 있는 구형의 하이드로겔 입자의 구조를 고정시켜 금속 나노콜로이드 회합 구조를 기반으로 하는 3차원 구조체의 왼손잡이 광 특성을 보존시킬 수 있는 기능을 수행한다.According to the illustrated embodiment, the inorganic oxide nano-coating layer (or nano-glass window) may (i) suppress left-handed optical characteristics from being damaged or altered by various external environments and/or stimuli of the nanobead structure, thereby improving left-handed optical characteristics. It can provide a fixing force to the association structure of metal nanocolloids formed on the hydrogel particles so that it can be preserved, and at the same time, it allows the nanobeads to be stably dispersed in various dispersion environments, (ii) the size varies depending on the external environment. It performs the function of preserving the left-handed optical properties of the three-dimensional structure based on the metal nanocolloidal association structure by fixing the structure of the spherical hydrogel particles that can change.

특히, 주목할 점은 무기 산화물 코팅을 통하여 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드 구조체가 보다 조밀한 회합 구조를 가질 수 있도록 유도할 수 있다는 것이다. Particularly noteworthy is that the metal nanocolloid structure formed on the hydrogel particles can be induced to have a more dense association structure through the inorganic oxide coating.

예시적 구체예에 따르면, 무기 산화물 나노코팅층은 실리카, 알루미나, 티타니아, 산화아연 등으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 재질, 구체적으로 실리카 재질일 수 있다. 이러한 무기 산화물 나노코팅층의 두께는, 예를 들면 약 1 내지 1000 nm, 구체적으로 약 2 내지 500 nm, 보다 구체적으로 약 3 내지 100 nm, 특히 구체적으로 약 5 내지 20 nm 범위 내에서 조절될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 무기 산화물 나노코팅층의 두께 : 하이드로겔 직경(수력학적 직경)의 비는 나노비드의 특성 및 용도를 고려하여 정하여질 수 있는 바, 예를 들면 1 : 약 0.5 내지 500, 구체적으로 1 : 약 5 내지 200, 보다 구체적으로 1 : 약 10 내지 50의 범위에서 조절될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the inorganic oxide nano-coating layer may be made of at least one material selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zinc oxide, and the like, specifically a silica material. The thickness of the inorganic oxide nanocoating layer may be, for example, about 1 to 1000 nm, specifically about 2 to 500 nm, more specifically about 3 to 100 nm, and particularly specifically about 5 to 20 nm. . According to an exemplary embodiment, the ratio of the thickness of the inorganic oxide nanocoating layer to the hydrogel diameter (hydrodynamic diameter) may be determined in consideration of the characteristics and uses of the nanobeads, for example, 1: about 0.5 to 500; Specifically, 1: about 5 to 200, more specifically 1: may be adjusted in the range of about 10 to 50.

예시적 구체예에 있어서, 상술한 바와 같이 하이드로겔 입자(101), 하이드로겔 입자 표면에 회합된 복수의 금속 나노콜로이드(102) 및 무기 산화물 나노코팅층(103)이 구비된 나노비드(100)의 직경은 나노비드의 광 특성, 금속나노콜로이드의 사이즈, 하이드로겔의 사이즈 등을 고려하여 조절될 수 있는 바, 예를 들면 약 100 내지 1500 nm, 구체적으로 약 150 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 200 내지 500 nm 범위에서 정하여질 수 있다.In an exemplary embodiment, as described above, the hydrogel particles 101, the plurality of metal nanocolloids 102 associated on the surface of the hydrogel particles, and the nanobeads 100 provided with the inorganic oxide nanocoating layer 103 The diameter can be adjusted in consideration of the optical characteristics of the nanobeads, the size of the metal nanocolloid, the size of the hydrogel, etc., for example, about 100 to 1500 nm, specifically about 150 to 1000 nm, more specifically about 200 nm. to 500 nm.

본 개시 내용의 일 구체예에 따른 왼손잡이 광 특성을 갖는 나노비드의 구조 및 기능을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.The structure and function of the nanobead having left-handed optical characteristics according to one embodiment of the present disclosure will be described in more detail as follows.

나노비드(100) 내 금속 나노콜로이드 입자(102)는 국소적 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance; LSPR) 현상을 통하여 나노콜로이드 내 자유전자가 집단적으로 진동(collective oscillation)하는 특성을 갖는다. 이때, 집단적으로 진동할 때 진동 주파수는 금속 나노콜로이드의 원소, 크기 및/또는 모양에 따라 상이한 것으로 알려져 있는 바, 특히 금속 나노콜로이드를 구성하는 원소가 금(Au) 및/또는 은(Ag)인 경우, 가시광-근적외선 대역에서 진동 주파수를 가질 수 있다. 광의 주파수가 금속 나노콜로이드(102)의 회합 구조의 주파수와 일치할 경우, 공명 현상이 발생하게 되는데, 그 결과 금속 나노콜로이드의 전자기장은 증폭한다. The metal nanocolloidal particles 102 in the nanobeads 100 have a characteristic of collective oscillation of free electrons in the nanocolloid through a localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon. At this time, when vibrating collectively, it is known that the vibration frequency is different depending on the element, size and / or shape of the metal nanocolloid, in particular, the element constituting the metal nanocolloid is gold (Au) and / or silver (Ag). In this case, it may have a vibration frequency in the visible light-near infrared band. When the frequency of light coincides with the frequency of the association structure of the metal nanocolloid 102, a resonance phenomenon occurs, and as a result, the electromagnetic field of the metal nanocolloid is amplified.

예시적 구체예에 있어서, 금속 나노콜로이드(102)가 구형 형상을 갖는 경우, 입자의 직경(도 1에서 d로 표시됨)이 증가함에 따라 공명 주파수(resonance frequency)는 장파장 쪽으로 이동하는 한편, 금속 나노콜로이드 간의 회합 구조에 따라 공명 주파수 및/또는 이의 범위 역시 변화하게 된다. 이에 따라, 전자기장의 증폭 정도가 변화할 수 있다. In an exemplary embodiment, when the metal nanocolloid 102 has a spherical shape, as the diameter of the particle (indicated by d in FIG. 1) increases, the resonance frequency moves toward a longer wavelength, while the metal nano Depending on the association structure between colloids, the resonant frequency and/or its range also changes. Accordingly, the degree of amplification of the electromagnetic field may be changed.

특정 물체에 인덕턴스(inductance; L)-커패시턴스(capacitance; C) 회로(circuit)가 형성되기 위하여는, 스프릿-링(split-ring) 공진기와 같이 인덕턴스 회로 형성을 위한 원형 전류 및 전기장을 생성될 수 있는 링 또는 코일과 같은 구조를 구비할 필요가 있고, 또한 커패시터 회로 형성 시 발생하는 변위 전류(displacement current) 또는 이로 인한 자기장이 발생할 수 있는 컨덴서와 같은 구조를 보유하고 있어야 가능하다. 나노비드 구조체는 특정 주파주/파장에서 전기장 성분 및 자기장 성분이 동시에 공명 및 증폭되고 원형 전류 및 전기장이 형성될 수 있으며, 커패시터 회로 형성 시 순환 변위 전류로 인하여 자기장이 발생하여, L-C 회로를 형성할 수 있게 된다. 이때, L-C 회로의 특성(전기장과 자기장 값)을 변화시키는 요인은 주로 금속 나노콜로이드의 특성 및 회합 구조일 수 있다. 이처럼, 나노비드의 L-C 회로 특성은 나노비드(100) 내에 포함된 금속 나노콜로이드(102) 간의 간격(도 1에서 s로 표시됨) 및 금속 나노콜로이드의 구경을 비롯한 다양한 요인을 조절하여 변화시킬 수 있다. 이와 관련하여, 타겟으로 하는 공명 주파수 대역을 포함한 나노비드의 여러 특성을 고려하여 나노비드 내 금속 나노콜로이드 입자(102) 간 간격(s)은, 예를 들면 약 0.1 내지 20 nm, 구체적으로 약 0.5 내지 10 nm, 보다 구체적으로 약 1 내지 5 nm 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 또한 금속 나노콜로이드(102)의 직경(d)은, 예를 들면 약 1 내지 200 nm, 구체적으로 약 5 내지 150 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm 범위에서 정하거나 조절할 수 있다. In order to form an inductance (L)-capacitance (C) circuit in a specific object, a circular current and electric field for forming an inductance circuit can be generated, such as a split-ring resonator. It is necessary to have a structure such as a ring or a coil, and it is possible to have a structure such as a capacitor capable of generating a displacement current generated when forming a capacitor circuit or a magnetic field caused by it. The nanobead structure simultaneously resonates and amplifies electric and magnetic field components at a specific frequency/wavelength, forms a circular current and electric field, and generates a magnetic field due to a cyclic displacement current when forming a capacitor circuit to form an L-C circuit. be able to At this time, the factors that change the characteristics (electric field and magnetic field values) of the L-C circuit may be mainly the characteristics and association structure of the metal nanocolloid. As such, the L-C circuit characteristics of the nanobeads can be changed by adjusting various factors including the spacing between the metal nanocolloids 102 included in the nanobeads 100 (indicated by s in FIG. 1) and the diameter of the metal nanocolloids. . In this regard, considering various characteristics of the nanobeads, including the target resonance frequency band, the interval (s) between the metal nanocolloidal particles 102 in the nanobeads is, for example, about 0.1 to 20 nm, specifically about 0.5 nm. to 10 nm, more specifically within the range of about 1 to 5 nm. In addition, the diameter (d) of the metal nanocolloid 102 may be determined or adjusted in the range of, for example, about 1 to 200 nm, specifically about 5 to 150 nm, and more specifically about 10 to 100 nm.

상술한 바와 같이 비자성 물질인 금속 나노콜로이드의 배열로 인하여 외부에서 인가되는 자기장에 대하여 반응하는 인위적인 자성 구조체(artificial magnetic structure)가 형성될 경우, 금속 나노콜로이드 또는 이로부터 형성되는 구조체가 특정 파장에서 음의 유전율을 가지고, 나노비드의 유효 투자율(effective permeability)이 음의 값을 갖도록 제어될 경우, 구조체는 음의 굴절률로 발현될 가능성이 있다. 이와 관련하여, 해당 나노비드가 특정 파장의 광을 입사 진행 방향과 반대 방향으로 굴절시킬 수 있는지 여부를 확인할 수 있는 방법 중 하나로서 Poynting vector의 변화를 관찰하여 판별하는 것을 예시할 수 있다. Poynting vector는 전자기파의 에너지 밀도와 함께 전자기파의 진행 방향을 나타낸다. 따라서, 특정 파장을 갖는 광의 Poynting vector 진행 방향 및 나노비드에서 형성된 Poynting vector의 방향에 대한 정보로부터 왼손잡이 광 특성 유무를 확인할 수 있다. 예를 들면, 특정 파장을 갖는 광을 입사한 경우, 나노비드로부터 발생되는 Poynting vector의 방향이 광의 입사 방향과 반대인 입사 지점으로 향할 경우, 나노비드의 굴절률이 음의 값을 가질 수 있다.As described above, when an artificial magnetic structure that reacts to an externally applied magnetic field is formed due to the arrangement of metal nanocolloids, which are non-magnetic materials, the metal nanocolloid or a structure formed therefrom is formed at a specific wavelength. When the nanobeads have a negative permittivity and the effective permeability is controlled to have a negative value, the structure may be expressed as a negative refractive index. In this regard, as one of the methods for confirming whether or not the nanobead can refract light of a specific wavelength in the direction opposite to the direction of incidence, it can be exemplified by observing and determining the change in the pointing vector. The Poynting vector represents the direction of propagation of the electromagnetic wave along with the energy density of the electromagnetic wave. Therefore, the presence or absence of left-handed optical characteristics can be confirmed from the information on the direction of the Poynting vector of light having a specific wavelength and the direction of the Poynting vector formed in the nanobeads. For example, when light having a specific wavelength is incident and the direction of the Poynting vector generated from the nanobeads is directed to an incident point opposite to the incident direction of the light, the refractive index of the nanobeads may have a negative value.

전술한 바와 같이, 구형의 하이드로겔 입자(101)는 금속 나노콜로이드(102)가 전기장 및 자기장 증폭 현상이 동시에 발현할 수 있는 구조체를 형성할 수 있는 공간을 제공한다. 이와 관련하여, 금속 나노콜로이드(102)는 하이드로겔 입자 표면에 정전기적 인력 등의 다양한 수단을 통하여 하이드로겔 입자 상에 흡착(또는 고정/부착)될 수 있다. 일 예로서, 하이드로겔 입자(101)와 금속 나노콜로이드(102)는 서로 상반된 표면 전하를 갖는 경우에 흡착이 용이하고, 이때 흡착된 복수의 금속 나노콜로이드(102)는 입자 간 반발력에 의하여 소정의 입자 간 간격(s)을 갖게 된다. 또한, 필요에 따라서는 하이드로겔 입자와 금속 나노콜로이드 간의 조합 시 온도를 조절하여(예를 들면, 승온 조건) 회합 속도를 증가시킬 수 있다.As described above, the spherical hydrogel particles 101 provide a space in which the metal nanocolloid 102 can form a structure capable of simultaneously exhibiting electric and magnetic field amplification phenomena. In this regard, the metal nanocolloid 102 may be adsorbed (or fixed/attached) on the surface of the hydrogel particle through various means such as electrostatic attraction. As an example, the hydrogel particles 101 and the metal nanocolloids 102 are easily adsorbed when they have opposite surface charges, and at this time, the adsorbed plurality of metal nanocolloids 102 have a predetermined It has an inter-particle spacing (s). In addition, if necessary, the association rate may be increased by controlling the temperature (eg, elevated temperature conditions) during the combination between the hydrogel particles and the metal nanocolloid.

