광배향 공정을 적용한 half V-shape FLC의 전기광학 특성연구

현순영 弘益大學校 大學院 2003 국내석사

본 논문에서는 고속의 응답특성을 갖는 half V-shape FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)를 가지고 rubbing 배향 대비 광배향의 우수성을 확인 하였고, Defect 이 적고 높은 contrast ratio 를 갖는 액정 배향을 시키기 위하여 연구하였다. Pretilt angle 에 따라 민감한 반응을 하는 FLC 를 적용, pretilt angle 에 영향을 줄 수 있는 인자들을 변화시켜 pretilt angle 을 바꾸어 보았고 이에 따라 Pretilt angle 에 매우 dependent 하게 달라지는 대비비, 응답속도, V-T 특성, texture 와의 관계를 알아보았다. Pretilt angle 는 LPUV(Linearly Polarized Ultraviolet) light 를 이용한 광배향으로 액정을 배향 시킬 경우 LPUV 조사 각도, LPUV 조사 에너지, 편광 방향과 액정의 배향 방향의 차이 등에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 특히 nematic LC 의 느린 응답 속도를 좀더 보완하기 위해 FLC 를 사용 하게 되었는데, FLC 는 배향의 어려움과 더불어 display 로서는 치명적인 zigzag defect을 나타내어 액정 소자의 구동상태에서 disclination line 이 발생 하고, 배향막 표면의 surface anchoring energy 의 차이에 의해 액정이 민감하게 반응하여 LLD(Local Layer Distortion)가 쉽게 발생함으로 인한 배향 직후의 조도 보다 0.002~0.003 um/㎠ 정도 밝게 측정되어 black 상태에서 색이 허옇게 뜨는 현상 등이 생기는 것이 문제로 부각 되었다. 이와 같은 문제점을 극복하고 배향성을 향상 시키며, 고성능의 display 소자를 구현 하고자 광배향을 도입하였다. Rubbing 배향제를 사영하여 제작한 시료와 광배향제를 사용하여 제작한 시료를 DC1~5V 사이에서 alignment voltage 에 변화를 주어 배향을 한 결과 DC3V 에서 저 결점의 액정 배향되었음을 확인 하였다. 그리고 FLC 의 경우 액정의 pretilt angle(선경사각)이 액정의 배향정도에 미치는 영향을 알아 보기 위해서 각각의 시료의 pretilt angle 과 대비비를 측정하여 rubbing 배향에 비해 광배향의 경우 270~300 : 1 의 높은 대비비 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. Rubbing 배향시 발생하게 되는 rubbing scratch 와 광배향에 비해 2~3˚정도로 비교적 높은 pretilt angle, 그리고 rubbing 때문에 발생하게 되는 강한 anchoring energy 로 인한 표면 액정 분자들의 난 구동 현상 때문에 LPUV 로 광배향을 했을 경우 rubbing scratch 가 전혀 없고 local 한 영역에서는 stripe defect 이 현저히 줄어든 결과를 얻어 낼 수 있었다. 또한 광배향제의 배향 정도와 pretilt angle 에 변화를 준 후의 특성 변화를 알아 보기 위하여 LPUV 조사 각도와 LPUV 조사 에너지를 변화 시켜 각각의 실험을 해 본 결과, FLC 의 경우 pretilt angle 은 조사 각도에 변화를 주어 조사 하였을 경우 선택적으로 30˚경사 조사시에 가장 좋은 대비비와 defect 이 적은 배향 상태를 갖는 것을 확인할 수 있었고, 조사 에너지의 경우 302nm HV band path filter 를 사용하여 광원을 filtering 시켜준 후 편광된 280nm-330nm 사이의 1.831mW/㎠ intensity 의 빛을 500mJ 정도 조사 했을 경우 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다. Pretilt angle 에 매우 dependent 한 액정의 배향 정도와 대비비는 LPUV 조사 에너지와 LPUV 조사각에 매우 선택적임을 확인 하였고, 각 배향제에 대하여 최적조건을 알 수 있었다. 응답속도의 경우 FLC 를 사용한 시료의 응답속도가 2ms 이하의 특성을 보이며 30ms 정도의 응답속도를 보이는 nematic LC 를 사용한 TN mode 의 시료에 비해 월등한 응답속도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었고, 특히 rubbing 배향제로 제작된 시료에 비해 광배향제로 제작된 시료가 rising time 일 경우 1ms 이하, falling time 일 경우 1.4ms 이하로 매우 우수한 결과를 나타내었다. Y-T 특성은 목적하는 spec.을 모두 만족하였고 그 중 광배향제를 사용하여 제작한 SAIT 03 시료의 경우 우수한 V-T특성을 갖는 것을 확인 하였다. 이와 같이 광반응 물질인 SAIT series를 이용하여 선형편광된 자외선 광조사에 의해 rubbing 배향 대비 고속응답, high contrast ratio, defect free 한 FLC 의 배향 특성을 알아보았다. FLC 배향에 있어서 pretilt angle 이 매우 중요한 key factor 임을 확인할 수 있었고, 조사 시간 및 조사 energy, 경사 조사 각도, 인가 전압 등에 변화를 주어 pretilt angle 및 배향을 control 할 수가 있었으며, 이상의 기술을 이용하여 micro display 소자를 제작, 40 인치 이상의 대화면 projection display 에 적용 가능한 기술임을 확인하였다. In liquid crystal displays (LCDs), the alignment control of the liquid crystal (LC) molecules is one of the most important elements in LCD. The conventional rubbing method can't satisfy recent demands for alignment quality. The photoalignment of liquid crystal may be a more useful technique than that of rubbing method because of reduction of contaminations that reduce the contrast ratio and static electricity buildup, rubbing scratch, that cause cross-track short or failure of thin film transistor(TFT) and photopatternable process. In this paper, I have investigated the electro-optical properties of half V-shape FLC (Ferroelectric Liquid Crystal), which uses a photo alignment process by liner polarized UV (LPUV) light propagation onto photoalignment layer. The merit of half V-Shape FLC is fast response time below 3msec. The FLC with the pretilt angle considered the fact that it is deep relationship. I controlled pretilt angle by changing of LPUV irradiation energy of 500mJ, LPUV irradiation tilt of 30˚, aliment voltage of DC3V. And I found appropriate photoalignment condition. So I got results that high contrast ratio of 300:1, fast response time below 1.5msec(rising response time ≤ 1msec, falling response time ≤ 1.5msec), V-T property satisfying an objective spec., defect free texture. Research the above it leads, in the case of FLC photoalignment, pretilt-angle was confirmed very important key factor. And producing of micro display device, application of the technique which is possible it confirmed in big screen of projection display above 40inches.

