편광법을 사용한 LCD 배향막의 광학이방성 정밀 측정에 관한 연구 = Precise measurement and analysis of optical anisotropy for rubbed film of LCD by using polarimetry

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Requirements for larger size and higher quality in LCD panel are increasing according to the diffusing rate of the LCD, and such technology in LCD is depending on the primary alignment condition of the liquid crystal. It is the prerequisite for designing high-quality LCD that the state in arrangement of liquid crystal is uniform and has no defects. The simplest method to align liquid crystal is to rub coated polyimide on a glass substrate. The researches on the characteristics of rubbed layer are in progress by various methods now and for example, there is an optical method that use phase difference by propagation of light through the layer. But the layer complicated and has troublesome defects that the effect of interface layer between rubbed layer and glass substrate must be removed in order to get optical informations of rubbed layer by optical method. As this, a characteristics investigation of rubbed polyimide, that coated and glass substrate, was carried out to the optical method by reflection of light in this thesis. But it tried to get the expected result previously to experimentation and find out an optical system arrangement to satisfy the most suitable conditions through computer simulation first for measuring it sensitively by the reason that it is very difficult to check anisotropy of materials as birefringence of rubbed layer is so small. The most optimized optical system arrangement was computed by the model configuration Ⅱ of phase modulation system that makes an incident angle to 0 degree, and optic parameter(ψ,△,I_(s),I_(c)) appeared sensitively, it also showed the pattern of 180 degrees in a period to the axis of sample to have an anisotropy characteristics. To find out the pattern of 180 degrees in a period to rubbing axis, after getting I_(s), I_(c), by Fourier transform calculation from this measured data. On the basis of the result to be estimated by computer simulation, the actual optical system was prepared in the order of light source(He-Ne laser) that makes an incident angle of 15 degrees - beam expander 1／4λ retarder - polarizer - sample (rubbed layer) - PM(Phase Modulator) - photo detector, and light signal to be sensed through it was measured and analyzed by making use of GPIB communication to connect digital oscilloscope to computer. (at this time, Beam expander was installed for minimizing the wobble effect of stage.) According to the most optimized condition, each optical module consisted of azimuth angle of polarizer (P＝π／4), azimuth angle of analyzer(A＝π／2) and phase modulator(C＝π／4) inside PM module. Light to be reflected after a light that passed through polarizer having an incidence to the samples by coming to be linear polarization and reacting to rubbed layer, make a generally elliptic polarization state. Using rotating stage system (0°∼360°) with rubbed PI layer we measure intensity of reflected beam to determine rubbing axis.
When reflected light through PM module, piezoelectric modulating quartz oscillators inside of PM makes an oscillation and makes an orthogonal polarization state corresponding to reflected light polarization, and makes electric signal of light intensity, showed on the oscilloscope, to sinusoidal function. At this time, 50 kHz, the resonance frequency of 50 kHz is inputted using the function generator that is an optimized frequency of phase modulator.
Clear triacetyl cellulose (CLR TAC) was measured on a preliminary test, for verification to the setting of the optical system. The graph of I_(s) showed clearly a pattern of 180 degrees in a period according axis as a result of measurement the CLR TAC sample by a high molecular substance having a comparative bigger retardation than rubbed polyimide layer. As a result, the rubbed layer was measured and analyzed after arrangement the same as the previous optical system. And then, in the rubbed layer, I_(s) showed the pattern of 360 degrees in a period to the axis, as different to measurement of CLR TAC. It is reason why it was interpreted that retardation(△nd＝0.4nm) of rubbed layer is too small. But rubbed layer was measured again as turning rubbed layer, for verification that it is the effect by wobble or the information by sample itself to the data of I_(s) that showed a settled pattern. As the result, it showed and moved to 50∼60 degrees just as keeping the general graph pattern of I_(s) of rubbed layer, though the effect by wobble was mixed a little. The effect of rubbed layer could be confirmed, through the data that has a fixed I_(s) graph form, but here confirmation of the exact pattern of 180 degrees in a period of rubbed layer I_(s). Alignment of optical system more finely and exclusion to the effect of a very small wobble are the key point or core for confirming the pattern 180 degrees of rubbed layer I_(s). Rubbing axis of rubbed layer can be decided by the two maximum values of this I_(s).

국문 초록 (Abstract)

