NDLC 박막을 적용한 액정배향 및 IPS LCD의 전기광학효과

김상훈 연세대학교 대학원 2007 국내석사

최근 평판 디스플레이(Flat Panel Display) 산업은 정보화 및 디지털화의 시대적 요구에 부합하여 급성장을 이루게 되었다. 특히, 그중 TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display) 는 반도체 공정 및 회로, 광학 기술의 발전으로 인해 우수한 해상도와 낮은 전력 소모 등의 특징을 제공할 수 있는 장점이 있다. 액정 디스플레이(Liquid Crystal Display)는 휴대폰, 캠코더 등의 소형 디스플레이에서 노트북 PC, 데스크 탑 모니터, TV 등의 대형 디스플레이에까지 폭넓게 사용됨으로써 대표적인 평판 디스플레이로 자리 잡고 있다.현재 TFT-LCD에 대표적으로 적용되고 있는 LCD mode 로는 IPS(in-plane switching)방식과 VA(vatical alignment)방식이 있다. IPS mode는 TN(twisted nematic) 방식의 좁은 시야각을 해결한 nomally black타입의 광시야각 모드로 보는 방향에 따른 위상 차이를 같게 한 기술이다. 그러나 IPS mode는 nomally black타입의 homogeneous의 배열을 이용하는 모드로 polyimide배향막에 접촉방식의 러빙공정에 의해 액정을 정렬시키며 nomally white type의 TN mode에 비해 러빙 스크래치, track등 러빙공정상의 공정 마진이 협소한 단점을 갖고 있다.그러므로 본 연구에서는 광시야각 모드인 IPS mode에서, 상기의 접촉식 배향 공정시의 문제점을 해결하기 위한 신개념으로 무기박막인 NDLC 박막에 이온빔을 조사하여 배향처리를 하는 비 접촉식 배향 처리방식을 사용하여 배향특성을 확인하였고 IPS mode 단위셀을 제작하여 전기 광학특성을 연구하였다. 제조 공정이 간단한 플라즈마 화학 증착법(PECVD method)으로 NDLC(nitrogen doped DLC)박막을 증착하여 배향막(Alignment Layer)으로 이용하였고 새로운 이온소스인 DuoPIGatron 타입의 이온건을 사용하여 배향처리하였다..이온빔 조건을 변화시켜 NDLC박막에서 이온빔에 의해 액정이 배향되는 기구에 대해 연구하고자 하였다. 본 연구에서는 이온빔의 입사각도와 조사시간의 변화를 통하여 그에 따른 박막의 물성 변화, 액정의 프리틸트 각(Pretilt Angle)의 변화를 관찰하였다. 이온빔(Ion Beam)에 의한 액정 배향 기구를 연구하기 위해 결정 회전법(Crystal Rotation Method)을 이용하여 액정의 프리틸트 각을 측정하였다. 프리틸트 각을 측정하기 위하여 액정 셀은 샌드위치(Sandwitch) 형태로 제작하였으며, 두께는 60 μm로 조절하였다. 전기광학특성을 측정하기 위하여 프리틸트 각 측정용 셀과 마찬가지 방법으로 NDLC박막을 증착하고 이온빔을 조사시킨 후 IPS cell을 제작했다. 제작한 이온빔 배향 IPS cell의 두께는 4 μm로 조절하였다. 편광 현미경을 이용하여 IPS cell 의 on/off 상태에서의 배향성을 확인하였고 전기 광학 특성을 평가하기 위하여 전압-투과율 (V-T) 특성, 응답 특성을 LCMS-200 (Electro-Optical Measurement) 장비를 이용하여 실온에서 측정하였다.NDLC박막에 이온빔 조사를 통해 수평(Homogeneous)배향을 시킬 수 있었고 IPS mode에 적합한 낮은 프리틸트각과 우수한 열적 안정성을 얻을수 있었다.또한 NDLC 박막에 이온빔 배향한 IPS cell은 안정된 전압 투과율 특성, 빠른 응답특성과 우수한 잔류 DC 전압특성을 나타내었다. In rapidly developing information period, functions of information display devices which are in charge of interface between human and machinery became very important. The most recent, information display devices were quickly grown up corresponds to the interest was focused on flat panel display industry and the demands of the times of information and digitalization. Especially, TFT(Thin Film Transistor) - LCD(Liquid Crystal Display) industry has the advantages such as good resolution and low power consumption due to the development of semiconductor process and circuit, optical technology. Liquid crystal displays(LCDs) are taking representative flat panel display because those are widely used from small size display such as mobile phone and camcorder to large size display such as notebook PC, desktop monitor and TV.Nowadays, LCD mode widely using TFT-LCD are IPS(in-plane switching) and VA(vatical alignment). IPS mode has the same phase retardation in every direction of polar angle, so it has wide viewing angle characteristic. but IPS mode has been homogeneous alignment state of normally black(NB) type in initial. Currently, we used rubbing aligning method for LC alignment at IPS and at TN LCD. however, the rubbing method has some drawbacks, such as the generation of electrostatic charges, the creation of contaminating particles, rubbing scratch and rubbing track. and the IPS mode has more serious problem in rubbing method than that of TN mode because IPS mode adopt normally black mode. so IPS mode has demerit of narrow process margin inrubbing process.In this study, we intend to make IPS mode cell with LC alignment used non-rubbing method, ion beam alignment method on the NDLC thin film, to nalyze electro-optical characteristics in this cell.We used the new liquid crystal alignment layers which were produced NDLC thin film using the PECVD method that has a simple manufacturing process. Also, the DuoPIGatron type which is new ion soruce was used as the alignment process.We studied that according to varying the condition of ion beam liquid crystal alignment mechanism by the ion beam irradiation on the inorganic thin film surface. In this thesis, we observed changes of property of thin film and pretilt angle of liquid crystal due to the variation of the ion beam incident angle and irradiation time. Crystal rotation method was used for measuring the pretilt angle of LC. Also, for evaluating the electro-optical characteristics we made IPS cell which was irradiated ion beam on deposited the NDLC thin films. We checked LC alignment state of on/off state of IPS cell. In addition, voltage-transmittance(V-T) and response time characteristics were measured by LCMS-200 (Electro-Optical Measurement) equipment at room temperature.The LC alignment effects generation of pretilt angles with ion beam exposure and the EO performances of the ion beam-aligned IPS cell with the NDLC thin films as alignment layers were investigated. We obtained very low pretilt angle which can be applied to the IPS mode. The AFM images exhibit ion beam alignment due to chemical bonding variation regardless of surface roughness. The similarly good V-T curves, in comparison with those of the rubbing-aligned IPS cell with the PI thin films as alignment layers were observed for ion beam-aligned IPS cell with the NDLC thin films as alignment layers. Also, the equivalent response time characteristics, in comparison with those of the rubbing-aligned IPS cell with the PI thin films as alignment layers, could be achieved for the ion beam-aligned with the NDLC thin films as alignment layers. Finally, the residual DC voltage of the ion beam-aligned IPS cell with the NDLC thin films as alignment layers was good. As a result, good characteristics were achieved on NDLC thin films as new alignment layers.