광배향 Fringe Field Switching 액정 셀의 고정에너지 향상을 위한 연구

한지수 전북대학교 일반대학원 2014 국내석사

Photoalignment have been studied to replace the conventional rubbing process in the display field. The photoalignment layer has some problems such as low anchoring energy, low thermo-stability and ion issue. Recently, we investigated the change of an optic axis of photoaligned liquid crystal cell, when we applied an alternating current stress in high temperature for long times. We assumed that optical axis change is cause of lower anchoring energy than rubbing alignment layer. In order to strengthen anchoring energy even at high temperature, we added an ultra violet (UV) light curable reactive mesogen (RM) monomer into LC mixture. And then we made polymerized RM layer on the photoalignment layer. As a result, polymerized RM layer increases the anchoring energy of the photoalignment and also improves thermal stability of photoaligned layer with decomposition type.

색소 첨가 PVA 필름을 이용한 액정의 광배향

전우진 단국대학교 2001 국내석사

본 논문에서는 색소 첨가 PVA 필름을 이용한 액정의 광배향에 대하여 연구하였다. 액정 배향막은 PVA 용액에 Congo red 색소를 첨가하여 배향액을 만든 후 ITO 유리 기판에 spin-coating 시켜서 제작하였다. 광배향은 Nd:YAG 레이저의 3차 고조화 빔(λ = 355 nm)을 이용하였다. 액정은 K-15 액정을 사용하였고, 정렬도와 선경사각 측정을 위해 각각 6 um, 40 um의 spacer로 액정셀을 제작하였다. Congo red를 첨가한 PVA 필름은 355 nm 파장의 빛에 대한 흡수도는 43 % 정도이다. 일반적으로 PVA 필름은 광배향이 되지 않지만 여기에 Congo red 색소를 첨가하면 광배향이 가능하다. 제작된 액정 시편의 정렬도는 편광자와 검광자 사이에 액정 시편을 놓고 액정셀의 회전 각도에 따른 투과광의 세기를 측정하여 얻어진 그래프의 반치폭을 측정함으로써 알 수 있다. 선경사각은 결정회전법(crystal rotation method)을 사용하여 측정하였다. 실험결과 레이저 출력 13 mW, 조사시간 1 시간 30 분인 경우와 레이저 출력 22 nW, 20 분의 조건하에 제작된 액정셀이 가장 좋은 정렬성을 보였다. 정렬성은 조사시간에 따라 비례하여 증가하다가 일정 시간이 지나면 포화되었다. 선경사각은 조사시간과 상관없이 0.5˚∼1.5˚사이의 각도로 측정되었다. The characteristics of photoalignment of liquid crytstals (LCs) on the dye doped polyvinyl alcohol (PVA) films have been investigated. Thin films for the LC alignment are made by using spin coater with the Congo red dye added PVA solution onto ITO glass plates. The photoalignment was performed by third harmonic generation beam (λ = 355 nm) of Nd:YAG laser. The LC material used was K-15 (Merck, Japan) and the thickness of the LC cell for the orientation and the pretilt angle measurement was 6 ㎛ and 40 ㎛, respectively. Absorbance of Congo red dye doped PVA film at 355 nm is 43 %. In general, the PVA film can not be photo-aligned, however, Congo red dye is added, it can be photo-aligned. The orientation of LC cell is obtained by measuring FWHM of the graph of transmitted intensity versus rotation angle of LC cell is placed between polarizer and analyzer. The pretilt angle of the LC cell is measured by using the crystal rotation method. In this experiments, it has been found that the LC cell has the best orientation at the irradiation time of 90 minutes with laser power of 13 mW, or the irradiation time of 20 minutes with 22 mW. The orientation increases in proportion to the irradiation time and then reaches saturation over the exceeding irradiation time. The obtained pretilt angle is in the range from 0.5 ˚to 1.5 ˚regardless of the irradiation time.

Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)를 이용한 cinnamate계 감광성 고분자의 합성 및 광배향 특성 연구

김영훈 전북대학교 대학원 2009 국내석사

Photo-alignment makes LCs arranged by radiation of linearly polarized light in which ultraviolet area instead of rubbing method using mechanical friction. As a result of omit to rubbing process, this can be possible to prevent occurrence of static electricity, allow simple processing and ensure that wide sight angle and high luminance as rates of arrangement division. For this reasons, this method has merits which are increasing of yield and realization of high quality display. To this effect, study of not only photo-alignment technique also polymer arrangement materials is progressing actively. In this thesis, A series of photosensitive polymers containing cinnamate side chain from poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA). Poly(HEMA) can be easily synthesized photosensitive polymer through reaction with cinnamoly chloride because it has a cheaper monomer, access of easy in the market and is synthesized in high yield. However the substitution ratio is differ 25% through 98% depend on the reaction conditions especially to get the substitution ratio over 80% is difficult. In this study, change of the substitution ratio depend on the conditions was carried out experiments and studied for the condition to get a high substitution ratio. The resulting polymer was characterized by 1H-NMR and FT-IR, and thermal properties were analyzed by using DSC and TGA. Photosensitivity of the polymer was studied by using UV/Vis spectrometry, and liquid crystal photoaligning properties of this polymer upon polarized UV irradiation was also discussed.