최근 LCD의 보급률이 높아짐에 따라 대형화, 고품질화에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이러한 LCD의 기술은 액정의 초기 배향상태가 어떠하냐에 따라 상당히 의존되고 있다. 고품질의 LCD를 설계하기 위해서는 우선 액정의 배열상태가 균일하고 결점이 없어야하는 것이 선결조건이다. 액정을 배향시키는 여러 가지 방법 중 가장 간단하고 일반적인 방법은 유리기판에 코팅된 폴리이미드(polyimide)를 러빙(rubbing)시키는 것이다. 현재 배향막에 대한 특성 연구는 여러 가지 방법으로 진행되고 있으며, 한 예로 빛의 투과에 의한 위상차를 이용한 광학적 방법이 있다. 그러나 투과형 광학적 방법으로 배향막의 광학적 정보를 얻기 위해서는 유리기판에 의한 효과와 배향막과 유리기판 사이 계면의 효과를 별도로 제거해야 하는 복잡함과 번거로운 단점이 있다. 이에 따라 본 연구는 유리기판위에 도포하여 러빙된 폴리이미드막의 특성 조사를 빛의 반사에 의한 광학적 방법으로 수행하였다. 그러나 배향막의 복굴절이 너무 작아 물질의 이방성을 확인하기에 상당히 어렵기 때문에 이를 민감하게 측정하기 위해 먼저 전산 시뮬레이션을 통하여 최적조건을 만족하는 광학계 배치를 찾아내고 실험에 대한 예상 결과를 미리 얻고자 하였다. 최적의 광학계 배치는 입사각을 0도로 하는 위상변조 타원계 방식의 Configuration Ⅱ 모델로 계산되었으며, 이를 통하여 예민하게 나타난 광학상수 Ψ, △, I_(s), I_(c) 는 이방성 특성을 가진 시료의 축에 대하여 180° 주기의 패턴을 나타내었다. 실제 실험적으로 측정하여 확인할 수 있는 물리량은 반사광 세기이며, 이러한 측정 데이터를 푸리에 계수 계산에 의해 I_(s), I_(c) 을 구하여 러빙축에 대한 180° 주기의 패턴을 찾는 것이다. 전산 시뮬레이션을 바탕으로 예측한 결과를 토대로 실제 광학계는 입사각 15°를 이루는 광원(He-Ne 레이저)-선속확대기(beam expander)-1／4λ위상보상판-편광자-시료(배향막)-PM(Phase Modulator)-광검출기(photo detector) 순으로 구성하였으며, 광검출기에 감지된 광신호는 디지털 오실로스코프와 컴퓨터를 연결한 GPIB 통신을 이용하여 측정 및 분석되었다. (이때, 선속 확대기는 상(stage)의 워블(wobble)에 의한 효과를 최소화하기 위하여 추가로 설치하였다.) 여기서 각 광학모듈은 최적조건에 따라 편광자의 방위각 P＝π／4, PM모듈 내부의 검광자(A)와 위상변조기(C)의 방위각을 각각 A＝π／2, C＝π／4로 구성하였다. 편광자를 통과한 빛은 방위각 π／4 방향으로 선편광 되어 시료에 입사하여 배향막과 반응한 후 반사된 빛은 일반적으로 타원편광을 나타나게 된다. 배향막의 러빙축을 확인하기 위해 rotating stage 방식을 도입하여 배향막을 360도 회전시키면서 러빙축의 방위각에 따른 반사광 세기의 변화를 측정하였다.
여기서 반사된 빛은 PM모듈을 통과하게 되면 PM내부의 위상변조기(piezoelectric modulating quartz oscillators)가 진동하여 반사광 편광상태에 대응하는 직교편광상태를 발생시켜 오실로스코프에서 나타난 광세기의 전기신호를 사인함수(sinusoidal function)로 나타나게 된다. 이때 위상변조기를 최적으로 진동시키기 위해 이것의 공명주파수인 50kHz를 파형발생기(function generator)에서 입력하였다.
올바른 광학계 설치에 대한 검증을 위해 우선 예비실험으로 CLR TAC 을 측정하였다. CLR TAC 시료는 비교적 큰 위상지연(retardation)을 가진 고분자 물질로써 측정한 결과 전산시뮬레이션에서 예상했던 바와 마찬가지로 I_(s)는 축에 따른 180° 주기의 패턴을 명확하게 나타내었다. 이에 따라 위의 실험 광학계와 동일하게 배치한 후 배향막을 측정／분석하였다. 그런데, 배향막에서는 CLR TAC 을 측정했을 때와 달리 I_(s)는 축에 대하여 180°가 아닌 360° 주기의 패턴을 나타내었다. 이것은 배향막의 위상지연(△nd＝0.4nm)이 너무 작기 때문인 것으로 판단하였다. 그러나 일정한 패턴을 나타낸 I_(s) 의 데이터에 대하여 워블에 의한 효과인지 또는 시료자체가 주는 정보인지 검증하기 위해 배향막을 50°~60° 회전시켜 다시 측정하였다. 그 결과 약간의 워블에 의한 효과가 섞였지만 배향막의 I_(s) 의 전체적인 그래프 패턴은 유지한 채 50°~60° 이동하여 나타났다. 여기서 배향막의 정확한 의 180° 주기의 패턴 확인은 어려웠으나, 일정한 I_(s) 그래프의 형태를 갖는 데이터를 통하여 배향막의 효과를 확인할 수 있었다. 보다 섬세하게 광학계를 정렬시키고, 극미세한 워블의 효과를 배제시키는 것이 배향막 I_(s)의 180° 주기 패턴을 확인하는데 관건이 되며, 이러한 I_(s)의 두 개의 최대값에 의해 배향막의 러빙축을 결정할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 본론 = 4
• 제1절 배향막(Alignment Layer) = 4
• 1. 무기배향막 = 6
• 2. 유기배향막 = 7
• 3. 폴리이미드(Polyimide) = 8
• 4. Twisted Nematic Liquid Crystal Cell = 9
• 제2절 편광의 표현 = 11
• 1. 존스벡터(Jones vector) = 11
• 제3절 비등방성 매질의 복굴절 = 15
• 제4절 타원법 = 21
• 1. 타원상수의 정의 = 21
• 2. 3상계의 반사 및 투과 = 24
• 제5절 타원계의 원리와 측정 = 27
• 1. 타원계 = 27
• 2. 광량측정타원법 = 28
• 3. 위상변조방식의 타원계 = 28
• 제6절 전산 시뮬레이션 = 33
• 1. p파와 s파에 대한 Rubbed PI 굴절률 식 유도 = 34
• 2. 전산 시뮬레이션 결과 = 38
• 제7절 실험 광학계 구성 및 방법 = 55
• 1. 실험세팅 구성 = 55
• 2. 실험원리 및 방법 = 56
• 제8절 실험결과 = 57
• 1. 예비실험(CLR TAC 측정 결과) = 57
• 2. Rubbed PI 시료 측정 결과 = 60
• 제3장 결론 = 64
• 참고문헌 = 66
• Abstract = 67