Structural coloration is a property of the periodic structure produced by various types of materials and easily found in everyday life and nature. As this coloration is originated from the structural property, there are many advantages compared to chemical coloration, which is commonly used in ink. Among the materials for structural colorations, photonic crystals have been considered important research topics to study the fundamental characteristics of light and make useful applications. Since the color from the photonic crystal is closely related to the periodic length of the nanostructure, it is essential to fabricate the periodic three-dimensional (3D) structure in a visible wavelength range. As well-known, conventionally, 3D nanofabrication technology is based on top-down and bottom-up lithographic methods. However, the conventional methods have limitations in terms of cost, difficulty, stability, and reliability in practical application. In this research, we developed a new nanofabrication process for the photonic crystal that can overcome the existing problems. In particular, the helical nanofilament (HNF) liquid crystal (LC) phase made of bent-shaped LC (BLC) molecules is used as a building block to fabricate the desired nanostructure. HNF can form periodic chiral nanostructure after the sequential two-step hierarchical phase transitions driven by saddle-splay elastic deformation. However, until recently, the lack of orientation tools for HNFs in a large area hinders further study and optical applications of this LC phase. To get uniformly oriented HNFs, we used a photoalignment process. New BLC molecules with photo-responsive azobenzene moieties are designed, and the HNFs are uniaxially controlled by the light illumination method. Uniformly oriented HNFs show unique chiro-optical properties with structural coloration. Based on these achievements, practical optical applications have been suggested, such as a chiral sensor, security code, and color filter.
구조색은 주기적인 나노구조체로부터 만들어지는 물질의 특성이며, 일상생활과 자연에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 일반적인 화학 염료와는 다르게, 구조색은 색을 만들어내는 독특한 원리로 인해서 많은 장점들을 갖는다. 광결정은 구조색을 만들어내는 대표적인 물질이며, 구조색의 특성은 광결정의 나노구조와 밀접한 관련이 있다. 광결정의 특성을 제어하기 위해서는, 3차원 나노제작기술이 필수적이며, 기존에는 하향식 공정과 상향식 공정들을 통해서 제작되었다. 하지만, 기존의 방법들은 제작 공정이 어렵고 비싸며, 안정성과 신뢰성이 낮다. 이를 보완하기 위해서, 굽은형 액정분자가 형성하는 나선형 나노필라멘트를 이용하여 새로운 나노제작 기술을 개발하였다. 나선형 나노필라멘트는 열적 상전이를 거치며 규칙적인 나노구조를 형성하지만, 기존에는 이를 균일하게 제어할 수 있는 기술이 존재하지 않았다. 이를 해결하기 위해서, 광반응형 아조벤젠을 함유하는 굽은형 액정분자를 설계하였고, 광배향 방법을 통해서 나선형 나노필라멘트를 대면적에서 균일하게 제어하는데 성공하였다. 균일하게 제어된 나선형 나노필라멘트는 독특한 카이랄 광학특성을 보였으며, 카이랄 센서, 보안용 코드, 컬러 필터 등에 다양하게 응용하였다.
