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Title Page

Abstract

Contents

Chapter 1. Introduction 13

1.1. Selection criteria of a suitable technology for fabricating a single-substrate flexible LCD 13

1.2. Introduction to microencapsulation technologies 16

Microencapsulation methods 19

Chemical methods 19

Physical methods 20

Supercritical fluid-assisted microencapsulation 22

Rapid expansion of supercritical solution (RESS) 23

Gas anti-solvent (GAS) process 23

Particles from a gas-saturated solution (PGSS) 24

Spray drying 24

Centrifugal extrusion 26

Pan coating 26

Fluidized-bed technology 27

1.3. Classification of polymer-dispersed liquid crystals 29

Emulsion methods 30

Encapsulation methods 30

Phase separation methods 31

1.4. Outline of a Dissertation 34

References 36

Chapter 2. Microencapsulation of Cholesteric Liquid Crystals 39

2.1. Characteristics of Cholesteric Liquid Crystals 39

Optical properties of Cholesteric liquid crystal 39

Electro-optics of cholesteric liquid crystals 40

2.2. What is a membrane emulsification method 44

Emulsions 44

Membrane emulsification 45

Surfactants 46

2.3. Ch-LC microencapsulation by coacervation 48

Overall processes of LC microencapsulation by coacervation 48

Materials 51

2.4. Experiments on the Ch-LC microencapsulation 53

Membrane emulsification of Ch-LC 53

Experimental setup of a membrane emulsification system and procedure 55

Experimental results on the membrane emulsification of R/G/B Ch-LC 59

Experiments on the microencapsulation of R/G/B Ch-LC by simple coacervation 62

References 65

Chapter 3. Optimization of Cholesteric Liquid Crystal Microcapsule Coating 70

3.1. Introduction to printing technologies 70

Relief printing-letterpress 70

Flexography 71

Flexography features 72

Planographic printing – offset lithography 73

Gravure 74

Gravure features 75

Stencil printing - screen printing 75

Screen printing features 76

Digital printing – inkjet 76

3.2. Printing method of LC microcapsules 79

3.3. Printing of Ch-LC microcapsules on a plastic substrate by a bar coater 81

Key parameters to give a strong influence on the coating of LC microcapsules 81

Overall process flow of the Ch-LC microcapsules coating on a plastic substrate 83

3.4. Experiments on the printing of Ch-LC microcapsules on a plastic substrate 89

Optimization of the Ch-LC microcapsule coating condition on a plastic substrate 89

Measured data for the reflectivity vs. thickness of Ch-LC microcapsulecoated layer 91

References 93

Chapter 4. Reduction of a driving voltage (Vreset) for a single-substrate Ch-LC microencapsulated display(이미지참조) 94

4.1. A revised 4-level drive scheme for Ch-LC displays 94

A brief introduction to the drive scheme of Ch-LC displays 94

Response of bistable cholesteric displaysto voltage pulses 95

Conventional 3-level drive scheme of PM for the Ch-LC displays 97

4.2. Fabrication of Ch-LC microencapsulated flexible displays 102

Fabrication process of a 10x10 Ch-LC microencapsulated flexible display 102

Demo samples of R/G/B Ch-LC microencapsulated flexible displays driven with a 10x10 Passive Matrix 105

4.3. Key parameters to influence on the driving voltage (Vreset)(이미지참조) 107

Reduction of a driving voltage (Vreset) via control of LC alignment inside the microcapsules 107

4.4. EO performances of Ch-LC microencapsulated flexible displays 110

Measured V-R curve characteristics for Ch-LC microencapsulated displays 110

Bending capability of Ch-LC microencapsulated flexible displays 112

References 113

5. Concluding Remarks 114

Publications 116

국문초록 118

List of Tables

Table 1. Classification of microencapsulation techniques. 20

Table 2. Comparison of two coacervation methods: simple vs. complex coacervation. 49

Table 3. Comparison of emulsification methods: homogenizer vs. ceramic membrane. 55

Table 4. Specifications of each layer in the Ch-LC microencapsulated flexible displays 104

Table 5. Some typical material properties of nonionic surfactants used in this work. 109

Table 6. Experimental results on the optimization of surfactants. 109

Table 7. Summary of EO performances in the Ch-LC microencapsulated flexible displays 112

