KR20130135502A - 광결정 구조의 제조방법 - Google Patents

광결정 구조의 제조방법 Download PDF

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허남회
김미현
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서강대학교산학협력단
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Abstract

특정 대상체에 광결정 구조를 형성하기 위한 제조방법은, 광결정을 위한 광반응 입자 용액을 제공하는 단계 및 대상체 상에 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계를 구비하며, 다른 광반응 입자 각각에 따라 광반응 입자 용액의 제공단계 및 결정 구조화 단계를 반복하여, 복합색 발현을 위한 광결정 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

광결정 구조의 제조방법 {METHOD OF FORMING MULTI SCALE STRUCTURE OF PHOTO CRYSTAL}
본 발명은 광자 결정 또는 광결정 구조의 제조에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 광결정의 층 구조를 이용하여 복합색을 표현할 수 있는 광결정 구조의 제조방법에 관한 것이다.
광결정(Photonic Crystal, PC)은 특정 파장의 빛을 반사할 수 있으며, 광결정 연구의 핵심 물성은 완전히 반사시킬 수 있는 빛의 파장 영역인 광 밴드갭이라 할 수 있다. 이 광 밴드갭은 광결정 내부에 배열된 두 물질 사이의 굴절률 차이 또는 물질이 배열된 구조와 격자의 주기에 따라 변화할 수 있다.
광결정이 1차원 배열인 경우, 주기적 구조만을 가지면 특정 광 밴드갭을 얻을 수 있다. 하지만 광결정이 2차원 또는 3차원의 구조인 경우, 각 차원에 맞는 결정 구조를 갖더라도 완전한 광 밴드갭을 구현하기가 매우 까다롭다. 예를 들어 전형적인 오팔(Opal) 구조의 경우, 3차원 광결정 구조임에도 광 밴드갭을 측정해 보면 완전한 광 밴드갭을 보이지 못한다. 즉, 3차원 광결정 구조에서는 모든 방향에 대해 반사율이 100%인 빛의 파장대가 존재하지 않으며, 다만 면심입방체(FCC) 결정에서 실리카가 가장 밀집되게 배열하고 있는 [111]평면에 수직인 [111]방향으로 투과하는 빛에 대해서만 유사 밴드갭을 보일 수 있다. 여기서 유사 밴드갭이란 특정한 방향으로 입사하는 빛에 대해서만 반사성을 보이는 경우 완전히 반사되는 빛의 파장영역대를 의미한다.
위와 같은 오팔 구조에서 불완전한 광 밴드갭 특성을 보완하기 위한 방안 중 하나로, 입자가 면심입방체의 결정격자로 공기의 공동이 매질 속에 배열된 인버스 오팔(Inverse Opal) 구조를 활용하는 것이 있다. 매질이 빛을 흡수하지 않는 전자기 모드가 독립적인 맥스웰(Maxwell) 방정식을 이용하여 전산모사를 하면 모든 방향에 대해 광 밴드갭을 가지는 것을 확인 가능하다.
이와 같은 역전된 오팔 구조가 완전한 3차원 밴드갭을 갖기 위해서는 매질과 공기의 굴절률 비가 최소한 2.8이상이 되어야 하며, 이런 물질은 실제로 가시광 영역에서 빛을 흡수하지 않는 이산화티타늄(TiO2) 등을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘을 매질로 사용하는 경우, 광결정의 반사특성을 측정한 결과 모든 방향으로 특정파장대의 빛을 거의 99%반사시킬 수 있다.
하지만, 역전된 오팔 구조는 가시광 영역에서 3차원 광 밴드갭을 구현할 수 있는 가능성을 갖고 있음에도 불구하고, 오팔의 광 밴드갭은 실제 광학소자로 응용되기에 밴드갭이 충분히 넓지 못하다는 단점이 있다.
보다 넓은 광 밴드갭을 얻기 위한 연구의 결과로 구가 면심입방체의 결정격자구조로 배열된 것보다는 다이아몬드의 탄소원자가 배열된 것과 같이 사면체 구조로 배열되는 경우, 보다 넓은 밴드갭을 갖는 것으로 알려져 있다.
