액정분자의 선경사각 형성을 위한 새로운 감광성 폴리이미드 수직배향막의 합성 및 특성연구

고윤종 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 2017 국내석사

In VA mode LCD, photo-alignment method using RM (reactive mesogen) has been widely investigated during the last decade. When the liquid crystal is tilted along with the applied electric field, the photo-polymerization of RM can keep the tilted state of liquid crystal, and then, when electric field is removed, the pre-tilted liquid crystal will be formed. The pre-tilted liquid crystal shows considerably improved response time. But polymerized RM make uneven surface of alignment layers and induce scattering of light decreasing contrast ratio. In this study, we synthesized new photo-crosslinkable polyimide alignment layer containing the photosensitive side chain as well as vertical alignment side chain for VA mode LCD. We coated the new photo-crosslinkable polyimide on the IPS substrates to make VA-IPS cells. VA-IPS cells using positive LC show fast decaying time as compared with VA cells using negative LC. The reason is related to low rotational viscosity of positive LC. When the liquid crystal in the VA-IPS cell is aligned along with the applied electric field, we exposed UV light. Photosensitive side chains underwent photo-dimerization, which vertically aligned liquid crystals with pre-tilted angle. Because the new photo-alignment layer can make pre-tilted liquid crystal without RM, It can improve contrast ratio and production of VA mode LCD.

Study on the alignment layer properties and alignment mechanisms of a-SiOx:H thin film suitable to the ion beam irradiation process

김경찬 Graduate School, Yonsei University 2008 국내박사

Liquid crystal displays are widely used in various information display devices, for example, mobile phone displays, notebook computer monitors, laptop monitors, personal digital assistant (PDA) displays, calculators, and large area TV applications. Liquid crystal molecules are important for liquid crystal display. Uniform alignment of the liquid crystal molecules is essential for liquid crystal display application. For uniform alignment of liquid crystal molecules, liquid crystal alignment layer which is treated by various alignment methods is required to LCD devices. This unidirectional uniform alignment of liquid crystal molecules on treated substrate surfaces is very important in LC science and technology. Rubbing method is the most widely used because it is a very simple method of obtaining uniform liquid crystal alignment, and it ensures high productivity. However, this process has many problems such as the generation of dust and static electricity.To overcome the disadvantages of the mechanical rubbing method, recently, ion beam irradiation method is proposed. This is non-contact alignment method, and it can use inorganic alignment layer instead of polyimide to avoid the heat treatments. In the previous literature, hydrogenated amorphous carbon (a-C:H; diamond-like carbon) is suggested to materials suitable for ion beam irradiation method. However, diamond-like carbon (DLC) has low voltage hold ratio property and low long-term stability property. Therefore, in this study, hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiOx:H) thin films are used as alignment layer. These alignment layers have very uniform alignment property and long-term stability. Also, these alignment layers have pretilt angle which is controlled by various ion beam conditions such as ion beam irradiation energy, ion beam exposure time, and ion beam incident angle. Although the alignment layer does not have physical effect like surface morphology effect, liquid crystal molecules align chemical effect such as Si-H and/or Si-OH bonds.To investigate the alignment mechanism, alignment composition and content of hydrogen is changed by deposition conditions like control of silicon content. When silicon content is increased, incorporated hydrogen content is increased and Si-H bonding is increased. This Si-H bond is very important to factor in alignment layer. Therefore, as the Si-H bonds are increased, alignment property is improved.In addition, carbon-incorporated hydrogenated amorphous silicon oxides (a-SiOxCy:H) are investigated to increase pretilt angle. When carbon is incorporated in hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiOx:H) thin films, difference of electronegativity in alignment layer is decreased, then, total polarity of alignment layer is decreased. Therefore, pretilt angle is increased because surface energy is decreased. Also, incorporated carbon makes form of single and double carbon bonds which are affected uniform alignment of liquid crystal molecules.

Fabrication of polymer nanostructures by conventional/unconventional anodization techniques and their applications in liquid crystal displays (LCDs)