List of Figures

Figure 1.1. Schematic representation of microencapsulation by a coacervation. 22

Figure 1.2. Microencapsulation by rapid expansion of supercritical solutions (RESS). 24

Figure 1.3. Schematic illustrating the process of micro-encapsulation by spray-drying. 25

Figure 1.4. Schematics of a fluid-bed coater 28

Figure 2.1. Schematic representation of cholesteric phase. 39

Figure 2.2. The structures of the cholesteric textures 41

Figure 2.3. Overview of different methods of membrane emulsification 46

Figure 2.4. Overall processes of LC microencapsulation by coacervation method. 50

Figure 2.5. SEM images of magnified structures for SPG membranes, 54

Figure 2.6. A schematic diagram of the experimental apparatus used for the preparation of O/W emulsions using an SPG membrane 57

Figure 2.7. A detailed depiction on the construction of internal pressure-type SPG membrane emulsification system 57

Figure 2.8. A schematic diagram denoting an emulsification tank module for a pilot-scale upgraded for this experiment which consists of longer membrane, impellor, and watercirculating container. 58

Figure 2.9. Measured raw data of Ch-LC droplet size distribution, in which 2.1 um of membrane pore and 40 kPa of feed pressure is applied 60

Figure 2.10. Microscopic images of three different color Ch-LC emulsion droplets 60

Figure 2.11. Differences of visual conception on the microscopic images taken with different photographic mode for the same emulsion sample 61

Figure 2.12. Microscopic images of three different color Ch-LC droplets surrounded by the coacervate 63

Figure 2.13. Microscopic images of three R/G/B Ch-LC microcapsules taken with the reflection-mode 64

Figure 3.1. A schematic diagram showing the operating mechanism of a letterpress printing. 71

Figure 3.2. A schematic diagram showing the operating mechanism of flexography printing. 72

Figure 3.3. A schematic diagram depicting the operating mechanism of offset lithography. 73

Figure 3.4. A schematic diagram depicting the operating mechanism of gravure. 74

Figure 3.5. A schematic diagram depicting the operating mechanism of inkjet. 77

Figure 3.6. Overall process flow of LC microcapsule coating on a plastic substrate. 84

Figure 3.7. A schematic diagram showing how drying process of LC microcapsule-coated layer is proceeded. 85

Figure 3.8. Microscopic images of Ch-LC microcapsule-coated layer with repect to the degree of matchup between formulation of coating solution with coating condition 86

Figure 3.9. Microscopic image of blue Ch-LC microcapsule-coated layer manufactured under the best optimized coating condition, taken with the reflection-mode. 87

Figure 3.10. Measured SEM images for the Ch-LC microcapsule-coated layer 88

Figure 3.11. Optimization results of Ch-LC microcapsule coating performance on the variation of two major coating parameters. 90

Figure 3.12. Measured reflectivity vs. thickness of Green Ch-LC microcapsule-coated layer, where the mean diameter of Ch-LC microcapsule is about 4.0 um 91

Figure 4.1. Three characteristic textures of cholesteric liquid crystals. 95

Figure 4.2. The response of the bistable Ch-LC to a voltage pulse 40 ms wide 97

Figure 4.3. A schematic diagram showing how the Ch-LC display is addressed by the conventional 3-level drive scheme. 98

Figure 4.4. A schematic diagram showing how 3-level drive scheme is addressed in 2x2 passive matrix. 99

Figure 4.5. A schematic diagram showing how 4-level drive scheme is addressed in 2x2 passive matrix. 100

Figure 4.6. A schematic diagram showing the waveforms of 4-level drive scheme developed for the Ch-LC microencapsulated display. 101

Figure 4.7. Overall fabrication process flow of a 10 x 10 Ch-LC microencapsulated display. 103

Figure 4.8. A schematic diagram showing a cross-sectional structure of the Ch-LC microencapsulated flexible displays. 104

Figure 4.9. Photos of R/G/B Ch-LC microencapsulated flexible displays driven with a 10x10 passive matrix 105

Figure 4.10. Comparison of threshold voltage characteristics with respect to the variation of LC alignment inside the microcapsules. 108

Figure 4.11. A typical V-R curve measured at the Green Ch-LC microencapsulated display. 110

Figure 4.12. Measured V-R curve of Green Ch-LC microencapsulated display for the degree of bending radius. 112

