Large area ordered structure by organic molecular soft building blocks is one of the most exciting interdisciplinary research areas in current materials science and nanotechnology. Directed self-assembly of soft condensed matter such as block copolymers, supramolecules, surfactants, colloids, and liquid crystals (LCs) have been massively studied to get very periodic and defect free structures for the potential application of micro-fabrication.
In this thesis, the new types of liquid crystal defects array are introduced for the first time and can be forming highly ordered array controlled by several methods which are including surface treatment, micro-size confined system, external field and thermal annealing. The origin and the behavior of LC defect structures are described based on liquid crystal physics and brand new defect structures of smectic liquid crystal are introduced for the first time in liquid crystal research field and are described by theoretical approach. The unique defect structures are investigated by convolution methods between various microscopic techniques - polarized optical microscope (POM), fluorescence confocal microscope (FCM), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and atomic force microscope (AFM) and scattering methods - X-ray diffraction (XRD) and small angle neutron scattering (SANS). The present findings at here pose new theoretical challenges and potentially open the way for lithographic applications based on smectic liquid crystalline materials. As a potential application, the highly ordered LC defect arrays can be used for various lithographic templates such as photolithographic mask, microlens array and superyhydrophobic surfaces
The thesis consists of eight chapters. At first, Chapter 1 of “introduction” section briefly explain and overview about whole researches in this thesis. Chapter 2, 3 and 4 introduce the study of periodic smectic liquid crystal defect structures, such as toric focal conic domains (TFCDs) and optical zigzag pattern, within $\It{micro-size confined system}$. The next four chapters (Chapter 5, 6, 7 and 8) show the novel method to fabricate for large area toric focal conic domains (TFCDs) array on $\It{the flat substrate without confined system}$ and introduce several studies of potential applications based on large area TFCD array substrate. There are including of 1) micro-contact printing technique, 2) superhydrophobic surface, 3) microlens array, and 4) photolithographic mask providing from TFCDs array.
본 학위 논문은 자연계에서 고유하게 생성되는 액정결함구조에 대한 구조분석 및 제어방법 그리고 이를 이용한 응용연구들의 결과를 다루고 있다. 연구에 사용된 물질은 스멕틱 상(phase)을 가지는 막대기형 불소기 액정물질로써, 일반적인 경우에 Focal Conic Domain이라는 스멕틱 액정의 고유한 결함구조를 형성한다. 본 연구에서는, 불규칙적으로 형성되는 이러한 액정결함구조를, 표면처리 및 마이크로채널과 같은 제한조건을 이용함으로써, 크기, 배열 정도, 생성위치 등을 안정적으로 제어할 수 있었다. 이 때 형성되는 스멕틱 액정결함구조는 (Toric Focal Conic Domain) 회오리형의 독특한 표면 모폴로지와 내부 구조를 가진다. 이러한 액정결함구조의 생성 메커니즘은 다양한 현미경 기법과 (편광현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경, 원자간력현미경, 공초점광학현미경) 자유 에너지 계산을 통해, 이론적으로 명확하게 규명되었다. 이론적인 모델링이 완성됨에 따라, 원하는 크기의 액정결함구조를 형성할 수 있는 제한조건의 설계도 가능해졌다.
또한, 좀 더 정교한 표면처리와 열처리 과정을 통해, 특수한 제한조건 없이도 대면적에 걸쳐 균일한 크기를 가지고, 높은 주기성을 가지는 액정결함의 정렬구조(array)를 제작할 수 있었다. 액정을 이용한 자기조립 방법은, 액정 고유의 높은 유동성과 외부장에 대한 빠른 응답성 때문에, 기존에 연구된 다른 자기조립체 (블록공중합체, 콜로이드 입자, 마이셀 등) 들에 비해 공정 속도가 수십 배 이상 빠르고, 구조를 쉽게 제어할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.