광결정의 격자구조를 다이아몬드 구조로 형성하기 위한 방안 중 하나로 다양한 LiGA(Lithographie, Galvanoformung, Abformung) 기술이 이용될 수 있다. LiGA 기술은 미세가공기술인 식각법에 바탕을 두고 광결정을 제조하는 방법으로, 굴절률을 갖는 유전체의 표면 위에 점원(point circle)들을 삼각형 정렬로 배열하도록 패턴을 만든 후, 각 점원 위에서 3개의 서로 다른 방향으로 X선 리소그래피(deep x-ray lithography)로 구멍을 내어 만든다. 세 개의 X선 빔이 마주치는 부분은 공기의 공동이 크게 형성되고, 이들은 서로 연결되어 있으며, 큰 공동은 다이아몬드에서 탄소원자와 같은 격자위치에 놓이게 된다. 이때, 공동은 정확한 구가 아닌 변형된 다이아몬드 구조로 면심입방체의 실리콘 역전 오팔에 비하여 약 4배 이상 넓은 광 밴드갭을 보일 수 있다.
또 다른 방법으로 LiGA 기술 중 적층법을 이용한 다이아몬드 구조의 광결정 제조 방법이 있다. 빔에 의한 식각이 아닌 층별로 쌓아 가면서 능동적으로 광전자기능을 발현할 수 있는 점 또는 선형공간을 한꺼번에 제조하는 방식으로, 실리콘과 같이 굴절률이 큰 유전체를 식각법을 써서 여러 개의 막대기 모양으로 만들고 일정한 간격으로 막대기를 평면 위에 나란히 배열하여 층층이 4층 구조로 쌓아 다이아몬드 구조를 만들 수 있다. 참고로, 유전체 막대기로 각 층을 쌓을 때마다 열을 가하여 막대기들이 용융상태에서 서로 접합이 되도록 한다. 또한, 일 예로 4층마다 같은 구조가 반복되도록 유전체 막대기를 반복적으로 쌓으면 다이아몬드 구조와 같은 넓은 광 밴드갭을 보일 수 있다. 여기서 밴드갭의 위치와 너비는 막대기의 굵기, 배열주기 및 굴절률에 따라 변화할 수 있다. 따라서 층별로 다른 밴드갭을 갖는 광결정의 제조가 가능하다. 또한 이 제조법은 쉽게 빛이 전파해 갈 수 있는 점 및 선형공간을 설계·제작할 수 있어서 광파 가이드와 같은 광소자의 제조가 상대적으로 용이한 장점이 있다. 그러나 공정이 복잡하고 비싸기 때문에 실용화에 어려움이 있다.
이 외의 LiGA 기술 중 광원으로부터 조사된 빛이 만나서 만드는 간섭무늬를 감광성 고분자 감광물질(Photo Resistor, PR)에 만든 후, 중합되거나 중합되지 않는 부분을 선택적으로 녹여 내어 광결정 구조를 만들 수 있는 식각법이 있다. 4개의 광원으로부터 오는 빛은 면심입방체 구조의 간섭명암무늬를 만들고, 이를 음성 포토레지스트에 투사하면 밝은 무늬부분에서만 감광에 의한 광중합이 일어난다. 현상액으로 감광되지 않은 부분을 제거하면 고분자로 이루어진 오팔 구조의 패턴을 얻을 수 있다. 참고로, 이 고분자 오팔 사이 공간을 굴절률이 큰 실리콘이나 이산화티타늄(TiO2)으로 채운 후 열을 가하여 고분자를 분해·제거하면 실리콘 역전오팔을 얻을 수 있다. 이 방법은 결함이 없는 단결정을 얻을 수 있고, 공정이 간단하여 실용성이 크다.
LiGA 기술 외에는 대표적으로 콜로이드 입자를 활용한 광결정 제조 방법들이 사용될 수 있다. 콜로이드 입자의 침강과 증발을 통한 결정화가 있는데, 매질에 분산된 일정한 크기의 콜로이드 입자를 침강이나 증발을 통해 서서히 결정화시킴으로써 얻을 수 있는 방법이다. 콜로이드 입자는 일반적으로 정전기적 반발력 또는 입자 표면에 흡착된 고분자에 의하여 서로 엉기지 않고 안정화 되어 있으며 브라운 운동으로 무질서하게 운동하고 있다. 크기가 균일한 입자들로 이루어진 콜로이드는 입자의 농도가 증가할수록 무질서한 배열에서 증가하는 엔트로피에 의해 자발적으로 점차 규칙적 결정 구조로 바뀌게 된다. 이때, 입자의 농도가 49%에 이르면 결정화가 일어나며, 55% 일 때 결정화가 완전히 일어난다. 밀집구조를 갖는 2차원 배열을 차곡차곡 쌓는다면, 광결정 구조는 육방밀집구조나 면심입방구조를 가질 수 있다.
