KR101549112B1 - 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및장치 - Google Patents

플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및 장치가 개시된다. 개시된 콜로이드 광결정의 형성방법은, 플렉서블 기판을 원통형 실린더의 외주면에 둘러싸는 단계; 원통형 실린더를 콜로이드 용액이 도포된 평판과 소정 간격을 두고 마련하는 단계; 및 원통형 실린더를 회전시켜 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및 장치{Method and apparatus for forming colloidal photonic crystal}
본 발명은 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
광결정은 수백 나노미터에서 수 마이크로미터의 크기를 가지는 서로 다른 물질이 일정한 주기로 1차원, 2차원 또는 3차원으로 배열되는 구조를 가지고 있다. 이러한 광결정의 제조는 광식각공정(photolithography), MEMS(micro-electro mechanical system) 또는 콜로이드의 자기배열(colloidal self-assembly) 기술 등에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명에서 형성하고자 하는 광결정은 백색광 중 특정 파장을 가지는 가시광을 반사하는 물질로서 다양한 분야에 응용되고 있다. 구체적으로, 상기 콜로이드 광결정은 광학 필터(optical filter)가 요구되는 다양한 시스템에 응용이 가능하다. 예를 들면, 백색광 중에서 적색, 녹색, 청색의 파장에 해당하는 가시광을 반사하는 콜로이드 광결정은 반사형 디스플레이 장치의 컬러 필터로 이용될 수 있다. 이러한 광학적인 응용 이외에도 상기 콜로이드 광결정은 단분산 콜로이드 입자들이 규칙적으로 자기조립된 구조를 가지고 있으므로, 콜로이드 광결정을 구성하는 콜로이드 입자들의 표면에 촉매 물질을 도핑(doping)하는 경우에 상기 콜로이드 입자들은 촉매 담체로 이용될 수 있다. 또한, 상기 콜로이드 광결정은 입사되는 백색광의 파장에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화되므로 관찰자가 보는 각도에 따라 색이 변하는 특성을 가지고 있다. 따라서, 콜로이드 광결정은 손톱이나 얼굴 등을 치장하는데 필요한 화장품 등에도 이용될 수 있다.
종래에는 콜로이드 광결정을 제조하기 위해서 평평한 기판 상에 콜로이드 입자들이 분산된 콜로이드 용액을 도포한 다음, 용매를 증발시킴으로써 콜로이드 입자들을 자발적으로 자기조립시키는 방법이나, 콜로이드 용액에 기판을 담근 다음, 상기 기판을 매우 느린 속도로 잡아당겨 용매를 증발시킴으로써 광결정을 형성하는 딥코팅(dip-coating) 방식이 사용되었다. 그러나, 이러한 방식들은 용매의 증발에 오랜 시간이 걸리며, 대면적으로 구현하기에는 어렵다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 콜로이드 광결정의 형성방법이 미국특허 US 6,797,057에 개시되어 있다. 이 문헌에는 서로 이격된 두 개의 평판사이에 콜로이드 입자들이 농축된 고농도의 콜로이드 용액을 주입한 다음, 상기 두 평판의 상대적인 진동으로 상기 콜로이드 용액에 전단 응력(shear stress)를 가함으로써 콜로이드 입자들을 자기조립하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 콜로이드 용액이 주입되는 두 평판 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위한 스페이서가 필수적으로 요구되며, 또한 콜로이드 광결정의 형성 후 한 평판을 제거하는 과정에서 광결정의 일부가 손상될 염려가 있다.
본 발명은 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 방법 및 장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따르면,
플렉서블 기판을 원통형 실린더의 외주면에 둘러싸는 단계;
상기 원통형 실린더를 콜로이드 용액이 도포된 평판과 소정 간격을 두고 마련하는 단계; 및
상기 원통형 실린더를 회전시켜 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 콜로이드 광결정의 형성방법이 개시된다.
여기서, 상기 콜로이드 광결정은 상기 원통형 실린더의 회전에 의하여 상기 플렉서블 기판과 상기 평판 사이의 콜로이드 용액에 전단 응력(shear stress)을 가함으로써 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 입자들이 부착되어 형성될 수 있다.
