Experiments and Simulations on Ion Transport in a Reflective Liquid Crystal Microdisplay

Abstract

It is necessary to investigate the ion motion in the liquid crystal on silicon (LCoS) cell as the ion motion in the liquid crystal (LC) cell is related to flicker and image sticking phenomena of the display. Since the built-in potential exists in the reflective LCoS cell due to the work-function difference between the aluminum (Al) and the indium-tin oxide (ITO) layers that are used as electrodes, the flicker is generated unless the DC offset voltage is applied to compensate the built-in potential. In this research, we first show the experimental result that the applied DC offset voltage should be adjusted with time as the display is operated over time. To understand the experimental result, we simulate the ion motion in LCoS cell by considering the drift and diffusion. As the ion concentration in the LC increases, the ionic charge screening effect increases and the DC offset voltage decreases as a consequence. We solve for the ion concentration required to compensate the built-in potential completely. For an ion concentration higher than the value obtained above, the DC offset voltage can change its sign. We predict the increased ion concentration as time progresses, by matching the experimental and simulation results.; 반사형 액정 마이크로 디스플레이(reflective liquid crystal microdisplay)의 특성 향상과 관련하여 액정 내부에 존재하는 이온의 이동 현상을 살펴 볼 필요가 있다. 액정 내 이온의 움직임은 flicker, image sticking 현상과 관련하여 지속적으로 연구되어 왔다. 특히 LCoS(liquid crystal on Silicon) 셀 내부에는 전극으로 쓰이는 Al과 ITO 사이의 일함수 차이에 의해 built-in potential이 존재한다. 그에 따라 flicker 현상이 생겨나며 이를 없애주기 위해서 built-in potential을 상쇄시키는 DC offset voltage를 가해 주어야만 한다. 이번 연구에서는 먼저 이온 분포의 시간 변화에 따라, 가해주어야 하는 DC offset voltage도 변화함을 실험적으로 보였다. 실험 결과를 이해하기 위해, 표류와 확산을 고려하여 액정 내 이온의 움직임을 전산모사하였다. 이 결과, 이온의 농도가 증가함에 따라 이온의 전하 가리기 효과(charge screening effect)도 증가하여 DC offset voltage가 감소한다는 것을 보일 수 있었다. 특히 built-in potential을 완전히 상쇄시키는데 필요한 이온 농도를 구할 수 있었으며, 이온 농도가 이보다 클 경우 DC offset voltage의 부호가 바뀜을 보일 수 있었다. 또한 실험과 전산모사 결과를 종합하여, 시간이 지남에 따라 증가하는 이온의 농도를 예측할 수 있었다.