광배향 공정을 적용한 half V-shape FLC의 전기광학 특성연구 = Study on the electro-optical properties of half V-shape FLC using a photoalignment process

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 고속의 응답특성을 갖는 half V-shape FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)를 가지고 rubbing 배향 대비 광배향의 우수성을 확인 하였고, Defect 이 적고 높은 contrast ratio 를 갖는 액정 배향을 시키기 위하여 연구하였다. Pretilt angle 에 따라 민감한 반응을 하는 FLC 를 적용, pretilt angle 에 영향을 줄 수 있는 인자들을 변화시켜 pretilt angle 을 바꾸어 보았고 이에 따라 Pretilt angle 에 매우 dependent 하게 달라지는 대비비, 응답속도, V-T 특성, texture 와의 관계를 알아보았다. Pretilt angle 는 LPUV(Linearly Polarized Ultraviolet) light 를 이용한 광배향으로 액정을 배향 시킬 경우 LPUV 조사 각도, LPUV 조사 에너지, 편광 방향과 액정의 배향 방향의 차이 등에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 특히 nematic LC 의 느린 응답 속도를 좀더 보완하기 위해 FLC 를 사용 하게 되었는데, FLC 는 배향의 어려움과 더불어 display 로서는 치명적인 zigzag defect을 나타내어 액정 소자의 구동상태에서 disclination line 이 발생 하고, 배향막 표면의 surface anchoring energy 의 차이에 의해 액정이 민감하게 반응하여 LLD(Local Layer Distortion)가 쉽게 발생함으로 인한 배향 직후의 조도 보다 0.002~0.003 um/㎠ 정도 밝게 측정되어 black 상태에서 색이 허옇게 뜨는 현상 등이 생기는 것이 문제로 부각 되었다. 이와 같은 문제점을 극복하고 배향성을 향상 시키며, 고성능의 display 소자를 구현 하고자 광배향을 도입하였다. Rubbing 배향제를 사영하여 제작한 시료와 광배향제를 사용하여 제작한 시료를 DC1~5V 사이에서 alignment voltage 에 변화를 주어 배향을 한 결과 DC3V 에서 저 결점의 액정 배향되었음을 확인 하였다. 그리고 FLC 의 경우 액정의 pretilt angle(선경사각)이 액정의 배향정도에 미치는 영향을 알아 보기 위해서 각각의 시료의 pretilt angle 과 대비비를 측정하여 rubbing 배향에 비해 광배향의 경우 270~300 : 1 의 높은 대비비 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. Rubbing 배향시 발생하게 되는 rubbing scratch 와 광배향에 비해 2~3˚정도로 비교적 높은 pretilt angle, 그리고 rubbing 때문에 발생하게 되는 강한 anchoring energy 로 인한 표면 액정 분자들의 난 구동 현상 때문에 LPUV 로 광배향을 했을 경우 rubbing scratch 가 전혀 없고 local 한 영역에서는 stripe defect 이 현저히 줄어든 결과를 얻어 낼 수 있었다.
또한 광배향제의 배향 정도와 pretilt angle 에 변화를 준 후의 특성 변화를 알아 보기 위하여 LPUV 조사 각도와 LPUV 조사 에너지를 변화 시켜 각각의 실험을 해 본 결과, FLC 의 경우 pretilt angle 은 조사 각도에 변화를 주어 조사 하였을 경우 선택적으로 30˚경사 조사시에 가장 좋은 대비비와 defect 이 적은 배향 상태를 갖는 것을 확인할 수 있었고, 조사 에너지의 경우 302nm HV band path filter 를 사용하여 광원을 filtering 시켜준 후 편광된 280nm-330nm 사이의 1.831mW/㎠ intensity 의 빛을 500mJ 정도 조사 했을 경우 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다. Pretilt angle 에 매우 dependent 한 액정의 배향 정도와 대비비는 LPUV 조사 에너지와 LPUV 조사각에 매우 선택적임을 확인 하였고, 각 배향제에 대하여 최적조건을 알 수 있었다. 응답속도의 경우 FLC 를 사용한 시료의 응답속도가 2ms 이하의 특성을 보이며 30ms 정도의 응답속도를 보이는 nematic LC 를 사용한 TN mode 의 시료에 비해 월등한 응답속도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었고, 특히 rubbing 배향제로 제작된 시료에 비해 광배향제로 제작된 시료가 rising time 일 경우 1ms 이하, falling time 일 경우 1.4ms 이하로 매우 우수한 결과를 나타내었다. Y-T 특성은 목적하는 spec.을 모두 만족하였고 그 중 광배향제를 사용하여 제작한 SAIT 03 시료의 경우 우수한 V-T특성을 갖는 것을 확인 하였다.
이와 같이 광반응 물질인 SAIT series를 이용하여 선형편광된 자외선 광조사에 의해 rubbing 배향 대비 고속응답, high contrast ratio, defect free 한 FLC 의 배향 특성을 알아보았다. FLC 배향에 있어서 pretilt angle 이 매우 중요한 key factor 임을 확인할 수 있었고, 조사 시간 및 조사 energy, 경사 조사 각도, 인가 전압 등에 변화를 주어 pretilt angle 및 배향을 control 할 수가 있었으며, 이상의 기술을 이용하여 micro display 소자를 제작, 40 인치 이상의 대화면 projection display 에 적용 가능한 기술임을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In liquid crystal displays (LCDs), the alignment control of the liquid crystal (LC) molecules is one of the most important elements in LCD. The conventional rubbing method can't satisfy recent demands for alignment quality. The photoalignment of liquid crystal may be a more useful technique than that of rubbing method because of reduction of contaminations that reduce the contrast ratio and static electricity buildup, rubbing scratch, that cause cross-track short or failure of thin film transistor(TFT) and photopatternable process.
