무배향막 네마틱 액정 배향을 위한 인시츄 광배향 및 이의 전기광학 소자 응용

Nasrollahi, Aboozar 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

액정의 배향 제어는액정연구 분야에서, 특히 광학 및 전기 광학 응용 분야에서 매우 중요하다. 액정의우수한 배향을 달성하기 위해 경사 증착, 이온빔 처리, 러빙 및 광배향과 같은 다양한 기술이 제안되었다. 그 중 러빙기술은 액정 디스플레이의 제조 공정에서 성공적으로적용되어 왔다. 그러나 작은 픽셀 크기에 따른 고르지 않은 표면 및 배향 균일도, 먼지 및 정전기의 발생과 같은 심각한 단점에 따라 새로운 배향기술의 개발이 요구되고 있다. 이러한 관점에서 비접촉 방식인 광배향 기술은 기존의 러빙 방식과 비교하여 그 장점으로 인해많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 최근에는 “PI-less in situ 광배향”이라고 불리는 전처리 된 배향막을 사용하지 않은 in situ 인시츄 광배향이 보고되었다. 이 경우 감광성 화합물을액정 호스트에 도핑하고 혼합물을 배향막이 없는 빈 셀에 주입하여 광배향으로 액정 배향을 유도하였다. 이 방법은 비용 효율적이기 때문에 대량 생산에 매우 유용하며 초 고해상도 디스플레이 제조에 대한 요구 사항을 충족시킬 수 있다. 본 논문은 “PI-less in situ 광배향”에 초점을 맞추고 있다. 아조벤젠계 물질은액정 분야에서많이 사용되고 있는 화합물 중 하나이다. 아조벤젠계 물질은트랜스-시스 광 이성질화를 거치며, 이 물질의 매력적인 특징은이성질화 과정에서의 가역성이다. 그러나액정 정렬에 관해서는, 충분한 안정성을 갖는 견고한 정렬 층이 요구되며, 중합 가능한 물질에 의해 정렬된 상태를 동결 안정화시키는 것이 중요하다. 두 번째 장에서는 “PI-less in situ 광배향”을 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 방법이 제안되었다. 액정 정렬 배향의 목적과 정렬 배향 과정의 메커니즘 연구를 위해 형광 지시약으로 Acidified Chrysophenin (ACP)과 Thiazole yellow G (TYG)라는 두 가지 가시 광선에 민감한 화합물을 각각 선택하였다. Azo 아조 발색단 및 반응성 메소겐(RM)을액정 호스트에 도핑하여 하나의 액정 조성물을 준비하였다. 선 편광된 가시 광선(LPVL)을 조사 시, 초기 무작위 평면 배열로부터 균일한 수평배향이 유도되었다. 정렬된 상태를 유지하기 위해 비편광자외선을 사용하여 RM의 중합을 통해 안정화 공정을 수행하였다. 이러한 순차적 공정을 통하여 정렬 및 안정화 층 형성 간의 간섭을 최소화하여 양질의 액정배향을 달성할 수 있었다. 이 연구에서 사용된 아조 염료의 주된 특징은 화학 구조에서 이온 그룹의 존재로 인한 LC의 제한된 혼합성이다. 그것은 혼합물이 빈 셀에 주입되면 아조 염료 분자가 표면에 국지화되고 흡수되게 하였다. 정렬 메커니즘 및 안정화 공정은 Confocal Fluorescence Microscopy (CFM), polarized fluorescence microscopy (PFM), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 분석하였다. 3장에서는 이전의 것과는 달리, 전혀 다른 특성을 지닌 독특한 아조 염료 화합물이 종래의 배향막이 없는 in situ 수평배향에 사용되었다. DA6DMA 및 RM을 액정 호스트에 도핑하고 추가 전처리없이 비어 있는 샌드위치 셀에 주입하였다. 1 단계 광 배향 공정은 LPVL 조사를 이용하고, 이어서 편광 되지 않은 UV 빛으로 2 단계 RM-안정화(즉, 이중 파장 접근법)를 수행하였다. 이 작업에서 사용된 아조 염료는 흥미로운 배향유도 특성을 나타냈다. 이 아조 염료의 UV-vis 스펙트럼은 가시 영역과 UV 영역 모두에서 넓은 범위를 가지고 있다. 이중 파장 공정 외에도 PI가 없는 in situ 광 배향 및 RM 안정화는 "단일 파장 접근법"이라고도 불리는 자외선 광 조사만으로 이루어졌다. 또한 가시 광선 영역에서 광 발광을 나타내므로 정렬 메커니즘을 모니터링하기 위해 추가적으로 형광 지시약이 사용되지 않았다. 게다가, 이것은 이전의 아조 염료와 달리, 액정 호스트 에서 우수한 용해도를 가졌다. 따라서 CFM에서 얻은 셀 전반에 걸친 azo 발색단의 공간적 분포는 ACP 아조 염료와는 다른 공간 분포의 특성을 나타내었다. 4 장에서는신나메이트 기반 아크릴 모노머를 사용하여폴리이미드가 없는인시츄 수평배향을 성공적으로달성하였다. C3 모델 화합물은 인시츄 광 배향 공정을 위하여 포괄적인 연구를 통해 설계되고 채택되었다. 이 경우, 액정 배향을 이루기 위해 세 가지 주요 공정이 필요하였다. 초기에는 광중합 반응, 광이량화 반응과 함께트랜스-시스 광이성질화 반응이 일어났다. 그러나, 광이성질화 반응은 [2+2] 첨가반응보다 수평배향을 유도하기 위한 과정에서 주도적인 역할을 하는 것으로 나타났다. 이 다기능성 광 반응 화합물은 또한 형광 특성을 나타내어 CFM, PFM 및 편광 형광 분광법(PFS)을 사용하여 액정배향 메커니즘을 연구하는데 매우 유용하였다. 파장 의존성 연구는 긴 파장의 자외선(λ > 350 nm)이 더 효과적이라는 것을 확인하였다. 