In this thesis, the mechanical stability and the uniform alignment of a flexible liquid crystal cell have been achieved by introducing micro- or nano-structure on a cell substrate using soft lithographic techniques.
In chapter 2, a variety of methods to improve the mechanical stability of a liquid crystal cell have been investigated. The uniform cell gap between two substrates and the mechanical stability can be guaranteed by introducing columnar spacers via soft lithographic approaches. First, a period array of columnar spacers was fabricated via micromolding in capillary (MIMIC) method using a polydimethylsiloxane (PDMS) elastomeric mold. The mechanical stability has more improved when polyimide (PI), the same material as that of alignment layer for the LCD, was selected for the spacers. Second, a flexible liquid crystal cell based on an elastomeric substrate having microstructures has been suggested. A micropatterned PDMS elastomeric film can be simply fabricated by replica molding method. The micropatterned PDMS film has been directly used as an upper substrate for liquid crystal cell. Microstructures on the PDMS film have functioned as spacers for uniform cell gap when assembled by direct contact between two substrates into a liquid crystal cell.
In chapter 3, we have investigated the behavior of liquid crystal molecules on a nano-level surface topography. First, nano-scratches has been formed on the surface a PDMS elastomeric film, and liquid crystal molecules have aligned along to the scratched direction. Second, we have fabricated polyacrylate (PA) substrate having a nanopatterned structures using a soft-imprint technique. The planar alignment of liquid crystals along the direction of nanogrooves has been generated. Twisting behavior of nematic liquid crystals has been also observed with a perpendicular assembled liquid crystal cell and the cell parameters can be estimated by using the Soutar and Lu method. By comparing the anchoring energies obtained accordingly, it has been demonstrated that the polymer nanogroove pattern has a comparable influence on liquid crystal alignment to the conventional rubbing process. It has been also shown that the artificial topography of the line grooves on the conventionally rubbed surface has a significant influence on the anchoring stability of the liquid crystal molecules.
본 연구에서는, 소프트 리소그래피의 다양한 방법을 이용하여 제조한 마이크로, 또는 나노 미터 크기의 미세구조를 플렉서블 액정 셀의 고분자 기판에 도입함으로써 액정 셀의 기계적 안정성을 향상시키고 네마틱 액정을 균일하게 배향시키고자 하였다.
제 2장에서, 플렉서블 액정 셀의 기계적 안정성을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 고찰되었다. 소프트 리소그래피 방법을 이용하여 컬럼 형태의 스페이서를 제조함으로써 액정 셀의 셀 간격을 균일하게 유지하고 기계적 안정성 또한 향상시켰다. 첫 번째로, 폴리다이메틸실록산 (PDMS) 몰드를 사용하는 마이크로 몰딩 인 캐필러리 (MIMIC) 방법을 이용하여 컬럼 스페이서의 규칙적인 배열구조를 제조하였다. 액정디스플레이 소자에서 배향막 재료로 사용되는 폴리이미드를 컬럼 스페이서 재료로 선택했을 때 액정 셀의 기계적 안정성은 더욱 향상되었다. 두번째 방법에서는, 마이크로 미세 구조가 있는 탄성 고분자를 기판으로 사용하는 플렉서블 액정 셀을 제조하였다. 마이크로 패턴이 형성된 PDMS 탄성 필름은 리플리카 몰딩 (replica molding) 방법을 이용하여 간단히 제조되었다. 마이크로 패턴이 형성된 PDMS 탄성 필름은 액정 셀의 위쪽 기판으로 사용되었는데, 액정 셀로 조립되었을 때, PDMS 필름의 마이크로 미세구조는 직접 컬럼 스페이서로 기능하여 셀 간격을 균일하게 유지시켜 주는 것을 확인하였다.
제 3장에서는 나노 미터 크기의 표면 형상 위에서 액정 분자의 거동을 고찰하였다. 소프트 임프린트 방법을 이용하여 나노 패턴이 형성된 폴리아크릴레이트 기판을 제조하였다. 폴리아크릴레이트 나노 미세구조의 선형 방향을 따라 액정이 균일하게 배향하는 것을 확인하였다. 나노 패턴이 형성된 폴리아크릴레이트 기판을 수직으로 조립한 셀에서 네마틱 액정의 꼬임 거동 (Twisting behavior)을 확인하였고, 따라서 Twisted nematic (TN) mode 액정 소자에 대한 셀 변수를 The Soutar and Lu 방법을 이용하여 추정하였다. 평가된 셀 변수 값을 가지고 추정한 고정 에너지(anchoring energy) 값을 현재 산업에서 배향공정으로 주로 사용되는 러빙 공정으로 제조된 필름에서의 고정 에너지 값과 비교하여, 고분자 나노 미세구조가 액정 배향 공정으로서 정량적으로 적합한 것을 확인하였다. 또한 배향막 형성을 위해 기존의 러빙 공정과 고분자 나노 패터닝 공정을 함께 적용하여 봄으로써 고분자 배향막 위에 인위적으로 제조한 미세구조가 액정 분자의 고정 안정성에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
