[논문]콜레스테릭 액정 셀에서 염료를 이용한 Color Shift 제거

박준희; 오승원; 윤태훈

doi:10.3807/kjop.2015.26.2.110

콜레스테릭 액정 셀에서 염료를 이용한 Color Shift 제거
Reduction of Color Shift Using Dichroic Dyes in a Cholesteric Liquid Crystal Cell 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.26 no.2, 2015년, pp.110 - 114

박준희 (부산대학교 전자공학과) , 오승원 (부산대학교 전자공학과) , 윤태훈 (부산대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 스위칭 가능한 브래그 반사판의 한 종류인 콜레스테릭 액정 셀에 염료를 주입함으로써 입사각에 따라 단파장대로 이동된 반사광을 제거하는 셀을 구현하였다. 액정과 카이랄 도펀트를 일정 비율로 혼합하여 원하는 파장대역을 반사하는 콜레스테릭 액정 셀을 제작하였고, 이에 특정한 파장대역을 흡수하는 성질을 가지는 이색성 염료를 혼합함으로써, 빛의 입사각이 증가할 때 단파장으로 이동된 빛을 흡수하여 초기에 설계된 색을 유지할 수 있다. 염료를 혼합하지 않은 콜레스테릭 액정 셀에서는 입사각에 따라서 반사 된 빛이 눈에 띄게 단파장대로 이동되는데 반해, 제안된 방법에서는 염료의 혼합 비율이 1, 2 wt%로 증가할수록 단파장대로 이동된 빛을 더 잘 흡수하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a reflective cholesteric liquid crystal cell with reduced color shift, using dichroic dyes. Color-shifted light is absorbed by dye molecules in the proposed dye-doped cholesteric liquid crystal (DDCLC) cell. We have shown that the color shift can be reduced by increasing the concentration...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 반해 Fig. 1(b)는 콜레스테릭 액정의 회전축을 따라 균일하게 혼합된 이색성 염료가 단파장으로 이동된 파장 대의 빛을 흡수하여 본래의 색을 유지하는 것을 나타내었는데, 본 논문에서는 이 특성을 이용하고자 한다.
본 논문에서는 이색성 염료를 콜레스테릭 액정에 혼합하여 입사각에 따른 반사파장 변화가 줄어드는 특성을 확인하였다. 제안된 방법은 서로 다른 반사 파장을 가지는 콜레스테릭 액정에 각기 다른 염료를 추가해야 하므로, 모든 가시 광 파장대의 색을 구현하는 디스플레이 소자에 적용하기에는 약간의 제한이 따른다.
한편, 제작한 셀의 전기광학특성을 확인하기 위하여, 기준 콜레스테릭 액정 셀과 이색성의 염료를 혼합한 콜레스테릭액정 셀의 전압에 따른 반사율 특성을 확인해 보았다. 제안된 방법으로 제작된 셀 (2 wt%)의 반사율은 기준 셀에 비하여 약 27% 감소하였으나, 포칼코닉, 호메오트로픽 상태로 전환 될 때의 구동전압은 변함이 없었다.

