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Chemo-mechanical Bilayer Effects Enhancing Sensitivity of Photonic Crystals-based Chemical Sensor

초록 (요약문)

Volatile organic compounds (VOCs) are common air pollutants that appear at room temperature and pressure in a variety of environments, including industrial sites, waste from manufacturing, inside of automobiles, and residential settings. Since highly concentrated VOCs can cause severe health and medical problems, including damage to the central nervous system, there is a growing need for low-end monitoring technology that can detect the concentration of VOCs in the indoor air easily and continuously. The epidermis of many plants and animals in nature has a structural color due to diffraction caused by nanostructures and reinforcing interference effects and is visually responsive to external stimuli. Inspired by this phenomena, researchers have investigated photonic crystals (PCs)-based sensors, which may alter certain structural colors by varying the distances between nanostructures in response to external chemical stimuli. In contrast to the existing colorimetric sensor, which shows a single-time color change from chemo-responsive dye inducing a chemical reaction with the target material, the photonic crystal-based sensor shows color change due to physical phenomena, the swelling of the polymer matrix caused by external chemical molecule penetration, allowing for repeated and sustainable color change. However, PC-based sensors do not have sufficient sensitivity and show only a single wavelength change for a single chemical stimulus of a specific concentration. A new mechanism for enhancing the sensitivity of PC-based sensors is explored here: The bilayer effect, which is caused by mechanical stress from different swelling between thin film and photonic crystal structures, improves the sensitivity of existing photonic crystal sensors. Different color changes (bandgap shift) can occur depending on material properties such as Young's modulus and chemical affinity to the target chemicals. This is verified by the Multiphysics simulation and supported by measuring and analyzing the stiffness of PC structures when exposed or not to the target chemical. The time required for color change is proportional to the thickness of the thin film, which can be expressed using a diffusion equation. Surprisingly, the thickness of the thin film has little effect on the degree of color change. When four polymers with different swelling properties (chemical affinities) are patterned on a photonic crystal with constant thickness, depending on the type and concentration of VOCs, different color combinations and color change speeds are observed, allowing for selective and quantitative detection of chemicals. These results present the potential to be used as low-end power-free sensors in various indoor environments that are easily exposed to VOCs and can be applied to the development of cryptographic characters for determining the authenticity of bills by allowing specific patterns or color combinations to appear after a specific time depending on the thickness and type of the film.

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초록 (요약문)

휘발성 유기 화합물(VOCs)은 산업 현장, 제조 폐기물, 자동차 내부 및 주거 환경을 포함한 다양한 환경에서 배출되는 일반적인 대기 오염 물질이다. 고농도 VOCs는 중추신경계 손상 등 건강과 의료에 심각한 문제를 일으킬 수 있기 때문에 실내 공기 중 VOCs 농도를 쉽고 지속적으로 감지할 수 있는 보급형 모니터링 기술에 대한 필요성이 증가하고 있다. 자연계의 많은 동식물의 표피는 나노 구조에 의한 회절과 간섭효과로 인해 구조적인 색을 띠며 외부 자극에 시각적으로 반응한다. 이 현상에 영감을 받아 외부 화학 자극에 반응해 나노 구조물 사이의 거리를 변화시켜 특정 구조색을 바꿀 수 있는 광결정(PC) 기반 센서에 대한 연구가 진행되어 왔다. 기존의 색도 센서는 화학반응성 염료와 대상 물질과의 화학 반응에 의해 비가역적 색변화를 보이는 것과 달리 광결정 기반 센서는 외부 화학물질의 침투로 인한 고분자 매트릭스의 팽창이라는 물리적 현상을 기반으로 하여 가역적이고 지속 가능한 색 변화를 보인다. 그러나 기존의 PC 기반 센서는 비교적 낮은 지속성을 가지고, 특정 농도의 단일 화학 자극에 대해 단일 파장 변화만을 보여준다는 한계를 가지고 있다. PC 기반 센서의 민감도를 향상시키는 새로운 메커니즘은 다음과 같다. 얇은 박막과 광결정 구조의 상이한 팽창율에 의한 기계적 응력이 야기하는 이중층 효과는 기존 광결정 센서의 감도를 향상시킨다. 센서의 색변화는 영률 및 대상 물질에 대한 화학적 친화성과 같은 재료 특성에 따라 다르게 발생한다. 이는 다중 물리 시뮬레이션에 의해 검증되며 대상 화학물질에 노출 혹은 비 노출 시 PC 구조물의 강성을 측정하고 분석함으로써 뒷받침된다. 색 변화에 필요한 시간은 박막의 두께에 비례하며, 이는 확산 방정식을 이용하여 표현할 수 있다. 일정한 두께의 광결정 층에 화학적 친화도에 따른 팽창 정도가 다른 4개의 고분자를 도포하면 VOCs의 종류와 농도에 따라 매번 다른 색 조합과 색 변화 속도가 관찰되어 화학물질의 선택적, 정량적 검출이 가능하다. 이러한 결과는 본 센서가 VOCs에 쉽게 노출되는 다양한 실내 환경에서 보급형 무전원 센서로 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 더 나아가, 본 기술은 박막의 두께와 종류에 따라 특정한 패턴이나 색 조합이 일정 시간 후에 나타나도록 함으로써 지폐의 진위를 판단하는 암호문자 개발에 적용될 수 있다.

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