프로그램된 이방성 분자의 합성과 고차원 나노구조 제어를 통한 자극 반응형 스마트 소재 개발 = Synthesis of Programmed Anisotropic Molecules and Control of Hierarchical Nanostructures for Stimuli-Responsive Smart Materials

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 분자의 자극 반응성과 나노스케일 조직화를 통합함으로써, 고도화된 광학 및 열 기능을 구현할 수 있는 나노구조가 정밀하게 제어된 액정 기반 시스템을 제시하였다. 본 연구의 접근법은 특정 소재나 단일 기능에 국한되지 않고, 동적인 분자 단위의 설계와 자기조립 또는 중합을 통해 형성된 계층적 나노구조를 유기적으로 결합함으로써, 빛·전기·열과 같은 다양한 외부 자극을 방향성을 지닌 거시적 물성 변화로 효과적으로 전환할 수 있음을 보여준다. 이를 통해 액정 배열의 가역적 제어, 편광 의존적 전기광학 변조, 그리고 빠르고 효율적인 열 기계적 작동이 가능함을 확인하였다.
특히, 본 연구에서 제시된 결과들은 서로 다른 자극 반응 현상들이 개별적으로 작동하는 것이 아니라, 분자 기능성과 자기조립된 나노구조 간의 시너지에 의해 공통된 물리적 원리로 설명될 수 있음을 시사한다. 이는 효과적인 자극 반응성 구현이 단순한 분자 구조의 설계에 그치지 않고, 분자 수준의 동역학과 나노구조적 질서가 정밀하게 결합된 시스템 설계를 요구함을 명확히 한다. 이러한 관점은 분자 수준에서의 미세한 설계 변화가 나노구조의 정렬, 에너지 전달 경로, 그리고 궁극적으로는 거시적 기능 발현에까지 직접적으로 연결될 수 있음을 보여준다.
나아가 본 연구에서 제안한 설계 전략은 광학, 전자, 열 기능을 개별적으로 최적화하는 기존 접근을 넘어, 다중 자극에 동시적으로 응답하는 다기능성 소재를 합리적으로 설계할 수 있는 새로운 프레임워크를 제공한다. 이러한 전략은 향후 고급 광학 소자, 스마트 디스플레이, 에너지 변환 및 열 관리 시스템 등 다양한 응용 분야에서 맞춤형 광학 및 열적 응답을 지닌 차세대 기능성 소재 개발로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study demonstrates three hierarchical systems that integrate molecular responsiveness with nanoscale organization to achieve advanced optical and thermal functionalities. Rather than focusing on individual material systems or isolated functional components, our approach emphasizes the synergistic integration of dynamic molecular units with self-assembled or polymerized nanostructures, enabling efficient transduction of external stimuli―such as light, electricity, and heat—into well-defined macroscopic responses. This integration highlights the importance of hierarchical structural control in mediating energy flow and functional expression across multiple length scales.
By deliberately bridging molecular responsiveness with long-range structural order, this study shows that reversible control of liquid crystal (LC) alignment, polarization-dependent electro-optical modulation, and rapid thermomechanical actuation can be systematically achieved within a unified design framework. The three stimuli-responsive systems presented herein demonstrate that effective stimuli-responsiveness does not arise solely from the intrinsic properties of functional molecules, but rather from the precise coupling between molecular-level dynamics and nanoscale structural order. Such coupling governs anisotropy, directional transport, and collective responses that are inaccessible in conventional isotropic systems.
Furthermore, this work establishes liquid crystalline organization as a versatile structural platform for coordinating multiple functional responses within a single material system. By leveraging this hierarchical design strategy, new pathways are opened for the rational development of multifunctional materials with tailored optical and thermal responses, offering potential impact across applications ranging from adaptive optics and smart displays to thermal management and soft actuators. Collectively, these findings provide a generalizable framework that links molecular design principles to macroscopic functionality through controlled nanoscale organization.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Background 4
• 2.1. Stimuli-Responsive Materials 4
• 2.1.1. Photo-Responsive Materials 4
• 2.1.2. Electrochromic Materials 7
• 2.1.3. Thermo-Responsive Materials 9
• 2.2. Liquid Crystal 12
• 2.2.1. Liquid Crystal Hierarchical Nanostructure 12
• 2.2.2. Liquid Crystal Anisotropic Behavior 15
• 2.3. Chemical Reaction and Surface Functionalization 19
• 2.3.1. Michael Addition Reaction, Thiol-Ene Click Chemistry, and Disulfide Bond 19
• 2.3.2. Surface Functionalization 22
• Ⅲ. Experiments 25
• 3.1. Materials 25
• 3.2. Synthesis 26
• 3.2.1. Azobenzene-based Reactive Mesogen (ARM) 26
• 3.2.2. Tetrathiafulvalene-based Reactive Mesogen (TRM) 31
• 3.3. Preparation Method 38
• 3.4. Characterizations 39
• Ⅳ. Results and Discussion 42
• 4.1. Photo-Responsive Azobenzene Molecular Commander 42
• 4.1.1. Fabrication of Liquid Crystal Command Surface 42
• 4.1.2. Photo-Responsive Behavior of ARM Substrate 51
• 4.1.3. Applications of ARM-based LC Command Cell 60
• 4.2. Encryptable Electrochromic Smart Windows 65
• 4.2.1. Electrochemical and Photophysical Property of Tetrathiafulvalene-Based Reactive Mesogens 65
• 4.2.2. Self-Assembled Nanostructure and Polymerization 68
• 4.2.3. Optical Behavior of TRMM EC Device 82
• 4.2.4. Applications of TRMM EC device 89
• 4.3. Thermo-Responsive Shape Memory Polymer 92
• 4.3.1. Phase Transition Behaviors and Structural Analyses 92
• 4.3.2. TRM-SMP with High Thermal Conductivity 97
• 4.3.3. Shape Memory Behaviors of TRM-SMP 100
• 4.3.4. Applications of TRM-SMP 106
• Ⅴ. Conclusion 111
• ⅤI. Future Works 112
• ⅥI. References 113
• Publications, Patents, Projects, Awards, and Presentations 122
• Acknowledgement 133