SEM 측정을 위해 PDLC cell을 n-hexane에 30분 침적시켜 droplet내의 액정을 제거 한 후,이를 상온에서 3시간동안 건조하여 시료를 준비하였다.JEOL사의 JSM-6490 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 준비된 시료의 표면 morphology를 관찰하였다.
Time (seconds)
Rate (cal/g-sec)
Shutter Open
Base line
tind ti
PM
te
Figure14.Typicalphoto-DSC thermogram.
4.결과 및 고찰
4. 14-Hexyl oxy-4-met hoxy-azobenzene( AZO-S)합성
Azo coupoling 반응에 의해서 4-Hydroxy-4-methoxy-azobenzene(Azo-S)을 합성 하였다. 합성한 4-Hydroxy-4-methoxy-azobenzene의 구조를 FT-IR을 통해 3419cm-1(-OH)을 확인 하였고,H-NMR을 통해 δ 7.0∼ 7.88ppm(m,8H,aromatic), δ 3.9 ppm(s,3H,AroCH3)을 확인함으로써 합성되었음을 알 수 있었다.그리고 4-Hexyloxy-4-methoxy-azobenzene(AZO-S)의 구조를 FT-IR을 통해 3419 cm-1(CH2), 1497 cm-1(N=N)피크를 확인하였고,1H-NMR(FT-NMR Spectrometer, JEOL사 JNM-LA300)을 이용하여 Figure 15.과 같이 δ 0.89 ∼ 0.94 ppm(m,3H, CH3-), δ 1.33∼ 1.81ppm(m,8H,-CH2-), δ 3.88ppm(s,3H,AroCH3), δ 4.01∼
4.05ppm(t,2H,OCH3), δ 7.0∼ 7.01ppm(m,4H,Ar-O), δ 7.85∼ 7.88ppm(m, 4H,Ar-N)에서 확인하였다.각각의 Chemicalshift의 면적비가 이론치와 잘 일치함으 로써 4-Hexyloxy-4-methoxy-azobenzene(AZO-S)가 합성되었음을 확인 할 수 있었 다.
Figure15.1H-NMR spectrum oftheAzo-S.
4. 2Azo-S의 일반적 성질
4.2.1Azo-S의 액정성 분석
액정은 어떠한 특정한 온도 범위에서 상전이를 하게 되는데 저온에서 고온으로 가면 서 고체 → Smetic→ Cholestric→ Nematic→ 액체로의 전이를 하게 된다.이와 같 이 전이를 나타내는 경계의 온도를 상전이 온도라고 부른다.
본 연구에서 합성된 Azo-S 화합물이 PDLC에 적용하기 위해서는 액정이 갖는 성질 중 하나인 상전이 온도가 존재해야 하며,상분리 되는 과정에서 액정과 함께 고분자 matrix에서 상분리 되어 액정 방울 안으로 정렬되어야 한다.본 실험에서는 DSC thermogram을 통해 합성된 Azo-S의 상전이 온도(TNI)를 분석하였다.Figure16.에서 볼 수 있듯이 105℃ 부근에서 상전이 온도(TNI)를 볼 수 있으며,네마틱(N)에서 아이 소트로픽(I)으로 전이되기 위해서는 1.3J/G의 열량이 필요하다는 것을 확인하였다.
Figure16.DSC thermogram oftheAzo-S ataheatingrateof10℃/min.
4.2.2Azo-S의 광학적 Trans-Cis이성질화 반응
합성된 Azo-S 화합물의 광 이성질화 특성을 확인하기 위해 UV-visible spectroscopy를 사용하여 분석하였다.
Figure17.에서 볼 수 있듯이,합성된 Azo-S는 365nm 광을 조사할 경우,아조 그룹 -N=N- 결합에서 이중결합의 π-π*전이에 의해 365nm의 부근에서 최대 흡광도가 나 타났으며,450nm에서 약한 흡광도를 나타내었다.365nm 광을 조사 시 25초 후 흡광도 Peak는 초기 상태의 Azo-S에서 나타난 흡광도 Peak와 비교하였을 때 뚜렷한 흡광도 차이를 보여주었다.또한 Visible500nm 광을 조사 시 Cis형태의 Azo-S가 Trans로 형 태로 변화되면서 20초 후에는 초기 상태로 돌아오는 것을 볼 수 있었다.
