Liquid crystal alignment of ion-beam-treated zirconium oxide and magnesium fluoride thin films for liquid crystal display

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the liquid crystal display (LCD) industry, it is important to estimate the possibility of uniform liquid crystal (LC) alignment on substrate surfaces. To ensure uniform orientation of the LC molecules, several alignment methods such as mechanical rubbing, oblique deposition, ultraviolet alignment, plasma treatment, and ion-beam (IB) bombardment can induce various alignment materials on indium-tin oxide (ITO) coated glass substrates. The mechanical rubbing has been widely utilized in industry standard technique due to its simplicity and high productivity for mass production of LCDs; however, during the rubbing process, debris and electrostatic discharge from the clothes can cause local defects and streaks. To improve weakness of rubbing process, the IB bombardment technique which has advantages of a clean process, and multi-domain capability was intensively investigated in this research as a substitute for rubbing technique. Therefore, the IB-irradiated novel inorganic layers including zirconium oxide (ZrO2) and magnesium fluoride (MgF2) films were studied as a replacement for conventional rubbed PI layers.
First, the ZrO2 surfaces deposited by radio-frequency magnetron sputtering were modified by IB bombardment in order to achieving unidirectional LC molecules. It was found that the pretilt angle was in a function of the IB irradiation energy and incident angle, and a possible mechanism of LC alignment was examined with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS analysis demonstrated that the LC alignment on the IB-irradiated ZrO2 surface was due principally to the reformation of O-Zr bonds, which causes van der Waals force for the homogeneous alignment of LC molecules. The response time of a TN cell with IB-irradiated ZrO2 thin films was superior to those with rubbed polyimide films.
In second study, the characteristics of inorganic MgF2 films deposited by electron beam evaporation were examined for their potential use in LCD applications. Homogeneous LC alignment was achieved by controlling the IB irradiation energy intensity and incident angles. The results of a chemical analysis revealed that the IB irradiation selectively broke the Mg-F bonding structure as the IB energy intensity was increased. The surface of the MgF2 was subsequently transformed into unstable MgF2-x, resulting in a homogeneous LC orientation. Furthermore, the electro-optical characteristics of a homogeneously aligned TN-LCD on an MgF2 layer exhibited a level of performance that was comparable to a TN-LCD on polyimide. Such results indicate that MgF2 could possibly be used as an LC alignment layer.

국문 초록 (Abstract)

액정 디스플레이 산업에서 기판위에 균일한 액정 배향을 형성시키는 것은 매우 중요한 단계이다. 균일한 액정 배향을 위해서, 기계적인 러빙법, 경사 배향법, UV 배향법, 플라즈마 처리, 그리고 이온빔 배향법 등 다양한 배향법들이 사용된다. 기계적인 러빙법은 공정이 단순하고 대량 생산이 가능하여 액정 디스플레이 산업의 표준 기술로서 널리 사용되고 있다. 그러나, 러빙 공정 중에 천을 문지름에 따른 먼지와 정전기 발생에 의해 피할 수 없는 결함들이 나타난다. 이러한 러빙 공정의 단점을 극복하기 위해 이온빔 배향법이 대안으로 제시되었다. 이온빔 배향법은 깨끗한 공정과 멀티도메인 형성이 가능한 장점이 있어 러빙법의 대안으로 집중적으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 이온빔 처리한 ZrO2와 MgF2 박막을 일반적인 러빙 처리한 PI 박막의 대체제로 적용시킨 연구를 수행하였다.
첫번째로, 일방향의 액정 배향을 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링 공법으로 제작된 ZrO2 표면에 이온빔 처리를 통하여 표면을 개질시켰다. 이온빔 조사 세기 및 조사 각도에 따라 프리틸트각의 차이가 있음을 확인할 수 있었고, XPS 분석을 통해 액정 배향 메커니즘을 관찰하였다. XPS 분석 결과, 이온빔 조사된 ZrO2 표면에서 O-Zr 결합의 파괴가 일어나고, 이로 인해 액정 배향을 위한 반데르발스 힘이 발생함을 알 수 있었다. ZrO2 박막을 이용한 TN 모드의 응답속도 특성 또한 러빙처리한 PI 박막을 이용한 것보다 우수한 특성이 나타남을 확인하였다.
두번째로, E-beam 증착법으로 제작된 MgF2 박막의 액정 배향막으로서의 가능성을 고찰하였다. 이온빔 조사 세기와 각도를 조절함에 따라 MgF2 배향막은 수평 배향 특성을 나타내었다. MgF2 박막의 XPS 분석 결과 이온빔은 Mg-F 결합을 파괴하는 것을 알 수 있었다. 이온빔에 의해 MgF2 박막은 불안정한 MgF2-x 상태로 변하였고, 이는 수평 배향이 가능하게 하는 반데르발스 힘을 작용시키게 하였다. 그리고, MgF2를 이용한 TN-LCD의 전기광학 특성은 PI박막을 이용한 것과 비교하였을 때 더욱 향상된 특성을 나타내었다. 이 결과들은 MgF2가 기존의 액정 배향막을 대체할 수 있는 가능성을 나타낸다.