Polyimide 배향막을 이용하여 ion beam 배향된 IPS cell의 신뢰성에 관한 연구

박승렬 연세대학교 공학대학원 2009 국내석사

LCD 산업은 이제 성숙기의 산업으로 진입하여 좀 더 우수한 품질을 싸게 만들기 위한 대면적화와 혁신활동에 많은 기술적 자원이 투입 되고 있으며, 대면적화에 따라 발생하는 문제점의 해결을 위한 공정혁신활동의 중요성이 매우 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 LCD Panel과 원장기판의 대면적화에 있어 종래의 접촉식 Rubbing 배향공정의 문제점으로 거론되는 Uniformity저하, Scratch 등의 불량해결을 위한 비접촉 배향기술 중 Ion Beam 배향기술의 양산화 가능성에 대하여 연구를 진행하였다. 액정의 Directional Orientation을 부여하는 배향공정의 Mechanism은 아직까지 명확히 규명되지 않았지만, 일반적으로 종래 Rubbing 배향공정 에서는 Rubbing을 통해 배향막내 분자들이 Reorientation 또는 Elongation됨으로써 배향막의 Anisotropy 특성을 부여하게 되고 이것을 따라 액정들이 Chemically Interaction하여 배향되거나, Rayon포에 의해 형성된 표면 Groove를 따라 액정이 배향되는 원리로 설명되어진다. Ion Beam 배향의 경우 Ar+ 입자를 경사방향으로 조사할 때 배향막 내 분자구조 중 입사각도에 Parallel한 σ-bond만 선택적으로 남게 되어 배향막의 Anisotropy 특성을 부여하게 되고 남아있는 Parallel 한 ringlike σ-bond의 π-orbital에 액정의 π-orbital이 π-π interaction을 통해 배향된다고 설명되어진다. 위와 같은 원리를 가지는 Ion Beam 배향방법은 Polyimide, DLC, SiO2 등의 다양한 유/무기 배향막에서 액정배향이 가능하다는 여러 차례의 연구 결과가 발표된 바 있으며 그 효과 또한 여러 차례 확인된 바 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 IPS Cell의 Rubbing 배향공정을 대체 할 수 있는지에 대한 평가를 위하여 Ion Beam 배향기술을 이용하여 제작된 IPS Cell의 신뢰성을 평가함으로써 양산화 기술로서의 가능성을 검증하고자 하였다. 우선 신뢰성 평가에 앞서 Ion Beam 조사를 통해 IPS 액정의 Pre-tilt Angle을 종래와 유사한 수준으로(1~2°) 형성하기 위한 조건을 도출하였는데 종래의 결과를 통해 얻어진 Ion Beam의 Incident Angle를(15°) 이용하여 실험한 결과 Beam Energy를 높일수록, Dose량은 낮출수록 Pre-tilt를 낮출 수 있으며 이를 통해 Incident Angle 15°, 700eV, 2.5x1015ions/cm2에서 그 최적 조건을 도출할 수 있었다. 또한 형성된 Pre-tilt Angle은 시간 / 열적인 Stress에 대하여 안정적인 특성을 보였으며 배향막 종류에 따라 산포의 차이는 있지만 동일한 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 Cell 특성의 가장 중요한 특징이라 할 수 있는 Black휘도 특성과 잔상특성을 평가한 결과 최적 조건으로 도출된 조건에서 종래대비 20% 개선된 Black휘도 특성을 나타낸 것을 제외하고 타 조건에서는 종래의 접촉식 배향방법에서 나타나는 Scratch성 빛샘이 발생하지 않았음에도 불구하고 더 높은 Black휘도 특성을 보였다. 또한 Cell의 잔상 특성에서는 모든 조건에서 종래보다 저하된 결과를 얻었는데, 특히 초기잔상 특성에서는 DC Effect에 의하여 종래의 Rubbing 방법보다 15% 이상 높은 잔상특성을 보였으며 초기 이후에도 Low Azimuthal Anchoring Energy에서 나타나는 영구성 AC 잔상까지 발생하여 소멸되지 않는 등 종래 Rubbing 배향 공정을 대체할 수 있는 기술로서는 Cell 신뢰성 면에서 아직 개선해야 할 많은 부분이 있다는 사실을 확인 할 수 있었다. 이러한 저하된 잔상 특성은 앞서 설명한 Ion Beam 배향의 Mechanism에서 추론 할 수 있는데 Ar입자에 의해 파괴된 배향막 분자 사슬이 결국 DC Effect를 유발하고, 배향막의 ringlike σ-bond선택적 파괴에 의해 액정과 Chemically interaction을 할 수 있는 π-orbital의 밀도가 감소되면서 발생하는 문제로 추정된다. 따라서 Ion Beam 배향기술의 Scratch성 불량해결과, 대면적화가 용이한 장점을 살릴 수 있도록 하기 위해서는 언급된 선택적으로 파괴된 분자사슬을 안정화 시키고, Anchoring Energy를 증가시킬 수 있는 새로운 시도가 필요할 것으로 판단된다.

