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

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.