Hierarchical Micro/Nano Patterning for Structural Color
- 주제(키워드) nature-inspired photonic crystal , micro/-nano scale patterning , structural color
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 한창수
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 기계공학과
- 원문페이지 126 p
- UCI I804:11009-000000257251
- DOI 10.23186/korea.000000257251.11009.0001370
- 본문언어 영어
초록/요약
Research on the realization of unique colors has been actively carried out in various engineering fields. Of particular, an aesthetic appearance in electronics and home appliances to help consumers make purchases is very important. If the appearance of such devices is implemented by a dye, it is difficult to avoid color change due to harsh environment and UV exposure for long-term period. Therefore, research on the structural colors of animals, plants, and minerals in the natural world has been attracted great attention. Structural color means that microscale and/or nanoscale structures are repeatedly arranged, and the light then reflects, absorbs, and scatters due to interaction with the structure to produce a specific color. Due to the interaction between light and micro/nano structures, it shows creating a unique color or controlling the light. It can be applied to many industries by applying not only to the appearance of colors but also to displays and color conversion devices based on the structural color. However, the fabrication of micro/nano structures would require very tricky, longtime and high-cost processes. In addition, large area fabrication is another issue for industrial applications. Therefore, simple, large area and low-cost processes for realizing structural color are highly demanded. In this thesis, several hierarchical micro/nano patterning technologies for various color are reported. At first, the hierarchical formation of micro/nano scale line patterns by mimicking the petal surface of a tulip “Queen of the Night” is studied. Due to the hierarchical structure, light causes both scattering and diffraction. As the result, glossy and iridescent light can be seen by the human eye. To figure out the exact mechanism, the optical properties to measure the degree of diffraction and scattering are analyzed. Secondly, to create the wrinkle structure on the pre-strained soft substrate, thin metal layer by ion sputtering was formed on the surface. The transparency and color of the soft substrate with metal layer are changed along with the applied strain. Originally opaque substrate due to the metal layer becomes highly transparent along with the first wrinkle pattern after applying moderate strain and then additional strain make the film opaque again due to the secondary crack pattern on the substrate. In this study, the transparency and color change mechanism are investigated based on the change of the wrinkle structures along with the applied strain. It can be used to control the wetting behavior of water droplets on the window. Finally, we developed the highly transparent structure color mimicking the butterfly’s wing. For this, the layered structure of SiO2 and TiO2 to make the basic structural color based on the optical interference is fabricated. Next, to enhance the transparency, the metal islands are formed via thermal process and played role of etching barrier. The layered structure with metal islands is etched out. As the result, the color is not much degraded while the transparency is highly increased. It is very suitable technique to improve aesthetic appearance of solar cell panel with less degradation of the energy conversion efficiency. The suggested technologies are available for various applications requiring aesthetic appearance.