a-C:H 박막을 이용한 FFS mode의 전기 광학 특성 연구

정연학 연세대학교 공학대학원 2003 국내석사

현재 TFT-LCD에 대표적으로 적용되고 있는 LCD Mode로는 Normally White Type의 TN(Twisted Nematic) Mode가 있으나, TN Mode는 Dark시 보는 방향에 따른 위상차이의 Asymmetric한 한계성으로 인해 시야각이 협소한 문제점을 안고 있다. FFS(Fringe Field Switching) Mode[1]는 이와 같은 문제점을 해결한 Normally Black Type의 광시야각 모드로 보는 방향에 따른 위상 차이를 같게 한 기술이다. 그러나 FFS Mode는 Normally Black Type의 Homogeneous의 배열을 이용하는 모드로 Polyimide 배향막에 접촉방식의 Rubbing Process에 의해 액정을 정렬시키며, Normally White Type을 적용하는 TN Mode에 비해 Rubbing Scratch, Track등 Rubbing Process상의 공정 마진이 협소한 단점을 안고 있다. 본 연구에서는 광시야각 모드인 FFS Mode에서, 상기의 접촉식 배향 공정시의 문제점을 해결하기 위한 신개념으로 무기박막인 a-C:H 박막에 Ion Beam을 조사하여 배향처리를 하는 비 접촉식 배향 처리방식을 응용한 FFS Mode 단위셀을 제작 및 이 단위셀의 전기 광학특성을 연구하고자 하였다. 먼저, FFS_LCD의 적용에 적합한 무기박막을 연구하였다. 기존의 rf 바이어스 없는 조건에서 증착된 a-C:H 박막과 새로운 박막조건인 30W rf바이어스 조건에서 증착된 a-C:H 박막 표면에 IB을 조사한 액정 셀의 배향 효과 및 프리틸트 제어에 대하여 비교 검토하였다. 30W rf 바이어스 조건에서 증착한 a-C:H 박막 표면에 IB을 조사한 액정셀은 바이어스 없는 조건에서 증착한 a-C:H 박막 표면을 이용한 액정셀보다 프리틸트 각이 높았으며, 열적 안전성 또한 매우 우수함을 알 수 있었다. 따라서 바이어스 조건에서 증착된 a-C:H 박막을 이용한 IB 배향법은 프리틸트 제어와 열적 배향 안전성이 매우 우수함을 알 수 있었다. 두 번째로, a-C:H 박막 표면을 이용한 이온빔 배향 FFS 단위셀의 V-T 및 응답시간 특성을 시간 경과에 따라 평가시, 특성이 변하지 않음을 통해 시간이 지나더라도 배향력에 이상이 없음을 알 수 있었고, 광학 현미경을 이용하여 Dark 상태를 관찰하더라도 러빙 배향된 FFS 단위셀과 마찬가지로 우수한 Dark 상태를 구현함을 볼 수 있었다. 그리고, LCD 동작상의 이온 흡착 특성을 보기 위하여 AC V-T 히스테리시스 특성을 측정한 결과, 러빙 배향된 FFS셀과 마찬가지로 히스테리시스가 거의 발생하지 않음을 알았다. 본 연구에서는 이를 통해 FFS-LCD의 배향을 종래의 러빙을 통한 접촉식 방식이 아니라, a-C:H 박막에 이온빔을 조사하는 비접촉식 방식의 적용이 충분히 가능할 것으로 판단할 수 있었다. Recently, the representative LCD mode applied to TFT-LCD is normally white(NW) twisted nematic(TN) mode. But, it has narrow viewing angle because it has limitation of asymmetric phase retardation on polar angle. Fringe Field Switching(FFS) mode[1] has the same phase retardation in every direction of polar angle, so it has wide viewing angle characteristic. but FFS mode has been homogeneous alignment state of normally black(NB) type in initial. currently, we used rubbing aligning method for LC alignment at FFS and at TN LCD. however, the rubbing method has some drawbacks, such as the generation of electrostatic charges, the creation of contaminating particles, rubbing scratch and rubbing track. and the FFS mode has more serious problem in rubbing method than that of TN mode because FFS mode adopt normally black mode. so FFS mode has demerit of narrow process margin in rubbing process. In this study, we intend to make FFS mode cell with LC alignment used non-rubbing method, ion beam alignment method on the a-C:H thin film, to analyze electro-optical characteristics in this cell. First, we studied on the suitable inorganic thin film for FFS_LCD and the aligning capabilities of nematic liquid crystal (NLC) using the new alignment material of a-C:H thin film as working gas at 30W rf bias condition. A high pretilt angle of about 5° by ion beam(IB) exposure on the a-C:H thin film surface was measured. A good LC alignment by the IB alignment method on the a-C:H thin film surface was observed at annealing temperature of 250℃, and the alignment defect of the NLC was observed above annealing temperature of 300℃. Consequently, the high pretilt angle and the good thermal stability of LC alignment by the IB alignment method on the a-C:H thin film surface as working gas at 30W rf bias condition can be achieved. Second, when evaluate V-T and response time of ion beam aligned FFS unit cell with the lapse of time, we could know no singularity in orientation power even if time pass in non contact alignment method. we use optical microscope and observe dark state. In this method, we also know superior dark state at ion beam exposure on a-C:H thin film surface of FFS unit cell to that of rubbing aligned FFS unit cell. Finally, we measured AC V-T hysteresis characteristics at the two kinds of LC aligning method, ion beam exposure method and rubbing method, to see ion absorption quality of operating LCD. we hardly see AC V-T hysteresis applied to ion beam aligning method at FFS-LCD cell similar to rubbing aligning method. In the conclusion, we could judge the possibility of appling to non contact aligning method, irradiation ion beam in a-C:H thin film surface, of FFS-LCD.

