KR20180132770A - 이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절 - Google Patents

이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절 Download PDF

Info

Publication number
KR20180132770A
KR20180132770A KR1020187031543A KR20187031543A KR20180132770A KR 20180132770 A KR20180132770 A KR 20180132770A KR 1020187031543 A KR1020187031543 A KR 1020187031543A KR 20187031543 A KR20187031543 A KR 20187031543A KR 20180132770 A KR20180132770 A KR 20180132770A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical structure
certain embodiments
optical
ionic species
matrix
Prior art date
Application number
KR1020187031543A
Other languages
English (en)
Inventor
조안나 아이젠버그
타냐 셔먼
일라이저 셔먼
캐서린 리스 필립스
테레사 케이
헤일리 웰란
Original Assignee
프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
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 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 filed Critical 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
Publication of KR20180132770A publication Critical patent/KR20180132770A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39—Photocatalytic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/16—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by features of a layer formed of particles, e.g. chips, powder or granules
    • B01J35/004—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/0081—Composite particulate pigments or fillers, i.e. containing at least two solid phases, except those consisting of coated particles of one compound
    • C09C1/0084—Composite particulate pigments or fillers, i.e. containing at least two solid phases, except those consisting of coated particles of one compound containing titanium dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/0081—Composite particulate pigments or fillers, i.e. containing at least two solid phases, except those consisting of coated particles of one compound
    • C09C1/0084—Composite particulate pigments or fillers, i.e. containing at least two solid phases, except those consisting of coated particles of one compound containing titanium dioxide
    • C09C1/0087—Composite particulate pigments or fillers, i.e. containing at least two solid phases, except those consisting of coated particles of one compound containing titanium dioxide only containing titanium dioxide and silica or silicate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/08—Treatment with low-molecular-weight non-polymer organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/12—Treatment with organosilicon compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B5/00—Single-crystal growth from gels
    • C30B5/02—Single-crystal growth from gels with addition of doping materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/10—Treatment with macromolecular organic compounds
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/101—Nanooptics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/109—Sols, gels, sol-gel materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 광구조체, 그리고 이온 종을 이용하여 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성을 조절하는 방법에 관한 것이다. 광구조체는, 이온 종의 농도 증가가 이용되는 경우, 덜 결정질이다. 특정 실시양태에서, 이온 종은 전이 금속 염이다. 상기 방법은 단결정질, 다결정질 또는 유리질 광구조체의 제조를 가능하게 한다. 상기 방법은 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절을 가능하게 한다. 생성된 광구조체는 센서, 광활성 촉매, 발광체 및 랜덤 레이징을 포함하는 광범위한 적용에 유용하다.

Description

이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절
관련 출원
본 출원은 2016년 3월 31일에 제출된 공동 계류중인 미국 가출원 제62/316,146호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원의 내용은 참고로 인용되어 있다.
저작권 공고
본 출원의 개시내용은 저작권 보호 대상인 자료를 포함할 수 있다. 저작권 소유자는 미국 특허청의 특허 파일 또는 기록에 있는 그대로의, 특허 문서 또는 특허 개시내용 중 어느 하나의 복제물에 대해 이의를 제기하지 않으나, 그 외에는 모든 저작권을 보유한다.
참조 인용
본원에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 공보는, 본원에 기술된 발명의 날짜로 당업자에게 공지된 최신 기술을 보다 충분히 설명하기 위해서 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.
발명의 분야
본 출원은 광구조체(photonic structure)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 출원은 이온 종을 이용하여 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성을 조절하는 것에 관한 것이다.
유색 화학 안료의 사용은 일상 생활에서 매우 흔한 것이며, 전체 가시 스펙트럼 범위의 색을 얻기 위한 주된 방법이다. 그러나, 이러한 유기 안료는 장시간 사용시에 잠재적인 독성을 가질뿐만 아니라 탈색 경향이 있다.
광결정은, 그 시스템의 기하학적 구조에 기인하는 강하고 조정 가능한 색(이른바, 구조색)을 나타내며, 따라서 안료로서 사용하기 위한 잠재적 후보이다.
본 발명은 광구조체, 그리고 이온 종을 이용하여 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성을 조절하는 방법에 관한 것이다.
한 양태에서, 본 발명은, 액체 중에서 콜로이드 입자, 매트릭스 물질 전구체 및 이온 종을 조합하여 혼합물을 형성하는 단계로서, 이온 종은 매트릭스 물질 전구체 중에 분산되거나 가용화되는 것인 단계; 및 상기 혼합물을 고체로 전환시켜, 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 매트릭스 물질을 포함하는 매트릭스를 포함하는 광구조체를 형성시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
특정 실시양태에서, 상기 매트릭스는 상기 이온 종을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 매트릭스는 상기 이온 종의 석출물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 액체는 수성 또는 유기성이다.
특정 실시양태에서, 상기 전환은 가수분해를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 매트릭스 물질 전구체는 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 산화물은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 또는 산화세륨을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 매트릭스 물질 전구체는 가수분해성 화합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 가수분해성 화합물은 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드, 세라믹 콜로이드, 금속 콜로이드, 바이오폴리머 콜로이드, 또는 초분자 자기 조립 콜로이드(supramolecular self-assembled colloid)를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 폴리머 콜로이드는 폴리스티렌 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 0.1∼100 몰%이고, 여기서 몰%는 이온 종과 매트릭스 물질의 반복 분자 단위 간의 분자 비를 나타낸다.
특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 1∼50 몰%이다.
특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 5∼20 몰%이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 단결정질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 상기 이온 종의 농도가 증가함에 따라 덜 결정질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 다결정질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 유리질(glass-like)이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 균열이 없다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 액적 내에 형성된다.
특정 실시양태에서, 액적은 0.1 ㎛ ∼ 10 mm이다.
특정 실시양태에서, 액적은 1 ㎛ ∼ 10 mm이다.
특정 실시양태에서, 액적은 1 ㎛ ∼ 1 mm이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 스펙트럼적으로 변경되거나, 색 포화되거나, 훈색을 띠거나, 또는 조절 가능한 각 의존적 광학 특성을 나타낸다.
특정 실시양태에서, 상기 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 스펙트럼 시프트, 색 이동(color travel), 광채(sparkle), 색상(hue), 휘광(glare), 윤기(gloss) 또는 광택(luster)을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 이온 종은 금속 염이다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 염은 전이 금속 염이다.
특정 실시양태에서, 상기 전이 금속 염은 코발트 염, 니켈 염, 구리 염, 망간 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 전이 금속 염은 질산코발트, 황산니켈, 질산구리, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 염은 마그네슘 염을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 마그네슘 염은 황산마그네슘을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 촉매 작용에 유용하다.
다른 양태에서, 본 발명은 광구조체로서, 제1 성분 및 매트릭스 성분을 포함하고, 상기 매트릭스 성분은 분산되거나 가용화된 이온 종을 포함하는 것인 광구조체에 관한 것이다.
특정 실시양태에서, 상기 제1 성분은 기체이다.
특정 실시양태에서, 상기 제1 성분은 콜로이드 입자이다.
특정 실시양태에서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드, 세라믹 콜로이드, 금속 콜로이드, 바이오폴리머 콜로이드, 또는 초분자 자기 조립 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 폴리머 콜로이드는 폴리스티렌 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 이온 종의 농도는 상기 매트릭스 성분의 0.1∼100 몰%이다.
특정 실시양태에서, 상기 이온 종의 농도는 상기 매트릭스 성분의 1∼50 몰%이다.
특정 실시양태에서, 상기 이온 종의 농도는 상기 매트릭스 성분의 5∼20 몰%이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 단결정질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 다결정질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 유리질이다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 균열이 없다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 스펙트럼적으로 변경되거나, 색 포화되거나, 훈색을 띠거나, 또는 조절 가능한 각 의존적 광학 특성을 나타낸다.
특정 실시양태에서, 상기 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 스펙트럼 시프트, 색 이동, 광채, 색상, 휘광, 윤기 또는 광택을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 매트릭스 성분은 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 추가로 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 산화물은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 또는 산화세륨을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 산화물은 가수분해성 화합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 가수분해성 화합물은 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 이온 종은 금속 염이다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 염은 전이 금속 염이다.