이경희 서울대학교 대학원 2013 국내박사

Anodization techniques based on self-organized behavior have been of great interest, especially for the preparation of large-area, nanometer-sized structures with high aspect ratios, which are difficult to form by a conventional lithographic process based on expensive vacuum equipment. Anodic aluminum oxide (AAO) has a nanoscopically cylindrical pore arrays with a hexagonally ordered arrangement, so AAO has became a popular nanotemplate for the fabrication of various functional nanostructures such as nanorods, nanowires, and nanotubes. As nanofabrication technologies have been developed toward more complex nanostructure with low-dimension, complicated or hierarchical nanostructures become a highly noticeable architecture. In this study, we suggest a simple and novel anodization technique (unconventional anodization) for fabricating hierarchical nanostructures with various shapes, maintaining advantages of conventional anodization method. Hierarchical polymer nanostructures were replicated from AAO nanotemplate obtained by unconventional anodization, and we analyzed their surface properties. In addition, we tried to apply nanapatterned surface to alignment layer and organic thin film transistors of liquid crystal displays (LCDs). In Chapter 1, we introduce conventional anodization technique as one of nanotechnologies for the preparation of nanostructures. Additionally, we add their versatile applications in practical fields such as electronics or optoelectronics, magnetic, and biosensors. In Chapter 2, we suggest unconventional anodization technique, which makes possible to fabricate more complex nanostructures with various shapes. Hierarchical AAO was obtained through the thinning process of oxide layer and the sequential anodization process at lower voltage. According to sequential anodization conditions such as the type of electrolyte and the applied voltage, the hierarchy was varied. Moreover, we fabricated the very tiny hierarchical nanopore arrays with pore diameter less than 100nm via unconventional anodization, which are limited to manufacture by conventional lithography techniques. In Chapter 3, hierarchical structures consisting of micro- or nano-meter scale structures have been discovered in many plant leaves and insect wings or legs, and exhibited outstanding properties on their surfaces. Thus, we investigate to mimic unique hierarchical structures by unconventional anodization in order to realize their superior properties. Firstly, the artificial lotus-leaf-inspired polymer nanostructures were fabricated by the replication AAO templates that have hierarchical nanopores via subsequent anodization on concave Al surface with the variation of the applied voltages. Then, we analyzed surface wettability of these hierarchical nanostructures. Secondly, for mimicking gecko’s foot surface, asymmetrically bent polymer nanopillars were prepared by metal deposition onto one lateral side of polymer nanopillars after the fabrication of polymer nanopillars replicated from AAO template, because the natural gecko setae show frictional anisotropy. Anisotropic adhesion behavior was observed due to structural peculiarity. In Chapter 4, we apprehend the structure of liquid crystal displays (TFT-LCDs) in order to apply micro/nanopatterned surfaces to TFT-LCDs. The patterned surface would be suitable as an alignment layer in TFT-LCDs because the orientation of LC molecules on the alignment layer is influenced by surface topography. We study LC alignment method and alignment mechanism. Furthermore, we introduce basic theory of organic thin film transistors to utilize the patterned surface in organic semiconductor layer. In Chapter 5, we investigate the alignment behavior of LC molecules with the variation of nanostructure size. As alignment layer, one-dimensional polymer nanostructure arrays replicated from AAO template was firstly prepared. When small LC molecules are confined by nanoscopic environment, they would suffer strong packing frustration because of the size similarity between LC molecules and nanoscopic space. We observed the transition of LC alignment from random to vertical orientation with the increase of nanorod diameter and length. In Chapter 6, we demonstrate the surface chemical compositions and nanoscopic topography effect on LC alignment. Several photocurable polymers with different surface free energies were used to examine the interaction at the LC/alignment layer interface. Diameter-controlled polymer nanorods were obtained from AAO templates. The alignment transition of LC molecules was only observed in polymer nanorod structure with moderate surface energy according to the increase of nanorod diameter. It can be interpreted that the LC alignment on nanorod arrays is determined by two competition interactions; the LC-LC interaction by spatial confinement and the LC-alignment layer interaction by surface chemical nature. In Chapter 7, we investigate a simple and novel method to make micropatterned organic semiconductors. The organic semiconductor was crystallized along the patterned surfaces of PDMS pad. Similar to a commercial rubber stamp, the crystalline organic semiconductor layer onto PDMS pad was transferred to the substrate after conformal contact. The molecular ordering and crystalline structures of transferred micropatterns was confirmed by 2D-grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD). Electrical properties of the OTFTs with micropatterned semiconductors showed considerably enhanced device performance.

Aligned carbon nanotube sheet and yarn for liquid crystal display and smart actuators