본 구체예에 따르면, 전체적으로 금속 나노콜로이드 입자 간 간격이 좁을수록 나노비드 구조체의 전기장 공명 및 증폭 현상이 증가할 뿐만 아니라, 특정 광 주파수(파장)에서 L-C 회로를 형성할 수 있을 정도의 강한 전자기장 공명 현상이 나노비드 구조체 내부에 발현될 수 있다. 이때, 사용되는 금속 나노콜로이드의 입자의 크기가 증가할수록 전자기장 공명현상이 발현되는 광주파수가 감소(또는 파장이 증가)하게 되고, 따라서 나노비드에서 발현되는 L-C 회로의 공명 주파수를 선택할 수 있다. 일 예로서, 금속 나노콜로이드로서 금 나노콜로이드를 사용할 경우, 공명 주파수는 가시광-근적외선 영역에서 형성되며, 이때 금 나노콜로이드의 사이즈(크기)를 다양하게 선택함에 따라 공명 주파수를 보다 낮은 주파수 (긴 파장)까지 조절할 수 있다. 이와 관련하여, 나노비드에 조사되는 광은 가시광-적외선 대역의 광, 예를 들면 약 400 내지 2500 nm, 구체적으로 예를 들면 약 500 내지 2000 nm, 보다 구체적으로 예를 들면 약 600 내지 1400 nm의 파장 대역에서 선정되는 광일 수 있다.According to the present embodiment, as the distance between the metal nanocolloid particles becomes narrower overall, not only the electric field resonance and amplification phenomenon of the nanobead structure increase, but also the electromagnetic field resonance strong enough to form an L-C circuit at a specific optical frequency (wavelength). The phenomenon can be expressed inside the nanobead structure. At this time, as the size of the particles of the metal nanocolloid used increases, the optical frequency at which the electromagnetic field resonance phenomenon is expressed decreases (or the wavelength increases). Therefore, the resonance frequency of the L-C circuit expressed in the nanobeads can be selected. As an example, when gold nanocolloids are used as metal nanocolloids, resonance frequencies are formed in the visible light-near infrared region. ) can be adjusted. In this regard, the light irradiated onto the nanobeads is light in the visible light-infrared band, for example, about 400 to 2500 nm, specifically about 500 to 2000 nm, more specifically about 600 to 1400 nm, for example. It may be light selected from a wavelength band.

예시적 구체예에 있어서, 하이드로겔 입자(101)의 재질은 전술한 바와 같이 외부자극 응답성을 보유한 연성(soft) 물질일 수 있는 바, 이를 수계 매질(또는 수용액)과 접촉시킬 경우(예를 들면, 수계 매질 내에 투입할 경우), 온도가 증가함에 따라 하이드로겔 입자(101)는 수축하는 특성을 나타낼 수 있고, 그 결과 금속 나노콜로이드(102)가 보다 조밀한 구조를 갖도록 설계될 수 있다. 또한, 하이드로겔 자체의 특성 상 외부에서 응력이 가해질 경우(예를 들면, 후술하는 바와 같이 실리카 코팅 과정 중 압력이 가해질 경우), 해당 압력에 응답하여 수축할 수 있다.In an exemplary embodiment, the material of the hydrogel particles 101 may be a soft material having external stimulus response as described above, when it is brought into contact with an aqueous medium (or aqueous solution) (eg For example, when put into an aqueous medium), as the temperature increases, the hydrogel particles 101 may exhibit contraction characteristics, and as a result, the metal nanocolloid 102 may be designed to have a more dense structure. In addition, when stress is applied from the outside due to the nature of the hydrogel itself (for example, when pressure is applied during the silica coating process as described later), it can shrink in response to the pressure.

다만, 전술한 응답 거동과 동시에 하이드로겔 입자는 이와 접촉하는 외부 수계 매질의 온도, 용액 특성, 외부 자극 등에 따라 이의 크기가 민감하게 변화하므로 금속 나노콜로이드의 회합 구조가 달라지고, 그 결과 나노비드의 왼손잡이 광 특성은 외부 환경에 의하여 많은 영향을 받게 된다. 따라서, 특정 외부 조건을 지속적으로 유지해야만 왼손잡이 광 특성을 구현할 수 있다. However, at the same time as the above-described response behavior, since the size of the hydrogel particles sensitively changes depending on the temperature of the external aqueous medium in contact with them, the characteristics of the solution, and external stimuli, the association structure of the metal nanocolloids changes, and as a result, the nanobeads The left-handed optical characteristics are greatly affected by the external environment. Therefore, left-handed optical characteristics can be implemented only when certain external conditions are continuously maintained.

더욱이, 특정 외부 조건을 지속적으로 유지한다 해도, 구조체는 장기간 보관 시 금속 나노콜로이드 기반의 구조체가 다른 금속 나노콜로이드 기반의 구조체와 지속적으로 접촉하여 응집(aggregation)되거나 구조 변형을 유발할 가능성이 존재한다. 이처럼, 금속 나노콜로이드 회합 구조가 형성된 구조체가 외부 자극환경 및/또는 매질의 상태(또는 조건)에 영향을 받지 않고 지속적으로 구조체를 보전할 수 있는 코팅이 요구된다.Moreover, even if a specific external condition is continuously maintained, there is a possibility that a metal nanocolloid-based structure continuously contacts another metal nanocolloid-based structure to cause aggregation or structural deformation during long-term storage. As such, there is a need for a coating capable of continuously maintaining the structure in which the metal nanocolloid associative structure is formed without being affected by the external stimulation environment and/or the state (or condition) of the medium.

상술한 배경 하에서, 금속 또는 준금속 산화물(예를 들면, 실리카)과 같은 무기 산화물 재질의 나노코팅층(또는 유리창; 103)은 금속 나노콜로이드 기반의 구조체를 다양한 외부 환경 및/또는 자극으로부터 보호하고, 나노비드가 다양한 분산 환경(매질) 내에서 안정적으로 분산되도록 기능할 수 있다. 더 나아가, 무기 산화물 나노코팅층(103)은 외부 환경에 따라 크기가 변할 수 있는 하이드로겔 입자 구조를 고정화함으로써 외부 환경 변화에 관계 없이 금속 나노콜로이드 구조의 왼손잡이 광 특성을 지속적으로 보존할 수 있도록 한다. 요컨대, 무기 산화물 나노코팅층(103)은 금속 나노콜로이드 구조체가 다양한 환경에서도 안정적으로 왼손잡이 광 특성을 구현할 수 있는 기능을 제공할 수 있다.Under the above background, the nanocoating layer (or glass window; 103) of an inorganic oxide material such as a metal or metalloid oxide (eg, silica) protects the metal nanocolloid-based structure from various external environments and / or stimuli, It can function to stably disperse nanobeads in various dispersion environments (mediums). Furthermore, the inorganic oxide nanocoating layer 103 immobilizes the hydrogel particle structure whose size can change depending on the external environment, so that the left-handed optical characteristics of the metal nanocolloid structure can be continuously preserved regardless of the external environment change. In short, the inorganic oxide nano-coating layer 103 can provide a function that enables the metal nano-colloidal structure to stably implement left-handed optical characteristics in various environments.

도시된 구체예에 따르면, 무기 산화물 나노코팅층은 광 투과성을 갖는 바, 조사(입사)된 광이 구조체 내부에 손실 없이 전달되어 금속 나노콜로이드 구조가 높은 전기장 및 자기장 공명을 동시에 나타낼 수 있는 두께(도 1에서 t로 표시됨)를 갖도록 구성할 수 있다. 구체적으로, 코팅 재질은 가시광-근적외선 영역에서 투명성을 나타내는 것이 요구될 수 있다. 이와 관련하여, 코팅 형성 시 무기 산화물의 전구체를 사용할 경우, 이러한 전구체의 농도 및/또는 처리시간을 조절하여 무기 산화물 나노코팅층의 두께를 조절할 수 있다. According to the illustrated embodiment, the inorganic oxide nanocoating layer has a light transmittance, so that the irradiated (incident) light is transmitted without loss to the inside of the structure, so that the metal nanocolloid structure can exhibit high electric and magnetic field resonance at the same time (Fig. 1 through t). Specifically, the coating material may be required to exhibit transparency in the visible light-near infrared region. In this regard, when an inorganic oxide precursor is used in forming the coating, the thickness of the inorganic oxide nano-coating layer may be adjusted by adjusting the concentration and/or treatment time of the precursor.

또한, 무기 산화물 나노코팅층은 하이드로겔 입자 상에서 복수의 금속 나노콜로이드가 보다 조밀한 회합 구조를 갖도록 유도할 수 있는 점을 주목할 필요가 있다. 따라서, 무기 산화물 나노코팅층은 나노비드가 왼손잡이 광 특성을 안정적으로 나타냄과 동시에 왼손잡이 광 특성을 더욱 명확히 하는 기능을 수행하는 것이다.In addition, it is noteworthy that the inorganic oxide nanocoating layer can induce a plurality of metal nanocolloids to have a more dense association structure on the hydrogel particles. Therefore, the inorganic oxide nanocoating layer serves to further clarify left-handed optical characteristics while the nanobeads stably exhibit left-handed optical characteristics.

왼손잡이 광 특성을 갖는 나노비드의 제조방법Manufacturing method of nanobeads with left-handed optical properties

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 구조의 나노비드를 제조하는 방법이 제공된다. 이와 관련하여, 특징적인 부분은 나노비드가 상업적인 요소를 고려하여 습식법을 통하여 제조될 수 있다는 것이다. 구체적으로, 단일 반응기에서 금속 나노콜로이드의 회합 단계 및 최종 나노비드 구조체 형성을 위한 실리카 나노코팅층의 형성 단계가 연속적으로 수행될 수 있고, 공정이 상대적으로 간단하기 때문에, 목적 등에 따라 다양한 규모로 제조할 수 있다. According to another embodiment of the present disclosure, a method of manufacturing a three-dimensional structured nanobead having left-handed optical properties is provided. In this regard, a characteristic part is that nanobeads can be prepared through a wet method in consideration of commercial factors. Specifically, since the step of assembling metal nanocolloids and the step of forming a silica nano-coating layer for forming the final nanobead structure can be continuously performed in a single reactor, and the process is relatively simple, it can be manufactured on a variety of scales depending on the purpose, etc. can

한편, 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 나노비드 구조체의 제조 방법은 특정 방식으로 한정되는 것은 아니지만, 하기와 같은 예시적 방법으로 구현할 수 있다:On the other hand, a method of manufacturing a 3D nanobead structure having left-handed optical properties is not limited to a specific method, but may be implemented in the following exemplary method:

먼저, 금속 나노콜로이드(구체적으로, 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 알루미늄 중에서 적어도 하나가 선택되는 금속의 나노콜로이드) 입자를 수계 매질 내에 분산시킨다.First, metal nanocolloid (specifically, nanocolloid of a metal selected from at least one of gold, silver, platinum, palladium, copper, and aluminum) particles are dispersed in an aqueous medium.

예시적 구체예에 따르면, 수계 매질 내에서 환원제의 존재 하에 금속 전구체(전형적으로, 금속 염)를 조합(도입)하고, 금속 이온을 환원시켜 나노스케일의 금속 콜로이드(즉, 금속 나노콜로이드)를 합성할 수 있다. 일 예로서, 금속 전구체 용액을 환원제를 용해시킨 용액(구체적으로 수용액)과 혼합하는 과정을 수반할 수 있다.According to an exemplary embodiment, a metal precursor (typically, a metal salt) is combined (introduced) in an aqueous medium in the presence of a reducing agent, and metal ions are reduced to synthesize a nanoscale metal colloid (ie, a metal nanocolloid). can do. As an example, a process of mixing a metal precursor solution with a solution (specifically, an aqueous solution) in which a reducing agent is dissolved may be involved.

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드의 재질이 금(Au)인 경우, 금 전구체는 전형적으로 Au(III) 이온을 함유하는 형태로서, 예를 들면 금(III) 염화물 형태일 수 있다. 일 예로서, 금 전구체는 HAuCl4, AuCl, AuCl2, AuCl3, Na2Au2Cl8, NaAuCl2, 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상이 선택될 수 있으며, 보다 구체적으로는 HAuCl4일 수 있다. 또한, 환원제로서, 시트레이트(구체적으로, 트리-소디움 시트레이트, 모노-소디움 시트레이트, 포타슘 시트레이트 등), 아스코르빈산, 알코올, 기타 환원제 등으로부터 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 환원제는 트리-소디움 시트레이트일 수 있다. According to an exemplary embodiment, when the material of the metal nanocolloid is gold (Au), the gold precursor is typically a form containing Au(III) ions, and may be, for example, a form of gold (III) chloride. As an example, the gold precursor may be one or two or more selected from the group consisting of HAuCl 4 , AuCl, AuCl 2 , AuCl 3 , Na 2 Au 2 Cl 8 , NaAuCl 2 , and hydrates thereof, and more specifically, HAuCl can be 4 In addition, as the reducing agent, at least one selected from citrate (specifically, tri-sodium citrate, mono-sodium citrate, potassium citrate, etc.), ascorbic acid, alcohol, and other reducing agents may be used. According to certain embodiments, the reducing agent may be tri-sodium citrate.

상기 구체예에 있어서, 금속 전구체 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 10 mM, 구체적으로 약 0.1 내지 5 mM, 보다 구체적으로 약 0.25 내지 1.5 mM 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 환원제 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 7 mM, 구체적으로 약 0.5 내지 5 mM, 보다 구체적으로 약 0.8 내지 2.5 mM 범위 내에서 조절될 수 있다.In the above embodiment, the concentration of the metal precursor aqueous solution may be adjusted within the range of, for example, about 0.01 to 10 mM, specifically about 0.1 to 5 mM, and more specifically about 0.25 to 1.5 mM. In addition, the concentration of the reducing agent aqueous solution may be adjusted within the range of, for example, about 0.1 to 7 mM, specifically about 0.5 to 5 mM, and more specifically about 0.8 to 2.5 mM.

예시적 구체예에 따르면, 조합물 중 환원제 : 금속 전구체의 몰 비는, 예를 들면 약 1 내지 500 : 1, 구체적으로 약 3 내지 450 : 1, 보다 구체적으로 약 25 내지 400 : 1의 범위 내에서 조절될 수 있는 바, 이를 고려하여 금속 전구체 수용액과 환원제 수용액 간의 조합 비를 조절할 수 있다.According to exemplary embodiments, the molar ratio of reducing agent to metal precursor in the combination is, for example, in the range of about 1 to 500:1, specifically about 3 to 450:1, more specifically about 25 to 400:1. Since it can be controlled in, the combination ratio between the metal precursor aqueous solution and the reducing agent aqueous solution can be adjusted in consideration of this.

