This work dealt with the improvement of the pretilt angle of the photo-induced liquid crystal alignment on the alignment layer prepared from the polyimide containing fluorine group. The incorporation of a fluorine group into the polyimide is the strategy for the improvement of the pretilt angle. The incorporation of fluorine group into a polyimide was approached in two ways. The first approach is a physical blending of a polyimide containing fluorine group, and the second approach is a chemical one via copolymerization of polyimide containing fluorine group into polyimide.
It was difficult to prepare a miscible blend of the PMDA-ODA and PMDA-BDAF polyimide with sufficient content of PMDA-BDAF. The phase separation of polyimide alignment layer causes a poor liquid crystal alignment on the polyimide blend alignment layer. The miscible blend of the PMDA-ODA and PMDA-BDAF blend was possible when PMDA-BDAF content was 10 mol%, but in this case, the pretilt angle of the polyimide blend alignment layer was below 1°.
To overcome the phase separation problem, we prepared the copolymer of polyimides. The PMDA-BDAF-ODA polyimides were successfully synthesized and characterized. The phase separation of alignment layer was not observed. The pretilt angle of the polyimide alignment layer containing BDAF unit was larger than that of PMDA-ODA. As the BDAF content in polyimide increases, the pretilt angle of alignment layer increases. This may be attributed to the change of the relative content of fluorine atoms, which have a low surface energy, in the polyimide. The polar surface energy decreases with increasing BDAF content in polyimide and the interaction between liquid crystal and alignment layer is weaken, so the pretilt angle increases with BDAF content.
For the alignment layer of polyimide containing fluorine group, we found that the UV irradiation increases the pretilt angle of nematic liquid crystal on alignment layer. From the results of surface energy analysis, the reason of increasing pretilt angle with UV irradiation is same as the previous case.
In the case of the photo-alignment layer of polyimide containing fluorine group, the increase of pretilt angle has an effect on the liquid crystal alignment. Although the steady increase of the anisotropy of alignment layer with UV irradiation, the order parameter and the azimuthal anchoring energy of the liquid crystal cell shows maximum and this may be attributed to the increase of the pretilt angle of alignment layer.
광을 이용한 액정 배향은 편광된 UV를 고분자 필름에 조사하였을 때 발생하는 구조적인 이방성을 유도하고 이를 이용해 액정을 일정한 방향으로 배향시키는 방법으로, 기존에 사용되는 러빙 방법이 지니고 있는 문제점들을 해결할 수 있을 뿐 아니라 광시야각 구현을 위한 multi-domain LCD제조에도 응용이 가능한 기술이다. 러빙 방법에서 사용되는 폴리이미드의 경우 편광된 자외선을 조사하는 경우 액정이 배향되는 특성을 나타낸다. 폴리이미드를 광배향막에 이용하는 경우 열적 안정성이 우수하며 배향 능력도 우수하지만 선경사각이 낮다는 단점을 갖고 있다. 본 연구에서는 폴리이미드를 기초로 한 액정 광배향의 선경사각을 증가시키기 위하여 불소를 폴리이미드에 도입하였다. 이를 위하여 불소를 포함하는 폴리이미드의 블랜드, 그리고 불소가 포함된 폴리이미드 공중합체를 제조하여 광배향막으로 사용하였다.
일반적인 러빙 방법에 사용되는 폴리이미드인 PMDA-ODA 배향막의 경우 광배향에 적용시 안정된 배향 능력을 나타내었으나 선경사각이 1도 미만으로 배향막으로의 적용이 힘들다. PMDA-BDAF 폴리이미드의 경우 불소를 포함하고 있으므로 낮은 표면 에너지 때문에 액정이 수직으로 배향되는 특성을 나타내었다. PMDA-ODA의 양호한 액정배향 능력과PMDA-BDAF의 액정 수직배향 특성을 함께 얻기 위하여 우선 두 종류의 폴리이미드의 블랜드를 시도하였다.
불소가 포함된 폴리이미드와 포함되지 않은 폴리이미드의 블랜드 필름은 PMDA-BDAF함량이 10몰%인 경우 양호한 액정배향 능력을 나타내었지만 선경사각이 1도 미만이었고 PMDA-BDAF 함량이 30, 50몰%인 경우 배향막을 광학현미경으로 관찰하여 보았을 때 상분리 현상을 나타내었고 이로 인하여 액정 배향이 제대로 이루어지지 않았다. 이러한 상분리의 문제점을 해결하기 위하여 불소를 포함한 폴리이미드 공중합체를 합성하여 액정배향막으로의 특성을 관찰하였다.
PMDA-BDAF-ODA 공중합체는 일반적인 폴리이미드 합성방법을 이용하여 합성하였고 다양한 BDAF함량을 갖는 PMDA-BDAF-ODA 배향막에 대하여 액정 배향 특성을 관찰하였다. PMDA_BDAF 함량이 증가함에 따라서 배향막의 선경사각은 증가하였고 이러한 현상은 BDAF 함량이 증가함에 따라서 배향막의 polar surface energy가 감소하기 때문으로 생각된다. XPS를 이용하여 배향막 표면에 존재하는 불소의 함량을 비교한 결과 BDAF 함량이 증가하는 경우 배향막 표면의 불소도 그 양이 증가하는 결과를 얻었고 이러한 불소의 함량증가가 배향막의 표면에너지를 감소시켰다고 볼 수 있다.그리고 BDAF의 함량이 전체 다이아민중에 43몰% 인 경우는 액정의 수직배향을 나타내었다. 그 외의 경우는 전체적으로 양호한 액정 배향 특성을 나타내었는데 BDAF의 함량이 증가함에 따라서 배향 능력이 약간씩 떨어지는 경향을 나타내었다. 또한, 각각의 PMDA-BDAF-ODA 배향막은 섭씨 200도까지도 액정배향이 안정적으로 유지되었는데 이것은 폴리이미드의 열적안정성 때문으로 생각된다.
합성한 PMDA-BDAF-ODA 공중합체 중에서 BDAF의 함량이 17몰%인 배향막에 대하여 조사한 UV의 에너지에 따른 액정배향 특성의 변화를 연구하였다. 조사하는 UV의 에너지가 증가할수록 배향막의 선경사각이 증가함을 알 수 있었고 배향막의 polar surface energy 역시 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 조사한 에너지가 증가할수록 배향막의 배향 능력은 증가하지만 PMDA-BDAF-ODA의 경우 배향능력이 증가하다가 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 배향막 자체의 비등방성은 retardation을 통하여 계속해서 증가함을 확인하였고 이를 통해서 선경사각의 증가가 배향능력을 떨어뜨리는 것으로 판단할 수 있다.
