KR20230011750A

KR20230011750A - 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름

Info

Publication number: KR20230011750A
Application number: KR1020210092386A
Authority: KR
Inventors: 이병양; 한동진; 하범길; 이도훈
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2023-01-25

Abstract

본 발명은 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 관한 것으로, (a) 대상체를 열 증착기 내부에 배치시키는 단계와; (b) 상기 열 증착기 내부에 기 설정된 양의 키틴 입자를 주입하는 단계와; (c) 상기 열 증착기 내부를 기 설정된 진공 상태로 전환시키는 단계와; (d) 상기 열 증착기의 열 증착을 통해 상기 대상체 표면에 키틴 입자가 증착되어 구조색 박막이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 실리콘 같은 대상체에 키틴 자체를 박막으로 형성할 수 있다.

Description

키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름{METHOD FOR FORMING STRUCTURAL COLOR FILM USING CHITIN AND COLOR FILM MANUFACTURED BY USING THE SAME}

본 발명은 키틴 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 실리콘 같은 대상체에 키틴 자체를 박막으로 형성할 수 있는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름에 관한 것이다.

자연을 이루는 대부분의 색깔은 물질 고유의 색에 의해 정해지지만, 때로 빛의 회절이나 간섭과 같이 순전히 물리적인 원리에 의해 나타나는 경우도 있다.

이중, 후자의 경우 구조색(Structural Color 또는 Schemochromes)이라고 하는데 오랫동안 과학적 관심사 중의 하나였다. 최근에는 구조색이 페인트, 자동차, 화장품, 섬유산업 등과 같이 시각적인 다양한 분야에서 구조색의 응용이 빠르게 성장하면서 큰 관심을 끌게 되었다.

구조색에 대한 연구가 진전됨에 따라 이러한 구조색들이 놀라울 정도로 미세한 마이크로 구조에 기인한다는 것이 밝혀졌는데, 이들은 초현대적인 나노 기술로 구현하는 것이 쉽지 않은 것이다.

근본적으로 살펴보면, 대부분의 이러한 구조색들은 박막 필름 간섭, 다층구조 간섭, 빛의 산란, 회절격자효과, 선택적 거울, 광자결정, 결정 파이버, 나노채널의 행렬 및 단백질 등으로 나타나며 구조에 따라 달라지는 기본적인 광학적 프로세스에 의한 것이다.

근래에, 이러한 구조색을 구현하기 위한 박막을 형성하는데 키틴(Chitin)을 활용하는 기술이 제안되고 있다. 키틴을 이용한 기존의 박막 제조 방법의 경우, 키틴 자체를 이용하여 대상체의 표면에 박막을 형성할 수 없어, 키틴을 키토산으로 변환시킨 후 나노 입자가 녹아있는 액체, 예를 들어 물을 자연 건조시켜 박막을 형성하는 방법이 사용되었다.

키토산을 이용하는 기존의 방법의 경우, 키토산의 고분자화에 따라 박막으로 건조될 때에 투명하거나, 첨가된 물질에 따라 반투명하지만 색을 띈 박막 형태로 제조된다.

이와 같은 기존의 방법은 구조색 특성이 강한 키틴 자체를 이용하지 않고 키토산을 이용하는 점에서 박막의 구조색 특성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 넓은 면적에 균일한 두께와 원하는 색상, 즉 원하는 두께로 박막을 형성하기 어려운 단점이 있으며, 적색에서 녹색, 청색에 걸쳐 가시광선 영역을 고루 나타내지 못하고, 일부 영역의 색만을 띄는 경우가 많은 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 실리콘 같은 대상체에 키틴 자체를 박막으로 형성할 수 있는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 대상체에 박막을 형성하는데 있어, 넓은 면적에 균일한 두께와 원하는 색상으로 구조색 박막을 형성할 수 있는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 컬러 필름을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 있어서, (a) 대상체를 열 증착기 내부에 배치시키는 단계와; (b) 상기 열 증착기 내부에 기 설정된 양의 키틴 입자를 주입하는 단계와; (c) 상기 열 증착기 내부를 기 설정된 진공 상태로 전환시키는 단계와; (d) 상기 열 증착기의 열 증착을 통해 상기 대상체 표면에 키틴 입자가 증착되어 구조색 박막이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에 기 설정된 예열 시간 동안 상기 열 증착기 내부가 예열되는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 (d) 단계에서의 증착 시간, 또는 상기 (b) 단계 내지 상기 (d) 단계의 반복 횟수에 따라 상기 구조색 박막의 두께가 조절 가능할 수 있다.