Alignment of Liquid Crystals on Solution-Processed Gallium Oxide Surface at Low Temperature via Ion Beam Irradiation : 용액기반으로 이온빔 조사를 통해 저온공정이 가능한 산화갈륨 박막의 액정 배향 특성 연구

Jang, Sang Bok 연세대학교 일반대학원 2016 국내석사

The uniform liquid crystals (LCs) alignment is important in manufacturing of liquid crystal displays (LCDs). The fabrication of LCs are widely used in electronic display devices. However, rubbing process has the significant disadvantages of accumulating electrostatic charge and forming fine dust due to the contacting technique. Then, in this thesis, a non-contact method without rubbing process is investigated a nanoimprint lithography, ultraviolet (UV) photoalignment technique, oblique deposition, and ionbeam (IB) irradiation are primarily alternatives. As of these techniques, the IB irradiation method to align LCs was firstly presented in 2001 and was regarded as a promising non-contact alignment method. A solution process is adopted to replace the sputtering method used to for GaO (Gallium Oxide) films with the advantages of less power waste, simplified operation method, and low cost. Also, GaO films used for electrical applications can be especially applied to LC alignment materials by using the ion-beam (IB) process which results in induced alignment producing high-resolution displays in a controllable non-contact and non-stop process. It has been intensively investigated with optically transparent inorganic materials such as diamond like carbon, SiOx, SiC, SiNx and SnO2 as a replacement for conventional PI layers. Analysis of the alignment film is conducted by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Electro-Optical (EO) analysis. First, XPS indicated that annealing temperatures and IB irradiation process affected surface modification of GaO films which are primary factor to shift the binding energy and the bonding intensity. The GaO intensity increases by temperatures and the strong van der Waals interactions take place between the GaO surfaces and LCs. second, superior EO characteristics of the twisted nematic LC cells were identified the proposed solution-derived GaO films have a strong potential for a production of advanced LC displays. 고성능 액정 디스플레이(LCDs)산업에서 현재도 사용되고 있으며 제조공정에서의 균일한 액정 배향 기술은 아직까지도 논의되고 있는 핵심 요소이다. 그 중에서 러빙공정은 통상적으로 폴리이미드(PI)상에 LC 분자 배향을 유도하기 위해 사용되어 이어지고 있는데, 이것은 LCD 제조에 있어 핵심기술로 사용되어 오고 있다. 하지만 러빙공정을 이용한 액정 배향은 공정 과정에서 천을 접촉할 때, 정전기가 발생하고 먼지가 붙을 가능성이 높고 스크래치가 생길 수 있다. 이에 따른 결함과 문제점들이 나타나며, 이러한 단점들을 보완하기 위해 접촉하지 않고 공정하는 방법들이 많이 제시되었다. UV 광배향법, SiOx 경사증착배향법, nanoimprimt lithograhpy 배향법, 이온빔 배향법 등 다양한 배향법들이 비접촉식 대안으로 보고된다. 이 중에서 이온빔 배향법의 경우, 강한 조사에너지에 의해 짧은 조사시간에도 액정배향이 가능하고, 유·무기물 배향막이 적용가능하고, 물리적 접촉으로 생성된 층과 비교하여 더욱 우수한 전기적 및 광학적 특성을 나타낸다. 따라서, 본 학위논문연구에서는 이온빔 처리한 산화갈륨(GaO) 박막으로 기존의 러빙처리한 PI 박막의 대체 가능성을 연구하였다. 더불어, GaO 박막에서의 균일한 액정배향에 관한 연구도 함께 진행하였다. 기존의 무기박막을 증착하기 위해선 sputtering, CVD, ALD 등과 같은 진공 증착방식이 아닌 상온에서 증착이 가능한 용액공정을 적용하였고, 다른 무기막 재료들과 달리 GaO 박막은 저온 100 °C 에서만 균일한 수평 배향이 이루어졌으며, 우수한 전기 광학 특성을 나타내었다. 또한 이온빔 조사 전후와 조사 조건에 따른 박막의 화학적 결합상태 변화를 알아보기 위해 AFM, SEM 그리고 XPS 등 물리화학적 분석을 통해 액정 배향 및 이온빔 배향의 메커니즘을 관찰하였다. 이러한 매커니즘을 밝히고 러빙공정의 대체 가능성을 확인하면서 또한, 기존 PI 액정배향막을 저온에서의 GaO 박막으로 대체할 가능성을 보여준다.

