구조적 색상의 극세사를 사용한 광 스위칭 패턴 제작

결과 및 토론

광학 스위칭 패턴을 생성하려면 정렬된 나노섬유가 필요합니다. 공기 중에 떠 있는 나노 섬유는 위에서 설명한 병렬 수집기를 사용하여 정렬된 다음 대상 기판으로 전달됩니다(그림 1a). 그런 다음 타겟 기판에 정렬된 나노섬유를 핫 플레이트(500°C)를 사용하여 열처리하여 폴리머 성분을 분해하고 얇은 ZnO 시드 층을 형성합니다(그림 1b). 이 층은 원하는 구조적 색상을 얻기 위해 열수 성장을 할 수 있으며, 마스킹 기법을 사용하여 반응 영역을 패터닝함으로써 열수 성장이 일어나는 부분을 제어할 수 있습니다(그림 1c). 그런 다음 마스킹 테이프를 제거하여 최종 패턴을 얻거나 추가 패터닝 및 열수 성장을 통해 추가 패터닝을 수행할 수 있습니다.

정렬된 산화아연(ZnO) 구조적 색상 제조 공정의 개략도. 아 전기방사된 나노섬유는 평행한 전극 사이에서 수직 방향으로 모아져 타겟 기판으로 전달된다. ㄴ 전사된 나노섬유의 고분자 성분을 제거하기 위해 500°C에서 열처리하여 씨드층을 형성합니다. ㄷ 마스킹 테이프를 이용하여 패터닝을 하고 항온조에서 열수 성장을 합니다. d 마스킹 테이프를 제거하면 최종 패턴이 완성됩니다. (추가 마스킹 및 열수 성장으로 복잡한 패턴 생성 가능)

그림 2는 마이크로와이어의 열수 성장 시간을 변화시켜 얻은 구조적 색상을 보여줍니다. 열수 성장 시간이 증가함에 따라 마이크로 와이어의 두께가 증가하여 광학 특성이 변경됩니다. 그림 2a는 왼쪽에서 오른쪽으로 2분 증가하는 열수 성장 시간을 보여주고, 하단 이미지는 추가로 4분 동안 성장한 샘플을 보여줍니다. 구조적 착색 패턴은 주어진 합성 시간 동안 재현할 수 있었고 반응 영역은 마스킹 방법을 사용하여 국소화되었습니다. 그림 2b는 무작위로 밝은 구조 색상으로 샘플을 제작하기 위해 만든 샘플을 보여줍니다. 임의의 색상을 생성하기 위해 시드층이 있는 샘플을 샘플을 흔들거나 기판에 열수 성장 용액을 분무하여 열수 성장 용액에 무작위로 침지시켰다. 마스킹 라인이 없는 임의의 색상 샘플이 생성되었습니다. 하단 SEM 이미지는 다양한 크기의 마이크로와이어가 다양한 색상의 세그먼트로 생성되었음을 보여줍니다.

아 합성 시간에 따른 구조적 색상의 변화. ㄴ 무작위 합성 시간 후에 제조된 나노섬유로 얻을 수 있는 아름다운 구조적 색상 패턴을 보여주는 나노섬유의 광학 및 주사 전자 현미경 이미지