Truong, Thuy-Kieu Sungkyunkwan university 2019 국내박사

CNT 포레스트로부터 가져온 CNT 시트나 실과 같이 방적 가능하고 수직으로 정렬된 거시적 인 물체는 경량, 높은 기계적 및 전기적 특성 및 제어 가능한 광학 특성과 같은 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 이러한 거시적 조립은 게스트, 기능성 물질과 함께 시너지 효과를 발휘하여 다목적 장치를 위한 다기능 장치의 호스트 재료로서 탁월하게 기능해왔습니다. 게스트 소재의 다양성 가운데, 반응성 폴리머 또는 액정 분자와 같은 연질 물질은 호스트 내부에서 기능성을 제공하기 위한 쉬운 전략을 제공합니다. 이 논문에서는 액정 디스플레이 기술에서부터 인공 근육 및 소프트 로봇을 위한 스마트 액추에이터에 이르기까지 게스트 재료와 함께 시너지 효과를 보인 CNT 거시적 어셈블리의 고유 한 특성을 입증했습니다. 다음의 1 장에서, CNT 거시적 어셈블리의 분야에서의 문헌 고찰은 전기적, 열적 및 기계적 특성을 다루는 독특한 특성화 접근법과 그 잠재적인 적용의 시연이 함께 제공되며, 이 장의 뒷부분에서는 주로 인공 근육과 투명하고 유연한 전극에 초점을 맞추고 있습니다. 최근에는 파라핀이 침투된 CNT 실이 인공 근육의 좋은 성능을 보였습니다. 호스트 CNT 내부에 잘 갇혀있는 파라핀 게스트의 고체 - 액체 상 변화 전이와 관련된 부피 팽창은 작동 성능을 증폭시킨다. 또한, 이러한 체적 변화는 ex-situ에서 측정되었다. 작동 중에 하이브리드 CNT 실 전체의 in-situ 체적 팽창에 대한 설명을 위해서, 제 2 장은 파라핀 침투 CNT 사의 등 장성 (isotonic) 작동 중 다차원 in-situ 측정에 집중하고 있다. 파라핀이 침투 된 순수 원사 및 코일형태로 꼰 원사의 동작에 대한 아이디어와 경험적 결과 및 토론에 대해서 보여주었습니다. 이러한 실험 장치로부터 게스트 물질의 역할뿐만 아니라 작동 중에 호스트 얀의 내부 구조 및 다기능 장치의 추가 기능을 더 잘 이해할 수 있었습니다. 전술 한 바와 같이, CNT 시트는 유연하고 투명한 전극으로서 사용할 수 있습니다. 또한, CNT 시트의 자연적 정렬 특성으로 인해, 이러한 기능은 액정 디스플레이 용 정렬 층에 사용될 수 있습니다. 그 결과, CNT 시트는 액정 분자 배향용 시판 액정 셀에서 종래의 인듐 주석 산화물 (ITO) 투명 전극 및 폴리이미드 정렬 층의 대안적인 해결책으로서 배향막 및 투명 전극의 두 가지 역할을 담당하였고, 이들 분자의 방위를 전기적으로 제어합니다. 이것을 증명하기 위해서, 유리 기판상의 샌드위치 액정과 같은 셀에 대한 CNT 시트의 다양한 기능이 3 장에서 증명되었습니다. 이 장에서, 제작된 셀의 전기, 열, 광학적 결과는 상업용 셀과 비교하여 뛰어난 성능을 보였습니다. 또한 CNT 시트의 유연성과 결합된 이러한 기능들은 상용 인듐 주석 산화물 투명 전극으로는 제한되는 유연하고 접을 수 있는 액정 장치의 발전을 위한 길을 열어 줄 것입니다. 4 장에서는 스마트 액추에이터 응용을 위해, 정렬된 CNT 시트와 PVA로 구성된 2 층 구조의 다중 자극 및 다중 응답에 대해 논의한다. 흡습 물질 인 PVA와 상승 작용을 하는 적층 CNT 시트의 흑체 및 이방성 기계적 성질은 습기 및 햇빛에 반응하는 2 층 구조를 형성하여 각각 PVA의 수화 및 탈수에 관여한다. 2 층 구조는 자율적으로 자연 환경에 의해 활성화되는 스마트 창 커튼과, 비에 의한 습도 및 햇빛과 같은 외부 환경 변화에 의해 자율적으로 구동되는 소프트 로봇의 이동을 통해 증명되었습니다. 또한, 이중층 구조는 다른 자극에 의해서도 활성화됩니다. 이러한 스마트한 구조는 전력 없이도 환경친화적이며 무한한 에너지 자원에 의해 활성화되는 soft-robotics의 응용을 발전시킬 것입니다. 결론 및 전망은 이 논문의 결과를 요약하고 향후 연구에서의 문제점을 논의 할 것입니다. Macroscopic objects drawing from spinnable and vertically aligned CNT-forest such as CNT-sheets and yarns have owned the outstanding properties such as light-weight, high mechanical and electrical properties, and controllable optical properties. Such these macroscopic assembly have excellently served as the host material for the multi-functional devices for the versatile applications by synergistic with the guests, functional materials. Among the varieties of the guest materials, soft matter materials such as a responsive polymer or liquid crystal molecules have offered a facile strategy to combine inside the host with great functionalities. In this thesis, the deployment of the unique properties of the CNT macroscopic assemblies synergistic with guest materials has been demonstrated in the applications from the liquid crystal display technology to the smart actuators for the artificial muscles and soft robotics. In the following, Chapter 1, the literature review in the field of the CNT macroscopic assembly comes along with the unique characterization approaches covering the whole electrical, thermal, and mechanical properties which have been demonstrated the potential applications, mainly focusing on the artificial muscles and transparent and flexible electrodes in the latter part of the chapter. Recently, the paraffin infiltrated CNT yarns have been shown the great performances for the artificial muscles. The volume expansion associated with the solid to liquid phase change transition of the paraffin guest which is well-confined inside the host CNT yarn has amplified the actuation performances. However, such the volume variation was measured in ex-situ. In order to complete the puzzle, it is necessary to develop an idea for the in-situ volume expansion of the whole hybrid CNT yarn during the actuation. Therefore, Chapter 2 dedicates for such the multi-dimensional in-situ measurement during the isotonic actuation of the paraffin infiltrated CNT yarns. The concept of the idea, empirical results, and discussions for the actuation of the paraffin infiltrated neat yarn and coiled yarn, respectively are shown. From such the experimental apparatus, it helps better understanding the role of the guest material as well as the internal structure of the host yarn during the actuation and for the further functionalities for the multi-functional devices. As aforementioned, the CNT-sheet could act as the flexible transparent electrode. Moreover, thanks to the natural alignment feature of the CNT-sheet, such the function could use for the alignment layer for the liquid crystal display. As a result, the CNT-sheet has served as a dual role of the alignment layer and the transparent electrode as an alternative solution for the conventional indium tin oxide transparent electrode and polyimide alignment layer in the commercial liquid crystal cell for aligning liquid crystal molecules and electrically controlling these molecules’ orientations, respectively. As a proof of concept, the multi-functionalities of the CNT-sheet for the sandwich liquid crystal-like cell on a glass substrate have been demonstrated in Chapter 3. In this chapter, the electro-thermal-optical results of the made-cell have been shown the great performances comparing with these of commercial cell. Moreover, these functions of the CNT-sheet combining with its flexibility will pay the way for the further development in the flexible and foldable liquid crystal devices where the capability of the commercial indium tin oxide transparent electrode is limited. Chapter 4 discusses the multi-stimuli and multi-responses of bi-layer structure consisting of the aligned-CNT-sheets and PVA for the smart actuators. The black body and anisotropic mechanical properties of the stack-CNT-sheets synergistic with the hygroscopic material, PVA, forms the bi-layer structure which responses with the humidity and sunlight are associating with the hydration and dehydration of the PVA, respectively. The bi-layer structure dedicates as the autonomous, naturally environmental activated, smart window curtain and demonstration of the locomotion of soft-robot autonomously driven by the environmental changes such as rain-induced humidity and sunlight. Moreover, the bi-layer structure is also activated by the other stimuli. Such the smart structure pave the way for the applications in the soft-robotics activating by the power-free, environmentally friendly, and unlimited energy resources. Conclusions and perspective will summary those results in this thesis and discuss scenarios and challenges in the future research.