예시적 구체예에 따르면, 금속 전구체 용액의 환원 반응은, 예를 들면 약 85 내지 150 ℃, 구체적으로 약 90 내지 135 ℃, 보다 구체적으로 약 95 내지 105 ℃에서 수행될 수 있고, 반응 시간은, 예를 들면 약 10 분 내지 5 시간, 구체적으로 약 20 분 내지 3 시간, 보다 구체적으로 약 30 분 내지 1 시간 30 분의 범위 내에서 조절 가능하다. 또한, 금속 나노콜로이드의 치수 등을 조절하기 위하여 전술한 환원 반응 단계를 적어도 1회 더 반복할 수 있다. According to exemplary embodiments, the reduction reaction of the metal precursor solution may be performed at, for example, about 85 to 150 ° C, specifically about 90 to 135 ° C, more specifically about 95 to 105 ° C, and the reaction time is, For example, it is adjustable within the range of about 10 minutes to 5 hours, specifically about 20 minutes to 3 hours, and more specifically about 30 minutes to 1 hour 30 minutes. In addition, the above-described reduction reaction step may be repeated at least one more time in order to adjust the size and the like of the metal nanocolloid.

이후, 반응 생성물을 통상의 후처리, 예를 들면 정제 처리 단계를 수행할 수 있다. 이와 같이 제조된 금속 나노콜로이드는 후속 단계에서 하이드로겔 입자 상에 부착하기 위하여 수계 분산물을 형성할 수 있으며, 이때 수계 분산물은 금속 콜로이드의 제타 전위 조절 및 분산 안정화를 위하여 안정화제(예를 들면, 트리-소디움 시트레이트)를 함유할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드 입자 분산물(수계 분산물)의 농도는, 예를 들면 약 0.001 내지 0.3 중량%, 구체적으로 약 0.005 내지 0.15 중량%, 보다 구체적으로 약 0.01 내지 0.1 중량% 범위일 수 있다. Thereafter, the reaction product may be subjected to a conventional post-treatment, for example, a purification treatment step. The metal nanocolloid prepared in this way may form an aqueous dispersion to be attached on the hydrogel particles in a subsequent step, wherein the aqueous dispersion is a stabilizer (e.g., , tri-sodium citrate). According to an exemplary embodiment, the concentration of the metal nanocolloidal particle dispersion (aqueous dispersion) is, for example, about 0.001 to 0.3% by weight, specifically about 0.005 to 0.15% by weight, more specifically about 0.01 to 0.1% by weight. range can be

한편, 금속 나노콜로이드 제공하는 단계와 별도로 구형의 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 제조할 수 있는 바, 이의 재질 등에 관한 기술적 사항은 앞서 기술한 만큼, 중복되는 기재는 생략한다. 다만, 수계 분산물 내 하이드로겔 입자는 가급적 균일한 사이즈를 갖도록 설계될 수 있다. 이때, "균일한 사이즈"는, 하이드로겔 입자의 사이즈가 원하는 치수에 대하여, 예를 들면 약 ±35% 이하, 구체적으로 약 ±30% 이하, 보다 구체적으로 약 ±25% 이하, 특히 구체적으로 약 ±20% 이하일 수 있음을 의미할 수 있고, 더 나아가 약 ±15% 이하, 또한 약 ±10% 이하일 수도 있음을 의미한다. 또한, 하이드로겔 입자의 수계 분산물의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 10 중량%, 구체적으로 약 0.05 내지 5 중량%, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 3 중량% 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다.On the other hand, since the aqueous dispersion of spherical hydrogel particles can be prepared separately from the step of providing the metal nanocolloid, technical details regarding the material thereof have been described above, and overlapping descriptions will be omitted. However, the hydrogel particles in the aqueous dispersion may be designed to have a uniform size as much as possible. At this time, "uniform size" is, for example, about ± 35% or less, specifically about ± 30% or less, more specifically about ± 25% or less, particularly about about ± 25% or less, particularly about the desired size of the hydrogel particles. It may mean that it may be less than or equal to ±20%, and may further mean that it may be less than or equal to about ±15% or less than or equal to about ±10%. In addition, the concentration of the aqueous dispersion of the hydrogel particles may be, for example, about 0.01 to 10% by weight, specifically about 0.05 to 5% by weight, more specifically about 0.1 to 3% by weight, but this is for illustrative purposes only. can be understood

그 다음, 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물과 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 조절된 온도 조건 하에서 조합 또는 상호 접촉시키는 단계가 수행됨으로써 하이드로겔 입자 상에 금속 나노콜로이드를 회합시킬 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드 입자는 정전기적 인력에 의하여 하이드로겔 입자의 표면에 부착될 수 있다.Next, a step of combining or contacting the aqueous dispersion of the metal nanocolloid particles and the aqueous dispersion of the hydrogel particles under a controlled temperature condition is performed, so that the metal nanocolloids can be assembled on the hydrogel particles. According to an exemplary embodiment, the metal nanocolloidal particles may be attached to the surface of the hydrogel particles by electrostatic attraction.

예시적 구체예에 따르면, 하이드로겔 입자는 표면에 양전하를 유도할 수 있는 단량체를 포함하는 고분자를 사용하여, 하이드로겔 입자의 표면 전하가 양전하를 띄도록 제조할 수 있다. 이와 달리, 금속 나노콜로이드 입자가 양의 표면 전하를 띄고 있는 경우에는 상기 하이드로겔 입자는 표면에 음전하를 유도할 수 있는 단량체를 포함하는 고분자를 사용하여, 상기 하이드로겔 입자의 표면 전하가 음전하를 띄도록 제조할 수 있다. 이처럼, 금속 나노콜로이드 입자와 하이드로겔 입자는 서로 상반되는 표면 전하를 띄고 있으므로, 하이드로겔 입자와 금속 나노콜로이드는 강한 정전기적 인력으로 인하여 부착되고 회합될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the surface charge of the hydrogel particle may be prepared to have a positive charge by using a polymer containing a monomer capable of inducing a positive charge on the surface of the hydrogel particle. On the other hand, when the metal nanocolloid particles have a positive surface charge, the hydrogel particles use a polymer containing a monomer capable of inducing a negative charge on the surface, so that the surface charge of the hydrogel particles has a negative charge. can be manufactured. As such, since the metal nanocolloid particles and the hydrogel particles have opposite surface charges, the hydrogel particles and the metal nanocolloid may be attached and associated with each other due to strong electrostatic attraction.

특정 구체예에 따르면, 하이드로겔은 전형적으로 양으로 하전된 상태일 수 있는 바, 예시적으로, 하이드로겔 고분자의 제타 전위(30℃)는 약 5 내지 40 mV, 구체적으로 약 10 내지 30 mV 범위일 수 있는 한편, 금속 나노콜로이드 입자의 제타 전위(30℃)는, 예를 들면 약 -70 내지 -10 mV(구체적으로 약 -55 내지 -35 mV) 및 약 -50 내지 -5 mV(구체적으로 약 -35 내지 -20 mV) 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해되며 개별 요소의 성분 등에 따라 변경될 수 있다.According to a specific embodiment, the hydrogel may typically be in a positively charged state, illustratively, the zeta potential (30 ° C.) of the hydrogel polymer is in the range of about 5 to 40 mV, specifically about 10 to 30 mV. On the other hand, the zeta potential (30° C.) of the metal nanocolloidal particles is, for example, about -70 to -10 mV (specifically, about -55 to -35 mV) and about -50 to -5 mV (specifically, about -50 to -5 mV). about -35 to -20 mV), but this is understood as an example and may be changed depending on the components of individual elements and the like.

한편, 금속 나노콜로이드 입자를 하이드로겔 입자 표면에 부착 또는 회합시키는 온도는, 예를 들면 약 0 내지 100 ℃, 구체적으로 약 10 내지 70 ℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 60 ℃ 범위일 수 있다. 또한, 부착 시간은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 10 분 내지 48 시간, 구체적으로 약 25 분 내지 24 시간, 보다 구체적으로 약 30 분 내지 12시간 범위 내에서 조절할 수 있다. Meanwhile, the temperature at which the metal nanocolloid particles are attached or associated with the hydrogel particle surface may be, for example, about 0 to 100 °C, specifically about 10 to 70 °C, and more specifically about 25 to 60 °C. In addition, the attachment time is not particularly limited, but may be adjusted within the range of, for example, about 10 minutes to 48 hours, specifically about 25 minutes to 24 hours, and more specifically about 30 minutes to 12 hours.

이와 관련하여, 하이드로겔 입자는 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물과의 조합 온도에 따른 가역적 팽창 및 수축에 의하여 이의 직경이 변화할 수 있다. 이러한 하이드로겔 입자의 가역적 팽창 및 수축에 의하여 이의 표면에 회합된 금속나노콜로이드 입자 간의 회합 구조 및 이에 따른 금속 나노콜로이드 입자 간의 거리 및 밀도가 변화할 수 있다.In this regard, the diameter of the hydrogel particles may change due to reversible expansion and contraction according to the combination temperature of the aqueous dispersion of the metal nanocolloidal particles. Due to the reversible expansion and contraction of the hydrogel particles, the association structure between the metal nanocolloid particles associated with the surface thereof and thus the distance and density between the metal nanocolloid particles may change.

예시적 구체예에 따르면, 금속 나노콜로이드 분산물(수 분산물)에 함유 가능한 분산 안정제는 타겟으로 하는 금속 나노콜로이드 입자의 사이즈를 고려하여 적정량으로 도입할 수 있다. 예시적으로, 금속 나노콜로이드 분산물(수 분산물) 내 분산 안정제의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 2 mM, 구체적으로 약 0.3 내지 1.5 mM, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 1 mM 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 조합 단계는 교반 조건 하에서 수행될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the dispersion stabilizer that can be contained in the metal nano-colloidal dispersion (water dispersion) can be introduced in an appropriate amount in consideration of the size of the target metal nano-colloidal particle. Illustratively, the concentration of the dispersion stabilizer in the metal nanocolloidal dispersion (water dispersion) is, for example, about 0.1 to 2 mM, specifically about 0.3 to 1.5 mM, more specifically about 0.5 to 1 mM. It can be. Also, the combining step may be conducted under stirring conditions.

예시적 구체예에 따르면, 하이드로겔 입자 상에 부착되는 금속 나노콜로이드 입자의 밀도는, 분산액에 포함되어 있는 금속 나노콜로이드의 농도와 하이드로겔 입자의 농도를 조정함으로써 조절할 수 있다(예를 들면, 금속 나노콜로이드의 수계 분산물의 농도를 일정하게 유지하면서 조합(투입)하는 하이드로겔 입자의 량을 조정함으로써 조절될 수 있음). 이와 관련하여, 금속 나노콜로이드 수계 분산물의 농도는 자외선-가시광-근적외선(UV-VIS-NIR) 분광 스펙트럼에서 특정 금속 나노콜로이드가 갖는 피크(peak)의 소멸 강도 또는 소멸 값(extinction)으로부터 조절할 수 있다. 이는 스펙트럼 강도는 농도에 선형적으로 비례한다는 Beer-Lambert 법칙에 기초한다. 따라서, 특정 금속 나노콜로이드의 수계 분산물의 농도는 분광 스펙트럼에서 금속 나노콜로이드로부터 발현되는 고유의 피크 소멸 값을 일정하게 하여 소정 농도로 유지할 수 있다. 한편, 하이드로겔 입자의 수계 분산물에 포함된 하이드로겔 입자의 농도는, 예를 들면 입자 합성 후 물(예를 들면, 탈이온수)에 재분산시킨 입자 분산물의 투입량을 변화시켜 조절할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the density of the metal nanocolloid particles attached to the hydrogel particles can be adjusted by adjusting the concentration of the metal nanocolloid and the hydrogel particles contained in the dispersion (eg, metal It can be controlled by adjusting the amount of hydrogel particles to be combined (injected) while keeping the concentration of the aqueous dispersion of nanocolloids constant). In this regard, the concentration of the metal nanocolloid aqueous dispersion can be controlled from the extinction intensity or extinction value of a peak of a specific metal nanocolloid in the ultraviolet-visible-near-infrared (UV-VIS-NIR) spectral spectrum. . It is based on the Beer-Lambert law, which states that spectral intensity is linearly proportional to concentration. Accordingly, the concentration of the aqueous dispersion of the specific metal nanocolloid can be maintained at a predetermined concentration by making the specific peak extinction value expressed from the metal nanocolloid constant in the spectral spectrum. On the other hand, the concentration of the hydrogel particles included in the aqueous dispersion of hydrogel particles can be adjusted, for example, by changing the input amount of the particle dispersion redispersed in water (eg, deionized water) after particle synthesis.

상술한 바와 같이, 하이드로겔 입자 표면에 복수의 금속 나노콜로이드가 회합 구조(예를 들면, 2차원적 회합 구조)를 형성하며 부착되면, 나노비드가 외부 환경 및/또는 자극에 영향을 받지 않고 안정적으로 왼손잡이 광 특성을 보유하도록 고정력을 제공하고, 그리고/또는 왼손잡이 광 특성을 강화시키도록 광 투과성의 무기 산화물 나노코팅층(구체적으로 실리카 나노코팅층)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다.As described above, when a plurality of metal nanocolloids form an association structure (eg, a two-dimensional association structure) and are attached to the surface of the hydrogel particle, the nanobeads are stable without being affected by the external environment and / or stimuli. A step of forming a light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer (specifically, a silica nano-coating layer) may be performed to provide a fixing force to retain left-handed optical characteristics and/or to enhance left-handed optical characteristics.

앞서 기술한 바와 같이, 무기 산화물 나노코팅층의 재질은 실리카, 알루미나, 티타니아, 산화아연 등으로 이루어지는 군으로부터 적어도 하나가 선택될 수 있고, 특정 구체예에 있어서 무기 산화물 나노코팅층은 실리카 재질일 수 있다. 이처럼, 무기 산화물 나노코팅층을 형성하기 위하여, 이의 전구체를 이용하여 코팅을 수행할 수 있다. As described above, the material of the inorganic oxide nano-coating layer may be at least one selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zinc oxide, and the like, and in specific embodiments, the inorganic oxide nano-coating layer may be made of silica. As such, in order to form the inorganic oxide nano-coating layer, coating may be performed using a precursor thereof.