상기 플렉서블 기판 상에 형성되는 콜로이드 광결정의 두께는 상기 원통형 실린더와 평판 사이의 간격, 상기 원통형 실린더의 회전 속도 및 상기 원통형 실린더의 회전 시간 중 적어도 하나의 변수에 의하여 조절될 수 있다.
상기 콜로이드 광결정은 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 조밀 육방(hexagonal closed packed) 구조를 가질 수 있다.
상기 플렉서블 기판은 상기 콜로이드 용액이 부착되기 용이하도록 표면처리가 되어 있을 수 있다. 여기서, 상기 플렉서블 기판의 표면처리는 코로나 방전 처리 또는 산소 플라즈마 처리를 포함할 수 있다.
상기 콜로이드 용액 내에 분산된 콜로이드 입자는 세라믹 또는 고분자 라텍스로 이루어질 수 있다.
상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성한 다음, 상기 콜로이드 광결정을 고정시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 콜로이드 광결정의 고정은 UV 처리에 의하여 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 콜로이드 용액 내의 용매는 UV 경화형 모노머를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면,
원통형 실린더;
상기 원통형 실린더의 외주면에 둘러싸인 플렉서블 기판;
상기 원통형 실린더와 소정 간격을 두고 배치되는 것으로, 콜로이드 용액이 도포된 평판;을 구비하여,
상기 원통형 실린더를 회전시킴으로써 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 콜로이드 광결정의 형성장치가 개시된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콜로이드 광결정의 형성 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 플렉서블(flexible) 기판(110)을 준비한다. 여기서, 상기 플렉서블 기판(110)은 예를 들면 플라스틱 필름 등이 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 플렉서블 기판(110)에는 후술하는 공정에서 콜로이드 용액(도 5의 250)이 플렉서블 기판(110) 상에 용이하게 부착될 수 있도록 표면처리가 되어 있을 수 있다. 예를 들면, 콜로이드 용액(250)이 친수성 용매를 포함하는 경우, 상기 플렉서블 기판(110)은 코로나 방전 처리 또는 산소 플라즈마 처리 등을 통하여 그 표면이 친수성 처리가 될 수 있다. 한편, 콜로이드 용액(250)이 소수성 용매를 포함하는 경우에는 상기 플렉서블 기판(110)의 표면은 소수성 처리가 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 소정 반경을 가지는 원통형 실린더(150)를 준비한다. 상기 원통형 실린더(150)는 상기 플렉서블 기판(110)의 길이에 해당하는 크기의 외주면을 가질 수 있다. 그리고, 상기 원통형 실린더(150)의 중심부에는 상기 원통형 실린더(150)를 회전시키기 위한 샤프트(151)가 마련되어 있다. 그리고, 이렇게 준비된 원통형 실린더(150)의 외주면을 도 2에 도시된 바와 같이 상기 플렉서블 기판(110)으로 둘러싸게 된다.