초록보기

플렉서블 액정디스플레이를 구현하는 방법으로는 지금까지 고분자분사형 액정 (PDLC), 고분자네트웍 액정 (PNLC) 및 화소고립형 액정 (PILC) 등 다양한 기술들이 개발되어왔다. 각각의 기술들은 장점뿐만 아니라 단점도 가지고 있기 때문에 본 논문연구에서는 기존의 개발된 기술의 장단점을 분석하고 여기에 아래의 선택기준을 추가하여 플렉서블 디스플레이 개발에 가장 최적의 기술을 개발하는 것으로 목표를 세웠다. 이러한 선택기준으로는 첫째 특허문제가 없을 것, 둘째 롤투롤 2R) 공정에 적합할 것, 셋째 이페이퍼 (e-paper) 디스플레이에 적용이 가능할 것, 넷째 컬러 (Color) 표현이 가능할 것, 다섯째 대용량 정보표시가 가능할 것 들이었다. 이러한 선택 기준에 근거하여 철저한 비교분석 결과 고분자분산형 액정이 이에 가장 부합하는 기술로 판단되었다. 이러한 고분자분산형 기술은 또한 크게 이멀젼, 캡슐레이션, 및 상분리형의 세 가지 유형으로 나뉘어 지는데, 본 논문연구에서는 이중에서도 판단기준 부합 정도가 가장 높게 나온 두 번째 캡슐레이션 기술을 최종적인 연구기술 항목으로 결정했다.

마이크로캡슐형성이란 개개의 입자나 고체 혹은 액체 코어를 갖는 드롭넷이 연속적인 필름형태의 고분자 물질로 이루어진 벽 재료로 둘러싸인 형태로 그 입자의 크기가 보통 마이크로미터 범위에 존재하기 때문에 마이크로캡슐이라고 한다. 이와같이 마이크로캡슐형성 기술을 적용하는 이유는 다양하지만, 그 중에서도 용해도 개선, 분산도 개선 및 유동성 개선과 같은 제조 공정성 향상이 이를 플렉서블 액정디스플레이에 적용하는 가장 큰 이유다. 액정을 마이크로캡슐로 형성하게 되면 플렉서블 액정디스플레이를 제조하는 데 있어서 유연성과 휘거나 구부렸을 경우에도 디스플레이 화질이 변하지 않는 장점이 있다.

본 논문에서는, 먼저 일반적으로 식품이나 화장품 업계에서 상업용으로 가장 널리 사용되고 있는 코아서베이션이라는 마이크로캡슐형성 방법을 적용하여 콜레스테릭 액정마이크로캡슐 제조기술을 개발하였다. 이때 최신 기술인 멤브레인 유화방식을 적용하여 마이크로액정캡슐의 입도편차가 20% 이내로 아주 균일한 특성을 나타내도록 하였다. 그 다음은 이렇게 만든 콜레스테릭 마이크로액정캡슐을 이용하여 이를 균일하게 코팅할 수 있는 코팅기술을 개발하였다. 이때 여러 가지 코팅방식 중에 코팅성능 및 비용측면에서 가장 적절한 것으로 판단된 바코팅 방식을 적용하여 마이크로액정캡슐을 플라스틱 기판에 균일하게 코팅하는 기술을 개발하였다. 마이크로액정캡슐을 플라스틱 기판 위에 균일하게 코팅하는 데 있어서 가장 중요한 인자는 코팅용액 제조방법, 코팅속도 및 코팅높이 등으로 압축되었는데 본 실험에서 이들 중요 인자들에 대해 최적화 실험을 통해 최적의 공정조건을 확보하였다.

그 다음으로는 콜레스테릭 마이크로액정캡슐 디스플레이의 구동전압을 낮추기 위해 구동전압에 영향을 주는 인자들에 대한 연구를 진행하였다. 이를 통해, 콜레스테릭 마이크로액정캡슐 디스플레이의 구동전압에 크게 영향을 주는 인자로는 액정캡슐 사이즈, 마이크로액정캡슐 코팅층 두께, 마이크로캡슐 내부의 콜레스테릭액정과 벽물질과의 앵커링 에너지 및 투명전극 기판에 대항하는 맞은 편 전극형성 방법 등의 네 가지로 압축되었다. 이에 각각의 인자들에 대한 최적화 실험 진행결과, 액정캡슐 사이즈는 8 마이크로가 적당한 것으로 나타났고 마이크로액정캡슐층 두께는 15에서 20 마이크로미터 정도가 적당하였으며 투명전극에 대항하는 맞은 편 전극은 스크린 인쇄방법을 적용하여 마이크로액정캡슐층 상부에 직접 형성하는 방법을 선택하였다. 또한 마이크로캡슐 내부의 콜레스테릭 액정과 벽물질 간의 앵커링 에너지를 최대한 낮추기 위해 비이온성 계면활성제를 첨가하여 표면장력을 최소화하였다.