신규 광학용 폴리이미드의 합성 및 특성 연구

웬푸산 전북대학교 일반대학원 2012 국내박사

The overall goal of this work was to develop new polyimide systems for optical applications. The work was divided into two parts. The first part included the synthesis and characterization of novel polyimide containing cardo group in the side chain, and the second included the synthesis and characterization of a series of polyimide with phenyl or biphenyl side chain for use as a liquid crystal alignment layer. In the first part, two new diamines of 9,9’-spirobifluorene cardo structure were synthesized through 4 steps, and polymerized with three different dianhydrides (PMDA, CBDA and 6FDA) to obtain six cardo polyimides with spirobifluorene structure in the side chain. The structure of each monomer and polymer was confirmed by FT-IR and 1H NMR. All the resulting polyimides displayed excellent thermal stability and high glass transition temperature. These cardo polyimides synthesized from CBDA and 6FDA showed good solubility in typical organic solvents such as NMP, DMF and DMSO, while the polyimides from PMDA are not soluble in any solvent due to rigid structure. Transparent and flexible cast films can be obtained from soluble polyimide or poly(amic acid) solution. The transmittance of polyimide films reached more than 90% in the visible wavelength range (higher than 80% in case of polyimide contain PMDA). The refractive indices of the cardo polyimides were found in the range from 1.6345 to 1.7011, higher than that of normal polymers. In addition to that, birefringences were very low (0.0005 to 0.0014). The high refractive index and low birefringence of these cardo polyimides as well as other descent physical and thermal properties would offer them possible applications in high performance optical materials. In the second part, a series of new diamines was designed and synthesized to prepare polyimides for liquid crystal alignment layer which aligns liquid crystal perpendicular to the rubbing direction. At first, 3,5-diaminobiphenyl and 4’-methoxy-3,5-diaminobiphenyl were synthesized and polymerized with PMDA and CBDA to obtain four different polyimides. These polyimides were, however, found to align liquid crystal parallel to the rubbing direction. Then 3,5-diaminobenzoate-4-biphenyl was synthesized and polymerized with PMDA and CBDA. The resulting two polyimides showed liquid crystal alignment perpendicular to the rubbing direction as expected. Two more diamines with similar structures were also synthesized and all the resulting polyimides showed alignment perpendicular to the rubbing direction. The structure of all the monomers and polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR spectroscopies. Finally, two photosensitive polyimides were designed and synthesized from photosensitive diamine having a chalcone moiety for the purpose of photalignment. The structure of all the monomers and polymers were characterized by FT-IR, 1H NMR and UV/Vis spectroscopies. The resulting polyimide displayed good thermal stability as well as good solubility. A uniform alignment was validated by polarizing optical microscopy. Pretilt angle of liquid crystal induced by the alignment layer as well as the electrical properties of cells fabricated with these polyimide films were also investigated.

