(A) study on the structural modifications of polyimide alignment film for improving reliability and black picture quality characteristics of in-plane switching mode liquid crystal display

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 현대의 디스플레이(display)기술 중 가장 상업적으로 안정화되어있는 액정디스플레이 기술 중의 하나인 수평배향모드(mode) 액정디스플레이의 화질특성을 개선하기위한 이론적, 실험적인 연구를 진행하였다. 수평배향모드 액정디스플레이는 최근 양산되고있는 다른 광시야각 액정디스플레이모드에비해 화질특성이 매우 뛰어난 디스플레이로 잘 알려져 있다. 하지만, 이러한 우수한 화질특성대비 디스플레이의 화질평가항목중 중요한 항목으로 고려되는 명암비, 시야각의 블랙(black) 화질특성, 잔상특성에 있어서는 타 광시야각모드대비 상대적으로 취약한특성을 가지고 있어, 이에 대한 개선이 지속적으로 요구되고있다. 이러한 우수한 화질특성이 타 광시야각모드 대비 수평으로 배향이된 액정을 이용한다는 모드를 사용한다는 차별화점에의해 나타나지만, 동시에 이러한기술에의해 고유의 화질열화특성을 가지고 있음이 지속 확인이 되어왔으며, 본연구에서는 수평배향모드디스플레이의 액정배향특성 관점에서 주요 화질열화특성과의 상관성을 찾기 위한 이론적인 접근을 시도하였으며, 이러한 이론적인 상관성이 확인되었음에 근거하여, 배향특성관점에서의 개선안을 도출하는 연구를 수행하였다.
먼저, 정면에서의 명암비특성은 수평배향모드에서의 정면명암비를 저해하는 기술적 요소를 분리하여, 이러한 저해요소중 배향관점의 기여도를 실험과 시뮬레이션(simulation)을 통해 정의하고, 이러한 현상이 왜 나오는지에 대한 원인을 마이크로(micro)한 배향면의 액정방향의 미세불균일 현상과 상관이 있음을 새로운모델링(modeling)으로 해석하였으며, 이러한 배향불균일의 개선을 위해 배향막의 구조적인 특성을 결정화도와 연신특성의 관점에서 어떠한방법으로 설계하여야 되는지에 대한연구를 통해 결정화도가낮고, 연신특성이 높은 배향막의 설계구조가 이러한 배향면의 액정방향의 불균일 현상을 획기적으로 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.

