Polymer(Korea), Vol. 34, No. 3, pp 242-246, 콜레스테릭액정의 Planar 배열과선택반사특성에관한연구 정갑하ㆍ서인선ㆍ이몽룡ㆍ최석원ㆍ송기국 경희대학교영상정보소재기술연구센터 (9년 12월 일접수, 년 3월 12일수정, 년 3월 12일채택 ) Study on Planar Orientation and Selective Reflection of Cholesteric Liquid Crystals Gapha Jung, Inseon Seo, Mongryong Lee, Suk-Won Choi, and Kigook Song Materials Research Center for Information Display, Kyung Hee University, Yongin, Gyeonggi-do 446-71, Korea (Received December, 9; Revised March 12, ; Accepted March 12, ) 초록 : 선택반사를보이는콜레스테릭액정의 planar 배열과선택적반사효율과의연관성에대하여 FTIR spectroscopy 를이용하여정량적으로조사하였다. Cholesteric liquid crystal(clc) 내 planar 배열이잘유도될수록선택반사율이높아짐을알수있었고, 배향막을사용하지않고 shear force 효과에의해서만 planar 배열을유도할수있었지만완전한 planar 배열을유도하기위해서는배향막을사용하는것이효과적이었다. Abstract: FTIR spectroscopy has been employed in order to quantitatively investigate the relationship between planar arrangements and selective reflectance of cholesteric liquid crystals. It was found that the selective reflection was enhanced as the amount of planar arrangements in cholesteric liquid crystals increased. Although the planar arrangements of cholesteric liquid crystals can be induced only by the shear force effect, it was more effective to use the alignment layer to obtain the perfect planar arrangements. Keywords: cholesteric liquid crystals, planar arrangement, selective reflection, FTIR. 서론콜레스테릭액정 (cholesteric liquid crystal, CLC) 또는카이랄네마틱액정 (chiral nematic liquid crystal) 은네마틱 (nematic) 액정에주기적나선구조를유도하는카이랄도판트 (chiral dopant) 가첨가된액정으로, 네마틱액정의 director 가나선축을따라꼬이면서층을이루며배열한나선형의구조를가진다. CLC 는나선축방향이배열된형태에따라 3가지의구조로나누어지는데, 기판표면에대하여 CLC 나선축들이수직으로배열된경우를 planar, 기판에수평일때를 homeotropic(vertical), 그리고나선축들이 random 하게배열된형태를 focal conic 구조라고한다. 이가운데 CLC 배열이 planar 구조를이루었을때는나선의꼬인방향과반복구조의피치 (pitch, p) 에따라빛을선택적으로반사하는고유한특성을가지고있다. 1-4 CLC 에입사하는빛을회전방향이서로반대인두개의원편광빛의합으로표시할때 CLC 의꼬인구조와같은방향의원편광빛은반사되고반대방향의원편광빛은투과하는특성을가진다. 이때, 반사되는빛의파장 λ는액정의평균굴절률 n 과 CLC 피치의곱으로 λ = n p 표시되므로, 피치를다양하게가지는 CLC 를 To whom correspondence should be addressed. E-mail: ksong@khu.ac.kr 제조하면반사되는빛의파장영역이넓은필름을얻을수있다. 5-11 TFT-LCD 의문제점중하나인휘도향상문제를해결하기위하여 CLC 의선택반사특성을이용하면빛의재활용을통하여 LCD 의휘도를향상시킬수있어 CLC 를사용한반사형편광필름제조에많은관심이모이고있다. 12- 반사형편광필름은투과되는편광을제외한나머지빛을흡수하지않고반사하는데, 이때반사된빛은 LCD 내부에서재반사되며그편광특성이변하여다시필름으로입사될때투과하게되어휘도가향상되는것이다. CLC 선택반사에서회전방향이서로반대인두개의원편광빛중 CLC 의꼬인구조와같은방향의원편광빛만반사되므로선택반사율은이론적으로 % 가되어야하는데, CLC 를이용한편광필름제조공정에따라 % 에이르지못하는선택반사율을보이는경우가있다. 본연구에서는 CLC 의 planar 배열이유도되는현상과 planar 배열에따른선택반사의효율에대하여 FTIR spectroscopy 를이용하여정량적으로조사하였다. 실험본연구에서사용된 CLC 는 Merck 사의네마틱혼합액정인 E7 과카이랄도판트 (chiral dopant) 인 BASF사의 R11을 95:5 비율 242