아조벤젠 및 신나메이트 기반 재료를 사용하여 제안된 새로운 액정배향 방법은 산업 응용 분야에 있어서 큰 잠재력을 지닌 “PI-less in situ 광배향”을 위한 신뢰성 있고 실용적이며 비용 효율적인 액정 배향법을 제공하였다. The control of the alignment of liquid crystals is of great importance in the field of LC research, especially for their optical and electro-optical applications. To achieve an outstanding alignment of liquid crystals, various techniques such as oblique evaporation, beam treatment, rubbing and photoalignment have been proposed. Rubbing process successfully became dominant in the manufacture of liquid crystal displays (LCDs). However, some serious disadvantages such as uneven surfaces for the small-sized pixels, generation of dust and static electricity triggered the researchers to explore a new technique to deal with the rubbing deficiencies. Therefore, photoalignment technique as a non-contact method has been considerably succeeded due to its advantages compare to the classical rubbing method. Polyimide (PI) as a popular polymer has been ubiquitously used either in rubbing or photoalignment method as an alignment layer. Nevertheless, recently the in situ photoalignment without using pretreated alignment layers which is called PI-less in situ photoalignment has been reported. In this case, photosensitive compounds were doped to LC host and one-bottle mixture was injected to an empty cell with no alignment layer. This method is very useful for mass production because it is cost-effective and it can meet the demanding for manufacturing ultra-high resolution displays. The present dissertation focuses on “PI-less in situ photoalignment”. Azobenzene-based materials are one of the most utilized and prominent compound in the field of LCs. Azobenzene-based materials undergo trans-cis photoisomerization and an attractive feature of these materials is the reversibility of the process from cis to trans form. However, as for a LC alignment a robust alignment layer with sufficient stability is required, it is crucial to freeze the aligned state by a polymerizable material. In the second chapter, a simple and reliable method was proposed for PI-less in situ photoalignment. Two visible-light-sensitive model compounds, Acidified Chrysophenin (ACP) and Thiazole yellow G (TYG) as a florescent indicator, were selected for LC alignment purpose and screening the mechanism of alignment process, respectively. The azo chromophore and a reactive mesogen (RM) were doped to LC host (i.e., one-bottle approach). Upon linearly polarized visible light (LPVL) irradiation, a uniform planar alignment was induced from initially random planar alignment. To maintain its aligned state, the stabilization process was performed by using unpolarized UV light via polymerization of RMs. This process was called “dual-wavelength approach”. Such thrilling stepwise process was capable of avoiding interference between forming alignment and stabilization layer. The predominant characteristic of the azo-dye used in this work was