Chalcone을 도입한 액정 광배향 재료의 구조에 따른 배향 특성 및 배향메카니즘에 관한 연구

송동미 弘益大學校 大學院 2004 국내박사

액정디스플레이(LCD)는 액정분자의 배열상태를 전압에 의해 변형시켜 그 결과 발생하는 광학적 성질의 변화를 편광판으로 가시화 시키는 것이므로 액정분자 배열의 제어는 LCD의 구성에서 있어서 매우 중요하다. LCD에서 액정물질의 거시적인 배열을 제어하기 위해서는 안정적이면서 균일하게 정렬된 배향막 구조가 필요하다. 지금까지 rubbing법이 가장 많이 사용되고 있으며, rubbing에 의해 형성된 표면 이방성이 액정의 장축을 rubbing 방향으로 정렬시킨다. 그러나 rubbing으로 인한 scratch, dust 생성, rubbing 강도 조절의 어려움 및 정전기 발생으로 인한 TFT소자 파괴 등 해결해야할 문제점들이 많다. 광배향은 비접촉식 배향방법으로 이러한 rubbing의 문제점들을 극복할 수 있으며, multi-domain이 가능하여 시야각 개선을 위한VA-mode등에 적용 가능한 방법으로 잠재적인 응용성이 우수한 방법이다. 본 논문은 광배향 방법에 관한 연구로 특히 액정과 직접 상호작용하게 되는 배향막 구조가 액정 배향상태에 미치는 영향을 알아보았으며, 더 나아가 액정과 배향막 표면분자간의 상호작용이 어떠한 역할에 의해 액정이 배향되는지 즉, 배향 메카니즘에 관한 이해를 넓히고자 하였다. 배향막 재료로는 곁가지에 chalcone 단량체를 갖는 폴리이미드를 합성하여 사용하였다. Chalcone 구조는 효과적으로 dimerization을 일으키는 것으로 알려져 있으며, 이러한 chalcone을 곁가지에 갖는 폴리이미드는 [2+2] cyclo-addition을 통해 안정적인 액정 배향을 유도할 것으로 기대된다. 배향제 구조가 배향에 미치는 영향을 알아보기 위해 도입되는 chalcone 단량체의 길이 및 도입되는 양을 다양하게 변화시켰다. 도입되는 chalcone 단량체의 양을 정량적으로 제어하기 위해서 먼저 diamine에 chalcone단량체를 도입한 후 산 단량체와 중합하여 최종적으로 Photo-sensitive 폴리이미드를 합성하였다. Diamine에 chalcone 단량체를 도입하는 과정에서 사용되는 base가 NH_(2)를 파괴시킬 수 있으므로, t-BOC을 사용하여 diamine을 protecting하는 과정을 거쳤다. 합성된 폴리이미드에 광특성을 부여하는 chalcone단량체들은 물질의 상태나 조사되는 자외선의 파장에 따라 dimerization, isomerization 또는 decomposition이 일어날 수 있다. 액정의 배향을 결정하는 주 요소는 액정과 최종적으로 접촉하여 상호작용하게 되는 배향막 분자에 있다. 액정 배향을 효과적으로 유도하기 위해 배향막 표면에서 광반응에 참여하는 chalcone의 단량체가 갖는 광화학적 특성에 대해 알아보았으며, 이들 구조가 갖는 광특성은 두 페닐링 사이의 확장된 π-궤도뿐만 아니라 ether linkage의 산소와 카르보닐 그룹간의 전자 donor-acceptor특성으로 인하여 두 페닐링 간의 전자가 고르게 비편재화 되어 이중결합의 특성을 감소시키고 단일결합의 특성은 강화시키는 결과임을 알 수 있었다. 합성된 photo-sensitive 폴리이미드를 사용하여 박막을 형성하였을 때, 편광 UV에 의해 표면 이방성이 생성되는지를 UV-visible 스펙트럼, FT-IR스펙트럼 AFM이미지 측정 및 PEM을 이용한 복굴절 측정을 통해 확인하였다. Rubbing과는 달리 편광 조사축에 대해 수직한 방향으로 이방성이 생성되었으며, 실제 액정 cell로 제작하였을 때도 액정은 편광축에 대해 수직한 방향으로 배열됨을 확인하였다. 특히 FT-IR 결과로부터 광조사에 의해 chalcone 단량체의 알킬기가 re-orientation 된 것을 볼 수 있다. 즉, 편광축과 같은 방향으로 위치한 chalcone은 dimerization을 통해 새로운 photo-product를 형성하고, 조사되는 UV의 편광축과 다른 방향으로 위치한 chalcone들은 반응에 참여하지 못함으로써 광반응 결과 편광축에 수직한 방향으로의 이방성이 생성되는 것으로 보인다. 액정 cell의 평가를 위해 편광 현미경 관찰 및 pretilt angle측정을 수행하였으며, 도입된 chalcone단량체의 길이 및 도입량에 따라 수평배향에서부터 수직배향에 이르기까지 다양한 값의 pretilt angle을 가짐을 알 수 있다. 특히 도입된 chalcone 단량체의 알킬기는 매우 hydrophobic하여 액정과의 상호작용으로 액정을 일으켜 세우게 되는데 chalcone단량체의 알킬기 길이가 12 이상인 경우에 보다 그 효과가 두드러졌다. 광배향제의 구조적 차이에 따른 다양한 pretilt angle의 형성을 확인하고 배향제의 구조와 pretilt angle 의 상관관계로부터 배향메카니즘에 대한 이해를 한 충 넓히고자 하였다. pretilt angle 측정시 기존의 crystal rotation method를 사용하였으나, 측정 범위의 한계를 벗어나는 경우 extended-crystal rotation method 및 conoscopy를 활용하였다. 넓은 면적에서 보다 균일하게 배향된 액정상태를 얻기 위해서는 액정과 배향막이 이루는 계면에 대해 이해하고 배향을 일으키는 메카니즘에 대해 알아볼 필요가 있다. Rubbing과정에서 형성된 고분자 표면의 groove나 scratch가 액정을 배향시킨다라는 이론과, rubbing과정에서 배향된 고분자 표면이 액정을 배향시킨다는 이론이 있다. 그러나 많은 연구를 통해 micro-groove에 의한 배향은 설득력을 많이 잃고 있다. 미세한 groove의 효과를 배제시킨 상태에서 분자간 상호작용이 액정에 미치는 영향을 dichroic dye의 증착을 통해 간접적으로 알아보았다. Stable, uniaxially alignment liquid-crystal-glass interfacing layers in liquid crystal displays (LCDs) are required for the specific macroscopic molecular configuration. So far mechanically rubbed, polymer coated substrates have aligned the long axis of adjacent liquid crystal molecules in rubbing direction due to anisotropic surface Interaction, but this rubbing method has some problems such as dust and difficulty in control the rubbing strength. The photo-alignment technique has the potential to replace this conventional rubbing method. This method is a non-contact and dust- and electrostatic charge-free manufacturing process and also easy to establish multi-domain alignment for improving the viewing angle. We stuided extensively on the Photo-alignment induced by thin films of polyimides with photo-dimerizable side chains. We designed of the new photo-reactive polyimides containing the chalcone moiety to apply to the photo-alignment layer. These polyimides are expected to show high Photo-dimerization rate and stable alignment characteristics. We applied the BOC-protecting for the introduction of chalcone monomers to diamine group and chalcone contained diamine reacted with alicyclic anhydride(DOCDA) to produce the photo-sensitive polyimide. We synthesized the various kinds of polyimides, which have the different alkyl chain length and the content of chalcone moiety to understand the effect of the structural difference. The dominant factor that determines the orientation of the liquid crystal is the molecules that finally interact with liquid crystals. Therefore, it is very important to understand the molecular photochemistry of the photo-reactive molecules, chalcone. Photo-chemical behavior of chalcone in solution and solid state was studied, We found that extensive donor-acceptor interaction exchanged the bond order between two phenyl ring of chalcone structure and the wavelength of the irradiated W light could influence the reversible or irreversible process. We measured the birefringence and the pretilt angle for the Alignment characterization and also observed the LC cell texture with the polarizing microscope. Photoproduct and some chalcone moieties, which did not react under photo-irradiation, were oriented perpendicular to the polarization direction. The angle between polymer surfaces and irradiation angle produced out-of the plane orientation of chalcone side chain. The two orientation effects align the LC in LCD, which possesses the tilt angle of LC. Pretilt angle measurement with the extended-crystal rotation method and the conoscopic image. From the study of structural effect of these Photo-sensitive polyimide on pretilt angles and alignment properties, we found that the alignment layers had the high pretilt angles as the number of carbon in chalcone moiety increases, and the increased content of chalcone also contributed to the high pretilt angle. The formation of highly oriented liquid crystals (LCs) is of great importance for a basic understanding of interfacial phenomena. Moreover, it is key technology to produce high resolution, high Performance information display. The requirements of microelectronics technology for LCDs have generated increasing interest in using various materials as alignment layer, so that a better understanding of the interfacial properties between LCs and alignment surface is required.

