The optical responses and orientational photorefractivities of nematic liquid crystal cells doped with fullerene were investigated with layered structure. The spatial modulation of the refractive index due to charge redistribution would be applied in high-density optical data storage, optical image processing, as was the orientational photorefractivities of nematic liquid crystals for conjugated mirror, and real-time holography.
The photorefractive effect in nematic liquid crystals attracts much interest because of their extremely large change of refractive index that can be induced in them by laser or applied voltage. The mechanism of generating photorefractive effect using liquid crystals is slightly more complicated, different from that of other photorefractive materials, and is attributed to the refractive index change due to the reorientation of directors of liquid crystals from an internal space-charge field. The method to distinguish the photorefractive effect from other types of gratings which may occur in photorefractive materials is two-beam coupling measurement which shows asymmetric energy exchange. In nematic liquid crystals, the Raman-Nath diffraction regime must be satisfied to obtain high photorefractive efficiency. Diffraction efficiency can be obtained by measuring the first-order Raman-Nath diffracted beam.
In order to prepare a hybrid-structured photorefractive cell, the photo-alignment study has been performed ahead. With the result, we could prepare highly transmitted hybrid-structured photorefractive cell and obtain reasonably high photorefractive effects. We could find that the reorientation of liquid crystals onto photoconduction layer would govern the whole photorefractivity in layer-structured liquid crystal system. When nematic liquid crystals are injected at a nematic phase, the better cell texture can be obtained due to flow-induced orientation effect. Sample with this method showed much higher photorefractive effects than that injected at an isotropic phase. We could find that the molecular ordering of liquid crystals highly influences the orientational photorefractive effects, and obtain the correlation between molecular orientation and photorefractive effect. We prepared a layer-structured liquid crystal cell in which p-PMEH-PPV was added to PVK with a proper ratio. Although sample cells decreased a little photorefractive effects due to the reduction of charge density and trap sites, they showed the improved grating formation time required for a real-time device. In order to obtain both second-harmonic and photorefractive effects simultaneously in nematic liquid crystals, MMONS and $C_60$ were doped with nematic liquid crystals and we could investigate the possibility of two effects.
층상구조를 이용해 Fullerene이 첨가된 네마틱 액정 셀의 광굴절과 광학효과가 연구되었다. 네마틱 액정의 배향적 광굴절 특성은 전하 재분포에 의한 굴절율의 공간변조로 인해 고밀도 광학용 정보저장, 광학 이미지 가공, 복합 거울, 실시간 홀로그램 등에 응용 가능하다.
네마틱 액정은 레이저 조사나 전기장 인가에 의한 굴절율의 변화가 매우 크기 때문에 광굴절 효과에 있어 상당한 관심을 끌고 있다. 액정을 이용해서 광굴절 효과를 만들어 내는 메커니즘은 다른 광굴절 물질과는 다른데, 이는 액정의 광굴절 효과는 내부전기장에 의한 액정 방향자의 재배열에 기인하기 때문이다. 광굴절성 물질에서 생성 가능한 다른 유형의 격자와 광굴절에 의한 격자를 구분하는 방법에는 이광파 혼합 측정이 있는데, 이를 이용하면 후자의 경우는 비대칭적인 에너지 전이 현상을 보여준다. 네마틱 액정은 Raman-Nath 회절 영역에서 높은 광굴절 효과를 보여주는데, 보통, 액정을 이용할 경우의 회절 효율은 일차 Raman-Nath 회절빔의 세기를 측정하여 얻을 수 있다.
하이브리드 구조의 광굴절 액정 셀을 제작하기 위해, 먼저 광배향에 대한 기초 연구를 진행하였으며, 그 결과를 바탕으로 고투과성 하이브리드 광굴절 액정 셀을 제작할 수 있었으며, 꽤 큰 광굴절 효과를 보여주었다. 아울러, 이 셀을 이용하면 층 구조 액정 셀 내에서의 광굴절 효과는 광전도성 고분자 층 위에 존재하는 액정의 재배열에 의해 좌우된다는 것도 알 수 있었다. 네마틱 액정이 액체 상으로 주입되지 않고 네마틱 상으로 층 구조 액정 셀에 주입되면, 흐름에 의한 배향 효과로 인해 더 좋은 배향 구조를 보인다는 것을 알았다. 이 방법으로 제작된 액정 셀은 광굴절 효과에 있어서도 액체 상으로 주입된 셀보다 훨씬 컸으며, 이는 액정 분자의 배열 특성이 배향적 광굴절 효과에 영향을 준다는 것을 의미하며, 분자 배향과 광굴절 효과에 대한 상관 관계도 구할 수 있었다. p-PMEH-PPV를 PVK에 일정 비율로 첨가한 광전도성 고분자 층을 이용해 광굴절 액정 셀을 제작하게 되면, 광굴절 효과는 전하밀도와 트랩의 감소로 인해 다소 감소하지만, 빠른 전하 이동으로 인해 격자 형성 속도가 빨라지게 된다는 것을 알 수 있었으며, 이런 구조의 액정 셀이 실시간 장치에는 더 적합하다고 여겨진다. 액정 셀에서 광굴절 특성과 이차 조화파를 함께 얻기 위해서 네마틱 액정에 비선형 광학 물질인 MMONS와 광전하 발생체인 Fullerene을 함께 첨가하였으며, 이를 통해 액정 셀에서도 두 효과가 모두 얻어질 수 있음을 보였다.