예시적 구체예에 따르면, 무기 산화물이 실리카인 경우, 이의 전구체는 전형적으로 실란계 화합물로서, 예를 들면 MPTMS (mercaptopropyl trimethoxysilane), TEOS(tetraethyl orthosilicate), TMOS(trimethoxy orthosilicate), GPTMS((3-glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane), GOTMS(γ-glycidyloxypropyl trimethoxysilane), APTMOS(aminophenyl trimethoxysilane), APTES(aminopropyl triethoxysilane) 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. According to an exemplary embodiment, when the inorganic oxide is silica, the precursor thereof is typically a silane-based compound, such as mercaptopropyl trimethoxysilane (MPTMS), tetraethyl orthosilicate (TEOS), trimethoxy orthosilicate (TMOS), GPTMS ((3- glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane), GOTMS (γ-glycidyloxypropyl trimethoxysilane), APTMOS (aminophenyl trimethoxysilane), and APTES (aminopropyl triethoxysilane) may be at least one selected from the group consisting of.

이와 관련하여, 실리카 나노코팅층은 당업계에서 공지된 방식을 이용하여 형성될 수 있다. 일 예로서, 실리카 나노코팅층은 스토버(Stober) 방법 또는 수정된 스토버 방법과 같이 상업적 규모로 적용 가능한 방식을 통하여 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 스토버 방법은 W. Stㆆber, A. Fink, E. Bohn, J. Colloid Interface Sci., 1968, 26, 62.에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 개시 내용의 참고자료로 포함된다. 스토버 방법은, 전형적으로 실리카 전구체로서 실란 화합물(예를 들면, TEOS, MPTMS 등), 물, 및 염기 성분을 함유하는 반응 혼합물을 온화한 온도 및 비교적 높은 pH 조건 하에서 수행되는 방식이다. 이때, 수반되는 전체 반응은 하기 반응식 1로 표시될 수 있다(예를 들면, 전구체인 실란 화합물로서 TEOS를 사용하는 경우).In this regard, the silica nano-coating layer may be formed using a method known in the art. As an example, the silica nano-coating layer may be formed through a method applicable on a commercial scale, such as a Stober method or a modified Stober method. In this regard, the stover method is disclosed in W. Stöber, A. Fink, E. Bohn, J. Colloid Interface Sci., 1968, 26, 62. The document is incorporated as a reference for the present disclosure. included The stover method is typically a method in which a reaction mixture containing a silane compound (eg, TEOS, MPTMS, etc.) as a silica precursor, water, and a basic component is carried out under mild temperature and relatively high pH conditions. At this time, the entire reaction involved may be represented by the following Reaction Formula 1 (for example, when TEOS is used as a silane compound as a precursor).

[반응식 1][Scheme 1]

Si(OC2H5)4 + 2H2O ↔ SiO2 + 4C2H5OH Si(OC 2 H 5 ) 4 + 2H 2 O ↔ SiO 2 + 4C 2 H 5 OH

예시적 구체예에 따르면, 실리카 전구체로서 MPTMS을 사용할 경우, 상기 반응식 1에 따른 가수분해 과정 중 부산물로서 에탄올 대신 메탄올이 생성된다. MPTMS는 티올(-SH) 작용기를 갖고 있기 때문에 하이드로겔 입자의 표면에 배열된 금속 나노콜로이드, 특히 금 나노콜로이드를 사용할 경우에는 Au-S 결합이 가능하며, 이러한 과정을 비롯한 다양한 루트를 통하여 금속 나노콜로이드-하이드로겔 입자 구조체에 실란 화합물이 축합 및 경화 과정을 거치게 되면 실리카로 코팅된 나노비드를 제조할 수 있다.According to an exemplary embodiment, when MPTMS is used as a silica precursor, methanol is produced instead of ethanol as a by-product during the hydrolysis process according to Scheme 1 above. Since MPTMS has a thiol (-SH) functional group, Au-S bonding is possible when metal nanocolloids, especially gold nanocolloids, arranged on the surface of hydrogel particles are used. When the silane compound is subjected to condensation and curing of the colloidal-hydrogel particle structure, nanobeads coated with silica can be prepared.

택일적으로, 수정된 스토버 방법을 적용하는 경우, 스토버 방법의 기본 원리를 이용하되 하이드로겔 입자 표면에 -OH기가 결핍된 경우에 실란 커플링제(또는 표면 프라이머)를 사용하여 하이드로겔 입자의 표면에 실란올 앵커 그룹을 제공하는 과정을 수반할 수 있다.Alternatively, when the modified Stover method is applied, the basic principle of the Stover method is used, but when the surface of the hydrogel particles lacks -OH groups, a silane coupling agent (or surface primer) is used to It may involve providing silanol anchor groups to the surface.

특정 구체예에 따르면, 무기 산화물 나노코팅층을 실리카 재질로 형성할 경우, 전구체로서 실란 화합물을 사용할 수 있고, 해당 실란 화합물과 염기 성분을 함께 반응기에 투입하여 앞서 제조된 복합체 입자(하이드로겔 입자 상에 복수의 금속 나노콜로이드 입자가 회합된 구조) 상에 실리카 나노코팅을 수행할 수 있다. 예시적으로, 염기 성분은 수산화암모늄, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로 수산화암모늄일 수 있다.According to a specific embodiment, when the inorganic oxide nano-coating layer is formed of a silica material, a silane compound may be used as a precursor, and the silane compound and a base component are injected together into a reactor to prepare previously prepared composite particles (on hydrogel particles). A structure in which a plurality of metal nano-colloidal particles are associated) may be subjected to silica nano-coating. Illustratively, the basic component may be at least one selected from ammonium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and the like, and more specifically, may be ammonium hydroxide.

이와 관련하여, 실리카 전구체는 수용액 형태로 반응기로 도입될 수 있는 바, 이의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 50 mM, 구체적으로 약 0.1 내지 30 mM, 보다 구체적으로 약 1 내지 20 mM 범위 내에서 조절될 수 있다. 또한, 염기 성분 역시 수용액 형태로 도입될 수 있는 바, 이때 염기 성분의 수용액의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 5 %(w/w), 구체적으로 약 0.05 내지 2 %(w/w), 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.5 %(w/w) 범위 내에서 조절 가능하다.In this regard, the silica precursor may be introduced into the reactor in the form of an aqueous solution, the concentration thereof being, for example, about 0.01 to 50 mM, specifically about 0.1 to 30 mM, more specifically about 1 to 20 mM. can be regulated. In addition, the basic component may also be introduced in the form of an aqueous solution, wherein the concentration of the aqueous solution of the basic component is, for example, about 0.01 to 5% (w / w), specifically about 0.05 to 2% (w / w), More specifically, it is controllable within the range of about 0.1 to 0.5% (w/w).

예시적 구체예에 따르면, 약 0 내지 100℃(구체적으로 약 10 내지 70℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 60℃)의 온도에서 약 10분 내지 48 시간(구체적으로 약 25분 내지 24 시간, 보다 구체적으로 약 30분 내지 12 시간) 동안 반응시켜 무기 산화물 나노코팅층을 형성할 수 있다.According to an exemplary embodiment, about 10 minutes to 48 hours (specifically about 25 minutes to 24 hours, more specifically about 25 to 60 ℃) at a temperature of about 0 to 100 ℃ (specifically about 10 to 70 ℃, more specifically about 25 to 60 ℃) Specifically, by reacting for about 30 minutes to 12 hours), an inorganic oxide nano-coating layer may be formed.

다만, 실리카 전구체로서 전술한 실란 화합물 이외에도, 금속 나노콜로이드 구조체의 왼손잡이 광 특성을 보존하고 다양한 환경 및/또는 분산 조건 하에서도 왼손잡이 광 특성을 발현시킬 수 있는 다양한 코팅 물질을 사용할 수 있다.However, in addition to the above-described silane compound as a silica precursor, various coating materials capable of preserving the left-handed optical properties of the metal nanocolloid structure and expressing the left-handed optical properties under various environmental and/or dispersion conditions may be used.

일 예로서, 무기 산화물 나노코팅층은 알루미나 재질일 수 있는 바, 이때 알루미나 전구체는, 예를 들면 알루미늄의 유기산염 또는 무기산염, 알콕사이드, 착체 또는 이의 조합일 수 있고, 보다 구체적으로 알루미늄아세테이트, 알루미늄아세틸아세토네이트, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 t-부톡사이드, 알루미늄 sec-부톡사이드, 알루미늄 펜톡사이드, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 이소프록사이드, 알루미늄 트리부톡사이드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 이오다이드, 알루미늄 설페이트, 알루미늄 니트레이트 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 또한, 무기 산화물 나노코팅층은 티타니아 재질일 수 있는 바, 이때 티타니아 전구체는, 예를 들면 삼염화티탄, 사염화티탄, 티타늄 이소프로폭사이드, 티타늄 부톡사이드 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 이외에도, 무기 산화물 나노코팅층이 산화아연 재질인 경우, 전구체는, 예를 들면 질산아연, 황산아연, 아세트산아연, 포름산아연, 염화(II) 아연, 요오드화아연, 아연아세틸아세토네이트, 이의 수화물 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.As an example, the inorganic oxide nano-coating layer may be made of alumina. In this case, the alumina precursor may be, for example, an organic or inorganic acid salt of aluminum, an alkoxide, a complex, or a combination thereof, and more specifically, aluminum acetate or aluminum acetyl. acetonate, aluminum bromide, aluminum t-butoxide, aluminum sec-butoxide, aluminum pentoxide, aluminum ethoxide, aluminum isopropoxide, aluminum tributoxide, aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum iodide, aluminum sulfate, It may be at least one selected from the group consisting of aluminum nitrate and hydrates thereof. In addition, the inorganic oxide nanocoating layer may be made of titania, and the titania precursor may be, for example, at least one selected from titanium trichloride, titanium tetrachloride, titanium isopropoxide, and titanium butoxide. In addition, when the inorganic oxide nano-coating layer is made of zinc oxide, the precursor is selected from, for example, zinc nitrate, zinc sulfate, zinc acetate, zinc formate, zinc (II) chloride, zinc iodide, zinc acetylacetonate, and hydrates thereof can be at least one.

이와 같이, 실리카 이외의 재질로 무기 산화물 나노코팅층을 형성할 경우, 코팅 과정은 당업계에서 공지된 무기 산화물의 형성 메커니즘(예를 들면, 졸-겔법, 환원법(열 환원법 또는 화학적 환원법)을 이용하여 수행 가능한 바, 이에 대한 세부 사항은 생략하기로 한다.In this way, when the inorganic oxide nano-coating layer is formed with a material other than silica, the coating process is performed using a known inorganic oxide formation mechanism in the art (eg, a sol-gel method, a reduction method (thermal reduction method or chemical reduction method) Since it can be performed, details thereof will be omitted.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the following examples are provided to more easily understand the present invention, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example

금 나노콜로이드의 제조Preparation of gold nanocolloids

본 실시예에서는 금속 나노콜로이드 형성을 위하여 금(Au)을 사용하였고, 직경 또는 구경(도 1에서 표시된 d)이 각각 25 nm 및 40 nm인 2종의 금 나노콜로이드를 본 실험을 위하여 제조하였다. In this example, gold (Au) was used to form metal nanocolloids, and two types of gold nanocolloids having diameters or apertures ( d indicated in FIG. 1 ) of 25 nm and 40 nm, respectively, were prepared for this experiment.

직경이 각각 25 nm 및 40 nm인 금 나노콜로이드는 선행문헌(Langmuir, 2011, 27, 11098-11105)을 참조하여 제조하였다. 제1 단계로서 2.2 mM의 트리-소디움 시트레이트 수용액 150 mL 를 105 ℃로 가열하고, 15분 동안 열 평형을 형성한 후에 25 mM의 HAuCl4·3H2O 1 mL 수용액을 트리-소디움 시트레이트 수용액에 투입하고 30분 동안 반응을 수행하였다. 이후, 온도를 95 ℃로 낮추어 평형을 형성시킨 다음, 25 mM의 HAuCl4·3H2O 1 mL 수용액을 투입하여 반응을 30분 동안 수행하였다. 또한, 25 mM의 HAuCl4·3H2O 1 mL 수용액을 투입하여 반응을 30분 동안 반응하는 과정을 1회 더 반복하였다. 제2 단계는, 55 mL 반응물을 꺼낸 후, 2.2 mM의 트리-소디움 시트레이트 수용액 55 mL를 반응물에 투입하여 희석시키고 25 mM의 HAuCl4·3H2O 1 mL 수용액을 추가로 투입하여 반응을 30분 동안 수행하는 과정을 3회 반복하였다. 각각의 단계가 종료된 후, 직경을 확인하고 입자가 25 nm 또는 40 nm로 성장할 경우, 하기의 정제과정을 실시하고, 그렇지 않을 경우에는 제2 단계를 반복하여 실시하였다. Gold nanocolloids having diameters of 25 nm and 40 nm, respectively, were prepared by referring to prior literature ( Langmuir, 2011, 27, 11098-11105). As a first step, 150 mL of a 2.2 mM aqueous solution of tri-sodium citrate was heated to 105 °C, and after forming thermal equilibrium for 15 minutes, a 1 mL aqueous solution of 25 mM HAuCl 4 3H 2 O was added to an aqueous solution of tri-sodium citrate. and reacted for 30 minutes. Thereafter, the temperature was lowered to 95 °C to form an equilibrium, and then a 25 mM HAuCl 4 .3H 2 O 1 mL aqueous solution was introduced and the reaction was performed for 30 minutes. In addition, the process of reacting for 30 minutes by adding 1 mL of 25 mM HAuCl 4 .3H 2 O aqueous solution was repeated once more. In the second step, after taking out 55 mL of the reactant, 55 mL of a 2.2 mM tri-sodium citrate aqueous solution was added to the reactant to dilute it, and 25 mM HAuCl 4 3H 2 O 1 mL aqueous solution was additionally added to increase the reaction to 30 mL. The procedure performed for 3 minutes was repeated 3 times. After each step was completed, the diameter was checked, and if the particles grew to 25 nm or 40 nm, the following purification process was performed. Otherwise, the second step was repeated.