the limited miscibility in the LC due to existence of ionic group in the chemical structure. It caused the azo-dye molecules were localized and adsorbed at the surface once the mixture was injected into the empty cell. The alignment mechanism and stabilization processes were characterized by employing various methods such as Confocal Fluorescence Microscopy (CFM), polarized fluorescence microscopy (PFM), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) and so on. In chapter 3, contrary to the previous one, a unique azo-dye compound with quite different characteristics was employed for PI-less in situ planar alignment. DA6DMA and RM were doped to LC host and injected to empty sandwiched cell without additional pretreatment. First step photoalignment process was performed by using LPVL irradiation, followed by second step RM-stabilization with unpolarized UV light (i.e., dual-wavelength approach). The azo-dye served in this work, exhibited an interesting electronic properties. Its UV-vis spectra possessed a broad range in both visible and UV area. In addition to dual wavelength process, the PI-less in situ photoalignment and RM-stabilization was accomplished by only UV light irradiation also which was so called “single-wavelength approach”. Moreover, it showed photoluminescence in visible range and thus, no additional fluorescence indicator was used to monitor the mechanism of alignment. Besides, it had an excellent solubility in the LC host, unlike the previous azo-dye. Therefore, the spatial distribution of azo chromophores throughout the cell obtained from the CFM, presented different observation from the ACP azo-dye. In chapter 4, the PI-less in situ planar alignment was successfully presented by using the cinnamate-based acrylic monomer. The C3 model compound was designed and employed for a comprehensive study for in situ photoalignment process. In this case, three major processes were involved to achieve a LC alignment. At early stage photopolymerization and subsequently trans-cis photoisomerization along with photodimerization were taken place. However, it was shown that the trans-cis isomerization had a leading role to obtain the planar alignment rather than [2+2] cycloaddition reaction. This multifunctional photoresponsive compound exhibited fluorescence properties also, which was very beneficial to explore the mechanism of the alignment by employing the CFM, PFM and polarized fluorescence spectroscopy (PFS). A wavelength dependence study confirmed that the longer wavelength of UV light ( > 350 nm) was more effective. The above proposed methods for azobenzene- and cinnamte-based materials provided a practical, reliable and cost-effective process for PI-less in situ photoalignment which has a great potential for industrial applications.

