lcd(6) (고려대, 원본)-2010.10.28a-김완수

Molecular Orientation of LCs

Copyright © WAN-SOO KIM

액정의 배열 및 배향Orientation & Alignment of Liquid Crystals

2010. 10. 29

고려대학교

김 완 수

[고려대/2010년 2학기/마이크소소자특론/LCD]



순서

Part 1I. 서론

II. 액정 배향의 중요성

III. 배향의 구조

Part 2IV. 배향의 기본 개념 및 이론 (생략)V. 배향 방법 및 배향 막 형성 방법

VI. 배향 상태의 측정 / 평가 (생략)VII. 배향 메커니즘 (생략)VIII. 배향 불량 (생략)



Part 2



순서

Part 1

IV. 배향의 기본 개념 및 이론 (생략)

V. 배향 방법 및 배향막 형성 방법

VI. 배향 상태의 측정 / 평가 (생략)

VII. 배향 메커니즘 (생략)

VIII. 배향 불량 (생략)



배향 방법 및배향막 형성 방법



순서

Part 1

V. 배향 방법 및 배향막 형성 방법

1. 배향 방법

2. 배향막 형성 방법



배향방법

Methods of Molecular Orientations of

Liquid Crystals



순서

배향 방법

1. 표면 배향 (러빙 / 광배향 / 이온 빔 등)

2. Field 배향 (전기장 / 자기장 / 빛 등)

3. 혼합 배향 (표면 배향 + Field 배향 등)



표면배향

액정의표면유도배향 (Surface Induced Alignment of Liquid Crystals)

: 표면의작용 (표면경계조건) 에의하여

유도된액정의배향

1. 미리러빙등의배향막형성방법으로처리 / 형성된배향막표면의

표면고정력 / 배향규제력 (Surface Anchoring) 에의하여지배됨

2. 러빙등에의하여규정되는

방향으로배열됨

배향 방법



상전이순서 : 등방상 (Isotropic Phase) 네마틱상 (Nematic Phase)

TNI * 이상의등방상에서 액정화합물을셀내에주입한후

네마틱상으로냉각시키는경우

1. [냉각순서] 1) 액정화합물이배향막과맞닿아있는부분 (표면) 부터냉각됨2) 표면 (Surface) 셀내부 (Bulk) / 중심

* 네마틱 –등방상전이온도(Nematic-Isotropic Phase Transition Temperature : TNI) (To be continued)

NIbulk

NIsurface

TT

TT

>

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NIbulk

NIsurface

TT

TT

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NIbulk

NIsurface

TT

TT

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네마틱액정화합물의표면배향



2. [표면에서액정화합물內분자들의배열]

표면上의액정화합물이냉각되어

TNI이하로떨어지면

1) 표면上의액정화합물의相

: 등방상에서 네마틱상으로전이함

(To be continued)




2) 표면上의액정화합물內분자들의배열

(네마틱상으로있는액정분자들의배향구조)

(1) 미리러빙등의배향막형성방법으로처리 / 형성된배향막표면의

표면고정력 / 배향규제력 (Surface Anchoring) 에의하여지배됨

(2) 러빙등에의하여규정되는

방향으로배열됨

(3) 배향구조는

표면에서액정셀의중심으로전파됨

(탄성체 /연속체로서의액정의물리적성질에기인함)(To be continued)



Copyright © WAN-SOO KIM Rr

Rr

Rr

RrNIbulk

NIsurface

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TT

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NIbulk

NIsurface

TT

TT

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3. [셀내부 (Bulk) / 중심에서액정화합물內분자들의배열]

셀내부 (Bulk) / 중심의액정화합물이냉각되어 TNI이하로떨어지면,

1) 셀내부 (Bulk) / 중심에서액정화합물의相

: 등방상에서 네마틱상으로전이함

(표면상의액정화합물보다조금뒤늦게)

2) 셀내부 (Bulk) / 중심에서액정화합물內분자들의배열

(네마틱상으로있는액정분자들의배향구조)

(1) 표면上의액정화합물內분자들에의하여전파 / 간접적으로전달된

표면고정력에의하여지배됨

(2) 러빙등에의하여규정되는

방향으로배열됨 (To be continued)




Rr

Rr

RrNIbulk

NIsurface

TT

TT

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NIbulk

NIsurface

TT

TT

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4. [셀전체의액정화합물내분자들의배향구조]

