Manipulation of micro- and nano-structures based on soft matter over a large area has been of interest in the material sciences and industrial applications because this is believed to be an alternative tool for the lithographic applications that have been achieved by top-down photolithography. Indeed, these soft matter based approaches have been further extended to other advanced applications, such as organic semiconductor based devices, soft templates for nano-objects trapping and nature-inspired biomedical applications. All these achievements could be attained by the ordering and orientation control of soft matter at micro and nanometre-scales. Among the various kinds of soft matter, liquid crystal (LC) material is particularly susceptible to external environments in which its orientation can be easily controlled using various methods.
This simple alignment method is very useful to control the orientation of LC structures, but sometimes this is not sufficient to obtain a uniformly aligned large domain without defects. To maximise the surface anchoring effect, topographical confinement can be used, and the resultant large surface-to-volume ratio gives rise to much stronger LC/surface interaction. This effort can also yield exceptional physical property changes that are not presented in a bulk state, such as the suppression of thermal phase transitions and unusual mechanical behavior.
In this Ph.D. thesis, control of liquid crystal phases using confined geometries is discussed. The controlled LC in the nano-confined geometry exhibits the particular physical property, whereas it can be varied during the phase transition. As combining this aspect into optical structures such as photonic crystals and plasmonic structures, the light can be modulated in the nanoconfined LC medium, which can be a basis for demonstrating switchable optical structures.
연성 물질 기반의 마이크로/나노 구조체의 제작 기술은 초미세 복잡 매턴을 간단하고 빠르고 저렴하게 구현할 수 있다는 점에서 광식각 공정을 대체할 수 있는 기술로써 급부상하여 최근 다양한 패턴 제작 형성을 위해 재료 과학 및 산업 응용 분야에서 활발하게 연구가 수행되고 있다. 또한 연성 물질 기반의 구조체 제작 기술은 광식각 공정에만 국한하지 않고 유기 반도체 소자, 나노 파티클 패터닝을 위한 템플레이트, 생체 의학 응용까지 다양한 분야로 확장되고 있는 중이다. 그러나 연성 물질을 기능성 소재로써 활용하기 위해선 분자 수준에서 배향 및 정렬도 제어가 선행되어야 한다. 다양한 연성 물질 중 액정은 외부 환경에 민감하게 반응하는 물질로 다양한 방법들을 통해 이들의 배향을 손쉽게 제어할 수 있다.
기판의 표면 처리를 통한 액정 분자 제어 방법은 네마틱 상에서는 디스플레이 산업계에서도 널리 사용될 정도로 매우 유용하지만, 층상구조가 있는 스멕틱 A상의 경우 결함 없이 균일하게 배향된 넓은 도메인을 확보하는데 어려움이 따른다. 이 문제점을 타개하기 위하여 한정된 공간을 이용하는 제어 방법을 도입할 수 있는데, 이는 액정 물질을 마이크론 혹은 나노미터 크기의 공간 내에 한정시키게 될 경우, 액정 부피 대비 표면 비가 현저하게 증가하여 분자와 표면 간의 상호작용을 월등히 증대시켜 배향을 완벽하게 제어할 수 있다는 원리에 기반하고 있다. 게다가 좁은 공간 내에 분자들이 한정되어 있을 경우 상 전이 온도 변화 및 특이한 기계적 거동과 같은, 일반적인 벌크 (bulk) 상에서는 관찰할 수 없는 예외적인 성질들이 발현된다.
본 박사학위논문에서는 분자의 이방적인 구조에 의해 발현되는 이방적 물리적 특성들을 갖는 액정 물질의 분자 배향을 한정 공간을 이용하여 제어한 연구에 대해 논하고자 한다. 균일하게 제어된 액정 물질로부터 유도할 수 있는 물리적 특성의 가변성을 광학 구조에 접목하여 빛을 제어할 수 있는 가변적 광학 구조에 대해 논하고자 한다.
