열가소성 고분자 박막의 패터닝을 통한 다중 배향 액정 구조 구현

Abstract

계면 배향 조건에 의하여 초기 형성된 광축 분포가 인가된 전기장의 크기에 따라서 광축이 재정렬되는 현상을 이용하여 능동소자로써 기능하는 액정 소자는 계면 액정 배향 조건에 따라 각기 다른 전기 광학 효과를 나타낸다. 일반적인 단일 액정 배향 시편과는 달리 다중 배향된 액정 시편을 구현할 경우 광축을 공간적으로 다중화할 수 있으므로, 이를 이용하여 액정 디스플레이의 시야각 향상, 반투과형 모드의 계조 최적화, 다양한 액정 회절 소자 등에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 액정의 다중 배향 특성을 손쉽게 구현할 수 있는 방안으로써 소프트 리소그라피법의 일종인 capillary force lithography(CFL)법에 의한 배향막 패터닝법 및 이를 이용한 액정 디스플레이의 모드 다중화 방안에 대하여 논의하였다. CFL법이란, 열가소성을 지닌 고분자 박막을 패턴된 몰드와 합착한 후 유리 전이 온도(Tg) 이상으로 온도를 올려 주었을 때 몰드 구조물 사이의 빈 공간으로 열가소성 고분자가 모세관 현상으로 주입되는 현상을 이용하여 패터닝하는 방법으로써, 본 연구에서는 PMMA (polymethylmethacrylate)와 PS(polystyrene)를 패터닝하여 액정 배향 효과를 관찰하였다. PMMA를 순수 CFL법에 의해 패터닝하였을 경우, 패턴된 계면은 Tg 이상에서 몰드와 PMMA 계면의 합착 상태를 유지한 시간에 따라 단차가 증가하는 groove 패턴을 얻을 수 있었으며, 이때 groove 의 높이 대비 주기의 비율에 따른 수평 고정 에너지의 변화를 Berreman 효과를 고려하여 비교 분석하였다. 또한, PS와 PI의 열적 안정성 차이 및 러빙에 따른 수평 배향력이 유도되는 방향 차이를 이용하여, 열적으로 매우 안정한 PI(polyimide) 계면 상에 PS를 CFL법으로 패터닝함으로써, 단일 러빙 후에도 다중 배향 조건을 가지는 패턴된 배향막을 형성할 수 있음을 보여 주었다. 이때, mold와 접촉된 계면 상의 PS는 완전히 dewetting 되어야 하므로, 기존의 CFL법에 압력을 추가로 가하여 PS/PI 이종 박막 패터닝을 형성하였다. 다중 배향 조건을 가지도록 패턴된 배향막을 이용하여 제작된 시편의 경우, 단일 배향된 기존의 시편과는 달리 분산된 광축 효과에 의하여 향상된 시야각 특성을 보여줌을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안된 액정의 다중 배향 방법의 경우, 열가소성 고분자 물질을 이용하여 단일 박막, 또는 이종 박막을 패터닝함으로써 배향력 또는 배향 방향 등의 배향 특성 및 공간적으로 광축이 분산된 다중 배향을 손쉽게 구현할 수 있는 방법으로써 액정의 다중 배향이 요구되는 액정 디스플레이 및 기타 액정 전기 광학 소자에 널리 적용되어 이용될 수 있는 유용한 배향 기술이 될 수 있음으로도 기대된다.; Electro-optic (E-O) effects of liquid crystal (LC) devices highly depends on LC alignment conditions since most of LC devices work as active E-O devices by exploiting field-induced redistribution of optic axes with respect to the initial distribution of the optic axes. On the contrary to conventional mono-domain LC structure, the optic axes of multi-domain LC structures can be spatially distributed by patterned surface anchoring conditions, which can be used for enhancing viewing angle in LC displays (LCDs), designing modes of transflective LCDs for gray scale matching, and fabricating several types of diffractive LC components. In this thesis, the LC alignment layer was patterned by capillary force lithography (CFL). The proposed soft-lithographic patterning method showed high fidelity in patterning with simple fabrication process. CFL patterning is obtained by capillary filling of thermoplastic polymer into mold structure above glass transition temperature (Tg) of thermoplastic patterning materials. In our study, thermoplastic PMMA (polymethylmethacrylate) and PS (polystyrene) were patterned by CFL method and the LC alignment effects on the patterned surface were investigated. First, after CFL patterning with different patterning times above Tg, the patterned morphologies of PMMA were investigated. As the time of keeping the contact between the mold and the molten PMMA increased, the ratio of height to width of the PMMA pattern increased. We analyzed the azimuthal anchoring energy variation depending on pattern morphology by introducing Berreman anchoring condition. Secondly, we prepared patterned surface, which produced multi-directional LC anchoring after unidirectional rubbing process. Such surface was obtained by patterning a thermally stable polyimide (PI) on a thermoplastic PI and by utilizing different easy axes generation after rubbing on PI and PS surfaces. In this process, we added weak pressure on the mold during CFL patterning to obtain complete dewetting of PS on mold-contacted regions. Our multi-directional anchoring surface produced distributed optic axes, thus wide viewing angle properties were obtained, which could not be obtained in conventional mono-domain LCDs.