-배향막표면에서의 표면고정력에의하여지배되어

-러빙등에의하여규정되는 방향으로배열됨

(To be continued)




Rr

Rr

Rr

Rr

RrNIbulk

NIsurface

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TT

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NIbulk

NIsurface

TT

TT

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NIbulk

NIsurface

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TT

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Field 배향 (전기장 / 자기장 / 빛등)

액정의장유도배향 (Field Induced Alignment of Liquid Crystals): 액정과전기장 (또는자기장)의상호작용에의하여유도된액정의배향

1. 전기장에의하여지배됨

2. 액정과전기장의상호작용에의하여규정되는방향으로 배열됨 (Field-Induced Reorientation of Liquid Crystals)

3.전기장을제거하여도배향구조가유지되어야 효과적임(Memory Effect)

4. CLC, FLC 등에서사용됨

배향 방법



3 Independent Deformations

자기장에의하여유발된액정분자의변형

(Splay) (Twist) (Bend)



Cholesteric 상~ PSCT (Polymer Stabilized Cholesteric Texture) mode LCD

• On-state (transparent state)• Homeotropic texture of LCs• Polymerization with strong field• Polymer network ~ perpendicular to cell substrates• Helix unwound

• Off-state (opaque state)• Focal conic texture of LCs• Scatter light

Remove of field



혼합배향 (표면배향 + Field 배향등)

1. 혼합배향 : 두가지이상의배향방법을동시에사용

표면배향 + Field 배향등

2. 용도 주로 FLC 에서사용됨

3. 사례 : Iso 콜레스테릭 [Cholesteric (N*)] Sm C*

의상전이를갖는 FLC 의배향시필요 : 1) + 2)

1) 액정분자 : 표면배향에의해배열

2) 스멕틱층 : Field 배향에의해배열

배향 방법



FLC 의상전이순서의유형

1. 등방 [Isotropic (Iso)] Sm C* : Field 배향도필요

2. Iso Sm A Sm C*

3. Iso 콜레스테릭 [Cholesteric (N*)] Sm C* : Field 배향도필요

4. Iso N* Sm A Sm C* :표면배향만필요

(To be continued)

강유전성 액정 화합물의 Field 배향



Rr

Rr

RrIsotropic Cholesteric

상전이순서 4) : Iso N* Sm A Sm C*

표면배향

강유전성 액정 화합물의 Field 배향(1)



RrSm ACholesteric


Rr

Rr

표면배향




RrSm C*


Rr

RrSm A

표면배향




Rr

Rr

RrIsotropic Cholesteric

상전이순서 3) : Iso N* Sm C*

표면배향




Sm C*Cholesteric상전이순서 3) : Iso N* Sm C*

Rr

Rr

Field 배향

Rr

Er

sPr

위에서본그림(표면에서의배향구조)

(1) Director (n)는유지된채Ps 가 E와평행하도록층의구조 (k)가배열됨

Rnrr //

kr

(2) E가없으면Director (n)는유지된채층의구조 (k)가랜덤하게배열됨




배향막 형성 방법

Preparation Methods ofMolecular Orientation Layer of

Liquid Crystals



순서


I. 고분자 (Polymer) + 러빙(Rubbing)

II. 광배향 (Photo Alignment) (생략)A. 광 중합(Photo-Polymerization)B. 광 분해(Photo-Decomposition) C. 광 이성질화(Photo-Isomerization)

III. 사방증착 (Oblique Evaporation) (생략)

IV. 기타 (생략)A. LB FilmB. 표면 처리제C. 이온 빔




고분자 + 러빙

Polymer + Rubbing



순서

배향막 형성 방법 : 고분자 + 러빙

1. 배향 공정

2. 배향 물질 / 재료

3. 배향 장비 / 장치

4. 배향 물리량 (선 경사각 등) 제어

5. 배향 원리 / 메커니즘 / 모델

6. 배향 문제점



배향 공정



액정Cell 공정



배향공정



공정 (Process)

배향材도포 / 인쇄 (Coating / Printing)

예비열처리(Pre-Curing / Leveling)

본열처리 / 경화 / 소성 (Main-Curing)

러빙(Rubbing) 기판세정

기판세정

이미드화

ExternalMechanical

Stress 에의해Anisotropy 유발

Polyamic Acid 도포

용매증발




PI 전 세정 공정의 도식도



PI 전 세정기



액정배향막

ITO 전극

Glass 기판

배향材도포 / 인쇄 (Coating / Printing)