특정 실시양태에서, 상기 전이 금속 염은 코발트 염, 니켈 염, 구리 염, 망간 염, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 전이 금속 염은 질산코발트, 황산니켈, 질산구리, 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 금속 염은 마그네슘 염을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 마그네슘 염은 황산마그네슘을 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 구조 안료(structural pigment), 전자기 필터, 센서, 광활성 촉매, 간섭성 산란 매체, 발광체(light emitter), 랜덤 레이징(random lasing), 또는 다른 광학적 적용, 예컨대 스마트 디스플레이 또는 다른 일렉트로크로믹 재료에 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 화장품, 의약품 및 식품의 제조에 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 약물 전달, 유체 디바이스(fluidic device), 조직 공학, 막, 여과, 수착/탈착, 또는 지지 매체에 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 촉매 매체 또는 지지체로서 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 에너지 저장, 배터리, 또는 연료 전지에 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 음향 장치에 유용하다.
특정 실시양태에서, 상기 광구조체는 패턴화된 구조의 제조에 유용하다.
본 발명의 상기 및 그 외의 목적과 이점은, 첨부된 도면과 관련하여 작성된 다음의 상세한 설명을 고찰할 때 명백해질 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 그 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내고, 도면에서:
도 1a∼1c는 특정 실시양태에 따른, 상이한 광구조체들의 개략도이다.
도 1d는 특정 실시양태에 따른, 2차원 단결정질 육방 격자 및 그의 동경 분포 함수(RDF)의 개략도이다. 격자의 RDF는 격자의 특성 거리에 해당하는 피크의 진행을 포함한다. 처음 다섯 개의 피크를 a∼e로 지정한다. 보다 높은 순서는 부가 숫자로 나타난다. 예를 들어, "a"의 두 번째 순서는 "2a"로서 나타난다.
도 1e∼1g는 특정 실시양태에 따른, 상이한 광구조체들의 개략도이다. 도 1e는, 동일한 크기의 고밀도로 패킹된 구체들의 단결정질(1), 다결정질(2) 및 유리질(3) 구조를 도시한다. 도 1f는 대응하는 푸리에 변환을 도시한다. 도 1g는 개략적 이미지의 분석에 기초하여 생성된 RDF를 도시한다.
도 1h는 특정 실시양태에 따른, 광구조체 공동 조립 방법의 흐름도이다.
도 2A∼2C는 특정 실시양태에 따른, 다양한 크기(즉, 각각 225 nm, 415 nm 및 1060 nm)의 구형 액적 내에 자기 조립된 예시적인 구형 광구조체의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 3A∼3C는 특정 실시양태에 따른, 다양한 크기의 구형 액적들에서 자기 조립된 예시적인 역 구형 광구조체들의 SEM 이미지이다. 제2 물질을 첨가하여 간질 부위를 채움으로써, 무기 매트릭스[예컨대, 실리카(도 3A) 및 티타니아(도 3B)] 및 수용성 폴리(비닐-피롤리돈)으로 이루어진 폴리머 매트릭스(도 3C)를 갖는 역 오팔(inverse opal) 마이크로스피어를 생성하였다.
도 4A∼4F는 특정 실시양태에 따른, 첨가된 질산코발트의 농도가 다양한(0 mM, 0.1 mM 및 0.2 mM) 광자 마이크로스피어의 SEM 이미지이다. 도 4A 및 4B는 0 Mm 농도에 해당하고, 도 4C 및 4D는 0.1 Mm 농도에 해당하며, 도 4E 및 4F는 0.2 Mm 농도에 해당한다.
도 5A∼5C는 특정 실시양태에 따른, Co(NO3)2로 로딩된 역 오팔 분말의 도면이다. 5A는 증가하는 양의 코발트[즉, 0 mM Co(NO3)2, 0.64 mM Co(NO3)2, 및 1.28 mM Co(NO3)2]로 로딩된 역 오팔 분말을 도시하며, 백색 배경 상의 샘플의 가시성 개선으로 나타나는 바와 같이 샘플의 색 포화도가 증가된다. 또한, 5B 및 5C는 투과 전자 현미경법(TEM) 및 주사 투과 전자 현미경-에너지 분산 분광법(STEM-EDS) 원소 조성에 의해, 0.64 mM Co(NO3)2(즉, 코발트는 10 몰%이고, 여기서 여기서 몰%는 최종 고체 매트릭스 중에서 이온 종과 매트릭스 물질의 반복 분자 단위 간의 분자 비를 나타냄)를 함유하는 샘플의 구조적 및 화학적 분석을 도시한다. STEM-EDS는 현미경의 분해능 내에서 코발트, 규소 및 산소가 매트릭스 내에 균일하게 분포되어 있음을 보여주었다.
도 6A∼6C는 특정 실시양태에 따른, Co(NO3)2가 혼입된 역 오팔 분말의 도면이다. 도 6A는 증가하는 양의 코발트(즉, 0 mM Co(NO3)2, 0.64 mM Co(NO3)2, 및 1.28 mM Co(NO3)2)를 함유하는 샘플의 SEM 이미지를 도시한다. 도 6B는 SEM 이미지의 푸리에 변환을 도시한다. 도 6C는 SEM 이미지 분석에 기초하여 산출된 RDF를 도시한다.
도 7A∼7C는 특정 실시양태에 따른, NiSO4, Cu(NO3)2 또는 MgSO4가 혼입된 역 오팔 분말의 도면이다. 도 7A는 0 mM NiSO4, Cu(NO3)2, 또는 MgSO4; 0.64 mM NiSO4; 1.28 mM NiSO4; 0.64 mM Cu(NO3)2; 1.3 mM Cu(NO3)2; 0.64 mM MgSO4, 및 1.3 mM MgSO4를 함유하는 샘플의 SEM 이미지를 도시한다. 도 7B는 SEM 이미지의 푸리에 변환을 도시한다. 도 7C는 SEM 이미지 분석에 기초하여 산출된 RDF를 도시한다.
실리카, 티타니아, 지르코니아 및 알루미나와 같은 물질을 기초로 하는 구조색 안료들은, 그들의 현저한 화학적 안정성, 열 안정성 및 광 안정성, 그리고 그들의 생체 적합성으로 인해 매우 바람직하다. 구조색 안료의 색 특성[예컨대, 훈색의 정도, 광채(sparkle)/광휘(glitter) 효과, 및 페인팅된 표면 또는 체적으로부터의 거시적 스케일의 색 이동)의 양태는, 각 의존도를 조절함으로써 변경할 수 있다. 예를 들어, 색 이동은 광원과 관찰자 사이의 상대 각의 함수로서의 반사된 광의 주파수의 변화이다.
광구조체는 센서, 광활성 촉매 및 발광체를 포함하는, 광이 조작되는 임의의 적용에 유용할 수 있다. 이 적용에서 이용되는 광구조체의 광학 특성에 대한 조절은 중요하며, 종종 무질서가 많은 광결정이 바람직하다. 예를 들어, 광결정 기반의 센서에서 반사광의 각 의존성을 제한하면, 사용자는 시각적 평가를 단순화하고/하거나 상이한 자극에 기인하는 변화와 관련된 평가를 자동화할 수 있다. 마찬가지로, 광촉매는 광 유도 반응을 촉진하기 때문에, 광결정에 광촉매가 포매될 경우, 광결정의 광자 밴드 갭의 각 의존도를 조작하여 광촉매의 광 유도 활성을 증폭시킬 수 있다. 고도로 정렬된 광결정이 사용되는 경우, 응답은 제한된 범위의 각에 대해서만 증폭되는 반면에, 덜 정렬된 광 결정이 사용되는 경우, 응답은 넓은 범위의 각에서 증폭된다. 마찬가지로, 광결정에 있어서 낮은 정렬도의 또 다른 이점은, 구조 내에 더 많은 내부 반사 및 산란이 있기 때문에 광이 광결정 내에서 더 효율적으로 포획된다는 점이다. 이것은 발광체에 사용되는 광구조체에 유용하다.
추가로, 광결정, 특히 덜 정렬된 광결정은 랜덤 레이징과 같은 적용에 유용하다. 예를 들어, 앤더슨 국소화는 랜덤 레이징에서 발생하는 현상으로서, 전자가 비정렬로 인해 금속 구조에 포획되어 금속이 도체에서 절연체로 상 변화되는 것인 현상이다. 마찬가지로, 간섭성 후방 산란은 랜덤 레이징에서 발생하는 현상으로서, 레이저로부터의 광이, 비정렬된 광결정의 수많은 산란 중심으로 인해 반복적으로 산란되는 것인 현상이다.