more초록/요약
다양한 엔지니어링 분야에서 독특한 색상 구현에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 소비자의 구매를 돕기 위한 전자 및 가전제품의 미적 외관은 매우 중요하다. 이러한 소자의 외관을 염료로 구현하면 열악한 환경과 장기간의 자외선 노출로 인한 변색을 피하기 어렵다. 따라서 자연계에 존재하는 동식물, 광물의 구조적 색채에 대한 연구가 큰 주목을 받고 있다. 구조적 색상은 마이크로 스케일 및/또는 나노 스케일 구조가 반복적으로 배열된 다음 구조와의 상호 작용으로 인해 빛이 반사, 흡수 및 산란되어 특정 색상을 생성하는 것을 의미한다. 빛과 마이크로/나노 구조의 상호작용으로 인해 독특한 색상을 생성하거나 빛을 제어하는 모습을 보여준다. 색상의 외관뿐만 아니라 구조적 색상을 기반으로 한 디스플레이 및 색 변환 장치에도 적용하여 다양한 산업분야에 적용이 가능하다. 그러나 마이크로/나노 구조의 제조는 매우 까다롭고 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 공정을 필요로 한다. 또한, 대면적 제작은 산업 응용 분야의 또 다른 문제이다. 따라서 구조적 색상을 구현하기 위한 단순하고 대면적화 및 저비용 공정이 요구되고 있다. 이 논문에서는 다양한 색상에 대한 몇 가지 계층적 마이크로/나노 패터닝 기술을 보고한다. 먼저 "Queen of the Nights" 튤립의 꽃잎 표면을 모방하여 마이크로/나노 스케일 라인 패턴의 계층적 형성을 연구한다. 계층 구조로 인해 빛은 산란과 회절을 모두 유발한다. 결과적으로 인간의 눈에는 광택이 나는 무지개 빛깔의 빛을 볼 수 있다. 정확한 메커니즘을 파악하기 위해 회절 및 산란 정도를 측정하는 광학 특성을 분석하였다. 둘째, 미리 신장된 연질 기재에 주름 구조를 생성하기 위해 이온 스퍼터링으로 표면에 얇은 금속층을 형성하였다. 금속층이 있는 연질 기판의 투명도와 색상은 적용된 인장률에 따라 변경된다. 원래 금속층으로 인해 불투명한 기판은 인장에 따라 첫 번째 주름 패턴이 펼쳐지게 되고 이로 인해 투명해진다. 이 상태에서 더 늘리게 되면 기판의 2차 패턴으로 인해 필름을 다시 불투명하게 만든다. 본 연구에서는 적용된 인장률에 따른 주름 구조의 변화에 따라 투명도와 색상 변화 메커니즘을 조사하였다. 이것은 또한, 창에 있는 물방울의 습윤 거동을 제어하는 데 사용할 수 있다. 마지막으로 나비 날개를 본뜬 투명도가 높은 구조 색상을 개발했다. 이를 위해 SiO2와 TiO2의 층상구조를 제작하여 광간섭에 따른 기본적인 구조색을 만든다. 다음으로, 투명도를 높이기 위해 메탈디웻팅을 열처리를 통해 형성하고 이 층은 메탈마스크의 역할을 한다. 메탈 아일랜드가 랜덤하게 형성되어 있는 계층 구조가 에칭된다. 그 결과 색상이 많이 저하되지 않고 투명도가 높아지는 효과를 가져온다. 에너지 변환 효율의 저하가 적으면서 태양전지 패널의 미관을 향상시키는 데 매우 적합한 기술이다. 제안된 기술은 미적 외관이 요구되는 다양한 응용 분야에 사용할 수 있다.
more목차
CHAPTER 1. INTRODUCTION 11
1.1 STRUCTURAL COLORATION 12
1.1.1 Structural Colors in Nature 12
1.1.2 Theoretical Principles of Structural Colors 15
1.2 NATURE-INSPIRED STRUCTURAL COLORS 17
1.2.1 Applications using Photonic Crystals 20
1.2.2 BIPV Systems in Structural Color 23
1.3 THESIS OBJECTIVES AND OUTLINES 25
CHAPTER 2. MICRO/NANO PATTERNING FOR IRIDESCENT AND GLOSSY COLOR EFFECT LIKE THE TULIP'S PETAL 26
2.1 INTRODUCTION 27
2.2 FABRICATION METHOD: SOFT-LITHOGRAPHY & PRE-STRAIN SURFACE TREATMENT 29
2.3 RESULTS AND DISCUSSIONS 37
2.3.1 Optical Properties in Scattering & Diffraction 37
2.3.2 Biomimetics of Tulip "Queen of the Nights" Petals 43
2.4 CONCLUSIONS 46
CHAPTER 3. MICRO/NANO PATTERNING FOR TUNABLE COLOR AND TRANSPARENCY OF THE SOFT SUBSTRATE 47
3.1 INTRODUCTION 48
3.2 FABRICATION METHODS OF MICRO WRINKLES ON PDMS SUBSTRATE 51
3.3 RESULTS AND DISCUSSIONS 52
3.3.1 Fabrication of Pt/PDMS Substrate for Micro Wrinkling 52
3.3.2 Micro Pattern Morphology & Optical Property 55
3.3.3 Au, Ag Coating on PDMS Substrate 62
3.3.4 Optical Data & Water Droplet Behavior 64
3.4 CONCLUSIONS 70
CHAPTER.4 MICRO/NANO PATTERNING FOR HIGHLY TRANSPARENT COLORFUL SURFACE 71
4.1 INTRODUCTION 72
4.1.1 The Advent of The BIPV System 70
4.1.2 Experimental Method 74
4.2 RESULTS AND DISCUSSIONS 76
4.2.1 Surface Morphology 76
4.2.2 Optical Data: Camera Images 80
4.2.3 Contact Angle & Transmittance 85
4.2.4 PV Performances 89
4.2.5 FDTD Simulations 95
4.3 CONCLUSIONS 101
CHAPTER 5. SUMMARY AND CONCLUSIONS 103
REFERENCE 107
ABSTRACT (IN KOREAN) 115
LIST OF PUBLICATIONS 118
