Investigation of liquid crystal alignment using ion beam and overcoat layer

국문 초록 (Abstract)

최근 많은 수요와 더불어 LCD 소자의 대량 생산이 가속화되면서 LCD의 생산량을 늘리기 위해서 많은 연구들이 진행되고 있으나, 그 중에서 러빙 중에 발생하는 불량을 줄이기 위한 러빙하지 않는 공정에 대한 요구는 LCD 생산 초기부터 현재까지 계속되고 있다. 러빙 공정이 가장 보편적이면서 양호한 액정분자의 배향을 만들 수 있는 것은 사실이나, 러빙 공정 중에 발생하는 이물이나, 정전기에 의한 불량은 생산 수율을 떨어뜨리는 근본적인 원인이 되고 있다.오버코트 막은 LCD에서 컬러필터의 색상별 보정 감소 혹은 TFT 기판의 높이 보정을 위해서 사용되고 있으나, 이 위에 다시 배향막을 코팅하여야 하는 공정을 거치며, 이러한 공정들은 유기막을 소성하는데 걸리는 시간으로 인해서 생산 비용을 높이는 원인이 되고 있다.본 연구에서는 위의 두 가지 문제를 해결하기 위해서 러빙하지 않는 액정분자 배향방법으로서 이온빔을 사용하여 배향을 시도하였으며, 동시에 배향막 대신 폴리이미드 계열의 유기 오버코트 막을 직접 사용함으로써 두 가지 문제를 한번에 해결하려고 하였다.이온빔을 사용한 액정 배향법으로 기존의 러빙에 의한 액정 배향법을 대체할 수 있다면, 러빙 공정에서 발생하는 이물, 정전기, 러빙 긁힘 등에 의한 문제를 해결할 수 있을 것이다. 또한 오버코트 막에 직접 배향이 가능하다면, 2회에 걸친 가열공정을 거쳐야 하는 것을 한 번으로 끝낼 수 있기 때문에 공정시간이 단축되는 결과를 얻을 수 있다. 따라서 이러한 두 가지 목표를 달성한다면 매우 경제적인 방법이 될 수 있다.본 연구에서는 두 가지의 목표를 달성하는데 성공하였으며, 최초로 오버코트 막에 이온빔 조사를 통해서 액정분자의 양호한 배향을 얻어낼 수 있었다. 우리는 일반적인 폴리이미드계열의 오버코트 막을 사용하였으며, 스핀코팅 법을 사용하여 기판 위에 균일하게 도포한 후 가열하여 완성하였다. 또한 액정 분자의 배향상태를 알아 보기 위해서 편광 현미경을 사용하였으며, 이온빔 조사 후의 표면 조도를 관찰하기 위해서 AFM 장비를 사용하였다.실험 결과 양호한 액정 분자의 배향과 프리틸트각이 이온빔 조사 각도 45˚, 1200eV 이상의 이온빔 에너지 밀도에서 만들어 지는 것을 확인하였다. 그러나 동일한 각도에서 600eV 이하의 에너지를 가한 경우에는 균일한 액정배향을 얻을 수는 없었다. 또한 45도의 이온빔 조사각도와 1800eV 의 이온빔 에너지 밀도의 조건에서 1.13˚의 프리틸트 각을 발생시킬 수 있었다.그리고 이러한 실험의 결과를 광학시뮬레이션의 결과와 비교하여 확인하였다. 브루터스의 입사광의 각도에 따른 편광 발생의 원리를 사용해서 500 Å 두께의 오버코트막을 기준으로 한 경우 56˚에서 편광이 최대가 됨을 확인하였다.이를 근거로 이온빔을 조사한 경우의 액정분자의 배향은 이온빔 입자에 의한 등방성의 표면침식과 이온빔에서 발생하는 비편광된 자외선의 입사각도에 의존함을 알 수 있었다.그리고 이온빔을 조사하여 액정분자를 배향시키는 방법의 실용성을 확인하기 위해서 배향안정성에 대한 실험으로 고온 가열 시험을 통해서 오버코트막의 소성온도를 상회하는 섭씨 150℃의 온도에서 배향안정성을 확인하였으며, 잔류 DC 측정을 통해서 잔상이 없는 소자로의 응용가능성을 확인하였다.마지막으로 TN (Twisted Nematic)구조의 시료를 제작하여 전압-투과율 특성 및 응답속도 측정을 실시하였으며, 측정결과 러빙에 의해서 제작된 TN 구조의 시료와 동등한 전압-투과율 특성과 응답속도 결과를 얻을 수 있었다.그러므로, 이온빔을 오버코트 막에 직접 경사지게 조사하여 배향막 없이 러빙하지 않고 액정분자를 배향할 수 있는 본 연구의 성과는 향후 LCD 제조 공정에서의 공정의 간략화 및 생산 수율 향상에 기여할 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The demand for high yield process in liquid crystal display(LCD) manufacture requires the rubbing free alignment treatment and abridgment of production process. In this study, to meet the requirement for above two goals, the ion beam (IB) irradiation on organic (polyamic acid and epoxy resin compound) overcoat layer method was investigated. The use of IB on overcoat organic layer has the potential to replace conventional rubbing process. It has many advantages compared to the traditional rubbing process because it does not cause produce particles, scratch stain and static electricity. And it doesn’t need alignment layer (traditionally heat-treated polyimide layer) by direct alignment treatment on overcoat layer. The traditional alignment layer made by coating process and 2 times heat treatment on polyamic acid liquid. It requires many times and process steps. However, it is very economic and convenient process substitute polyimide alignment layer for organic overcoat.In this thesis, it is suggested liquid crystal (LC) aligning capabilities treated on the organic overcoat thin film surfaces by IB irradiation and rubbing method. It was used the conventional organic overcoat layer which was composed by polyamic acid, epoxy resin and methyl-3-methoxypropionate with solvent. The organic overcoat layer was coated by spin-coating. In order to characterize the LC alignment, the polarized microscope image, pretilt angle measurement, thermal stress test, and atomic force microscopy (AFM) image was used. The good LC aligning capabilities treated on the organic overcoat thin film surfaces with IB exposure of 45˚ above IB energy density of 1200 eV were achieved. However, the alignment defects of Nematic(N) LC on the organic overcoat surface at low energy density of 600 eV were detected. The pretilt angle of NLC on the organic overcoat thin film surface with IB exposure of 45˚for 1 minute at the energy density of 1800 eV was about 1.13˚. But, the low pretilt angles of NLC on the organic overcoat thin film surface were measured with IB exposure at the energy density of 600, 1200, 2400, and 3000 eV. Also, the pretilt angle of NLC on the rubbed organic overcoat thin film surfaces was about 0.04˚. It shows that this study has a significant advantage compared to conventional LCD.And it was calculated this achievement and get a dependence trend of the angle of irradiation by polarized ray tracing of optical wave simulation. The Brewster Angle theory was adopted on this study result. Brewster Angle shows the maximum rate polarized ray on slanted substrate at about 56˚ and 500Å thickness overcoat layer thickness.Finally, It was examined the possibility of application using IB irradiation method. The heat stability test and residual DC measurement was executed as the reliability test. And to investigating electro-optical characteristics, TN structure LCD was used. It was achieved voltage-transmittance characteristics and almost same value of response time characteristics as rubbing aligned TN LCD.