Overcoat와 이온빔 에너지를 이용한 액정배향 및 IPS Mode에서의 특성 연구

김병용 연세대학교 대학원 2008 국내석사

최근 유리기판을 대신해 고분자 기판을 사용하여 보다 박형화, 경량화를 구현하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 유리기판에 비하여 무게가 가볍고, 부피가 줄고, 유연성이 증가하므로 인한 장점들을 최대한 응용하고자 하는 것이다.그리고 현재 공정의 배향법으로는 러빙법을 사용하고 있다. 이러한 러빙법은 롤러를 회전시켜 롤러에 감겨져 있는 천으로서 분자를 재배열 하는 공법으로, 이에 따르는 여러 가지 단점들이 발생하고 있고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 넌러빙 배향방법인 이온빔 배향법을 이용하였다. 이온빔 배향법은 비접촉식 배향법이므로 러벙법의 단점을 근본적으로 해결 할 수 있다. 또한, 현재 TFT-LCD에서 사용되어 지고 있는 액정모드로서는 VA모드와 IPS 모드가 대표적이며, 이러한 모드들은 광시야각을 구현 할 수 있다는 최대의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 배향막 재료로서 칼라필터 제작 과정에서의 평판화를 위해 사용되어 지고 있는 투과율과 온도 내열성이 상대적으로 우수한 하이브리드 오버코트를 사용하여 IPS 모드를 구현하였다. 실험공정으로서는 IPS 및 Glass기판에 스핀코팅기를 이용하여 0.1㎛의 오버코트 층을 형성하였다. 이후 이온빔의 조사 세기별, 각도별, 시간별로 셈플을 제작하여 액정의 배향특성, 프리틸트 각도, 열적안정성, 표면분석(AFM)을 하였고, 5㎛의 셀갭을 이용하여 IPS 셀을 제작 후 전압-투과율 특성, 응답특성을 측정하였다. 실험결과 조사세기1800 eV, 조사시간 1분, 조사각도 45도에서 최적의 배향 특성을 확인 할 수 있었으며, 이때의 프리틸트 각도는 약 0.5도로서 IPS 모드에 최적임을 알 수 있었다. 또한 전기광학특성 역시 안정된 전압 투과율과 빠른 응답특성을 구현함을 확인 하였다. Rubbed polyimide(PI) surfaces have been widely used to align LC molecules. The effect of unidirectional rubbing for alignment of NLC (nematic liquid crystal) on various alignments layers has been discussed by many investigators. The rubbing treatment method presents a number of obstacles, such as generation of electrostatic charges and the creation of contaminated particles. We reported generation of electro-static charges produced on diverse PI surfaces during the rubbing process. Thus rubbing-less techniques for LC alignment are required for LCD fabrication. The Ion-beam method for LC alignment is one of the most promising rubbing-free methods.Also, TFT-LCD display mode are divided into IPS and VA. IPS mode has the same phase retardation in all directions of polar angle, so it has wide viewing angle characteristics.Usually overcoat is used as a materials for making a plat alignment layer in color filter process. In our investigation, we embodied IPS mode by using the hybrid overcoat which is more transparent and also has a good heat-resisting properties.The organic hybrid overcoat layer was lifted up by spin-coating. In order to characterize the LC alignment, pretilt angle measuring , thermal stability test, and atomic force microscopy (AFM) image were used. The IPS cell was fabricated as a sandwich- type with parallel structure, and the thickness of cell was 5㎛. The good LC aligning capabilities can be achieved in the case of treated on the organic hybrid overcoat thin film surfaces with the ion beam exposure of 45〫 above and ion beam energy density of 1800 eV. In that case the output pretilt angel was about 0.5〫 .In our experiments, the electrical-optical property of the ion beam-aligned IPS cell with the organic hybrid overcoat layer was good. As a result, we can demonstrate that the organic hybrid overcoat thin films has a good enough characteristics as a new alignment layers.

Fast switching of liquid crystals on solution-processed yttrium oxide surface via ion beam irradiation