제안 방법

간격자를 이용하여 셀 갭을 10 μm로 유지하고 러빙된 상부와 하부의 유리기판을 반대 방향이 되도록 합착한 후, 이색성 염료를 혼합한 콜레스테릭 액정을 주입하였다.
간격자를 이용하여 셀 갭을 10 μm로 유지하고 러빙된 상부와 하부의 유리기판을 반대 방향이 되도록 합착한 후, 이색성 염료를 혼합한 콜레스테릭 액정을 주입하였다. 또한 제안된 방법과의 특성 비교를 해보고자 동등한 조건하에 이색성 염료를 혼합하지 않은 콜레스테릭 액정 셀을 제작하였다.
우선 상부와 하부의 유리기판에 수평 배향제 (PIA, JNC)를 스핀 코팅하였다. 소성 과정 (200 ˚C, 1 시간)이 완료된 후 콜레스테릭 액정들의 축 맞춤을 위하여 러빙 과정을 진행하였다. 간격자를 이용하여 셀 갭을 10 μm로 유지하고 러빙된 상부와 하부의 유리기판을 반대 방향이 되도록 합착한 후, 이색성 염료를 혼합한 콜레스테릭 액정을 주입하였다.
염료를 혼합한 콜레스테릭 액정은 양의 액정 (MLC-6650, Δn = 0.1498, Δε = 52.6, Merck)과 카이랄 도펀트 (S811, Merck)를 반사파장이 각각 550 nm와 650 nm가 되도록 혼합 비율을 맞추었으며, 해당하는 이색성 염료를 각각 1 또는 2 wt%의 비율로 혼합하였다.
우리는 빛의 입사각에 따라 반사광의 단파장으로의 이동이 두드러지게 나타나는 적색과 녹색으로 각각 설계된 콜레스테릭 액정 소자로 실험을 진행하였다. 단파장으로 이동되는 빛을 효과적으로 흡수하기 위하여 반사하는 빛의 중심 파장을 적색 (650 nm)과 녹색 (550 nm)으로 설계한 콜레스테릭액정 소자에 600 nm와 500 nm 이하의 파장대의 빛을 흡수 하는 이색성 염료를 각각 혼합한다.
제안된 방법의 특성을 확인하기 위하여 셀을 제작하였다. 우선 상부와 하부의 유리기판에 수평 배향제 (PIA, JNC)를 스핀 코팅하였다. 소성 과정 (200 ˚C, 1 시간)이 완료된 후 콜레스테릭 액정들의 축 맞춤을 위하여 러빙 과정을 진행하였다.
제안된 방법의 특성을 확인하기 위하여 셀을 제작하였다. 우선 상부와 하부의 유리기판에 수평 배향제 (PIA, JNC)를 스핀 코팅하였다.
제작된 셀의 색감을 측정 각도에 따라 Comité Internationale d’Éclairage(CIE) 색 좌표계 상에 나타내기 위하여, 0°부터 60°까지 색 좌표를 측정하였다.

이론/모형

본 논문에서는 콜레스테릭 액정과 이색성을 가진 염료를 혼합하는 guest-host 액정 방식을 사용하였다.^[12] 이색성 염료의 비율이 높아질수록 단파장으로 이동된 빛을 더 잘 흡수하여 입사각이 커지더라도 본래 설계된 색상이 유지되는 특성을 확보하였고, 더불어 콜레스테릭 액정 셀에 빛이 정면으로 입사하였을 때도 색감이 더욱 향상됨을 확인하였다.
이색성 염료의 흡수 파장대를 확인하기 위하여 분광계(MCPD2000)를 이용하여 측정하였다. Figure 2(a)는 이색성 염료 AZO1 (NEMATEL)을 네마틱(nematic) 액정에 혼합하여 제작한 셀에 입사하는 빛이 이색성 염료의 흡수 축과 평행하게 지나갈 때와, 직교하게 지나갈 때 각각 측정한 투과율인데, 이를 통해 이색성 염료 AZO1은 590 nm 이하의 파장대의 빛을 흡수하는 것을 확인하였다.

