A Study on the Photorefractive Response Time in Photorefractive Polymer Composites

Abstract

광굴절 현상이란 광전도성과 비선형 광학성질을 동시에 갖고 있는 재료에서 관찰되는 현상으로, 빛에 의해 발생된 전하의 재분포로 인하여 재료의 굴절률이공간상에서 주기적으로 변하는 것을 말한다. 광굴절 재료는 광 정보처리나 첨단정보 재료 소자로의 응용 잠재성 때문에 지난 20년간 꾸준하게 연구되고 있다. 실시간 광굴절 응답속도는 이미지나 실시간 정보처리 같은 실제적인 응용에서 매우 중요한 요소이다. 고분자 광굴절 재료에서 이득계수와 회절 효율 면에서는 많은 발전을 이루었지만, 응답속도에 관한 연구는 상대적으로 발전이 더딘 것이 현실이다. 본 논문에서는 광굴절 고분자 재료에서 광굴절 응답속도에 관하여 두 가지 방향으로 연구를 하였다. 첫째, 우리는 광굴절 응답속도에서 광전도성 고분자의 이온화 에너지의 크기에 따른 의존성을 조사하였다. 가장 낮은 이온화 에너지를 갖는 소자가 가장 높은 광전도도를 보였고, 광굴절 응답속도의 빠른 속도 상수가 소자의 광전도도에 강력하게 의존함을 알 수 있었다 둘째, 우리는 광굴절 응답속도에서 비선형광학 색소의 모양과 구조가 미치는 영향을 조사하였다. 광굴절 소자의 전기광학 응답속도는 온도와 비선형광학색소의 모양과 구조에 의존함을 알 수 있었다. 자유공간이 큰 알킬그룹을 가진 소자에서 보다 빠른 광굴절 격자를 형성하였다. 셋째, 우리는(9-vinyl-3-carbazolcarboxyaldehyde diphenylhydrazone)(CPH)를 비닐고분자로 합성하여 비성형광학색소, 가소제, 광전하 발생체를 혼합하여 우수한 광학성질과 안정성을 가지는 광굴절 고분자 재료를 제조하였다. 이 광굴절 재료는 우수한 광전도도와 빠른 비선형광학색소의 배열 보였고, 높은 이득 계수를 보였다. 그리고 0.06W/cm2의 빛의 세기로 비디오 속도 보다 빠른 광굴절 응답속도를 나타내었다. 이는 세계적으로 가장 우수한 PATPD 소자의 성능에 필적할 만한 결과이다.; The photorefractive (PR) effect is a spatial modulation of the refractive index of a material upon illumination of a nonuniform beam through photoconductivity and electro-optic (EO) properties. When two coherent beams intersect a PR material, the internal space-charge field is formed due to the redistribution of the photogenerated charge carriers that subsequently modulate the refractive index via an EO effect. This effect has drawn much attraction due to the potential applications in optical information processing and holographic data storage. The response time of the PR grating recording is an important parameter in practical applications, such as real imaging and real-data processing. In contrast with the improvements in gain coefficient and diffraction efficiency, relatively few advances have occurred in the response time of grating formation in polymeric photorefractive materials. In this thesis, we discussed the photorefractive response time in photorefractive polymer composites. Firstly, we investigated the dependency of photorefractive speed against ionization potentials of the photoconductive polymers. The composite with the lowest ionization potential gives the highest photoconductivity. Also, fast components of PR response time strongly depend on photoconductivity of the composites. From this result, we could conclude that limiting factor of fast response time might be a space-chare build-up process which could be accelerated by improving the photo-charge generation efficiency. Secondly, we investigated the influence of alkyl groups attached to chromophore on electro-optical properties and response time. As the temperature of the sample was raised, the EO response speeded up. Also, bulky alkyl substituents in chromophore provide some free volume to facilitate the rotational mobility i.e. EO response. So, we can conclude that the EO response strongly depends on temperature and shape of chromophores. These free space facilitate the reorientation behavior of the chromophores under electric field applied which result in the fast response in grating formation. Thirdly, we report on the photorefractive (PR) polymer composites based on the poly (9-vinyl-3-carbazolcarboxyaldehyde diphenylhydrazone) (PVCPH), doped with the nonlinear optical chromophores, plasticizer BBP and sensitizer PCBM. These composites have good properties such as photorefractive properties, optical transparency and shelf lifetime. The PR polymer composites exhibited excellent photoconductivity and good chromophore orientational mobility and showed a large two beam coupling gain and video-rate photorefractive response times at low light irradiance. The PVCPH composites are compared to the world best PR composites which are PATPD composites.