본 발명은 공정이 간단하면서도 실용성이 높은 광결정 구조의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 다양한 파장의 빛을 반사시킬 수 있는 광결정 구조를 다양하게 형성할 수 있는 광결정 구조의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 특정 대상체에 광결정 구조를 형성하기 위한 제조방법은, 광결정을 위한 광반응 입자 용액을 제공하는 단계 및 대상체 상에 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계를 구비하며, 다른 광반응 입자 각각에 따라 광반응 입자 용액의 제공단계 및 결정 구조화 단계를 반복하여, 복합색 발현을 위한 광결정 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따르면, 특정 대상체에 멀티 스케일 구조의 광결정을 형성하기 위한 제조방법은, 광결정을 위한 광반응 입자 용액을 제공하는 단계, 대상체 상에 광반응 입자를 선택적으로 고정하기 위해 화학적 결합을 위한 결합 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 결합 패턴을 매개로 대상체 상에 광반응 입자를 결정 구조화(crystal structuring)하는 단계를 구비한다.
다양한 입경을 갖는 다른 광반응 입자에 따라 결합 패턴의 형성단계 및 결정 구조화 단계를 반복하여 단층 또는 다층 구조의 결정 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 단층 또는 다층 구조의 결정 구조를 조합하여 복합색 발현을 할 수 있다.
일 예로, 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계는, 대상체를 광반응 입자가 분산된 용액에 침지하고, 용액에 침지된 대상체를 서서히 리프팅하며, 상기 서서히 리프팅하는 과정에서 용액의 표면층이 증발되면서 광반응 입자가 자기 조립(self assembly)되어 결정 구조화될 수 있다.
여기서, 대상체라 함은 유리 기판, 반도체 기판 등 다양하게 선택될 수 있으며, 대상체의 리프팅 속도는 약 100 nm - 100 ㎛/s 범위에서 조정 가능하다.
광반응 입자와 결합 패턴 간의 화학적 결합을 위해서, 경우에 따라서는 광반응 입자의 외면에 화학적 결합을 위한 화학 쉘을 형성할 수 있다. 예를 들어, 결합 패턴에 카르복실기(-COOH)을 포함하는 물질을 사용하고, 화학 쉘에 아미노기(-NH2)를 포함하는 물질을 사용함으로써, 친수성 결합에 따른 화학적 결합을 형성할 수 있다.
광반응 입자는 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(ㅖㅡ) 또는 실리카 입자 등이 될 수 있으며, 광반응 입자의 크기는 약 200~300nm정도로 형성될 수 있다. 즉, 콜로이드 입자는 단위체를 중합하여 제조된 폴리스타이렌(PS)나 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 고분자 입자, 그리고 무기물 단위체를 중합하여 얻는 실라카 입자를 사용할 수 있다. 일반적으로 고분자 입자가 실리카 입자보다 더 큰 표면 전하를 갖고 있어 입자들이 서로 엉기지 않고 더 안정하므로 콜로이드 결정을 제조하는데 적합할 수 있다.
참고로, 콜로이드 입자를 이용한 광결정 제조 방법으로는 모세관법, 패턴법, 제한공간 이중주형법, 스핀코팅법이 있다. 이 방법들을 간략히 설명하면, 모세관법은 두 기판 사이에 콜로이드 용액을 밀어 넣고 농축시키는 과정을 거쳐 필름 형태의 콜로이드 결정을 제조하는 방법으로, 콜로이드 결정의 두께를 조절하기에 유리하고 제조시간이 짧지만, 대면적에 적용하기 어려운 단점이 있다.
패턴법은 마이크로 채널 안에 콜로이드 용액을 채우고, 서서히 용매가 증발하면서 콜로이드 결정을 형성시키는 방법으로 대면적으로 콜로이드 결정을 형성시키는 경우 발생하는 결함을 상당부분 제거가 가능하다. 또한 일반적으로 면심입방구조가 형성되지만, 주형효과를 더 잘 이용하면 콜로이드 결정의 방향이나 구조까지 바꿀 수 있는 장점이 있다.
