Characteristics and interfacial phenomena of ion-beam-treated a-C:F thin films for liquid crystal display applications

국문 초록 (Abstract)

넌러빙 방식의 액정 배향 기술은 현재 사용되는 액정 배향 기술의 단점을 보완하고, 차세대 액정 디스플레이 소자를 실현할 수 있는 핵심 기술 중 하나이다. 현재까지 많은 연구들이 러빙 공정을 대체하기 위한 목적으로 진행되어 왔다. 본 논문에서는 이온 빔 공정을 배향공정으로 사용하기에 적합한 무기 배향막으로서 불소가 첨가된 비정질 탄소 박막 (a-C:F)을 개발하였고, 다양한 액정 특성 평가를 시행하였다.무기 액정 배향막으로서 사용될 a-C:F 박막은 다양한 진공 공정을 통하여 제조 되었으며, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), FT-IR (Fourier transform infrared absorption), 라만 분광법 및 접촉각 측정을 통하여 물질 특성을 분석하였다. 박막 내 존재하는 불소의 함량은 다양한 증착 조건에 의하여 조절 될 수 있었으며, CVD 증착 공정에서는 혼합 가스의 비율로서, 스퍼터 공정에서는 증착 타겟 물질에 인가되는 파워의 비율로서 이를 조절하였다. 박막 내부의 불소 결합 분율의 증가는 박막의 미세 구조를 탄소 함량이 많은 다이아몬드 구조에서 폴리머 구조로 변화시켰다. 본 실험에서는 스퍼터 공정에서 증착된 a-C:F 박막이 CVD 에서 증착 된 박막보다 일반적으로 높은 불소 함량을 나타냈으며, 강한 소수성의 특성을 나타내었다. 박막 내부의 불소/탄소 함량 비율은 박막의 표면 에너지에 영향을 나타냄이 확인되었고, 이를 이용하여 다양한 불소/탄소 함량과 이에 의존하여 변화하는 표면 에너지 특성을 가지는 a-C:F 박막을 얻을 수 있었다.기판의 표면에너지는 액정 배향에 있어서 배향 방향을 결정하는 주요 인자이다. 다양한 표면 에너지를 가지는 a-C:F 박막을 배향막으로 사용할 경우, 수직 배향에서 수평 배향으로의 액정 배향 전이 결과를 얻을 수 있었다. 불소가 다량 함유된 a-C:F 박막의 경우, 수직 배향 선호성을 나타낸 반면, 탄소가 다량 함유된 a-C:F 박막의 경우 수평 배향 선호성을 나타냄이 밝혀졌다. 표면 장력 계산에 의한 이론적 액정 배향성과, 실험적으로 규명된 액정 배향성은 잘 일치하였으며, 기판의 표면 에너지를 구성하는 극성 인자와 분산 인자가 각각 액정 배향에 미치는 영향을 규명하였다.한편, 적절한 선경사각을 가지는 액정 배향 결과를 얻기 위하여 가속된 Ar 이온을 a-C:F 배향막에 조사하였다. 표면 처리 된 배향막의 표면 분석 결과를 통하여 이온 빔은 표면의 분자 결합을 선택적으로 파괴함이 밝혀졌고, 이는 중간 영역의 선경사각에 영향을 주었다. 불소가 다량 함유된 박막의 경우 수직 방향으로부터 발생된 선경사각이 발생한 반면, 탄소가 다량 함유된 박막의 경우 수평 방향으로부터 발생된 선경사각이 얻어졌다. 또한 기판의 표면에너지와 이온 빔 처리에 의한 선택적 파괴 효과의 적절한 조합을 통하여 중간 영역에서 연속적인 선경사각의 변화 결과를 얻을 수 있었다.마지막으로, 이온 빔 처리된 a-C:F 박막을 이용하여 바이어스 인가가 필요없는 고속 액정 모드인 NBB (no-bias bend) 구조를 구현하였다. 액정의 탄성 자유 에너지의 수리적 풀이와, 시뮬레이션 결과를 통하여 액정의 선경사각 변화에 따른 액정 방향자의 분포도를 확인하였으며, 본 실험에서 바이어스가 필요없는 임계 선경사각은 48.3도였다. 본 연구에서는 실험 결과를 통하여, 큰 선경사각을 가지는 a-C:F 배향막의 경우, pi-cell 구조에서 Bend - Splay 전이에 필요한 임계 전압의 감소효과를 확인할 수 있었다

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Non-rubbing liquid crystal (LC) alignment methods are promising technologies that prevent the disadvantages of conventional processing technologies and realize the next-generational LC display applications. Among them, I present the ion beam alignment method with fluorinated amorphous carbon (a-C:F) thin films as novel inorganic LC alignment layers. Various LC orientations with uniform, continuous, and large pretilt angles are observed on a-C:F layers with ion beam treatment.A-C:F thin films were prepared by various deposition methods as inorganic alignment layers. The material and structural properties were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS), Fourier transform infrared absorption, Raman spectroscopy, and contact angle measurement. Fluorine concentration is controlled by the deposition conditions, e.g., a mixture gas ratio in the CVD and applied power ratio in the sputter system. The increase of fluorine incorporation induces micro-structural changes from a diamond-like to a polymer-like structure. The sputtered a-C:F films show a higher fluorination than the CVD samples, and an extremely hydrophobic property is obtained in the case of fluorine-rich a-C:F films. The surface compositional ratio F/C is effective for the surface energy. As a result, I obtain various compositional surfaces with fluorine and carbon components and adjust the surface energy with regard to the various compositions.The surface energy of a substrate affects the orientational direction of LC molecules. The orientational transitions from the homeotropic (vertical) to the planar (homogeneous) direction of LC molecules occur on a-C:F thin films with various surface energies. Whereas the fluorine-rich a-C:F layer shows a preference for homeotropic (vertical) LC alignment, the carbon-rich a-C:F layer shows planar LC alignment. Both experimental and theoretical evidence is presented for polar and nonpolar contributions to LC orientations on a-C:F substrates. Numerical calculations give correlations between LC orientation and substrate surface energy components, which are in good agreement with the experimental results.To achieve a proper pretilt LC alignment, an accelerated Ar+ ion beam irradiates the films after the deposition process. The ion beam destroys the surface bonding of the a-C:F films selectively, and an intermediate pretilt angle is obtained. In the case of the fluorine-rich a-C:F layer, high-tilted homeotropic alignment is achieved, and in the case of the carbon-rich a-C:F layer, high-tilted planar alignment is achieved. The continuous pretilt angle occurs due to the combination of two kinds of chemical bonds, benzene clusters and fluorocarbon bonds. The competition of both interactions induces the appropriate LC orientation with pretilt angle.Finally, I present a near no-bias-bend (NBB) mode with a large pretilt angle by using IB-irradiated a-C:F thin films. Numerical calculation of the elastic deformation energy and simulation results of LC director distributions show the effect of the pretilt angle on the reduction of bias voltage for the bend state. In our experimental condition, the critical pretilt angle for the no-bias boundary condition is achieved as 48.3o. Experimental results show the decline of threshold and saturation voltage in the pi-cell of a large pretilt angle.