그리고, 상기 (d) 단계에서의 열 증착 온도는 200℃ ~ 240℃ 일 수 있다.

또한, 상기 예열 시간은 9분 ~ 11분 일 수 있다.

그리고, 상기 진공 상태는 3.4 × 10^-6~ 3.7×10^-6일 수 있다.

그리고, 상기 대상체는 실리콘일 수 있다.

한편 상기 목적은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기의 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 의해 제조된 구조색 박막이 형성된 컬러 필름에 의해서도 달성된다.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면 열 증착을 통해 키틴 입자로 직접 구조색 박막을 형성할 수 있어, 기존의 방법보다 고품질의 구조색 특성을 갖는 필름의 제조가 가능한 효과가 제공된다.

또한, 열 증착을 통해 구조색 박막을 형성함으로써, 대면적의 박막 형성이 가능할 뿐만 아니라, 균일한 두께와 원하는 색상의 구조색 박막의 형성이 가능한 효과가 제공된다.

또한, 열 증착 과정에서 다양한 패턴의 마스크를 이용하여 원하는 패턴의 구조색 박막의 형성이 가능한 효과가 제공된다.

또한, 고품질의 구조색 특성으로 인해, 나안으로 식별이 가능한 박막 형성이 가능하여 인체에 무해한 센서, 포장지, 색상 도포 등 다양한 분에서의 활용이 가능한 효과가 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법을 통해 제조된 컬러 필름의 성능 평과 결과를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 대상체를 열 증착기 내부에 배치시킨다(S10). 본 발명의 실시예에서는 구조체 박막이 형성될 대상체로 실리콘이 적용되는 것을 예로 하는데, 이외에도, 키틴의 증착을 통해 가스 센서 등의 센서, 포장지 등 다양한 용도로의 사용이 가능한 컬러 필름의 기본 구조체로 적용될 수 있는 다른 재질의 구조체의 적용이 가능할 것이다.

열 증착기 내부에 대상체가 배치되면(S10), 열 증착기 내부로 기 설정된 양의 키틴 입자를 주입한다(S11). 본 발명에서는 키틴 입자를 열 증착기 내부의 70%가 채워지도록 주입하는 것을 예로 하나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 국한되지 않음은 물론이다.

열 증착기 내부로 키틴 입자의 주입이 완료되면(S11), 열 증착기 내부의 예열 공정이 진행된다(S12). 본 발명의 실시예에서는 예열 공정이 기 설정된 예열 시간 동안 진행되는데, 본 발명에서는 예열 시간이 9분 ~ 11분으로 설정되는 것을 예로 한다.

키틴 입자는 유기물로 긴 예열 시간이나 예열 온도 조건으로 예열되는 경우, 열에 의한 손상이 발생될 수 있는 바, 일반적인 금속 물질의 증착보다는 짧은 예열 시간과 예열 온도 조건에서 예열되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 예열 공정이 완료되면, 열 증착기 내부를 기 설정된 진공 상태로 전환시키는 진공 공정이 수행된다(S13). 본 발명에서는 높은 진공 상태, 예를 들어 3.4×10^-6~ 3.7×10^-6의 진공 상태가 유지되도록 열 증착기가 제어되는 것을 예로 한다.

열 증착기 내부를 진공 상태로 유지되는 상태에서, 열 증착기의 열 증착을 통해 대상체의 표면에 키틴 입자가 증착되어, 대상체의 표면에 구조색 박막이 형성된다(S14).

본 발명의 실시예에서는 기 설정된 증착 시간동안 열 증착 과정이 수행되는데(S15), 증착 시간에 따라 구조색 박막의 두께가 조절 가능하게 된다. 또한, S11 단계 내지 S15 단계를 n회 반복 수행하여, 구조색 박막의 두께 조절이 가능하다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 증착 시간의 조절이나, 열 증착의 반복 횟수의 조절을 통해 열 증착을 통해 형성되는 구조색 박막의 두께가 조절 가능하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 열 증착 온도가 200℃ ~ 240℃로 설정되는 것을 예로 한다. 이는, 유기물인 키틴 입자를 고려하여 설정되는 것으로, 이를 통해 키틴 입자가 열에 의해 연소되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 열 증착을 통해 키틴 입자로 직접 구조색 박막을 형성할 수 있어, 기존의 방법보다 고품질의 구조색 특성을 갖는 필름 등의 제조가 가능하게 된다.