제한공간 이중 주형법은 크기가 균일한 광결정구를 효과적으로 제조하기 위한 방법으로, 1단계 주형공정에서 수 마이크로 크기의 속이 빈구를 서로 연결하도록 배열하고, 2단계 주형 공정에서 속이 빈구를 제한공간으로 사용하여 콜로이드 광결정구를 성장시키는 방법이다. 이 제조법은 광결정구를 구성하는 콜로이드 입자의 크기에 따라 선택적으로 서로 다른 파장의 빛을 반사할 수 있는 장점이 있다.
스핀 코팅법은 균일한 실리카 입자를 중합이 가능한 전구체에 분산 시킨 후에 코팅시키는 방법으로, 웨이퍼 전체에 결정 구조가 동일한 콜로이드 결정 필름을 얻을 수 있다. 스핀 속도에 따라 콜로이드 결정의 두께가 쉽게 제어할 수 있고, 마스크를 통한 자외선(UV)의 조사로 패턴화된 콜로이드 결정을 쉽게 제조가 가능하다. 하지만 한 평면에 배열된 육각형구조에서 입자들이 정해진 거리만큼 서로 떨어진 구조로, 이전의 콜로이드 결정과 다르며 여러 다른 성질이 나타날 수 있는 단점이 있다.
본 발명의 광결정 제조방법은 공정이 간단하면서도 실용성이 높은 멀티 스케일 구조를 자유롭게 형성할 수 있다.
본 발명의 광결정 제조방법은 다양한 파장의 빛을 반사시킬 수 있는 광결정 구조를 다양하게 형성할 수 있다. 구체적으로, 층층마다 다른 크기의 광결정 구조를 만들어 내어 복합색을 다양하게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 제조장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 기판의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 표면에 아미노기를 포함하는 화학 쉘이 형성된 광반응 입자를 설명하기 위한 사진이다.
도 5는 리프팅 속도가 다른 경우에 광결정 구조의 반사를 비교하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 2종류 이상의 광반응 입자를 고정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 복합색을 구현하는 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 제조장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 기판의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 광결정 제조장치는 리프팅부(110) 및 광반응 입자가 분산된 용액을 수용하는 용기(140)를 포함한다. 용기(140) 및 리프팅부(110)의 구성 및 형상은 다양하게 변경될 수 있다. 리프팅부(110)의 단부에는 홀더(120)가 제공되며, 홀더(120)에는 광결정을 형성하기 위한 기판(130)이 고정되어 있다.
도 2를 참조하면, 기판(130) 상에는 카르복실기(-COOH)와 같이 친수성 작용기를 갖는 결합패턴(132)이 형성될 수 있다. 결합패턴(132)을 형성하기 위해서 사진식각의 방법이 사용될 수 있으며, 포토레지스트 액을 도포한 후 자외선 등에 노출시켜 결합패턴(132)을 형성할 수가 있다.
도 3을 참조하면, 결합패턴(132)이 형성된 기판(130)을 광반응 입자가 분산된 용액에 침지시키고, 침지된 기판(130) 상에 광반응 입자가 접촉하도록 할 수가 있다.
(i) 용액에 침지된 기판을 서서히 리프팅 시키고, 표면층에서는 용액이 표면장력 등에 의해서 부분적으로 따라 올라오게 된다. 표면층에서는 용액의 증발이 일어날 수 있으며, 상대적으로 용액의 입자 농도가 증가할 수 있다. 이때 용액의 표면이 기판 표면에 낮은 접촉각을 형성하며 리프팅할 수 있다.
(ⅱ) 친수성에 의한 모세관력(capilary force) 및 기판과 입자 사이에 존재하는 반데르발스힘(Van Der Waals Force)에 의해 용액 속의 실리카 입자가 기판 접촉면을 따라 함께 상승하며 접촉면 끝 쪽부터 정렬될 수 있다. 이때 결합패턴(132)과 실리카 입자의 화학적 결합에 의해서 정렬되는 위치가 결정될 수 있다.
(ⅲ) 특정 속도로 기판(130)을 끌어올리는 동시에, 기판(130) 위에 형성된 용액의 표면층에서는 용액이 부분적으로 증발될 수 있다.
