Liquid crystalline materials, which are molecularly oriented in a specific direction, have different physicochemical properties depending on their arrangement. Therefore, it has recently received much attention to finely control the arrangement of liquid crystalline materials. Liquid crystal polymer networks (LCN) and MXenes, which have been actively studied due to their unique properties, are representative liquid crystalline organic and inorganic materials, respectively. This thesis deals with the study of using electric field to implement fine patterning of LCN and vertical alignment of MXene, which were challenging with previously reported methods.
Stimuli-responsive deformation of LCN can be pre-programmed by controlling the mesogenic unit alignment. However, it is challenging to develop micro- or nano-scale periodic structures of liquid crystalline polymer materials using previous reports. For example, when trying to make various micro-structures using photo-alignment layer, which is the most widely used technique, it is inefficient to manufacture all the polarizing masks suitable for each structure. In this study, we designed cross-electrode cells for fine LCN micro-structures using the dielectric anisotropy of mesogenic unit and showed that more than 20 structural modifications are possible by changing the configuration of the electric field applied per a cell. Finally, the possibility of application as a next-generation tactile material was confirmed by observing the change in friction depending on the dynamic structural deformation of the fabricated LCN film.
MXene is a type of transition metal carbide, nitride, and carbonitride having a two-dimensional structure. Controlling the orientation of MXene has recently been considered as an important task, because its characteristics of the high conductivity and high density of the surface terminal groups vary depending on the alignment direction. However, in particular, aligning pure MXene vertically to the substrate in a large area has not been studied so far because of its physical instability. In this study, the vertical arrangement of the MXene was achieved by applying a in-plane electric field to the aqueous solution. The arrangement of the MXene was confirmed using a polarization microscope and a scanning electron microscope. It is expected that the vertically arranged MXenes can be used as long-wavelength laser polarization tools, sensors, or high-efficiency capacitor in the future.
특정 방향으로 분자단위 배향을 갖는 특성, 즉 액정성을 갖는 물질들은 그들의 배향에 따라 상이한 물리화학적 성질을 갖는다. 따라서 이러한 액정성 물질들을 편리하게 미세 정렬시키는 기법은 최근에 많은 주목을 받고 있다. 액정 고분자 네트워크와 맥신은 그들의 고유한 특성 때문에 가장 많이 연구되고 있는 액정성 유, 무기 물질들이다. 본 학위 논문에서는 기존에 어려웠던 액정 고분자 네트워크의 미세 패터닝과 맥신의 수직 정렬을 전기장을 이용해 구현한 연구에 대해서 다룬다.
액정 고분자 네트워크는 액정 단위체의 배열을 조절함으로써 외부자극에 의한 변형을 사전 설계할 수 있다. 하지만 액정 고분자 네트워크의 마이크로 및 나노 단위의 규칙적인 구조체 변형을 만들어내는 것은 기존의 방식으로는 매우 어렵다. 예를 들어 가장 널리 알려진 광배향 기법으로 미세 변형 구조를 만드려고 하면, 각 구조에 맞는 편광 마스크를 모두 제작하는 비효율성이 존재한다. 본 연구에서는 액정 단위체의 유전 이방성을 이용하여 미세 배열시키기 위해 교차 전극 셀들을 디자인하고, 한 셀 당 가해주는 전기장의 형상을 변화시켜 20가지가 넘는 구조 변형이 가능함을 보였다. 끝으로 이렇게 제작된 필름의 능동적 구조 변형에 따른 마찰력 변화를 관찰하여 차세대 촉감 소재로의 응용 가능성을 확인하였다.
맥신은 2차원 구조의 전이금속 탄화물, 질화물, 탄질화물의 일종이다. 맥신들의 높은 전도도와 고밀도의 표면 말단기의 특성들은 정렬 방향에 따라 달라지기 때문에, 맥신의 배향을 조절하는 것은 최근 중요한 일로 여겨지고 있다. 하지만, 특히나 순수한 맥신을 기판에 수직으로 대면적 정렬시키는 것은 물리적인 불안정성 때문에 현재까지 연구된 바가 없다. 본 연구에서는 수용액 상태에 수평 전기장을 인가함으로써 맥신의 수직 배열에 성공하였다. 맥신의 배열은 편광 현미경과 주사 전자 현미경을 통해서 확인할 수 있었다. 이렇게 수직으로 배열된 맥신은 추후 장파장의 레이저 편광 도구, 센서, 혹은 고효율의 축전지로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.
