콜레스테릭 액정 공정 실험

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콜레스테릭 액정 공정 실험

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본 실험을 통해 필자는 콜레스테릭 액정의 공정 과정을 이해하고, 

특성을 파악하여 콜레스테릭 액정의 한계점을 찾고 장-단점을 조사하며

이 액정을 어디에 사용하면 좋을지에 대한 필자의 개인적인 생각을 드러내고,

한계점을 극복하기 위해서는 어떠한 기술이 있는지에 대한 조사를 하여 보고서를 작성했습니다.

콜레스테릭 액정이란?

 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystal, CLC) 또는 카이랄 네마틱 액정(chiral nematic liquid crystal)은 네마틱(nematic) 액 정에 주기적 나선구조를 유도하는 카이랄 도판트(chiral dopant)가 첨가된 액정으로, 네마틱 액정의 director가 나선 축을 따라 꼬이면서 층을 이루며 배열한 나선형의 구조를 가집니다. 

CLC는 나선 축 방향이 배열된 형태에 따라 3가지의 구조로 나누어지는데, 기판 표면에 대하여 CLC 나선 축들이 수직으로 배열된 경우를 planar, 기판에 수평일 때를 homeotropic(vertical), 그리고 나선 축들이 random하게 배열된 형태를 focal conic 구조라고 합니다. 

이 가운데 CLC 배열이 planar 구조를 이루었을 때는 나선의 꼬인 방향과 반복구조의 피치(pitch, p )에 따라 빛을 선택적으로 반사하는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 

CLC에 입사하는 빛을 회전 방향이 서로 반대인 두 개 의 원편광 빛의 합으로 표시할 때 CLC의 꼬인 구조와 같은 방향의 원 편광 빛은 반사되고 반대 방향의 원편광 빛은 투과하는 특성을 가집니다. 

이때, 반사되는 빛의 파장 λ 는 액정의 평균 굴절률 n 과 CLC 피 치의 곱으로 pn λ ×= 표시되므로, 피치를 다양하게 가지는 CLC를 제조하면 반사되는 빛의 파장 영역이 넓은 필름을 얻을 수 있습니다. 

TFT-LCD의 문제점 중 하나인 휘도 향상 문제를 해결하기 위하 여 CLC의 선택 반사 특성을 이용하면 빛의 재활용을 통하여 LCD의 휘도를 향상시킬 수 있어 CLC를 사용한 반사형 편광 필름 제조에 많은 관심이 모이고 있습니다. 

반사형 편광 필름은 투과되는 편광을 제 외한 나머지 빛을 흡수하지 않고 반사하는데, 이때 반사된 빛은 LCD 내부에서 재반사되며 그 편광 특성이 변하여 다시 필름으로 입사될 때 투과하게 되어 휘도가 향상되는 것입니다. 

CLC 선택 반사에서 회전 방향이 서로 반대인 두 개의 원편광 빛 중 CLC의 꼬인 구조와 같은 방 향의 원편광 빛만 반사되므로 선택 반사율은 이론적으로 50%가 되어야 하는데, CLC를 이용한 편광 필름 제조 공정에 따라 50%에 이르지 못하는 선택 반사율을 보이는 경우가 있습니다.

위 그림은 콜레스테릭 액정의 방향성을 보여주는 그림입니다.

콜레스테릭 액정은 서로 평행한 층에 나란한 방향으로 분자가 배열되며 그 층에서는 마음대로 움직일 수 있습니다. 

그리고 인접한 층의 분자배열이 조금씩 회전하고 있습니다.

그림에서 맨 뒤의 층은 수직 방향을 하고 있지만 앞으로 오면서 점진적으로 방향이 회전하여 맨 앞 층은 수평방향으로 하고 있습니다.

콜레스테릭 액정 제작 과정

콜레스테릭 액정을 이용하여 무엇을 만들고 발명하느냐 보다는 아직 콜레스테릭에 대한 특징과 지식이 부족하므로 콜레스테릭 액정 제작 과정을 이해하고 그 과정을 통해 이 액정이 어떠한 특성을 가지고 있는지 분석하여 어떠한 기술에 사용하면 어울리고 적당할지에 대해 생각해보자는 생각으로 실험을 했습니다.

 먼저, 전압을 이용하여 액정의 방향을 바꿔주기 위해서는 전극이 기판에 패턴이 되어있어야 합니다. 

그러므로 ITO 투명전극이 패턴 된 기판 2개를 준비합니다. 

그 다음 제작 과정은 아래와 같습니다.

(1). ITO가 있는 것을 확인하기 위해 저항을 측정해줍니다. 저항이 있는 면이 ITO가 있는 면입니다.

(2). glass를 세정해 주는데, 아세톤과 IPA를 단계별로 와이퍼를 적셔서 glass를 세척해주어 유기물과 무기물을 제거해줍니다. 

세정액을 많이 적시면 glass에 기포가 생길 수 있는데, 이 경우에는 얼룩이 생기는 것을 방지하기 위해 적시지 않은 와이퍼 부분으로 닦아줍니다.

