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液晶の欠陥利用し空気で大面積のモザイク万華鏡パターンを製造

KAIST、制御可能なパターニング技術を開発


KAIST(シン・ソンチョル総長)はナノ科学技術大学院(化学科)のユン・ドンギ教授研究チームが液晶の欠陥を利用してミクロンの大きさの空気の柱を作り、これを利用してモザイク万華鏡パターンを製造することに成功したと11月26日に発表した。

液晶材料は配向制御が容易で反応速度が速く、異方的な光学特性により液晶表示装置(LCD)、光学センサーなどに活用されている。この際に液晶の欠陥を最小化することが性能維持のために有利だが、物質の特性上、欠陥の発生は不可避だった。

その一方で最近になり液晶の欠陥がむしろ光学的、構造的、弾性的機能をもつことが分かり液晶物質はLCD光学素材だけではなく電気光学とセンサーの分野を含む多様な分野で応用が期待されている。だが液晶物質は水のりのように流れる特性とドミノのように一部分の影響で全領域が変化する長距離秩序もつため欠陥構造を大面積に規則的に一貫性をもってパターニングすることが難しかった。

研究チームはこうした問題を解決するために大気の状態の空気の層が液晶物質に触れる際に垂直配向を誘導するという事実に注目した。これを効果的に利用するためにマイクロの大きさのパターンの基板とガラス基板の間に液晶を注入して空気の袋を自発的に形成することで数十マイクロン内で液晶の分子を制御するシステムを開発した。そして効果的に液晶の欠陥構造を大面積で制御しモザイク模様のパターニングにも成功した。

本研究の核心技術は液晶物質が空気層パターン内で温度により変化する相転移の速度にある。相転移速度が速ければ速いほど液晶が急速に成長し、より均一なパターンを形成する。反対に相転移速度が遅いと液晶物質の弾性と空気層の固定エネルギーのバランスが非対称的に展開し不均一な欠陥構造を作る。

研究チームはこうした相転移速度による非対称と非可逆的欠陥構造の形成は多様な非平衡的自然現象でも類似したパターンで観察される点に着眼した。研究チームは物理的、経済的にほとんど不可能な自然現象に関する実験モデルに今回の研究を利用できるとしている。

例えば半導体物質の決定成長で形成される欠陥構造、ブラックホールを含む特異点を形成する重力点間の形成原理、凝集物理で原子間の相互作用など広い範囲の自然現象について類似性を表現することの可能な実験的モデルを定立できるものと期待される。

ユン教授研究チームは位相欠陥の密度調節を通じて複雑かつ多様な2次元モザイクパターンを形成する技術も開発した。位相学的欠陥構造は電気のプラスとマイナスの電荷のように位相学的電荷をもつプラスマイナスの欠陥と定義できる。この際に常にマイナスとプラスがペアになって位相学的中立を維持しようとする規則を指す。研究チームはこうした液晶欠陥の物理的現象をもとに空気層と基板の化学処理を結合して規則的な配列を維持すると同時に位相欠陥の密度を調節して技術を完成した。

面積分割基盤のモザイクパターンは多様な産業や実用デザインに用いる芸術的価値を持っているだけでなく細胞膜の二重構造、有機炭化試料などの無機結晶構造面などに活用し得る。研究に当ったユン・ドンギ教授は「韓国は液晶ディスプレイ産業が盛んだが液晶の基礎研究は世界的レベルに比べて高くない。今回の研究を契機に韓国内の関連基礎研究への関心が高まればと思う」と述べた。

研究結果は国際学術誌『Science Advances』電子版に11月23日付で掲載された。






[2018-11-29]

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