도 3을 참조하면, 콜로이드 용액(250)이 소정 두께로 도포된 평판(210)을 준비한다. 여기서, 상기 평판(210)은 유리 기판 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 콜로이드 용액(250)은 소정 용매 내에 콜로이드 입자들(255)이 분산 된 용액으로서, 본 실시예에서는 상기 콜로이드 입자들(255)이 농축된 비교적 높은 농도의 콜로이드 용액(250)이 사용될 수 있다. 상기 콜로이드 입자들(255)은 예를 들면, 세라믹 또는 고분자 라텍스 등으로 이루어질 수 있다. 상기 세라믹은 실리카, 타이타니아, 지르코니아 또는 알루미나 등이 될 수 있으며, 상기 고분자 라텍스는 폴리스타이렌(PS; polystyrene) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA; ploymethymethacrylate) 등이 될 수 있다. 이상에서 언급된 물질은 단지 예시적인 것으로, 본 발명에서 상기 콜로이드 입자들(255)은 전술한 물질 이외에 다른 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 콜로이드 용액(250) 내의 용매는 전술한 플렉서블 기판(110)의 표면 성질에 따라 소수성 또는 친수성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 용매는 예를 들면, UV 경화형 모노머를 포함할 수 있다. 이러한 UV 경화형 모노머로 이루어진 용매는 후술하는 바와 같이 콜로이드 광결정(도 5의 260)의 형성 공정에서 플렉서블 기판(110) 상에 콜로이드 광결정(260)을 고정시키는 역할을 할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 플렉서블 기판(110)으로 둘러싸인 원통형 실린더(150)는 콜로이드 용액(250)이 도포된 평판(210)과 소정 간격으로 이격되게 설치된다. 여기서, 상기 원통형 실린더(150)는 평판(210) 사이와의 간격이 평판(210) 상에 도포된 콜로이드 용액(250)의 두께 보다 작도록 설치될 수 있다. 이와 같이, 원통형 실린더(150)가 설치된 상태에서 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 원통형 실린더(150)를 샤프트(151)를 중심으로 소정 각속도로 회전시킨다. 도 5는 콜로이드 용액(250)이 도포된 평판(210)의 상부에서 플렉서블 기판(110)으로 둘러싸인 원통형 실린더(150)가 회전하는 모습을 보여주는 단면도이다. 도 5에서 참조부호 ω는 원통형 실린더(150)의 회전 각속도를 나타낸다. 그리고, R'는 원통형 실린더(150)의 중심으로부터 평판(210) 까지의 거리를 나타내고, R은 원통형 실린더(150)의 반경과 플렉서블 기판(110)의 두께의 합을 나타낸다.
이와 같이, 콜로이드 용액(250)이 도포된 평판(210)의 상부에서 플렉서블 기판(110)으로 둘러싸인 원통형 실린더(150)가 회전하게 되면, 상기 원통형 실린더(150)의 회전에 의하여 원통형 실린더(150)와 평판(210) 사이에 있는 콜로이드 용액(250)에 전단 응력(shear stress)가 가해진다. 그리고, 이러한 전단 응력이 콜로이드 용액(250)에 가해지면, 원통형 실린더(150)와 평판(210) 사이에 있는 콜로이드 용액(250) 내에서 콜로이드 입자들(255)이 소정 형태로 규칙적으로 배열되게 된다. 이어서, 이렇게 규칙적으로 배열되는 콜로이드 입자들(255)을 포함한 콜로이드 용액(250)이 회전하는 원통형 실린더(150)의 외주면을 둘러싸는 플렉서블 기판(110) 상에 달라붙게 된다. 이때, 전술한 바와 같이 콜로이드 용액(250) 내의 용매 성질에 따라 플렉서블 기판(110)의 표면이 친수성 처리 또는 소수성 처리가 되어 있다면 콜로이드 용액(250)이 보다 효과적으로 플렉서블 기판(110) 상에 부착될 수 있다. 이에 따라, 상기 플렉서블 기판(110) 상에는 콜로이드 입자들(255)이 소정 형태로 규칙적으로 배열된 콜로이드 광결정(260)이 소정 두께로 형성될 수 있다. 이러한 콜로이드 광결정(260)은 면심 입방(face centered cubic) 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이외에도 상기 콜로이드 광결정(260)은 조밀 육방(hexagonal closed packed) 구조를 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 플렉서블 기판(110) 상에 형성되는 콜로이드 광결정(260)의 두께는 원통형 실린더(150)와 평판(210) 사이의 거리(보다 정확하게는, 원통형 실린더(150) 중심과 평판(210) 사이의 거리(R')-원통형 실린더(150) 반경과 플렉서블 기판(110)의 두께의 합(R)), 원통형 실린더(150)의 회전 각속도(ω) 및 원통형 실린더(150)의 회전 시간 중 적어도 하나의 변수에 의하여 조절될 수 있다.
