Alignment processes and characterization of alignment layers were discussed. In this thesis the alignment layers were confined to polymeric materials. Polyimides and photo-curing polymers were introduced as the alignment layers, briefly in Chapter I, and applied to orient, especially, nematic liquid crystal molecules.
In chapter II, three alignment processes were discussed; conventional rubbing, wet rubbing, and photo-alignment techniques. The wet rubbing process has been proposed to overcome the drawbacks of the conventional rubbing. It utilizes suspensions as the buffing medium under uniform flow. The process conditions in the wet rubbing were controlled accurately with ease by varying physical properties related to the suspensions and the flow field. Contrast to the difficulties of defining process conditions in the dry rubbing, the wet rubbing process can give us reproducible operation, even in weak rubbing strength. In the wet rubbing process, it was found that the threshold stress of 400 Pa is required to align LC molecules on PI layers. Smaller and harder particles turned out to be more effective in view of stabilizing the flow field.
A phase modulation technique is applied to measure the induced retardation of the alignment layers generated by various alignment processes. Such efforts become effective especially in cases that alignment layer has weak anchoring energy, and that orientation direction is unknown after LC injection. By measuring the induced retardation, it was possible to correlate the ordering of the polymer chains with the alignment of the liquid crystal molecules. Further, inclination in the polymeric layer was directly correlated with the macroscopic alignment properties, such as pretilt angle.
After a brief introduction of photo-alignment processes in chapter II, detailed mechanism of LC alignment on the photo-polymer surface was discussed in chapter III. The surface hydrogenation reaction was performed in order to clarify the proposed mechanism of photo-alignment using poly(vinyl cinnamate) (PVCi). The reaction made it possible to remove any surface ordering of the residual cinnamate side groups, which may happen during UV exposure while the photo-products are still intact. After considering LC alignment after the hydrogenation reaction, it was confirmed that the photo-products contribute to induce the alignment of LC molecules.
In chapter IV, a modification of PVCi was proposed using polymerizable mesogenic monomers in order to improve the alignment properties. The monomers were blended with PVCi, and photo-aligned at the elevated temperature. The layer properties were monitored both by spectroscopies and by morphological observations, and finally LC alignment was evaluated after cell fabrications. A short spacer length mesogen improved the alignment properties of the PVCi layer, and a long spacer length mesogen generated the homeotropic alignment around 50 wt.% content of the monomer.
액정디스플레이용 배향막의 배향공정 및 특성화에 관하여 고찰하였다. 배향막으로서는 고분자 재료만을 대상으로 하였으며, 네마틱 액정을 배향시키고자 하였다. 폴리이미드 및 광배향용 고분자에 대한 경향을 제1장에서 간략히 소개하고, 배향공정으로 마찰법, 습식마찰법, 및 광배향법에 대하여 제2장에서 고찰하였다.
현재 산업적으로 가장 많이 사용되고 있는 마찰법의 단점을 극복하기 위해 제안된 습식마찰법에서는, 마찰 재질로서 입자가 분산되어 있는 서스펜션의 균일흐름을 사용한다. 헝겊과 고분자막 표면에서의 마찰에 대한 정확한 정의가 불가능한 러빙 공정과는 달리, 습식마찰법은 서스펜션과 분산매에 대한 물리량의 조절을 통하여 재연성 및 유지가 용이한 배향공정을 이룰 수 있다. 습식마찰법을 통하여 폴리이미드 막에 액정의 배향을 유도할 경우 400 Pa 이상의 임계 응력이 필요하며 그 이하의 응력에 대해서는 균일하게 배향된 액정 모노 도메인을 얻을 수 없었다. 입자의 크기가 미세하고 경도가 높을 경우 액정배향이 효과적이며, 또한 서스펜션의 점도를 증가시킴으로써 흐름을 안정화 시키는 장점을 갖는다.
배향 공정 이후에 발생하는 표면성질의 변화는 액정디스플레이의 전기광학적 성질에 직접적인 영향을 미치게 되므로, 배향막을 직접 평가하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 광탄성 변조기를 이용하는 광학적 방법으로 유도 상지연도를 측정함으로써 표면 배향도와 관련 시킬 수 있었다. 상지연도의 크기에 따라 배향정도가 변화하였으므로 액정셀 제조시 배향여부를 가늠하거나 배향 방향을 예측할 수 있는 척도가 되었다. 또한 경사각을 직접 예측하기 위하여 일반적인 결정회전법 (crystal rotation method)에서와 마찬가지로 배향막을 회전시키면서 상지연도를 측정하였을 때 액정셀을 이용하여 관찰하는 실험과 일치하는 값을 얻었다.
제3장에서는 폴리비닐신나메이트(poly(vinyl cinnamate), PVCi)를 이용한 광배향 공정의 메커니즘을 규명하였다. 러빙법의 단점 극복 및 멀티도메인 액정디스플레이의 구현을 위해 개발된 광배향 공정에 대하여, 액정 배향은 계면에서의 고분자 및 액정분자 사이의 이방적 분산력에 의해 지배된다고 이해되고 있었다. 하지만 액정분자에 직접적으로 이방성을 제공하는 고분자 성분에 대해서는, 편광자외선을 쪼인 후 이방적으로 발생하는 광생성물에 초점을 맞추는 의견과 미반응 PVCi 곁가지의 이방성에 초점을 맞추는 의견으로 나뉘어 있었다. 본 연구에서는 편광자외선 조사 이후 남아있는 PVCi 곁가지의 이방적 분포를 제거할 수 있는 수소화 반응을 수행하고 액정 배향을 관찰함으로써, 광생성물의 액정분자 배향에 대한 기여도를 분명히 확인 할 수 있었다.
이러한 메커니즘을 기반으로 PVCi의 배향 물성을 향상시키고자, 연결자의 길이가 다른 두가지 메조겐 모노머를 사용하여 블렌딩하고 광배향을 수행하였다. 모노머의 함량이 증가되면서 상분리되는 도메인은 광배향시 액정배향을 저해하였다. 배향막의 자외선 조사를 고온에서 수행하여 PVCi네트워크와의 반응성을 향상시킴으로써 그러한 도메인을 상당히 제거하는 동시에 액정 배향을 개선하였다. 연결자의 길이가 짧은 모노머는 PVCi의 광생성물과 중합하여 네트워크의 이방성을 증가시킴 으로써 배향력을 향상시키는 역할을 하였으며, 연결자의 길이가 긴 모노머는 액정분자의 수직배향 형성에 기여하였다.