(ⅳ) 접촉면 끝 쪽에 모여있던 실리카 입자의 수분 층이 순서적으로 증발되어 실리카 코어가 반데르발스힘(Van Der Waals Force)에 의해 기판(130) 위의 결합패턴(132) 자리에서 붙어 함께 끌어올려질 수 있다.
(ⅴ) 기판(130)이 상승하는 동안 (ⅰ)~(ⅳ)의 현상이 반복되며 실리카 입자가 균일한 구조로 원하는 부위에 코팅될 수 있다.
특히 (ⅰ)~(ⅳ) 과정에서 핵심 변수로 작용하는 온도, 습도, 농도, 리프팅 속도 등을 제어하여 증발속도 및 내부에너지를 조절하면, 코팅 층의 두께(입자의 층수), 균일성 등과 같은 결과 특성을 조절 할 수 있다. 본 발명의 제조방법을 이용하면, 특정 주기 나노 구조를 통한 단색 및 서로 다른 실리카 입자를 이용한 반복적 코팅을 통해 복합색을 제조할 수 있다.
특정 파장의 빛을 보다 선명하게 반사시키기 위하여 상기 기판에 광반응 물질 또는 기타 포토레지스트액으로 코팅한 후, 상기 단계들을 반복할 수가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 표면에 아미노기를 포함하는 화학 쉘이 형성된 광반응 입자를 설명하기 위한 사진이다.
기판(130)은 표면에 친수성 작용기, 예를 들어 카르복실기가 포함된 결합패턴(132)을 포함할 수 있다. 이는 실리카와 같은 광반응 입자가 기판(130)의 표면에 보다 부착이 잘 될 수 있도록 도울 수 이T다. 물론, 결합패턴은 다양하게 제공될 수 있으며, 실리카 외에도 다른 광반응 입자에 따라 다양하게 제공될 수 있다. 물론, 기판(130) 역시 유리 외에도 사파이어, 실리콘, 질화갈륨, 비소화갈륨, 탄화실리콘 또는 산화아연 등을 사용할 수 있다.
광반응 입자는 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 실리카 입자를 이용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서는 실리카 입자를 사용할 수 있다.
기판(130)에 부착하기 위한 광반응 입자의 크기는 약 200~300 nm 인 입자를 사용할 수 있다. 기판에 첫 번째로 부착시키는 입자의 크기를 일정하게 하여 코팅시키는 방법을 이용할 수 있으며, 1차 코팅 시킨 기판에 추가적으로 다른 크기의 입자를 더하여 코팅시킬 수 있다. 이를 통해 각 크기에 따른 특정 파장의 빛이 더해져, 혼합된 색이 형성될 수 있다.
예를 들어, 약 200nm 미만의 광반응 입자를 사용하는 경우 코팅 층이 보라색 이후의 영역인 자외선 영역의 파장을 반사하여 가시광선 영역의 파장 반사를 기대할 수 없으며, 약 300nm 이상의 크기를 사용하는 경우 코팅 층이 적외선 영역의 파장을 반사하여 가시광선 영역의 파장 반사를 기대할 수 없다. 따라서, 200~300nm의 광반응 입자를 사용하는 경우 가시광선 영역의 반사를 기대할 수 있다.
용액에 침지시킨 기판(130)을 다시 리프팅시킬 때, 리프팅 속도를 달리하여 영향을 줄 수 있으며, 기판의 리프팅 속도는 100 nm/s - 100 ㎛/s 범위에서 리프팅 속도를 달리 조절하여 광반응 입자가 코팅시킬 수 있다. 예를 들어, 100 nm/s 미만의 속도에서는 코팅 층의 두께의 증가로 인한 자체 무게의 증가로 코팅 후 균열이 발생할 수 있으며, 가시광선 영역의 파장의 반사율이 감소되는 문제가 있다. 반대로 약 100 ㎛/s 이상의 속도에서는 코팅 층이 균일하게 형성되지 않는 문제가 있다. 도 5를 참조하면, 리프팅 속도가 500nm/s 및 1000nm/s인 각각의 경우에 광결정 구조의 반사를 비교하기 위한 도면이다. 이 때, 상기 코팅은 딥-코팅법을 이용하여 코팅시킬 수 있다.