본 출원은 광구조체, 그리고 이온 종을 이용하여 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성을 조절하는 방법에 관한 것이다. 특정 실시양태에서, 바람직한 이온 종을 혼입함으로써, 광구조체는 그 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성에 영향을 미치는 단결정질, 다결정질, 또는 심지어 유리질의 정렬을 나타낼 수 있다.
본원에서 논하는 바와 같이, 동경 분포 함수(RDF)는, 물질이 단결정질, 다결정질 또는 유리질인지를 확인하는데 이용될 수 있다. RDF는 각 격자 점 주위에 일련의 동심원형 쉘을 그리는 것, 및 각 셸에서 발견된 입자의 밀도를 기준점으로부터의 거리의 함수로서 결정하는 것으로 구성된다. 잘 정렬된 시스템은 도 1d에 도시된 바와 같이 격자 점들 사이의 특성 거리에 해당하는 분해 피크를 가질 것이다. 균일한 구체들의 고밀도로 패킹된 배열의 비정렬도를 증가시키면, 피크의 폭이 넓어지고, 피크들 간의 분해능이 감소하며, 결과적으로 RDF 플롯의 피크 강도가 감소하는 특징을 가질 것이다. 이러한 시스템에서 가장 짧은 특성 거리(예컨대, 구체의 직경)에 해당하는 제1 피크가 항상 존재할 것이다. 단결정질, 다결정질 및 유리질 시스템의 단순화된 모델 및 대응하는 푸리에 변환 및 RDF 분석을 도 1e∼1g에 도시한다. 다양한 모델 및 실험 시스템에 대한 푸리에 변환 및 RDF 결과를 정성적으로 및 정량적으로 비교할 수 있다.
본원에 사용될 때 용어 "단결정질"은 동경 분포 함수를 이용하여 결정될 수 있다. 2차원 육방 격자에서의 특성 거리와 RDF 플롯에서의 상응 피크의 예가 도 1d에 도시되어 있다. 예를 들어, 2차 피크(2a로 표시됨)에는 추가 피크(b로 표시됨)가 수반된다. 이들 두 피크는 대조군 샘플의 RDF 상에서 쉽게 구분할 수 있다. 예를 들어, 도 6C에 도시된 바와 같이, 샘플의 동경 분포 함수에서 제2 주요 피크(610)는 이중선 피크를 나타낼 수 있다.
본원에서 사용될 때, 용어 "유리질"은 동경 분포 함수를 이용하여 결정될 수 있다. 유리질 시스템은 재료의 인접한 입자(또는 공극) 사이의 거리에 해당하는 명확한 피크를 나타내지는 반면에, 보다 먼 거리에 해당하는 피크들은 겹치기 시작하여 불완전하게 해석될 것이다. 일반적으로, 고도로 비정렬된 동경 분포 함수는 거리의 함수로서 피크의 강도의 급속한 감소를 보일 것이고, 5개 이하의 우세 피크를 갖는다. 예를 들어, 도 6C에 도시된 1.28 mM Co(NO3)2 샘플은 4개의 명확하게 식별 가능한 피크(620)를 갖는다.
본원에서 사용될 때, 용어 "다결정질"은 단결정질 구조와 유리질 구조 사이의 물질로서 거동하는 구조를 의미한다. 다결정질 구조는 동경 분포 함수를 이용하여 결정될 수 있다. 다결정질 시스템은 격자 점들 사이의 작은 반복 거리들에 대해 고유한 RDF 피크를 가질 수 있다. 보다 먼 거리에 해당하는 피크들은 도메인 인터페이스에 걸쳐 입자 분리의 차이로 인해 불량하게 해석될 것이다. 도 1g에서 산출된 피크는 다결정질 모델 시스템 및 단결정질 시스템에 있어 유사하게 식별될 수 있다. 그러나 다결정질 피크가 폭이 더 넓고 강도가 더 약하다. 일반적으로, 다결정질 시스템의 RDF는 5개 이상의 지배적인 피크를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 6C에 도시된 0.64 mM Co(NO3)2 샘플은 5개 이상의 피크를 가지며(630 참조), 제2 피크는 대조군 샘플과 비교할 때, 명확하게 해석된 이중선이 아니다.
1. 광구조체
도 1a∼1c는 상이한 광구조체들의 개략도를 도시한다. 예를 들어, 도 1a는 단결정질 광구조체의 개략도를 도시한다. 도 1b는 다결정질 광구조체의 개략도를 도시한다. 도 1c는 유리질 광구조체의 개략도를 도시한다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 단결정질, 다결정질 또는 유리질 정렬로 배열된 콜로이드 입자들을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 매트릭스로 둘러싸일 수 있다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 제거되어, 빈 공극들을 둘러싸는 매트릭스 물질을 남길 수 있다.
특정 실시양태에서, 매트릭스는 이온 종 및/또는 이온 종의 석출물을 더 포함할 수 있다. 이하에 보다 충분히 기술하는 바와 같이, 광구조체의 제조 동안의 이온 종의 홉입은 바람직한 광학 특성 및/또는 구조 안정성을 유도할 수 있다.
일부 예시적인 구조는, 콜로이드 입자가 단결정질, 다결정질 또는 유리질 구조로 배열된 "정 오팔(direct opal)" 구조를 포함한다. 일부 다른 예시적 구조는, 콜로이드 입자가 제거되어 빈 공극을 형성하는 "역 오팔(inverse opal)" 구조를 포함한다. 일부 다른 예시적 구조는 매트릭스 성분뿐만 아니라 콜로이드 입자도 존재하는 "화합물 오팔"을 포함한다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 콜로이드 입자의 자기 조립 구조를 포함한다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 균열이 없는 구조를 보인다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 2 ㎛를 초과하는 균열이 없는 도메인을 보인다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 5 ㎛를 초과하는 균열이 없는 도메인을 보인다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 10 ㎛를 초과하는 균열이 없는 도메인을 보인다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 0.1 mm를 초과하는 균열이 없는 도메인을 보인다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 1 mm를 초과하는 균열이 없는 도메인을 보인다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 다양한 다른 형상들로 배열될 수 있다. 예를 들어, 광구조체는 액적 내에 배열되어 도 2A∼2C 및 도 3A∼3C에 도시된 바와 같은 구형이 될 수 있다. 도 2A∼2C가 몇몇 예시적인 정 오팔 구조(이온 종 없음)를 도시하는 반면에, 도 3A∼3C는 역 오팔 구조(이온 종 없음)를 도시한다. 특정 실시양태에서, 액적 크기는 0.1 ㎛ ∼ 10 mm이다. 특정 실시양태에서, 액적 크기는 1 ㎛ ∼ 10 mm이다. 특정 실시양태에서, 액적 크기는 1 ㎛ ∼ 1 mm이다. 특정 실시양태에서, 액적 크기는 10 ㎛ ∼ 10 mm이다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 청색을 나타내는 역 오팔 광구조체를 포함한다. 이러한 광구조체는, 예를 들어, 금속 염을 함유하는 콜로이드 분산물 및 실리카 졸-겔, 나노-결정질, 또는 혼합된 전구체의 공동 조립을 이용하여, 특정 코발트 또는 구리 화합물을 산화규소 매트릭스 내에 혼입함으로써 형성될 수 있다.
2. 콜로이드 입자
특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 세라믹 콜로이드를 포함한다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 금속 콜로이드를 포함한다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 바이오폴리머 콜로이드를 포함한다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 초분자 자기 조립 콜로이드를 포함한다.
특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 입체적으로 안정화된다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 전하 안정화된다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 입체적으로 안정화되고 전하 안정화된다. 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드이다. 특정 실시양태에서, 폴리머 콜로이드는 PVP-안정화된 마이크로미터 미만의 폴리스티렌 콜로이드 입자이다. 특정 실시양태에서, 폴리머 콜로이드는 PEG-안정화된 마이크로미터 미만의 폴리스티렌 콜로이드 입자이다. 특정 실시양태에서, PEG-안정화된 마이크로미터 미만의 폴리스티렌 콜로이드 입자는 PEG-안정화된 244 nm 폴리스티렌 콜로이드 입자이다.
