전기수력학적 분사 인쇄법을 이용한 포르피린 및 폴리다이아세틸렌의 미소 패턴 제작

Abstract

전기수력학적 분사 인쇄법 (Electrohydrodynamic (EHD) jet printing) 은 전기장을 이용하여 잉크를 노즐의 팁 끝에서 방출시키는 다이렉트 패터닝 기술이다. 전기수력학적 분사 인쇄 기술은 비접촉 특성과 다양한 재료들과 기판 종류와의 호환성으로 인하여 각광받고 있는 기술이다. 이 기술은 잉크젯 프린팅 기술과 같은 다른 다이렉트 프린팅 기술과 견주어 볼 때 많은 장점들을 가지고 있다. 예를 들면 전기수력학적 분사 인쇄 기술은 단일 크기의 노즐을 이용하여 구동 요소들을 변화시킴으로써 점 패턴이나 선 패턴의 두께를 제어 할 수 있다. 패턴의 형태에 영향을 미치는 작동 인자로는 적용 전압, 적용 전압의 지속 시간 및 주기, 구동 거리, 기판의 이동속도 등이 있다. 본 연구에서는 전기수력학적 분사 인쇄 기술을 이용하여 마이크로 사이즈의 포르피린 패턴 및 폴리아세틸렌 패턴을 실리콘 기판 위에 제작 하였다. 포르피린은 화학적, 열적 안정성 및 고강도, 우수한 광학적 전기적 성질 등의 장점으로 저장매체, 태양광전지, 광센서 분야 등에 넓게 적용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 포르피린을 이용하여 전기수력학적 분사 인쇄 기술에 적합한 잉크를 제조하였고 이를 이용하여 다양한 형태의 패턴을 제작하였다. 형광 현미경을 이용하여 제작된 포르피린 패턴의 형광 특성을 관찰하였고 실리콘 기판 위에 적용 전압, 구동 거리의 영향에 따라 서로 다른 형태로 제작된 패턴의 형태를 주사형 전자현미경 (SEM) 과 원자간력 현미경 (AFM) 을 이용하여 관찰 하였다. 또한 실리콘 기판 위에 인쇄된 포르피린 패턴을 질산 증기에 노출함으로써 포르피린의 산 노출 센서 특성을 확인하였다. 폴리다이아세틸렌은 공액 고분자의 일종으로 촉매나 개시제 없이 광중합을 통하여 쉽게 합성할 수 있는 고분자이다. 광중합 된 폴리다이아세틸렌은 일반적으로 청색을 띄며 640 nm 근처에서 최대 흡수파장을 가지며 열, 용매, pH 등의 여러 가지 환경 자극에 반응하여 적색으로 전이되어 형광 특성을 갖게 된다. 본 연구에서는 폴리다이아세틸렌을 이용하여 전기수력학적 분사 인쇄 기술에 사용될 잉크를 제조하여 다양한 형태의 패턴을 제작 하였다. 254 nm 의 자외선 파장을 이용하여 패턴 된 폴리다이아세틸렌을 광중합 하였고, 열을 가하여 청색에서 적색으로의 색 전이 현상 및 형광 발현을 관찰함으로써 센서로서의 가능성을 입증하였다.| In this research, we have fabricated micron-sized patterns of porphyrins and polydiacetylene (PDA) vesicle on silicon substrates using an electrohydrodynamic (EHD) jet printing technique. EHD jet printing technique is attractive due to their noncontacting nature and their compatibility with diverse materials and substrate types. PDAs are composited by the radiation (UV or γ-ray)-induced polymerization of molecularly assembled diacetylene monomers in the absence of chemical initiators or catalysts. Heat-treatment of the solid substrate, immobilized with blue-phase PDAs, induces a blue-to-red-phase transition and results in the formation of patterned fluorescence images. Fluorescence microscopy was used to examine the fluorescence properties of porphyrins and PDAs. The morphology of the porphyrin and polydiacetylene patterns printed with variously formulated inks and the effects of applied voltage, working distance, and substrate properties on the morphology of patterns were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). We have also demonstrated the acid-vapor sensing properties of the porphyrins by exposing the porphyrin patterns on Si substrates to nitric acid vapor. When combined with the novel optical properties of porphyrin and polydiacetylenes, this methodology should enhance the versatility of porphyrin and conjugated polymers in sensor and optical applications.; In this research, we have fabricated micron-sized patterns of porphyrins and polydiacetylene (PDA) vesicle on silicon substrates using an electrohydrodynamic (EHD) jet printing technique. EHD jet printing technique is attractive due to their noncontacting nature and their compatibility with diverse materials and substrate types. PDAs are composited by the radiation (UV or γ-ray)-induced polymerization of molecularly assembled diacetylene monomers in the absence of chemical initiators or catalysts. Heat-treatment of the solid substrate, immobilized with blue-phase PDAs, induces a blue-to-red-phase transition and results in the formation of patterned fluorescence images. Fluorescence microscopy was used to examine the fluorescence properties of porphyrins and PDAs. The morphology of the porphyrin and polydiacetylene patterns printed with variously formulated inks and the effects of applied voltage, working distance, and substrate properties on the morphology of patterns were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). We have also demonstrated the acid-vapor sensing properties of the porphyrins by exposing the porphyrin patterns on Si substrates to nitric acid vapor. When combined with the novel optical properties of porphyrin and polydiacetylenes, this methodology should enhance the versatility of porphyrin and conjugated polymers in sensor and optical applications.