광분해성 폴리이미드를 이용한 액정의 광배향 연구 : 액정의 광배향 연구

안호진 경희대학교 2008 국내석사

LCD(Liquid Crystal Display)는 균일하고 안정한 액정배향을 필수 조건으로 한다. 현재 LCD공정에서는 러빙배향 방법이 일반적으로 사용되고 있으나 우수한 성능의 LCD 및 차세대 LCD로 가면서 요구되는 특성을 만족하지 못하여 새로운 배향법에 대한 요구가 있으며 가장 우선시 되는 배향방법이 바로 광배향법이다. 본 연구에서는 광분해성 폴리이미드를 이용하여 광·화학적 반응에 따른 배향막의 특성과 액정 배향성에 대해서 조사 하였고, 최적화된 액정배향 조건을 통하여 LCD panel에서의 액정 배향성과 전기광학특성과의 상관관계에 대해서 조사하였다. 이 연구를 위하여 광배향용 폴리이미드의 광?화학적 반응에 따른 변화와 각 조건에서의 광배향막의 광학적 이방성 그리고 광·화학적 반응에 따른 광배향막의 액정 배향 특성을 알아보았고, 또한, 가장 균일한 액정배향을 유도하는 최적화된 조건에서 LCD Panel의 전기광학특성을 알아보았다. 배향막의 특성과 액정 배향성은 광?화학적 반응에 따라 향상되는 경향성을 나타내었다. 또한, 배향막의 특성과 액정 배향성 그리고 전기광학특성간의 상호 연관성에 대해서도 고찰하였다. In this study, the characteristics of photoalignment layer, the alignment properties of liquid crystal, and the electro-optical characteristics of LCD panel were synthetically measured to find the latent relations among them and understand the mechanism of photoalignment. Under this purpose, photo degradable polyimide is synthesized and then analyzes the characteristics of photoalignment. The photo reactivity and the anisotropic properties were analyzed using UV-vis and FT-IR spectroscopy, and FT-IR spectroscopy and PEM, respectively. The characteristics of LC photoalignment such as LC texture, and the order parameter was determined using a polarizing microscope and a polarized IR spectrometer. The electro-optical properties(such as voltage holding ratio, residual DC, Voltage-transmittance curve) of LC cell were determined. Photoaligned LC-panel has shown relatively inferior electro-optical properties comparable to rubbed LC-cell. In the Result, We compared the properties of photoalignment layer and the properties of LC alignment. As increase curing temperature, maximum results of LC alignment and optical anisotropy shift to low irradiation energy from high irradiation energy and also, the results were revealed increasing similar tendency. But, For a photo-degradation type polyimide(CBDA-ODA), the best alignment has been obtained by LPUV irradiation with much (4-8 times) less energy than that generating the maximum anisotropy of PI. Also, From comparison of anisotropy of LC and the electro-optical properties of LCD panel, The most excellent electro-optical properties were measured in the most anisotropy of LC Consequently, we investigated interrelation among the anisotropy of alignment layer, the anisotropy of LC and the electro-optical properties of LCD panel.