다수의 상이한 유형의 콜로이드 입자가 이용될 수 있다. 콜로이드는 다양한 물질 또는 물질의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 특정 실시양태에서, 물질은 금속, 예컨대 금, 팔라듐, 백금, 은, 구리, 로듐, 루테늄, 레늄, 티타늄, 오스뮴, 이리듐, 철, 코발트, 니켈 및 이들의 조합이다. 특정 실시양태에서, 물질은 반도체 물질, 예컨대 규소, 게르마늄, 주석, III족 또는 V족 원소로 도핑된 규소, III족 또는 V족 원소로 도핑된 게르마늄, III족 또는 V족 원소로 도핑된 주석, 및 이들의 조합이다. 특정 실시양태에서, 물질은 화학 반응을 위한 촉매를 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 산화물, 예컨대 실리카, 알루미나, 베릴리아, 귀금속 산화물, 백금족 금속 산화물, 티타니아, 지르코니아, 하프니아, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화레늄, 산화탄탈, 산화니오븀, 산화크롬, 산화스칸듐, 이트리아, 산화란탄, 세리아, 희토류 산화물, 산화토륨, 산화우라늄, 및 이들의 조합이다. 특정 실시양태에서, 물질은 금속 황화물, 금속 칼코겐화물, 금속 질화물, 금속 프닉티드, 및 이들의 조합이다. 특정 실시양태에서, 물질은 다양한 금속 유기 프레임워크(MOF), 무기 폴리머(예컨대, 실리콘), 유기 금속 착체, 및 이들의 조합을 포함하는 유기 금속 화합물이다. 특정 실시양태에서, 콜로이드는 폴리머, 천연 물질, 및 이들의 혼합을 포함하는 유기 물질로부터 제조된다. 특정 실시양태에서, 물질은 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 다른 폴리아크릴레이트, 다른 폴리알킬아크릴레이트, 치환 된 폴리알킬아크릴 레이트, 폴리스티렌(PS), 폴리(디비닐벤젠), 폴리(비닐알코올)(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 하이드로겔을 포함하는 폴리머이다. 그 외의 상이한 구성의 폴리머, 예컨대 랜덤 및 블록 코폴리머, 분지상, 성상 및 수지상 폴리머, 및 초분자 폴리머도 이용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 물질은 단백질계 또는 다당류계 물질, 실크 피브로인, 키틴, 셸락, 셀룰로오스, 키토산, 알긴산염, 젤라틴, 및 이들의 혼합물을 포함하는 천연 물질이다.
3. 매트릭스 전구체
특정 실시양태에서, 광구조체의 매트릭스는 매트릭스 전구체로부터 형성된다. 특정 실시양태예에서, 매트릭스 전구체는 세라믹 물질을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 세라믹 물질이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 반도체 물질을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 반도체 물질이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 금속 산화물을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 금속 산화물이다.
특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 알루미나계 성분을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 알루미나계이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 실리카계 성분을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 실리카계이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 테트라에틸오르토실리케이트이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 티타니아계 성분을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 티타니아계이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 지르코니아계 성분을 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 지르코니아계이다.
특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 졸-겔 전구체를 함유한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 졸-겔 전구체이다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체는 예비 가수분해된다. 특정 실시양태에서, 매트릭스 전구체의 예비 가수분해는, 그것을 알코올(예컨대, 메탄올 또는 에탄올), 산(예컨대, 염산) 또는 염기(예컨대, 수산화나트륨), 및 임의로 물과 조합함으로써 수행한다.
특정 실시양태에서, 매트릭스 물질은 나노 결정으로 이루어진다. 특정 실시양태에서, 나노 결정은 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 바나디아, 이트리아, 세리아, 산화철, 산화아연 또는 산화구리 나노 결정이다. 특정 실시양태에서, 나노 결정은 0.5∼50 nm이다. 특정 실시양태에서, 나노 결정은 1∼20 nm이다.
특정 실시양태에서, 매트릭스 물질은 예비 가수분해된 전구체와 나노 결정의 조합으로 이루어진다. 특정 실시양태에서, 예비 가수분해된 전구체는 실리카, 알루미나 또는 티타니아 전구체이다. 특정 실시양태에서, 나노 결정은 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아, 이트리아 또는 세리아 나노 결정이다.
특정 실시양태에서, 매트릭스 물질은 다양한 물질 또는 물질의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 특정 실시양태에서, 물질은 금속, 예컨대 금, 팔라듐, 백금, 은, 구리, 로듐, 루테늄, 레늄, 티타늄, 오스뮴, 이리듐, 철, 코발트, 니켈 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 반도체, 예컨대 규소, 게르마늄, 주석, III족 또는 V족 원소로 도핑된 규소, III족 또는 V족 원소로 도핑된 게르마늄, III족 또는 V족 원소로 도핑된 주석, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 화학 반응을 위한 촉매를 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 산화물, 예컨대 실리카, 알루미나, 베릴리아, 귀금속 산화물, 백금족 금속 산화물, 티타니아, 지르코니아, 하프니아, 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화레늄, 산화탄탈, 산화니오븀, 산화크롬, 산화스칸듐, 이트리아, 산화란탄, 세리아, 희토류 산화물, 산화토륨, 산화우라늄, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 금속 황화물, 금속 칼코겐화물, 금속 질화물, 금속 프닉티드, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 물질은 다양한 금속 유기 프레임워크(MOF), 무기 폴리머(예컨대, 실리콘), 유기 금속 착체, 및 이들의 조합을 포함하는 유기 금속 화합물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 매트릭스는 폴리머, 천연 물질, 및 이들의 혼합을 포함하는 유기 물질로부터 제조된다. 특정 실시양태에서, 물질은 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 다른 폴리아크릴레이트, 다른 폴리알킬아크릴레이트, 치환 된 폴리알킬아크릴 레이트, 폴리스티렌(PS), 폴리(디비닐벤젠), 폴리(비닐알코올)(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 및 하이드로겔을 포함하는 폴리머이다. 그 외의 상이한 구성의 폴리머, 예컨대 랜덤 및 블록 코폴리머, 분지상, 성상 및 수지상 폴리머, 및 초분자 폴리머도 이용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 상기 물질은 단백질계 또는 다당류계 물질, 실크 피브로인, 키틴, 셸락, 셀룰로오스, 키토산, 알긴산염, 젤라틴, 및 이들의 혼합물을 포함하는 천연 물질이다.
4. 이온 종
특정 실시양태에서, 용어 "이온 종"은 양이온 및/또는 음이온 종을 포함한다.
예시적 양이온 종은 Agx +(x=4,3,2,1), Aux +(x=5,3,2,1), Cox+(x=5,4,3,2,1), Crx+(x=6,5,4,3,1), Cux +(x=4,3,2,1), Fex +(x=6,5,4,3,2,1), Mnx +(x=7,6,5,4,3,1), Mox +(x=6,5,4,3,1), Ptx +(x=6,5,4,3,2,1), Wx +(x=6,5,4,3,1), Znx+(x=2,1), 및 다른 금속 양이온, 복합 양이온(무기 및 유기 금속), 오늄 양이온[NR4 +(예컨대 암모늄, 피롤리디늄), 다가 치환을 갖는 오늄 양이온(이미늄, 이미다졸륨 및 피리늄을 포함), 피라졸륨, 티아졸륨, PR4 +(포스포늄), 및 SR3 +(술포늄)을 포함하고, 여기서 R은 예컨대 H, CH3(CH2)n, 또는 아릴일 수 있음], 및 다른 유기 양이온을 포함한다.
예시적 음이온 종은 할라이드(Cl-, Br-, I-, F-), 보레이트(예컨대 BF4 -), 포스페이트(예컨대 PF6 -), 이미드[비스(트리플루오로메틸-술포닐)이미드를 포함], 무기 염 음이온(카르보네이트, 니트레이트, 니트라이드, 설페이트, 설파이트를 포함), 술포네이트(예컨대 알킬술포네이트, 토실레이트, 및 메탄술포네이트), 카르복실레이트, 복합 무기 음이온(예컨대 [Al2Cl2]-), 및 유기 금속 음이온을 포함한다.
특정 실시 양태에서, 이온 종의 원자가 상태는 변화될 수 있으며, 이어서 이는 광구조체의 광학 특성 및/또는 구조 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 원자가 상태는 pH, 농도, 온도, 산화환원제의 존재, 및/또는 배위 종의 존재를 조절함으로써 조절할 수 있다.
특정 실시양태에서, 배위된 리간드의 개수 및 유형은 광구조체의 광학 특성 및/또는 구조 안정성에 영향을 미칠 수 있다.
특정 실시양태에서, 이온 종은 매트릭스 물질 및/또는 매트릭스 전구체에 가용성이다. 특정 실시양태에서, 이온 종은 매트릭스 물질 및/또는 매트릭스 전구체에 분산된다. 특정 실시양태에서, 이온 종은 음이온 종이다. 특정 실시양태에서, 이온 종은 양이온 종이다.
