Liquid crystals, which determine the characteristics of liquid crystal display, are organic materials that possess an intermediate phase, or mesophase, between the solid and isotropic liquid phases. The surface alignment of liquid crystal (LC) molecules is of great importance in the fabrication of liquid crystal displays (LCDs). Liquid crystal displays (LCD) are light-controlling devices which rely on the optical properties of liquid crystal materials to control the transmission of light from an external source. In recent years, there has been significant research investment in the development of a flexible display technology. Flexible flat panel display technologies offer many potential advantages, such as very thin profiles, lightweight and robust display systems, the ability to flex, curve, conform, roll, and fold a display for extreme portability, high-throughput manufacturing, wearable displays integrated in garments and textiles, and ultimate engineering design freedom. A liquid crystal display using plastic substrates is the most promising device for the flexible display since the relevant technologies have been well established in recent years.
The successful operation of the LC-based display requires uniform alignment of liquid crystal molecules on substrate, which is currently achieved by confining the liquid crystal between liquid crystal alignment layers formed on surface of ITO layer. Due to the liquid-like properties of liquid crystals, relatively little external energy provided by alignment layer is required to produce large changes in the molecular orientation. Also, the interaction between liquid crystal and alignment layer at the boundary is a critical importance on electro-optic properties of liquid crystal. Usually, liquid crystal alignment is induced by the rubbing method. The rubbed polymer surface has optical anisotropies caused by the orientation of polymer molecules and microgrooves, which is responsible for the LC alignment. However, the rubbing process has some problems such as generation of static charge, dust, and scratches on the surface of alignment layer. To overcome the demerit of rubbing method, the alternative technologies which can provide alignment without rubbing method were studied. In this thesis, we studied the molecular orientation of liquid crystal induced by the photo- and imprinted alignment layer for LCD. Both technologies avoid many drawbacks of the traditional rubbing technique for liquid crystal alignment, such as sample contamination and static charge generation. Also, we studied a UV embossed alignment layer for the flexible liquid crystal display to prevent from the problems encountered with thermal treatment of the rubbing process on the plastic substrate and UV embossed alignment layers having patterned spacers to eliminate the problems associated with residual monomers in photopolymerization-assisted manufacturing of LC devices.
There are two alternative technologies which can provide alignment without rubbing method with regard to the practical application to LCD. First, photoalignment method is considered to become a most promising candidate as a post-rubbing technique, because it can dissolve the problems associated with mechanical rubbing. The liquid crystal photoalignment typically uses films of photo-cross-linkable polymers where photosensitive side groups are dimerized via illumination with linearly polarized UV light. Several types of photo-cross-linkable polymers have been used for liquid crystal photoalignment. Among them, polymers containing cinnamate photo-cross-linkable groups were most widely studied. Photodimerization, appearing in such polymer films upon illumination with linearly polarized UV light, leads to the generation of surface anisotropy and unidirectional liquid crystal alignment. However, the thermal properties of cinnamate group are poor and the surface anisotropy is easily disrupted by thermal treatment. The thermal stability of liquid crystal orientation is very important factor for the commercial application of photoalignment method. To enhance thermal stability of cinnamate group, we investigated the thermal crosslinking of photoreactive cinnamate oligomers. We found that cinnamate oligomers could induce the photo- and thermal reactions of the cinnamate groups more readily than the cinnamate polymers leading to a higher thermal stability of LC molecules. This may be attributed to the higher mobility of the photodimerized product based on cinnamate oligomers. This reaction is attributed to a radical reaction involving the carbon-carbon double bond in the cinnamate group. The orientation of LCs could be changed from perpendicular to parallel with respect to the direction of UV polarization by simply changing the spacer length of the oligomers.
