액정디스플레이에 있어서 액정-고분자 계면의 역할

김영철, 김정엽

한국과학기술연구원, 정보재료소자연구센터

Role of Liquid Crystal-Polymer Interface in LCDs

Young Chul Kim and Chung Yup Kim

Electronic Materials and Devices Research Center, KIST

서론

소비전력이 적고 휴대성이 높은 고성능의 평판디스플레이는 최근 급속히 발전하고 있는 정보화사회에서 정보□통신 기기와 사용자를 잇는 human-machine interface로서의 역할을 담당하고 있으며, 현재는 액정디스플레이(LCD)가 그 주류를 이루고 있다. LCD의 성능향상을 위해서 화학, 물리, 전기, 전자, 재료, 및 반도체 등 다양한 분야의 신기술들이 기여하고 있는데, 여기에서는 액정-고분자 계면현상의 이해와 응용에 관한 몇 가지 연구결과를 언급하고자 한다.

이론

LCD의 기능은 기본적으로 전기장의 인가 및 제거에 의해 액정 분자들의 배열방향을 바꿈으로써 백라이트와 후면 편광판에서 발생한 편광의 진동방향을 바꾸어 전면 편광판을 통해 투과도를 조절하는 것이다. 전기장이 인가된 상태에서는 액정이 대개 전기장과 평행하게 배열하여 입사광의 진동방향을 바꾸지 못하나 전기장이 제거된 상태 (off-상태)에서는 twisted nema- tic (TN) 또는 super- twis- ted nematic(STN)의 형태로 배열하여 입사광의 진동방향을 변화시키는데, 이러한 off-상태 액정배열의 경계조건을 결정하는 것이 액정배향막이다. 상업적으로는 폴리이미드(PI)막을 투명전극(ITO) 상에 형성시키고 나일론 천 등으로 마찰시켜 액정분자들이 마찰방향으로 배열하게 하는 방법을 이용하고 있으며, 그밖에 고분자 필름의 연신, LB 필름, SiOx의 사향증착, 편광 UV조사에 의한 고분자표면의 이방화법 등이 발표되어 있다. 액정이 고분자 막의 표면에서 일정 방향으로 배향할 수 있게 하는 상호작용의 종류로는 dispersion force, polar group 간의 정전기적 인력, steric interaction, 수소결합 등의 화학적 인력, groove에 의한 기하학적 영향 등을 언급할 수 있으나, 아직 일반적으로 적용되는 명확한 메카니즘은 알려지지 않고 있다. 또한 마찰 PI막 상에서 배향된 액정분자들은 PI막과 일정각도를 가지는데 이를 pretilt angle이라 하며 이 각도가 존재하여야만 reverse tilt 및 reverse twist dislocation에 의한 LCD의 결함을 막아줄 수 있다.

그림 . Dark mode TN-LCD의 작동원리.

결과 및 토론

모든 종류의 LCD에 있어서 액정분자들은 고분자와 직접 접촉한 채로 작용하므로 액정-고분자의 계면특성은 LCD의 성능에 매우 큰 영향을 미치게 된다.  전기장을 인가한 후 LCD의 투과도가 10에서 90%로 증가하는데 걸리는 시간을 rise time(□r)이라 하며 다음과 같이 인가전기장(V)의 함수로 표시된다.

[eqn: {1 } over { { tau}_{ r} } ~ = ~ { { epsilon }_{0 }DELTA epsilon } over {4 pi eta { d}^{2 } } LEFT ( { V}^{ 2} ~ - ~ { { V}_{ th} }^{2 }~ RIGHT )]    식 (1)

그러나, 상수들 중 □0는 진공에서의 유전율, □□은 액정의 유전율 이방성, □는 액정의 점도, d는 셀의 두께, Vth는 10%의 투과도를 얻기 위한 임계전계강도로서 이 식은 액정의 물성과 셀의 두께만을 고려할 뿐, 액정과 배향막간의 분자적 interaction을 전혀 고려하지 않고 있다. 따라서 Merck사의 액정 ZLI-2293으로 두께 4.6□m의 TN 셀을 구성할 때, 여러 가지 다른 고분자를 배향막으로 사용하여 1/□r과 V2의 관계를 살펴보았다.1  그림 2에서 볼 수 있는 바와 같이 배향막의 종류에 따라 식 (1)의 기울기가 크게 다르며, 이로부터 LCD의 응답속도는 액정자체의 물성 뿐 아니라 액정-고분자의 계면특성에 의해 큰 영향을 받는다는 사실을 알 수 있었다. 식 (1)를 수정하여 식 (2)와 같이 표시하면 M은 식 (1)에서의 이론적 기울기이며 f는 액정-고분자간의 인력을 고려하는 보정상수가 된다.

그림 .  각종 고분자 배향막을 사용한 4.6 □m ZLI- 2293 TN-LCD의 인가전압에 따르는 rise time의 변화.

[eqn: {1 } over { { tau}_{ r} } ~ = ~ f~ CDOT ~M~ LEFT ( { V}^{ 2} ~ - ~ { { V}_{ th} }^{2 }~ RIGHT )]	식 (2)

서로 다른 배향막에 대한 f 값들을 표 1에 제시하였는데, 상업적으로 사용되는 PI의 경우는 이론치에 가장 가까운 0.8이며 액정과의 interaction이 커짐에 따라 점점 더 작은 값을 나타내고 있다.

