표면 제어를 통한 액정 마이크로 렌즈의 스위칭 속도 향상에 관한 연구

Abstract

액정을 스위칭 매개로 사용한 광 소자의 가장 대표적인 소자는 액정 렌즈이다. 액정 렌즈의 대부분은 마이크로 사이즈의 여러 가지 형태로 연구 되고 있는데, 그 중에서도 대표적으로 연구되는 형태의 액정 렌즈는 회절형(Diffractive type)과 굴절형(Refractive type), 그리고 최근에 발표된 편광 제어 형(Polarization control type)이 있다. 대부분의 diffractive 액정 렌즈는 프레넬 렌즈 형태로 연구되는데, 멀티 도메인을 구성하는 기술 혹은 photo-lithography 기법을 사용하여 제작해야 하므로 공정이 복잡하다. 상대적으로 refractive 액정 렌즈는 공정이 간단하여 많이 연구되고 있지만 액정의 스위칭 동작이 평면이 아닌 굴곡 면에서 이뤄지기 때문에 수백ms 단위의 스위칭 속도를 갖고 있다. 이것은 빠른 스위칭을 요구하는 광학 응용 분야에서는 절대적으로 불리하게 작용한다. 또한, 균일한 굴절률의 분포를 위해서 배향공정을 통해 한 방향으로 배열하기 때문에 편광 의존성이 존재하여 초점의 특성을 저하시키는 단점이 있다. Polarization 제어 형 액정 렌즈는 입사하는 편광 성분을 제어하여 초점의 안정성이 있지만 구조적으로 두 부분을 형성하기 때문에 복잡한 공정과정이 필요하다. 결론적으로 광학 전반적인 분야에서 사용될 액정 렌즈가 되기 위해서는 공정이 간단해야 하며, 초점 특성을 저하 시키지 않는 편광 의존성이 없어야 하며, 스위칭 속도는 빨라야 한다. 최근 액정 디스플레이 분야에서 UV 조사를 통해 2차적인 표면 제어를 하여 응답속도를 향상시키는 방법이 연구되고 있는데, 대표적인 방법으로는 액정에 RM (Reactive Mesogen)을 소량 섞어 사용하는 PS-PVA (Polymer-Stabilization Patterned Vertical Alignment), 수직 배향막과 RM을 소량을 섞어 사용하는 SC-PVA (Surface-Controlled Patterned Vertical Alignment)이 대표적이다. Refractive 액정 렌즈 중에서도 초기 수직으로 배향된 액정 렌즈는 특히 스위칭 속도가 느리다. 배향 공정이 없기 때문에 전압에 의해 재 정렬되는 방향은 결정되어 있지 않다. 전압이 인가됨에 따라 굴곡에 의해 존재하는 액정의 선 경사각로 인해 먼저 splay 변형이 형성되어 재 정렬된다. 하지만 이는 액정의 변형 에너지를 최소화하기 위해서 twist 변형되어 spiral 구조로 변화하는 2-step 동작을 하므로 굉장히 느린 스위칭 속도를 갖는다. 또한 spiral 구조를 형성하는 방향성은 스위칭 과정에서 매번 랜덤하게 형성되어 안정적이지 못한 단점을 가지고 있다. 하지만, 본 논문에서 제안된 표면 제어 방식을 적용할 경우 굴곡에서 액정 분자의 움직임을 1-step으로 제어 가능하고 최종 spiral구조의 방향성이 고정 되므로 안정적이고 빠른 스위칭을 할 수 있다. 액정 분자가 곡면에서 변형 에너지를 최소화하는 방향, 즉 최종 spiral 구조의 방향성을 기억하기 위해서 본 논문에서는 기존의 SC-PVA의 방법과 동일하게 전기장을 인가한 상황에서 UV를 조사하여 액정 분자의 재 정렬 방향을 기억했다. 기억된 재 정렬 방향 때문에 액정 분자의 스위칭 동작은 1-step으로 이뤄짐을 확인했고, 재 정렬되는 방향이 모든 방향에서 존재하게 되므로 편광 의존성은 없는 것으로 실험 결과 확인되었다. 따라서 빠르고 안정된 스위칭을 하면서, 편광 의존성이 없는 액정 렌즈는 표면 제어를 통해서 쉽게 구현될 수 있다.