N-(phenyl)maleimide계 광폴리머를 이용한 플렉시블 LCD의 전기광학 특성

이휘원 연세대학교 대학원 2006 국내석사

Many researches to substitute flexible substrate for glass substrate have been processed. Flexible substrate can be used for mobile display and bendable display due to thin, light and flexible. Liquid crystal displays (LCDs) require uniform alignment and stable pretilt angles on a substrate layer. A rubbing method has been widely used to align LC molecules on the polyimide(PI) surface. Rubbed PI surfaces have suitable characteristics such as uniform alignment and a high pretilt angle. However, the rubbing treatment method presents a number of obstacles, such as the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles. Thus, rubbing free techniques for LC alignment are strongly needed in LCD technology. The photo-alignment method for LC alignment is one of the most promising rubbing-free methods. Five types of polymer, a photoalignment material based N-(phenyl)maleimide were synthesized and the LC aligning capabilities on the photopolymer layer were studied. The electro-optical (EO) characteristics in the twisted-nematic(TN)-LCD photoaligned on the photopolymer surface and in the vertical-aligned(VA)-LCD photoaligned on the photopolymer surface were studied. Also the photo-alignment method on flexible substrate was compared with the photo-alignment method on glass substrate to analyze flexible photo-alignment characteristic.A good LC alignment with UV exposure on all the N-(phenyl)maleimide surface could be obtained. The characteristic of flexible substrate in the TN mode was better than that of glass substrate and, PMI1CA and PMI3CA was better transmittance without backflow bounce than other materials. Although the PMIF on flexible substrate and the other materials on glass substrate is occurred with backflow bounce, they also showed a good voltage-transmittance characteristic. We can suggest that backflow bounce is occurred by low pretilt below 1° and lower anchoring than rubbing method.The pretilt angles in TN mode were obtained below 1° and the pretilt angle of flexible substrate is higher than that of glass substrate. This can be explained that the roughness of flexible substrate is higher than that of glass substrate.The excellent voltage-transmittance characteristics of the photoaligned VA-LCD with polarized UV exposure of oblique direction on the PMICF3 and PMI5CA surfaces for 1 min could be achieved. The transmittance of the VA-LCD photoaligned on the PMI5CA surface decreased with increasing UV exposure time. We suggest that decrease of transmittance in the VA-LCD photoaligned on the PMI5CA surface is attributed to the dissociation of the ester linkage in the photodimerized cinnamate structure with increasing UV exposure time.The response time of photoaligned VA cell was measured about 16 ms and TN cell was measured about 24ms.In this study a good LC alignment, voltage-transmittance, response time characteristic with UV exposure on all the N-(phenyl)maleimide surface could be obtained. Also this good characteristics of flexible substrate are almost same as that of glass substrate. So if we study the lower pretilt problem, a flexible photoalignment method will be able to be used as a good alignment method. 최근 들어 박형, 경량 및 유연한 디스플레이(flexible display)를 구현하기 위해서는 유리 기판대신에 고분자 기판 (polymer substrate)을 사용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 고분자 기판을 사용함으로써 유리기판에 비해 부피가 줄고 무게가 줄면서 휴대용 디스플레이, 유연성 (flexibility) 이 커지면서 곡면 위의 디스플레이 로의 응용이 가능하다. LCD는 균일한 배향과 안정된 프리틸트각을 필요로 한다. 폴리이미드 표면위에 처리된 러빙법은 액정을 배향시키기 위해서 이미 널리 사용되어져 왔다. 이 방법은 안정된 특성과 균일한 배향과 높은 프리틸트각을 가지고 있다. 그러나 러빙법은 정전기나 먼지와 같은 오물들에 의해 액정소자의 표시특성을 감소시킨다. 그래서 넌러빙법이 LCD공정에서 필요하게 되었다. 액정배향에 있어서 광배향법은 넌러빙법으로서 가장 유망한 배향법중에 하나이다. 또한 차세대 디스플레이로 각광 받고 있는 플레시블 디스플에서는 고분자 기판의 낮은 내열성으로 인하여 저온 공정이 필수적인데 광배향은 러빙법에서의 폴리이미드를 형성하기 위해서 이미드화에 필요한 고온공정이 필요 없기 때문에 플렉시블 디스플레이에 적합한 배향법이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 5가지 형태의 N-(phenyl)maleimide계 폴리머 광배향 물질을 합성하여, 광폴리머 층위에 액정 배향 효과에 대하여 검토하였다. 광폴리머 표면에서의 광배향 TN-LCD (Twisted Nematic-Liquid Crystal Display)와 VA-LCD (Vertical Alignment-Liquid Crystal Display)의 전기 광학 특성에 대하여 검토하였다. 뿐만 아니라 플렉시블 기판과 유리기판에서의 광배향의 전기 광학적 특성을 비교 분석하였다.모든 N-(phenyl)maleimide계 폴리머 광배향 물질위에 UV 조사한 경우 좋은 액정 배향을 얻을 수 있었다. 특히 TN mode에서 플렉시블 기판이 유리기판보다 더 좋은 특성을 나타내었는데 PMI1CA와 PMI3CA 물질을 사용했을 때는 투과율도 높고 backflow현상이 나타나지 않는 가장 좋은 특성을 나타내었다. 플렉시블 기판에서 PMIF와 유리기판에서의 배향의 경우 비록 backflow현상이 발생하였지만 비교적 우수한 전압-투과율 특성을 나타내었다. Backflow현상은 1°이하의 낮은 프리틸트각과 러빙에 비해서 낮은 anchoring에 기인하는 것으로 사료 된다. 플렉시블 기판에서 투과율이 더 높게 나온 이유는 유리기판보다 오히려 배향상태가 더 양호해서 TN에서는 off상태시 white가 VA에서는 on상태시 white가 더 잘 형성되었기 때문이다.그러나 광배향시 프리틸트각이 1°이하인 단점을 보였다. TN mode의 경우 프리틸트각은 조사각이 커짐에 따라서 낮아지는 것을 알 수 있었고 플렉시블 기판이 유리기판에 비해서 1°이하기는 하지만 높음을 알 수 있었다. 이것은 기판의 표면 효과로 flexible기판이 roughness가 더 크기 때문인 것으로 사료 된다. CF3, 및 알킬 탄소수가 5개(5C)를 함유한 N-(phenyl)maleimide형 고분자를 이용한 액정셀의 프리틸트각은 UV 입사각도에 관계없이 거의 90° 이하를 나타냄을 알 수 있다. 따라서, 알킬 탄소수가 18개 이상이 되어야 수직배향이 가능한 이미드형 수직배향제와 달리 N-(phenyl)maleimide형 고분자를 이용한 경우에는 말단의 알킬그룹 5개만으로 수직배향이 가능하였으며, 또한 말단에 CF3를 이용한 경우에 수직배향이 가능하였다. 결론적으로 액정배향은 폴리머의 side chain의 길이와 분자의 특성에 의존함을 알 수 있다.VA mode의 경우 PMICF3와 PMI5CA의 광배향막을 이용하여 액정을 배향 시켰는데 두 경우 모두 양호한 배향과 backflow 없는 좋은 전압 투과율 곡선을 나타내었다. UV 시간이 증가할수록 광배향 VA-LCD의 투과율이 약간 감소하는 것을 알수 있는데 이것은 UV 조사하면 cinnamate group내의 결합력이 약한 ester linkage가 깨져서 배향성이 감소하기 때문에 투과율이 저하되는 것으로 생각 할 수 있다. 응답속도는 VA mode의 경우 약16ms로 빠른 응답속도를 나타내었으며 TN mode는 24ms의 응답속도를 나타내었다.본 연구에서 5가지 N-(phenyl)maleimide계 광폴리머를 이용해서 배향을 해본 결과 양호한 배향과 전기광학특성을 나타내었고 플렉시블 기판에서의 배향 및 전기광학특성이 유리기판과 거의 동일한 수준을 나타내고 있기 때문에 낮은 프리틸트각에 대한 보완이 있다면 광배향법이 좋은 배향 처리법으로 사용 될 수 있다고 사료된다.