콜레스테릭액정의 Planar 배열과선택반사특성에관한연구 243 Figure 1. Chemical structure of E7(nematic LC). (wt%) 로 7 에서혼합하여사용하였다 (Figure 1). 액정배향을유도하기위한고분자배향막으로는 Nissan의 polyimide 7492 K를사용하였으며, ITO 가코팅된유리기판위에 polyimide 용액을스핀코팅 ( rpm, sec) 하고 9 에서 15 분동안건조시킨후, 235 에서다시 분동안가열하여이미드화반응을진행시켰다. 이렇게기판위에입혀진 polyimide 필름은러빙기 (rubbing machine) 를이용하여일정조건으로 3회러빙하였다. 액정셀 (cell) 은유리기판 2장을겹쳐 4.75 μm 의 cell gap 을갖는빈셀 (empty cell) 을제작한후액정을모세관효과를이용하여주입하고 epoxy 를이용하여 sealing 하였다. 액정주입시모세관효과에의하여유도된 shear force 때문에형성되는 planar 구조들은셀을액정의상전이온도 (nematic to isotropic transition temperature, T NI ) 인 58 이상에서 분간유지한후상온으로냉각하여 random 구조의 CLC 셀로제조하였다. E7 액정분자에포함되어있는 C N 그룹진동운동에수반되는 transition dipole 의방향을 Perkin-Elmer System FTIR spectrometer로측정하여액정셀내에주입된 CLC 의배열형태를조사하였고, CLC 의특정파장에서의선택반사율은 Jasco V57 UV/Vis spectrometer로측정하였다. 결과및토론 Planar 구조로배열된 CLC 에전기장을인가하였을때 CLC 배열이전기장의크기에따라 planar 에서 random 또는 homeotropic 하게변화하는것을 FTIR spectroscopy 를이용하여볼수있다. 55 V의전압이 CLC 층에인가되면 planar 구조의 CLC 배열이무너지면서 random 배열의 focal conic 구조로변화하고, 더큰전압 (175 V) 이가해지면 homeotropic 배열로변화하는것을알수있다 (Figure 2). E7 네마틱액정의말단에붙어있는 C N 그룹의신축진동운동은액정축과평행하게움직이면서분자내다른그룹진동운동들과분리되어있어, 2226 cm -1 에서나타나는 infrared(ir) 흡수피크는액정 director 의측정에많이사용된다. 21,22 진동운동의 IR 흡수피크세기는 [I ]=(MᆞE) 2 ᆞcos 2 α로나타낼수있는데, M은분자진동운동의 transition dipole, E는 IR beam 의 electric field 이며, α 는 electric field와 transition dipole moment가이루는각을의미한다. FTIR spectrometer 로 CLC 셀을측정할때, Figure 2에서보듯이 IR beam 은항상기판과평행하게입사하게되므로 CLC 의배열상태에따라 IR beam의 electric field 와 C N 그룹진동운동 dipole moment 가이루는각이달라진다. CLC 가 planar 배열을하고있을때는기판과 E7 액정축이평행을이루어 α 값이작아지므 V 55 V (c) 175 V Figure 2. Schematic models of different arrangements in CLC cell with electric field applications: planar; focal conic (random); (c) homeotropic(vertical) structures. 로 C N 진동운동흡수피크의세기는최대값을가지게되며, 전기장을걸어유도한 homeotropic 배열즉 vertical 경우는 α 가 9 에접근하여흡수피크세기가 이되어야하고, 액정이 random 배열을가지는경우는이두가지배열상태사이의값을나타나게된다. CLC 로제조한액정셀에각각다른크기의전기장이걸렸을때 FTIR 스펙트럼을구해서 Figure 3 에 C N 신축운동영역부근만나타내었다. CLC 가 planar 배열을했을경우 C N 피크세기가 2 로가장크게나타났고, 55 V 전장이걸렸을때는 focal conic 배열로써피크세기가 5, 그리고 175 V 경우 homeotropic 배열을하여 8 의피크세기를보여주었다. 하지만, homeotropic 배열의경우 E7 액정의 director 와 C N transition moment 방향이정확하게일치한다면흡수피크의세기가 이되어 IR 피크가나타나지않아야하는데, C N transition moment 방향이 E7 액정의축방향에서약 정도틀어져있기때문에 α=7 이어서피크가나타나는것으로여겨진다. 