특정 실시양태에서, 이온 종은 금속 염이다. 특정 실시양태에서, 금속 염은 전이 금속 염이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 니켈 염이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 구리 염이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 코발트 염이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 망간 염이다. 특정 실시양태에서, 금속 염은 마그네슘 염이다.
특정 실시양태에서, 반대 이온은 임의의 단순 또는 복합 음이온 종이다. 특정 실시양태에서, 반대 이온은 니트레이트이다. 특정 실시양태에서, 반대 이온은 설페이트이다. 특정 실시양태에서, 반대 이온은 클로라이드이다. 특정 실시양태에서, 반대 이온은 카보네이트이다.
특정 실시양태에서, 이온 종은 알칼리 또는 알칼리 토금속 염(예컨대 LiCl, NaCl, KCl, BeCl2, Be(NO3)2, CaSO4, MgCl2, Mg(NO3)2, MgCO3, MgSO4, CaSO4, Ca(NO3)2, CaCl2, CaCO3, CaSO4)이다.
특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 Co(NO3)2이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 Cu(NO3)2이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 NiSO4이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 MnCl2이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 MnSO4이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 CoCl2이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 Fe(NO3)3이다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염은 CuSO4이다. 특정 실시양태에서, 금속 염은 MgSO4이다.
특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는, 콜로이드(이의 리간드를 포함)가 차지하는 부피보다 작도록, 생성물 중에 생성된 종의 부피에 상응하도록 선택된다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 0 ∼ 3.3 mM이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 0 ∼ 1.3 mM이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 0.64 mM ∼ 3.3 mM이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 0.64 mM ∼ 1.3 mM이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 0.64 mM 초과이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 3.3 mM 미만이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 1.3 mM 미만이다.
특정 실시양태에서, 최종 생성물 중 이온 종의 농도는 0 ∼ 100 몰%이며, 여기서 몰%는, 매트릭스 전구체 성분에 대한, 최종 고체 매트릭스의 최종 생성물 중 총 분자 단위의 분율을 나타낸다(즉, 최종 생성물은 이온 종과 매트릭스 물질의 반복 분자 단위의 조합으로 여겨짐). 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 0 ∼ 50 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 0 ∼ 20 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 0 ∼ 10 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 0.1∼100 몰%이다.. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 1∼50 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 5∼20 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 10 ∼ 100 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 10 ∼ 50 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 10 ∼ 20 몰%이다. 특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 10 몰%이다. 특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 20 몰%이다. 특정 실시양태에서, 이온 종의 농도는, 최종 고체 매트릭스 중 매트릭스 전구체 성분의 반복 분자 단위에 대하여 50 몰%이다. 특정 실시양태에서, 최종 고체 매트릭스 중 이온 종의 농도는 50 ∼ 100 몰%이며, 여기서 몰%는 최종 생성물 중 총 분자 단위의 분율을 나타낸다(즉, 최종 생성물은 이온 종과 매트릭스 물질의 반복 분자 단위의 조합으로 여겨짐).
특정 실시양태에서, 이온 종은 매트릭스에 균일하게 분포될 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 종은 제조 동안에 석출될 수 있고, 석출물로서 광구조체의 매트릭스에 남아있을 수 있다. 석출물의 크기는 나노미터 미만 내지 50 nm 범위일 수 있다. 몇몇 예시적인 석출물은 금속 산화물, 이온 석출물, 금속, 폴리머, 초분자 석출물 및 이들의 혼합물을 포함한다.
특정 실시양태에서, 니켈이 매트릭스에 혼입될 수 있다. 특정 실시양태에서, 망간이 매트릭스에 혼입될 수 있다. 특정 실시양태에서, 코발트가 매트릭스에 혼입될 수 있다. 특정 실시양태에서, 구리가 매트릭스에 혼입될 수 있다. 특정 실시양태에서, 마그네슘이 매트릭스에 혼입될 수 있다.
특정 실시양태에서, 이온 종, 예컨대 전이 금속 염은 촉매성일 수 있다. 특정 실시양태에서, 촉매 성분은 커플링, C-H 활성화, 삽입 반응, 분해, 산화환원 반응, 수소화/탈수소화 및 중합/해중합 반응과 같은 반응을 촉진할 수 있다.
특정 실시양태에서, 전이 금속 염과 같은 매트릭스에 혼입된 이온 종은 매트릭스 및 콜로이드질 어셈블리의 추가의 구조적 및 조성적 변형에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 과정의 예는 콜로이드의 전환 속도 및 정도(예컨대, CO2로의 전환을 통한 콜로이드의 제거), 졸-겔로부터의 매트릭스 전구체의 전환 속도 및 정도, 및 특정 화학 종의 석출을 포함할 수 있다.
5. 추가 성분
특정 실시양태에서, 추가 성분, 예컨대 광대역 흡수제, 선택적 흡수제, 발광 종, 광, 열, 습도, 산소 및/또는 다른 화학물질에 민감한 성분이 광구조체에 포함될 수 있다.
특정 실시 양태에서, 방법은 색 정화 및 포화를 위한 추가 성분을 포함한다. 특정 실시양태에서, 추가 성분은 흡수 성분이다. 특정 실시양태에서, 흡수 성분은 광대역 흡수제이다. 특정 실시양태에서, 흡수 성분은 선택적 흡수제이다. 특정 실시양태에서, 흡수 성분은 매트릭스 및/또는 콜로이드 입자 내에 포함될 수 있다.
6. 광구조체의 제조 방법
특정 실시양태에서, 광구조체의 제조 방법이 도 1h에 도시된다. 도 1h의 110에 도시된 바와 같이, 콜로이드 입자(예컨대, 폴리머 콜로이드), 매트릭스 물질을 위한 전구체(예컨대, 금속 산화물 전구체), 이온 종(예컨대, 매트릭스 물질 또는 매트릭스 물질을 위한 전구체에 가용성인 전이 금속 전구체)이 (예컨대 액체 중에서) 조합되어 혼합물을 형성한다.
도 1d의 120에 도시된 바와 같이, 특정 실시양태에서, 콜로이드 입자의 자기 조립 및 매트릭스 전구체 성분의 고형화는 광구조체의 형성을 유도한다.
특정 실시양태에서, 추가 성분이 110에서 조합된다.
특정 실시양태에서, 액체는 수성 또는 유기성이다. 특정 실시양태에서, 액체는 물이다.
특정 실시양태에서, 광구조체의 제조 방법은 콜로이드 입자(예컨대, 폴리머 콜로이드)와 이온 종(예컨대, 전이 금속 염)을 조합하고, 매트릭스 전구체를 포함하지 않는다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 기재 상에서 자기 조립된다. 특정 실시양태에서, 자기 조립이 일어나는 기재는 편평하거나 만곡될 수 있다. 특정 실시양태에서, 자기 조립을 위한 기재는, 특정 형상의 광구조체의 형성을 용이하게 하는 오목부 및 볼록부와 같은 추가의 지형적인 피처를 포함할 수 있다. 지형적 특징은 마이크로미터 미만 및/또는 보다 큰 치수를 가질 수 있다.
특정 실시앵테에서, 광구조체는 한정된 부피 내에서 자기 조립된다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 액적 내에서 자기 조립된다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 한정된 챔버 내에서 자기 조립되어 벽돌과 같은 형상을 형성한다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 이온 종 및/또는 석출물을 포함하는 매트릭스 물질만을 남기면서 콜로이드 입자를 제거하도록 추가로 가공될 수 있다. 가공 방법은 하소, 용해, 에칭, 증발, 승화, 상 분리, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 콜로이드질 구조 및/또는 이온 종을 함유하지 않는 다른 매트릭스 물질을 남기면서 이온 종을 제거하도록 추가로 가공될 수 있다. 가공 방법은 하소, 용해, 에칭, 증발, 승화, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
대체로, 자기 조립 종들 간의 상호작용의 복잡도는 공동 조립 접근법의 경우에 단계적 접근법에 비해 현저히 높으며, 이는 공동 조립 접근법의 개발을 더욱 어렵게 한다. 공동 조립 접근법과 상용적인 솔루션을 찾는 것의 이점은, 가능한 구조의 범위를 보다 넓히고 합성하는 노력의 양을 줄일 수 있기 때문에 상당히 더 크다.