다중 수평 배향막을 이용한 광배향 Fringe Field Switching 모드의 동역학적 특성 향상 연구

김동하 한양대학교 2014 국내석사

최근 twisted nematic(TN) 모드, patterned vertical alignment(PVA) 모드, in-plane switching(IPS) 모드, fringe field switching(FFS) 모드 등 많은 액정 모드들이 개발되어 왔다. 그 중에서도 IPS 모드는 넓은 시야각의 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다. 하지만 밝은 상태를 구현함에 있어서 전극 위에 있는 액정 분자들이 전계 방향을 따라 움직이지 않기 때문에 낮은 투과도의 단점을 가지고 있다. 이러한 점을 개선하기 위하여 FFS 모드가 개발 되었다. FFS 모드는 화소 전극과 공통 전극 사이에 fringe field가 형성되어 밝은 상태에서 전극 위에 있는 액정 분자들도 전계 방향을 따라 움직임으로 높은 투과도를 나타내게 된다. 액정(liquid crystal ; LC) 배향 방법에는 러빙(rubbing)방법과 실리콘 산화물(SiOX) 경사증착법, 광 중합체(photo-polymers)에 자외선을 조사하는 방법, 중합체(polymer) 표면에 이온 빔(ion-beam) 처리 방법, 마이크로 그루브 패턴(micro-groove pattern) 등의 여러 가지 방법이 있다. 그 중 러빙 방법은 디스플레이의 대량 생산을 위한 가장 유명한 방법이지만 러빙 방법의 접촉 방식은 기계적 손상 및 디스플레이의 성능을 저하시키는 정전기 등 여러 문제를 발생시킨다. 광배향 방법은 배향막에 비 접촉 공정이 가능하고, 멀티 도메인 구현이 가능하여 러빙 방법을 대체할 가능성이 있는 방법 중 하나이다. 그러나 광배향 방법은 안정성이 충분하지 않고 약한 표면 고정 에너지를 가지고 있다. 최근 광 경화성 고분자(reactive mesogen ; RM)을 사용하여 그러한 광배향의 단점을 개선시키고자 하는 방법들이 제시되고 있다. 광배향막에 RM을 코팅하거나 또는 액정에 혼합 방법을 사용함으로써 한쪽 방향으로 고분자화되어 정렬된 RM의 방위각 방향으로 회전 선호도가 발생하기 때문에 광배향막의 표면 방위각 에너지가 증가하게 된다. 이 결과로 응답속도가 빨라지고 액정의 안정성 또한 향상된다. 본 논문에서는 수평 배향막 위에 광배향막을 적층 함으로써 광배향막에 대한 방위각 고정 에너지를 향상시키는 방법을 제안한다. 수평 배향막에 러빙 공정을 하지 않고 적층된 광배향막에 선형 편광 ultra-violet(UV)을 조사 함으로써 방위각 고정 에너지를 향상시켰다. 그 결과 강한 방위각 에너지로 인하여 FFS 모드에서 빠른 응답속도를 구현하였다.