하이드로겔 구형 입자 제조Preparation of hydrogel spherical particles

하이드로겔 구형 입자는 250 mL의 둥근 플라스크에 0.08 g N,N′-메틸렌 비스(아크릴아미드) 및 1 g N-이소프로필아크릴아미드가 포함되어 있는 100 mL의 수용액을 담아 80 ℃까지 가열하고, 열적 평형을 형성하였다. 이후, 알릴아민 70 μL 및 포타슘 퍼설페이트 수용액(0.025 g/mL) 2 mL를 연속적으로 투입하여 반응을 수행하였다. Hydrogel spherical particles were heated to 80 °C in a 250 mL round flask with 100 mL of an aqueous solution containing 0.08 g N , N′ -methylene bis(acrylamide) and 1 g N-isopropylacrylamide, and thermally Equilibrium was established. Thereafter, 70 μL of allylamine and 2 mL of potassium persulfate aqueous solution (0.025 g/mL) were continuously added to perform the reaction.

25 nm 금 나노콜로이드를 포함한 나노비드의 제조(실시예 1)Preparation of nanobeads containing 25 nm gold nanocolloid (Example 1)

앞서 제조된 금 나노콜로이드 및 하이드로겔 구형 입자는 원심분리 후, 상층액을 제거하였다. 상층액을 제거한 금 나노콜로이드는 트리-소디움 시트레이트 수용액에 재분산시키고, 하이드로겔 구형 입자는 초순수 물에 재분산시켰다. 금 나노콜로이드를 분산시킨 트리-소디움 시트레이트 수용액에 있어서, 트리-소디움 시트레이트의 농도는 금 나노콜로이드의 직경에 따라 다르게 하였는 바, 25 nm 직경의 금 나노콜로이드의 경우에는 0.88 mM의 트리-소디움 시트레이트 수용액을 사용하여 분산시켰다. 25 nm 직경의 금 나노콜로이드가 분산된 수용액 100 mL를 반응기에 투입한 후, 하이드로겔 구형 입자가 분산된 수용액 0.175 mL를 투입하고 교반하였다. 반응기는 4 ℃에서 대략 45분 동안 보관한 후, 53 ℃의 가열 챔버(heating chamber)에 45 내지 60분 동안 넣어 금 나노콜로이드가 하이드로겔 구형 입자 표면에 배열할 수 있도록 하였다. 이후, 반응기는 다시 상온으로 냉각시켜 45분 동안 보관하였다. After the previously prepared gold nanocolloid and hydrogel spherical particles were centrifuged, the supernatant was removed. After removing the supernatant, the gold nanocolloids were redispersed in an aqueous solution of tri-sodium citrate, and the spherical hydrogel particles were redispersed in ultrapure water. In the tri-sodium citrate aqueous solution in which gold nanocolloids were dispersed, the concentration of trisodium citrate was varied depending on the diameter of the gold nanocolloids. In the case of gold nanocolloids with a diameter of 25 nm, 0.88 mM of trisodium It was dispersed using an aqueous citrate solution. After putting 100 mL of an aqueous solution in which gold nanocolloids having a diameter of 25 nm were dispersed into the reactor, 0.175 mL of an aqueous solution in which spherical hydrogel particles were dispersed was added and stirred. The reactor was stored at 4 °C for approximately 45 minutes, and then placed in a heating chamber at 53 °C for 45 to 60 minutes to arrange gold nanocolloids on the surface of the hydrogel spherical particles. Thereafter, the reactor was cooled to room temperature and stored for 45 minutes.

그 다음, 다시 50 ℃에서 15분 동안 평형을 형성한 후에 교반하였으며 17.9 mM의 머캅토프로필 트리메톡시실란(mercaptopropyl trimethoxysilane; MPTMS) 수용액 25 mL 및 28% NH4OH 0.5 mL를 반응기에 순차적으로 투입하고 50 ℃에서 5 시간 동안 실리카 나노코팅층을 형성하는 과정을 진행하였다. 실리카 나노코팅층의 두께는 반응 시간 및 사용되는 실란 화합물의 농도에 따라 변화하였는 바, 사용되는 금 나노콜로이드 및 하이드로겔 구형 입자의 농도는 금 나노콜로이드 구조가 형성된 나노비드의 최종 구조에 따라 조절하였다. 본 실시예에서 사용한 금 나노콜로이드의 농도는 자외선-가시광-근적외선 스펙트럼 중 525 nm에서의 소멸 값(extinction)이 0.96이 되도록 조절하였다.Then, equilibrium was formed at 50 ° C. for 15 minutes, followed by stirring, and 25 mL of 17.9 mM mercaptopropyl trimethoxysilane (MPTMS) aqueous solution and 0.5 mL of 28% NH 4 OH were sequentially introduced into the reactor. And a process of forming a silica nano-coating layer was performed at 50 ° C. for 5 hours. Since the thickness of the silica nanocoating layer varied depending on the reaction time and the concentration of the silane compound used, the concentrations of the gold nanocolloid and hydrogel spherical particles used were adjusted according to the final structure of the nanobeads on which the gold nanocolloid structure was formed. The concentration of the gold nanocolloid used in this example was adjusted so that the extinction value at 525 nm in the ultraviolet-visible-near-infrared spectrum was 0.96.

반응 종료 후, 제조된 나노비드를 원심 분리하여 상층액을 제거하고, 이후 다시 반복적으로 정제과정을 거친 다음, 최종적으로 초순수 물에 분산시켰다.After completion of the reaction, the prepared nanobeads were centrifuged to remove the supernatant, then repeatedly purified, and finally dispersed in ultrapure water.

40 nm 금 나노콜로이드를 포함한 나노비드의 제조(실시예 2)Preparation of nanobeads containing 40 nm gold nanocolloid (Example 2)

40 nm 직경 금 나노입자를 포함한 나노비드를 제조함에 있어서, 사용되는 금 나노콜로이드의 직경이 상이하므로 금 나노콜로이드를 분산하기 위하여 사용된 트리-소디움 시트레이트 수용액의 농도, 그리고 나노비드를 제조하기 위하여 사용된 금 나노콜로이드 및 하이드로겔 구형 입자가 함유된 분산액의 사용량을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1에서와 전체적으로 동일한 실험 절차를 이용하였다.In preparing nanobeads including 40 nm diameter gold nanoparticles, since the diameters of the gold nanocolloids used are different, the concentration of the tri-sodium citrate aqueous solution used to disperse the gold nanocolloids and the nanobeads The experimental procedure was entirely the same as in Example 1, except that the amount of the dispersion containing the gold nanocolloid and hydrogel spherical particles used was changed.

구체적으로, 0.92 mM의 트리-소디움 시트레이트 수용액을 사용하여 금 나노콜로이드를 분산시켰으며, 금 나노콜로이드의 농도는 자외선-가시광-근적외선 스펙트럼 중 527 nm에서 소멸 값(extinction)이 0.96이 되도록 조절하였고, 이때 하이드로겔 구형 입자가 분산된 수용액 0.106 mL를 금 나노콜로이드 수용액에 투입하였다. Specifically, a 0.92 mM tri-sodium citrate aqueous solution was used to disperse gold nanocolloids, and the concentration of gold nanocolloids was adjusted so that the extinction value at 527 nm was 0.96 in the ultraviolet-visible-near-infrared spectrum. , At this time, 0.106 mL of the aqueous solution in which the hydrogel spherical particles were dispersed was added to the aqueous gold nanocolloid solution.

나노비드의 특성 분석Characterization of nanobeads

제조된 나노비드의 광학적 특성은 자외선-가시광-적외선 분광계(V-670, JASCO, Japan)를 사용하여 분석하였다. The optical properties of the prepared nanobeads were analyzed using an ultraviolet-visible-infrared spectrometer (V-670, JASCO, Japan).

하이드로겔 구형 입자의 크기는 동적 광 산란(Zetasizer Nano ZS90, Malvern Instrument, UK)을 이용하여 수력학적 직경을 측정하여 결정하였는 바, 상온에서 343 nm, 그리고 50 ℃에서 155 nm로 측정되었다. The size of the hydrogel spherical particles was determined by measuring the hydrodynamic diameter using dynamic light scattering (Zetasizer Nano ZS90, Malvern Instrument, UK), which was 343 nm at room temperature and 155 nm at 50 °C.

나노비드의 구조는 주사전자 현미경(Hitachi S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 제조된 나노비드의 전기장 및 자기장 분포는 COMSOL Multiphysics(Version 5.4, Sweden) software를 이용하여 관찰하였다. 먼저, 주사전자 현미경(SEM)을 통하여 실리카 코팅층(유리창)의 두께 및 금 나노콜로이드의 크기를 결정하여 고정하였고, 나노비드의 크기는 분석을 통하여 평균값 및 표준편차 값을 얻었다. 실리카 코팅 전 하이드로겔 구형 입자 표면에 부착된 금 나노콜로이드의 개수는 투과전자 현미경(JEM-2010, JEOL, Japan) 분석을 통하여 평균값 및 표준편차 값을 얻었다. The structure of the nanobeads was observed using a scanning electron microscope (Hitachi S-4800, Hitachi, Japan). Electric and magnetic field distributions of the prepared nanobeads were observed using COMSOL Multiphysics (Version 5.4, Sweden) software. First, the thickness of the silica coating layer (window) and the size of the gold nanocolloid were determined and fixed through a scanning electron microscope (SEM), and the average value and standard deviation of the size of the nanobeads were obtained through analysis. The average value and standard deviation of the number of gold nanocolloids attached to the surface of the hydrogel spherical particles before silica coating were analyzed using a transmission electron microscope (JEM-2010, JEOL, Japan).

상술한 정보를 기초로 하고, 소프트웨어를 이용하여 나노비드의 소멸 스펙트럼을 얻은 후, 자외선-가시광-적외선 분광계를 이용하여 얻은 스펙트럼과 비교하였다. 시행착오를 거쳐 실험 결과와 일치되는 스펙트럼을 얻은 경우의 나노비드를 사용하여 입사광의 파장에 따른 나노비드의 전기장 및 자기장의 변화를 관찰하였다. 나노비드의 구조를 결정함에 있어서, 금 나노콜로이드 입자가 하이드로겔 입자 표면에 무질서하게 배열된다고 가정하였다. 이는 주사전자현미경 결과 분석을 바탕으로 결정하였다. Based on the above information, after obtaining the extinction spectrum of the nanobeads using software, it was compared with the spectrum obtained using an ultraviolet-visible-infrared spectrometer. Changes in the electric and magnetic fields of the nanobeads according to the wavelength of the incident light were observed using the nanobeads in which the spectra consistent with the experimental results were obtained through trial and error. In determining the structure of the nanobeads, it was assumed that the gold nanocolloidal particles were randomly arranged on the surface of the hydrogel particles. This was determined based on the analysis of scanning electron microscopy results.

결과의 신뢰성을 위하여, 시행착오를 진행할 때 변수 변화에 제한을 두었다. 구체적으로, 금 나노콜로이드의 입자의 개수는 투과 전자현미경을 통하여 관찰한 입자의 평균 개수를 기준으로 표준편차 범위를 넘지 않는 선에서 조절하였고, 주사 전자 현미경을 통하여 관찰된 나노비드의 평균 크기를 기준으로 표준편차 범위를 넘지 않는 선에서 하이드로겔 입자의 크기를 조절하였다. For the reliability of the results, the variable change was limited during trial and error. Specifically, the number of gold nanocolloid particles was adjusted within the standard deviation range based on the average number of particles observed through a transmission electron microscope, and based on the average size of nanobeads observed through a scanning electron microscope. The size of the hydrogel particles was adjusted within the standard deviation range.

결과 및 토의Results and discussion

실시예 1Example 1

실시예 1에 따라 제조된 나노비드(25 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드)를 제조하는 과정 중 금 나노콜로이드의 스펙트럼의 변화를 도 2에 나타내었다. In the process of preparing the nanobeads (nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 25 nm) prepared according to Example 1, the change in the spectrum of the gold nanocolloids is shown in FIG. 2 .

상기 도면에 따르면, 수용액 상에 균일하게 분산된 25 nm 직경의 금 나노콜로이드는 525 nm에서 소멸 피크(extinction peak)가 최대치를 나타내는 반면, 하이드로겔 구형 입자와 혼합된 후에는 피크가 535 nm로 이동하였고, 피크의 폭 역시 소폭 증가하였다. 주목할 점은 상기 혼합물을 50 ℃로 승온시킬 경우, 스펙트럼이 급격히 변화하였는 바, 구체적으로 스펙트럼은 565 nm로 피크의 이동이 관찰되었으며, 664 nm에서 새로운 피크가 생성됨을 관찰하였다. 이때, 온도를 상온으로 낮출 경우, 스펙트럼은 상온에서 하이드로겔 입자와 금 나노콜로이드가 혼합되는 경우의 스펙트럼과 거의 동일하게 된다. According to the figure, the gold nanocolloids with a diameter of 25 nm uniformly dispersed in the aqueous phase show the maximum extinction peak at 525 nm, whereas the peak shifts to 535 nm after being mixed with the hydrogel spherical particles. , and the width of the peak also increased slightly. It should be noted that when the temperature of the mixture was raised to 50 °C, the spectrum rapidly changed. Specifically, a shift of the peak to 565 nm was observed and a new peak was generated at 664 nm. At this time, when the temperature is lowered to room temperature, the spectrum becomes almost the same as the spectrum when hydrogel particles and gold nanocolloids are mixed at room temperature.

지속적으로 왼손잡이 광 특성을 나타내는 나노비드를 제조하기 위하여 금 나노콜로이드가 하이드로겔 입자 상에 회합된 구조체에 대하여 50 ℃에서 MPTMS 수용액 및 NH4OH 수용액을 반응기에 순차적으로 투입하여 코팅을 수행하였다. 5시간에 걸친 반응 후, 스펙트럼 중 2개의 피크는 600 nm 및 768 nm으로 이동하였다. 또한, 도 3에 따르면, 실리카 나노코팅층을 형성한 후, 나노비드는 외부 온도 변화에서도 광학적 특성이 변화하지 않는 것으로 관찰되었는 바, 이는 성공적으로 코팅 및 고정화가 진행되었음을 지시한다. 이러한 결과는 외부 환경의 변화에 의하여 나노비드의 광학적 특성이 영향을 받지 않을 수 있음을 시사한다.In order to prepare nanobeads continuously exhibiting left-handed optical properties, coating was performed by sequentially introducing an MPTMS aqueous solution and an NH 4 OH aqueous solution into a reactor at 50 °C for the structure in which gold nanocolloids were associated on hydrogel particles. After reaction over 5 hours, two peaks in the spectrum shifted to 600 nm and 768 nm. In addition, according to FIG. 3, after forming the silica nano-coating layer, it was observed that the optical properties of the nanobeads did not change even when the external temperature was changed, which indicates that the coating and immobilization were successfully performed. These results suggest that the optical properties of the nanobeads may not be affected by changes in the external environment.

