광결정은 구조상으로 수백 나노에서 수 마이크론 크기의 주기를 갖는 서로 다른 물질이 1차원, 2차원 혹은 3차원으로 배열되어 있는 특징을 가지고 치다. 빛의 흐름이 광결정에 의해 조절되는 원리는 브래그에 의해 밝혀진 주기적인 원자배열에 의해 x선이 반사되는 원리와 같다. 즉, 일정한 파장 영역을 갖는 빛이 광결정 구조를 만나게 되면 일부는 광결정 구조를 투과하여 지나가고, 일부는 반사되게 된다. 이때 광결정을 투과하지 못하고 반사되어 나오는 빛의 파장 영역대를 광밴드갭(Photonic bandgap)이라고 한다. 광결정이 빛을 반사하는 성질은 결정구조, 굴절률과 관계가 크다. 일반적으로 광결정은 물질을 이루는 두가지 물질의 굴절률의 차이가 클수록 넓은 광밴드갭을 가져, 제어할 수 있는 빛의 영역이 넓어진다. 광결정의 이러한 특성은 빛의 전송을 미세한 영역에서 제어하는데 이용할 수 있고, 광전송로, 레이저, 광통신소자에 쓰일 수 있다.
이와 같은 광결정의 제조는 현재 기존의 광식각공정 (Photolithography)이나, MEMS (미세 전자기계 시스템; micro-electronic mechanical system)기술 혹은 콜로이드의 자가배열 (colloidal self-assembly)기술에 의해 연구되고 있다. 콜로이드의 자가배열법은 가장 손쉽게 3차원 광결정을 제조할 수 있으나, 내부의 결함의 제어가 어렵다는 큰 단점이 있다. 현재의 연구는 콜로이드 결정의 모양 제어를 통해 다른 응용분야에 대한 적용가능성을 모색하고 있으며, 본 논문의 Chapter 1에서 몇 가지 연구결과를 요약하였다.
본 논문에서는 광결정을 제조하기 위하여 광식각공정 중 홀로그래피 식각공정 (holographic lithography) 을 이용하였다. 홀로그래피 식각공정은 기존의 공정에서 마스크 대신 다중빔의 광학적 간섭무늬패턴 (multi-beam interference pattern)을 이용한 것이다. 이때 간섭에 이용되는 빔의 개수는 형성되는 패턴의 차원을 결정하고, 각각의 빔의 방향벡터는 패턴의 구조 및 주기를 결정하고, 편광은 주기의 단위원자의 모양을 조절 하는데 쓰인다. 본 논문의 Chapter 2.1에서는 2차원 및 3차원에서 홀로그래피 간섭패턴을 형성하고, 간섭패턴의 제어를 위해 각 빔의 위상(phase)을 조절하였다. 이와 같은 위상의 조절은 패턴에서 단위원자의 모양을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 간섭패턴을 미세하게 이동시킬 수 있다. Chapter 2.2에서는 홀로그래피 간섭패턴을 실제 광 반응성 고분자에 조사하여 고분자 패턴을 얻는 실험을 수행하였다. 또한 간섭패턴의 단위원자를 디자인 하는 방법으로 간섭무늬의 이동을 이용한 다중조사방법(mult iple-exposure)을 제안하였다. 다중조사방법이란, 구와 같은 등방성(isotropic)인 원자를 갖는 간섭무늬패턴을 형성하고, 위상조절을 통해 간섭무늬패턴을 이동시켜, 다시 빔을 조사하여 비등방성(non-isotropic)인 원자를 갖는 고분자 패턴을 얻는 방법을 의미한다. 이를 통해 얻어진 비등방성 원자는 광결정구조의 광학적인 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 넓은 광밴드갭을 가지고 있는 다이아몬드 구조는 면심입방구조에서 2개의 단위원자가 111방향으로 놓인 형태이다. 실험에서는 비등방성 원자를 갖는 2차원 및 3차원 고분자 패턴을 얻을 수 있었다. Chapter 2.3에서는 홀로그래피 식각공정과 연성식각공정 (soft lithography)를 이용하여 홀로그래피로 얻어진 광결정을 패턴화하는 실험을 수행하였다. 광결정의 패턴화는 광학소자로의 응용을 위해 필요하다. 실험에서는 연성식각공정으로 SU8 포토리지스트 패턴을 형성하고 고온에서 가열하여 완전히 경화를 시켰다. 그 후에 SU8 포토리지스트를 다시 코팅하고 간섭패턴을 조사하였다. 이때, SU8 고분자의 경우는 경화 전후의 굴절률 변화가 1%미만이며 또한 경화된 고분자의 경우 SU8 포토리지스트에 녹지 않으므로, 광결정 패턴을 왜곡 없이 제조할 수 있었다.
Chapter 3.1에서는 고분자 패턴을 틀로 하여 역전된 형태로 만드는 실험을 수행하였다. 높은 굴절률을 갖는 타이타니아와 같은 물질로 이루어진 광결정은 보다 넓은 L-gap을 갖으며 2.8이상의 굴절률을 갖는 타이타니아로 이루어진 광결정은 완전한 광밴드갭을 갖는다고 알려져 있다. 실험에서는 제조가 쉬운 고분자 콜로이드 결정을 이용하여 구조체를 형성하고 기상증착 (vapor deposit ion)을 이용하여 타이타니아를 증착하였다. 증착된 타이타니아-고분자입자 복합체는 소결하여 타이타니아 광결정으로 얻어졌다. 제조된 타이타니아는 SEM, XRD, TGA 및 반사특성을 이용하여 2.6이상의 굴절률을 갖는 것으로 파악되었으며 대략 8-10%의 부피를 차지하고 있는 것으로 예측되었다.
Chapter 3.2에서는 계산을 통해 Chapter 2.1, 2.2에서 고안된 방법으로 제조할 수 있는 3차원 광결정의 모양과, 광밴드갭의 형성을 조사하였다. 이때, 광밴드갭은 굴절률 3.45의 물질로 제조된 광결정의 경우, 면심입방구조형태에 대해 26%, 체심입방형태에 대해 22%의 광밴드갭을 갖는 것으로 예측되었다. 이와 같은 구조의 광밴드갭은 굴절률이 2.0 에서도 존재하였으며, 구조의 결함에 큰 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있다.