23,24 FTIR 실험에사용하였던동일한 CLC 셀들을사용하여선택반사율을 UV/Vis spectrometer 를사용하여측정하였다. Figure 3 의반사스펙트럼은 CLC 셀에전기장을인가해주어 CLC 의배열구조를변화시켰을때셀을투과하지못하고반사되는가시광영역의빛을적분구 (integrating sphere) 를이용하여측정한결과이다. 액정의배열이 homeotropic 구조를갖는경우에는선택반사현상이나타나지않기때문에모든빛이 CLC 를투과하는것을볼수있으며, focal conic 구조에서는 CLC 의 random 배열로인해일부빛이산란되어투과하지못하는것을볼수있다. 그리고 planar 구조였을때는 CLC 나선구조의피치에해당하는영역인 625 nm 부근에서 % 의선택반사현상을나타내었다. 이와같이선택반사를일 Polymer(Korea), Vol. 34, No. 3,
244 정갑하 ᆞ 서인선 ᆞ 이몽룡 ᆞ 최석원 ᆞ 송기국 Planar Focal conic Homeotropic RT 45 o C 55 o C 6 o C 22 22 22 22 22 2 Planar Focal conic Homeotropic RT 45 o C 55 o C 6 o C Figure 3. CLC cells with electric field applications: FTIR spectra of C N stretching region; reflection spectra. 22 22 22 22 22 2 Figure 4. CLC cells with polyimide alignment layer at different temperatures: reflection spectra; FTIR spectra of C N stretching region. 으키는 CLC planar 구조의경우, FTIR spectrometer 를이용하여 CLC 나선구조의배열상태를확인할수있을뿐만아니라 CLC 내 planar 구조의정량적정보및완성도를측정할수있어 UV/Vis 선택반사율에대한분자차원에서의설명이가능하리라본다. 25,26 온도에따른 CLC 의선택반사율변화를 UV/Vis spectrometer 로조사하고 FTIR 을이용하여 CLC planar 배열상태의흐트러진정도를측정하였다. E7 을사용하여 planar 배열의 CLC 셀을제조한경우, 58 이하에서액정상태를유지하고있음에도불구하고온도가증가함에따라선택반사율이줄어들고반사되는빛의파장이짧아지는것을 Figure 4 에서볼수있다. 선택반사의파장영역이온도가올라감에따라점점짧은파장쪽으로이동하는것은높은온도에서카이랄도판트 R11의 helical twist power 가강해져 CLC 나선구조의 pitch 가짧아지기때문이다. 27 액정온도가등방상으로전환되는온도에근접한 55 에서도선택반사를유지하는것은 CLC 가계속 planar 구조를유지하는것을의미한다. 하지만, 선택반사율이상온에비하여현저히떨어지는것으로부터액정배열이흐트러져완전한 planar 구조를유지하지못하게된것을알수있다. CLC 셀내액정분자들의배열에관하여정량적인정보를얻을수있는 Figure 4 의 FTIR 실험결과를보면, 상온에서는 C N 흡수피크세기가 2로 4.75 μm 두께의셀내모든액정들이기판에평행하게배 향을한 planar 상태인것을의미하는데, 온도가증가하면서피크세기가점점감소하다가액정들이등방상으로변한 6 에서는 Figure 3 의 focal conic 상태에서와같이 random 배열의피크세기인 5 로줄어든것을보여준다. 이는네마틱액정의경우에온도가 T NI 에가까워질수록액정배열이흐트러져액정축이뒤틀리는현상이나타나는것과같이, 28 CLC 에서도 T NI 에접근할수록 CLC 나선구조를구성하는액정들의배열이흐트러지며 planar 구조를더이상유지할수없기때문으로여겨진다. 그러므로, 온도가올라갈수록기판과평행하던액정축이뒤틀려서 CLC 나선형태가무너지면서 planar 구조를유지할수없어 infrared 흡수피크가줄어들고선택반사율이줄어드는것이다. CLC 의 planar 구조형성에미치는배향막의영향을알아보기위하여 CLC 셀을제조할때 polyimide 배향막을러빙하여사용한경우와러빙하지않은경우를비교하여조사하였다. 셀의기판사이로모세관효과에의하여액정이주입될때나타나는 shear force 에의해 CLC 의 planar 배열이유도되는것은러빙하지않은배향막을사용할때뿐만아니라배향막없이유리기판만으로이루어진 CLC 셀을제조할때도볼수있었다. 하지만, Figure 5 에서보듯이러빙하지않은배향막으로제조한셀의경우 infrared C N 흡수피크세기가 5 로러빙한배향막을사용한경우의피크세기 2 에비하여작게나 폴리머, 제 34 권제 3 호, 년