본 발명에서 코팅에 영향을 줄 수 있는 요소 중에 용액의 농도도 포함될 수 있다. 특히 광반응 입자의 농도는 용액 중 약 50 - 80 중량%의 용액에서 반응시킨다. 50 중량% 미만의 입자의 농도에서는 기판 표면에 충분히 많은 입자가 밀집되지 않아 코팅 층이 균일하게 형성되지 않는 문제가 있으며, 80 중량% 이상의 입자의 농도에서는 기판 표면에 형성되는 수분 층의 높은 입자의 밀도로 인해 코팅 층의 두께 및 표면 균일성을 조절하기가 어려운 문제점이 있다.
상기 광반응 입자를 기판에 코팅시키는 단계에서 용액의 온도를 10 - 50℃로 유지할 수 있다. 참고로, 용액의 온도가 약 10℃미만일 경우 결정화가 충분히 일어나지 못할 수 있으며, 코팅과정 후 일반 상온에서 코팅표면에 균열이 발생할 수 있다. 반대로, 용액의 온도가 약 50℃을 초과할 경우 코팅 층의 이물질 발생률이 증가하고 용액의 내부에너지의 증가로 수분 층의 증발 속도 및 높이가 변화하여 코팅 층의 두께가 균일하지 않는 등의 문제가 있을 수 있다.
주변 습도 역시 약 30 - 80% 범위에서 유지되는 것이 바람직하다. 참고로, 약 30% 미만의 습도에서는 기판의 위에 형성된 수분 층의 증발 속도가 기판이 리프팅되며 입자가 수분 층에 일정하게 정렬되는 속도보다 상대적으로 빨라 코팅 후의 표면이 균일하지 않고 코팅 층의 두께를 조절하기 어려운 문제점이 있으며, 약 80% 이상의 습도에서는 기판의 위에 형성된 수분 층의 증발 속도가 리프팅 속도보다 상대적으로 낮아져 적절한 증발이 일어나지 않아 코팅 후 표면에 얼룩이 발생하며 균일하지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 기판(130)을 광반응 입자가 분산된 용액에 침지시킬 때, 침지 시간은 약 5 분 이상의 시간이 필요하다. 왜냐하면, 약 5분 미만의 시간에서는 기판이 침지된 후 용액내의 입자가 기판 근처에 균일하게 분포되지 않아 코팅 층의 표면이 균일하지 못한 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
상기 기재한 온도, 용액의 농도, 습도, 침지 시간, 용액 내에 침지시킨 기판을 리프팅 시키는 속도는 전부 코팅 층의 두께 및 균일성을 조절하는데 영향을 주는 요소이기는 하지만, 각 코팅 결과는 환경 및 요소에 따라 달라질 수 있으므로, 상황 및 목적으로 하는 코팅 결과에 따른 적합한 보정이 요구될 수 있으며, 상기 수치에 반드시 한정되는 것은 아니다.
기판에 코팅된 실리카 입자층은 입자 크기에 따라 특정 주기적인 나노 격자구조를 형성하며, 이 나노 격자 구조에 수직으로 백광(white light; 가시광선 파장)을 입사시키면 특정 파장을 반사시키는 구조색을 형성한다.
이때, 특정 주기적 나노 격자구조에 따른 이론적 반사 파장은 브래그 법칙(Bragg’s law)에 의해 예상할 수 있다. 실제 반사 파장은 스펙트럼미터(spectrometer)을 통해 측정 가능하며, 이는 이론적 파장과 거의 유사한 값을 나타낸다.
일 예로, 딥 코팅법을 이용하여 유리 기판(130)에 약 280 nm 크기의 실리카 입자를 코팅하였다. 딥 코팅을 이용하기 위한 제조장치는 도 1을 참조할 수 있다. 기판(130)에 코팅된 실리카 입자 층은 약 280nm 입자 크기에 따라 특정 주기적인 나노 격자구조를 형성할 수 있으며, 이 나노 격자 구조에 수직으로 백광(white light source)을 입사시키면, 도 5와 같이, 특정 파장(ex. red)을 반사시키는 구조색을 형성할 수 있다. 코팅 후 자연상태에서 충분히 건조하면 280nm의 입자를 이용해 코팅한 경우 이론적 및 실제적으로 red 파장의 구조색을 표현할 수 있었다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 일단 결합패턴(132)에 1차로 광반응 입자를 고정시킨 후(133), 다른 결합패턴(134)을 추가로 더 형성할 수가 있다. 다른 결합패턴(134)은 먼저 형성된 결합패턴(132)과 이격되거나 겹치도록 형성될 수가 있다. 결합패턴(132, 134)가 전부 또는 일부 겹쳐서 형성되는 경우, 멀티 스케일 구조를 형성할 수 있으며, 다양한 복합색도 구현할 수가 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 복합색을 구현하는 광결정 구조의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
전체 기판 영역을 구간별로 나누어 서로 다른 크기의 입자로 딥 코팅법을 이용하여 코팅하는 과정을 구간별로 반복하면 하나의 기판 위에서 서로 다른 단색 또는 복합색을 갖는 구조색을 표현하도록 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이 실리카 입자 또는 폴리스티렌 입자의 표면에 아미노기와 같은 화학 쉘을 형성할 수도 있지만, 본 실시에에서는 실리카 입자의 외면에 화학 쉘을 형성하지 않고 증발 및 반데르발스힘을 이용하여 결정 구조화를 이룰 수도 있다.