이러한 마이크로액정캡슐 코팅기술 개발과 더불어 이를 적용한 디스플레이 디바이스의 구동기술도 함께 개발하였는데, 기존의 콜레스테릭 액정디스플레이 구동에 널리 적용되고 있던 쓰리레벨 (3-Level) 패시브 메트릭스 구동방식을 개선하여 포레벨 (4-Level) 패시브 매트릭스 구동방식을 새롭게 개발하였다. 이를 통해, 기존의 구동방식보다 두 배정도 향상된 콘트라스트 특성을 확보하였으며 10x10 해상도의 콜레스테릭 마이크로액정캡슐 디스플레이에 실제 적용하여 성능을 확인하였다.

끝으로 빨강색 (R), 초록색 (G), 파랑색 (B)의 단색 콜레스테릭 마이크로액정캡슐을 적용하고 포레벨 (4-Level) 패시브 구동방식을 적용하여 10x10 해상도의 콜레스테릭 마이크로액정캡슐방식 플렉서블 디스플레이 시제품을 성공적으로 개발하였다. 이 시제품의 전기광학 포시특성으로는 반사율이 14% (녹색파장, 550nm)이고 세그멘트 구동시의 콘트라스트가 약 15:1, 패시브 메트릭스 구동시의 콘트라스트가 5:1 정도로 나왔으며 구동전압은 약 65V 정도로 비교적 낮게 나왔다.

참고문헌 (106건) : 자료제공( 네이버학술정보 )

