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문제 정의
- 본 논문에서는, 스위칭 시간이 빠르고 유지시간이 긴 장점을 모두 가지는 새로운 쌍안정 액정 모드를 제안한다. 제안된 액정셀은 왼손(left-handed) 및 오른손(right-handed) 방향으로 180°트위스트된 상태를 두 개의 안정상으로 사용한다.
가설 설정
- 그림 2. 제안된 쌍안정 액정셀의 제작 과정.
제안 방법
- 또한 카이랄 도펀트를 첨가하지 않고, 액정과 자외선경화(UV-curable) 폴리머의 비등방성(anisotropic) 상분리(phase separation)로 형성된 화소분리 격벽이 가지는 앵커링 효과를 이용해서 액정상을 안정화시켰기 때문에, 두 액정상은 거의 동일한 탄성에너지를 가진다. 제안된 쌍안정 액정셀의 제작방법 및 스위칭 특성을 살펴보고, 스위칭 메커니즘과 화소분리 격벽의 탄성 에너지에 대한 효과를 이론적으로 접근해보았다. 또한, 각각의 액정상이 우수한 분광특성의 블랙과 화이트 상태가 되도록 하기 위해 위상지연필름을 사용한 광학보상을 하였으며 높은 명암비의 투과형 액정 디스플레이를 구현하였다.
- 제안된 쌍안정 액정셀의 제작방법 및 스위칭 특성을 살펴보고, 스위칭 메커니즘과 화소분리 격벽의 탄성 에너지에 대한 효과를 이론적으로 접근해보았다. 또한, 각각의 액정상이 우수한 분광특성의 블랙과 화이트 상태가 되도록 하기 위해 위상지연필름을 사용한 광학보상을 하였으며 높은 명암비의 투과형 액정 디스플레이를 구현하였다.
- 자외선은 30 mW/cm2의 세기로 30분 동안 조사하였으며, 광마스크는 자외선을 차단하는 300×300 μm2 면적의 검은색 사각패턴과 패턴 주위에 30 μm의 간격의 자외선 투과영역으로 이루어져 있다.
- 제안된 쌍안정 액정셀은 시인성 확보를 위해서 명암비의 개선이 필요하다. 우리는 셀갭과 위상지연필름의 파라미터를 최적화하여 정면 명암비가 개선된 투과형 액정셀을 제작하였다. 최적설계에 의한 액정셀의 셀갭은 3.
- 우리는 왼손방향과 오른손방향 180°트위스트 상태를 두 개의 안정된 액정상으로 가지는 새로운 구조의 쌍안정 액정 디스플레이를 제작했다.
- 제안된 액정셀은 왼손(left-handed) 및 오른손(right-handed) 방향으로 180°트위스트된 상태를 두 개의 안정상으로 사용한다.
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II. 제안된 쌍안정 액정셀의 제작
제안하는 쌍안정 액정셀의 제작방법 및 구동특성을 이해하기 위해서는 먼저 그림 1에 나타나 있는 파이셀(pi-cell)에서의 수직인가 전압에 따른 액정상의 변화를 알아야 한다. 파이셀은 동일한 배향방향을 가지도록 상하 기판을 합착한 액정셀이며, 초기에 스플레이(splay) 상태를 가진다.
- 7)과 불소화 아크릴레이트 (fluorinated acrylates)를 사용하였다. 상하기판에 1 kHz 주파 수로 6 V의 교류전압을 인가한 상태에서 광마스크를 이용하여 선택적으로 자외선을 조사하였으며, 인가하는 수직전압은 스플레이에서 밴드로 전이시키고 자외선 조사 중 액정상을 밴드로 유지시켜주는 역할을 한다. 자외선은 30 mW/cm2의 세기로 30분 동안 조사하였으며, 광마스크는 자외선을 차단하는 300×300 μm2 면적의 검은색 사각패턴과 패턴 주위에 30 μm의 간격의 자외선 투과영역으로 이루어져 있다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 광원은 563.8 nm 파장의 레이저이고, 스위칭된 액정상 사이의 투과율 차를 구분하기 위해 편광판과 액정셀 사이에 530 nm 위상지연값을 갖는 필름의 광축을 편광판의 투과축과 45°각도를 이루도록 두었다.