(a)
(b)
Figure17. UV-visible absorption spectra of Azo-S in ethanol at room temperature : (a)Trans-to-Cis by 365nm Irradiation, (b) Cis-to-Transbyvisible500nm.
4. 3Azo-S가 액정 열적 특성에 미치는 영향 분석
앞에서 제시된 것처럼,아조 화합물을 함유한 PDLC는 UV 광을 조사하여 아조 화합 물의 광학적 이성화 반응을 통해 Nematicphase을 Isotropicphase으로 변화되는 것 을 가속화 시켜 줌으로써 액정의 상전이 온도보다 낮은 온도에서 불투명에서 투명한 상태로 빠르게 변화시켜 준다.
본 연구에서 합성된 Azo-S을 Trans-Cis광학적 이성화 반응 과정에서 액정의 배열 을 방해 할 수 있는지 확인하기 위해 Azo-S의 광 이성화반응에 의한 액정의 상전이 온도(TNI)을 DSC를 통해 분석하였다. E7액정에 Azo-S을 0∼ 6%로 그 함량비를 다르게 하여 실험하였다.
Figure18.DSC 열곡선에서 볼 수 있듯이,액정 E7는 59℃에서 액정 상을 보이며, Azo-S 함량이 증가 할수록 액정의 상전이 온도(TNI)가 상승하는 것을 볼 수 있으며, 6%가 첨가 되었을 때 66℃까지 증가하는 것을 볼 수 있다.이는 액정 E7보다 높은 상 전이 온도((TNI)를 갖는 Azo-S에 의한 결과로 볼 수 있다.반면에 365nm 파장을 갖는 광을 조사할 경우 상전이 온도(TNI)는 액정 E7의 상전이 온도(TNI)보다 낮은 온도 범 위에서 나타나는 것을 볼 수 있었다.특히 Azo-S 6%가 첨가될 경우,51℃까지 감소되 는 것을 확인 할 수 있었다.
이는 Figure19.에서 볼 수 있듯이,365nm 광을 조사하기 전 Trans형태인 Azo-S는 액정과 함께 나란히 배열되어 있으며 안정한 상태인 액정 상 구조로 존재하지만, 365nm 광을 조사 할 경우 Trans형태인 Azo-S는 Trans상태와 Cis상태를 반복하면 서 기학적인 형상을 보이다가 Cis상태로 변화게 되는 광학적 이성화 반응을 하게 되 며,이러한 과정에서 규칙적으로 배열되어 있는 액정의 Nematic phase을 무질서한 Isotropicphase으로 빠르게 변화시켜 액정의 상전이온도(TNI)보다 낮은 온도 범위에서 상전이 온도가 보이는 것으로 판단된다.
이러한 결과를 바탕으로 Azo-S의 광 이성화 반응 과정에서 액정의 배열을 변화시켜 Cell투과율이 변화는지 확인하기 위해 VisbleSpectrometer통해 분석하였다.ITO가 코팅된 유리에 액정과 Azo-S를 도포하고 또 하나의 ITO가 코팅된 유리를 엇갈려 덮 고 일정한 압력으로 가압한 후 50℃에서 초기 투과율을 측정한 후 365nm 광을 60mW
광량으로 30초간 조사하여 투과율 변화를 측정하였다.
Figure20.에서 볼 수 있듯이,Azo-S가 첨가되지 않은 셀에서는 365nm 광원을 조사 에 의한 투과율 변화가 없었지만,Azo-S 함량이 증가할수록 365nm 광을 조사 시 투 과율 변화가 크게 바뀌는 것을 확인 할 수 있었다.특히,Azo-S 6%가 첨가 될 경우, 0.6% 투과율에서 1.9% 투과율로 변화되는 것을 확인 할 수 있었으며,365nm 광 조사 에 의해 광 이성화반응을 보이는 Azo-S가 실제 셀 안에서도 액정의 Nematic 상을 Istropic상으로 변화시켜 투과율을 변화시킬 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다.
(a)
(b)
Figure18. DSC thermograms for phase change temperature ofliquid crystal with Azo-S : (a) Before 365nm Irradiation, (b) After 365nm Irradiation.
Table2.Phase-TransitionofLiquidcrystalwithAzo-S.
