카이랄 스멕틱 액정과 네마틱 액정의 혼합물을 이용한 고투과도 수직배향 모드에 관한 연구

Abstract

액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)는 초기의 꼬인네마틱액정(twisted nematic; TN)모드부터 패턴된수직배향(patterned vertical alignment; PVA)모드, 수평전계(in-plane switching; IPS)모드, 수평, 수직전계(fringe field switching; FFS)모드 등으로 광시야각, 투과도 응답속도 등의 기술발전이 있었다. 최근의 기술적 동향은 스마트폰, 태블릿PC 등의 확산과 더불어 고해상도, 저 소비전력을 위한 방향으로 가고 있다. 그리고 고해상도를 위한 요소 중, 가장 중요한 특성이 고투과도 이다. 액정 디스플레이는 단위화소(pixel)내에 트랜지스터(thin film transistor; TFT)로 인한 블랙매트릭스(black matrix; BM)와 각종 광학필름, 컬러필터 등으로 인해 고투과도를 위한 투과도 확보에 어려움이 많다. 이러한 점을 개선하기 위하여 새로운 LCD모드가 개발 되었다. 최근 개발 된 super vertical alignment(SVA)모드는 기존의 PVA 모드와 달리, 하판에만 패턴(pattern)을 형성 하였다. 이는 액정이 2단계로 움직이는 것을 유도하는데, 전기장 인가 시 초기에는 전기장의 방향성에 따라 액정이 움직인 후, 전극의 가장자리에서 액정이 안정된 상태로 움직이고, 액정의 flow로 인하여 전극 패턴의 방향으로 정렬하게 된다. 이를 통해 슬릿영역에서 액정이 전기장의 영향을 받지 않고, 서있게 되어 투과도를 감소 시키는 PVA의 문제점을 개선하였고, SVA 모드의 고투과도를 가능케 한다. 하지만, 전기장 인가 시, 2단계로 액정이 움직이기 때문에 응답속도가 느리고, 전극 중앙부분의 액정 정렬이 느리다는 단점이 있다. 이를 개선 하기 위하여 광경화성 액정(reactive mesogen; RM)을 사용하여, 초기 상태에서 액정의 방향(pretilt)을 결정지어준다. 하지만 RM을 경화시키기 위한 UV조사가 필요하고, 공정상 문제를 유발할 수 있다. 따라서 기존의 공정을 사용하면서 투과도 특성을 향상 시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다. 이러한 부분에 부합하는 것으로 고성능 액정의 개발을 꼽을 수 있다. 새로운 액정의 개발을 통한 투과도 특성의 향상은 고투과도를 위한 가장 근본적인 방법이다. 본 논문에서는 카이랄 스멕틱 액정에 네마틱 액정을 혼합한 액정을 PVA모드에 적용 함으로써 투과도를 향상시키는 방법을 제안한다. 액정은 상에 따라서 질서 매개변수(order parameter)가 변하는데, 일반적으로 등방상(isotropic phase)-네마틱상(nematic phase)-스멕틱상(smectic phase)-고체(crystal) 순으로 고체화가 될수록 질서 매개변수가 증가한다. 질서 매개변수가 증가 하는 것은 액정 집단의 방향자에 대한 방향 질서도가 증가한다는 것을 의미한다. 따라서 네마틱 액정의 질서 매개변수가 증가한다면, 투과도를 향상 시킬 수 있다. 질서 매개변수를 향상 시키기 위해, 네마틱 액정 대비 높은 질서 매개변수를 갖는 카이랄 스멕틱 액정을 네마틱 액정과 혼합 하였다. 카이랄 스멕틱 액정이 네마틱 액정 내에서 카이랄 스멕틱 액정의 특성을 잃지 않고 독립적으로 존재한다면, 혼합물의 질서 매개변수를 증가 시킬 수 있다. 그리고 카이랄 스멕틱 액정과 네마틱 액정의 혼합물에서 카이랄 스멕틱 액정이 독립적으로 존재하는지 판별하기 위해서, 자발분극 특성을 측정하였다. 그 결과, 카이랄 스멕틱 액정의 고유한 성질인 자발분극 특성이 관측되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 혼합물의 상전이 온도 확인을 통해, 상온에서 네마틱 상으로 존재하는 것을 확인 하였다. 위의 결과는 네마틱 상에서 카이랄 스멕틱 액정의 특성이 존재하는 것을 의미한다. 그 후, 혼합물을 PVA 모드에 적용하였고, 우수한 투과도 특성을 구현하였다. 위의 결과를 통해, 혼합물의 카이랄 스멕틱 액정이 독립적으로 존재하면서, 네마틱 액정의 질서 매개변수를 증가 시켰다는 것을 알 수 있다. 질서 매개변수의 증가는 액정의 방향 질서도를 증가 시키고, 이는 질서 매개변수가 낮은 네마틱 액정만을 사용한 경우보다 높은 투과도를 구현 할 수 있게 하였다.