A study on the polymer-nanoparticle hybrid systems for optical and electrical applications = 광학적, 전기적 활용을 위한 고분자-나노입자 하이브리드 시스템에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

폴리머는 본래 지닌 유연성과 신축성을 바탕으로, 딱딱한 로봇 시스템과 부드러운 생체 조직 사이를 연결하는 매개 재료로서의 역할을 수행해왔습니다. 하지만 최근 들어 이런 단순한 매개체를 넘어, 폴리머 자체를 통한 다양한 시스템과 디바이스 디자인에 관한 수요가 증가하였고 이는 기능적인 폴리머에 대한 관심으로 이어졌습니다. 이에 따라 연구되었던 자극 반응성 폴리머는 특정 자극에 반응하기 위해서는 특정 분자 구조를 사용해야 했기 때문에, 구현 가능한 물질 기능의 다양성에 본질적인 한계가 존재했습니다. 이러한 제약을 극복하기 위해, 폴리머의 기능성을 쉽게 확장할 수 있는 보완적 요소로서 나노 입자가 도입되었습니다. 폴리머와 나노 입자를 결합하는 기존의 전략은 주로, 폴리머의 기존 기능을 나노 입자를 통해 향상시키거나, 하이브리드 복합체 내에서 폴리머와 나노 입자가 각각 독립적인 기능을 발휘하도록 하여 다기능을 수행하는 데에 초점을 맞추었습니다. 그러나 이러한 조합은 여전히 각 구성 요소의 본래 기능성에 국한되는 경우가 많아, 소프트 소재 기반 디바이스에서 다양성 및 적응력에 여전히 한계를 보입니다.
이러한 기존 한계를 극복하기 위해, 본 학위논문은 단순한 성질의 조합을 넘어서는 새로운 설계 패러다임, 즉, 폴리머와 나노 입자의 시너지를 낼 수 있는 디자인을 통한 새로운 기능 창출을 제안합니다. 이는 특정 자극에 반응하는 고정된 분자 구조에 의존하는 기존의 접근 방식에서 벗어나, 전이 상태에 있는 폴리머가 발현하는 거시적 물성 혹은 특성에 주목하고, 이를 정밀하게 설계된 나노 입자와 결합시켜 새로운 형태의 하이브리드 기능성을 구현하고, 기존에는 없었던 폴리머의 기능으로 확장하고자 합니다.
2장에서는 광중합 중 나타나는 폴리머의 성장 거동을 나노 입자 초격자와 결합하여, 구조색을 정밀하게 조절하고 고정할 수 있는 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템은 나노 스케일의 정밀한 입자 간 거리 조절을 통해 빛에 의해 색을 변화시킬 수 있으며, 산소에 의한 중합 종료 반응을 이용해 원하는 색을 고정할 수 있어 실용적인 전색 단일 잉크 플랫폼을 가능케 합니다.
3장에서는 젤라틴 기반 폴리머의 졸(sol)-겔(gel) 가역 전이 특성과 자성 응답 나노 입자를 결합한 하이브리드 소재를 개발합니다. 이 소재는 탄성체에서 유체 상태로 자유롭게 전환이 가능하며, 외부 자기장에 따라 재구성 가능한 전도체로 기능하여 유전체 엘라스토머 액추에이터용 재구성형 전극으로 활용할 수 있습니다.
종합적으로 본 학위논문은 폴리머와 나노 입자 간의 동적 상호작용을 기반으로 소프트 소재의 기능 설계 공간을 확장합니다. 이는 폴리머의 기능이 고정된 화학적 구조에만 의존하지 않고, 물리적 전이 상태와 상호작용을 통해서도 발현될 수 있음을 보여주며, 프로그래머블하고 다 기능적인 소프트 디바이스의 새로운 가능성과 확장성을 제시합니다. 또한, 인간으로 대표되는 폴리머 활용의 확장을 통한 시스템은, 현재 딱딱하고 정적인 디바이스를 넘어, 적응력이 뛰어나고 복잡한 일을 수행하는 인간을 닮은 디바이스로의 발전에 한 걸음 더 나아갈 수 있는 초석이 되어줄 것을 기대합니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polymers, by virtue of their inherent flexibility and stretchability, serve as a bridge between rigid robotic systems and soft living organisms. Recently, the role of polymers in material systems has evolved. Instead of serving only as passive bridging matrices, polymers are now engineered into functional forms whose designed molecular motifs allow them to respond to external stimuli. Stimuli-responsive polymers should rely on specific molecular structures to react to defined stimuli, which inherently limits the diversity of material designs. To handle this limitation, nanoparticles have been introduced as a complementary component to expand polymer functionality without affecting mother material’s property. Prior strategies have largely focused on either enhancing the intrinsic function of polymers through nanoparticle incorporation or showcasing independent functions from both constituents within a hybrid composite. However, these combinations often remain confined to the original capabilities of each material, resulting in limited performance and restricted adaptability in polymer–based devices.
