포토닉 크리스탈과 신축성 오가노젤 복합체의 젤형성 중 색 변화 연구

Abstract

사물 인터넷과 데이터 통신 및 처리 기술의 발전으로 인체에 착용하여 즉각적으로 상호작용 하는 웨어러블 디바이스가 많은 주목을 받고 있다. 디바이스의 여러 구성 요소 중 디스플레이는 사용자에게 정보를 제공하는 중요한 역할을 하며, 이에 따라 신체의 움직임에 의한 변형에도 원활히 작동하는 신축성 디스플레이의 중요성이 부각된다. 현재 시중의 디스플레이는 대부분 무기재료로 구성되어 신축성을 가지기 어려우므로 폴리머 등 기계적 변형이 수월한 유기재료를 이용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그 중에서도 젤과 포토닉 크리스탈의 복합재료는 우수한 신축성과 다양한 발색, 이온을 통한 전도성 확보 등으로 다양한 장점을 가진다. 그러나 재료의 특정 색을 구현하는 공정 원리, 반사율 개선을 위한 전략 등 디스플레이로 활용되기 위한 연구가 추가로 필요하다. 따라서 본 연구는 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA)와 Acrylamide (AAm) 단량체, Ethylene glycol 용매로 구성된 오가노젤의 젤형성 중 색 변화에 대하여 그 원리와 활용을 다룬다. 포토닉 크리스탈을 이루는 나노 입자로는 hydroxylated polystyrene을 채택하였으며, 균일하게 쌓인 크리스탈에 젤 용액을 넣고 365nm 자외선을 처리하여 젤형성하는 과정으로 샘플을 제작했다. 해당 공정을 활용하기 위해 필요한 요건은 크게 두 가지로, 첫 째는 젤 용액의 충분한 소수성(hydrophilicity)이다. 극성이 상대적으로 큰 물, AAm 수용액 등은 포토닉 크리스탈 사이로 침투할 수 없었고 이는 각 용액과 아크릴판의 접촉각을 상대적으로 비교하여 규명하였다. 두 번째는 나노 입자와 용액이 상호작용하여 코어-쉘(core-shell) 구조를 형성하는 것이다. 이는 젤 전체가 아닌 입자 주변에서 발생하는 국부적 현상으로 젤형성 중 색 변화의 핵심 원리로 추측된다. 이러한 방법으로 만든 포토닉 크리스탈-오가노젤 복합체는 색 변화 중 비등방적인, 즉 높이 방향만의 간격 변화를 가진다. 따라서 등방적으로 팽창하는 기존의 팽윤(swelling) 기반 색 변화보다 이론적으로 더 높은 반사율을 가지며 이는 Lumerical사의 FDTD solution을 이용한 시뮬레이션으로 확인되었다. 또한 여러 과정을 거쳐야 하는 기존의 포토닉 크리스탈 색 변화 공정과 달리, 특정 부분의 UV 조사 시간만을 조절하여 다양한 색을 낸다는 점에서 본 연구는 큰 이점을 지닌다. 때문에 디지털 모델을 입력하여 정밀하게 빛을 조사할 수 있는 DLP(Digital Light Processing) 방식의 printer로 이러한 장점을 극대화하는 printing 예시를 제작하였다. 이는 신축성 재료에 포토닉 크리스탈을 printing 하는 최초의 사례로서 간단하고 새로운 공정을 제안한다. 따라서 본 연구 결과는 신축성 반사형 디스플레이, 그 중에서도 포토닉 크리스탈과 젤의 복합체에 대하여 경제적이고 다채로운 색을 보장하는 공정과 그 원리, 조건을 입증하였다는 점에서 그 의의가 있다. 다만 나노 입자와 코어-쉘 형성의 조건, 보다 굴절률이 작은 신축성 재료를 이용하여 반사율을 높이는 방법 등에 대해 추가로 연구가 이루어져야 할 것이다.

With the development of the Internet of Things and data communication and processing technology, wearable devices that instantly interact with the human body are receiving so much attention. Among the various components of devices, displays play an important role in providing appropriate information to users, thereby highlighting the importance of flexible displays that work seamlessly with deformation caused by body movements. Currently, most displays on the market are made of inorganic materials, making it difficult to have flexibility, so many attempts are being made to use organic materials that are easier to mechanically modify such as polymers. Among them, the composite materials of gel and photonic crystals have various advantages such as excellent stretchability, various colors, and securing conductivity through ions. However, additional research is needed such as process principles that implement specific colors of materials and strategies to improve reflectivity. Therefore, this study deals with the principle and use of the change in color of organogel composed of 2-hydroxyethyl metacrylate (HEMA) and Acrylamide (AAm) monomer and ethylene glycol solvent. For the nanoparticles that form photonic crystals, hydroxylated polystyrene microbeads were adopted and the gel solution was put into the uniformly stacked crystals. The samples were produced by processing 365 nm ultraviolet rays to gel formation. There are two main requirements for utilizing the process, the first being the sufficient hydrophilicity of the gel solution. Water with relatively large polarity, AAm solution, etc. could not penetrate between photonic crystals, and this was revealed by comparing the angle of contact between each solution and acrylic plate relatively. The second is that nanoparticles and solutions interact to form a core-shell structure. This is a local phenomenon occurring around particles, not the whole gel, and has been identified as a key principle of color change during gel formation. The photonic crystal-organogel complex made in this way has anisotropic, i.e. a variation in height only. Therefore, it has theoretically higher reflectivity than the existing swelling-based color changes that expand isotropically, which was confirmed by simulations using Lumerical Inc.'s FDTD solution. In addition, unlike the traditional photonic crystal color change process, which requires several processes, this study has a great advantage in that it produces a variety of colors by adjusting the UV irradiation time in a certain area. Therefore, an example of printing was produced that maximizes this advantage with DLP-style printers that allow precise light irradiation with digital models. This marks the first time that photonic crystals can be printed with stretchable materials, suggesting a simple and new process. Therefore, the results of this study are meaningful in that they have demonstrated processes, principles and conditions that ensure economical and colorful colors for flexible reflective displays, especially photonic crystals and gel compounds. However, further studies should be conducted on the conditions of nanoparticles and core-shell formation, and how to increase reflectivity using materials with smaller refraction rates.