7. 광구조체의 정렬
특정 실시양태에서, 이온 종의 유형, 양 및/또는 원자가 상태를 조절하는 것은, 콜로이드계 광구조체의 상이한 정렬을 유도할 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 종의 유형, 양 및/또는 원자가 상태는 광구조체의 결정도에 영향을 미칠 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 유형을 변화시키는 것은, 광결정의 정렬을 잘 정렬된 시스템(예컨대, 단결정질)으로부터 비정렬된 시스템(예컨대, 유리질)으로 변화시킬 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 원자가 상태를 변화시키는 것은, 광결정의 정렬을 잘 정렬된 시스템(예컨대, 단결정질)으로부터 비정렬된 시스템(예컨대, 유리질)으로 변화시킬 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 양을 변화시키는 것은, 광결정의 정렬을 잘 정렬된 시스템(예컨대, 단결정질)으로부터 비정렬된 시스템(예컨대, 유리질)으로 변화시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 이온 종의 농도가 증가함에 따라 덜 결정질이다.
특정 실시양태에서, 콜로이드 입자 상의 표면 작용기의 특성(예컨대, 크기, 전하, 극성, 특이적 친화성 및 농도)을 조절하는 것은, 광구조체의 상이한 정렬을 유도할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 단결정질이다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 다결정질이다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 유리질이다.
8. 광학 특성
정렬의 정도를 조절할 수 있도록 하는 것 외에도, 광구조체의 분광 특성(예컨대, 가시적 외관)을 조절할 수 있다.
특정 실시양태에서, 이온 종 및/또는 그의 석출물의 혼입은 상이한 광학 특성을 유도할 수 있다. 예를 들어, 광구조체의 정렬의 변화로 인해, 고도로 훈색을 띠는 색(즉, 단결정질 광구조체) 내지 훈색을 띠지 않는 균일한 색(즉, 유리질 광구조체)을 얻을 수 있다.
특정 실시양태에서, 이온 종은 이온 고유의 부가적 광학 효과, 예컨대 흡광, 발광, 및 이들의 조합을 도입할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 유형을 변화시키는 것은, 광구조체의 광학 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 이온 종을 코발트 염과 같은 흡수성 염으로부터 마그네슘 염과 같은 비흡수성 염으로 변화시키는 것은, 가시광선 흡수 성분을 도입하는 일 없이 정렬/훈색의 변화를 유도한다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 원자가 상태를 변화시키는 것은, 광구조체의 광학 특성을 변화시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염의 산화 상태는 광구조체의 색에 영향을 미친다. 특정 실시양태에서, 동일한 금속(예컨대, 코발트)의 상이한 산화 상태는, 상이한 착색 광구조체(예를 들어, 청색 또는 적색)를 유도할 수 있다. 특정 실시양태에서, 동일한 금속의 상이한 산화 상태는, 광구조체의 정렬이 동일하더라도, 상이한 착색 광구조체를 유도할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 생성물의 결정 구조를 변화시키는 것은, 광구조체의 광학 특성을 변화시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 전이 금속 염의 생성된 산화물의 결정 구조는 광구조체의 색에 영향을 미친다. 특정 실시양태에서, 동일한 금속 산화물(예컨대, 산화코발트)의 상이한 결정 구조는, 상이한 착색 광구조체(예컨대, 청색 또는 녹색빛 회색)를 유도할 수 있다. 특정 실시양태에서, 동일한 금속의 생성물의 상이한 결정 구조는, 광구조체의 정렬이 동일하더라도, 상이한 착색 광구조체를 유도할 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체에 혼입되는 이온 종의 양을 변화시키는 것은, 광구조체의 광학 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 이온 종의 양을 증가시키는 것은, 비정렬의 정도를 크게 하여, 훈색 광학 효과를 줄일 수 있다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 스펙트럼적으로 정화되는데, 즉, 원하지 않는 반사가 선택적으로 감소되면서, 목표 스펙트럼 성분은 덜 변경된다. 예를 들어, 광구조체에 사면체형 코발트 종을 혼입하는 것은, 녹색, 황색 및 적색 산란을 억제하여 보다 순수한 청색 반사율을 남긴다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 색 포화되는데, 즉, 생성된 색 중 백색 성분의 첨가에 기여하는 스펙트럼 부분이 억제된다.
특정 실시양태에서, 광구조체는 스펙트럼적으로 변경된다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 훈색이다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 조절 가능한 각 의존적 광학 특성을 나타낸다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 스펙트럼 시프트를 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 색 이동을 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 광채를 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 색상을 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 휘광을 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 윤기를 포함한다. 특정 실시양태에서, 조절 가능한 각 의존적 광학 특성은 광택을 포함한다.
9. 구조 안정성
특정 실시양태에서, 이온 종의 유형, 양, 산화 상태 및/또는 원자가 상태를 조절하는 것은, 광구조체의 상이한 정렬을 유도할 수 있으며, 이어서 이는 바람직한 구조 안정성의 조절을 유도할 수 있다. 예를 들어, 단결정질 광구조체는 유리질 광구조체에 비해 더 취약한데, 단결정질 구조가 결정면을 따라 균열이 전파되는 경향이 더 크기 때문이다. 대조적으로, 유리질 광구조체는 잘 구획된 분할면을 갖지 않으며, 따라서 균열의 형성에는 추가적인 힘이 필요할 수 있기 때문에, 덜 취약할 수 있다.
특정 실시양태에서, 이온 종의 유형, 양, 산화 상태 및/또는 원자가 상태를 조절하는 것은, 광구조체의 상이한 정렬을 유도할 수 있으며, 이어서 이는 바람직한 온도 안정성 및/또는 용해 특성의 조절을 유도할 수 있다. 예를 들어, 결정질 구조의 용해 동역학은 이방성일 수 있고(즉, 상이한 결정학적 방향을 따라 상이한 속도로 진행됨), 다결정 및 비정질 구조에 비해 상이한 속도로 진행될 수 있다.
10. 적용
특정 실시양태에서, 광구조체는 구조 안료로서 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 센서에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 촉매 작용에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 촉매 지지체에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 광활성 촉매에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 간섭성 산란 매체에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 발광체에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 랜덤 레이징에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 전자기 필터에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 광학적 적용, 예컨대 스마트 디스플레이 또는 다른 일렉트로크로믹 재료에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광학 특성 및/또는 구조 안정성에 대한 조절은, 콜로이드 어셈블리를 화장품, 의약품 및 식품의 제조에 유용하게 한다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 약물 전달에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 유체 디바이스에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 조직 공학에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 막에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 지지체 매체로서 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 여과에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 수착/탈착에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 촉매 매체 또는 지지체로서 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 음향 장치에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 에너지 저장에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 배터리에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 연료 전지에 유용하다. 특정 실시양태에서, 광구조체는 패턴화된 구조의 제조에 유용하다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 범위 내에서 실시양태를 추가로 기술하고 예시한다. 실시예는 설명의 목적으로 제시된 것이며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 그의 다수의 변형이 가능하므로, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1: 다양의 정도의 비정렬을 갖는 광자 마이크로스피어의 형성
조절 가능한 정도의 비정렬을 갖는 실리카 및 티타니아 역 오팔 마이크로스피어를 본원에 개시된 공동 조립 방법에 의해 제조하였으며, 여기서 공동 조립 혼합물은 미세 유체 장치에 의해 생성된 에멀션 액적 내에 한정되었다. 금속 산화물 나노 결정 ∼1 중량%를, PEG, 카르복실레이트 또는 술포네이트 캡핑된 폴리스티렌 구체(200∼700 nm, ∼1.5 중량%)와, 그리고 다양한 농도의 질산코발트와 조합하였다. 첨가된 질산코발트의 농도 증가(왼쪽에서 오른쪽으로 0 mM, 0.1 mM 및 0.2 mM)에 따른 실리카 광자 구체의 대표적인 SEM 이미지를 도 4A∼4F에 도시한다. 위쪽 줄 이미지들의 스케일 바는 5 ㎛에 해당하고, 아래쪽 줄의 스케일 바는 1 ㎛에 해당한다. 도 4A 및 4B는 0 Mm 농도에 해당하고, 도 4C 및 4D는 0.1 Mm 농도에 해당하며, 도 4E 및 4F는 0.2 Mm 농도에 해당한다.
실시예 2: 역 오팔 분말의 형성
테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를, 800 ㎕의 메탄올 및 460 ㎕의 물을 함유하는 혼합물에 1000 ㎕의 TEOS를 첨가하고, 이어서 130 ㎕의 진한 염산을 첨가함으로써 예비 가수분해하였다.