광학 필름에의 응용을 위한 스메틱상 반응성 메소젠의 합성과 특성연구

하뤼 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 2018 국내박사

The in-situ polymerization of uniaxially oriented reactive mesogens resulting in an anisotropic polymer film can be applied in various applications in liquid crystal displays (LCDs). The first part of this work aimed to fabricate ultra-thin coatable polarizer based on “host-guest” effect between highly ordered liquid crystalline monomer and dichroic dye. We designed and synthesized new reactive mesogens based on the tolane core structure (MAT and DAT) as the host material. Structures of the synthesized reactive mesogens were characterized by 1H NMR spectroscopy. Their liquid crystalline behaviors were studied by differential scanning calorimetry (DSC), polarized optical microscopy (POM) and X-ray diffraction (XRD) methods. MAT and DAT reactive mesogens exhibit highly ordered smectic A phase. This thesis described the fabrication of “host-guest” thin-film polarizers either in a sandwich cell or on a single substrate by in-situ polymerization of the aligned “host-guest” mixture. The dichroic ratio (DR) and order parameter (S) of the polarizer samples were determined with polarized UV-Vis spectroscopy. The “host-guest” effect between the polymerizable reactive mesogens and dichroic dyes was investigated. The high dichroism was achieved when the π-conjugation length of the “guest” dichroic dye molecule is matched with the “host” liquid crystals. Upon polymerization, the decreasing of DR and S values were observed, which is unavoidable in the “host-guest” system. For DAT +DAD mixture, the thin film polarizer showed DR = 19.2 and S = 0.86, respectively, after photopolymerization. The coatable polarizer was also fabricated on a single substrate by using the DAT reactive mesogen and a commercial black dye through spin-coating method. The fabricated coatable polarizer sample with the thickness of 4 μm showed DR = 16.4 and S = 0.84, and the degree of polarization (DOP) was 99.3% at a single transmittance of 34.5%. The resulting coatable polarizers possess a considerable solvent resistance, and thermal stability with robust mechanical properties. Finally, we prepared the TN-mode LC cell by using the prepared coatable polarizer inside of the cell, in which the coatable polarizer acted as a polarizer and an alignment layer, simultaneously. This could decrease the device thickness as well as the parallax issue. We believe that the coatable polarizer proposed in this study possesses high potential to be an alternative for the conventional H-sheet polarizers in LCD and flexible display applications such as anti-reflection layers for OLED devices. The second part of this thesis demonstrated a new polyimide-free photoalignment method to achieve homogeneous alignment of LCs by doping a new reactive mesogen with the host LCs in a subsequent irradiation of linearly polarized UV light. We designed and synthesized a new reactive mesogen (CRM) containing cinnamate moiety in the core structure. The structure of CRM was characterized by 1H NMR and FT-IR, and its liquid crystalline property was investigated by DSC and POM. The uniaxial homogeneous alignment of liquid crystals was achieved in-situ by irradiating the conventional LC mixture doped with a small amount of CRM in a sandwich cell of in-plane switching mode (CRM-IPS) with linearly polarized UV light at 95 °C. Compared to the conventional LC cell with rubbed polyimide alignment layers (PI-IPS), the photoaligned IPS cell (CRM-IPS) exhibited an equivalent level of alignment state and electro-optical properties with outstanding anchoring stability and durability. Moreover, the cell showed an excellent dark state with a low light leakage due to the automatic compliance of optical axes. This confirmed that the photo-induced alignment of LCs by CRM possesses outstanding alignment capability compared to the conventional rubbed polyimide alignment layer. We expect that this fabrication method is a promising candidate for cost-effective, green-manufacturing, and high-quality alignment method for the manufacturing of high-resolution LCDs. 이방성 고분자 필름에의 단축 배향 반응성 메소젠의 현장중합은 액정 디스플레이의 다양한 응용에 적용할 수 있다. 본 연구의 첫번째부분으로는 잘 정렬된 액정 단량체와 이색성 염료사이의 “게스트-호스트” 효과를 바탕으로 초박막 코팅형 편광자를 제작하는 것을 목표로 하였다. 호스트 물질로써 톨란을 중심으로 새로운 반응성 메소젠을 디자인하고 합성하였다. 합성한 반응성 메소젠의 구조는 1H NMR과 FT-IR spectroscopy로 확인하였다. 액정 특성은 시차 주사 열량계 (DSC), 편광 광학 현미경 (POM) 및 X 선 회절 (XRD) 방법에 의해 확인하였다. MAT 및 DAT 반응성 메소젠은 고도로 규칙적인 스메틱 A 상을 나타낸다. 우리는 배향된 “게스트-호스트” 혼합물의 중합에 의해 샌드위치 셀 또는 단일기판 위의 “게스트-호스트” 박막 편광자를 제작하였다. 편광자의 이색비(DR)와 오더 파라미터(s)는 편광된 UV-Vis spectroscopy로 확인하였다. 중합가능한 반응성 메소젠과 이색성 염료 사이의 “게스트-호스트” 효과를 확인하였다. 높은 이색성은 “게스트”인 이색성 염료분자의 π-컨쥬게이션 길이가 “호스트”인 액정과 일치할 때 얻어졌다. 중합 시, DR과 S 값이 감소됨을 관찰했고, 이는 “게스트-호스트” 시스템에서는 불가피한 현상이다. DAT+DAD 혼합물에서 박막 필름 편광자는 광중합 후 각각 DR = 19.2, S = 0.86 을 나타내었다. 코팅형 편광자 또한 DAT 반응성 메소젠과 시중의 블랙다이로 단일 기판위에 스핀코팅 방법으로 제작되었다. 4μm 두께로 제조된 코팅형 편광자 샘플은 DR = 16.4, S = 0.84 를 나타내었고 단일 편광도 34.5%에서의 편광도(DOP)는 99.3%를 나타내었다. 제작된 코팅형 편광자는 상당한 용매 저항성 및 기계적특성을 갖는 열적 안정성을 보유한다. 마지막으로 배향막과 편광자로 동시에 작용하는 코팅형 편광자가 있는 TN 모드 LC 셀을 만들었다. 이는 시차 문제뿐만 아니라 장치의 두께도 감소 시킬 수 있다. 본 연구에서 제안된 코팅형 편광자는 LCD및 플렉서블 디스플레이분야에서 기존의 H-시트 편광자의 대안으로 대두될 가능성이 있다. 본 연구의 두번째 부분으로는 선편광 된 자외선을 조사하여 새로운 반응성 메소젠을 호스트 LC에 도핑하여 균일한 액정 배향을 달성하는 새로운 폴리이미드-프리 광배향 방법을 제안했다. 코어에 시나메이트 부분을 가지는 새로운 반응성 메소젠 (CRM)을 디자인하고 합성하였다. CRM의 구조는 1H NMR과 FT-IR에 의해 확인했으며, 액정성은 DSC와 POM에 의해 확인되었다. 액정의 단축 균질 배향은 95 ℃에서 직선 편광 된 자외선을 갖는 평면 - 평면 스위칭 모드 (CRM-IPS)의 샌드위치 셀에서 소량의 CRM로 도핑 된 통상적인 LC 혼합물을 조사함으로써 달성되었다. 러빙된 폴리이미드 배향막 (PI-IPS)이 있는 기존의 LC 셀에 비해 광배향 된 IPS 셀 (CRM-IPS)은 우수한 앵커링 안정성과 내구성으로 동일한 수준의 배향 상태와 전기 광학적 특성을 나타냈다. 또한 셀은 광축의 자동 컴플라이언스로 인해 빛 샘이 적은 뛰어난 암흑 상태를 나타내었다. 이것은 CRM에 의한 LC의 광배향이 기존의 러빙된 폴리이미드 배향층에 비해 뛰어난 배향능력을 갖는 것을 확인했다. 우리는 이 제조 방법이 고해상도 LCD 제조를 위한 비용효율적이고 친환경제조 및 고품질 배향방법의 유망한 후보가 될 것으로 기대한다.

