카이럴 액정의 광특성 및 카이럴 액정 기반의 전기광학 소자에 관한 연구

Abstract

액정은 인가 전압 조절과 표면 배향 공정을 통해 광학적 비등방성을 쉽게 조절할 수 있어 평판디스플레이를 비롯한 다양한 전기광학 소자에 응용되고 있다. 특히 카이럴 특성을 가지는 액정상의 일종인 콜레스테릭 액정과 블루상 액정은 새로운 개념의 차세대 디스플레이 적용 소자로써의 잠재적 응용성으로 인해 많은 관심을 받고 있으며 최근 풀컬러 전자종이 디바이스, 고속응답 액정 모드 구현 등의 광범위한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 콜레스테릭 액정의 온도에 따른 카이럴 피치 변조 특성 및 고정화 기술을 이용한 단일 액정층 풀 컬러 구현 디바이스와 블루상 액정의 내부 유효 전계 향상을 통한 저전압 구동 블루상 액정 디바이스에 대한 연구 결과를 기술하였다. 광학 특성과 전기광학 특성에 대한 물리적 현상을 이해하고 특성 향상을 위한 기술을 제시, 이를 적용한 차세대 디스플레이 소자의 관점에서 연구 결과를 저술하였다. 첫번째로, 콜레스테릭 액정의 온도 변화에 의한 카이럴 피치의 변조와 변조된 카이럴 피치의 고정화에 대한 연구 결과를 기술하였고, 이를 이용하여 차세대 전자종이 디스플레이로 응용 가능한 멀티 컬러 액정 디바이스를 제작하여 연구결과를 입증하였다. 콜레스테릭 액정의 액정층 내부에 온도 증가 시 액정 분자간의 열적 팽창 현상으로 카이럴 피치가 감소하는 물리적 현상을 이론적 모델을 도입하여 기술하였다. 또한 고농도의 카이럴 도펀트가 혼합된 콜레스테릭 액정의 경우, 특정 경계 온도점 이하에서는 열적 팽창 효과와 더불어 카이럴 도펀트의 온도 의존성 농도 차의 영향을 동시에 받아 카이럴 피치의 변조 현상을 관련 실험 결과들을 통해 분석함으로써 온도 의존성을 갖는 콜레스테릭 액정의 카이럴 피치의 변조 현상을 설명할 수 있었다. 연이어 본 논문에서는 변조된 카이럴 피치를 가지는 콜레스테릭 액정에 고분자 구조물의 적용을 통한 변조된 카이럴 피치의 고정화 현상에 대해 기술 하였다. 광중합성 단분자 물질을 콜레스테릭 액정에 혼합한 후, 간단한 UV 공정을 통해 형성된 고분자 네트워크 구조물을 형성하고 이때 구조물 표면에서 작용하는 고정화 에너지를 이용하여 인위적으로 변조된 콜레스테릭 액정의 카이럴 피치를 고정화, 안정화 하였다. 최종적으로 이러한 연구 결과를 적용하여 단일 액정층에서 멀티 컬러의 광특성을 가지는 콜레스테릭 액정 디바이스를 제작 하였고, 이를 통해 차세대 컬러 전자종이에 적용 가능성을 가늠할 수 있었다. 다음으로 본 논문에서는 두 개의 회전축을 가지는 콜레스테릭 액정상, 즉 블루상 액정 내부에 인가되는 유효 전압의 증가를 통한 저전압 구동 블루상 액정 디바이스에 대한 연구 결과를 기술하였다. 블루상 액정은 광학적인 등방상 특성에 의한 dark 시인성의 우수성, 빠른 응답속도, 러빙공정의 불필요 등의 장점으로 인해 차세대 액정 소자로 각광받고 있으나, 구동전압 특성 향상 및 상유지 온도 구간의 확장 등의 과제를 가지고 있다. 본 연구에서는 구동 특성 향상에 초점을 맞추어 구동전압 특성을 결정 짓는 액정 셀 내부의 유효 전계 증가를 위한 연구를 진행하였다. 블루상 액정 셀 내부에 oblique한 전계와 in-plane 전계를 동시에 형성하는 기술과 in-plane 전계와 fringe 전계의 조합을 유도하기 위한 기술을 제시하였다. 두 기술은 기존의 in-plane switching 전극 구조를 적용한 디바이스와 대비하여 향상된 Kerr value 를 유도할 수 있었고, 이로 인해 셀 내부의 유도 복굴절 향상 및 저전압 구동을 가능하게 하였다. 결론적으로, 본 논문에서는 카이럴 액정 소자 중 대표적인 콜레스테릭 액정과 블루상 액정의 광학 특성과 특성 향상을 위한 시키기 위한 기술을 제시하였고, 이를 응용하여 연구 결과를 입증할 수 있는 액정 디바이스를 제작, 전기광학 특성을 기술함으로써 차세대 액정 디스플레이 적용 가능성을 타진하였다. 본 논문에서 소개된 연구 결과는 현재 도래한 액정 디스플레이의 산업적 위기 속에 많은 연구자들에게 귀감이 될 것을 기대하며, 산업적 위기 극복과 디스플레이 산업에서의 주도적인 역할을 할 수 있는 지향적인 기술로 여겨질 것으로 기대된다.