162 ㎕의 PEG-안정화된 244 nm 폴리스티렌 콜로이드(PDI 5%) 및 31.5 ㎕의 예비 가수분해된 TEOS 용액을, 10 mL의 탈이온수를 함유하는 유리 바이알에 첨가하였다. 이어서, 5 ㎕ 또는 10 ㎕의 1.28M 질산코발트(또는 황산니켈, 또는 질산구리) 용액을 첨가하여, 각각 0.64 mM 또는 1.28 mM(규소 함유 분자 단위에 대하여 10 몰% 또는 20 몰%)의 농도를 얻었다.
도 5A∼5C에 도시된 바와 같이, 증가하는 양의 코발트(즉, 0 mM Co(NO3)2, 0.64 mM Co(NO3)2, 및 1.28 mM Co(NO3)2)로 로딩된 역 오팔 분말은 샘플의 색 포화를 증가시켰다. 증가된 색 포화는 백색 배경 상에서의 샘플의 향상된 가시성에 의해 강조된다.
0.64 mM Co(NO3)2를 함유하는 샘플(즉, 코발트는 규소 함유 분자 단위에 대하여 10 몰%임)을, 도 5B 및 5C에서 투과 전자 현미경법(TEM) 및 주사 투과 전자 현미경법-에너지 분산 분광법(STEM-EDS) 원소 조성에 의해 구조적으로 및 화학적으로 분석하였다. STEM-EDS는 코발트, 규소 및 산소가 매트릭스 내에 균일하게 분포되어 있음을 나타내었다.
이온 종, 예컨대 코발트, 니켈, 마그네슘 및 구리의 혼입은, 다양한 정도의 정렬을 나타내는 구조/형태를 유도할 수 있다. 다양한 양의 Co(NO3)2, NiSO4 및 Cu(NO3)2를 함유하는 샘플의 SEM 이미지를 도 6A 및 도 7A에 도시한다. SEM 이미지의 푸리에 변환을 도 6B 및 도 7B에 도시한다. SEM 이미지 분석을 기초로 하여 산출된 동경 분포 함수(RDF)를 도 6C 및 도 7C에 도시한다. RDF의 프로파일은 시스템의 병진 대칭의 특징이다. 긴 진동 RDF는 고도로 정렬된/결정질 어셈블리의 특징인 반면, 정렬도/결정도의 감소는 진동이 제동을 겪는 짧은 거리와 연관성이 있을 것이다.
본원에 제공된 설명 및 실시양태를 검토하면, 당업자는, 본 발명의 본질을 벗어나지 않으면서 본 발명을 실시함에 있어서 변형 및 균등한 대체가 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 상기에 명확히 설명한 실시양태에 의해 한정되는 것으로 이해되지 않는다.

Claims (65)

  1. 액체 중에서 콜로이드 입자, 매트릭스 물질 전구체 및 이온 종을 조합하여 혼합물을 형성하는 단계로서, 이온 종은 매트릭스 물질 전구체 중에 분산되거나 가용화되는 것인 단계; 및
    상기 혼합물을 고체로 전환시켜, 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 매트릭스 물질을 포함하는 매트릭스를 포함하는 광구조체(photonic structure)를 형성시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 상기 이온 종을 포함하는 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 상기 이온 종의 석출물을 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액체는 수성 또는 유기성인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전환은 가수분해를 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 물질 전구체는 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 포함하는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속 산화물은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 또는 산화세륨을 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 매트릭스 물질 전구체는 가수분해성 화합물을 포함하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가수분해성 화합물은 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드, 세라믹 콜로이드, 금속 콜로이드, 바이오폴리머 콜로이드, 또는 초분자 자기 조립 콜로이드(supramolecular self-assembled colloid)를 포함하는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 콜로이드 입자는 폴리머 콜로이드를 포함하는 것인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 폴리머 콜로이드는 폴리스티렌 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 콜로이드를 포함하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 이온 종의 농도가, 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 0.1∼100 몰%이고, 여기서 몰%는 이온 종과 매트릭스 물질의 반복 분자 단위 간의 분자 비를 나타내는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 이온 종의 농도가, 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 1∼50 몰%인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 이온 종의 농도가, 상기 콜로이드 입자를 둘러싸는 상기 매트릭스 물질의 5∼20 몰%인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가 단결정질인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가, 상기 이온 종의 농도가 증가함에 따라 덜 결정질인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광구조체가 다결정질인 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 광구조체가 유리질(glass-like)인 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가 균열이 없는 것인 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가 액적 내에 형성되는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 액적이 0.1 ㎛ ∼ 10 mm인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 액적이 1 ㎛ ∼ 10 mm인 방법.
  24. 제23항에 있어서, 액적이 1 ㎛ ∼ 1 mm인 방법.
  25. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가 스펙트럼적으로 변경되거나, 색 포화되거나, 훈색을 띠거나, 또는 조절 가능한 각 의존적 광학 특성을 나타내는 것인 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 조절 가능한 각 의존적 광학 특성이 스펙트럼 시프트, 색 이동(color travel), 광채(sparkle), 색상(hue), 휘광(glare), 윤기(gloss) 또는 광택(luster)을 포함하는 것인 방법.
  27. 제1항에 있어서, 상기 이온 종이 금속 염인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 금속 염이 전이 금속 염인 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 전이 금속 염이 코발트 염, 니켈 염, 구리 염, 망간 염, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 전이 금속 염이 질산코발트, 황산니켈, 질산구리, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  31. 제27항에 있어서, 상기 금속 염이 마그네슘 염을 포함하는 것인 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 마그네슘 염이 황산마그네슘을 포함하는 것인 방법.
  33. 제1항에 있어서, 상기 광구조체가 촉매 작용에 유용한 것인 방법.
  34. 광구조체로서,
    제1 성분; 및
    매트릭스 성분
    을 포함하고, 상기 매트릭스 성분은 분산되거나 가용화된 이온 종을 포함하는 것인 광구조체.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제1 성분이 기체인 광구조체.
  36. 제34항에 있어서, 상기 제1 성분이 콜로이드 입자인 광구조체.
  37. 제36항에 있어서, 상기 콜로이드 입자가 폴리머 콜로이드, 세라믹 콜로이드, 금속 콜로이드, 바이오폴리머 콜로이드, 또는 초분자 자기 조립 콜로이드를 포함하는 것인 광구조체.
  38. 제36항에 있어서, 상기 콜로이드 입자가 폴리머 콜로이드를 포함하는 것인 광구조체.
  39. 제38항에 있어서, 상기 폴리머 콜로이드가 폴리스티렌 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트) 콜로이드를 포함하는 것인 광구조체.
  40. 제34항에 있어서, 상기 이온 종의 농도가 상기 매트릭스 성분의 0.1∼100 몰%인 광구조체.
  41. 제40항에 있어서, 상기 이온 종의 농도가 상기 매트릭스 성분의 1∼50 몰%인 광구조체.
  42. 제41항에 있어서, 상기 이온 종의 농도가 상기 매트릭스 성분의 5∼20 몰%인 광구조체.
  43. 제34항에 있어서, 단결정질인 광구조체.
  44. 제34항에 있어서, 다결정질인 광구조체.
  45. 제34항에 있어서, 유리질인 광구조체.
  46. 제34항에 있어서, 균열이 없는 광구조체.
  47. 제34항에 있어서, 스펙트럼적으로 변경되거나, 색 포화되거나, 훈색을 띠거나, 또는 조절 가능한 각 의존적 광학 특성을 나타내는 광구조체.
  48. 제47항에 있어서, 상기 조절 가능한 각 의존적 광학 특성이 스펙트럼 시프트, 색 이동, 광채, 색상, 휘광, 윤기 또는 광택을 포함하는 것인 광구조체.
  49. 제34항에 있어서, 상기 매트릭스 성분이 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 포함하는 것인 광구조체.
  50. 제49항에 있어서, 상기 금속 산화물이 산화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄 또는 산화세륨을 포함하는 것인 광구조체.
  51. 제49항에 있어서, 상기 금속 산화물이 가수분해성 화합물을 포함하는 것인 광구조체.
  52. 제51항에 있어서, 상기 가수분해성 화합물이 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 포함하는 것인 광구조체.
  53. 제34항에 있어서, 상기 이온 종이 금속 염인 광구조체.
  54. 제53항에 있어서, 상기 금속 염이 전이 금속 염인 광구조체.
  55. 제54항에 있어서, 상기 전이 금속 염이 코발트 염, 니켈 염, 구리 염, 망간 염, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 광구조체.
  56. 제54항에 있어서, 상기 전이 금속 염이 질산코발트, 황산니켈, 질산구리, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 광구조체.