또한, 열 증착을 통해 구조색 박막이 형성됨으로써, 대면적의 박막 형성이 가능할 뿐만 아니라, 대상체의 표면에 걸쳐 균일한 두께의 구조색 박막의 형성이 가능하게 된다.

또한, 구조색 박막의 두께 조절이 가능하게 되어, 두께에 따른 다양한 색상의 구조색 박막이 형성된 필름의 제조가 가능하게 된다.

그리고, 고품질의 구조색 특성으로 인해, 나안으로 식별이 가능한 박막 형성이 가능하여 인체에 무해한 센서, 포장지, 색상 도포 등 다양한 분에서의 활용 또한 가능하게 된다.

이하에서는, 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구조색 박막을 형성하는 방법에 의해 제조된 구조색 박막의 특성에 대한 실험 결과를 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구조색 박막을 형성하는 방법에 의해 제조된 구조색 박막의 두께에 따른 색상 구현의 예를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 22.48nm, 80.94nm, 123.9nm, 그리고 172.7nm에 따라 구현되는 구조색 박막의 색상이 달라짐을 확인할 수 있다.

도 3은 UV-Vis-NIR 분광광도계를 통한 실제 측정값과 시뮬레이션 값을 비교한 결과를 나타낸 도면이다. 붉은색, 노란색, 초록색, 파란색 파장 모두에서 본 발명의 실시예에 따른 구조색 박막의 실제 측정값과, 시뮬레이션 값이 파장대별로 동일한 반사율 강도를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

도 4는 X선 회절 측정의 예를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 구조색 박막(Chitin filme)에 대한 X선 회절 측정값과, 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol)을 검측한 가스 센서의 값을 나타낸 것으로, 제조된 구조색 박막(Chitin film)이 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol)을 검측할 수 있는 것을 확인 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 구조색 박막을 이용하여, N2를 긴 유리관 속에 충분한 시간을 두고 흐르게 한 후, 5ppm의 에틸렌 글라이콜을 N2에 믹스하여 같은 량의 가스를 흐르게 하여, 그 속에서 구조색 박막의 색변 현상을 USB 카메라를 통해 관찰하여, RGB로 그래프화한 것이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구조색 박막의 제조 방법을 통해 제조된 구조색 박막의 실제 예를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 마스크를 이용하여 특정 패턴의 구조색 박막의 구현이 가능함을 확인할 수 있다.

이는 도 7에 도시된 바와 같이, 기존의 키토산을 이용하여 제조되는 박막과는 현저하게 차이가 난다는 점을 육안으로도 확인이 가능하다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구조색 박막의 제조 방법을 통해 제조된 컬러 필름이 센서로 적용되었을 때의 예를 나타낸 도면이다. 도 8의 (a)에 도시된 바와 같은 색상을 유지한 상태에서 가스가 검출되면, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 구조색 박막의 색상이 변화되는 것을 시각적으로 확인할 수 있다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

Claims

키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 있어서,
(a) 대상체를 열 증착기 내부에 배치시키는 단계와;
(b) 상기 열 증착기 내부에 기 설정된 양의 키틴 입자를 주입하는 단계와;
(c) 상기 열 증착기 내부를 기 설정된 진공 상태로 전환시키는 단계와;
(d) 상기 열 증착기의 열 증착을 통해 상기 대상체 표면에 키틴 입자가 증착되어 구조색 박막이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에 기 설정된 예열 시간 동안 상기 열 증착기 내부가 예열되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 (d) 단계에서의 증착 시간, 또는 상기 (b) 단계 내지 상기 (d) 단계의 반복 횟수에 따라 상기 구조색 박막의 두께가 조절 가능한 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 (d) 단계에서의 열 증착 온도는 200℃ ~ 240℃ 인 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 예열 시간은 9분 ~ 11분인 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 진공 상태는 3.4×10^-6~ 3.7×10^-6인 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 대상체는 실리콘인 것을 특징으로 하는 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 키틴을 이용한 구조색 박막을 형성하는 방법에 의해 제조된 구조색 박막이 형성된 컬러 필름.