Rewritable Paper System using Photochromic Diarylethenes

Abstract

The origin of “paper” led the way for development and spread of human civilization and plays a key role for socio-economic growth and is evident by growth in global paper consumption. however, hundreds of millions of tons of paper consumption a year is causing sustainability issues such as the environmental and economic problems. Despite advances in digital devices, paper consumption has been steadily increasing, and to address this problem a novel concept called "rewritable paper" has been proposed. Rewriteable paper is a printing system that reuses a single sheet of paper multiple times based on the basic principle of the "write-erase-write" cycles, and is expected to fundamentally reduce the growing demand for paper. In this dissertation research, study of development of rewritable paper using photochromic diarylethene derivatives are described. The rewritable paper developed so far has major limitations such as complex fabrication method, printing process that requires separate equipment or procedures, and limited color expression. Focusing on full color printing and compatibility with conventional printers/papers, a system using erasable ink was devised. Diarylethene, one of the photochromic materials, was used for reversible color switching and full color expression. Three diarylethene derivatives were synthesized by controlling the length of π-conjugation by the molecular structure design of diarylethenes. Synthesized derivatives produced the three primary colors cyan, magenta, and yellow when exposed to ultraviolet light, and return to the initial colorless state under visible light exposure. In addition, a hydrophilic ethylene glycol moiety was introduced to prepare an aqueous ink solution compatible with the ink-jet printing system. Ink prepared based on the synthesized diarylethene derivatives was used after developing color through UV exposure. Diarylethene ink was used by injecting it into a cartridge for a conventional ink-jet printer, and letters and images were printed on A4 paper. As with off-the-shelf ink products, full color images with excellent resolution were obtained, and it was confirmed that the printed contents were clearly erased under visible light irradiation. It was possible to print sharp images again on erased paper, and it was confirmed that print quality was maintained without paper degradation even after repeated 'print-erase'. This rewritable paper system based on erasable photochromic diarylethene inks presents a practically applicable reusable paper method that enables full color expression using a conventional printing device. |“종이”의 탄생은 인류 문명의 역사가 꽃 피울 수 있는 길을 인도했다. 하지만 오늘날에 이르러서는 연간 수억 톤에 달하는 전세계적인 종이 소비로 인해 환경 및 경제 등의 지속가능성 문제가 야기되고 있다. 여러 디지털 장치의 발전에도 불구하고 종이 소비의 추세는 꾸준히 증가하고 있으며, 이러한 문제를 타개하기 위하여 리라이터블 페이퍼(rewritable paper)라는 새로운 개념이 제안되었다. 리라이터블 페이퍼는 ‘쓰기-지우기-쓰기’ 사이클을 기본 원리로 종이 한 장을 여러 번 재사용하는 인쇄 시스템으로써, 증가하는 종이 수요를 원천적으로 줄일 수 있을 것이라는 기대를 받고 있다. 본 연구 논문에서는 광변색성 다이아릴에텐(diarylethene) 유도체를 활용한 리라이터블 페이퍼 개발에 대한 연구 결과를 기술하였다. 현재까지 개발된 리라이터블 페이퍼는 번거로운 제작 공정 및 별도의 장비나 절차가 요구되는 인쇄과정, 제한적인 색 표현 등 주요한 한계들이 산재해 있다. 이를 고려하여 풀 컬러 구현 및 일반 프린터/인쇄용지에 대한 호환성에 초점을 두고 지워지는 잉크를 사용하는 시스템을 고안하였다. 가역적인 색상 전환과 풀 컬러 구현을 위해 광변색성 물질 중 하나인 다이아릴에텐을 활용하였다. 다이아릴에텐의 분자구조 설계를 통해 π-conjugation 길이를 조절하여 세 종류의 유도체를 합성하였다. 3종의 유도체는 자외선을 노광하면 광이성질화를 거쳐 삼원색인 시안, 마젠타, 노랑을 띄고, 가시광선을 노광하면 초기의 무색으로 되돌아간다. 또한 잉크젯 프린팅 시스템에 호환되는 잉크 수용액으로 제조하기 위해 말단에 친수성 에틸렌글리콜 사슬을 도입하였다. 합성한 다이아릴에텐 유도체를 기반으로 제조한 잉크는 자외선 노광을 통해 발색 시킨 뒤 사용하였다. 다이아릴에텐 잉크는 일반 잉크젯 프린터용 카트리지에 주입하여 사용하였으며, A4용지 상에 글자나 그림이 정상적으로 인쇄되는 것을 확인하였다. 기성 잉크 제품을 사용했을 때처럼 우수한 해상도의 풀 컬러 이미지를 얻을 수 있었고, 가시광선을 노광하면 인쇄된 내용이 말끔하게 지워지는 것을 확인하였다. 지워진 종이 위에 다시 선명하게 인쇄가 가능했으며, 반복적인 인쇄 및 지우기에도 종이의 손상 없이 인쇄 품질이 유지되는 것을 확인하였다. 광변색성 다이아릴에텐을 기반으로 한 이 리라이터블 페이퍼 시스템은 기성 인쇄장치를 사용하면서도 풀 컬러 표현이 가능한 실용적인 종이 재사용 방안을 새로이 제시하였다.