광 전지에서의 빛에 의한 액정 구동 및 광굴절 특성

Abstract

광굴절 재료는 빛에 의해 굴절률이 변하는 현상을 일컫는데 이것은 일정하 지 않은 단색광을 광굴절 물질에 쪼이면 광굴절 내의 굴절률이 변하게 되어 정 보를 저장할 수 있다. 또한, 굴절률이 변한 물질에 다시 일정한 단생광을 쪼이면 굴절률도 다시 일정해져 저장되었던 정보를 지울 수 가 있다. 이렇게 가역적으로 정보를 저장하고 지울 수 있는 것이 광굴절 재료이다. 그러나, 현재의 광굴절 재 료에서는 고효율을 위해서 높은 외부전압이 필요로 하게 되는데 이것은 불필요 한 전력 소모와 소형화, 간편성을 따르는 응용성에 큰 지장을 주게 된다. 따라서 낮은 전압에도 높은 효율을 나타낼 수 있는 새로운 광굴절 디바이스의 개발이 절실히 필요하다. 본 논문에는 외부 전압을 대신하여 빛에 의해 전기력이 발생될 수 있는 광 전층을 액정 셀에 포함시켜 새로운 광굴절 디바이스를 제조하였다. 매우 낮은 전 압에도 구동될 수 있는 전기 광학 물질인 액정을 염료 감응 티타늄다이옥사이드 광 전지 층과 정공 전달 폴리머 층 사이에 넣어 디바이스를 완성하였다. 제조된 디바이스에 빛을 쪼여주면 전자와 정공들이 양 전극으로 각각 이동되어 디바이 스 내에 광 전압이 형성되고 형성된 광 전하장에 의해 액정이 구동된다. 외부 전압 없이 빛으로 액정의 상 변조를 발견하였는데 이는 서로 수직으로 되어있는 두 개의 편광자 투과축에 대해 셀을 45도 기울여 측정하였고 빛을 셀 에 쪼여주면 셀 내부에 광 전압이 형성되고 형성된 광 전하장 방향으로 액정이 배열되어 상 변조가 일어나게 된다. 또한, 액정의 배열 상태를 일정하게 해주기 위해 트위스트 네마틱 상태로 러빙 처리하여 제조된 디바이스에서도 광 전압에 의한 전기 광학 특성을 보았다. 빛이 없는 상태의 전기 광학 특성과 빛을 쪼인 상태의 전기 광학 특성을 분석한 결과 디바이스 내에 생성된 광 전압만큼 두 디 바이스의 문턱전압이 차이를 보임을 알 수 있었고 빛에 의해 더 작은 전압에서 높은 투과율을 나타냄을 보였다. 더 나아가 디바이스의 광전 효과를 이용하여 실 시간 광 이미지를 보임으로써 액정의 공간 광 변조 (optically-addressed spatial light modulation)로의 응용 가능성까지 보았다. 우리는 염료 감응 광 전지 층을 포함한 액정 셀에서 광 전하장에 의한 액정 구동을 확인하였으므로 이광파 혼합 (two-beam coupling) 에 의한 광굴절 특성 을 보았다. 광 전압에 의한 액정의 광 변조와 같이 광 전하장에 의해 에너지 이 동 (energy transfer)이 일어남을 확인하였으며 특히 광 전압이 커질수록 빔 커 플링 얻음 (gain)이 커짐을 확인함으로써 이광파 혼합에 의한 에너지 이동이 광 전압에 영향을 받음을 알 수 있었다. 이러한 광굴절 특성은 일반적인 광굴절 디 바이스에서 외부 전압 대신에 광 전압이 적용됨으로써 디바이스 내에 생성된 공 간 전하장 (space-charge field)에 의해 액정이 재배열되어 굴절률이 변하게 되 어 일어나게 된다. 따라서 우리는 광 전압이 액정을 구동시켜 광 변조를 일어나게 할 뿐만 아니 라 이광파 혼합으로 광굴절 특성까지 보여 빛에 의해 광 전자 디바이스를 구동 시킬 수 있음을 보여주었다. 앞으로 더 깊은 연구를 통해 반응 시간을 단축시키 는 등의 단점을 보완한다면 스스로 활성적인 (self-active) 전자 디바이스가 될 수 있을 것이라 기대한다.; The photorefractive (PR) effect is based on the combined effects of photoconductivity and electro-optic property. Under the illumination of non-uniform light formed by the interference of two coherent laser beams, a spatially oscillating space-charge field is formed arising from the generation and the redistribution of photo-induced charges. The refractive index of material is subsequently modulated via an electro-optic effect. In this thesis, we present novel PR liquid crystals (LCs) devices driven by the photovoltaic field instead of an external applied field. The device is designed by combining a LC layer with layers of nanoporous TiO2 adsorbed by photo-sensitizers and a hole-transporting polymer, which play a role of a solar cell. The incident light induces electron-hole pairs in Ru-dye and the photo-electric field is developed across the cells by the charge separation. Therefore, we can achieve the PR effect induced by the photo-electric field in LC cells containing dye-sensitized TiO2 layer. Firstly, the phase modulation of LCs induced by the photovoltaic field in nematic LC cells containing dye-sensitized TiO2 layers is observed. The alignment of LCs is obtained in the absence of the external voltage, and the electro-optic properties of twisted nematic LC cells are characterized with the applied voltage. A novel application of LCs combined with dye-sensitized TiO2 layers for optically-addressed spatial light modulation is also presented. Using the photovoltaic effect, an optical image is recorded onto LC by pumping beam of Xe lamp and the real-time image is retrieved by the probe beam of He-Ne laser. After the confirmation of LC reorientation controlled by the photovoltaic field, the PR effect by two beam coupling experiment in LC cells containing dye-sensitized TiO2 layers is observed. Two beam coupling gain increases for higher photo-electric field. The behavior of energy transfer without external voltage is due to the formation of photo-electric field in LC cells containing dye-sensitized TiO2 layers as an efficient photovoltaic material. The PR effect is attributed to LC molecules reorientation created by the space-charge field in combination with the photovoltaic field instead of an external applied voltage. The PR mechanism in LC cells containing photovoltaic layers is also discussed.