Multi-domain alignments of liquid crystals by various techniques including rubbing process and Langmuir-Blodgett method were investigated. The electro-optical properties of a 90˚twisted nematic liquid crystal cellwere investigated to nnderstand the viewing angle characteristics and multi-domain structure with various directors. By solving the Erickson-Leslie equation at the steady-state, the directors distribution of 90˚twisted namatic cells with polymide alignment and polystyrene, were obtained. At a zero voltage, no deformation in tilt occurs, but remains the initial pretilt angle along the z-axis. However, the twist angle shows the linear throughout the cell. As the external voltage increases, the twist angle is disturbed by the field which leads to the broken polarization guiding effect. Using the distribution of directors of liquid crystala, the opticaltransmission through single domain TN cell of polymide and polystryrene alignment were calculated. Futher, the total contrast of a multi-domain TN cell 5:5 of polystyrene/polymide and a random cell were also calculated by linear algebra of each pixel. As a result, the multi domain structure can be proved to enhance the viewing angle of the TN cell.
Composite films of polystryrene/polymide onto an ITO glass prepared with disperse domains of polystyrene in the polymide matrix align liquid crystala in the multi-domain by a single rubbing process. The size of polystyrene domain was controlled by varying the rpm of spin coating and the weight ratio of polystyrene in the polymide film. After the rubbing process, multi-domain structed films forced liquid crystals to align with various directors.
To overcome the size distribution of the dispersed domain of polystyrene, monodisperse polystyrene particles were incorporated into the polymax matrix to fabricate the structured polymer layers. Two-dimensional polystyrene(PS) latex particle as a template of an alignment of liquid crystals are investigated. The temple of the two-dimensional arrays resulted in regular structures of polymer layers. The highly ordered arrays of PS latex and its application to liquid crystal alignments have been studied.
Monolayer of synthesized, polymerizable liquid crystals which have hydrophilic cyanobiphenyl group with variousalkyl chains spread at the air-water interface were investigated. The liquid crystals mixed with poly(amic acid) alkylamine salt were spread, and surface pressure-area(π-A) isothems were reported. The miscibility of mixed monolayers was studied by calculating Gibbs free energy of the mixed monolayers. The mixed monolayers were exposed to a UV lamp at a constant surface pressure. During the processes of the compression and the UV irradiation, the monolayers were monitored by a Brewster Angle Microscope(BAM). The in situ polymerization was monitored by a multi-channel photo detector and the extent of the reaction was calculated. The area change of the mixed films showed that the UV irradiation induced both the in situ photopolymerization causing phase separation and thedegradation of the monolayer of poly(amic acid) alkylamine salt at the air-water interface. The mixed monolayers were deposited on ITO-coated glass in the Y-type. Pretilt angle increases with the amount of CN-11-M, but has the maximum at 100:12 of PASS and CN-11M. At a sufficiently high mole ratio of CN-11-M, the cellshowed the homeotropic in the alignment.
Liquid crystal alignment layers of hight-T_g polymer containing azobenzene moiety are prepared by the photofabrication of surface relief grating(SRG). The interference pattern of circular and linear polarized Ar^+ laser beam could generate the surface relief grating and the morphology was detected by an atomic force microscope(AFM). The optical anisotropies of the films were investigated by a polarized microscope. The orientation of the optical axis of the film mainly depends on the direction of the initial polarization plane. Nemanic liquid crystals were aligned parallel to the direction of the grating but the pretilt angles of the liquid crystals were nearly zero. The irradiation of the homogeneous linearly polarized light also could align the liquid crystals but the ability to orient the liquid crystal was weaker than that of the SRG film.
러빙법, Langmuir-Blodgett법, 템플레이트법, 그리고 광학적 방법을 이용하여 구현한 네마틱 액정의 멀티도메인 구조를 연구하였다.
먼저 이론적인 고찰을 위해 2장에서는 90도로 꼬여진 액정셀(Twisted Nematic)의 시야각 특성을 살펴보기 위해 액정의 전기광학적 특성을 계산하였다. 폴리이미드와 폴리스타이렌 배향막으로 만들어진 액정셀에 전기장을 걸 때 액정의 거동을 Erickson-Leslie의 방정식을 풀어 계산하였다. 전압이 가해지지 않았을 때는 변형이 일어나지 않아 액정의 경사각 분포는 z축을 따라 초기의 선경사각으로 일정하게 유지되었고, 액정의 회전각은 0도에서 90도에 이르기까지 선형적으로 증가하였다. 전압이 가해지면서 액정은 전기장 방향으로 변형이 생겼고, 전기장 하에서의 액정분포를 알아내어 단일 도메인으로 만들어진 액정셀의 광학적 투과율을 계산하였다.