액정결함의 대면적 정렬구조 제작방법은 새로운 자기조립형 마이크로-, 나노-리소그래피용 주형으로써의 가능성을 열어주었고, 다양한 광전자소자에 대한 응용연구를 가능하게 하였다. 첫째, 액정결함구조의 고유한 내부 에너지 분포를 이용하여, 기능성 나노물질을 자기조립적인 방법으로 정확한 위치에 배열할 수 있었다. 같은 크기를 가지는 액정결함구조는 내부에 동일한 표면, 휨 자유에너지 분포를 가지기 때문에, 액정과 함께 섞여있는 나노입자는 자기조립 방식에 의해 정확히 같은 위치에 포집된다. 이러한 공정은 액정결함구조를 직접적인 주형으로 사용함으로써, 다른 기능성 물질들을 규칙적으로 배열 시킬 수 있음을 의미한다. 둘째, 액정결함 정렬구조를 이용하여, 초발수성 (Supehydrophobic) 필름을 제작하였다. 본 연구에 사용한 액정 분자는 말단에 다량의 불소기를 포함하고 있어서, 매우 낮은 표면에너지 특성을 가진다. 액정결함구조가 가지는 마이크로미터 수준의 회오리형 표면 구조 위에, 반응성 이온 식각 (Reactive Ion Etching) 기법을 이용하여 나노미터 수준의 미세 표면 구조를 추가적으로 도입함으로써, 이중 (Dual) 모폴로지 구조를 가지는 초발수성 필름을 손쉽게 제작할 수 있었다. 이 때 제작된 초발수성 필름은 상당한 열적, 화학적 안정성을 보였다. 셋째, 대면적 액정결함 정렬구조를 이용하여 자기조립형 마이크로렌즈 필름을 제작할 수 있었다. 액정결함구조의 내부에서는, 복굴절 특성을 보이는 액정 분자들이, 결함구조의 중심을 향해 정확하게 방사형으로 배향되어 있다. 이러한 분자배향 특성은 각각의 마이크로미터 크기를 가지는 액정결함구조 자체가 빛을 중심으로 모으는 렌즈 역할을 할 수 있음을 의미한다. 이 때 제작된 마이크로렌즈의 초점거리는 액정결함구조의 크기 조절을 통해 쉽게 제어 되었고, 여러 번의 고분자 몰딩 기법을 통해 실상 또는 허상을 형성하는 서로 다른 종류의 마이크로렌즈 패턴들도 제작할 수 있었다. 마지막으로, 액정결함구조의 마이크로렌즈 특성을 이용하면, 입사되는 빛의 광량을 렌즈특성으로 조절할 수 있기 때문에, 리소그래피용 마스크로의 직접적인 이용이 가능하다. 그리고 액정의 배향에 따라 발생하는 복굴절 차이는, 입사되는 빛의 방향에 대한 광학적 선택성을 부여한다. 따라서, 단순히 입사되는 빛의 편광방향 만을 변화시킴으로써, 한 종류의 마스크를 이용하여 다양한 형태의 패턴을 얻을 수 있었다.
본 연구는 지금까지 알려진 액정결함구조에 대한 역발상에서 시작되었다. 디스플레이나 기타 액정의 이용분야에서는 결함구조를 없애기 위한 노력이 지속적으로 연구되어왔으나, 본 연구에서는 액정의 결함구조를 오히려 인공적으로 발생시키고 이를 규칙적으로 배열함으로써, 연성나노소재의 주형 (template)으로 이용하였다. 이는 액정의 새로운 응용분야를 개척한 것으로서, 실용적, 학문적 의미를 가지는 연구의 장을 열었다고 할 수 있다. 또한, 액정결함구조 제어를 위해 확보한 표면처리 기법, 제한조건 설정, 이론적 모델링에 대한 지식은 향후, 결함이 없는 액정디스플레이나 자기조립형 나노패터닝 연구 분야에 충분히 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다.