콜레스테릭액정의 Planar 배열과선택반사특성에관한연구 245 22 22 22 22 22 2 오는데, 이는러빙한 polyimide 배향막을사용하지않고 CLC 셀을제조하면 CLC 의완전한 planar 배열을유도할수없는것을의미하는것이다. 그러므로, Figure 5 의 CLC 셀의선택반사실험에서도러빙한배향막을사용한셀의경우는 CLC 가모두 planar 구조를형성하여 % 의선택반사율을보여주는반면 shear force 에의해서만 planar 구조를유도한경우인, 러빙하지않은배향막을사용한셀에서는선택반사가불완전한 % 의반사율을보여주었다. 액정주입시수반되는 shear force 에의한 planar 구조유도효과를제거하기위해 CLC 셀을 T NI 이상으로온도를올려등방상으로만든후온도를낮추어다시액정상태를유도하였다. 러빙한 polyimide 배향막을사용한셀의경우는 C N 피크세기와선택반사율이온도를변화시키기전후에변화가없는데반하여러빙하지않은배향막을사용한셀의경우는 C N 피크세기가 5 에서 5 로줄었으며선택반사가전혀나타나지않았다. CLC 의 planar 배열이 shear force 에의해서만유도된경우인, 러빙하지않은배향막을사용한셀에서는액정이등방상으로변하였다가 CLC 액정상으로돌아올때 planar 구조를다시형성하지못하고 focal conic 구조로존재하기때문에 C N 피크세기가 random 배열일때의 5 값을가지며선택반사가일어나지않는것이다. 온도를올려액정상이사라지면없어지는 shear force 효과 (1) (2) (3) (1) (2) (3) Figure 5. FTIR spectra; reflection spectra of CLC cells: (1) with rubbed polyimide alignment layer, (2) with non-rubbed polyimide alignment layer, (3) with non-rubbed polyimide alignment layer after heating. 와는다르게배향막의러빙에의하여 planar 구조가유도되는효과는계속해서유지되는것을러빙한배향막을사용한셀의실험경우에서볼수있다. CLC 내에 planar 구조가전혀없을때, 즉선택반사율이 % 경우 C N 흡수피크세기가 5 이고, CLC 가완벽한 % 선택반사율을보여줄때, 즉 planar 구조가 % 존재할때의 C N 피크세기가 2 이므로 FTIR 실험의 C N 피크세기를이용하면 CLC 내에포함된 planar 구조의양을정량적으로계산할수있고 CLC 의선택반사가불완전하게나타나는현상을설명할수있다. 그예로불완전선택반사를보여주는러빙하지않은배향막으로제조한셀의경우 C N 피크세기가 5 로관찰되는데이는 CLC 내에 planar 구조가 59% 존재하는것을의미하며, 이결과는동일셀의선택반사율이이론적 % 값에미치지못하는 % 로나타난것과잘일치한다. 25,26 그러므로, CLC 선택반사에서반사율은 CLC 내 planar 구조의양에비례하여나타나며, 이론적선택반사율 % 에미치지못하는이유는 CLC 내에 planar 구조가제대로유도되지못했기때문으로여겨진다. 결론본연구에서는 CLC 의 planar 배열이유도되는현상과 planar 배열에따른선택반사의효율에대하여 FTIR spectroscopy 를이용하여정량적으로조사하였다. CLC 셀을제조할때 polyimide 배향막을러빙하여사용한경우와러빙하지않은경우를비교조사하여 CLC 의 planar 구조유도에미치는배향막의영향을알아보았다. 러빙한배향막을사용한셀의경우는 % 의선택반사율을나타낸반면러빙하지않은배향막을사용한셀에서는선택반사가불완전한 % 의반사율을보여주었는데, 이는러빙한배향막을사용하지않은경우 59% 의 CLC 만이 planar 구조를형성했기때문으로 infrared C N 흡수피크세기를조사하여설명할수있었다. CLC 선택반사에서회전방향이서로반대인두개의원편광빛중 CLC 의꼬인구조와같은방향의원편광빛만반사되므로, 선택반사율은이론적으로 % 가되어야한다. 하지만, planar 구조가제대로유도되지못한경우에는선택반사율이 CLC 내 planar 구조의양에비례하여나타나기때문에 % 에못미치게나타나는것이다. 배향막을사용하지않고 shear force 효과에의해서만으로 planar 배열이유도될수있지만완벽한 planar 배열을유도하기위해서는배향막을사용하는것이효과적이고, CLC 의 planar 배열이잘유도될수록선택반사율이높아짐을알수있었다. 감사의글 : 본연구는경기도에서지원한지역협력연구센터 (GRRC) 사업에의하여수행되었습니다. 참고문헌 1. P. G. de Gennes and J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, 2nd ed., Oxford Clarendon Press, Oxford, 1993. 2. N. Boiko and V. Shibaev, Inter. J. Polym. Mater., 45, 533 (). Polymer(Korea), Vol. 34, No. 3,
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