- 액정 및 폴리머 물질은 각각 머크(Merck) 사의 이중주파수 액정인 MLC-2048(Δn = 0.2077, 1 kHz에서 Δε = +3.3, 100 kHz에서 Δε = -2.7)과 불소화 아크릴레이트 (fluorinated acrylates)를 사용하였다.
- 배향막은 잘스(JRS.)사의 수평 배향막인 Al90101를 사용하였으며, 선경사각과 셀갭은 각각 5°와 4.2 μm였다.
이론/모형
- 최근, 우리는 파이셀에 수직 전계를 인가하여 밴드로 전이시킨 상태에서 화소분리 격벽을 형성시킨 후 전압을 제거하면 격벽이 가지는 앵커링 효과로 180°트위스트 상태가 안정화된다는 결과를 발표하였으며,[4] 이것을 이용하여 초기 상태인 왼손방향 180°트위스트를 초기 액정 상으로 가지는 쌍안정 액정셀을 제작하였다. 이때, 화소분리 격벽의 형성 방법으로 자외선 조사를 이용한 액정과 폴리머 물질의 비등방적 상분리 방법[5-8]을 이용하였다.
- [10,11] 밴드 상태로부터 180° 트위스트 상태로 바뀌는 과정에서 액정분자들의 배열상태의 변화를 살펴보기 위해, 전계 제거 직후부터 시간에 따른 액정분자들의 틸트각과 트위스트 각의 변화를 에릭슨-레슬리 (Ericksen-Leslie) 유체방정식을 이용해 계산하였다.
성능/효과
- 그림 3(a)는 초기 스플레이 상태를 가지는 기존 파이셀이며, 그림 3(b)는 화소분리 격벽이 형성된 액정셀이다. 직교편광판 사이에 한쪽 편광판의 투과축과 러빙방향을 일치시킨 상태에서 기존 파이셀은 빛이 투과하지 않으며, 제안하는 쌍안정 액정셀은 격벽이 형성된 부분을 제외하고 빛이 투과하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 액정과 폴리머의 상분리가 잘 이루어졌으며, 화소 내부의 액정상이 스플레이가 아닌 트위스트 상태라는 것을 나타낸다.
- 즉, 초기 액정상은 왼손방향으로 꼬였으며, 이중주파수를 이용한 스위칭에 의해 오른손방향으로 꼬인 180°트위스트 상태가 되었음을 확인할 수 있다.
- 그림 4(b)에서 인가전압에 의해 투과율이 변하고, 변화된 투과율은 전압을 제거한 후에도 유지가 되는 것을 확인할 수 있다. 왼손방향에서 오른손방향 트위스트 상태로 스위칭될 때, 전압제거 후 액정의 응답시간은 2.5 ms로 매우 빠른 응답특성을 보였다.
- (a)와 같이, 저주파 전압을 제거한 후에 액정분자의 트위스트 성분이 오른손방향인 기간을 지난 후, 별도의 전압을 인가하지 않거나 고주파 전압을 인가하는 경우에는 왼손방향 180°트위스트 상태가 안정화된다.
- (b)와 같이, 저주파 전압을 제거한 후 액정분자의 트위스트 성분이 오른손방향인 기간 내에 고주파 전압을 인가하면 트위스트 방향을 유지한 채로 액정분자들의 틸트 성분이 제거되므로 오른손방향 180° 트위스트 상태가 안정화된다.
- 왼손방향에서 오른손방향 180°트위스트 상태로 스위칭되더라도 결국 가장 안정된 스플레이로 전이가 일어나서 초기상태로 돌아가는 것을 확인할 수 있다.
