Liquid crystal alignment mechanism using ion-beam irradiation on organic and inorganic thin film surfaces

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the Flat Panel Display (FPD) field, Liquid Crystal Display (LCD) has been glowing and developing more then 20 years and the application field of LCD is also very broad from Monitor, TV to PMP, Mobile display device. The market scale has been increasing very steeply, so, indeed, LCD is doing the leader device of FPD fieldBy the way, in the technical side, even though there has been achieving continuous research and development, still there are some problems to be solved like as wide view angle and high response time, high resolution, etc. Also, in the process side, innovative result of process development and cost reduction is not achieved from quality improvement and process simplify.Thus, in this thesis, in aspect of technical side, to achieve wide view angle and high response time, and in the process side, quality improvement and process simplify is included. Specifically, we use SiNx layer instead of traditional alignment layer of polyimide alignment layer. The SiNx layer is used for insulation layer now. By combined using for insulation layer and alignment layer, traditional alignment process is not needed. And by applying Ion Beam (IB) irradiation instead of rubbing treatment, the quality is improved by decreasing the defect of electrostatic defect, contamination defect.In this study, we investigated the LC alignment and pretilt angle generation with ion-beam irradiation on the two kinds of the polymer surface.It is studied that pretilt angle is changed by the side chain length of the polyimide surface in the conventional rubbing treatment and can be inferred that the mechanism of pretilt angle occurrence is occurred by the side chain.In regard of ion beam treatment, the pretilt angle of the polyimide surface is very small which is not related to the side chain length. It can be interpreted that the function of pretilt occurrence is damaged by the strong ion beam irradiation, so, pretilt angle is very small.Consequently, the mechanism of LC alignment occurrence is difference between rubbing and ion beam treatment at the polyimide surface. And alignment characteristic is changed by ion beam energy density. It means that we can gain the ion beam alignment characteristics at the uniform ion beam irradiation energy density. Besides thermal stability is also superior at ion beam treatment which is same as conventional rubbing treatment. On the other hands, the highest pretilt angle of the polyimide surface is occurred at the ion beam irradiation angle of 45 °, and the residual DC voltage characteristics is almost same as conventional rubbing treatment.The uniform alignment is attained at the irradiation angle of 45°on the SiNx thin film. On the ion-beam-irradiated SiNx thin film surface, LC molecules realign by the generating anisotropy. Thus it is very important that generating anisotropy on the ion-beam-irradiated SiNx thin film surface by the external energy like ion beam, mechanical friction, light etc.The pretilt angle is increased if the deviation distance of symmetry axis increase, based on incident angle 0°. It is called to crystal rotation method. As the experiment result, symmetry axis is nearly zero from the incident angle dependence. It is measured that pritilt angle is 0.1°.The V-T characteristic is very excellent and has similar characteristics as rubbing alignment. We obtained superior response time characteristics of 6.8ms with the irradiation energy of 1.8 keV at the incident angle of 45 °. Therefore, it is revealed that the alignment characteristics and electro-optic characteristics is achieved using the new alignment layer, SiNx which is normally used for gate insulation layer of inorganic thin film layer for application of LC display device.Consequently, the effectiveness of this thesis is process simplify of thin film transistor (TFT) LC and quality improvement, also, it can be contribute to advance for wide view angle and high response time like as In- Plain Switching (IPS),Fringe Field Switching (FFS) operating mode.

국문 초록 (Abstract)

평판 패널 디스플레이 분야에서 LCD 는 20년 이상 동안 지속적인 성장과 발전을 이루고 있으며, LCD의 응용 분야도 모니터, 대형TV 에서 PMP, 모바일까지 다양할 뿐 아니라, 시장의 규모 또한 매우 가파르게 성장하고 있어 명실공히 평판 패널 디스플레이 분야에서 디바이스 리더로서의 역할을 해 내고 있다.한편, 기술적 측면에서는 끊임없는 연구, 개발이 이루어 지고 있으나, 광시야각 및 고속응답, 고해상도 등의 문제점을 가지고 있으며, 공정기술 측면 또한 품질향상 및 공정단순화를 통한 혁신적인 공정개발, 원가절감은 이루어지지 못하고 있다.따라서, 본 연구에서는 기술적 측면에서는 광시야각 및 고속응답의 구현, 공정기술 측면에서는 품질향상 및 공정 단순화를 이룰 수 있는 혁신적인 방법을 검토하였다. 구체적으로는 전통적으로 사용하고 있는 폴리이미드 배향막을 사용하지 않고 절연막으로 사용하는 SiNx 를 배향막으로 공용 사용함으로서 배향공정을 삭제하는 것과 러빙 대신 이온빔을 적용함으로서 러빙의 단점인 정전기, 이물불량 등을 감소시켜 품질을 향상시키자는 것이다.본 연구에서는 우선 두 종류의 폴리머 표면에서 이온빔 조사를 통한 액정 배향 기구와 프리틸트각의 발생에 대하여 검토하였다. 기존의 러빙처리법에서는 프리틸트각은 폴리이미드 표면에서의 촉쇄기 길이에 의해서 변화하는 경향을 나타내었다. 그러나, 이온빔 처리법에 관하여, 폴리이미드 표면에서의 프리틸트각은 촉쇄기의 길이에 관계 없을 정도로 아주 작은 경향을 나타내었다. 이것은 프리틸트 발생에 기여하는 기능기가 이온빔 조사에 의하여 손상되어, 프리틸트각이 작게 발생하는 것으로 생각 할 수 있다.결론적으로, 폴리이미드 표면에서의 러빙법과 이온빔 처리법을 이용한 네마틱 액정의 프리틸트각 제어는 메커니즘이 다르다는 것을 알 수 있다. 그리고 폴리이미드 표면에 이온빔을 조사한 경우, 열적 안정성 특성은 기존의 러빙 처리와 거의 동등함을 알 수 있었다. 더욱이 폴리이미드 표면에 이온빔을 조사한 경우, 잔류 DC 전압은 러빙처리와 거의 동등한 결과를 나타내었다.두번째 연구 결과에 있어서 SiNx 박막 표면에 45°로 이온빔을 조사한 액정배향 특성은 우수한 것으로 나타났다. 배향 능력면에서 구동, 비구동 상태에서 명확한 흑백 특성을 보임으로 양호한 배향 특성을 얻을 수 있었다. 즉, 이온빔 조사에 의해 무기박막 표면에 이방성이 발생하고 그 방향으로 액정분자가 배열되고 있는 것으로 생각할 수 있다. 따라서 액정 배향에는 이온빔, 기계적 마찰, 빛 등의 외부 에너지를 인가하여 이방성을 발생시킴으로서 액정분자를 배열 시킬수 있다. SiNx 박막 표면에 45°로 이온빔을 조사한 경우 프리틸트각은 0.1°를 나타내었다. 전압-투과율 특성에서도 기존의 러빙 방식과 동등한 결과를 얻었으며, 응답속도 특성에서는 6.8ms 으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다.따라서 일반적으로 게이트 절연막으로 사용중인 무기 박막 재료인 SiNx 물질을 신규 배향막으로 사용하여 이온빔을 조사한 결과 액정소자에 응용할 수 있는 배향 특성과 전기광학 특성을 구현 할 수 있었다.그러므로, 본 연구의 성과는 액정 제조공정의 단순화 및 품질향상을 이룰 수 있고, IPS, FFS 등 수평배향 모드 적용을 통해 광시야각, 고속응답 특성 발전에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.