마지막으로, 도 6을 참조하면, 콜로이드 광결정(260)이 형성된 플렉서블 기판(110)을 원통형 실린더(150)의 표면으로부터 떼어낸다. 한편, 상기 플렉서블 기판(110) 상에 콜로이드 광결정(260)을 형성한 다음, 상기 콜로이드 광결정(260)을 플렉서블 기판(110) 상에 고정시키는 공정이 더 수행될 수 있다. 예를 들면, 콜로이드 용액(250) 내의 용매가 UV 경화형 모노머를 포함하는 경우, 플렉서블 기판(110)상에 콜로이드 광결정(260)을 형성한 다음 이를 UV 처리하게 되면 상기 콜로이드 입자들(255) 사이의 용매가 경화됨으로써 콜로이드 광결정(260)이 플렉서블 기판(110) 상에 고정될 수 있다. 한편, 본 실시예에서 평판(210) 상에 소정 형태, 예를 들면 단차 또는 문양 등과 같은 미세 패턴(미도시)이 형성되어 있는 경우에는 이러한 패턴에 대응되는 형상이 콜로이드 광결정(260)에 형성될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플렉서블 기판(110)으로 둘러싸인 원통형 실린더(150)를 회전시켜 원통형 실린더(150)와 평판(210) 사이의 콜로이드 용액(250)에 전단 응력을 가함으로써 플렉서블 기판(110) 상에 콜로이드 결정(260)을 형성하므로, 비교적 간단한 장치 및 공정으로 플렉서블 기판(110) 상에 콜로이드 결정(260)을 형성할 수 있다. 또한, 대면적의 콜로이드 광결정도 플렉서블 기판(110) 상에 용이하게 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광결정 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 플렉서블 기판 150... 원통형 실린더
151... 회전축 210... 평판
250... 콜로이드 용액 255... 콜로이드 입자
260... 콜로이드 광결정

Claims (16)

  1. 플렉서블 기판을 원통형 실린더의 외주면에 둘러싸는 단계;
    상기 원통형 실린더에 대면하는 평판에 콜로이드 용액을 도포하는 단계;
    상기 원통형 실린더를 콜로이드 용액이 도포된 평판과 소정 간격을 두고 마련하는 단계; 및
    상기 콜로이드 용액이 도포된 평판 위에서 상기 원통형 실린더를 회전시켜 상기 플렉서블 기판과 상기 평판 사이의 콜로이드 용액에 전단 응력(shear stress)을 가함으로써 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 입자들이 부착되게 하여, 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판 상에 형성되는 콜로이드 광결정의 두께는 상기 원통형 실린더와 평판 사이의 간격, 상기 원통형 실린더의 회전 속도 및 상기 원통형 실린더의 회전 시간 중 적어도 하나의 변수에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 광결정은 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 조밀 육방(hexagonal closed packed) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정 의 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 상기 콜로이드 용액이 부착되기 용이하도록 표면처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 표면처리는 코로나 방전 처리 또는 산소 플라즈마 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 콜로이드 용액 내에 분산된 콜로이드 입자는 세라믹 또는 고분자 라텍스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성한 다음, 상기 콜로이드 광결정을 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형 성방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 콜로이드 광결정의 고정은 UV 처리에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 콜로이드 용액 내의 용매는 UV 경화형 모노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성방법.
  11. 제1항에 기재된 방법을 수행하는 콜로이드 광결정의 형성장치에 있어서,
    상기 원통형 실린더;
    상기 원통형 실린더의 외주면에 둘러싸인 플렉서블 기판;
    상기 원통형 실린더와 소정 간격을 두고 배치되는 것으로, 콜로이드 용액이 도포된 평판;을 구비하여,
    상기 원통형 실린더를 상기 콜로이드 용액이 도포된 평판 위에서 회전시킴으로써 상기 플렉서블 기판 상에 콜로이드 광결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성장치.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판 상에 형성되는 콜로이드 광결정의 두께는 상기 원통형 실린더와 평판 사이의 간격, 상기 원통형 실린더의 회전 속도 및 상기 원통형 실린더의 회전 시간 중 적어도 하나의 변수에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 상기 콜로이드 용액이 부착되기 용이하도록 표면처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 콜로이드 용액 내에 분산된 콜로이드 입자는 세라믹 또는 고분자 라텍스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 콜로이드 용액 내의 용매는 UV 경화형 모노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜로이드 광결정의 형성장치.
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