Fabrication of Inorganic Colloidal Pattern by Solution Processes

Abstract

Macro- and nanopatterning, a technique that fabricates a micro-or nanostructure on substrate, gives unique properties. Photolithography and soft lithography are the representative techniques to form patterned structure. Moreover, fabrication of pattern using colloidal crystals is widely investigated, such as non-close-packed colloidal pattern and inverse opal. However, various fabrication steps or diverse equipments are required for these patterns. To solve these problems, a hydrogel colloidal pattern was fabricated by simply immersing close-packed colloidal monolayer into methanol-water mixture. However, colloids re-swell and return to colloidal monolayer when the substrate is exposed to good solvents or while drying the substrates. There are techniques to fix colloidal patterns with polymer or organic materials, but it is still necessary to fabricate patterns ensuring the long-term structural stability under the illumination of sunlight. In this study, inorganic colloidal pattern using hydrogel colloid is fabricated by solution processes. By simply immersing colloidal monolayer into methanol-solution containing inorganic precursor, inorganic precursors are converted to inorganic material and grow on the surface of the shrunk colloids. As a result, inorganic colloidal pattern was obtained. This fabricated pattern does not return to close-packed monolayer after exposure to good solvents, maintaining its morphology. Various inorganic precursors were used to fabricate colloidal patterns on various substrates, and the resulting substrate exhibited anti-reflective properties. Therefore, this technique is expected to be applicable to various fields, such as electronics, optics, and sensors. |마이크로와 나노 패터닝 기법은 기판에 나노 구조를 제조하는 기술로 독특한 성질을 제공한다. 대표적으로 포토리소그래피, 소프트 리소그래피와 같은 기술들 이 패턴화된 구조를 제조하기 위해 활용된다. 그 외에 비밀집 (non-closedpacked) 콜로이드 결정과 역오팔 등 콜로이드 결정을 이용한 패터닝 기법이 활 발하게 연구되고 있다. 하지만 이러한 기술들은 긴 반응 시간과 복잡한 기기 사용 이 필요하다는 문제점이 있다. 따라서 간편하게 패턴을 제조하기 위해 메탄올-물 혼합 용액에 담가 밀집된 하이드로겔 단층막을 비밀집 패턴으로 전환시키는 연구 가 진행되었다. 하지만 콜로이드 입자가 에탄올, 물과 같은 유기 용매에 노출이 되거나, 건조 과정에서 다시 밀집된 단층막으로 돌아가게 된다는 문제점이 있다. 고분자나 유기 물질로 패턴을 고정하는 기술도 있으나, 이 방법을 사용하는 경우 에 자연광에 의해 패턴 구조가 오래 유지되지 못할 가능성이 높아 이러한 문제점 을 해결할 수 있는 방법 개발이 필요하다. 본 연구에서는 앞서 언급된 여러 기술들의 문제점들을 동시에 해결하기 위해 용액 공정을 이용해 무기 콜로이드 패턴을 제조하였다. 복잡한 기기를 사용하지 않고 밀집된 콜로이드 단층막을 무기 전구체가 포함된 메탄올-물 용액에 담그게 되면 콜로이드 입자가 수축되는 동시에 무기 전구체가 무기 물질로 전환되어 콜 로이드 입자에 자라게 된다. 그 결과, 무기 입자로 고정된 비밀집 콜로이드 패턴 이 제조되어 밀집 단층막으로 돌아가지 않게 된다. 다양한 무기 전구체를 이용해 무기 패턴을 다양한 기판에 제조하였고, 제조된 기판은 anti-reflective 효과를 보였다. 따라서 이 용액 공정은 센서, 전자, 광학 등 다양한 분야에 활용할 수 있 을 것이라 기대한다.