[논문] 과학자들이 디스플레이와 센서용 조정 가능한 컬러 필름을 개발하다

인도 과학 연구소(IISc)의 연구원들은 색소가 필요 없이 물리적 구조만으로 밝은 색상을 나타내는 유연한 필름을 개발했습니다. 늘어나면 필름은 기계적 변형에 대한 반응으로 색상 변화를 나타냅니다.

이러한 필름을 설계하기 위해 팀은 갈륨 금속을 증발시켜 나노 크기의 입자를 형성하는 것과 관련된 비용 효율적이고 확장 가능한 새로운 단일 단계 기술을 고안했습니다. 유연한 기판. 그들의 방법을 사용하면 기계적 자극에 반응하는 여러 구조적 색상을 동시에 제작할 수 있습니다.

또한 팀은 이러한 필름이 스마트 붕대 및 동작 센서부터 반사 디스플레이에 이르기까지 다양한 응용 분야에 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었습니다.

“갈륨과 같은 액체 금속이 포토닉스에 사용된 것은 이번이 처음입니다”라고 IAP(계측 및 응용 물리학과) 조교수이자 해당 연구의 교신 저자인 Tapajyoti Das Gupta가 말했습니다. 출판됨 ~에 자연나노기술.

보석, 연체동물 껍데기, 공작 깃털과 같은 일부 자연 물체는 본질적으로 다채롭습니다. 이들의 색상은 오팔의 작은 실리카 구, 연체동물 껍질의 탄산칼슘 기반 소판, 공작 깃털의 원통형 구조 꼭대기에 분할된 리본과 같이 주기적으로 배열된 마이크로 또는 나노 구조와 빛의 상호 작용에서 나타납니다.

자연에서 영감을 받은 구조적으로 착색된 소재는 디스플레이, 웨어러블 전자 제품, 시각 센서 및 위조 방지 태그에 폭넓게 적용됩니다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 외부의 기계적 자극에 반응하여 색상을 변경할 수 있는 재료를 설계하려고 노력해 왔습니다.

IISc 팀은 높은 표면 장력이 나노입자 형성을 방해하기 때문에 이러한 응용 분야에서는 연구되지 않은 갈륨을 사용하여 실험을 시작했습니다. 갈륨은 액체 금속 ~에 실온 그리고 그 나노입자는 전자기 방사선과 강한 상호작용을 갖는 것으로 나타났습니다.

연구팀이 개발한 공정은 생체적합성 고분자인 폴리디메틸실록산(PDMS)이라는 기판의 특성을 교묘하게 사용하여 표면 장력 장벽을 극복하여 갈륨 나노입자를 생성하는 위업을 달성했습니다.

기판이 늘어나자 연구자들은 특이한 점을 발견했습니다. 변형률에 따라 소재의 색상이 달라지기 시작했습니다. 연구진은 증착된 갈륨 나노입자 배열이 특정 방식으로 빛과 상호 작용하여 색상을 생성한다는 이론을 세웠습니다.

색상 생성에서 기질의 역할을 이해하기 위해 팀은 수학적 모델을 개발했습니다.

PDMS는 서로 반응하여 고체 폴리머를 형성하는 두 가지 액체형 구성 요소인 올리고머와 가교제를 혼합하여 만든 폴리머입니다. 연구진이 발견한 것은 아직 액체 상태인 올리고머의 미반응 부분이 기판 위의 갈륨 나노입자 형성을 안정화시키는 데 중요한 역할을 한다는 것입니다.

이 기판이 늘어나면 액체 같은 올리고머가 나노입자 사이의 틈으로 스며들어 틈 크기와 빛과의 상호 작용이 바뀌고 관찰된 색상 변화가 발생합니다. 실험실에서 수행된 실험을 통해 모델의 예측이 확인되었습니다. 올리고머 함량과 가교제의 비율을 조정함으로써 연구진은 다양한 색상을 얻었습니다.

“우리는 PDMS 기판이 구조를 유지할 뿐만 아니라 갈륨 나노입자의 구조와 그에 따른 착색을 결정하는 데 적극적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다”라고 Renu Raman Sahu 박사는 말했습니다. IAP 학생이자 수석 저자입니다. 80,000주기의 신장 후에도 이 소재는 반복 가능한 색상 변화를 보여 신뢰성이 입증되었습니다.

이러한 재료를 제조하는 데 사용되는 리소그래피와 같은 기존 기술은 많은 단계를 포함하고 규모를 확장하는 데 비용이 많이 듭니다. 이를 회피하기 위해 팀은 액체를 증발시키는 단일 단계 물리적 기상 증착 기술을 고안했습니다. 갈륨 금속을 PDMS 기판에 증착합니다. 이를 통해 그들은 손바닥 크기의 약 절반 크기의 유연하고 구조적으로 착색된 필름을 제작할 수 있었습니다.

이러한 필름에는 다양한 응용이 가능합니다. 팀은 그러한 응용 프로그램 중 하나인 신체 움직임 센서를 시연했습니다. 필름 조각을 손가락에 붙이면 손가락을 구부릴 때 색상이 바뀌어 실시간으로 움직임을 감지하는 데 도움이 됩니다.

Sahu는 “미래에는 이러한 물질이 에너지 수확 응용 분야에도 사용될 수 있을 것”이라고 말했습니다.