예비열처리(Pre-Curing / Leveling)

본열처리 / 경화 / 소성 (Main-Curing)

(To be continued)

액정 배향막 형성



PI 인쇄 공정의 도식도



PI 인쇄기에서 인쇄부의 구조



APR Plate



PI 인쇄기



PI 전 경화 공정 인라인 장비



PI 본 경화 장비/자동화 인라인 시스템



PI 본 경화 장비/자동화 인라인 시스템의 구조



액정배향막

ITO 전극

Glass 기판

러빙(Rubbing)

회전

러빙롤 (레이온 / 코튼)

기판이송

배향막의표면을포로문지름

(To be continued)

러빙



액정배향막

ITO 전극

Glass 기판

러빙방향

액정분자

일축배향성 + 선경사각발현

배향결함없는 LCD 를제작하기위해필요불가결

액정의 배향



배향 물질 / 재료



물질 / 재료 (배향재) : 고분자 ~ Polyimide (PI)

Polyimide의특징

1. 우수한열안정성 (250 ~ 450 oC 에서사용가능 배향안정성)

2. 우수한기계적특성

3. 우수한전기적특성 (높은비저항등)

4.우수한액정배향특성




제조 Process 조건측면에서요구특성

요구특성

1. 도포성 / 인쇄성 좋아야함(용제에가용성 박막형성가능성)

2. 기판과의밀착성 좋아야함

3. 물리적막강도 강해야함

4. 내약품성 좋아야함

5. 실(Seal) 제와의밀착성 좋아야함

6. 내열성 좋아야함(200 oC 이상)

7. 화학적안정성 (액정에의용출이없을것)

주 Process

성막

성막

러빙

러빙후세정

실인쇄 / 소성

실형성 / 합착

액정주입

배향막 재료



표시품질측면에서요구특성

요구특성

1.배향규제력 강해야함

2. 러빙에의한고분자쇄 / 액정분자의일축배향성 있어야함

3. 불순물 (특히, 이온성물질) 포함하지말아야함

4. 착색 없어야함(투명성 좋아야함)

배향막 재료



1. 표면용이배열각 (Surface Easy Orientation Angle)

: [정의] 외부토크없는평형상태에서 (전기장 / 자기장등이없는)

표면에너지를최소화시키는

표면배열각 (극각 / 방위각)

: [개념] 표면처리에의해부과된국소선호 (Preferred) 배열각

: [성질] 강한배향규제력(Strong Anchoring) 상태에서,

표면배열각 = 표면용이배열각

물리량의 개념



2. 배향규제력 / 표면고정력 / Surface Anchoring Energy

: [정의] 방향자를표면용이배열각으로부터

임의의표면배열각으로회전시키는데필요한일

표면상의방향자는두개의단위면적당복원토크에

종속되어있음을의미 (극성분 / 방위성분)

: [개념] 용이한방향자배열을담당하는배향상호작용의세기의척도임

: [성질] 표면배열각 = 표면용이배열각

Vanish

물리량의 개념

( )20 0

1 s in2s

s

F W d Sθ θ= −∫



φ

θ

N

n

polar anchoring

Wθ

azimuthalanchoring

Wφ

surfa

ce

Strong anchoring 10-4 J/m2

Weak anchoring 10-7 J/m2Wθ,φ is energy needed to move director n from its easy axis

배향규제력 / 표면고정력 / Surface Anchoring Energy



배향막재료는러빙에의하여고분자쇄 / 액정분자의일축배향성이있어야함 PI

배향막 재료



<방법 1> PA (Polyamic Acid) 을기판에코팅

고온소성 (250 oC 이상)

(열적으로이미드화한) PI 배향막제작

<방법 2> (화학적으로이미드화한) PI 용액을기판에코팅

저온소성 (200 oC 이하)

PI 배향막제작

PI Film 의제작방법

배향막 재료



Di-anhydride Di-amine

Polyamic Acid (Soluble /Fusible)

+ Solvent (극성용매) ~중합

(To be continued)

NMP 등(N-Methyl-2-Pyrrolidone)

Polyimide 의 제법 (1) 중합



Polyamic Acid (Soluble / Fusible)

Polyimide (Insoluble / Infusible)