두번째로 수평배향모드의 고질적인 문제인 단기적인 잔상특성과 장기구동에의한 신뢰성문제가 트레이드오프(trade-off)관계에있는이유로 인해 수평배향모드에서는 잔상과신뢰성을 동시에 구현하기 어렵다는 난제에 대해서 배향막과 단,장기구동환경의 상관성을 규명하려는 시도를 진행하였으며, 이러한 원인을 배향막의 불순물 특성과 단위막의 저항특성에서 기인함을 수평배향모드의 등가회로모델링을통한 전류축적, 소멸현상해석과 배향막의 불순물 측정을 통해 확인할 수 있었다. 이러한 해석에서 일반적으로 수평배향모드에서 사용하고있는 폴리아믹에시드(polyamic acid)타입의 배향막은 단,장기구동관점에서 액정셀(cell) 내에 축척되는 직류전류를 빠르게 소멸시키나 불순물의양이 높은 이유에 의해 장기적인 구동에서 신뢰성이 취약함을 확인하였으며, 반대로, 솔루블폴리이미드(solublepolyimide) 타입의 배향막은 단,장기 구동관점에서 액정셀내에 축척되는 직류전류를 빠르게 소멸하지 못하나,높은 이미드(imide)화율에 기인한 낮은 불순물양을 가지는 특성에 기인해서 높은 장기구동신뢰성과 나쁜 단기적인 잔상특성을 나타냄을 추가로 확인할 수 있었다. 나아가 이러한 현상을 개선하여 높은 신뢰성과 좋은 잔상특성을 동시에 확보할 수 있는 방법을 도출하기 위해 솔루블폴리이미드타입의 배향막의 막내에 메탈릭솔트(metallicsalt)를 도입하는 연구를 수행하였으며, 이를 통해 낮은 불순물 특성을 유지하면서, 저저항을 나타낼 수 있는 새로운 배향막을 개발하였으며, 이러한 새로운 배향막도입을 통해 고잔상, 고신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 방법을 도출할 수가 있었다.
마지막으로 대각시야각에서의 블랙(black)화질 특성의 저하 원인을 편광광학적 해석에 근거하여, 이론적인 원인이 수평배향모드의 광이동경로에서 발생하는 위상지연특성에서 기인하는 고유한 현상임을 재확인하였으며, 이와함께 액정배향면의 선경사각이 이러한 특성을 더 악화시킴을 확인할 수 있었다. 러빙(rubbing)방식의 수평배향모드에서 기존에 어려운것으로 알려져있던 선경사각의 감소를위해 첨가제를 배향막구조에 도입하는 연구를 수행하였으며, 이를 통해 러빙(rubbing)을 이용한 수평배향모드에서 0˚에 가까운 수준의 획기적인 선경사각을 형성할 수 있는 방법을 폴리머스테빌라이징(polymer stabilizing) 배향기술을 통해 구현할 수 있음을 새롭게 확인할 수가 있었다. 또한, 본 기술적용을통해 수평모드액정셀의 대각에서의 화질저하현상을 상당수준개선할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
결론적으로 수평배향모드 액정디스플레이의 고질적인 화질저하특성을 배향관점에서 해석하고, 또한, 이러한 해석에 근거하여 배향관점의 개선점을 찾아내기위한 배향막의 개선연구를 종합적으로 진행하였으며, 이를 통해 수평배향모드 액정디스플에이의 열위화질특성을 배향적인 개선만으로 상당수준개선할 수 있는 상용화 가능한 기술을 성공적으로 도출할 수가 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent Liquid Crystal Display(LCD)picture quality characteristics are mainly evaluated by the characteristics of viewing angle, luminance, response time, contrast ratio and color reproducibility, which is why all LCD manufacturers and researchers are focusing on various studies to improve these picture quality characteristics.

From the perspective of the major display quality characteristics, In-plane switching(IPS) mode LCD, which uses horizontally aligned Liquid Crystal(LC) mode technology has superior LC response time in the overall grayscale and accurate color representation at all viewing angle directions compared to other wide-viewing angle LC display modes(Vertically Aligned LC mode, Polymer Stabilized –Vertically Aligned LC mode and Wide Viewing –Twisted Nematic LC mode). However, despite these excellent picture quality characteristics, IPS LC mode display is still required for continuous improvement in contrast ratio due to a black level light leakage at front viewing angle relative to Vertically Aligned(VA) LC modes, and in diagonal viewing angle black luminance level due to high level light leakage generation at diagonal viewing angles, and in relative bad long term image sticking quality resulting from horizontally aligned LC direction caused by lower LC-alignment layer interaction relative to VA LC mode. So, improvement of these major weak point of IPS LCD’s picture quality characteristics has been enhanced continuously through technologies in various research fields(thin film transistor design, Cell design, circuit design, polarizing material, backlight optics, circuit driving scheme, and liquid crystal material)

In this study, theoretical approaches have been tried to confirm the relationship between the fundamental causes of the three major weak picture qualities and LC alignment properties of IPS LC mode. and then, based on this fundamental approach, advanced new alignment technologies also have been tried to improve the three major weak picture qualities(contrast ratio, light leakage of black level at diagonal viewing angle, and, long-term image sticking) with material doping method, polyimide structure modification method and polymer stabilizing LC alignment method. Ultimately, based on the these new technical approaches, new LC alignment technologies for improving the major three weak picture qualities has been successfully completed.