Second, commonly used in LCD alignment layers and polymer dielectric layers, polyimides (PIs) exhibit excellent physical properties including good thermal stability, high glass transition temperature, low thermal expansion coefficient and chemical resistance. The fabrications of various microstructures on PIs are commonly required for the above-mentioned applications. Microstructures prepared on PIs can find extensive applications in optics and biomedical fields. The microimprinting technology, a versatile and powerful tool for microstructure, can be a potential candidate for constructing patterned polyimide films. In a typical imprint lithography process, a mold with microstructures on its surface is pressed into a thin polymer film on a substrate that has been heated above its Tg to endow the polymer fluidity. This fluidity enables the polymer to conform to the mold pattern. After the polymer is cooled below its Tg the mold is removed, and the microstructures can thus be replicated on the imprinted polymer films. The major advantages of hot embossing imprint lithography include (1) its very low cost compared to photolithography technology, since only one master must be made to produce many printed samples; (2) the ability to print into organic materials that is inconvenient or impossible for traditional photolithography or chemical etching and (3) the ability to form three-dimensional features that is difficult to produce by traditional photolithography. Here, we prepared various shapes (Square-, V-, and U-shape) of imprinted grooves which might produce different liquid crystal alignment properties and investigated the effect of the three different shape of imprinted alignment layer on the molecular orientation of LC. The different LC alignment behaviors were shown with three different patterns. Among these patterns, U-shaped groove pattern resulted in a high performance of liquid crystal orientation, pretilt angle, and anchoring energy, which are quite comparable to the conventionally rubbed layer. It seems that smoothness of the groove for the continuous flow of LC and the ridge between the grooves influences the LC alignment behavior very significantly. It is found that the shape of grooved alignment layer has a significant influence on the molecular orientation of LC.
With regard to the practical application to the flexible display, there has been significant research investment in the development of new technologies. Flexible flat panel display technologies offer many potential advantages, such as very thin profiles, lightweight and robust display systems, the ability to flex, curve, conform, roll, and fold a display for extreme portability, high-throughput manufacturing, wearable displays integrated in garments and textiles, and ultimate engineering design freedom. The liquid crystal display using plastic substrates is the most promising device for the flexible display since the relevant technologies have been well established in recent years. LC-based flexible display is built on a variety of plastics and a plastic substrate needs to be able to offer the properties of glass such as dimensional stability and thermal stability. However, in the fabrication of alignment layer on the plastic substrate, a polyimide layer is coated, baked, and rubbed on the plastic substrate to introduce an alignment to the liquid crystal. This might cause the surface distortion of the plastic film with thermal treatment for the rubbed polyimide alignment layer. Thermal treatment can not make accurate alignment on the plastic substrate. To solve these problems, we proposed a non-rubbing UV embossing method which could large area reliable periodical grooves easily and rapidly on the polymer coated substrates to induce the alignment of the liquid crystal molecules without heat treatment of the rubbing process on the plastic substrate. We fabricated a UV embossed alignment layer to prevent from the problems encountered with thermal treatment of the rubbing process on the plastic substrate and investigated the change of LC orientation during the bending procedure of UV embossed alignment layer. The stable LC structure could be achieved by isolating LC molecules with polymer wall which is made from photopolymerization-induced phase separation of a homogeneous mixture of a liquid crystal and UV curable materials. We found that the UV embossed alignment layer for the flexible LCD provided a good LC properties and mechanical stability.
However, in the practical use of photopolymerization-assisted manufacturing process to form polymer walls in the flexible LC devices, the chemical stability of the LC phase is as much important as mechanical properties of the alignment layers to keep the quality of devices. In spite of the mechanical stability with the phase-separated polymer walls, there might be some possibilities to have defects due to the remaining residual monomers in the vessel even after UV exposure during the preparation of phase-separated polymer walls, which causes a deteriorative effect on the electro-optic properties of liquid crystal. To overcome those problems, we demonstrated the fabrication of UV embossed alignment layers having patterned spacers which are made by the replication of the structures having both microgrooves and spacers by using durable elastomeric polydimethylsiloxane (PDMS). The UV embossed alignment layers with patterned spacers could effectively prevent the problems caused by residual monomers in photopolymerization-assisted manufacturing of LC devices and also obtain mechanical stability against external forces. UV embossed LC cells with patterned spacers, especially in the column-shaped spacer which has the isotropic configuration of spacers, provided much better LC alignment properties than UV embossed LC cells having polymer walls in a bent environment. This approach might be promising in the practical application for flexible displays with versatile usage.
