물리적 기상 증착법으로 제작된 TiO₂박막의 이온빔 액정 배향에 관한 연구 = (A)study on ion beam alignment of liquid crystals fabricated on TiO₂thin films by physical vapor deposition

국문 초록 (Abstract)

액정을 표시소자에 적용하기 위해서는 액정을 기판위에 균일하게 배향시키는 것이 중요하다. 현재 LCD 공정에서 액정배향을 위하여 사용되고 있는 방법은 폴리이미드 고분자 막 표면에 러빙공정을 적용하여 액정을 배향시키는 러빙법이다. 러빙법은 공정이 단순하면서도 안정적인 배향이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 직물과 기판을 접촉하여 마찰 시킬 때 정전기와 먼지가 발생하기 때문에 수율에 치명적인 영향을 미치게 된다. 또한, 마찰에 의하여 발생하는 정전기는 높은 전압으로 인하여 기판위에 형성된 트랜지스터를 파괴시키는 원인이다. 러빙법으로 인해 발생하는 먼지와 정전기를 제거하기 위해서는 추가적인 장비의 도입과 각 공정간 세정작업을 적용해야 하기 때문에, 공정비용과 패널단가가 증가하게 된다. 비접촉식 배향방식에는 UV를 이용한 광배향법, 무기박막을 경사 증착하는 방법, 무기박막에 이온빔을 조사하여 배향하는 방법이 연구되어 왔다.
본 연구에서는 E-beam과 RF 마그네트론 스퍼터로 증착한 TiO2 박막위에 DuoPIGatron 이온빔을 조사하는 액정 배향에 대하여 연구하였다. 그리고 기존의 기술과 비교하기 위해 스핀 코팅 방법을 이용한 PI막을 준비하였다. 이온빔 배향법은 비접촉 배향방식이기 때문에 기존 러빙 공정 시 발생하는 정전기나 먼지문제를 해결하였을 뿐 아니라, 기존 연구에서 사용하였던 이온빔과는 다른 새로운 개념의 DuoPIGatron 이온빔을 사용하였다. DuoPIGatron 이온빔은 전류밀도가 높아 기존의 이온빔에 비하여 더 넓은 면적의 기판에 배향처리를 할 수 있다는 장점이 있어 각광을 받고 있다.
본 연구에서는 이온빔의 에너지 조사 세기의 통하여 그에 따른 액정배향의 특성을 관찰하였다. ITO가 증착된 유리 기판위에 E-beam과 스퍼터로 TiO2 박막을 증착하고 이온빔을 조사한 후, 액정분자의 프리틸트 각을 측정하기 위하여 액정 셀은 샌드위치 형태로 제작하였으며, 두께는 60 ㎛로 조절하였다. PI막은 이온빔 조사 전후를 각각 비교하여 셀을 제작하였다. 각 액정 셀들의 액정 배향을 관찰하기 위해 편광현미경을 사용하였으며, 액정 배향 기구를 연구하기 위해 결정 회전법을 이용하여 액정의 프리틸트 각을 측정하였다. 또한, 이온빔 조사를 통한 TiO2 박막의 액정 배향 원리를 고찰해 보기 위하여, AFM, XPS, 접촉각 측정을 실시하였으며, E-beam과 스퍼터로 증착한 TiO2 박막의 결정성을 알아보기 위하여 XRD 측정을 하였다.
본 실험을 통해서 이온빔을 조사한 TiO2 박막위의 액정은 증착 장비에 따라 다른 특성을 나타내었다. E-beam으로 증착한 TiO2 박막은 PI 막과 동일한 수준의 수평 배향 특성을 확인할 수 있었고, 스퍼터로 증착한 TiO2 박막은 수직 배향 특성을 나타내었다. 두 박막 모두 45°의 입사각도에서 1800eV의 이온빔 에너지로 이온빔 조사를 하였을 때 가장 우수한 액정 배향 특성을 가짐을 확인 할 수 있었다. 또한 XPS 분석을 통해 이온빔 조사는 TiO2 박막 표면의 결합을 파괴시킴으로써 액정 배향이 이루어진다는 사실도 확인 할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Abstract i
• 기호 및 약호 목록 x
• 그림 목차 xix
• 표 목차 xxⅵ
• 1장. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 기술개발 동향 3
• 1.3 연구 목적 5
• 2장. 액정 이론 7
• 2.1 액정 7
• 2.1.1 액정의 특성 7
• 2.1.2 액정의 분류 10
• 2.1.3 네마틱 액정의 굴절률 14
• 2.1.4 유전율 및 유전상수 14
• 2.1.5 프랭크 탄성상수 15
• 2.1.6 네마틱 액정의 Freedericksz 전이 18
• 2.1.7 액정의 표면 고정 20
• 2.1.8 네마틱 액정의 상전이 이론 22
• 2.1.9 액정 및 액정디스플레이소자의 역사 26
• 2.2 액정 배향과 배향법 28
• 2.2.1 러빙법 28
• 2.2.2 광배향법 31
• 2.2.3 SiO 경사증착법 35
• 2.2.4 이온빔배향법 38
• 2.2.5 프리틸트 각의 역할 40
• 2.3 액정배향 기구 42
• 2.3.1 마이크로그루브 효과 42
• 2.3.2 배제체적 최소효과 45
• 2.3.3 반 데르 발스 상호작용 46
• 2.4 액정 디스플레이 모드 49
• 2.4.1 TN-LCD 49
• 2.4.2 IPS-LCD 51
• 2.4.3 VA-LCD 53
• 2.4.4 ECB-LCD 56
• 2.4.5 OCB-LCD 59
• 3장. 실 험 61
• 3.1 박막 제작 61
• 3.1.1 폴리이미드 막 코팅 61
• 3.1.2 증착법에 따른 무기 배향 특성 61
• 3.1.3 전자빔을 이용한 TiO2 박막 증착 62
• 3.1.4 스퍼터를 이용한 TiO2 박막 증착 64
• 3.2 표면 처리 방법 68
• 3.2.1 러빙 처리 68
• 3.2.2 이온빔 조사 68
• 3.3 셀 제작 및 박막분석법 71
• 3.3.1 액정 셀 제작 71
• 3.3.2 광투과율 분석 74
• 3.3.3 XRD 분석 77
• 3.3.4 AFM 분석 81
• 3.3.5 접촉각 측정 83
• 3.3.6 XPS 분석 86
• 3.4 배향특성 평가 89
• 3.4.1 편광 현미경 관찰 89
• 3.4.2 액정의 프리틸트 각 89
• 3.4.3 열적 안정성 98
• 3.4.4 전기 광학적 특성 평가 98
• 4장. 결과 및 고찰 101
• 4.1 액정 배향 특성 101
• 4.1.1 편광 현미경 사진 101
• 4.1.2 TBA 이미지와 프리틸트 각 110
• 4.2 박막 분석 119
• 4.2.1 광 투과율 특성 119
• 4.2.2 XRD 분석 121
• 4.2.3 AFM 분석 124
• 4.2.4 접촉각 측정 129
• 4.2.5 XPS 분석 133
• 4.2.6 전기 광학적 특성 142
• 4.2.7 열적 안정성 146
• 4.3 액정 배향 매커니즘 153
• 4.3.1 러빙 처리된 폴리이미드 막의 액정 배향 153
• 4.3.2 이온빔 조사에 의한 폴리이미드 박막의 액정 배향 153
• 4.3.3 이온빔 조사에 의한 TiO2 박막의 액정 배향 157
• 5장. 결 론 159
• 참 고 문 헌 163