도 4a는 25 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드의 주사전자 현미경(SEM) 사진이다. 입자의 크기는 190.0 ± 5.8 nm로 분석되었으며, 실리카 나노코팅층의 두께는 10 nm로 측정되었다. Figure 4a is a scanning electron microscope (SEM) picture of nanobeads prepared using gold nanocolloids with a diameter of 25 nm. The particle size was analyzed to be 190.0 ± 5.8 nm, and the thickness of the silica nano-coating layer was measured to be 10 nm.

상기 도면에 나타낸 바와 같이, 나노비드 입자는 거의 구형을 나타내었고, 나노비드 내부에 금 나노콜로이드가 매우 조밀하게 회합되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 관찰 결과를 기초로 하여 소프트웨어를 통하여 나노비드에 광을 조사하였을 때 발생되는 전기장 및 자기장의 변화를 관찰하였다. As shown in the figure, the nanobead particles were almost spherical, and it could be observed that gold nanocolloids were very densely assembled inside the nanobeads. Based on these observations, changes in the electric and magnetic fields generated when the nanobeads were irradiated with light were observed through the software.

먼저, 도 2에 나타난 실험 결과에 가장 근접한 파장을 갖는 나노비드 모델을 도 4b와 같이 결정하였다. 도 4c에서와 같은 스펙트럼이 얻어질 경우, 나노비드 내 하이드로겔 입자 상에 97개의 금 나노콜로이드가 함유되어 있는 것으로 계산되었다. 이 경우, 나노비드의 직경은 190 nm, 그리고 금 나노콜로이드 간 간격은 1.97 ± 1.07 nm로 계산되었다. First, a nanobead model having a wavelength closest to the experimental results shown in FIG. 2 was determined as shown in FIG. 4b. When the spectrum as shown in FIG. 4c was obtained, it was calculated that 97 gold nanocolloids were contained on the hydrogel particles in the nanobeads. In this case, the diameter of the nanobeads was calculated to be 190 nm, and the spacing between the gold nanocolloids was calculated to be 1.97 ± 1.07 nm.

모델을 통해서 도출된 스펙트럼은 600 nm 및 760 nm에서 피크가 관찰된 만큼, 피크에 해당하는 600 nm 및 760 nm의 파장, 그리고 피크에서 벗어난 680 nm 및 800 nm의 파장을 갖는 광을 각각 조사한 경우, 나노비드의 전기장 및 자기장 분포에 대하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4d에 나타내었다. As the spectra derived from the model show peaks at 600 nm and 760 nm, when irradiating light with wavelengths of 600 nm and 760 nm corresponding to the peaks, and wavelengths of 680 nm and 800 nm that deviate from the peaks, respectively, The electric and magnetic field distributions of the nanobeads were analyzed, and the results are shown in FIG. 4d.

상기 도면을 참조하면, 600 nm 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 금 나노콜로이드 주변으로 광의 성분 중 전기장 공명 및 증폭 현상이 나타나는 반면, 눈에 띄는 자기장 증폭 현상은 관찰되지 않았다. 또한, 680 nm의 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 600 nm의 파장을 조사한 경우에서와 유사한 결과를 얻었다. Referring to the figure, when light having a wavelength of 600 nm was irradiated, electric field resonance and amplification of light components appeared around the gold nanocolloid, while no noticeable magnetic field amplification was observed. In addition, when light having a wavelength of 680 nm was irradiated, similar results to those obtained when irradiating a wavelength of 600 nm were obtained.

반면, 760 nm의 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 금 나노콜로이드 주변으로 전기장 공명 및 증폭 현상이 나타남과 동시에 나노비드 내부에 강한 자기장 공명 및 증폭 현상이 관찰되었다. 이는 나노비드 내부에 자기장이 강하게 형성되고, 이로 인하여 L-C 회로를 갖고 있을 가능성이 높음을 시사한다. 도 4d에 따르면, 이러한 자기장 증폭 현상은 외부에서 인가하는 자기장의 세기보다 현저히 강하였다. 800 nm의 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 760 nm 파장을 갖는 광을 조사한 경우에서와 동일하게 나노비드 내부에서 자기장 공명 및 증폭 현상이 관찰되었다. 그러나, 자기장 공명 증폭의 세기는 760 nm 파장을 갖는 광을 조사한 경우에 비하여 약한 것을 관찰할 수 있었다. On the other hand, when light having a wavelength of 760 nm was irradiated, electric field resonance and amplification phenomena appeared around the gold nanocolloids, and strong magnetic field resonance and amplification phenomena were observed inside the nanobeads. This is because a strong magnetic field is formed inside the nanobeads, and as a result, the LC It suggests that there is a high probability that it has a circuit. According to FIG. 4D, this magnetic field amplification phenomenon was significantly stronger than the strength of the externally applied magnetic field. When light having a wavelength of 800 nm was irradiated, magnetic field resonance and amplification phenomena were observed inside the nanobeads as in the case of irradiating light having a wavelength of 760 nm. However, it was observed that the intensity of magnetic field resonance amplification was weak compared to the case where light having a wavelength of 760 nm was irradiated.

이러한 공명 현상으로 인하여 나노비드에 형성되는 전기장(electric dipole moment) 및 자기장(magnetic dipole monoment)의 vector(크기 및 방향)를 입사 평면파(incident plane wave)의 다양한 위상각(phase angle; 즉 입사 평면파의 위상, φ)에 대하여 관찰한 결과를 도 5에 나타내었다. Due to this resonance phenomenon, the vector (magnitude and direction) of the electric dipole moment and magnetic dipole monoment formed in the nanobead is changed to various phase angles of the incident plane wave; The results observed for the phase, φ) are shown in FIG. 5 .

상기 도면을 참조하면, 600 nm 피크의 경우, 인가된 전자기장에 대하여 나노비드에 발생되는 전기장이 일정한 방향을 가지지 않고 증폭됨을 확인할 수 있다. 또한, 인가된 전자기장에 대하여 나노비드에 발생되는 자기장은 나노비드 표면에 존재하는 금 나노콜로이드의 주변에서 발생함을 확인할 수 있다. 한편, 760 nm 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 나노비드 표면 주변으로 일정한 방향으로 전기장이 원형으로 배향됨을 관찰되었다. 이외에도, 나노비드 내부에서는 도 4d에서 확인되는 바와 같이 강한 자기장 공명으로 인한 증폭 현상이 관찰되었다. 즉, 나노비드 내부에 강한 자기장 공명 및 증폭으로 인한 자기장 발생은 나노비드 외곽에서 일정한 방향을 가지고 코일 형태로 발생되는 전기장으로부터 기인한 것으로 추정된다. 나노비드에서 발생되는 전기장의 방향은 위상각이 0°인 경우, 시계 방향으로 발생되며, 위상각이 180°인 경우, 시계 반대 방향으로 발생되고, 그리고 증폭된 자기장의 세기도 동일한 값을 갖는 것으로 관찰되었다. Referring to the figure, in the case of a 600 nm peak, it can be confirmed that the electric field generated in the nanobeads does not have a constant direction with respect to the applied electromagnetic field and is amplified. In addition, it can be confirmed that the magnetic field generated in the nanobeads in relation to the applied electromagnetic field is generated around the gold nanocolloids present on the surface of the nanobeads. On the other hand, when light having a wavelength of 760 nm was irradiated, it was observed that the electric field was circularly oriented in a constant direction around the surface of the nanobeads. In addition, an amplification phenomenon due to strong magnetic field resonance was observed inside the nanobeads, as shown in FIG. 4d. That is, it is presumed that the generation of the magnetic field due to the strong magnetic field resonance and amplification inside the nanobeads originates from the electric field generated in the form of a coil with a constant direction outside the nanobeads. The direction of the electric field generated from the nanobeads is generated clockwise when the phase angle is 0°, and generated counterclockwise when the phase angle is 180°, and the strength of the amplified magnetic field has the same value. Observed.

본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 상술한 결과가 얻어지는 이유는 하기와 같이 설명될 수 있다.Although the present invention is not bound by any particular theory, the reason why the above results are obtained can be explained as follows.

도 5를 참조하면, 위상각이 0°인 경우, 나노비드 내부에서 발생되는 전기장의 방향은 시계 방향으로 형성되는 바, 이는 L-C 회로에서 커패시터(capacitor)가 최대로 충전되어 있는 상태와 유사하다고 할 수 있다. 위상각이 0°에서 90°로 변화한 경우, 형성되었던 전기장이 사라지며 유도 자기장이 형성되었다. 이는 L-C 회로에서 충전된 커패시터가 방전될 때, 유도 전류 또는 순환 전류(circular electric current)의 형태로 전환되어 인덕터(inductor) 내부에 자기장이 형성되는 상황과 유사하다고 할 수 있다. 또한, 위상각이 90°에서 180°까지 변화된 경우, 형성되었던 유도 자기장이 사라지며, 전기장은 위상각이 0°인 경우와 달리 반시계 방향으로 형성되었다. 이는 L-C 회로에서 인덕터의 에너지가 커패시터를 재충전시키는 상황과 유사하다고 할 수 있다.Referring to FIG. 5, when the phase angle is 0°, the direction of the electric field generated inside the nanobeads is clockwise, which is similar to a state in which a capacitor is maximally charged in an L-C circuit. can When the phase angle changed from 0° to 90°, the formed electric field disappeared and an induced magnetic field was formed. This is similar to a situation in which a magnetic field is formed inside an inductor by converting it into an induced current or a circular electric current when the capacitor charged in the L-C circuit is discharged. In addition, when the phase angle is changed from 90° to 180°, the formed induced magnetic field disappears, and the electric field is formed in a counterclockwise direction unlike when the phase angle is 0°. This can be said to be similar to the situation where the energy of the inductor recharges the capacitor in the L-C circuit.

상술한 결과는 비자성 물질인 금 나노콜로이드의 배열로 인하여 자기장에 대하여 반응하는 인위적인 자성 물질(artificial magnetic material)이 형성된 것으로 추측할 수 있다. 따라서, 특정 파장에서 음의 유전율을 가질 수 있는 금 나노콜로이드로 구성된 나노비드의 유효 투자율(effective permeability)이 음의 값을 갖도록 제어될 경우, 음의 굴절률로 발현될 가능성이 있음을 시사한다.The above results can be inferred that an artificial magnetic material that reacts to a magnetic field is formed due to the arrangement of gold nano-colloids, which are non-magnetic materials. Therefore, when the effective permeability of nanobeads composed of gold nanocolloids capable of having a negative permittivity at a specific wavelength is controlled to have a negative value, it suggests that a negative refractive index may be expressed.

본 실시예에서 제조된 나노비드가 특정 파장의 광의 입사 진행 방향과 반대방향으로 굴절시킬 수 있는지 여부를 확인하기 위하여 Poynting vector의 변화를 관찰하였다. 이와 관련하여, Poynting vector는 전자기파의 에너지 밀도와 함께 전자기파의 진행 방향을 나타낸다. 따라서, 특정 파장을 가지는 광의 Poynting vector 방향에 대해서 나노비드에서 형성된 Poynting vector의 방향에 대한 정보로부터 왼손잡이 광특성 유무를 확인할 수 있다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. 상기 도면은 600 nm 및 760 nm의 파장을 갖는 광을 종축 기준으로 30° 기울어진 방향으로부터 입사시켰을 때(주황색 화살표) 나노비드 내부에서 발생하는 Poynting vector의 변화(푸른색 화살표)를 지시한다. 구체적으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 600 nm의 파장을 갖는 광을 입사한 경우에 나노비드로부터 발생되는 Poynting vector의 방향은 광의 입사 방향으로 향하는 반면, 760 nm의 파장을 갖는 광을 입사한 경우에는 나노비드로부터 발생되는 Poynting vector의 방향이 대부분 광의 입사 방향과 반대인 입사 지점으로 향하는 것으로 나타났다. 다만, 이러한 Poynting vector의 분석 결과는 계산 시 조건(예를 들면 매질, 경계 조건, 나노비드의 체적 분율, 나노비드 간의 배열 간격 등)에 따라 변경될 수 있으나, 조건 설정에 따라 나노비드의 굴절률이 음의 값을 가질 수 있음을 시사한다.In order to check whether the nanobeads prepared in this example can refract light of a specific wavelength in the direction opposite to the direction of incident propagation, a change in the Poynting vector was observed. In this regard, the Poynting vector represents the propagation direction of the electromagnetic wave together with the energy density of the electromagnetic wave. Therefore, the presence or absence of left-handed optical characteristics can be confirmed from the information on the direction of the Poynting vector formed in nanobeads with respect to the direction of the Poynting vector of light having a specific wavelength. The results are shown in FIG. 6 . The figure indicates the change (blue arrow) of the Poynting vector occurring inside the nanobeads when light having a wavelength of 600 nm and 760 nm is incident from a direction inclined at 30° with respect to the longitudinal axis (orange arrow). Specifically, as shown in FIG. 6, when light having a wavelength of 600 nm is incident, the direction of the Poynting vector generated from nanobeads is directed toward the incident direction of light, whereas when light having a wavelength of 760 nm is incident showed that the direction of the Poynting vector generated from the nanobeads was directed toward the point of incidence, which is opposite to the incident direction of light. However, the analysis results of these Poynting vectors may change depending on the conditions during calculation (e.g. medium, boundary conditions, volume fraction of nanobeads, arrangement spacing between nanobeads, etc.), but the refractive index of nanobeads is indicates that it can have a negative value.