Characteristics and interfacial phenomena of ion-beam-treated a-C:F thin films for liquid crystal display applications

안한진 Graduate School, Yonsei University 2007 국내박사

넌러빙 방식의 액정 배향 기술은 현재 사용되는 액정 배향 기술의 단점을 보완하고, 차세대 액정 디스플레이 소자를 실현할 수 있는 핵심 기술 중 하나이다. 현재까지 많은 연구들이 러빙 공정을 대체하기 위한 목적으로 진행되어 왔다. 본 논문에서는 이온 빔 공정을 배향공정으로 사용하기에 적합한 무기 배향막으로서 불소가 첨가된 비정질 탄소 박막 (a-C:F)을 개발하였고, 다양한 액정 특성 평가를 시행하였다.무기 액정 배향막으로서 사용될 a-C:F 박막은 다양한 진공 공정을 통하여 제조 되었으며, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), FT-IR (Fourier transform infrared absorption), 라만 분광법 및 접촉각 측정을 통하여 물질 특성을 분석하였다. 박막 내 존재하는 불소의 함량은 다양한 증착 조건에 의하여 조절 될 수 있었으며, CVD 증착 공정에서는 혼합 가스의 비율로서, 스퍼터 공정에서는 증착 타겟 물질에 인가되는 파워의 비율로서 이를 조절하였다. 박막 내부의 불소 결합 분율의 증가는 박막의 미세 구조를 탄소 함량이 많은 다이아몬드 구조에서 폴리머 구조로 변화시켰다. 본 실험에서는 스퍼터 공정에서 증착된 a-C:F 박막이 CVD 에서 증착 된 박막보다 일반적으로 높은 불소 함량을 나타냈으며, 강한 소수성의 특성을 나타내었다. 박막 내부의 불소/탄소 함량 비율은 박막의 표면 에너지에 영향을 나타냄이 확인되었고, 이를 이용하여 다양한 불소/탄소 함량과 이에 의존하여 변화하는 표면 에너지 특성을 가지는 a-C:F 박막을 얻을 수 있었다.기판의 표면에너지는 액정 배향에 있어서 배향 방향을 결정하는 주요 인자이다. 다양한 표면 에너지를 가지는 a-C:F 박막을 배향막으로 사용할 경우, 수직 배향에서 수평 배향으로의 액정 배향 전이 결과를 얻을 수 있었다. 불소가 다량 함유된 a-C:F 박막의 경우, 수직 배향 선호성을 나타낸 반면, 탄소가 다량 함유된 a-C:F 박막의 경우 수평 배향 선호성을 나타냄이 밝혀졌다. 표면 장력 계산에 의한 이론적 액정 배향성과, 실험적으로 규명된 액정 배향성은 잘 일치하였으며, 기판의 표면 에너지를 구성하는 극성 인자와 분산 인자가 각각 액정 배향에 미치는 영향을 규명하였다.한편, 적절한 선경사각을 가지는 액정 배향 결과를 얻기 위하여 가속된 Ar 이온을 a-C:F 배향막에 조사하였다. 표면 처리 된 배향막의 표면 분석 결과를 통하여 이온 빔은 표면의 분자 결합을 선택적으로 파괴함이 밝혀졌고, 이는 중간 영역의 선경사각에 영향을 주었다. 불소가 다량 함유된 박막의 경우 수직 방향으로부터 발생된 선경사각이 발생한 반면, 탄소가 다량 함유된 박막의 경우 수평 방향으로부터 발생된 선경사각이 얻어졌다. 또한 기판의 표면에너지와 이온 빔 처리에 의한 선택적 파괴 효과의 적절한 조합을 통하여 중간 영역에서 연속적인 선경사각의 변화 결과를 얻을 수 있었다.마지막으로, 이온 빔 처리된 a-C:F 박막을 이용하여 바이어스 인가가 필요없는 고속 액정 모드인 NBB (no-bias bend) 구조를 구현하였다. 액정의 탄성 자유 에너지의 수리적 풀이와, 시뮬레이션 결과를 통하여 액정의 선경사각 변화에 따른 액정 방향자의 분포도를 확인하였으며, 본 실험에서 바이어스가 필요없는 임계 선경사각은 48.3도였다. 본 연구에서는 실험 결과를 통하여, 큰 선경사각을 가지는 a-C:F 배향막의 경우, pi-cell 구조에서 Bend - Splay 전이에 필요한 임계 전압의 감소효과를 확인할 수 있었다 Non-rubbing liquid crystal (LC) alignment methods are promising technologies that prevent the disadvantages of conventional processing technologies and realize the next-generational LC display applications. Among them, I present the ion beam alignment method with fluorinated amorphous carbon (a-C:F) thin films as novel inorganic LC alignment layers. Various LC orientations with uniform, continuous, and large pretilt angles are observed on a-C:F layers with ion beam treatment.A-C:F thin films were prepared by various deposition methods as inorganic alignment layers. The material and structural properties were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS), Fourier transform infrared absorption, Raman spectroscopy, and contact angle measurement. Fluorine concentration is controlled by the deposition conditions, e.g., a mixture gas ratio in the CVD and applied power ratio in the sputter system. The increase of fluorine incorporation induces micro-structural changes from a diamond-like to a polymer-like structure. The sputtered a-C:F films show a higher fluorination than the CVD samples, and an extremely hydrophobic property is obtained in the case of fluorine-rich a-C:F films. The surface compositional ratio F/C is effective for the surface energy. As a result, I obtain various compositional surfaces with fluorine and carbon components and adjust the surface energy with regard to the various