(A) study on synthesis and properties of new photopolymer with chalcone groups for retarder film

양시열 Graduate School, Korea University 2014 국내석사

In this study thesis, new polymaleimides containing chalcone unit in side chain were synthesized and characterized, and their controllability of reactive mesogen liquid crystal alignment on photoalignment surfaces were investigated. The new polymaleimides containing chalcone unit in side chain were prepared by esterification of Polymaleimides with hydroxyl group and three kinds of chalcone groups. The photopolymers with para, meta, and ortho position of carboxyl acid in the chalconyl group have the same to alkyl spacer length(C=6) introduced between main chain and chalconyl moiety. These photopolymers were characterized by FT-IR, 1H-NMR, UV-VIS and their properties were evaluated by solubility, thermal stability and LC alignment. Solubility of all polymers were shown similar that good soluble at general organic solvent such as THF, MEk but poor soluble in methanol, ethanol such as alcoholic solvent. The thermal stability of photopolymers was confirmed by the glass transition temperature of 79-91 ℃, decomposition temperature of 335-387 ℃, respectively. Para position of photopolymer was shown highest thermal stability. The UV absorption peak about 310-315 nm decreases abruptly in intensity in the early and then intensity decreases more slowly with increasing energy exposure by induced photodimerization. The pretilt angle generated was about 0.06-3.00o by polarized UV irradiation. These photopolymers were revealed not only high sensitivity but also superior alignment properties to the 50 mJ/cm2 of LPUV exposure energy. The alignment of photopolymers strongly depended on the substituted position of chalcone derivatives and that increase in the order PM6-m-ChF ≥ PM6-p-ChF ≫ PM6-o-ChF. Nonalignment ratio rapidly decreased at 40 mJ/cm2. Whereas PM6-o-ChF was measured over 42 % nonalignment ratio at all point. These results suggested that the higher sensitivity and alignment properties of PM6-m-ChF and PM6-p-ChF resulted from efficient molecular position of chalcone units in the photopolymers by to the irradiated direction of LPUV light used in this work. Through commercial applicability for patterned retardation film, it is confirmed that PM6-m-ChF shows an actual POM image of an excellent multi-domain alignment film that has been superior aligned by a aligned layer. It also was identified that PM6-m-ChF exhibited the enough possibility of commercial application for patterned retardation film through the multi-domain alignment properties and evaluation of non-alignment ratio. Despite that photoalignment film for practical application requires high alignment sensitivity under the 20 mJ/cm2 in order to apply the practical process, all photopolymers must be considerably the attractive materials for applicable to new display, including a patterned retarder film for 3D displays, because the high thermal stability and control of various process variable can be easily enhanced the photoalignment.

Novel Liquid Crystal Photoalignment System Based on Chloromethylated Polyimide : 클로로메틸화 폴리이미드의 새로운 액정 광배향 연구

종정신 [Graduate School of] Chonbuk National University 2004 국내박사

For practical application of photoalignment technique in liquid crystal display (LCD) industry, one of the key issues for photoalignment materials is to improve their photosensitivity as well as the stability of LC alignment. By molecular design, a novel polyimide with high photosensitivity and thermal stability was synthesized and the resultant properties of aligned LC cells were investigated. By novel modification of polyimide via chloromethylation, a new chloromethylated polyimide (CMPI) was prepared from soluble 6FDA-ODA polyimide. Upon exposure of linearly polarized UV light, defect-free alignment of liquid crystal was induced by CMPI films within 80 second. It is the lowest dose reported up to day to induce alignment by photodecomposition of polyimide. Compared with the other photoaligning polyimide materials, it is a great improvement in photosensitivity. We reported a new method to improve photosensitivity of polymer by introducing chloromethyl group to main chain. The alignment induced by CMPI films also shows high thermal stability. The photo-induced alignment preserved after annealing at 75℃ for 14 days and over 6 months at room temperature without deterioration. The photoaligned CMPI films show a high thermal stability under severe baking condition up to 210℃. The alignment mechanism of CMPI irradiated with LPUVL was investigated by FT-IR, UV-vis spectroscopes and other experiment methods. The alignment of LC is attributed to the anisotropic photodegradation of polyimide main chain, accelerated by chloromethyl side group, under linearly polarized deep UV exposure. Oxygen seems to play significant roles in the photodegradation. Amine and anhydride were observed by IR. CMPI also shows impressive characteristics to be applied in LCD devices as an organic layer. The spin-cast CMPI film shows excellent thermal stability (T_(g)>250℃), high optical transparency (>98% transmittance @400nm), good solubility in ordinary organic solvents and good planarizability (DOP>48% @15% solid content), as well as good adhesion property (>4B graded by ASTM D3359-B). The excellent photoalignment performance of CMPI film, as well as its outstanding characteristics as an organic layer, makes it a promising candidate material for use in advanced LC display devices.