(3). 세정 후, 등에 비추어 파티클이 있는지 확인을 하고 파티클이 있을시 다시 닦아줍니다.

(4). 인원을 분담하여 2개의 glass중 한 개는 4.5마이크로 볼(spacer)을 산포하여 주고 다른 한 개에는 seal line을 그려줍니다.

 

(5). spacer를 도포할 때 IPA를 섞어서 도포해주었기에 IPA의 강한 휘발성을 이용하여 hot plate에서 3분간 70도로 가열을 해주어 IPA를 증발시켜 주면 고체 상태인 spacer만 남게 됩니다.

(6). 두 개의 glass를 서로 붙여주는데 이때 glass의 끝부분 공간을 남기고 붙여준 후 살포시 눌러줍니다.

(7). UV 경화기에서 UV를 3분간 쬐어줍니다.

실험을 진행하는 과정에서 액정을 주입하고 전압을 인가하여 콜레스테릭 액정의 특성을 확인하는 과정에서 액정을 누르고 전압을 인가하는 과정에서 실험한 glass에 문제가 생기면 결과적으로 측정하는 스펙트럼 확인에 오차가 크게 생길 수 있으므로 미리 준비해둔 액정으로 실험을 실시하였습니다.

(8). 약 40V의 전압을 인가하여 준다. 전압이 인가되면 색의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있습니다. 

전압을 가하면 투명한 상태가 되며, 전압을 가하지 않으면 불투명한 상태가 됩니다. 

전압을 높일수록 색 변화가 빠르며 색이 나타난 상태를 ‘플라나 상태’ 라고 합니다. 

다시 본 실험 과정으로 돌아오면 다음 과정은 아래와 같습니다.

(9). 이 과정은 650nm의 red색을 띄는 액정을 마이크로 피펫으로 15마이크로 조정하여 팁을 연결하여 액정을 소량 흡수합니다.

(10). 위 그림은 모세관 현상을 보여주는 그림입니다.

하판과 상판 사이에 액정을 주입하면 모세관 현상으로 인해 액정이 주입됩니다.

여기서 주의해야 할 사항은 액정을 너무 많이 넣으면 옆으로 새버립니다.

(11). seal line으로 옆 부분을 채워서 막아준 후, 와이퍼를 이용하여 새어나온 액정들을 닦아줍니다.

(12). 마지막 과정으로 UV를 이용하여 3분간 경화시켜주면 봉지까지의 과정이 끝납니다.

스펙트럼 확인

콜레스테릭 액정의 첫 번째 측정과 두 번째 특정한 스펙트럼입니다.

위의 두 그래프와 색 좌표계를 분석하면 주파수가 620~630에서 반사되는 빛이 생기므로 그래프가 상승하는 모습을 볼 수 있었고,

색 좌표계에서는 green과는 약간 멀지만 red에는 가까운 점이 찍혀있는 것을 확인하였다. 

위 그림은 파장에 따른 색 반사 그래프입니다.

파장에 따른 색 반사 그래프를 보면 실험 도중에 왜 red와 green을 볼 수 있었는지 확인할 수 있었습니다. 

프리즘 결과로 나온 그래프에서, 실험한 액정이 620~630nm 정도의 파장인데 색 반사 그래프를 보면 알 수 있듯이 파장이 620nm에서는 green과 red가 겹쳐지는 부분이 생기게 됩니다. 

이러한 이유로 인해 green과 red가 반사되어 보였던 것입니다.

결론

개인적인 생각과 결론을 말씀드리자면,

필자가 실험한 내용은 액정의 반사율과 관련이 있다고 볼 수 있습니다.

 일반적으로 콜레스테릭 액정의 문제점은 선택 반사율이 이론적으로는 50% 정도 가까이 되어야 하지만 planar 구조가 제대로 유도되지 못한 경우,

planar 구조의 양에 비례하여 나타나기에 50%에 미치지 못하는 문제점이 있습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법을 생각해보고 조사해보았습니다.

 콜레스테릭 액정의 planar배열이 잘 유도될수록 선택 반사율이 높아집니다. 

또한, 배향막을 사용하면 더욱 효과적인 반사율을 나타낼 수 있습니다. 

하지만 선택 반사율이 고온에서 상온보다 액정 배열이 흐트러져서 planar 구조를 유지하지 못하기 때문에 반사율이 떨어질 수 있는데, 

이러한 문제점을 해결하기 위해 공정온도를 낮추면서 액정 개발을 실시하는 프로젝트를 연구하면 좋을 것 같습니다.  

 또한, 구동 전압의 문제점이 있었는데 Eastman Kodak에서도 64 × 64 모 노 passive matrix 디스플레이를 캡슐화된 콜레스테릭 액정 모드를 이용하여 발표한 경우가 있지만 높은 구동전압과 낮은 비비 등의 문제로 연구 개발을 중단한 경우가 있었습니다.

 이러한 구동 전압 문제를 해결하기 위해서는 다층을 단일층으로 이용하면 구동회로가 간단해져서 낮은 전압으로 구동을 할 수 있을 것입니다.