정윤호 Graduate School, Yonsei Unviersity 2015 국내석사

The uniform alignment of liquid crystals (LCs) is a key element in the fabrication of liquid crystal displays (LCDs). Rubbing-processed alignment of the LC has been widely used. However, rubbing method has some disadvantages induced by physical contact such as scratches, accumulation of electrostatic charge and generation of fine dust. To overcome these obstacles, LC alignment layer without rubbing process has been studied. An ultraviolet (UV) photoalignment technique, nanoimprint lithography, oblique deposition, and ionbeam (IB) irradiation are major alternatives. Among these techniques, IB irradiation technique is one of the noncontact alignment processes that use Ar+ ion-induced plasma to provide controllability in a production of high-resolution displays in a nonstop process. It has been intensively investigated with optically transparent inorganic materials such as diamond like carbon, SiC, SiOx, SiNx, Ta2O5 and SnO2 as a replacement for conventional PI layers. In this thesis, It was demonstrated that a solution-derived Y2O3 film treated by IB irradiation as a LC alignment layer. Solution processing is adopted to replace the sputtering method for the deposition of Y2O3 films as an LC alignment layer and the reason is that it is an easy way to make films even if it is not under vacuum conditions. When making films, several different annealing temperatures were used and it was found that optimized annealing temperature to achieve uniform and homogeneous LC alignment presenting high electro-optical performance. Through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, it was identified that annealing and IB irradiation process affects surface formation and modification of Y2O3 films which are an important factor to achieve uniformity of the LC alignment and to control the pretilt angle. Twisted nematic-LC cells have been fabricated with IB-irradiated Y2O3 films showing superior electro-optical (EO) properties, which indicates that the proposed solution-derived Y2O3 films have a strong potential for a production of advanced LC displays. 균일한 액정 배향은 액정디스플레이 산업에서 중요한 요소이다. 액정 배향을 위해서 기계적 러빙법, 경사 배향법, 자외선 배향법, 플라즈마 표면 처리, 그리고 이온빔 배향법 등 다양한 배향법들이 사용된다. 기계적 러빙법은 공정이 단순하고 대량 생산이 용이함에 따라 산업의 표준 기술로써 널리 사용되어 왔다. 그러나 러빙 기술은 공정 중 천을 문지르는 과정에서 먼지와 정전기가 발생하고, 이에 따른 결함들이 나타나는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 이온빔 배향법이 대안으로 제시되었다. 이온빔 배향법은 물리적인 접촉이 없어서 공정이 깨끗하고 멀티도메인 형성이 가능한 장점이 있어 러빙법의 대안으로 집중적으로 연구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이온빔 처리한 산화이트륨 박막으로 기존의 러빙 처리한 PI 박막의 대체 가능성을 연구하였다. 첫 번째로, 액정 배향을 위하여 용액 공정을 이용한 산화이트륨 박막 표면에 이온빔을 조사하여 표면 특성을 변화시켰다. 박막의 소성 온도에 따라 프리틸트각이 형성되는 것을 확인할 수 있었고, XPS 분석을 통해 액정 배향 메커니즘을 관찰하였다. XPS 분석 결과, 이온빔 조사된 Y2O3 표면에서 Y-C 결합의 파괴가 일어나고, 이로 인해 액정 배향을 위한 반데르발스 힘이 발생하였다. Y2O3 박막을 이용한 TN 모드의 응답속도 특성도 기존의 PI를 이용한 TN 모드보다 우수하였다. 이 결과들은 Y2O3 박막이 기존의 PI 액정배향막을 대체할 수 있는 가능성을 나타낸다.