-H2O (탈수)가열 : 이미드화

Polyimide 의 제법 (2) 이미드화



배향 장비 / 장치



장비 / 장치 ~ 러빙기




러빙 공정의 도식도



러빙기



Pre-tilt Angle 측정기



AFM / 3D Surface 측정기



(To be continued)

(러빙롤러의구조)



(To be continued)

(러빙시스템의구조)



러빙밀도



러빙강도



배향 물리량(선 경사각 등)

제어



물리량 제어

러빙한고분자표면에서의 액정분자의물리량제어

(To be continued)

1. 표면선경사각

(1) 러빙에의해유발된액정의표면극선경사각은

일반적으로, 러빙강도에반비례하나,

(2) 주로, 배향물질 / 액정물질에의존




물리량 제어

러빙한고분자표면에서의액정분자의물리량제어

(To be continued)

2. 표면고정에너지

(1) 러빙에의해유발된액정의표면극고정에너지는

일반적으로, 러빙강도에비례하나,

(2) 주로, 배향물질 / 액정물질에의존




표면극선경사각



배향 원리 / 메커니즘 / 모델



원리 / 메커니즘 / 모델

러빙한고분자표면에서의액정분자의배향에 한


(To be continued)

1. 계면분자간상호작용 (Interfacial Intermolecular Interaction)

2. 표면형상효과 (Surface Topological Interaction)

Microgroove 이론




러빙한고분자표면에서의액정분자의배향에 한원리 / 메커니즘 / 모델

(1) 계면분자간상호작용

1. 러빙한고분자의 Side Chain 또는Main Chain 과

액정분자사이의상호작용에의해 액정의배향이결정됨

2. Model

-러빙에의해

고분자의 Side Chain 또는Main Chain 이러빙방향으로배열

-액정주입후액정은

고분자의 Side Chain 또는Main Chain 과평행하게배열


(To be continued)



계면분자간상호작용



러빙후 PI 표면구조



선경사각의발생메커니즘

(Low Pretilt Angle)

(High Pretilt Angle)




Rubbing 에의한 Pre-tilt 의발생 : Side Chain Effect

(a) 고분자Main Chain

(b) 고분자 Side Chain (Alkyl 기)

: Polymer Side Chain에의해 Pre-tilt 가 Induce 됨

(To be continued)






러빙前

(To be continued)






High Pre-tilt : Side Chain Effect

러빙後





Rubbing 에의한 Pre-tilt 의발생 : Main Chain Effect

러빙前

(To be continued)





Rubbing 에의한 Pre-tilt 의발생 : Main Chain Effect

Low Pre-tilt : Main Chain Effect

러빙後




러빙한고분자표면에서의액정분자의배향에 한원리 / 메커니즘 / 모델

(2) 표면형상효과

(To be continued)

1. 러빙한표면에형성된Microgroove 와액정분자사이의상호작용에의해 액정의배향이결정됨

2. Model -러빙에의해

고분자의표면에Microgroove 가형성됨-액정주입후액정은

Microgroove 에평행하게배열(탄성에너지를최소화시키는배열)




표면형상효과




Rubbing 에의한 Pre-tilt 의발생 : Micro-Groove

(To be continued)




Groove 의배열효과

표면상에서 Groove 에수직한 Nematic 액정배열 (a) 은

표면상에서 Groove 에평행한 Nematic 액정배열 (b)보다

잉여탄성에너지가요구됨 (변형됨)

(b) 배열이에너지적으로안정



정리 : 러빙한고분자표면에서액정의배향은표면형상효과보다는분자간상호작용에지배적으로기인함



배향 문제점



문제점 (러빙 기술의 과제)

1. 정전기의발생 / 방전

-배향막손상 + TFT 소자파괴 / 단선등을방지하도록

장치에정전기 책이되어있지만,

완전하지않음

2. Particle / Dust의발생 / 책

-세정공정이추가됨 공정증가

신배향방법:광배향등




러빙 후 이물의 현미경 사진




3. 비균일효과

-단차부와평탄부의러빙조건이상이함

배향규제력 / 선경사각의불균일이발생

4. 러빙스크레치의발생






5. (광시야각 응) 화소분할배향어려움

6. 형기판 응균일러빙어려움

7. 재현성의관리가어려움



lcd(6) (고려대, 원본)-2010.10.28a-김완수

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