우선 도 8을 참조하면, 약 210 nm 크기의 실리카 입자로 코팅된 기판(A)에 대하여 다시 B의 과정을 통해서 기판의 특정 부위(예를 들어, 기판의 20 ~ 80mm 지점)에 코팅할 수 있다. 이때, 첫 번째 코팅된 영역 일부부터 다시 약 240 nm 크기의 실리카 입자를 코팅하므로 기판의 특정 영역(예를 들어, 기판의 20 ~ 40mm)은 서로 다른 크기의 실리카 입자(210nm와 240nm)가 순서적으로 두 층으로 코팅되며, 나머지 영역(예를 들어, 기판의 40~80mm 지점)에서는 240nm 크기의 입자 만이 한 층으로 코팅시켰다.
코팅 후 자연상태에서 충분히 천천히 건조시키면 약 240nm의 크기의 입자만이 한 층으로 코팅된 영역(40~80mm)에서는 이론적 및 실제적으로 녹색(green)의 파장의 구조색을 표현할 수 있다.
약 240nm의 실리카 입자를 이용하여 기판에 코팅하는 경우, 브래그 법칙(Bragg’s law)를 통해 이론적으로 확인할 수 있는 반사 파장은 약 538.17~551.09이다(도 9 참조). 이에 대한 검증을 위해 측정 장치를 이용하여 실제적 반사 파장을 측정한 결과는 도 9의 오른쪽 파장(wavelength) 그래프에 있는 녹색선(green line)이다. 여기서 녹색선의 피크(peak) 값이 이론적 파장을 잘 따라가는 것을 확인 할 수 있다. 녹색선의 나머지 값들은 백색광의 사용으로 인해 발생한 노이즈(noise)라고 할 수 있다.
서로 다른 크기의 입자(210nm와 240nm)가 순서적으로 두 층으로 코팅되어 있는 부위(20~40mm)는 반사되는 두 파장에 의한 가산혼합으로 청록색의 복합 구조색을 표현할 수 있다.
280nm 크기의 입자를 기판의 특정 부위(60~100mm 지점)에 코팅시킬 수 있다(도 8의 C). 이때, 기판의 60 - 80mm의 영역은 서로 다른 크기의 실리카 입자(240nm와 280nm)가 순서적으로 두 층으로 코팅되며, 나머지 80 - 100 mm영역에서는 280nm 크기의 입자만을 한 층으로 코팅될 수 있다.
코팅 후 자연상태에서 충분히 천천히 건조시키면 280nm의 크기의 입자만이 한 층으로 코팅된 영역(80~100mm)에서는 이론적 및 실제적으로 적색(red)의 파장의 구조색을 표현할 수 있다.
280nm의 실리카 입자를 이용하여 코팅하는 경우, 도 9와 같이 이론적으로 확인할 수 있는 반사 파장은 약 627.86~ 642.94이다. 이에 대한 검증을 위해 실제 반사 파장을 측정한 결과는 도 9의 우측 그래프에 있는 적색선(red line)으로 나타날 수 있다. 그래프에서 적색선(red line)의 피크(peak) 값이 이론적 파장을 잘 따라가는 것을 확인 할 수 있다.
서로 다른 크기의 입자(240nm와 280 nm)가 순서적으로 두 층으로 코팅되어 있는 부위(약 60~80mm)는 반사되는 두 파장에 의한 가산혼합으로 황금색 또는 노란색과 비슷한 복합 구조색을 표현할 수 있다.
