[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

구조색은 화학적 색소나 염료와는 달리, 입사하는 빛이 물질의 표면 및 내부의 규칙적인 나노스케일 구조에 의해 굴절되고 산란되어 특정 파장의 빛만을 선택적으로 반사하고 증폭시키는 현상이다. 이러한 구조색을 활용한 반사형 디스플레이나 광학 센서 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 자기조립(self-assembly)1)을 통해 수십나노미터 스케일에서 규칙적인 나노구조를 형성할 수 있는 블록공중합체(block copolymer)2)는 광결정(photonic crystal)3) 소재 형성을 위한 주요 소재로 주목받고 있다.

3차원 블록공중합체 입자는 수중유(oil-in-water) 에멀젼 형성 후 내부 유기용매를 증발시키는 에멀젼화 및 유기용매증발(emulsion-encapuslation and evaporation)4) 과정을 통해 간단하게 제조될 수 있다. 외부 계면장력을 조절하기 위해 두 가지 이상의 계면활성제를 사용함으로써, 블록공중합체 입자의 외부 및 내부 구조를 체계적으로 조절할 수 있다. 또한, 상분리(phase separation)5)를 유도하는 추가 성분을 통해 3차원 형태의 다양성을 더욱 확장시킬 수 있다.

그럼에도 불구하고, 3차원 블록공중합체 입자의 제조는 수 마이크로미터 이하의 제한된 크기 때문에 구조색 소재 개발에 있어 한계에 부딪혔다. 최근에는 바틀브러쉬 형태의 고분자 구조 조절이나 단분자를 결합을 통해 도메인 크기를 키우는 방법으로 광학 콜로이드의 개발이 이루어졌지만, 자극에 반응하는 그룹의 결여로 인해 구조색의 변화를 가변적으로 조절하는 것이 어려웠다.

2. 연구내용

연구팀은 pH 또는 알코올 변화에 반응하여 나노구조를 변형시킬 수 있는 폴리스타이렌-폴리바이닐피리딘(PS-b-P2VP) 블록공중합체를 기반으로 하는 스마트 광학 입자를 개발하였다. 블록공중합체와 상분리를 일으킬 수 있는 액체 오일을 함께 물 속에 분산시켜 수중유 에멀젼을 형성한 후, 내부의 유기용매를 증발시키는 간단한 제조과정을 통해 액체와 고체가 접합된 아이스크림 모양의 입자를 제조하였다. 액체 오일과 블록공중합체의 비율을 다양하게 조절함으로써 입자의 형태와 분산성, 배향성 및 광학적 특성을 제어할 수 있었다. 특히, 상분리에 의해 블록공중합체가 수백 개의 규칙적인 적층 구조를 형성하였으며, 가시광선 영역의 빛을 선택적으로 반사하여 구조색을 나타내었다. 내부 나노구조의 크기에 따라 색상이 결정되는 원리로, 고분자의 분자량을 265에서 536 kDa 사이로 조절함으로써 가시광선 영역의 모든 색을 구현할 수 있었다.

특히 액체와 고체의 결합 구조는 두 성분의 밀도 차이로 인해 물 속에서 중력 방향으로 수직 배열을 이루며, 외부 진동에 의한 물의 움직임이 고분자 입자의 배향을 변화시켜 구조색의 On/Off 변화를 나타내었다. 또한 pH 감소나 에탄올 농도 증가 시, P2VP 도메인 내 질소 원자의 양성자화로 도메인 크기가 커지며, 이는 입자의 장축 길이 증가와 함께 구조색의 파장이 길어지는 현상을 초래했다. 나아가, 광학 입자 용액을 픽셀 형태의 어레이 탬플릿에 삽입하고 패턴화함으로써 디스플레이로의 응용 가능성을 시사했다.

3. 기대효과

본 연구에서는 외부 환경의 pH와 알코올 농도 변화를 감지하여 입자의 형태와 색상을 자동으로 변화시키는 블록공중합체 기반 광학 콜로이드를 개발하였다. 이 기술은 화학적 색소나 염료를 사용하지 않고도, 구조적 특성만으로 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 고체와 액체의 독특한 결합 구조로 인해 우수한 분산성을 보인다. 개발된 입자는 자기조립과 상분리가 가능한 블록공중합체를 활용함으로써, 복잡한 제조 과정 없이도 단순하게 생산할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 점에서, 본 연구는 구조색을 활용한 광학 입자 개발에 있어 새로운 방법론을 제시하며, 이를 바탕으로 스마트 도료, 광학 센서, 디스플레이 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 제시한다.

[붙임] 용어설명

1. 자기조립 (self-assembly)

무질서하게 존재하던 분자나 나노구조를 취하는 입자가 외부 조작 없이 서로 간의 상호작용으로 자발적으로 조직화되고 정렬된 구조나 패턴 형태를 형성하는 것을 말한다.

2. 블록공중합체 (block copolymer)

두 가지 이상의 서로 다른 단량체(monomer)가 블록 형태로 공유결합한 중합체이다. 각 블록은 물리⦁화학적으로 고유 물성을 유지하여 분자량, 각 블록의 부피비 등에 따라 다양한 나노구조를 형성할 수 있다.

3. 광결정 (Photonic crystal)

서로 다른 굴절률을 갖는 물질이 주기적으로 배열된 구조체이며, 특정한 파장 영역대의 빛을 반사시켜 선택적인 색을 구현할 수 있다. 구조색의 반사 파장과 세기는 광결정을 이루는 물질의 굴절률과 크기, 빛의 입사각과 반사각 등으로 조절 가능하다.

4. 에멀젼화 및 유기용매 증발 (Emulsion-encapsulation and evaporation process)

분산상의 물과 고분자가 녹아있는 연속상의 유기용매로 에멀젼을 형성한 뒤, 유기용매를 증발시켜 고분자 입자를 형성하는 과정이다. 수백나노미터에서 수십마이크로미터 크기의 고분자 입자를 만들 수 있으며, 블록공중합체의 경우 자기조립에 의해 더욱 다양한 구조를 형성할 수 있다.

5. 상분리(Phase separation)

혼합물 내의 서로 다른 구성 요소들이 두 개 이상의 구별되는 상으로 자발적으로 분리되는 현상. 특정 조건에서 물질들의 상호 용해도가 감소할 때 일어난다.

[붙임] 그림설명

그림1. 에멀젼 내 상분리법을 통한 아이스크림 모양의 광학 입자 제조 및 모양 제어

(A) 에멀젼 내 유기용매의 증발에 따라 상이 분리되며 구형의 액체 오일과 적층된 라멜라 나노구조를 가지는 콘 모양의 블록공중합체로 이루어진 아이스크림 모양 광학입자가 형성됨. (B) 액체 오일과 블록공중합체의 비율에 따라 다양한 라이브러리 구현이 가능함.

그림2. 블록공중합체 광결정 구조 크기 제어를 통한 가역적인 구조색 구현

(A) 블록공중합체의 분자량 조절에 따라 가시광선 영역의 단파장에서 장파장 영역대로 구조색의 조절이 가능함. (B) 픽셀 형태의 어레이를 통해 광학입자의 패턴화가 가능함. (C) 에탄올 첨가에 따른 내부 나노구조 크기의 가역적 증가, 감소로 인한 입자 전체의 모양 변화 및 그에 따른 구조색 변화를 구현함.