Realization of Mechanically Switchable Plasmonic Color Filter

Abstract

With the advancement of technology, lithography has become possible on a nanometer scale. Thanks to this, the study of structural color using surface plasmon resonance has been increasingly developed. Now, even excellent color filters that can express detailed colors have been presented. Soft imprint lithography is a technology in which the same pattern is imprinted on a flexible dielectric material through a manufactured master. The desired pattern can be mass-produced from one master. In this paper, we used soft imprint lithography to pattern nanostructures on a dielectric material. We fabricated a mechanically switchable color filter that changes color according to mechanical stimulation. This study presents an easy and simple way to sense pressure by change in color. In order to display structural colors from surface plasmonic polaritons in the visible wavelength, a one-dimensional waveguide mode with a period of at least 300 nm was designed. However, defects can easily occur in the patterning process due to the surface energy of the master and the elasticity of the polymer. To solve this problem, we varied Young’s modulus of the polymer by using S-PDMS, H-PDMS, and S-PUA. Through this study, we found that S-PUA is a suitable polymer for imprinting the nanopattern successfully. The realized nanopattern was put on a silver substrate to display plasmonic reflective colors. To see the optical response due to a mechanical stimulus, we first pressed the pixel by loading it with static weights. No deformation and optical response were observed due to the hardness of the S-PUA. In another trial, asymmetric pressure was applied to the pixels. This caused air to enter between the grating and silver substrate, resulting in dynamic optical changes (i.e., color change). The pixel’s original color switched to another color due to the introduction of the air layer. This phenomenon can be of utility for balance sensors.;기술 발달로 인해 나노미터단위로 리소그래피가 가능해지면서 표면 플라즈몬 공명을 이용한 구조색 연구는 점점 더 발전되어왔고 이제는 세밀한 색 표현까지 가능한 우수한 컬라필터까지 제시되었다. 최근에는 소프트한 유전소재에 나노패턴을 새길 수 있게 되었고, 외부의 자극에 따라 색이 다양하게 변하는 플라즈모닉 컬러필터가 제시되고 있다. 본 논문은 미세한 나노패턴 구현을 기존의 리소그래피가 아닌 소프트 임프린트 리소그래피로 이용하고 유전소재의 물리적 성질을 이용하여 기계적 자극에 따라 색이 변하는 컬러필터를 구현하였다. 소프트 임프린트 리소그래피는 제작된 마스터를 통해 소프트한 유전물질에 동일한 패턴을 새기는 기법으로 하나의 마스터를 통해 원하는 패턴을 대량 생산할 수 있다는 점에서 획기적인 기술이라고 할 수 있다. 이러한 장점은 구조색의 상용화에 기여할 뿐만 아니라 쉽고 간단하게 센서로 쓰일 수 있어 다양한 응용분야에 사용이 될 수 있다. 가시광선 영역에서 플라즈모닉 공명에 해당하는 색을 구현하기 위해 주기가 최소 300nm대에 해당하는 1차원 도파관 모드를 설계하였다. 그러나 나노 단위의 격자구조일 경우 마스터의 표면 에너지와 고분자의 물리적 성질로 인해 본 뜨는 과정에 결함이 발생하며 이는 광학적 결함으로도 이어지는 문제가 발생하였다. 본 논문은 S-PDMS, H-PDMS, S-PUA 를 통해 영의 계수에 따른 패턴 구현을 연구하였으며 위의 결함을 최소화하는 방법에 대해 서술하였다. 나노 패턴이 새겨진 S-PUA 를 Ag기판위에 올려서 CMY 영역에서의 색을 구현하였다. 또한 기계적인 자극을 가하여 민감하게 반응하는지 살펴보았고, 자극에 따라 플라즈모닉 구조색이 달라지는 것을 확인하였다. S-PUA 는 무거운 추를 올려놓음으로 압력을 가했을 때 변형이 일어나지 않았다. 그러나 불균일한 압력을 가하여 S-PUA 로 이루어진 격자 구조와 실버 기판의 틈을 유발할 경우, 주변 공기층의 유입이 발생한다. 이러한 공기층에 의하여 복굴절이 발생 한 결과 매우 밝고 다채로운 색이 나타나게 된다. 추가 연구로 이러한 공기의 움직임 현상을 가역적으로 제어할 수 있다면, 균형 센서, 압력 센서, 등 다양한 센서로 만들어 질 것으로 전망된다.