In this paper, I have investigated the electro-optical properties of half V-shape FLC (Ferroelectric Liquid Crystal), which uses a photo alignment process by liner polarized UV (LPUV) light propagation onto photoalignment layer. The merit of half V-Shape FLC is fast response time below 3msec.
The FLC with the pretilt angle considered the fact that it is deep relationship. I controlled pretilt angle by changing of LPUV irradiation energy of 500mJ, LPUV irradiation tilt of 30˚, aliment voltage of DC3V. And I found appropriate photoalignment condition. So I got results that high contrast ratio of 300:1, fast response time below 1.5msec(rising response time ≤ 1msec, falling response time ≤ 1.5msec), V-T property satisfying an objective spec., defect free texture.
Research the above it leads, in the case of FLC photoalignment, pretilt-angle was confirmed very important key factor. And producing of micro display device, application of the technique which is possible it confirmed in big screen of projection display above 40inches.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅲ
• 국문요약 = ⅰ
• 표차례 = ⅴ
• 그림차례 = ⅵ
• 1. 서론 = 1
• 2. 관계이론 = 3
• 2.1. 액정의 물리적 성질 = 3
• 2.1.1. 액정의 방향자와 질서변수 = 3
• 2.1.2. 액정의 유전율과 굴절율 이방성 = 6
• 1) 액정의 유전율 이방성(dielectric anisotropy) = 6
• 2) 액정의 굴절율 이방성(optical anisotropy) = 7
• 2.1.3. 액정셀의 자유에너지 = 8
• 2.1.4. 액정의 일반적 특성 = 9
• 2.2. 액정의 배향 = 10
• 2.2.1. 액정 배향의 종류 = 10
• 2.2.2. 액정의 배향 mechanism = 11
• 1) 표면 형상설 = 12
• 2) 분자간 상호 작용설 = 12
• 2.2.3. 배향 방법 = 13
• 1) SiO 경사 증착법 = 13
• 2) rubbing 법 = 13
• 3) 광 배향법 = 17
• 2.3. 액정표시소자의 구동윈리 = 20
• 2.3.1. 액정표시소자의 종류 = 20
• 1) 편광변조형 = 20
• (1) TN(Twist Nematic)형 LCD = 20
• (2) ECB(Electrical Controlled Birefringence)형 LCD = 24
• (3) 강유전성 액정 = 27
• 2) 산란형 액정표시소자 = 35
• 3) 흡수형 액정표시소자 = 37
• 4) 반사형 액정표시소자 = 38
• 2.4. 액정 표시소자의 측정 원리 = 40
• 2.4.1. 막두께 측정 = 40
• 2.4.2. Cell GaP 측정 = 40
• 2.4.3. 선경사각(Pretilt angle) 측정 = 42
• 2.4.4. Contrast Ratio(대비비) 측정 = 44
• 2.4.5. Response Time 측정 = 45
• 2.4.6. 전기 광학투과곡선과 투과율(V-T curve : Voltage-Transmittance) = 48
• 3. 실험 = 50
• 3.1. 물질 = 50
• 3.1.1. 배향제 = 50
• 3.1.2. 액정 = 51
• 3.1.3. Spacer, sealant = 52
• 3.2. 박막 제작 = 52
• 3.2.1. 세정 process = 52
• 3.2.2. Coating = 53
• 3.2.3. Curing = 53
• 3.2.4. 두께 측정 = 54
• 3.3. Liquid crystal alignment = 54
• 3.3.1. Rubbing alignment = 54
• 3.3.2. LPUV alignment = 55
• 3.4. Cell fabrication = 55
• 3.4.1. Seal printing = 56
• 3.4.2. Assembly = 56
• 3.4.3. HOT press = 57
• 3.4.4. Scribe / Break-up = 57
• 3.4.5. Cell gap 측정 = 57
• 3.4.6. 액정 주입 = 57
• 3.4.7. end sealing = 57
• 3.5. 전계 배향(Mettler 및 function generator 사용) 및 texture촬영 = 58
• 4. 실험 결과 및 고찰 = 60
• 4.1. 배향제별 pretilt angle과 contrast ratio 측정 결과 및 texture촬영 = 60
• 4.1.1. rubbing 배향 시료의 texture 촬영 및 결함 정의 = 65
• 4.1.2. 광배향 sample의 UV 조사 energy 와 pretilt angle 및 contrast ratio 와의 관계 = 69
• 4.1.3. 광배향제의 조사 각도와 pretilt angle 및 contrast ratio 와의 관계 = 74
• 4.1.4. 인가 전압과 배향 상태와의 관계 = 79
• 4.2. Response time = 84
• 4.2.1. pretilt angle과 response time 과의 관계 = 85
• 4.2.2. 조사 energy 와 response time 과의 관계 = 86
• 4.2.3. 조사 각도와 response time 과의 관계 = 88
• 4.3. V-T curve(전기광학투과곡선) = 89
• 5. 결론 = 90
• 참고문헌 = 93