실시예 2Example 2

실시예 2에 따라 제조된 나노비드(40 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드)를 제조하는 과정 중 금 나노콜로이드의 스펙트럼의 변화를 도 7에 나타내었다. 7 shows the spectral change of the gold nanocolloid during the process of preparing the nanobeads prepared according to Example 2 (nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 40 nm).

상기 도면에 따르면, 수용액 상에 균일하게 분산된 40 nm 직경의 금 나노콜로이드가 527 nm에서 최대 소멸 피크(extinction peak)를 나타내는 반면, 하이드로겔 구형 입자와 혼합된 후에는 531 nm로 이동하였고, 피크의 폭도 약간 증가하였다. According to the figure, while the gold nanocolloids with a diameter of 40 nm uniformly dispersed in the aqueous solution exhibited the maximum extinction peak at 527 nm, after mixing with the hydrogel spherical particles, it moved to 531 nm, and the peak width also increased slightly.

이때, 주목할 점은 상기 혼합물을 50 ℃로 승온시킬 경우, 스펙트럼이 급격히 변화하였는 바, 구체적으로 564 nm로 피크가 이동하였고, 729 nm에서 새로운 피크가 생성되었다. 지속적인 왼손잡이 광 특성을 나타내는 나노비드를 제조하기 위하여, 금 나노콜로이드가 하이드로겔 입자 상에 회합된 구조체에 대하여 50 ℃에서 MPTMS 수용액 및 NH4OH 수용액을 반응기에 순차적으로 투입하여 코팅을 수행하였다. 5시간에 걸친 반응 후, 피크는 610 nm 및 870 nm로 이동하였다. 실리카 나노코팅층 형성 후, 도 8에서 나타낸 바와 같이 나노비드는 외부 온도 변화에서도 광학적 특성이 변화하지 않는 것으로 관찰되었는 바, 성공적으로 코팅 및 고정화가 진행된 것으로 판단되며, 이러한 결과는 외부 환경의 변화에 의하여 나노비드의 광학적 특성이 영향을 받지 않을 수 있음을 시사한다.At this time, it should be noted that when the temperature of the mixture was raised to 50 ° C., the spectrum rapidly changed, specifically, the peak shifted to 564 nm and a new peak was generated at 729 nm. In order to prepare nanobeads exhibiting continuous left-handed optical properties, coating was performed by sequentially introducing an MPTMS aqueous solution and an NH 4 OH aqueous solution into a reactor at 50 °C for the structure in which gold nanocolloids were associated on hydrogel particles. After reaction over 5 hours, the peaks shifted to 610 nm and 870 nm. After the formation of the silica nano-coating layer, as shown in FIG. 8, it was observed that the optical properties of the nanobeads did not change even when the external temperature changed, and it was determined that the coating and immobilization were successfully performed. This suggests that the optical properties of the nanobeads may not be affected.

도 9a는 40 nm 직경의 금 나노콜로이드를 사용하여 제조된 나노비드의 주사전자 현미경 사진이다. 9a is a scanning electron micrograph of nanobeads prepared using gold nanocolloids having a diameter of 40 nm.

상기 도면에 따르면, 입자의 평균 크기는 210.0 ± 10.7 nm로 분석되었으며, 실리카 나노코팅창의 두께는 11 nm로 측정되었다. 또한, 나노비드 입자는 거의 구형을 나타내었고, 나노비드 내부에 금 나노콜로이드가 매우 조밀하게 회합되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 관찰 결과에 근거하여 소프트웨어를 이용하여 나노비드에 광을 조사하였을 때 발생되는 전기장 및 자기장의 변화를 관찰하였다. According to the figure, the average size of the particles was analyzed to be 210.0 ± 10.7 nm, and the thickness of the silica nano-coated window was measured to be 11 nm. In addition, the nanobead particles were almost spherical, and it could be observed that gold nanocolloids were very densely assembled inside the nanobeads. Based on these observations, changes in electric and magnetic fields generated when nanobeads were irradiated with light were observed using software.

먼저, 도 7에 나타난 실험 결과에 가장 근접한 파장을 갖는 나노비드 모델을 도 9b와 같이 결정하였다. 도 9c에서와 같은 스펙트럼이 얻어질 경우, 나노비드 내에서 하이드로겔 입자 상에 40개의 금 나노콜로이드가 함유되어 있는 것으로 계산되었다. 이 경우, 나노비드의 직경은 210 nm, 금 나노콜로이드 간 간격은 1.76 ± 1.45 nm로 계산되었다. First, a nanobead model having a wavelength closest to the experimental results shown in FIG. 7 was determined as shown in FIG. 9B. When the spectrum as in FIG. 9c was obtained, it was calculated that 40 gold nanocolloids were contained on the hydrogel particles within the nanobeads. In this case, the diameter of the nanobeads was calculated to be 210 nm, and the spacing between the gold nanocolloids was calculated to be 1.76 ± 1.45 nm.

상기 도면을 참조하면, 나노비드는 610 nm 및 870 nm에서 피크가 관찰되었고, 소멸 스펙트럼 범위도 매우 넓은 것으로 관찰되었는데, 모델링 결과 이는 570 nm와 870 nm 사이에 다양한 피크들이 생성되기 때문인 것으로 나타났다. 이 중, 특징적인 3개의 피크, 즉 570 nm, 760 nm 및 870 nm에 대하여 광을 조사한 경우에 전기장 및 자기장 분포에 대하여 조사하였으며, 그 결과를 도 9d에 나타내었다.Referring to the figure, the peaks of the nanobeads were observed at 610 nm and 870 nm, and the extinction spectrum range was also observed to be very wide. As a result of modeling, it was shown that various peaks were generated between 570 nm and 870 nm. Among them, electric and magnetic field distributions were investigated when light was irradiated for three characteristic peaks, that is, 570 nm, 760 nm, and 870 nm, and the results are shown in FIG. 9D.

상기 도면에 따르면, 570 nm 및 760 nm의 광을 조사한 경우, 금 나노콜로이드 주변으로 광의 성분 중 전기장 공명 및 증폭 현상이 나타났으나, 눈에 띄는 자기장 공명 현상은 관찰되지 않았다. 반면, 870 nm의 광을 조사한 경우, 금 나노콜로이드 주변으로 전기장 공명 및 증폭 현상이 나타남과 동시에 나노비드 내부에 자기장 공명 및 증폭 현상이 관찰되었다. 이는 나노비드 내부에 자기장이 강하게 형성됨을 의미하며, 이로 인하여 L-C 회로를 가지고 있을 가능성이 높음을 시사한다. 또한, 도 9d에 따르면, 이러한 자기장 증폭 현상은 외부에서 인가하는 자기장의 세기보다 현저히 강하였다. According to the figure, when light of 570 nm and 760 nm was irradiated, electric field resonance and amplification of light components appeared around the gold nanocolloid, but no noticeable magnetic field resonance was observed. On the other hand, when 870 nm light was irradiated, electric field resonance and amplification phenomena appeared around the gold nanocolloids, and magnetic field resonance and amplification phenomena were observed inside the nanobeads. This means that a strong magnetic field is formed inside the nanobeads, suggesting that they are likely to have an L-C circuit. Also, according to FIG. 9D , this magnetic field amplification phenomenon was significantly stronger than the strength of the externally applied magnetic field.

이러한 자기장 형성으로 인하여 금 나노콜로이드에 형성되는 전기장(electric dipole moment) 및 자기장(magnetic dipole monoment)의 vector(크기 및 방향)을 입사 평면파(incident plane wave)의 다양한 위상각(φ)에 대하여 관찰한 결과를 도 9e에 나타내었다. The vector (magnitude and direction) of the electric dipole moment and magnetic dipole monoment formed in the gold nanocolloid due to the formation of such a magnetic field was observed for various phase angles ( φ ) of the incident plane wave. The results are shown in Figure 9e.

상기 도면을 참조하면, 나노비드는 870 nm 파장을 갖는 광을 조사한 경우, 나노비드 표면 주변으로 일정한 방향으로 전기장이 원형으로 배향됨을 관찰할 수 있다. 또한, 나노비드 내부에서는 도 9d에서 관찰한 바와 같이 강한 자기장 공명으로 인한 증폭 현상이 관찰되었다. 즉, 나노비드 내부에 강한 자기장 공명 및 증폭으로 인한 자기장 발생은 나노비드 외곽에서 일정한 방향을 가지고 코일 형태로 발생되는 전기장으로부터 기인한 것으로 추정된다. 나노비드에서 발생되는 전기장의 방향은 위상각이 0°인 경우 시계 방향으로 발생되며, 위상각이 거울상인 180°에서 관찰하였을 경우에는 시계 반대 방향으로 발생되었는 바, 증폭된 자기장의 세기도 동일한 값을 가지는 것으로 관찰되었다 Referring to the figure, when the nanobeads are irradiated with light having a wavelength of 870 nm, it can be observed that the electric field is circularly oriented in a constant direction around the surface of the nanobeads. In addition, an amplification phenomenon due to strong magnetic field resonance was observed inside the nanobeads, as shown in FIG. 9d. That is, it is presumed that the generation of the magnetic field due to the strong magnetic field resonance and amplification inside the nanobeads originates from the electric field generated in the form of a coil with a constant direction outside the nanobeads. The direction of the electric field generated from the nanobeads is clockwise when the phase angle is 0°, and counterclockwise when observed at 180°, which is a mirror image, so the strength of the amplified magnetic field is also the same value was observed to have

본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 상술한 결과가 얻어지는 이유는 하기와 같이 설명될 수 있다.Although the present invention is not bound by any particular theory, the reason why the above results are obtained can be explained as follows.

도 9e를 참조하면, 위상각이 0°인 경우에 나노비드 내부에서 발생되는 전기장의 방향은 시계 방향으로 형성된다. 위상각이 0°에서 90°로 변화한 경우, 형성되었던 전기장이 사라지며 유도 자기장이 형성되었다. 또한, 위상각이 90°에서 180°까지 변화한 경우, 형성되었던 유도 자기장은 사라지며, 전기장은 위상각이 0°인 경우와 달리 반시계 방향으로 형성되었다. Referring to FIG. 9E , when the phase angle is 0°, the direction of the electric field generated inside the nanobeads is clockwise. When the phase angle changed from 0° to 90°, the formed electric field disappeared and an induced magnetic field was formed. In addition, when the phase angle changes from 90° to 180°, the induced magnetic field that was formed disappears, and the electric field is formed in a counterclockwise direction unlike the case where the phase angle is 0°.

이러한 결과는 25 nm 금 나노입자를 이용한 나노비드에서와 마찬가지로, 비자성 물질인 금 나노입자의 배열로 인하여 자기장에 대하여 반응하는 인위적인 자성 물질(artificial magnetic material)이 형성되었음을 시사하며, 특정 파장에서 음의 유전율을 가질 수 있는 금 나노콜로이드로 구성된 나노비드의 유효 투자율(effective permeability)이 음의 값을 갖도록 제어될 경우, 음의 굴절률로 발현될 수 있음을 암시한다.These results suggest that, as in the case of nanobeads using 25 nm gold nanoparticles, an artificial magnetic material that reacts to a magnetic field is formed due to the arrangement of gold nanoparticles, which are non-magnetic materials. When the effective permeability of nanobeads composed of gold nanocolloids having a dielectric constant of is controlled to have a negative value, it is implied that a negative refractive index can be expressed.

본 실시예에서 제조된 나노비드가 특정 파장의 광의 입사 진행 방향과 반대 방향으로 굴절시킬 수 있는지 여부를 확인하기 위하여 Poynting vector의 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 9f에 나타내었다. 상기 도면은 870 nm의 파장을 갖는 광을 나노비드의 종축을 기준으로 30° 기울어진 방향으로부터 입사하였을 경우(주황색 화살표), 나노비드 내부에서 발생하는 Poynting vector의 변화(푸른색 화살표)를 나타낸 것이다. 도 9f에서 나타낸 바와 같이 870 nm의 파장을 갖는 광을 입사한 경우, 나노비드로부터 발생되는 Poynting vector의 방향은 대부분 광의 입사 방향과 반대인 입사 지점으로 향하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 나노비드의 굴절률이 음의 값을 가지기 때문에 나타난다고 할 수 있다. 다만, 이러한 Poynting vector의 분석 결과는 계산 시 조건(예를 들면 매질, 경계 조건, 나노비드의 체적 분율, 나노비드 간의 배열 간격 등)에 따라 변경될 수 있으나, 조건 설정에 따라 나노비드의 굴절률이 음의 값을 가질 수 있음을 시사한다.In order to check whether the nanobeads prepared in this example can refract light of a specific wavelength in the direction opposite to the incident propagation direction, the change in the Poynting vector was observed, and the results are shown in FIG. 9F. The above figure shows the change (blue arrow) of the Poynting vector occurring inside the nanobead when light having a wavelength of 870 nm is incident from a direction inclined at 30° with respect to the longitudinal axis of the nanobead (orange arrow). . As shown in FIG. 9f, when light having a wavelength of 870 nm is incident, the direction of the Poynting vector generated from the nanobeads is mostly directed toward the incident point opposite to the incident direction of the light. This result can be said to appear because the refractive index of the nanobeads has a negative value. However, the analysis results of these Poynting vectors may change depending on the conditions during calculation (e.g. medium, boundary conditions, volume fraction of nanobeads, arrangement spacing between nanobeads, etc.), but the refractive index of nanobeads is indicates that it can have a negative value.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be clarified by the appended claims.