TFT-LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)를 중심으로 하는 평판디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 선도하는 핵심 산업으로 현재 우리나라의 삼성전자 및 LG 디스플레이가 세계 1, 2위를 다투고 있으며 현재 액정디스플레이를 포함한 한국의 생산량이 세계시장의 약 50%정도를 점유하고 있는 세계적인 경쟁력을 가지고 있는 산업 분야이다. 그러나 LCD는 소비자의 욕구를 만족시킬 수 있도록 고화질, 대화면의 구현이 필수적이다. 현재 상용화되고 있는 LCD는 액정 고유의 특성으로 인해 대화면을 구현할 경우 시야각이 제한되며, 고속으로 고화질을 유지하기 어려워 동화상 구현에 어려움이 있는 실정이다. LCD의 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 새로운 액정의 이용, 구동방식의 개발 등 다양한 시도가 이루어지고 있으며 이와 더불어 액정 배향을 담당하는 새로운 기능의 배향막의 개발도 시급해지고 있다. 액정 배향막은 액정 분자와 접하여 액정분자를 균일하게 배향시키는 역할을 담당하고 있다. 즉, 액정이 편광된 빛의 개폐 역할을 잘 수행할 수 있도록 액정을 한 쪽 방향으로 균일하게 배향시켜 주는 액정 구동의 핵심 재료이며, 액정 배향막의 액정배향특성 및 박막으로서의 전기적 특성은 액정 디스플레이의 표시 품질을 좌우한다. 액정디스플레이 제조 공정에서 배향막 코팅 및 배향처리는 공정상 최대의 난제로 지목되고 있으며 배향막 종류의 개선 뿐만 아니라 배향방법에 있어서도 적극적인 개선 노력이 진행되고 있다. 액정에 대한 특성변화가 적고, 라인 생산에 적합한 유기 고분자를 박막으로 만들고 경화시킨 후, 러빙법으로 액정 분자의 배열 방향을 제어하는 방법이 세계적으로 널리 사용 되어지고 있지만 러빙천과의 접촉에 의해 생성되는 정전기, 먼지 문제, 품질 조절 등의 어려움과 넓은 시야각 구현이 어렵다는 점 등의 개선이 요구되고 있다. 향후 액정 디스플레이의 시야각 특성 개선을 위한 화소의 다분할화와 표시성능 향상에 대응하기 위해서는 러빙을 하지 않는 신규 배향기술의 개발 필요성이 강하게 인식되고 있으며, 이에 본 연구에서는 기계적인 접촉이 없는 광배향 및 재현성이 좋은 프린팅 방식에 의한 배향막의 제조를 통하여 상기 문제점들을 개선, LCD의 성능 향상을 꾀하고자 하였다.
액정 광배향막은 편광의 UV를 고분자막에 조사하여 구조적인 이방성을 유도시켜 액정을 일정한 방향으로 배향시키는 방법으로 러빙법에 의한 액정 배향막의 제조상의 문제점을 해결할 수 있을 뿐만 아니라 시야각을 향상시키는 multi-domain LCD의 제조에 효과적으로 응용될 수 있는 기술이다. 이에 사용되는 물질은 우수한 광반응성을 지녀야 하며 액정 배향막으로서의 특성도 양호해야 한다. 현재 사용되고 있는 시나메이트 계열의 광반응성 물질은 높은 광반응성 및 광경화특성을 가져 액정 광배향에 응용되고 있으나, 유도된 액정 배향의 열적 안정성이 낮은 문제점을 나타내고 있다. 이러한 낮은 열적 안정성을 향상시키기 위해서 광반응성 고분자 및 올리고머 내에 열처리에 의해서 자체적인 가교 반응이 가능한 새로운 물질을 합성하고 이를 통해서 열적 안정성이 향상된 광배향막 재료를 개발하고자 하였다. 그 결과, 액정 배향막 소재로 적용 가능한 시나메이트 계열의 올리고머의 경우, 광 및 열반응성은 시나메이트 고분자의 반응성보다 향상되었음과 optimize된 사슬의 유연성에 크게 지배받는 것을 알 수 있었고, 액정 배향 특성 및 방향 또한 사슬 유연성에 지배됨을 확인하였다.