그림 3은 이 ZnO 마이크로와이어 제작 방법을 기반으로 하는 기술이 어떻게 확장될 수 있는지 보여줍니다. ZnO 마이크로와이어를 이용하여 구조색을 만드는 과정은 양산에 불리하지 않다. 대량 생산하는 가장 간단한 방법은 금형을 사용하는 것입니다. 그림 3A와 A'는 각각 유리 기판에 ZnO 나노구조 패턴을 사용하여 생성된 패턴과 PDMS(폴리디메틸실록산)를 사용하여 복제된 패턴을 보여줍니다. PDMS를 사용하여 복제된 패턴에서 ZnO 나노구조의 모양은 PDMS에서 그대로 복제됩니다(ZnO 나노구조는 원래 유리 기판에 남아 PDMS 패턴으로 전사되지 않음). 그림 3A는 유리에 만든 패턴이고 그림 3A'는 PDMS로 만든 패턴입니다. 둘 다 투명 기판에 제작되었습니다. 또한 Fig. 3A는 10번의 복제를 거친 시료의 광학 이미지이다. 이는 반복적인 복제 과정에서 패턴이 잘 만들어졌음을 확인시켜준다. 이와 같이 뒤에서 들어오는 빛이 패턴을 투과할 때 구조적 색을 관찰할 수 있었다. 빛이 패턴을 통과해야 하기 때문에 투명 기판은 뒤에서 조명을 받아야 하지만 광원, 패턴, 관찰하는 디텍터가 일렬로 있을 필요는 없다. 복제된 샘플에서 관찰된 구조적 색상은 유사했습니다. 그림 3B는 구조색을 구성한 후 성장할 부분을 제한하여 추가 성장을 통한 구조적 색상 변화를 보여주는 샘플을 보여줍니다. 색상이 서로 분명히 다릅니다. 그림 3B'는 그림 3B에서 B'라고 표시된 부분을 광학현미경으로 자세히 관찰한 결과이다. 대부분의 나노 섬유는 수직 방향으로 잘 정렬되어 있습니다. C로 표시된 원의 노란색 외부 부분과 D로 표시된 원의 녹색 내부 부분 사이에 명확한 경계가 표시됩니다. 그림 3C, D는 각각 C와 D의 SEM 이미지를 보여줍니다. 추가 합성은 전체 마이크로와이어 치수의 증가로 이어지지만, 마이크로와이어를 구성하는 각 나노구조체의 크기 변화는 구조적 색상의 변화를 야기하였다. SEM 이미지는 각 나노 구조의 크기도 증가하여 준 정렬된 산란을 유발함을 보여줍니다.

아 천사의 구조적 컬러 패턴과 1회 복제된 패턴(A' ) 및 10회(A” ) 폴리디메틸실록산 사용. ㄴ 합성 시간과 (b'를 달리하여 두 가지 색상을 얻은 패턴 ) 광학현미경으로 관찰한 에지 부분의 이미지. ㄷ , d b' 외부 및 내부 나노섬유의 주사전자현미경 이미지

보는 각도에 따라 구조 색상이 변경됩니다. 우리의 구조는 이 기능을 표시했습니다. 위에서 언급했듯이 투명 기판의 가시 색상은 반사 기판의 색상과 다릅니다. 투명 기판의 경우 기판을 통해 빛이 관찰되는 반면 반사 기판의 경우 빛이 기판에 반사되어 우리 눈으로 직접 관찰됩니다. 두 환경 모두 관찰 각도에 따라 색이 변하는 특성을 유지하였다. 그림 4a는 반사기판(실리콘 웨이퍼)에 제작된 구조색을 나타내고, 그림 4b는 투명기판(유리)에 제작한 구조색을 나타냅니다. 입사각에 따라 구조적 색상이 변화함을 알 수 있다. 또한 관찰각에 따라 색상이 변할 뿐만 아니라 나노섬유의 배열로 입사각을 변경하는 것만으로 패턴을 더 밝게 또는 보이지 않게 할 수 있습니다. 빛이 나노섬유의 배열 방향과 평행하게 입사하면 빛을 거의 반사하지 않는다. 반면에 빛이 수직으로 입사되면 여러 방향으로 반사되어 광섬유 어레이를 쉽게 볼 수 있습니다(그림 4c). 구체적으로, 수직 방향으로 입사된 빛은 섬유 표면의 원통 부분 전체에 입사되어 매우 넓은 방향으로 반사되어 선명한 시인성을 제공합니다. 반면 평행한 방향으로 입사되는 빛은 제한된 방향으로만 반사될 수 있기 때문에 전체 방출되는 빛의 양이 적어 보이지 않을 수 밖에 없습니다.

a의 입사각에 따른 구조적 패턴의 색상 변화 반사 기판 및 b 투명 기판. ㄷ 나노섬유의 정렬 방향에 대한 입사광의 방향이 패턴 가시성에 미치는 영향. 왼쪽:수직, 오른쪽:평행 방향