BeforeUV AfterUV
Azo-S content(%) TNIa
(℃) TNI(℃)
0 59 59
1 60 57
2 61 56
3 63 55
4 64 54
5 65 52
6 66 51
aPhasechangetemperaturefrom nematictoisotropic
Figure19. Schematic illustration of the mechanism to control the optical property of Azo-S between a light-scattering and a transparent stateinducedbythephotochemicalphasetransition.
Figure20.Transmittanceofliquidcrystalfilm containingAzo-S.
4. 4 Azo-S을 함유한 고분자 분산 액정의 전기․광학적 특성 연구
4.4.1Azo-S을 함유한 PDLC의 전기·광학적 특성 연구
Figure 21.은 배합물의 Photo-DSC thermogram을 나타낸 것이다. Photo-DSC thermogram을 통해 액정 모노머 혼합물내의 모노머의 광중합 반응 거동을 비교하기 위해 각각 thermogram을 모노머의 중량으로 normalization하였다.Figure21.에서 볼 수 있듯이,Azo-S을 함유할 경우 중합 반응이 서서히 일어나는 것을 볼 수 있으며,반 응이 끝나는 시간도 크게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다.Figure22.은 시간에 대한 전환율(Conversion)변화를 나타내었고,두 thermogram을 통해 측정된 Induction time,peak maximum,Conversion을 Table3에 나타내었다.Azo-S가 첨가 되지 않은 Prepolymer-액정 배합물에서는 중합 반응 속도 및 전환율 증가 속도가 빠르나,최종 전환율에서는 Azo-S가 첨가된 Prepolymer-액정 배합물에서 더 높은 전환율을 보여주 었다.NOA65와 E7을 함유한 배합물인 경우 중합반응에서 액정의 상분리가 충분히 일 어나지 못하고 액정 분자가 고분자 matrix내에 존재함으로써 불순물로 작용하여 낮은 전환율을 보여준 것으로 예상한다.그러나,Azo-S을 함유한 NOA65와 E7배합물 경우 Azo-S가 LED 405nm의 빛을 흡수함으로써 13mW가 아닌 더 낮은 광량에서 중합 반 응이 일어나며,중합 과정에서 고분자 matrix에서 Azo-S와 액정의 상분리가 충분히 일어나는 시간을 주며,고분자 matrix내에 액정 분자가 가소제 역할을 하기 때문에 겔 화되는 것을 지연 시켜 더 높은 전환율에 도달한 것으로 판단된다.
Figure21. Photo-DSC exotherms for the photo-polymerization of NOA65+E7 and NOA65+E7+Azo-S mixture.Isothermalcuring temperature :2 5℃,Curelamp:UV-LED 405nm,Curetime:5min,lightintensity:
13mW/cm2,innitrogen.
Figure22. Percentage conversion profiles for the photopolymerization of NOA65+E7 and NOA65+E7+Azo-S mixture.Under the conditions describedinthelegendofFigure21.
Table3. KineticAnalysisResultforthePhotopolymerization ofNOA65+E7 and NOA65+E7+Azo-S mixture.Underconditiondescribedinthe legendofFigure21.
InductionTime (sec)
Peakmaximum (min)
△H (J/g)
Conversion (%) WithoutAzo-S 0.03 0.08 140 81
WithAzo-S 0.07 0.19 145 84
Figure23,24은 반응시간에 따른 전환율(Conversion)과 Relativeconductivity를 나 타낸 그래프이다.Figure25에서 볼 수 있듯이,Azo-S 첨가되지 않은 Prepolymer-액 정 배합물에서는 전환율이 50초까지 급격하게 증가 하다가 50초 이후에는 전환율 증가 가 완만하게 나타나는 것을 관찰하였다.Relative Conductivity에서 볼 수 있듯이 Conductivity가 50초까지 급격하게 감소하였다가 50초 이후에는 전환율 결과와 같이 완만하게 나타나 반응이 끝나는 것을 보여주었으며,반응시간에 따른 전환율 그래프와 Relativeconductivity그래프가 비슷한 거동을 보이고 있음을 확인 하였다.
반면,Figure24.에서 Azo-S 첨가된 Prepolymer-액정 배합물에서는 200초까지 전환 율이 급격하게 증가하다가 그 이후에는 전환율이 점점 완만하게 나타나는 것을 관찰하 였고,Relativeconductivity그래프에서도 동일한 변화를 보여주었다.