가시광 감응 아조계 폴리이미드를 이용한 네마틱 액정의 이중파장 광배향 및 안정화

Kumar, Vineet 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

Application of liquid crystals has been enabled by controlling its alignment properties on the different substrates surfaces. Among several other alignment methods proposed and available today, photoalignment technique has the key to the solution of all the rubbing limitations. As photoalignment is a noncontact technique, enables the alignment of LCs on small pixel dimensions and can be performed easily with cost-effective manner. Azobenzene based photoalignment possess some superiority among the other photoresponsive materials as it results in quick alignment with strong anchoring, fast response time and high contrast ratio. The major problem associated with azobenzene based photoalignment system is its stability against heat and unpolarized light treatment. Since azobenzene goes under continuous isomerization process can easily deteriorate the LC device alignment property in a long span of time at the ambient condition or faster at elevated temperature and high-intensity unpolarized light treatment. Several reports were published addressing the issue of stability, where co-system of reactive mesogens (RMs) and photoresponsive materials were employed resulting in stable and strong alignment conditions. In most of the reports, RM and chromophores were treated with the same wavelength range of UV light for inducing LC alignment and RM polymerization. Both processes of alignment and polymerization can interfere with each other and result in poor or inefficient alignment quality. To address this issue I have proposed, dual wavelength photoalignment approach, where selective wavelength range of light can be used for inducing LC alignment and different wavelength range for RM polymerization to stabilize the alignment state. I have designed and synthesized visible light sensitive polyimides and employed them for attaining different LC alignment mode and further stabilizing the alignment. In chapter 3, visible light sensitive polyimides PI-MR and PI-DR were used to perform in situ photoalignmnet of LCs. The polyimides with azo-chromophores covalently attached to its side chain result in anisotropic surface upon LPVL irradiation in the isotropic phase of LCs. Obtained aligned state was reversible in nature at this stage, so RM polymerization was done at room temperature with unpolarized UV light. RM layer formed on top of polyimide coating layer results in pacifying the photochromic effect of azo-dyes beneath that layer and now acts as new active alignment layer with irreversible nature. The success of the dual wavelength approach was confirmed by performing stability tests and detailed analysis of surface morphology after polymerization under FESEM and AFM. A similar approach was used for the stabilization of pretilt state in a VA cell discussed in chapter 4. Polyimides with a different molar ratio of modified disperse yellow 7 azo-dye attached in their side chain were shown resulting in planar and vertical alignment (VA) of LCs after coating and backing on ITO substrates. In situ photoalignment process was performed to obtain uniform planar alignment by treating the electro-optic cell in the isotropic phase with linearly polarized visible light. Polymer-stabilized vertical alignment states were reported recently and possess great significance for enhancing viewing angle of LCDs. So far mainly slit-patterned electrodes have been used to stabilize the PS-VA, whereas photoalignment can be an ideal candidate. Photoalignment can produce multidomain patterned alignments and using RM stabilization, PS-VA could be achieved. In an effort to stabilize the pretilt homeotropic alignment, the dual wavelength approach was employed. Vertically aligned cells were treated with oblique linearly polarized visible light (LPVL) in the isotropic phase, results in 0.5 degree pretilt. Further stabilization with UV light in second step yields in higher pretilt of 1 degree with irreversible alignment state. Stability test and surface analysis using FESEM and AFM were performed. Apart from PI based LC alignment using visible light sensitive chromophore using dual wavelength approach, we tried to employ it in PI-less alignment procedure. We have used a host-guest system containing modified azo-dye with hydrophilic end group and alkyl tail along with polymerizable RMs. Hydrophilic end interaction with ITO interface spontaneously results in vertical alignment of LCs and in situ photoalignment using oblique LPVL results in pretilt state. Further polymerization of RM with UV at room temperature results in the stabilized planar state. The details of surface analysis and stability of the cell were discussed in chapter 5. The dual wavelength approach possesses significant potential for further exploration and can enhance the quality of LC-based devices.

Dual-functional photoalignment materials with chalcone moieties and LC mixtures for negative dispersion retarder film