프린팅 방식을 이용한 배향막은 자외선에 의해 특성이 변화하는 폴리머에 자외선을 경사지게 쪼여서 미세구조물을 제작하는 기술과 전기도금으로 제작된 몰더를 도입, 프린트 방식을 통하여 배향막을 제조하는 것이다. 프린팅 방식에 이용한 배향막은 배향 특성이 우수하며 높은 선경사각과 재현성을 가지므로 LCD 공정에 효과적으로 응용될 수 있다. 여러 모양의 패턴으로 만들어진 액정 셀의 액정 배향력을 조사함으로써 어떤 모양의 패턴이 배향특성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 사각형과 inverted-U형, 그리고 inverted-V형의 금속 몰드는 감광재로 각각 그에 해당하는 미세 구조물을 제작한 후에 전기도금으로 그 형상을 모사하여 제작되었다. 제작된 금속 몰드를 이용하여 액정 셀의 액정 배향력을 조사하였다. 사각형 몰더를 이용해 제작된 셀은 아주 깨끗한 배향은 아니지만 양호한 배향과 150도 및 200도에서의 열처리하는 경우에도 전혀 흐트러짐 없이 양호한 배향을 나타내었다. 이는 폴리이미드의 견고한 주사슬이 열적 안정성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 V형 몰더로 제작된 셀은 사각형으로 만들어진 셀에 비해 좀 더 깨끗한 배향과 U형 몰더로 제작된 셀은 아주 깨끗한 배향, 그리고 열적 안정성도 나타내었다. 이러한 현상을 분석한 결과, 액정분자의 배향은 홈 사이의 너비와 홈 모양의 smoothness에 많이 의존한다는 것을 확인 할 수 있었다.
그리고 최근에는 유비쿼터스 시대의 등단으로 유연성과 휴대성을 높이는 방향으로 초점이 조금씩 옮겨지고 있다. 앞으로 다가올 유비쿼터스 시대의 모든 IT소자들은 경량화를 통해서 높은 휴대성을 지녀야 하며 Display의 발전 방향도 이러한 경량화, 휴대화의 흐름에 맞춰 flexible display로 나아가야 할 실정이다. 현재 Flexible LCD의 많은 연구가 진행되어 왔지만, 아직까지 실용화에 필요한 기술 수준에는 미흡한 점이 많다. 일부 Flexible display의 시제품들이 발표되고 있으나 변형의 정도가 실용적인 측면에서 미흡하여 실제적인 flexible display의 장점을 구현하기에는 아직까지 부족하며 디스플레이로써의 성능 측면 또한 기초적인 화상 구현에 머물러 응용범위가 매운 제한적인 실정이다. 플라스틱 기판을 사용한 LCD 기술은 현재 가장 널리 사용되고 있는 평판 디스플레이인 LCD의 장점을 모두 수용할 수 있으면서도 유연한 기판을 사용하였을 때 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있어 차세대 Flexible display의 실용적이고 현실적인 대안이 될 수 있으나 이 또한 아직까지 해결되어야 할 문제점이 많이 남아있다. Flexible display의 플라스틱 기판은 가볍고 구부릴 수 있으며 깨어지지 않는 장점이 있지만, 플라스틱 기판의 열팽창으로 인해 양산적인 측면에서 고정세화 및 대형화가 어려운 실정에 있다. 이에 본 연구에서는 플라스틱 필름에 열처리가 미치는 영향을 규명하였고, UV embossing 방식에 의한 배향막의 제조를 통하여 flexible display의 저온 공정을 실현하고자 하였고, 고분자 격벽의 형성에 의해 구부렸을 때에도 mechanical stability를 확보하고자 하였다. 그 결과, UV 경화를 이용한 임프린트 방식의 배향막을 채택하여서 열처리 과정이 필요 없는 배향막과 고분자 격벽을 제작 할 수 있었다. 액정들을 각각의 방에 고립시켜서 액정들의 균일한 배향과 액정 셀에 응력이 가해졌을 때의 배향안정성을 보장할 수 있게 되었다.
그러나 고분자 격벽을 만드는 경우, 액정 셀의 mechanical stability가 향상 됨에도 불구하고, 광경화 이후에도 residual monomer들이 vessel속에 남아있는 경우가 있기 때문에 액정물성과 광학물성에 영향을 미친다는 사실을 확인하였다. 이에 그러한 문제들을 해결하기 위하여, UV embossing 방식을 통해 홈과 패턴화 된 스페이서 기둥을 동시에 가지는 배향막을 제조하였다. 그 결과, 고분자 격벽 형성시 생기는 residual monomer에 의한 문제점을 개선 하였고, bent시에도 액정 셀이 흐트러짐 없이 양호한 물성을 나타내었다. 그리고 패턴화 된 스페이서 중에선 등방성 구조를 가지는 기둥 모양의 spacer가 더 좋은 액정물성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