compositions.The surface energy of a substrate affects the orientational direction of LC molecules. The orientational transitions from the homeotropic (vertical) to the planar (homogeneous) direction of LC molecules occur on a-C:F thin films with various surface energies. Whereas the fluorine-rich a-C:F layer shows a preference for homeotropic (vertical) LC alignment, the carbon-rich a-C:F layer shows planar LC alignment. Both experimental and theoretical evidence is presented for polar and nonpolar contributions to LC orientations on a-C:F substrates. Numerical calculations give correlations between LC orientation and substrate surface energy components, which are in good agreement with the experimental results.To achieve a proper pretilt LC alignment, an accelerated Ar+ ion beam irradiates the films after the deposition process. The ion beam destroys the surface bonding of the a-C:F films selectively, and an intermediate pretilt angle is obtained. In the case of the fluorine-rich a-C:F layer, high-tilted homeotropic alignment is achieved, and in the case of the carbon-rich a-C:F layer, high-tilted planar alignment is achieved. The continuous pretilt angle occurs due to the combination of two kinds of chemical bonds, benzene clusters and fluorocarbon bonds. The competition of both interactions induces the appropriate LC orientation with pretilt angle.Finally, I present a near no-bias-bend (NBB) mode with a large pretilt angle by using IB-irradiated a-C:F thin films. Numerical calculation of the elastic deformation energy and simulation results of LC director distributions show the effect of the pretilt angle on the reduction of bias voltage for the bend state. In our experimental condition, the critical pretilt angle for the no-bias boundary condition is achieved as 48.3o. Experimental results show the decline of threshold and saturation voltage in the pi-cell of a large pretilt angle.

분광학을 이용한 나노임프린트 패턴 안의 액정배향에 관한 연구

윤형석 경희대학교 2014 국내석사

액정상은 결정성을 가진 고체와 등방상을 가진 액체 사이에 구별되는 상이며, 기판의 표면상태에 따라 쉽게 배향을 유도할 수 있다. 이는 균일한 액정의 배향을 요구하는 액정 디스플레이 산업(LCD)에 널리 쓰이며, 액정디스플레이 구동에 필수적인 요소에 해당된다. 따라서 본 연구에서는 기판의 상태에 따른 액정의 배향 메커니즘을 이해하기 위해 여러 크기의 groove를 가진 기판을 제작하여 groove 내의 액정배향을 관측하고자 했다. 임프린트 방법을 이용하여 나노 패턴이 형성된 폴리우레탄 아크릴레이트 기판을 제조하였으며, 제작된 나노 미세구조의 넓이에 따라 액정의 배향이 달라지는 것을 분광학을 이용하여 확인하였다. 이를 통해 배향막 형성을 위한 기존의 러빙 공정과 고분자 나노 패터닝 공정을 함께 적용하여 봄으로써 제작된 미세구조가 액정 분자의 배향에 영향을 미치는 것을 확인하였다. The liquid crystal (LC) phase is a distinct phase of material observed between the crystalline solid and isotropic liquid. It can be easily aligned by proper treatment of the surface. In the liquid crystal display (LCD) industry, uniform alignment of LC on substrate is widely used for essential requirement that allows the operation of LCDs. In this study, we investigated the behavior of liquid crystal in groove with various widths for understanding the mechanism of LC alignment. Nano-groove has been formed on the surface a polyurethane acrylate(PUA) by imprinting. We measured the alignment of LC depends on width of groove by spectroscopy. For forming the alignment layer, it has been demonstrated that the polymer nano-groove pattern has a comparable influence on LC alignment to the conventional rubbing process. It has been also shown that the topography of the grating has influence on the alignment of LC.