N-(phenyl)maleimide계 광폴리머를 이용한 VA-LCD의 액정배향 효과

이윤건 연세대학교 대학원 2003 국내석사

액정디스플레이는 기판 표면 위에 균일한 배향과 안정된 프리틸트각이 요구된다. 러빙된 폴리이미드 표면은 액정분자를 배열하기 위하여 폭 넓게 사용되고 있다. 그러나 이를 위한 러빙처리법은 정전기와 오물 등을 발생시키는 단점을 가지고 있기 때문에 액정디스플레이 기술에 있어서 넌러빙 액정배향 기술이 요구되고 있다. 광배향법을 이용한 액정배향은 넌러빙배향 기술에서 가장 기대되고 있으며, 현재까지 PVCi (poly (vinyl) cinnamate) 및 그 외의 광폴리머를 이용한 광배향법이 많은 연구자들에 의하여 발표되었다. 본 연구에서는 3가지 형태의 N-(phenyl)maleimide계 폴리머 광배향 물질을 합성하여, 광폴리머 층위에 액정 배향 효과에 대하여 검토하였다. 또한 광폴리머 표면에서의 광배향 VA-LCD (Vertical Alignment-Liquid Crystal Display)의 전기광학 특성에 대하여 검토하였다. PMI5CA(N-(phenyl)maleimide with 5-carbon chain cinnamoyl group)표면 위에 UV 조사한 경우 좋은 액정 배향을 얻을 수 있었다. 그러나 PMI3CA(N-(phenyl)maleimide with 3-carbon chain cinnamoyl group)와 PMIF(N-(phenyl)maleimide including fluoro cinnamoyl group)표면에 있어서는 배향 결함이 관측되었다. 또한 PMI5CA 표면위에 UV조사된 경우 annealing 온도가 150℃까지 좋은 배향특성을 얻을 수 있었다. N-(phenyl)maleimide에 기초한 광폴리머 층위에 액정배향 능력은 광폴리머 side chain길이에 의존하였다. 또한, PMI5CA 표면위에 1분동안 경사진 방향으로 편광된 UV조사한 광배향 VA-LCD는 우수한 전압-투과율 특성을 나타내었다. PMI5CA 표면위에서의 광배향 VA-LCD의 투과율은 UV조사시간이 증가함에 따라 감소하였다. 이것은 PMI5CA 표면위에 광배향된 VA-LCD의 투과율 감소는 UV조사시간이 증가함에 따라 광중합된 cinnamate 구조에서 에스테르 결합의 분해에 기인한 것으로 생각할 수 있었다. Liquid crystal displays (LCDs) require uniform alignment and stable pretilt angles on a substrate layer. Rubbed polyimide (PI) layers have been widely used to align LC molecules. The rubbing treatment method presents a number of obstacles, such as the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles. In a previous paper, we reported the generation of electro-static charges produced on various PI layers during rubbing. Thus, rubbing-free techniques for LC alignment are required in LCD technology. The photoalignment method for LC alignment is one of the most promising rubbing-free methods. Photoalignment of the LCs, by utilizing a poly (vinyl) cinnamate and other photopolymer layers, has been proposed by many researchers. Three types of polymer, a photoalignment material based N-(phenyl)maleimide were synthesized and the LC aligning capabilities on the photopolymer layer were studied. The electro-optical (EO) characteristics in the vertical-aligned (VA) LCD photoaligned on the photopolymer surface were studied. A good LC alignment with UV exposure on the PMI5CA(N-(phenyl)maleimide with 5-carbon chain cinnamoyl group) surface can be obtained. However, the LC alignment defects were observed on the PMI3CA (N-(phenyl)maleimide surfaces with 3-carbon chain cinnamoyl group) and PMIF (N-(phenyl)maleimide including fluoro cinnamoyl group). Also, the good LC alignment with UV exposure on the PMI5CA surface was observed at until 150℃ of annealing temperature. The LC aligning ability on the photopolymer layer based N-(phenyl)maleimide depends on the side chain length of photopolymer. Also, excellent voltage-transmittance V-T) characteristics of the photoaligned VA-LCD with polarized UV exposure of oblique direction on the PMI5CA surfaces for 1 min can be achieved. The transmittance of the VA-LCD photoaligned on the PMI5CA surface decreased with increasing UV exposure time. We suggest that decrease of transmittance in the VA-LCD photoaligned on the PMI5CA surface is attributed to the dissociation of the ester linkage in the photodimerized cinnamate structure with increasing UV exposure time.