Song, Hyojin Sungkyunkwan University 2026 국내석사

Negative-dispersion liquid crystals (ND-LCs) are essential for broadband phase compensation in advanced display optics. Despite their importance, ND-LC retarder films often suffer from a narrow processing window because the alignment layer cannot sufficiently anchor sterically bulky ND-LC molecules. This interfacial mismatch leads to alignment instability and pronounced exposure-dose-dependent optical non-uniformity. To overcome these limitations, this thesis proposes a single-exposure hybrid photoalignment strategy based on a chalcone–methacrylate copolymer (PM6-CMA2) incorporating a high-anisotropy reactive mesogen (LC242). Unlike dual-exposure schemes (e.g., UVB+UVA) that can induce thermal buildup and alignment relaxation, the proposed approach employs linearly polarized UVA (LPUV) to simultaneously trigger chalcone photodimerization and radical-mediated crosslinking between methacrylate groups and the mesogen. During this process, a liquid-crystal-like anisotropic scaffold is formed in situ at the interface, reinforcing the rigidity and anchoring strength of the alignment layer and thereby significantly improving ND-LC alignment stability and process margin without degrading optical performance. Polarized UV–Vis analysis showed that the hybrid system achieved a substantially higher orientational order parameter than the control (0.0769 vs. 0.00937) and maintained excellent color stability even at low exposure doses (∆E_ab* ≈ 0.27), confirming an expanded processing window. Overall, this single-exposure hybrid photoalignment strategy provides a practical and reproducible route for manufacturing high-performance ND-LC retarder films for OLED display applications.

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.

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.

