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Liquid crystal defect patterning in various confinement geometries and their applications as opto-electronic devices = 다양한 기하학적 제한 조건을 이용한 액정 결함구조의 패터닝 및 광전자 소자 응용 연구
서명 / 저자 Liquid crystal defect patterning in various confinement geometries and their applications as opto-electronic devices = 다양한 기하학적 제한 조건을 이용한 액정 결함구조의 패터닝 및 광전자 소자 응용 연구 / 김정현.
저자명 김정현 ; Kim, Jung-Hyun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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초록정보

Template assisted self-assembly technique, which use a combined bottom-up with self-organization and top-down with lithographic templates, is one of the most interesting issues in current nanotechnology and material science researchers. This method not only generates building blocks such as colloidal particles, block copolymers, supramolecules and surfactants with perfect ordering, but also creates many hierarchically complicated structures. In this thesis, we introduce well-ordered and perfect-shaped defect structures of a common smectic LC, 8CB (4’-n-octyl-4-cyano-biphenyl), using template assisted self-assembly techniques. A synthetic rod-like smectic liquid crystal containing a rigid aromatic group and semi-fluorinated chains generates well-ordered toroidal structures called toric focal conic domains (TFCDs) as self-assembling building blocks when confined within rectangular micro-channels. However, in case of readily available smectic liquid crystals, 8CB, the ordered arrangement of TFCDs is a challenging work because of their high mobility and low elasticity. Although recent efforts in control of 8CB defect structures, such as toric focal conic domains (TFCDs) have been performed by confining micron sized rectangular channel with surface polarity, TFCDs could not be aligned in the center of the channels. However, by only changing the confined geometry, we could fabricate the uniform sized and perfect shaped defect patterns of 8CB. This is attributed to the combining effects between antagonistic surface anchoring conditions and precisely directed molecular orientation onto inclined side walls of trapezoidal channel. Furthermore, size and ordering of arrays of 8CB can be simply controlled by varying the feature dimension of bottom width (l) and depth (h) in the trapezoid-shaped channel. Also, we suggest thermally responsive microlens arrays (MLAs) as a potential application based on liquid crystal defect pattern. This system focuses light using both the intrinsic LC molecular orientation and geometrical shape of the TFCDs, leading to efficient microlenses. The microlens effect disappears in the isotropic and the nematic phases due to variation of the molecular orientation, and appears again in the smectic phase. Thus, the thermally responsive microlens system can be created rather easily by just changing the temperature. This system has remarkable advantages over previous thermally reversible microlens arrays in that it has a fast response to the temperature changes due to high mobility of 8CB molecules, and is easy to prepare because of the low smectic-nematic phase transition temperature (32.2ºC). Furthermore, the focal length and array number of the microlenses can be easily controlled by varying the feature dimension of the confining channel. Thus, this provides for a facile fabrication of thermally responsive MLAs with a variety of focal lengths (that are tunable) and the number of lenses being easily controllable by the periodic defect structure.

최근 top-down 방식과 bottom-up 방식을 융합시켜 자기조립 나노구조를 결함없이 long range order를 가지도록 조절하는 분야가 많이 연구되고 있다. 그 중 템플레이트 도움 자기 조립법 (Template assisted self-assembly))는 top-down 공정을 통해 일정 패턴주기를 가지는 템플레이트를 제조하고, 이를 이용하여 자기조립 나노구조를 제어하는 방법을 의미한다. 본 학위 논문은 자연계에서 불규칙적으로 생성되는 액정결함구조를 템플레이트 도움 자기조립법을 이용하여 제어하여 액정 패터닝 방법을 제안하고 제작된 액정 패턴을 온도반응성 마이크로렌즈 어레이로서의 활용방안에 대해 다루고 있다. 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. 하지만, 액정 패터닝에 사용할 수 있는 액정의 종류가 불소기 함유 스멕틱 막대기 액정으로 한정되어 있었다. 상기 액정은 rigid한 불소기 말단기로 인해 자기조립 성질이 매우 우수하여 액정 결함구조들이 수 마이크로미터 수준으로 대면적으로 고르게 형성될 수 있었다. 그러나, 범용액정인 8CB의 경우 액정 분자의 mobility가 강하여 액정결함구조의 제어가 쉽지 않았다. 본 연구에 쓰인 8CB는 등방성 온도에서 네마틱을 거쳐 스멕틱 상을 가지는 막대기형 액정물질로써, 일반적인 경우에 Focal Conic Domain이라는 스멕틱 액정의 고유한 결함구조가 불규칙적으로 형성되었다. 본 연구에서는, 불규칙적으로 형성되는 8CB의 액정결함구조를 표면처리 및 마이크로채널의 기하학적 모양을 사각형에서 사다리꼴로 변형하여 8CB 액정결함구조를 제어하였으며, 또한 사다리꼴 마이크로 채널의 크기를 변화시킴으로써, 크기, 배열 정도를 안정적으로 제어할 수 있었다. 이 때 형성되는 스멕틱 액정결함구조는 회오리형의 독특한 표면 모폴로지와 내부 구조를 가진다. 이러한 액정결함구조의 생성 메커니즘은 다양한 현미경 기법 (편광현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경, 원자간력현미경, 공초점광학현미경) 을 통해 규명되었다. 또한, 제작된 액정 결함 정렬구조를 이용하여 자기조립형 마이크로렌즈 어레이를 제작할 수 있었다. 액정결함구조의 내부에서는, 복굴절 특성을 보이는 액정 분자들이, 결함구조의 중심을 향해 정확하게 방사형으로 배향되어 있다. 중심부로 갈수록 높아지는 굴절률 구조는 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 될 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 설정은 향후, 결함이 없는 액정디스플레이나 자기조립형 나노패터닝 연구 분야에 충분히 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 12004
형태사항 x, 73 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jung-Hyun Kim
지도교수의 한글표기 : 정희태
지도교수의 영문표기 : Hee-Tae Jung
수록잡지명 : "Highly Ordered Defect Arrays of 8CB (4". Journal of Materials Chemistry, v.21. no.45, 18381 - 18385(2011)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including References
주제 스멕틱액정
결함구조
마이크로채널
마이크로렌즈
자기조립
Smectic liquid crystal
toric focal conic domains
Microchannel
Microlens
Self-assembly
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