광반응성 스티릴피리딘 유도체를 함유하는 고분자의 합성과 광배향

김민우 경북대학교 대학원 2005 국내박사

The manipulation of the molecular alignment of polymer materials is great interested for liquid crystal display devices. Liquid crystalline (LC) alignment technique is one of the most essential issues on manufacturing LC display. Until now, the LC alignment has generally been accomplished by rubbing technique. This mechanical process, however, suffers from shortcomings such as the generation of dust, electrostatic problems, and poor control over the rubbing strength. In the connection with the disadvantages, some photo-induced LC alignment concepts have been reported. Studies of the photoalignment have been based on photo cyclodimerizations, trans-cis photoisomerizations, and photodegradations by using linearly polarized UV light (LPUVL). There are two types of polymer films for the photoalignment. As the first type, polyimide films rubbed with a cloth are widely used as the material for the LC alignment layer because of their advantageous properties such as excellent optical transparency, adhesion, heat resistance, dimensional stability, and insulation. With these merits of polyimides, the synthesis and photoalignment of some polyimides with photodimerizable groups such as cinnamoyl group, 4-styrylpyridine moiety, and coumarin moiety in the side groups have been studied since 2000. As the second type, side-chain liquid-crystalline polymers (SLCPs) have attracted considerable attention because of their potential applications to opto-electron devices. The films of SLCPs can give largely enhancing alignment behavior with thermal treatment because of their thermotropic LC properties. It was recently reported that the photoalignments of SLCPs with cinnamoyl group as a photoreactive group and biphenyl group as a mesogenic unit in the side groups were induced when they were irradiated with LPUVL and subsequent annealing. In spite of the above studies, the relation between structural differences of polymers and alignment behavior has not been clarified so far. Generally, structural differences in polymers give rise to changes in properties of the polymers. Not only do styrylpyridines have a good photosensitivity, but also a thermal stability. Furthermore, styrylpyridine units have two kind of structural isomers because of the position of nitrogen atom in pyridine ring. With these merits, alignment of SLCPs with styrylpyridine derivatives in the side groups might be enhanced and changed by LPUVL and subsequent annealing. Therefore, in chapter 2 and 3, in order to discuss the relation between the photoalignments and the structures of the polyimides with photoreactive styrylpyridine derivatives as the side groups, the new polyimides with 2-styrylpyridine derivatives as the photosensitive side groups were synthesized and their photoalignments (dichroic ratio and order parameter) were investigated. In addition, their thermal properties, photoreaction, and transmittance were evaluated. In chapter 4 and 5, to obtain high alignment of liquid crystalline polymers, photocrosslinkable side-chain liquid-crystalline polymers were synthesized from a methacrylate with a biphenyl derivative or benzoate derivative as a mesogenic group and a methacrylate with a 2-styrylpyridine derivative or 4-styrylpyridine derivatives as a photosensitive group and their photoalignments were investigated on the basis of the compositions and kinds of monomer units, the exposure doses, and the annealing temperatures by UV polarization spectroscopy. In Chapter 2, soluble polyimide (3FBPA-HAB) was synthesized from 2, 2'-bis{4-(3, 4-dicarboxyphenoxy)phenyl}-1-phenyl-2, 2, 2-trifluoroethane dianhydride and 3, 3'-hydroxy-4, 4'-diaminobiphenyl. Then, polyimides bearing photoreactive 2-styrylpyridine derivatives (alkylene: hexylene and dodecylene) as side groups (3FBPA-6 and 3FBPA-12) were prepared by Mitsunobu reaction of the hydroxyl groups of the 3FBPA-HAB with 2-[2-{4-(-hydroxyalkyloxy) phenyl}ethenyl]pyridines. The photoreactive polymers and the precursor polymer were soluble in various organic solvents, and their thin flexible films were easily formed by solution casting. Also, they have good thermal stabilities. The normalized absorbances of 3FBPA-6 and 3FBPA-12 at 330 nm in the film state decreased to about 71% and 69% at an exposure energy of 2.0 J/cm2. The transmittances of 3FBPA-6 and 3FBPA-12 in the film state were found to be approximately 90% at room temperature and approximately 85% at 200 °C after irradiation at the exposure dose of 2.0 J/cm2. These results suggest that the polyimides are photoreactive polymers with good photosensitivity and high optical transparency. The dichroic ratio (DR) values of 3FBPA-6 and 3FBPA-12 induced by side chain groups were 0.010 and 0.030 at 1.5 J/cm2. This result indicates that the polymers show the effect of alkylene spacer length on the photoalignment. However the DR values of those polymers induced by main chain groups had similar value of the both polyimides. Also, the in-plane order parameter (S) values of the LC molecules in the film cells of the both polymers were similarly 0.36 and LC molecules in the cell were oriented perpendicularly to the electric vector of the LPUVL. From these results, we suggest that the main chain groups of the photoreactive polyimides have advantages over side chain groups of photoreactive polyimides for alignment of the low molecular LCs. In Chapter 3, the precursor of the polyimide 3FDA-HAB was prepared from 4, 4-(2, 2, 2-trifluoro-1-phenylethylidene)diphthalic anhydride and 3, 3-hydroxy-4, 4-diaminobiphenyl. The photoreactive polyimides (3FDA-6 and 3FDA-12) were then prepared by the polymer reaction of the hydroxyl groups in the precursor polymer with 2-[2-{4-(-hydroxyalkyloxy)phenyl}ethenyl]pyridines as photoreactive 2-styrylpyridine derivatives (alkylene: hexylene and dodecylene). The photoreactive polymers and the precursor polyimide showed their initial decomposition temperatures at 360 ℃ and 470 ℃, respectively. These polymers were soluble in various organic solvents and their thin films were easily formed by solution casting. The normalized absorbances of the photoreactive polymers in the film state decreased to about 73 - 75% at the 2.0 J/cm2 exposure dose. Transmittances of their films were approximately 90% at room temperature and about 85% at 200 ℃. These results indicate that the polyimides are photoreactive polymers with good photosensitivity and high optical transparency. The DR values induced by side chain groups of 3FDA-6 and 3FDA-12 were observed to be 0.019 and 0.030 at 0.1 J/cm2 of an exposure dose, whereas those of the photoreactive polyimides in the chapter 2 was 0.010 and 0.030 at 1.5 J/cm2. Since the former polyimides does not have the two phenoxy groups in the backbone unit as the main chain compared to the latter polyimides, there should be the difference in both the flexibility of the backbone unit and the density of the photoreactive group between the two polymers. Therefore, 3FDA-6 and 3FDA-12 exhibited the maximum DR value even at a small initial exposure dose of 0.1 J/cm2 and 3FBPA-6 and 3FBPA-12 exhibited the maximum DR value at large exposure dose of 1.5 J/cm2. Accordingly, the difference of the DR behavior might be attributed to these structural factors. However, the DR values induced by main chain groups of those polymers were 0.012 together. Also, the in-plane order parameter (S) values of the LC molecules in the film cells of the both polymers were 0.35 and LC molecules in the cell were oriented perpendicularly to the electric vector of the LPUVL. These results were in agreement with above chapter's results. Therefore, this fact suggests that LC molecules are aligned to the main chains with more benzene riongs than side chains in the photoreactive polyimides. In Chapter 4, new photocrosslinkable side chain liquid crystalline poly methacrylates with biphenyl unit as a mesogenic group and 2- or 4-styrylpyridine groups as photosensitive groups in the same side chain (poly2PPBM and poly4PPBM) were synthesized and characterized. Both polymers showed smectic liquid crystalline structures. Poly2PPBM gave rise to in-plane alignment in parallel direction to LPUVL irradiation after the subsequent annealing. On the other hand, the 4-styrylpyridine unit in the poly4PPBM generated out-of-plane alignment. As the results, the different alignment behavior between the two polymers was attributed to the different position of lone pair electron on the nitrogen with the 2-styrylpyridine unit and the 4-styrylpyridine unit. In Chapter 5, photoreactive liquid crystalline methacrylate (PLCM) homopolymer with benzoate unit as a mesogenic group and a 2-styrylpyridine derivatives as a photosensitive group in the same side chain was synthesized by radical polymerization of 2PPHM (poly2PPHM: P-1). Also, PLCM copolymers with 2PPHM and a biphenyl derivative (a mesogenic unit)-containing methacrylate (MPPM) were synthesized by the radical copolymerization of 2PPHM and MPPM (P-2, P-3 and P-4). Furthermore, PLCM copolymers with 2PPHM and a benzoate derivative (a mesogen unit)-containing methacrylate (MPHM) were synthesized by the radical copolymerization (P-5, P-6 and P-7) of 2PPHM and MPHM. The homopolymer and copolymers were found to form liquid crystalline structures by DSC, POM and x-ray measurement. Homopolyemer P-1 film gave rise to in-plane alignment in parallel direction to LPUVL irradiation after the subsequent annealing. The alignment of the P-1 was increased by subsequent annealing at its liquid crystalline forming temperatures after LPUVL irradiation. Otherwise, the DR values of the P-2, P-3 and P-4 films were higher than those of P-1 film because of mesogenic unit effect and their direction of alignment was parallel to LPUVL. The alignment of the P-5, P-6 and P-7 films was increased by annealing at their liquid crystalline forming temperatures after LPUVL irradiation. Also, The DR values of copolymers was changed by compositions of copolymers and LPUVL irradiation energy. These results indicate that the flexibilities of the mesogenic groups played an important role in the alignment direction of the copolymer films.