Claims (15)

구형의 하이드로겔 입자;
상기 하이드로겔 입자 표면에 회합된 복수의 비자성 금속 나노콜로이드 입자; 및
상기 금속 나노콜로이드 입자가 부착된 하이드로겔 입자 상에 형성된 광 투과성 무기 산화물 나노코팅층;
을 포함하는 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 구조의 나노비드로서,
상기 나노비드가 소정 광 주파수 대역에서 내부에 전기장 및 자기장 공명을 동시에 발생시키고 증폭하여 인덕턴스-커패시턴스 회로를 형성함으로써 왼손잡이 광 특성을 나타내도록, 상기 금속 나노콜로이드 입자가 하이드로겔 입자의 표면에 회합되어 있는 구조를 형성하고,
상기 무기 산화물 나노코팅층은 왼손잡이 광 특성을 보존하도록 상기 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드의 회합 구조에 고정력을 제공하며, 그리고
상기 나노비드의 직경은 100 내지 1500 nm의 범위에서 정하여지는 나노비드.
spherical hydrogel particles;
a plurality of non-magnetic metal nano-colloidal particles associated with the hydrogel particle surface; and
a light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer formed on the hydrogel particles to which the metal nano-colloidal particles are attached;
A three-dimensional structure of nanobeads having left-handed optical properties comprising
The metal nanocolloidal particles are associated with the surface of the hydrogel particles so that the nanobeads exhibit left-handed optical characteristics by simultaneously generating and amplifying electric and magnetic field resonances therein in a predetermined optical frequency band to form an inductance-capacitance circuit form a structure,
The inorganic oxide nano-coating layer provides a fixing force to the association structure of metal nano-colloids formed on the hydrogel particles to preserve left-handed optical properties, and
Nanobeads having a diameter of the nanobeads are determined in the range of 100 to 1500 nm.
제1항에 있어서, 상기 하이드로겔 입자의 직경(수력학적 직경)은 50 내지 1000 nm 범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 나노비드.According to claim 1, Nanobeads characterized in that the diameter (hydrodynamic diameter) of the hydrogel particles is controlled within the range of 50 to 1000 nm. 제1항에 있어서, 상기 하이드로겔은 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)[poly(N-isopropylacrylamide), pNIPAM], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-알릴아민)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 메타아크릴레이트)[poly(Nisopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate), poly(NIPAM-co-DMAEMA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-2-(디메틸아미노)에틸 아크릴레이트)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid), poly(NIPAM-co-AAc)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-co-메타아크릴산)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid), poly(NIPAM-co-MAAc)], 폴리(N,N-디에틸아크릴아미드)[poly(N,N-diethylacrylamide)], 폴리(N-비닐카프롤락탐)[poly(N-vinlycaprolactam)], 폴리(에틸렌 글리콜)[poly(ethylene glycol)], 폴리(에틸렌 글리콜-b-프로필렌 글리콜-b-에틸렌 글리콜)[poly(ethylene glycol-b-propylene glycol-b-ethylene glycol)]로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 나노비드.The method of claim 1, wherein the hydrogel is poly(N-isopropylacrylamide) [poly(N-isopropylacrylamide), pNIPAM], poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) [poly(N-isopropyl acrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], poly(N-isopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl methacrylate) [poly(Nisopropylacrylamide-co-2-(dimethylamino )ethyl methacrylate), poly(NIPAM-co-DMAEMA)], poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino)ethyl acrylate)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-2-(dimethylamino )ethyl acrylate), poly(NIPAM-co-DMAEA)], poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid)[poly(N-isopropyl acrylamide-co-acrylic acid), poly(NIPAM-co-AAc) ], poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid) [poly(N-isopropyl acrylamide-co-methacrylic acid), poly(NIPAM-co-MAAc)], poly(N,N-diethylacrylamide )[poly(N,N-diethylacrylamide)], poly(N-vinylcaprolactam)[poly(N-vinlycaprolactam)], poly(ethylene glycol)[poly(ethylene glycol)], poly(ethylene glycol-b- Nanobeads, characterized in that at least one selected from the group consisting of propylene glycol-b-ethylene glycol) [poly (ethylene glycol-b-propylene glycol-b-ethylene glycol)]. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노콜로이드 입자의 직경은 1 내지 200 nm 범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobeads of claim 1, wherein the diameter of the metal nano-colloidal particles is controlled within a range of 1 to 200 nm. 제1항에 있어서, 상기 회합 구조 내 금속 나노콜로이드 입자 간 간격은 0.1 내지 20 nm 범위 내에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobead according to claim 1, wherein the distance between the metal nanocolloid particles in the association structure is determined within the range of 0.1 to 20 nm. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노콜로이드 입자의 재질은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobeads of claim 1, wherein the material of the metal nanocolloidal particles is at least one selected from the group consisting of gold, silver, platinum, palladium, copper and aluminum. 제1항에 있어서, 금속 나노콜로이드 입자 : 하이드로겔 입자의 직경 비는 1 : 2 내지 1000의 범위에서 조절되고, 그리고
무기 산화물 나노코팅층의 두께 : 하이드로겔 직경의 비는 1 : 0.5 내지 500의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 나노비드.
The method of claim 1, wherein the metal nanocolloid particle: hydrogel particle diameter ratio is controlled in the range of 1: 2 to 1000, and
The thickness of the inorganic oxide nanocoating layer: the ratio of the hydrogel diameter is 1: nanobeads, characterized in that controlled in the range of 0.5 to 500.
제1항에 있어서, 상기 무기 산화물 나노코팅층의 두께는 1 내지 1000 nm 범위 내에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobeads of claim 1, wherein the thickness of the inorganic oxide nanocoating layer is determined within a range of 1 to 1000 nm. 제1항에 있어서, 상기 무기 산화물 나노코팅층은 실리카, 알루미나, 티타니아 및 산화아연으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobeads of claim 1, wherein the inorganic oxide nano-coating layer is at least one selected from the group consisting of silica, alumina, titania, and zinc oxide. 제1항에 있어서, 상기 소정 광 주파수 대역은 가시광-근적외선 대역에서 선정되는 것을 특징으로 하는 나노비드.The nanobead according to claim 1, wherein the predetermined optical frequency band is selected from the visible light-near infrared band. a) 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물을 제공하는 단계;
b) 상기 단계 a)와 별도로, 구형의 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 제공하는 단계;
c) 상기 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물과 상기 하이드로겔 입자의 수계 분산물을 조절된 온도 조건 하에서 조합하여 상기 하이드로겔 입자 상에 금속 나노콜로이드를 회합시키는 단계; 및
d) 상기 금속 나노콜로이드가 회합된 하이드로겔 입자 상에 무기 산화물 전구체를 이용하여 광 투과성 무기 산화물 나노코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 왼손잡이 광 특성을 갖는 3차원 구조의 나노비드를 제조하는 방법으로서,
상기 나노비드가 소정 광 주파수 대역에서 왼손잡이 광 특성을 나타내어 내부에 전기장 및 자기장 공명을 동시에 발생시키고 증폭하도록, 상기 금속 나노콜로이드 입자가 하이드로겔 입자의 표면에 회합되어 있는 구조를 형성하고,
상기 무기 산화물 나노코팅층은 왼손잡이 광 특성을 보존하도록 상기 하이드로겔 입자 상에 형성된 금속 나노콜로이드의 회합 구조에 고정력을 제공하는 방법.
a) providing an aqueous dispersion of metal nanocolloidal particles;
b) apart from step a), providing an aqueous dispersion of spherical hydrogel particles;
c) combining the aqueous dispersion of the metal nanocolloid particles and the aqueous dispersion of the hydrogel particles under controlled temperature conditions to associate the metal nanocolloid on the hydrogel particles; and
d) forming a light-transmitting inorganic oxide nano-coating layer on the hydrogel particles in which the metal nano-colloids are associated using an inorganic oxide precursor;
A method for producing a three-dimensional structure of nanobeads having left-handed optical properties comprising
Forming a structure in which the metal nanocolloidal particles are associated with the surface of the hydrogel particles so that the nanobeads exhibit left-handed optical characteristics in a predetermined optical frequency band to simultaneously generate and amplify electric and magnetic field resonances therein,
The inorganic oxide nano-coating layer provides a fixing force to the association structure of metal nano-colloids formed on the hydrogel particles to preserve left-handed optical characteristics.
제11항에 있어서, 상기 단계 c)에서 상기 하이드로겔 입자와 상기 금속 나노콜로이드 입자는 정전기적 인력에 의하여 금속 나노콜로이드가 하이드로겔 입자 표면에 부착되어 회합되며, 그리고
상기 하이드로겔 입자의 가역적 팽창 및 수축에 의하여 이의 표면에 회합된 금속 나노콜로이드 입자 간의 회합 구조 및 이에 따른 금속 나노콜로이드 입자 간의 거리 및 밀도가 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 11, wherein in step c), the hydrogel particles and the metal nanocolloid particles are associated with each other by being attached to the surface of the hydrogel particle by electrostatic attraction, and
The method characterized in that the association structure between the metal nano-colloidal particles associated with the surface thereof and the distance and density between the metal nano-colloidal particles are changed accordingly by the reversible expansion and contraction of the hydrogel particles.
제11항에 있어서, 상기 단계 a)의 금속 나노콜로이드 입자의 수계 분산물 및 상기 단계 b)의 구형의 하이드로겔 입자의 수계 분산물 각각의 농도는 0.001 내지 0.3 중량% 및 0.01 내지 10 중량% 범위에서 정하여지는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 11, wherein the concentration of each of the aqueous dispersion of metal nanocolloidal particles of step a) and the aqueous dispersion of spherical hydrogel particles of step b) ranges from 0.001 to 0.3% by weight and from 0.01 to 10% by weight. A method characterized in that determined in. 제12항에 있어서, 상기 하이드로겔 입자의 제타 전위(30℃)는 5 내지 40 mV 범위이고, 상기 금속 나노콜로이드 입자의 제타 전위(30℃)는 -70 내지 -10 mV 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 12, wherein the zeta potential (30 ℃) of the hydrogel particles is in the range of 5 to 40 mV, the zeta potential (30 ℃) of the metal nano-colloidal particles is -70 to -10 mV range, characterized in that method. 제11항에 있어서, 상기 무기 산화물 나노코팅층의 재질은 실리카이고, 이의 전구체는 실란계 화합물로서 MPTMS (mercaptopropyl trimethoxysilane), TEOS(tetraethyl orthosilicate), TMOS(trimethoxy orthosilicate), GPTMS((3-glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane), GOTMS(γ-glycidyloxypropyl trimethoxysilane), APTMOS(aminophenyl trimethoxysilane), APTES(aminopropyl triethoxysilane)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the material of the inorganic oxide nano-coating layer is silica, and the precursor thereof is a silane-based compound, MPTMS (mercaptopropyl trimethoxysilane), TEOS (tetraethyl orthosilicate), TMOS (trimethoxy orthosilicate), GPTMS ((3-glycidoxypropyl)methyldiethoxysilane ), a method characterized in that at least one selected from the group consisting of GOTMS (γ-glycidyloxypropyl trimethoxysilane), APTMOS (aminophenyl trimethoxysilane), and APTES (aminopropyl triethoxysilane).
KR1020210012512A 2020-01-29 2021-01-28 Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same KR102494682B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20200010528 2020-01-29
KR1020200010528 2020-01-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210097052A KR20210097052A (en) 2021-08-06
KR102494682B1 true KR102494682B1 (en) 2023-02-06

Family

ID=77315387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210012512A KR102494682B1 (en) 2020-01-29 2021-01-28 Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102494682B1 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101083006B1 (en) * 2009-03-06 2011-11-15 한국과학기술연구원 Nanoparticle-doped porous bead and fabrication method thereof
KR101432115B1 (en) * 2010-07-15 2014-08-21 한국전자통신연구원 meta material and manufacturing method at the same
KR20140061124A (en) * 2012-11-13 2014-05-21 한국전자통신연구원 Low-loss flexible metamaterial and manufacturing method of the same
KR101568289B1 (en) * 2014-02-04 2015-11-11 이화여자대학교 산학협력단 Core-shell nanostructure and preparing method of the same
KR101910378B1 (en) * 2017-03-31 2018-10-22 한양대학교 산학협력단 Two dimensional hybrid nanopatternd structures through spontaneous self-assembly of plasmonic nanoparticles on a hydrogel colloidal crystal monolayer

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210097052A (en) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sikdar et al. Optically resonant magneto-electric cubic nanoantennas for ultra-directional light scattering
JP5886631B2 (en) Assembly of magnetically tunable photonic crystals in nonpolar solvents
Montaño-Priede et al. Fabrication of monodispersed Au@ SiO2 nanoparticles with highly stable silica layers by ultrasound-assisted stober method
Xi et al. Directed self-assembly of gold nanoparticles into plasmonic chains
Chau et al. Plasmonic effects in composite metal nanostructures for sensing applications
Zhao Bottom-up fabrication methods of optical metamaterials
Zheng et al. Converting plasmonic light scattering to confined light absorption and creating plexcitons by coupling a gold nano-pyramid array onto a silica–gold film
Lalegani et al. Targeted dielectric coating of silver nanoparticles with silica to manipulate optical properties for metasurface applications
JP4961953B2 (en) Porous carbon array and manufacturing method thereof
Chanana et al. Coating matters: the influence of coating materials on the optical properties of gold nanoparticles
KR101968634B1 (en) Method of preparing high refractive nano particle, nano particle prepared by using the method, and photonic crystal device using the nano particle
Mizoshita et al. Versatile antireflection coating for plastics: partial embedding of mesoporous silica nanoparticles onto substrate surface
JP4794294B2 (en) Inorganic oxide structure and method for producing the same
KR102494682B1 (en) Optically Left-handed Nanobeads and Method for Preparing the Same
Alarcon-Fernandez et al. Controlling size and morphology in hybrid core@ shell and core@ shell@ satellite nanostructures for sensing by surface-enhanced Raman scattering
Wang et al. Natural anisotropic nanoparticles with a broad absorption spectrum for solar energy harvesting
Goßler et al. Active Plasmonic Colloid-to-Film-Coupled Cavities for Tailored Light–Matter Interactions
Huang et al. Immobilization of silver nanoparticles on silica microspheres
Mine et al. Synthesis of submicron-sized titania-coated silica particles with a sol-gel method and their application to colloidal photonic crystals
Tong et al. Gold-loaded microspheres via carbosilane–thioether dendrimers as stabilizers and their performance in layer-controllable photonic crystals
Sun et al. Formation of different gold nanocrystal core–resin shell structures through the control of the core assembly and shell polymerization
US20180237957A1 (en) Method for preparing inverse opal colloidal crystal fibers
KR102147804B1 (en) Manufacturing method of carbon doped hollow colloidal particle, carbon doped hollow colloidal particle, solution, structure and film comprising carbon doped hollow colloidal particle
US20210147226A1 (en) Methods for charge-titrating assembly of partially metallized nanoparticles, and metamaterials produced therefrom
Li et al. Photoluminescence modification in 3D-ordered films of fluorescent microspheres

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right