통계적 모델링을 이용한 광배향법의 프리틸트 각 제어 연구

강희진 연세대학교 대학원 2007 국내석사

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 디스플레이로의 응용이 가능하다. LCD (liquid crystal display)는 균일한 배향과 안정된 프리틸트 각을 필요로 한다. 폴리이미드 표면위에 처리된 러빙법은 액정을 배향시키기 위해서 이미 널리 사용되어져 왔다. 이 방법은 안정된 특성과 균일한 배향과 높은 프리틸트 각을 가지고 있다. 그러나 러빙법은 정전기나 먼지와 같은 오물들에 의해 액정소자의 표시특성을 감소시킨다. 그래서 넌러빙법이 LCD 공정에서 필요하게 되었다. 액정배향에 있어서 광배향법은 넌러빙법으로서 가장 유망한 배향법 중에 하나이다. 그러나 광배향을 이용한 프리틸트 각 제어에 대한 통계적 모델링에 관한 연구는 시도되지 않았다.반응표면방법은 산업 현장에서 널리 이용되고 있는 통계적 분석방법 중의 하나이다. 특히 최근 6 시스마와 연계하여 생산성 향상을 위해 필수적인 통계적 분석방법으로 인식되고 있다. 일반적으로 실험 계획법, 모델링, 그리고 분산분석을 통해 얻어진 결과를 모두 포함한다. 본 연구에서는, 광배향법을 이용한 액정의 프리틸트 각 제어가 이원배치법에 의해 계획되었다. 두 가지 입력 요소, 3 수준의 가열 온도와 4 수준의 UV 조사 시간이 프리틸트 각의 변동성 분석을 위해 사용되었다. 시행에 사용된 실험의 입력 요소에 대한 설계 행렬은 12 가지 시행이다. 각 실험의 진행은 랜덤 순서로 실행되었다. 그 후 다중회귀모델을 이용하여 프리틸트 각을 모델링 하였고, 분산분석을 통해 주요인 효과와 상호작용 효과의 의미를 분석하였다.공정모델을 구축하기 위해, 중요하지 않은 효과는 후진제거법에 의해 제거되었다. 비중요성의 기준은 통계적 유의수준 0.1 이하이다. 이 제거방법은 모든 효과가 내포되어 있고 비중요적 효과가 동시에 제거되는 방정식으로부터 시작된다. 만약 이 p값이 특정값을 넘어서면, 어떤 단계에서도 현재의 회귀로부터 계산된 가장 큰 p값을 갖는 변수는 제거된다.반응값에 대한 변화량의 분석은 분산분석표에 요약되어 있다. 모델의 p값은 0.000 이었다. 이것은 이 모델이 프리틸트 각을 매우 잘 설명하고 있다는 것을 나타낸다. 최종 분산분석 시 R의 제곱값은 0.99였다. 이것은 99%의 변화가 이 모델로 설명된다는 것을 의미한다. ANOVA (analysis of variance)를 사용하기위한 3 가지 가정들은 잔차 분석으로 증명되었다. 반응에 대한 잔차도는 불규칙적으로 분포되어 있고 거기에는 아무런 패턴이나 주목할 만한 점들이 없다. 이것으로 미루어 잔차 값에 대한 통계적 가정이 문제가 없음을 알 수 있었다.모델링 결과는 측정치의 반응값과 예측치의 반응값이 잘 일치함을 보여준다. 반응에 대한 주효과도는 프리틸트 각이 UV 조사 시간과 가열 온도가 증가할 때 증가함을 보여준다. UV 조사 시간과 가열 온도에 따른 프리틸트 각의 변화에 대한 3차원의 반응표면도는 프리틸트 각을 조절하는데 유용한 정보를 제공한다. 원하는 프리틸트 각을 얻기 위해 알맞은 조건을 보다 쉽게 알 수 있도록 한다. 통계적 모델링은 다양한 조건에서의 프리틸트 각을 예측 가능하게 해주고 그 신뢰성의 정도 파악이 가능하므로 매우 유용하다. 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. However, very few attempts have been made at the statistical modeling for the pretilt angle using photoalignment method.Response surface methodology (RSM) to characterize process has been applied to various industrial fields. Recently, RSM is regarded as essential statistical modeling in connection with 6 sigma for productivity improvement. Generally, RSM includes design of experiment, multiple regression model and analysis of variance. In this study, the pretilt angle control in the nematic liquid crystal (NLC) on the photopolymer surface is characterized by two-way factorial design. Two input factors, 3 levels heating temperature and 4 levels UV exposure time, are used to analyze the variation of the pretilt angle. All experimental runs are made in random order. The relationship between the response and the input factors is statistically analyzed by a multiple regression model and ANOVA.A multiple regression model is used as the basic model, having an intercept, twomain effects, two square effects, and one two-factor interaction. To build the process model, the insignificant effects in this study are eliminated by backward elimination method under the statistical significance level of 0.1 (a=0.1). The backward elimination starts with the equation in which all effects are included and the insignificant effects in the model are eliminated one at a time. At any step, the variable with the largest p-value, as computed from the current regression, is eliminated if this p-value exceeds a specified value.The analysis of variance of the response is summarized. The p-value of the model is 0.000. This indicates that the model can explain the variation of the pretilt angle. The adjusted R-square value is 0.988. This means that 98.8% of the variation is explained by the model. There are three assumptions made in using ANOVA, which are independence, a normally distribution, and the homogeneity of variance. These assumptions can be verified using residual analysis. The residual plot of the response is randomly distributed and there are no special patterns or features, indicating that the result satisfies the statistical assumptions for the residuals.The modeling result exhibits a good agreement between the predicted and the measured response values. The effect plots of the response show that the pretilt angle is increased when the UV exposure time or the heating temperature is increased. The response surface plot of the pretilt angle as a function of the UV exposure time and the heating temperature is shown. From the results, the model allows us to reliably predict the pretilt angle with respect to the varying process conditions. As a result, the statistical modeling of the control of the pretilt angle is very useful.

