무기 박막을 이용한 액정표시소자의 프리틸트 제어 및 전기광학특성 = Pretilt control and electro-optical characteristics of liquid crystal display device using inorganic thin film

국문 초록 (Abstract)

급속히 발전하고 있는 정보화 시대에 인간과 기기의 인터페이스를 담당하는 정보 표시 소자(Information Display Device)의 역할은 매우 중요하게 되었다. 최근에는 평판 디스플레이(Flat Panel Display) 산업에 관심이 집중되면서 정보화 및 디지털화의 시대적 요구에 부합하여 급성장을 이루게 되었다. 특히, TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display) 산업은 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. 이러한 액정 디스플레이에서 액정분자의 균일 배향은 고품위 액정 디스플레이를 생산하는데 필수적이라 할 수 있으며, 현재 양산에 사용되고 있는 것은 폴리이미드 표면에 액정분자를 배향시키는 러빙(rubbing)법이다. 이러한 러빙법은 공정이 단순하여 대량생산에 적합하나 러빙천에 의한 정전기 및 먼지 발생 등을 유발하여 수율이 저하되는 단점이 있다. 본 연구에서는 제조 공정이 간단한 플라즈마 화학 증착법(PECVD method)으로 여러 가지 무기(Inorganic) 박막을 제조하여 새로운 액정 배향막(Alignment Layer)으로 이용하였다. 또한, 배향 공정으로 러빙프리(Rubbing-Free)법 중의 하나인 이온빔(Ion Beam)법을 이용하여 기존 러빙 공정시 발생하는 정전기나 먼지문제를 해결하였다. 또한 무기박막에 이온빔법을 이용하는 것은 점차 패널 사이즈가 대형화되고 있는 현 추세에 적합하다. 이온빔 조건을 변화시켜 무기(Inorganic) 박막에서 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 질소가 첨가된 DLC (NDLC) 박막을 증착하고 이온빔을 조사시킨 후 TN-LCD를 제작한다. 제작한 이온빔 배향 TN-LCD의 셀 두께는 5 μm으로 조절하였다. 편광 현미경을 이용하여 TN-LCD의 onoff 상태에서의 배향성을 확인하였고 전기 광학 특성을 평가하기 위하여 전압-투과율 (V-T) 특성, 응답 특성을 LCD EOMS (Electro-Optical Measurement) 장비를 이용하여 실온에서 측정하였다.무기 박막에 이온빔 조사를 통해 수평(Homogeneous)과 수직(Homeotropic) 배향을 시킬 수 있었다. 연구에 이용한 두 가지의 무기 박막 중에서 NDLC(Nitrogen doped DLC) 박막을 이용한 경우에는 수평배향이 되었고. SiC(Silicon Carbide) 박막을 이용한 경우에는 수직배향을 되었다. 두 가지 경우에 모두 우수한 액정 배향 특성이 나타났으며, 프리틸트 제어 및 열적 안정성이 우수함을 알 수 있었다. NDLC 박막에 이온빔을 조사한 경우, 약 9.9도의 높은 프리틸트 각을 얻을 수 있었다. NDLC 박막과 SiC 박막 표면에 이온빔 처리했을 때, 각각 200도와 300도까지 어닐링(annealing) 하더라도 액정의 배향안정성이 유지될 정도로 뛰어난 액정 배향을 보여주었다. 또한, NDLC 박막에 30초 동안 기울어진 이온빔 처리된 TN(Twisted Nematic)-LCD(Liquid Crystal Display)는 우수한 전압-투과율 곡선을 나타내었다. 그리고 NDLC 박막에 30초 동안 기울어진 이온빔 처리한 TN-LCD는 빠른 응답특성을 보여주었다. 마지막으로, NDLC 박막에 30초간 이온빔을 조사한 경우, backflow bounce가 없는 안정한 V-T 및 빠른 응답특성을 나타내었고, 우수한 잔류 DC 전압특성을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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. Uniform alignment of liquid crystal molecule is necessary for high quality liquid crystal displays(LCDs). Now, a rubbing method has been widely used to align LC molecules on the polyimide(PI) surface. Because the rubbing method has a simple process, it is suitable for production on a large scale. However, the rubbing method has some drawbacks, such as the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles. Thus, rubbing-free methods for LC alignment are strongly needed in LCD technology. In this thesis, we used the new liquid crystal alignment layers which were produced various kinds of inorganic thin film using the PECVD method that has a simple manufacturing process. Also, the ion beam method which is one of the rubbing-free method was used as the alignment process. As a result, we resolved the generation of electrostatic charges and the creation of contaminating particles during the existing rubbing process. In addition, using the ion beam method on inorganic thin film is suitable for recent trend increasing panel size. 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 TN-LCD which was irradiated ion beam on deposited the nitrogen doped DLC thin films. We checked LC alignment state of onoff state of TN-LCD. In addition, voltage-transmittance(V-T) and response time characteristics were measured by LCD EOM(Electro-Optical Measurement) equipment at room temperature. Both homogeneous and homeotropic alignment were achieved through the ion beam exposure on the inorganic thin film. Among the two kinds of inorganic thin film which were utilized in this research, in case NDLC(Nitrogen doped DLC) thin film was utilized, homogeneous alignment of LC was achieved. However, in case SiC(Silicon Carbide) thin film, homeotropic alignment of LC was achieved. Both of them were accomplished the good LC alignment characteristics, such as controllability of the pretilt angle and thermal stability. A high pretilt angle of 9.9° with ion beam exposure on the NDLC thin film can be obtained. Superior LC alignment with the ion beam alignment method on the NDLC and SiC thin film layer were observed until an annealing temperature of 200℃ and 300℃, respectively. Also, the excellent voltage-transmittance(V-T) curve, the fast response time and the residual DC property of the ion beam aligned twisted nematic(TN) cell with oblique ion beam exposure on the NDLC thin film surface for 30 sec were observed.