광중합 반응에서 전환율 증가가 완만하게 나타나 반응이 끝나는 시점과 Relative conductivity가 변화되지 않은 시점은 상분리 거동과 morphology을 예측 할 수 있다.
중합 반응 과정에서 전환율이 증가하는 것은 고분자의 분자량이 증가하는 것으로 볼 수 있으며,그 결과 고분자 matrix의 mobility가 감소하여 더 이상 상분리가 일어나지 못한다.Azo-S가 첨가 될 경우 Relativeconductivity가 변화되는 시점에서 더 이상 감 소하지 않고 일정해지는 시점이 길어지는 것을 보아,고분자 matrix에서 액정 및 Azo-S의 상분리가 충분이 일어나는 것을 예측 할 수 있으며,그 결과 Liquidcrystal droplet크기가 더 커질 것을 예상 하였다.
Figure25.의 SEM 결과에서 Azo-S를 함유한 Prepolymer-액정 배합물에서 Liquid crystaldroplet의 크기가 더 커진 것을 확인 할 수 있었으며,이러한 결과는 혼합물의 Photo-DSC 결과 및 Relativeconductivity 결과에서 예상했던 Morphology와 SEM으 로 관찰한 Morphology가 일치하는 것을 알 수 있었다.
Figure23. Monomer conversion and Relative Conductivity of the Photo-PolymerizationofNOA65+E7mixtureasafunctionoftime.
Figure24. Monomer conversion and Relative Conductivity of the photo-Polymerization ofNOA65+E7+Azo-S mixtureasafunction of time.
(a)
(b)
Figure25.SEM micrographofPDLC.(a)WithoutAzo-S,(b)WithAzo-S
PDLC cell의 인가전압에 대한 투과율 변화를 Figure26,27,28에 나타내었으며,투 과율 및 구동전압을 Table5에 나타내었다.Figure26에서 볼 수 있듯이,Azo-S를 함 유한 PDLC cell의 경우 액정과 Prepolymer로 구성된 PDLC cell보다 전압이 인가 된 후 최대 투과율에서 1% 차이가 나지만,구동 전압은 50V에서 32V로 낮아지는 것을 볼 수 있었다.PDLC의 구동전압은 액정 droplet의 크기에 역수에 비례한다는 식(1)에 서 볼 수 있듯이.Figure25에서 SEM 실험을 통해 관찰된 액정 Droplet크기와 PDLC cell의 구동전압의 관계가 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
Figure27.은 Azo-S를 함유한 PDLC cell의 전압이 인가 된 후 투과율 변화와 동일 조건에서 특정 광원을 갖는 광을 60mw 광량으로 30초간 조사한 후 투과율 변화에 대 한 그래프이다. 200∼700nm 파장과 320∼480nm 파장을 갖는 광을 각각 조사할 경우 투과율 변화 및 구동전압의 차이가 뚜렷하게 변화되지 않았지만,365nm 광원을 갖는 광을 조사할 경우 최고 투과율이 70%에서 74%로 투과율이 상승하는 것을 볼 수 있 다.그 결과 Figure28.에서 볼 수 있듯이 Azo-S가 첨가 된 후 365nm 광원을 갖는 광 을 30초간 조사 시 Azo-S가 첨가되지 않은 PDLC cell보다 투과율이 향상 되는 것을 볼 수 있으며,더 낮은 전압에서 투과율이 최고치에 이르게 되는 것을 볼 수 있었다.
이는 Figure29.에서 볼 수 있듯이,전압이 인가되지 않은 상태(a)에서 Azo-S는 액정 droplet안에서 액정들 사이에 Trans형태로 존재하게 되고 액정 방울에서 강하게 산란 되어 불투명한 현상을 보이게 된다.전압이 인가되면(b)액정들과 Azo-S는 전기장 방 향으로 배향하게 되고 입사된 광은 통과하게 되어 투명한 상태가 된다.이 상태에서 60mW 광량을 갖는 365nm 광원으로 30초간 조사하였을 때(c)Azo-S는 Trans상태와 Cis상태로 반복하면서 기하학적인 형상을 달리하다가 Cis형태로 바뀌게 되며,이 과 정에서 완전히 배향 되지 못한 액정들과 액정 표면에 둥글게 배열되어 있는 액정들을 움직여 줌으로써 투과율이 향상 된 것으로 판단된다.