혼합을 통한 블록공중합체 광자결정의 광 밴드갭 조절

국문 초록 (Abstract)

광자결정은 구조의 주기성에 의해 산란된 빛의 간섭으로부터 형성되는 광 밴드갭으로 인해 구조색을 보이는 재료로, 자연계 안에 이미 많이 존재한다. 이러한 광자결정의 광학적 특성은 차세대 디스플레이와 광학 센서와 같은 다양한 응용 분야로의 적용을 위해 활발하게 연구되어 왔다. 자발적으로 다양한 나노 구조를 형성하는 블록공중합체의 열역학적 특성은 간단한 용매숙성 과정만으로도 광자결정을 형성하도록 한다. 하지만, 블록공중합체가 가지는 나노 구조와 주기는 블록의 부피 비율, 총 분자량, 그리고 블록 사이의 상호 인력 계수에 의해 내재적으로 이미 결정된다. 나노 구조 주기 변화 방법은 블록공중합체 광자결정의 광 밴드갭 조절을 위해 반드시 선행되어야 한다. 디스플레이 분야로의 적용을 위해, 가시광 영역의 모든 구조색 구현이 가능한 블록공중합체 광자결정에 대한 연구는 상당히 중요하다. 최근 많은 연구들은 전기적, 자기적, 기계적, 그리고 화학적 자극으로 나노 구조를 변형시켜 광자결정의 광 밴드갭 조절하는 방법을 보고하고 있다.
본 연구에서는 서로 다른 분자량을 가지는 블록공중합체 polystyrene-block-poly(2-vinyl pyridine) (PS-b-P2VP)의 혼합을 통해 광 밴드갭의 조절할 수 있는 광자결정 소자 구조를 제시하였다. 층상구조의 PS-b-P2VP 블록공중합체 박막은 P2VP층의 선택적인 팽윤에 의한 광 밴드갭 특성을 보인다. 서로 다른 분자량을 가지는 블록공중합체의 혼합으로 제작된 광자결정 박막은 혼합 비율에 따라 광 밴드갭의 조절이 가능하다. 혼합 블록공중합체 광자결정은 10배 이하의 분자량 차이를 가지는 모든 블록공중합체에 적용이 가능하다. 스핀 코팅 기법 외에 스프레이 코팅 기법도 광자결정 박막 제조에 이용할 수 있다. 블록공중합체 혼합 용액의 스프레이 코팅으로 제작된 광자결정 박막은 스핀 코팅으로 제작된 광자결정 박막과 같은 현상을 보인다. 뿐만 아니라, 블록공중합체 용액의 순차적인 스프레이 코팅 기법으로도 동일한 광 밴드갭 조절 현상 구현이 가능하다. 이를 통해, 기존의 스핀 코팅 기법의 단점으로 지적되는 광자결정 박막의 국부적인 구조색 패터닝이 가능하다. 블록공중합체 박막의 팽윤을 유발하는 고분자 전해질 층의 코팅으로 액상 유기 용매가 사용되지 않는 광자결정 박막 구현이 가능하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photonic crystal is a material that exhibits structural color due to the photonic bandgap arising
from the periodicity of the structure giving rise to the interference of scattered light. The optical
properties of these photonic crystals have been actively studied for applying in various fields such
as next-generation displays, optical sensors, and etc. The ordered nanostructure of block copolymer
by microphase separation is spontaneously formed. However, the shape and periodicity of nanostructure is intrinsically determined by the volume ratio of the block, the total number of molecular
weights, and Flory-Huggins interaction parameter (χ). Development of the mechanism of tuning
periodicity of nanostructure should take precedence in order to control the photonic bandgap. For
the commercial display application, research on block copolymer photonic crystal capable of all
visible structural colors is of considerable importance. Recent researches show that block copolymer
photonic crystals are accompanied with the facile alteration of the nanostructure using various
external forces and environmental conditions, such as electric, magnetic, mechanical, and chemical
stimuli.
In this study, the photonic crystal that can easily control the photonic bandgap by bleding of
different molecular weights polystyrene-b-poly (2-vinyl pyridine) (PS-b-P2VP) is proposed. The
lamellar PS-b-P2VP block copolymer thin film shows the photonic bandgap caused by the
selectively swelling of the P2VP layer by ethanol. Photonic crystal thin films prepared by blended
block copolymers of different molecular weights can control the photonic bandgap according to the
mixing ratio. Blended block copolymer photonic crystals are applicable to all block copolymers with
molecular weight ratio of ~ 10. In addition to spin coating techniques, spray coating can also be used
to produce photonic crystal films. Photonic crystal thin films prepared by spray coating of blended
block copolymer solution show the same phenomenon as photonic crystal thin films prepared by
spin coating. The sequential spray coating of the each of block copolymer solution can realize the
same photonic bandgap control phenomenon. This allows local structural color patterning of the
photonic crystal thin film, which is a limit of the conventional spin coating technique. Coating of
the polymer electrolyte layer, giving rise to the selectively swelling of P2VP layer of the block
copolymer thin film, makes it possible to fabricate a photonic crystal thin film in which a liquid
organic solvent is not used.