디스플레이와 셔터글라스 적용을 위한 정렬된 카본 나노튜브와 카본 블랙 / 카본 나노튜브 복합제에 의한 광조절 연구

신훈섭 전북대학교 일반대학원 2021 국내박사

Carbon 소재들 중 CNT와 CB는 sp2 hybridized 구조와 결합되어 있는 형태 및 모양 그리고, aspect ratio등에서 비롯된 독특한 전기, 광학적 및 물리적 특성을 가지고 있다. 특히 지금까지 고분자의 물리적 능력을 향상시키기위한 보강재, 수소 연료 전지용 수소 저장 용기, 플렉서블 디스플레이용 전극, 전기 영동을 이용한 시야각 제어 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 추가적으로 본 논문에서는 한 방향으로 배열 된 CNT의 광학 이방성을 사용하여 WGP를 대체 할 수있는 가능성과 전기장에서 CB 및 CNT의 거동을 이용하여 새로운 shutter glass에서의 응용 가능성에 대해서 연구 하였다. 먼저 CVD를 이용해서 CNT를 vertical alignment 시키고 한방향으로 정렬을 시켜 주면 CNT가 가지고 있는 광학 이방성에 의해 정렬된 방향으로 들어오는 빛은 흡수가 되고 수직한 방향의 빛은 투과가 된다. 이러한 aligned CNT는 자외선 영역에서는 편광기능이 없는 iodine polarizer와 다르게 자외선 영역부터 적외선 영역까지 편광 기능을 갖게 된다. 특히 UV 영역의 편광도는 CNT layer수가 증가함에 따라 증가하여 8 layer이상에서는 90%의 DOP를 보이게 되며, 8 layer 이상의 CNT sheet에 배향 된 UV photoalignment는 LC의 균일한 배향과 강한 anchoring force를 갖게된다. 이로 인해 기존의 WGP로 배향한 cell과 특성 비교시, anchoring force가 약할 때 발생하는 low gray mura나 느린 falling time 없이 우수한 전기 광학 특성을 보여준다. 결과적으로 본 연구는 WGP를 대체하는 효율적인 새로운 편광판을 제안했다. 두번째는 electric filed 하에서 CB와 CNT의 LC medium내에서의 거동을 비교하였다. 유전체내에 전기적 특성을 띄는 particles는 electric field가 작용하게 되면, induced dipole moment가 발생하게 된다. 이로인해 particles은 electric field에 반응을 하게 되는데, CB와 CNT의 반응에 차이가 있다. CB은 수직 전계 cell에서는 electric field에 따라 단순히 상하 운동만 하지만, 수평 전계 cell에서는 분산되어 있는 상태에서 black 상태를 나타내고 DC electric field가 형성되면 전기영동에 의해 ‘+’ 전극으로 모이며 투과율이 높아지게 된다. 그리고, CNT는 수직 전계 cell내에서 높은 aspect ratio 및 Van Der Waals force에 의해 cluster 형성을 하게 되고, electric field에 의해 CNT간 작용하는 Van Der Waals force 이상의 힘을 받게 되면 CNT는 field 방향으로 stretching 운동을 하며 투과율이 증가하게 되고, 힘이 제거되면 shrink 운동을 하며 투과율이 낮아지게 된다. 또한, 전극 사이에서 전극과 특정 각도를 이루고 있는 CNTs들은 electric torque에 의해 회전 운동도 하게 된다. 이러한 CB와 CNT를 이용한 shutter glass는 black 구현이 가능하다. 이것은 기존 산란/투명을 이용하는 PDLC(or PNLC) 대비 가독성이 우수하기 때문에 information display로서도 적용이 가능하다는 추가적인 장점을 갖게 된다. 탄소계 소재는 고유한 구조와 특성으로 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 지금까지 많은 산업 분야에서 수행되어 왔지만 전기 광학 특성에 대한 추가 연구가 진행되면 디스플레이 분야에서도 주요 소재가 될 수 있다.

직교배향제를 이용한 새로운 Film Patterned Retarder 제조방안 연구

오상훈 전북대학교 일반대학원 2013 국내석사

Novel fabrication method for Film Patterned Retarder (FPR) has been studied. Conventional FPR process requires coating of photo-alignment and then UV exposure using mask and polarized UV, which is very expensive and difficult. Therefore, we have proposed the simple and low cost fabrication process. During our proposed fabrication, Ink-Jet printing method had been used to form patterned printing alignment with orthogonal alignment layer of 9FDA/CBDA. After rubbing, Reactive Mesogen (RM) had been coated onto the substrate and finally the novel FPR has been developed. RM is aligned parallel to rubbing direction on the film substrate area and aligned orthogonal to rubbing direction on the orthogonal alignment layer. FPR film can be achieved, realizing relatively fast and cost effectiveness.