동일계 고분자로서 표면에너지만이 다른 배향막을 형성시켜 액정과의 상호작용 정도를 비교하기 위해 ClO4-와 PF6-로 도핑된 폴리피롤(PPy)막을 전기중합하였다.2  PPy/ClO4 및 PPy/PF6 막의 표면에너지는 각각 43.2 및 32.3 mJ/m2였으며, 액정 5CB와 이루는 pretilt angle은 각각 5.6□0.3 및 14.0□2.2도였다. 이들을 사용하여 TN-LCD를 제조하였을 때, turn-on response time은 PPy/PF6 배향막을 사용한 경우가 빨랐고, turn-off response time(□off)은 PPy/ClO4 배향막의 경우가 빨랐으며, total response time은 □off에 보다 크게 의존하여 PPy/ClO4 배향막의 경우가 빠른 것으로 나타났다. 이로부터 고분자 막의 표면에너지는 액정의 pretilt angle 및 전기광학적 응답속도에 큰 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.

표 1.  식 (1), (2) 및 그림 1에 의해 결정된 기울기(f□M) 및 액정-고분자간 인력보정상수(f).

LCD에 있어서 액정분자는 무정형의 고분자와 접촉하고 있으며 고분자는 온도의 상승에 따라 유리전이를 거친다. 따라서 고분자의 segmental motion은 액정과의 계면 상호작용에 큰 영향을 미칠 것이며, 이를 고찰하기 위해 고분자분산형 액정표시소자(PDLCD)를 제조하였다.3 PDLCD는 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 액정 도메인에 의해 빛이 산란되는 것을 이용하여 편광판을 사용하지 않고 light shutter 및 디스플레이의 기능을 수행할 수 있는 LCD로서, 액정-고분자간의 계면 면적이 매우 넓으므로 그 계면현상을 연구하는데 적합한 시스템을 제공한다. 이와같은 PDLCD 셀을 가열하면서 전기장의 인가-제거를 반복할 때 광투과도의 변화거동은 그림 3과 같은 경향을 나타낸다.  즉, A 영역에서는 PDLC 필름의 생성시 매트릭스 고분자 벽에 형성된 액정배향의 기억이 유지되고 있으므로 액정분자들은 전기장이 제거되면 빠르게 off-상태의 배향으로 되돌아가서 투과도가 초기의 산란상태로 급속히 낮아진다.  그러나, B 영역에서 온도가 상승함에 따라 고분자쇄의 운동이 시작되면 고분자벽은 on-상태에서 전기장에 의한 액정의 배향상태를 수용할 수 있도록 변형될 수 있게 된다. 이 새로운 기억상태는 쉽게 사라지지 않으므로 전기장을 제거하여도 액정분자들은 초기의 off-상태로 빨리 되돌아갈 수 없고 따라서 투과도는 낮아지지 않는다.  유리전이온도를 넘어서면 고분자쇄의 운동은 점점 더 커져 고분자벽은 on-상태의 배향기억을 쉽게 잃어버릴 수 있게 되며 액정분자들은 off-상태로 다시 쉽게 되돌아갈 수 있다. C 영역에서는 액정분자의 운동을 제한하는 고분자 벽의 저항이 없으며 D 영역에서는 액정의 등방화가 일어나 E 영역에서는 전기장에 응답하지 못한다.

그림 3.  온도의 변화에 따르는 PDLCD의 전기광학적 응답거동을 설명하기 위한 모델.

PDLC 시료에 대한 elect- ron paramagenetic resonance spectroscopy(ESR)를 통하여 온도변화에 따르는 액정-고분자 계면특성의 변화를 직접적으로 관찰하였으며,4 자기장에 의하여서도 액정-고분자의 계면을 이방화시켜 배향막의 기능을 수행하게 할 수 있었다.5 또한 PPy 막을 전극 및 흡광판으로 사용하고 고분자에 의한 액정상태의 안정화 효과를 이용한 새로운 쌍안정성 반사형 콜레스테릭 /고분자 분산 디스플레이의 구조를 제안하였다.6

참고문헌

1. W. S. Ahn, Y. C. Kim, D. Y. Kim, and C. Y. Kim, "Polymer Surfaces and Interfaces: Characteristics, Modification and Application", pp. 239-250, K. L. Mittal and K.-W. Lee, Eds., VSP, Amsterdam, 1997.

2. Y. C. Kim, M. W. Kim, S.-S. Pak, and C. Y. Kim, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 319, 183 (1998).

3. W. Ahn, D. Y. Kim, Y. C. Kim, and C. Y. Kim, Ferroelectrics, 156, 191 (1994).

4. Y. C. Kim, S. H. Lee, J. L. West, and E. Gelerinter, J. Appl. Phys., 77, 1914 (1995).

5. Y. C. Kim et al., USP 5,742,370 (1998).

6. Y. C. Kim, J. Y. Lee, S.-S. Pak, and C. Y. Kim, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 327, 157 (1999).