In-situ 광배향법을 이용한 flexible TN 셀의 액정배향 효과

남기형 연세대학교 대학원 2005 국내석사

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 (flexible display) 로의 응용이 가능하다. 현재 양산에 사용되고 있는 것은 폴리이미드(PI) 표면에 액정분자를 배향시키는 러빙법이다. 러빙법은 기판에 도포한 액정 배향막을 테이블 위에 놓고, 테이블을 이동시키면서, 러빙천을 감은 롤러(roller)를 회전시키면서 문지르는 방법이다. Flexible LCD에 사용되는 고분자 필름의 낮은 내열성 때문에 저온 공정이 필요하다. 또한, 유연한 재질로 인한 소자 공정시 유리 기판을 사용할때와 달리 coating, rubbing 및 cell gap 유지등의 공정등에서 많은 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 넌러빙 배향방법인 광배향법을 이용하였다. 광배향법은 비접촉식 배향법이므로 러빙법의 단점을 근본적으로 해결 할 수 있으며, 배향 메카니즘도 러빙법과 상이하기 때문에 저온공정이 가능하다. 일반적인 광배향법의 경우에는 유리기판을 이용한 경우가 고분자 기판을 사용한 경우보다 양호한 배향성을 나타내었다. 하지만, 고분자 기판에서 in-situ 광배향법을 이용할 경우가 일반적인 광배향법을 이용한 경우보다 양호한 배향성을 나타내었다. 또한 in-situ 광배향법을 이용한 경우, 유리 기판보다 고분자 기판을 이용한 액정셀의 프리틸트각이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 기판의 온도가 증가할수록, 또한 UV 조사시간이 증가할수록 프리틸트각이 증가하였다. In-situ 광배향법을 이용해 전기광학특성 셀을 제작했을 경우, 유리 기판과 고분자 기판 모두에서 양호한 배향특성을 나타내었다. 그리고 응답특성과 임계치 특성 또한 두 기판에서 거의 동일한 특성을 나타냄을 알 수 있었다. Rubbed polyimide(PI) surfaces have been widely used to align LC molecules. The effect of unidirectional rubbing on various alignments layers on surface alignment in a NLC by unidirectional rubbing has been discussed by many investigators. The rubbing treatment method presents a number of obstacles, such as the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles. We reported the generation of electro-static charges produced on various PI surfaces during rubbing. Thus rubbing-less techniques for LC alignment are required in LCD fabrication. The photo-alignment method for LC alignment is one of the most promising rubbing-free methodes. Photo alignment of LCs by utilizing a poly(vinyl) cinnamate and other photopolymer surfaces has been proposed. So, to improve a problem of thermal instability, it was studied that a new photoalignment method reported the in-situ photodissociation method using UV irradiation during imidization. The in-situ photodissociation method produces a higher pretilt angle than the conventional photodissociation method. And a pretilt angle is increased with substrate''s temperature is increased and UV irradiation time is increased. And EO characteristics of photoaligned TN-LCDs using in-situ photodissociation method on glass substrate and on plastic substrate are also excellent.

광분해성 폴리이미드의 분자량에 따른 액정 광배향연구

이원호 경희대학교 2011 국내석사

Photoalignment of liquid crystal using anisotropic degradation of CBDA-ODA polyimides with various molecular weights(Mw) has been investigated. The photo-degradable polyimide precursors, poly(amicacid)s with different Mw’s were synthesized through condensation polymerization. The polyimide layers prepared from curing of the precursors were anisotropically degraded by LPUV with a wide range of irradiation energy. The change of anisotropy of the photoalignment layers(PALs) with LPUV dosage has shown the same trend for all Mw’s, while the value of order parameter for best-quality LC alignment, which was obtained by LPUV irradiation with about 5times less energy than that required for inducing the maximum anisotropy of PALs. It has not shown trends of the Mw’s. Yet we watched difference of Mw’s from the time we did thermal treatment after low temperature curing. And it has turned out that LC alignment has become more stable for relatively higher Mw. 다양한 분자량을 가진 CBDA-ODA 폴리이미드의 이방적 분해를 이용한 액정의 광배향을 조사하였다. 광분해성 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산을 축중합을 통하여 다양한 분자량을 가지게 합성하였다. 전구체의 큐어링을 통해 준비된 폴리이미드막은 넓은 범위의 조사에너지를 가지는 선편광된 자외선에 의하여 이방적으로 분해되었다. 선편광된 자외선의 일정량 조사에 의한 광배향막의 이방성의 변화는 모든 분자량에서 비슷한 경향을 보여주었는데, 최고의 액정배향을 위한 order parameter 값은 배향막의 최고 이방성을 보여준 광조사 에너지보다 5배정도 적은 에너지에서 나타났다. 이것은 분자량에 따른 특별한 경향을 보여주진 않았다. 하지만 낮은 온도에서 큐어링 한 후 열처리를 하였을 때 분자량에 따른 차이를 확인할 수 있었다. 여기에서 상대적으로 분자량이 높을수록 더 안정한 액정 배향이 나타나는 것을 확인하였다.