3장에서는 폴리스타이렌을 폴리이미드에 분산시킨 혼합막을 이용하여 한번의 러빙 공정으로 여러 방향의 배열을 가지는 멀티도메인 액정배향을 제조하는 방법에 관하여 연구하였다. 멀티도메인 배향막은 폴리이미드 필름에 폴리스타이렌 도메인을 상분리를 통하여 분산시켜 제조하였다. 폴리스타이렌 도메인의 크기는 코팅할 때의 회전속도와 폴리스타이렌의 중량비를 변화시켜 조절할 수 있었다. 폴리스타이렌과 폴리이미드를 5:5의 비율로 혼합한 배향막으로 만들어진 액성셀의 콘트라스트가 계산되었고 시야각 특성이 단일 도메인으로 만들어진 TN 액정셀에 비하여 향상될 수 있었다.
4장에서는 폴리스타이렌 입자를 템플레이트로 이용하여 멀티도메인 배향막을 제조하는 방법에 관하여 연구하였다. 폴리스타이렌 입자는 계면활성제를 사용하지 않은 유화중합법으로 합성하였고, 제조된 입자의 크기는 1.7㎛였다. 입자간의 상호인력을 조절하기 위하여 양이온 계면활성제를 첨가하여 입자 표면의 음전위값을 낮추었다. 폴리스타이렌입자는 물이 증발함과 동시에 표면장력의 영향으로 친수성 기관 위에 2차원적으로 배열이 되었다. 폴리스타이렌 입자의 2차원 배열에는 기관의 젖음성이 중요한 인자로 작용하였다. 폴리스타이렌 입자의 2차원 배열을 템플레이트로 이용하여 만든 고분자 표면은 규칙적인 기공이 있는 구조였으며, 이 배향막으로 만든 액정셀에서 네마틱 액정은 여러 방향으로의 디렉터를 가지는 것으로 관찰되었다. 4도메인이라고 가정하여 액정셀의 시야각을 계산한 결과 모든 방향으로 일정한 시야각특성을 나타내었다.
5장에서는 러빙이 필요없는 방법인 Langmuir-Blodgett법을 이용하여 액정셀의 선경사각을 조절하는 방법에 관하여 연구하였다. 중합이 가능한 액정분자를 폴리아믹산과 혼합하여 수면위에 단분자막을 만들고 물 표면에서 자외선에 의해 중합시켰다. 혼합 단분자막은 수면에서 안정하였으며, 혼합 단분자막의 조성에 따른 평균 분자당 면적이 이상적 거동에서 양으로 벗어난 것과 깁스 자유에너지가 음의 값으로 계산된 결과로부터 혼합 단분자막이 혼화성이 있음을 알 수 있었다. 혼합 단분자막은 2차원적인 중합 반응 메커니즘에서 알려진 1차의 중합 거동을 나타냈고, 아레니우스 플롯에 의한 반응의 활성에너지는 27.760kJ/mol로 계산되었다. 일정한 표면압에서 자외선으로 중합시킬 때의 단분자막의 면적변화가 이론적으로 계산되었는데 실험값과 잘 일치하였다. 반응초기의 면적증가는 중합 반응에 따른 상분리에 의한 것이고 그 다음의 면적 감소는 자외선에 의한 고분자 사슬과 액정분자의 분해에 기인한 것이다. 액정셀의 선경사각은 액정분자의 분율을 증가시킴에 따라 수평에서 수직배향으로 바뀌었고, 수평 배향 영역에서는 100:12의 혼합비에서 최대값을 나타냈다.
6장에서는 광학적 방법에 의해 액정 배향을 제어하는 방법에 관하여 연구하였다. 고분자필름에 표면격자(SRG)를 생성시켜 액정의 배향을 조절하였다. 아조벤젠기를 갖고 있는 말레이미드계의 고분자에 아르곤 이온레이저를 조사하여 표면격자를 형성시켰다. 160J/㎠의 조사광으로 만들어진 격자의 깊이는 130nm에서 140 nm사이였다. 고분자 필름의 광학이방성이 관찰된 결과, 선형편광된 레이져를 균일하게 조사한 조분자 필름과 선형편광의 SRG필름은 고분자의 아조그룹이 빛의 편광 벡터에 수직으로 배열하였고, 원편광의 SRG필름과 45도 경사진 선형편광을 균일하게 조사한 고분자 필름은 아조그룹이 다른 방향으로 배열하였다. 네마틱 액정은 표면격자의 그레이팅 방향으로 배열되었고 선경사각은 0에 가까운 값으로 측정되었다. 강한 자외선 조사와 250도의 열처리에 의해 표면격자 패턴이 지워져 액정의 배열이 무질서하게 바뀌었다. 선형편광과 원편광된 레이져로 얻은 SRG샘플의 표면속박에너지는 각각 1.70×10^-5J/㎡와 1.47×10^-5J/㎡으로 측정되었다. 균일한 선형편광의 조사도 액정을 배향시킬 수 있었지만 SRG필름에 비해 약한 속박력을 보였고 액정 배향의 주된 요인은 표면의 그레이팅인 것으로 나타났다.
이상과 같이 상분리된 분산도메인, 템플레이트법, Langmuir-Blodgett법, 그리고 표면격자를 이용하여 액정셀이 시야각을 넓히고 선경사각을 조절할 수 있었으며, 이러한 방법들은 액정소자를 제조하는데 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.