DLC 박막을 이용한 액정배향 효과 및 전기광학 특성

조용민 연세대학교 대학원 2003 국내석사

급속히 발전하고 있는 정보화 시대에 인간과 기기의 인터페이스를 담당하는 표시 소자의 역할은 매우 중요하게 되었다. 최근에는 평판 디스플레이(Flat Panel Display) 산업에 관심이 집중되면서 정보화 및 디지털화의 시대적 요구에 따라 급성장을 하게 되었다. 특히 TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display)는 반도체 공정 및 회로, 광학 기술의 발전으로 우수한 해상도와 낮은 전력 소모 등의 특징을 제공할 수 있다는 장점으로 노트북 PC, 데스크탑 모니터 그리고 TV 등에 널리 쓰이면서 FPD 산업의 중심을 이루고 있다. 본 연구에서는 제조 공정이 간단한 원거리 플라즈마 화학 증착법(RPECVD method)으로 Diamond-Like-Carbon(DLC) 박막을 제조하여 액정 배향막으로 이용하였다. 또한, 배향 공정으로 비접촉식인 이온빔 공정을 이용함으로써, 정전기나 먼지 발생을 제거하였다. 그리고, 이온빔 조건을 변화시켜 DLC 박막에서 이온빔에 의해 액정이 배향되는 기구에 대해 연구하고자 하였다. 본 실험에서는 이온빔 에너지와 이온빔 조사시간을 변화시켜 박막의 물성 변화를 관찰하였고, 액정의 선경사각의 변화를 관찰하였다. 이온빔에 의한 액정 배향 기구를 연구하기 위해 결정 회전법(Crystal Rotation Method)을 이용하여 액정의 선경사각을 측정하였다. 제조된 박막은 광학적 대역폭이나 Raman 분석 결과로부터 50% 이상의 수소를 함유하는 폴리머상 탄소 박막이라는 것을 알 수 있었다. 또한, 이온 빔 조사시간을 증가시키면 박막 내의 수소 함량이 급격하게 감소하고, sp2 탄소 결합이 증가하여 흑연화가 이루어짐을 확인하였다. 이온 빔 조사시간 증가에 의해 박막의 표면은 염기 성분인 OH- 성분이 증가하였고, 이로 인해 액정의 선경사각이 1분 이상 이온빔을 조사한 경우에는 급격하게 감소하는 현상이 발생하였다. DLC 박막에 이온빔 조사를 통해 우수한 액정 배향 특성이 나타났으며 프리틸트 제어 및 열적 안정성이 우수함을 알 수 있었다. 또한, DLC 박막 표면을 이용한 이온빔 배향 TN-LCD는 backflow bounce가 없는 안정한 V-T 및 응답특성을 나타내었고 PI 표면을 이용한 러빙 TN-LCD와 거의 동등한 잔류 DC 전압 특성을 나타내었다. Liquid crystal displays(LCDs) require uniform alignment and stable pretilt angles on a substrate layer. A rubbing method has been widely used to align LC molecules on the polyimide(PI) surface. LCs are aligned due to the induced anisotropy on the substrate surface. Rubbed PI surfaces have suitable characteristics such as uniform alignment and a high pretilt angle. However, the rubbing method has some drawbacks, such as the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles. Thus, non-rubbing techniques for LC alignment are strongly needed in LCD technology. Recently, the LC alignment effects by using the photodimerization and photodissociation have been reported. Most recently, the LC aligning capabilities by ion beam exposure on the diamond-like-carbon(DLC) layer have been reported by P. Chaudhari et al. This article will report on the pretilt angle generation and electro-optical(EO) characteristics of the ion beam aligned TN-LCD with oblique ion beam exposure on the DLC surface. A high pretilt angle of 3.5°with ion beam exposure on the DLC thin film can be obtained. Superior LC alignment with the ion beam alignment method on the DLC layer was observed until an annealing temperature of 200℃. Also, excellent voltage-transmittance(V-T) curve of the ion beam aligned twisted nematic(TN) cell with oblique ion beam exposure on the DLC surface for 1 min was observed. The fast response time of the ion beam aligned TN cell with oblique ion beam exposure on the DLC surface for 1 min can be achieved. The residual DC property of the ion beam aligned TN cell with ion beam exposure on the DLC layer for 1min is almost same as that of the rubbing aligned TN cell on a rubbed polyimide(PI) surface.