결과적으로 기판에 코팅된 실리카 입자 층은 기판의 영역별로 코팅 층의 수 및 사용된 입자 크기에 따라 특정 주기적인 나노 격자구조를 형성하며, 이 나노 격자 구조에 수직으로 백색광을 입사시키면 영역별로 특정 파장을 반사시키는 구조색을 형성한다. 따라서 한 기판에 0~20mm에서는 청색(blue), 20~40mm에서는 청록, 40~60mm에서는 녹색(green), 60~80mm에서는 황금색과 비슷한 황색(yellow), 80~100mm에서는 적색(red)의 파장의 빛을 반사할 수 있도록 단색 및 복합 구조색을 표현하도록 제조 할 수 있다.
도 10은 참조하면, 녹색와 적색을 반사할 수 있는 광반응 입자를 이용하여 다양한 단색 또는 복합색을 반사하는 광결정 구조를 형성할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 리프팅부 120: 홀더
130: 기판 140: 용기

Claims (18)

  1. 대상체 상에 광결정 구조를 제조하는 방법에 있어서,
    광결정을 위한 광반응 입자 용액을 제공하는 단계; 및
    상기 대상체 상에 상기 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계;를 구비하며,
    다른 광반응 입자에 따라 상기 광반응 입자 용액의 제공단계 및 상기 결정 구조화 단계를 반복하여, 복합색 발현을 위한 광결정 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상체 상에 상기 광반응 입자를 선택적으로 고정하기 위해 화학적 결합을 위한 결합 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 결합 패턴을 매개로 상기 대상체 상에 상기 광반응 입자를 결정 구조화하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  3. 대상체 상에 광결정 구조를 제조하는 방법에 있어서,
    대상체 상에 상기 광반응 입자를 선택적으로 고정하기 위해 화학적 결합을 위한 결합 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 결합 패턴을 매개로 상기 대상체 상에 상기 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계;를 구비하는 광결정 구조의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광반응 입자를 결정 구조화하는 단계는,
    상기 대상체를 상기 광반응 입자가 분산된 상기 용액에 침지하는 단계,
    상기 용액에 침지된 상기 대상체를 서서히 리프팅하는 단계, 및
    리프팅과 함께 상기 용액의 표면층을 증발시키면서 상기 광반응 입자를 자기 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 대상체의 리프팅 속도는 100 nm - 100 ㎛/s 범위에서 조정 가능한 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 대상체를 상기 용액에 침지시킬 때, 습도를 30~80%로 유지하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 대상체를 상기 용액에 침지시킬 때, 침지 시간은 5분 이상인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광반응 입자의 외면에 상기 화학적 결합을 위한 화학 쉘을 형성하고,
    상기 화학 쉘과 상기 결합 패턴 간의 화학적 결합을 통해 상기 결정 구조화를 하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 친수성 작용기를 이용하여 상기 결합 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    카르복실기(-COOH)를 이용하여 상기 결합 패턴을 형성하고, 아미노기(-NH2)를 이용하여 상기 화학 쉘을 형성하는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광반응 입자는 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트 또는 실리카 입자인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광반응 입자의 크기는 200~300nm인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  13. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 광반응 입자를 포함하는 상기 용액의 농도는 50~80%인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  14. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 용액의 온도는 10 - 50℃ 인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  15. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 대상체는 유리 기판인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조방법.
  16. 대상체 상에 멀티 스케일 구조의 광결정을 제조하는 장치에 있어서,
    광결정을 위한 광반응 입자 용액을 수용하는 용기; 및
    상기 광반응 입자를 선택적으로 고정하기 위해 화학적 결합을 위한 결합 패턴을 포함하는 대상체를 리프팅하는 리프팅부:를 구비하며,
    상기 리프팅부는 상기 대상체를 서서히 리프팅하며, 상기 용액의 표면층을 증발시키면서 상기 광반응 입자를 자기 조립을 통해 결정 구조화시키는 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 리프팅부는 상기 대상체의 리프팅 속도를 100 nm - 100 ㎛/s 범위에서 조정 가능한 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 광반응 입자는 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타크릴레이트 또는 실리카 입자이며, 상기 광반응 입자의 크기는 200~300nm인 것을 특징으로 하는 광결정 구조의 제조장치.
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