To overcome this limitation, this dissertation proposes a new design paradigm: the creation of synergistic functionalities through the co-engineering of interaction between polymers and nanoparticles, moving beyond a simple additive combination of existing properties. Rather than relying solely on specific molecular structures that respond to defined stimuli, I explore emergent macroscopic behaviors arising from polymers in transitional states. These behaviors are then combined with engineered nanoparticles to unlock new classes of hybrid functionalities.
In Chapter 2, I exploit polymer growth behavior during photo-induced polymerization and integrate it with nanoparticle superlattices to achieve tunable and fixable structural coloration. This system allows light-driven modulation of color through precise control of interparticle spacing and enables color fixation via oxygen-mediated polymer quenching, realizing a practical, full-spectrum, mono-ink platform.
In Chapter 3, I developed a hybrid material that couples the reversible phase transition of gelatin-based polymers (between sol and gel states) with magnetically responsive nanoparticles. This material can alternate between a soft, elastic solid and a fluidic, magneto-reconfigurable conductor, enabling reconfigurable electrodes for dielectric elastomer actuators.
Collectively, this dissertation expands the functional design space of soft materials by harnessing the dynamic interplay between polymers and nanoparticles. It demonstrates that polymeric functions need not be limited to static chemical structures but can emerge from transitional physical states and interfacial interactions, opening new avenues for programmable, multifunctional soft devices. I also believe that devices built entirely from polymer materials, which constitute much of the human body, will lay the groundwork for moving beyond today’s rigid, static devices toward systems that more closely resemble humans.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study background 1
• 1.1.1. Polymers 1
• 1.1.2. Nanoparticles 2
• 1.2. Goal and outline of this dissertation 4
• Chapter 2. Full-color generation via photo-tunable mono ink for fast and elaborate printings 6
• 2.1. Introduction 6
• 2.2. Experimental section 10
• 2.2.1. Materials 10
• 2.2.2. Color generation by polymerization 10
• 2.2.3. Fabrication of the regularly arranged nanobeads 11
• 2.2.4. Dynamic Light Scattering (DLS) measurement 11
• 2.2.5. Color measurement of the photo-tunable mono (PTM) ink 12
• 2.2.6. Color fixation 13
• 2.2.7. Preparation of a 3D model to allow printing 14
• 2.2.8. High-resolution pointillism printing 14
• 2.2.9. Cross-sectional SEM imaging 14
• 2.2.10. Finite-difference time-domain (FDTD) method simulation 14
• 2.3. Results and discussion 23
• 2.3.1. Constrained structural color generation 23
• 2.3.2. Color fixation 34
• 2.3.3. High-resolution and fast full color printing with PTM ink 39
• 2.3.4. Color blending for expressing magenta 45
• 2.4. Conclusion 49
• Chapter 3. A reconfigurable electrode for dielectric elastomer actuators via phase-transitional magnetic gel 50
• 3.1. Introduction 50
• 3.2. Experimental section 54
• 3.2.1. Materials 54
• 3.2.2. Synthesis of phase transitional magnetic gel (PTMG) 54
• 3.2.3. Volatility test 55
• 3.2.4. Colloidal stability test 55
• 3.2.5. Rheological properties measurements 55
• 3.2.6. Dynamic magneto-responsiveness measurements 56
• 3.2.7. Characterization of mechanical, magnetic and electrical properties 57
• 3.2.8. Fabrication and characterization of dielectric elastomer actuators (DEAs) using various dielectric materials 59
• 3.2.9. Cyclic test of DEA 59
• 3.2.10. Fabrication and operation of reconfigurable bending actuator 60
• 3.2.11. Fabrication and operation of reconfigurable luminescent display 60
• 3.2.12. DEA recovery by magnetic reconfiguration 61
• 3.3. Results and discussion 63
• 3.3.1. Designing PTMG as a reconfigurable electrode for DEAs 63
• 3.3.2. Collective motion and colloidal stability of PTMG 71
• 3.3.3. Mechanical and magneto-dynamic properties of PTMG 78
• 3.3.4. Reconfigurable dielectric elastomer actuators with PTMG 88
• 3.3.5. Enhancement of sustainability of DEA with PTMG 100
• 3.4. Conclusion 105
• Chapter 4. Conclusion 106
• References 107
• Abstract in Korean 113
• Curriculum Vitae 116