실리카 광자결정의 제작과 액정 배향막 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 수백 나노미터 크기의 실리카 볼(ball)을 이용해서 보석의 일종인 오팔(opal)과 유사한 면심입방(face-centered cubic; fcc)구조를 가지는 3차원 광자결정을 제작하였다. 우선 깨끗이 세척한 유리 기판을 실리카 볼을 섞은 에탄을 용액에 수직으로 세운다. 그러면 에탄올이 증발하면서 유리 기판 표면에 fcc구조를 가진 약 1 ㎝ 두께의 광자결정이 만들어진다. 이렇게 만들어진 광자결정을 가시광선과 근적외선 영역에서 투과 스펙트럼을 측정해보면, 입사각이 변함에 따라 포토닉 밴드갭의 위치가 달라지는 것을 알 수 있다. 그리고 3차원 광자결정이 가지는 포토닉 밴드갭의 위치와 폭을 분석하기 위해서 스칼라 파동 근사 법(Scalar wave approximation)을 이용했다. 또한 두 개의 광자결정을 에탄올이 증발한 방향이 서로 나란하게 9.3㎛ 간격을 두고 맞붙였다. 그 후 네마틱 액정을 두 광자결정 사이에 주입해서 광자 결정 사이의 공간과 광자결정을 이루고 있는 실리카 볼 사이의 공간에도 액정이 채워지게 하였다. 그리고 편광현미경으로 확인한 결과 광자결정의 표면이 액정을 정렬시킬 수 있다는 것을 알았다. 이 때 액정의 정렬 방향에 따른 흡수의 비선형성을 측정해서, 액정이 정렬한 방향은 제작 시에 에탄올이 증발한 방향에 수직임을 알 수 있었다. 또한 이러한 시료에 외부 전기장을 인가했을 때 포토닉 밴드갭이 단파장 쪽으로 이동하는 것으로 보아, 실리카 볼 사이의 액정이 전기장의 방향으로 회전해서 유효굴절률이 변했다는 것을 실험으로 확인했다. 자기 조립 방법으로 제작한 광자결정의 표면이 액정을 정렬시킬 수 있으므로 이를 이용해서 에탄올의 증발방향이 서로 90℃가 되게 맞붙여서 비틀린 네마틱 구조를 만들어보았다. 그 후 직교하는 두 편광자 사이에 시료를 두고 검광자를 회전시키면서 투과율의 변화를 측정해서 예상대로 액정이 90˚ 비틀려 있음을 확인했다. 그리고 외부에서 전기장을 인가하면 비틀린 액정 구조가 풀려서 어두워지며, 그 반응시간 역시 디스플레이의 가장 간단한 형태인 비틀린 네마틱 구조의 일반적인 특성을 잘 따른다.;We fabricated 3-D photonic crystals possessing fcc opal structure with silica nano- spheres. An ITO glass is immersed vertically into a suspension of silica spheres and ethanol. After ethanol evaporates, fcc opal with the thickness of about l㎛ is formed on the surface of the ITO glass. Transmission spectra of the fabricated photonic crystal in the visible and near-infrared regions have been measured at different incident angles to find the distinct photonic band gaps. In order to relate the observed photonic band gaps with the microscopic arrangement of silica nano-spheres, the scalar wave approximation has been employed. We also fabricated a sandwiched cell of two photonic crystals grown on the ITO glasses with the separation of 9.3㎛. Then, a nematic liquid crystal has been infiltrated into the gap between the surfaces of opal, also the voids of opal. It is found that the opal surface serves as an alignment layer for liquid crystals as confirmed by polarized microscopic images. It is also found that the direction of alignment is normal to the evaporation direction of the ethanol from absorption anisotropy measurement. Moreover, upon applying an external electric field between ITO electrodes, a blue shift of the photonic bandgap position has been observed, which can be understood from the refractive index change incurred by field-induced re-orientation of liquid crystal. Twisted nematic (TN) liquid crystal structure made of photonic crystals is found to have an electric response similar to that observed for a standard alignment layer. With an electric field applied, TN structure is darkened and when the external electric field is removed, TN is brightened.