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번호 참고문헌 국회도서관 소장유무
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10 Release of drugs from ethyl cellulose microcapsules (diffusion pellets) with pore formers and pore fusion 네이버 미소장
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14 4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)dianiline으로 합성된 폴리이미드를 이용한 비선형 광학 유기/무기복합재료의 전기광학 특성 소장
15 “Controlled and Novel drug delivery”. CBS Publisher, p.236-237 (1997). 미소장
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22 “The Theory and Practice of Industrial Pharmacy”. Mumbai India, Varghese Publishing House. 3, p.414 (1992). 미소장
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26 Field controlled light scattering from nematic microdroplets 네이버 미소장
27 Polymer dispersed nematic liquid crystal for large area displays and light valves 네이버 미소장
28 Polymer-dispersed liquid crystals: Preparation, operation and application 네이버 미소장
29 “Liquid Crystal Dispersions”, World Scientific, Singapore (1995). 미소장
30 Effect of Polymerization Temperature on the Morphology and Electrooptic Properties of Polymer-Stabilized Liquid Crystals 네이버 미소장
31 Photopolymerization kinetics and phase behaviour of acrylate based polymer dispersed liquid crystals 네이버 미소장
32 Polymerization-Induced Phase Separation. 2. Morphology of Polymer-Dispersed Liquid Crystal Thin Films 네이버 미소장
33 Electrooptical Properties of Polymer Films Containing Nematic Liquid Crystal Microdroplets 네이버 미소장
34 Electro-Optic Studies on Polymer Dispersed Liquid Crystal Films Prepared by Solvent- Induced Phase Separation Technique 네이버 미소장
35 “Phase separation of liquid crystals in polymers,” Mol. Cryst. Liq. Cryst. 157, p.427-41 (1988). 미소장
36 16-bit digitizing more accurate and reliable 네이버 미소장
37 Control of Polymer Structures in Phase-Separated Liquid Crystal-Polymer Composite Systems 네이버 미소장
38 Stability-Enhanced Pixel Isolation Method for Flexible Liquid Crystal Displays 네이버 미소장
39 “The Physics of Liquid Crystals,” Clarendon Press, Oxford (1993) 미소장
40 “Liquid Crystals,” Cambridge University Press, Cambridge (1992) 미소장
41 “Optics of Complex Structured Periodic Media,” Springer-Verlag, New York (1992) 미소장
42 Light Control of Cholesteric Liquid Crystals Using Azoxy-Based Host Materials 네이버 미소장
43 “Electrooptical effects in liquid crystal materials,” Springer-Verlag, New York (1994) 미소장
44 Electric Field Induced Texture Changes in Certain Nematic/Cholesteric Liquid Crystal Mixtures 네이버 미소장
45 “Reflective liquid crystal displays,” John Wiley & Sons, Chichester (2001)….. 미소장
46 “Cholesteric cellular patterns with electricfield- controlled line tension”, Phys. Rev. E, 57 Rapid Commun., R6269 (1973). 미소장
47 “Fundamentals of Liquid Crystal Displays”, John Wiley & Sons, Chichester (2006). 미소장
48 DISTORTION OF A CHOLESTERIC STRUCTURE BY A MAGNETIC FIELD 네이버 미소장
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50 Field-Induced Nematic-Cholesteric Relaxation in a Small Angle Wedge 네이버 미소장
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53 “Membrane emulsification by micro-porous glass”, Key Eng. Mater., 61&62, p.513 (1991). 미소장
54 Membrane emulsification - a literature review 네이버 미소장
55 The membrane emulsification process—a review 네이버 미소장
56 Emulgieren mit mikrostrukturierten Systemen 네이버 미소장
57 Status of cross-flow membrane emulsification and outlook for industrial application 네이버 미소장
58 Recent developments in manufacturing emulsions and particulate products using membranes. 네이버 미소장
59 Preparation of Corn Oil/Water and Water/Corn Oil Emulsions Using PTFE Membranes. 네이버 미소장
60 “Regular-sized cell creation in microchannel emulsification by visual micro-processing method”, J. Am. Oil Chem. Soc., 74, p.317 (1997). 미소장
61 Interfacial Tension Driven Monodispersed Droplet Formation from Microfabricated Channel Array 네이버 미소장
62 Silicon array of elongated through‐holes for monodisperse emulsion droplets 네이버 미소장
63 Analysis of droplet formation and interactions during cross-flow membrane emulsification 네이버 미소장
64 An introduction to food colloids 네이버 미소장
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67 The impact of mass transfer and interfacial expansion rate on droplet size in membrane emulsification processes 네이버 미소장
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69 Clofibrate Microcapsules: Preparation and Release Rate Studies 네이버 미소장
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71 Effect of Electrolytes, Stirring and Surfactants in the Coacervation and Microencapsulation Processes in Presence of Gelatin 네이버 미소장
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73 Some factors affecting the microencapsulation of pharmaceuticals with cellulose acetate phthalate. 네이버 미소장
74 Preparation of microcapsules using the n-butyl half-ester of PVM/MA coacervate system. 네이버 미소장
75 In-Process Quality Control for Manufacturing. by W. E. Barkman; 네이버 미소장
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78 Effect of the morphology of hydrophilic polymeric matrices on the diffusion and release of water soluble drugs 네이버 미소장
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80 Effect of polymeric network structure on drug release from cross-linked poly(vinyl alcohol) micromatrices. 네이버 미소장
81 Composite poly(vinyl alcohol) beads for controlled drug delivery. 네이버 미소장
82 Poly(Vinyl Alcohol) Membrane Systems for the Controlled Release of Chlorinated Isocyanurates 네이버 미소장
83 An experimental investigation of enzyme release from poly(vinyl alcohol) crosslinked microspheres 네이버 미소장
84 “Membrane emulsification by porous glass”, Key Eng. Mat. 61&62, p.513 (1991). 미소장
85 Visualization and characterization of SPG membrane emulsification 네이버 미소장
86 Particle control of emulsion by membrane emulsification and its applications 네이버 미소장
87 Quantitative analysis of coupling effects in cross-flow membrane emulsification 네이버 미소장
88 Preparation of monodisperse multiple emulsions at high production rates by multi-stage premix membrane emulsification 네이버 미소장
89 Effect of membrane parameters on the size and uniformity in preparing agarose beads by premix membrane emulsification 네이버 미소장
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99 Liquid crystal photonics: optical switching and image storage using nematic liquid crystals and ferroelectric liquid crystals 네이버 미소장
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105 Bistable Cholesteric Reflective Displays: Materials and Drive Schemes 네이버 미소장
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