Study on the alignment layer properties and alignment mechanisms of a-SiOx:H thin film suitable to the ion beam irradiation process

김경찬 Graduate School, Yonsei University 2008 국내박사

Liquid crystal displays are widely used in various information display devices, for example, mobile phone displays, notebook computer monitors, laptop monitors, personal digital assistant (PDA) displays, calculators, and large area TV applications. Liquid crystal molecules are important for liquid crystal display. Uniform alignment of the liquid crystal molecules is essential for liquid crystal display application. For uniform alignment of liquid crystal molecules, liquid crystal alignment layer which is treated by various alignment methods is required to LCD devices. This unidirectional uniform alignment of liquid crystal molecules on treated substrate surfaces is very important in LC science and technology. Rubbing method is the most widely used because it is a very simple method of obtaining uniform liquid crystal alignment, and it ensures high productivity. However, this process has many problems such as the generation of dust and static electricity.To overcome the disadvantages of the mechanical rubbing method, recently, ion beam irradiation method is proposed. This is non-contact alignment method, and it can use inorganic alignment layer instead of polyimide to avoid the heat treatments. In the previous literature, hydrogenated amorphous carbon (a-C:H; diamond-like carbon) is suggested to materials suitable for ion beam irradiation method. However, diamond-like carbon (DLC) has low voltage hold ratio property and low long-term stability property. Therefore, in this study, hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiOx:H) thin films are used as alignment layer. These alignment layers have very uniform alignment property and long-term stability. Also, these alignment layers have pretilt angle which is controlled by various ion beam conditions such as ion beam irradiation energy, ion beam exposure time, and ion beam incident angle. Although the alignment layer does not have physical effect like surface morphology effect, liquid crystal molecules align chemical effect such as Si-H and/or Si-OH bonds.To investigate the alignment mechanism, alignment composition and content of hydrogen is changed by deposition conditions like control of silicon content. When silicon content is increased, incorporated hydrogen content is increased and Si-H bonding is increased. This Si-H bond is very important to factor in alignment layer. Therefore, as the Si-H bonds are increased, alignment property is improved.In addition, carbon-incorporated hydrogenated amorphous silicon oxides (a-SiOxCy:H) are investigated to increase pretilt angle. When carbon is incorporated in hydrogenated amorphous silicon oxide (a-SiOx:H) thin films, difference of electronegativity in alignment layer is decreased, then, total polarity of alignment layer is decreased. Therefore, pretilt angle is increased because surface energy is decreased. Also, incorporated carbon makes form of single and double carbon bonds which are affected uniform alignment of liquid crystal molecules.

이온빔 조사에 의한 TiO2 박막의 수직 액정 배향 효과에 관한 연구

나현재 연세대학교 대학원 2010 국내석사

이온빔이 조사된 Tantalum oxide 박막 위에서의 선택적 액정 배향에 관한 연구

임지훈 연세대학교 대학원 2010 국내석사