  57. 제53항에 있어서, 상기 금속 염이 마그네슘 염을 포함하는 것인 광구조체.
  58. 제57항에 있어서, 상기 마그네슘 염이 황산마그네슘을 포함하는 것인 광구조체.
  59. 제34항에 있어서, 구조 안료(structural pigment), 전자기 필터, 센서, 광활성 촉매, 간섭성 산란 매체, 발광체(light emitter), 랜덤 레이징(random lasing), 또는 다른 광학적 적용, 예컨대 스마트 디스플레이 또는 다른 일렉트로크로믹 재료에 유용한 광구조체.
  60. 제34항에 있어서, 화장품, 의약품 및 식품의 제조에 유용한 광구조체.
  61. 제34항에 있어서, 약물 전달, 유체 디바이스(fluidic device), 조직 공학, 막, 여과, 수착/탈착, 또는 지지 매체에 유용한 광구조체.
  62. 제34항에 있어서, 촉매 매체 또는 지지체로서 유용한 광구조체.
  63. 제34항에 있어서, 에너지 저장, 배터리, 또는 연료 전지에 유용한 광구조체.
  64. 제34항에 있어서, 음향 장치에 유용한 광구조체.
  65. 제34항에 있어서, 패턴화된 구조의 제조에 유용한 광구조체.
KR1020187031543A 2016-03-31 2017-03-31 이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절 KR20180132770A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662316146P 2016-03-31 2016-03-31
US62/316,146 2016-03-31
PCT/US2017/025437 WO2017173306A1 (en) 2016-03-31 2017-03-31 Controlling optical properties and structural stability of photonic structures utilizing ionic species

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180132770A true KR20180132770A (ko) 2018-12-12

Family

ID=59966498

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187031543A KR20180132770A (ko) 2016-03-31 2017-03-31 이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20190111657A1 (ko)
EP (1) EP3435989A4 (ko)
JP (1) JP2019517016A (ko)
KR (1) KR20180132770A (ko)
CN (1) CN109069441A (ko)
MX (1) MX2018011758A (ko)
RU (1) RU2737088C2 (ko)
WO (1) WO2017173306A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2917055A1 (en) 2013-06-28 2014-12-31 President And Fellows Of Harvard College High-surface area functional material coated structures
WO2017173439A2 (en) 2016-04-01 2017-10-05 President And Fellows Of Harvard College Formation of high quality titania, alumina and other metal oxide templated materials through coassembly
EP3421097A1 (en) * 2017-06-26 2019-01-02 L'oreal Cosmetic composition comprising an ordered porous material for reducing the visible and/or tactile irregularities of the skin
MX2020002743A (es) 2017-09-11 2020-10-01 Harvard College Microesferas que comprenden nanoesferas polimericas polidispersas y microesferas de oxido de metal poroso.
CN111315566A (zh) 2017-09-11 2020-06-19 哈佛大学 多孔金属氧化物微球
US11052385B2 (en) * 2017-12-06 2021-07-06 Sonata Scientific LLC Photocatalytic surface systems
US11590483B2 (en) 2017-09-29 2023-02-28 President And Fellows Of Harvard College Enhanced catalytic materials with partially embedded catalytic nanoparticles
US20220162457A1 (en) * 2019-03-12 2022-05-26 Basf Coatings Gmbh Automotive coatings with non-spherical photonic structural colorants
US20220145087A1 (en) * 2019-03-12 2022-05-12 Basf Coatings Gmbh Structural colorants with transition metal
JP2022529099A (ja) * 2019-03-12 2022-06-17 ビーエーエスエフ コーティングス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 構造着色剤を調製する方法
WO2020185946A1 (en) * 2019-03-12 2020-09-17 Basf Coatings Gmbh Automotive coatings containing photonic spheres
CN111588541B (zh) * 2020-04-28 2022-06-21 浙江理工大学 一种可循环利用的可视化防伪物理退热贴及其制备方法
CN113504584B (zh) * 2021-07-20 2022-12-06 大连理工大学 多模式可变结构色三维有序结构色膜及其制备方法与应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001281714A (ja) * 2000-01-24 2001-10-10 Minolta Co Ltd 光機能素子及び光集積化素子
US8936683B2 (en) * 2004-02-03 2015-01-20 Robert A. Marshall Synthetic opal and photonic crystal
US7373073B2 (en) * 2004-12-07 2008-05-13 Ulrich Kamp Photonic colloidal crystal columns and their inverse structures for chromatography
US9599891B2 (en) * 2007-11-05 2017-03-21 Trustees Of Tufts College Fabrication of silk fibroin photonic structures by nanocontact imprinting
WO2010027854A1 (en) * 2008-08-26 2010-03-11 President And Fellows Of Harvard College Porous films by a templating co-assembly process
WO2010120109A2 (ko) * 2009-04-14 2010-10-21 서울대학교산학협력단 구조색 생성방법
WO2010126519A1 (en) * 2009-04-30 2010-11-04 Hewlett-Packard Development Company Photonic device and method of making same
EP2735593A1 (en) * 2010-11-29 2014-05-28 President and Fellows of Harvard College Applicator fluid consisting of a dispersion of photonic crystals
US8974993B2 (en) * 2013-01-15 2015-03-10 Xerox Corporation UV red fluorescent EA toner

Also Published As

Publication number Publication date
RU2737088C2 (ru) 2020-11-24
RU2018137678A3 (ko) 2020-06-22
CN109069441A (zh) 2018-12-21
EP3435989A1 (en) 2019-02-06
EP3435989A4 (en) 2019-12-18
JP2019517016A (ja) 2019-06-20
WO2017173306A1 (en) 2017-10-05
RU2018137678A (ru) 2020-04-30
MX2018011758A (es) 2019-06-17
US20190111657A1 (en) 2019-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180132770A (ko) 이온 종을 이용한 광구조체의 광학 특성 및 구조 안정성의 조절
US20220002554A1 (en) Structurally colored materials with spectrally selective absorbing components and methods for making the same
US20220250935A1 (en) Formation of high quality titania, alumina and other metal oxide templated materials through coassembly
Lu et al. Synthesis of calcite single crystals with porous surface by templating of polymer latex particles
Wang et al. Calcite mesocrystals:“Morphing” crystals by a polyelectrolyte
Mayer et al. Investigation of polymer-protected noble metal nanoparticles by transmission electron microscopy: control of particle morphology and shape
Wang et al. Structural coloration pigments based on carbon modified ZnS@ SiO2 nanospheres with low-angle dependence, high color saturation, and enhanced stability
US6187824B1 (en) Zinc oxide sol and method of making
US20190366733A1 (en) A process for isotropic structural colour printing and an apparatus for detecting a target substance in the gaseous phase
JP2019517016A5 (ko)
KR101968634B1 (ko) 고굴절률 나노 입자의 제조 방법, 이에 따라 제조된 나노 입자 및 나노 입자를 이용한 광결정 소자
DE202016008770U1 (de) Hybride Kern-Schale-Mikropartikel umfassend einen Polymerkern und eine Siliziumdioxidschale mit kontrollierter Struktur und Oberfläche
Zhai et al. Inverse Pickering emulsions stabilized by carbon quantum dots: Influencing factors and their application as templates
JP2009057627A (ja) 濃厚ナノ金コロイド液と金微粉体およびその製造方法
Niu et al. Fabrication and photoluminescent properties of ZnO/mesoporous silica composites templated by a chelating surfactant
KR20080042647A (ko) 산화티탄 입자 분산액의 제조방법
Blin et al. Hybrid/porous materials obtained from nano-emulsions
Silva et al. Simple hydrothermal synthesis method for tailoring the physicochemical properties of ZnO: morphology, surface area and polarity
JPH1161209A (ja) 貴金属微粒子の分散体及びその製造方法、並びに分散体を利用した構造体デバイス及びその製造方法
Mao et al. Control of the morphology and optical properties of ZnO nanostructures via hot mixing of reverse micelles
JP2018517792A (ja) 紫外線吸収ナノ結晶含有複合物
CN115108734B (zh) 一种具有溶剂响应可逆变色性能的光子玻璃结构色薄膜、制备方法及用途
Ahemad et al. Investigating the mechanism of uniform Ag@ SiO 2 core-shell nanostructures synthesis by a one-pot sol–gel method
CN108467056A (zh) 一种丝瓜瓤结构CexOy-ZnO复合材料及其制备方法
KR100838254B1 (ko) 은 콜로이드 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application