- 전압을 인가한 상태에서 이중주파수 액정과 자외선경화 폴리머 물질의 혼합물의 비등방성 상분리 방법으로 형성된 화소분리 격벽을 형성하였고, 격벽이 가지는 앵커링에 의해 초기 왼손방향 180°트위스트 상태가 안정화됐다.
- 그림 9(a) 구조에서는 계산결과 4:1 정도의 정면 명암비 특성을 얻었으며, 그림 9(b)의 구조에서의 50:1 이상의 높은 명암비 특성을 얻을 수 있었다. 후자의 구조로 제작된 실제 액정셀에서도 계산결과와 마찬가지로 우수한 블랙 및 화이트 상태를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 전압을 인가한 상태에서 이중주파수 액정과 자외선경화 폴리머 물질의 혼합물의 비등방성 상분리 방법으로 형성된 화소분리 격벽을 형성하였고, 격벽이 가지는 앵커링에 의해 초기 왼손방향 180°트위스트 상태가 안정화됐다. 이중주파수 구동파형을 이용해서 안정된 두 상간의 스위칭이 가능하며, 왼손방향에서 오른손방향 트위스트 상태로의 스위칭과 오른손방향에서 왼손방향 트위스트 상태로의 스위칭에서 각각 2.5 ms와 60 ms의 응답시간을 보였다. 두 안정상은 모두 10시간 이상의 유지시간을 보였으며, 상온에서 최소 15일까지도 액정상의 변화가 없는 우수한 메모리 특성을 가지고 있다.
- 5 ms와 60 ms의 응답시간을 보였다. 두 안정상은 모두 10시간 이상의 유지시간을 보였으며, 상온에서 최소 15일까지도 액정상의 변화가 없는 우수한 메모리 특성을 가지고 있다. 또한, 투과형 광학설계를 통해 50:1 이상의 높은 명암비를 구현할 수 있음을 확인하였다.
- 두 안정상은 모두 10시간 이상의 유지시간을 보였으며, 상온에서 최소 15일까지도 액정상의 변화가 없는 우수한 메모리 특성을 가지고 있다. 또한, 투과형 광학설계를 통해 50:1 이상의 높은 명암비를 구현할 수 있음을 확인하였다. 형성된 화소분리 격벽은 외부의 압력이나 휨에 의한 변형으로부터 셀갭 및 액정의 배열상태를 안정화시키고 기판의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, [6,8] 플렉서블(flexible) 디스플레이로의 적용이 용이할 것으로 기대된다.
- 이때, 고주파 전압을 너무 빨리 인가하면 충분한 오른손방향의 트위스트 성분이 나타나지 않고, 너무 느리게 인가하면 왼손방향 트위스트 성분이 나타나므로, 모든 픽셀에서의 안정된 스위칭을 위해서는 고주파 전압을 인가하는 적절한 시간(액정완화 구간)을 확보해야 한다. 계산결과에서는 액정완화 구간(TRelax)이 1 ms일 때, 오른손방향 트위스트 성분이 가장 컸으며, 실험결과에서도 1 ms에 근접한 0.7 ms와 1.2 ms 사이의 값으로 액정완화 구간을 정했을 때, 가장 안정된 스위칭 특성을 보였다.
후속연구
- 제안된 쌍안정 액정셀은 시인성 확보를 위해서 명암비의 개선이 필요하다. 우리는 셀갭과 위상지연필름의 파라미터를 최적화하여 정면 명암비가 개선된 투과형 액정셀을 제작하였다.
- 또한, 투과형 광학설계를 통해 50:1 이상의 높은 명암비를 구현할 수 있음을 확인하였다. 형성된 화소분리 격벽은 외부의 압력이나 휨에 의한 변형으로부터 셀갭 및 액정의 배열상태를 안정화시키고 기판의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, [6,8] 플렉서블(flexible) 디스플레이로의 적용이 용이할 것으로 기대된다.
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