성능/효과

이색성 염료의 흡수 파장대를 확인하기 위하여 분광계(MCPD2000)를 이용하여 측정하였다. Figure 2(a)는 이색성 염료 AZO1 (NEMATEL)을 네마틱(nematic) 액정에 혼합하여 제작한 셀에 입사하는 빛이 이색성 염료의 흡수 축과 평행하게 지나갈 때와, 직교하게 지나갈 때 각각 측정한 투과율인데, 이를 통해 이색성 염료 AZO1은 590 nm 이하의 파장대의 빛을 흡수하는 것을 확인하였다. 또 다른 이색성 염료 AG1역시 동일한 방법으로 측정하여 Fig.
[12] 이색성 염료의 비율이 높아질수록 단파장으로 이동된 빛을 더 잘 흡수하여 입사각이 커지더라도 본래 설계된 색상이 유지되는 특성을 확보하였고, 더불어 콜레스테릭 액정 셀에 빛이 정면으로 입사하였을 때도 색감이 더욱 향상됨을 확인하였다.
그러나 2 wt% 혼합한 적색콜레스테릭 액정 셀에서는 각도가 증가하더라도 좌표의 움직임이 0° 일 때의 좌표 근처에서 형성됨을 확인할 수 있었다.
제안된 방법은 서로 다른 반사 파장을 가지는 콜레스테릭 액정에 각기 다른 염료를 추가해야 하므로, 모든 가시 광 파장대의 색을 구현하는 디스플레이 소자에 적용하기에는 약간의 제한이 따른다. 그러나 각각의 셀에서 입사 각도가 증가함에 따라 단파장으로 이동되는 빛을 효과적으로 제거함으로써 초기에 설계된 색을 넓은 각도에서 확보할 수 있었다. 이색성 염료의 혼합 비율이 증가할수록 반사율은 다소 감소하였지만 색 변화가 줄어들었으며, 특히 2 wt%를 혼합한 적색 콜레스테릭 액정 셀에서는 60°까지도 초기 색 좌표를 유지하는 것을 CIE 색 좌표계를 통하여 확인하였다.
2(b)에 나타내었으며, 510 nm 이하의 파장대의 빛을 흡수하는 것을 확인하였다. 그러므로 이 실험에서 AZO1은 적색 콜레스테릭 액정 소자에, 그리고 AG1은 녹색 콜레스테릭 액정 소자에 혼합하기에 적합함을 확인하였다.
또한 제안한 방법을 적용한 셀이 플라나 상태에서 보았을 때는 기준 셀에 비하여 향상된 색감을 확인 할 수 있었다. 따라서 이색성 염료가 콜레스테릭 액정에 혼합됨으로써 구동에 영향을 주지 않고도 빛의 입사각도에 따라 단파장으로 이동한 반사광을 효과적으로 제거하였다. 하지만 포칼코닉과 호메오트로픽 상태에서는 혼합한 염료의 특정 파장대역을 흡수하는 성질로 인하여 염료의 색이 약간 잔존함을 확인하였다.
제안된 방법으로 제작된 셀 (2 wt%)의 반사율은 기준 셀에 비하여 약 27% 감소하였으나, 포칼코닉, 호메오트로픽 상태로 전환 될 때의 구동전압은 변함이 없었다. 또한 제안한 방법을 적용한 셀이 플라나 상태에서 보았을 때는 기준 셀에 비하여 향상된 색감을 확인 할 수 있었다. 따라서 이색성 염료가 콜레스테릭 액정에 혼합됨으로써 구동에 영향을 주지 않고도 빛의 입사각도에 따라 단파장으로 이동한 반사광을 효과적으로 제거하였다.
Figure 5는 앞선 결과를 적색과 녹색 콜레스테릭 액정 셀에 대헤 각각 이색성 염료의 혼합 비율에 따라서 수치적으로 대조하기 위하여 X, Y 색 좌표를 비교한 값을 나타내었다. 이를 통해 이색성 염료의 혼합이 1 wt%, 2 wt%로 증가함에 따라 빛의 입사 각도에 따른 반사광의 단파장 이동을 개선하는데 도움이 된다는 것을 구체적으로 확인 할 수 있다.
3에 나타내었다. 이색성 염료가 혼합되지 않은 적색과 녹색 콜레스테릭 액정 셀들은 측정 각도가 커짐에 따라서 색 변화가 크게 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 이색성 염료가 혼합된 콜레스테릭 액정 셀에서는 염료의 혼합 비율이 커질수록 색 변화 현상이 줄어들었으며, 더불어 정면에서도 더욱 향상된 색감을 보여준다.
이색성 염료의 혼합 비율이 증가할수록 반사율은 다소 감소하였지만 색 변화가 줄어들었으며, 특히 2 wt%를 혼합한 적색 콜레스테릭 액정 셀에서는 60°까지도 초기 색 좌표를 유지하는 것을 CIE 색 좌표계를 통하여 확인하였다.
한편, 제작한 셀의 전기광학특성을 확인하기 위하여, 기준 콜레스테릭 액정 셀과 이색성의 염료를 혼합한 콜레스테릭액정 셀의 전압에 따른 반사율 특성을 확인해 보았다. 제안된 방법으로 제작된 셀 (2 wt%)의 반사율은 기준 셀에 비하여 약 27% 감소하였으나, 포칼코닉, 호메오트로픽 상태로 전환 될 때의 구동전압은 변함이 없었다. 또한 제안한 방법을 적용한 셀이 플라나 상태에서 보았을 때는 기준 셀에 비하여 향상된 색감을 확인 할 수 있었다.
이색성 염료의 혼합 비율이 증가할수록 반사율은 다소 감소하였지만 색 변화가 줄어들었으며, 특히 2 wt%를 혼합한 적색 콜레스테릭 액정 셀에서는 60°까지도 초기 색 좌표를 유지하는 것을 CIE 색 좌표계를 통하여 확인하였다. 제안한 방법은 과거의 연구들과는 달리 구조적인 변화가 없으며, 셀 구동에도 변화가 없음을 확인하였다.
측정 각도가 10°씩 증가할 때마다 완전히 다른 좌표를 보여주며, 60°에 이르러서는 녹색에 해당하는 영역까지 이동하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 이색성 염료가 콜레스테릭 액정에 혼합됨으로써 구동에 영향을 주지 않고도 빛의 입사각도에 따라 단파장으로 이동한 반사광을 효과적으로 제거하였다. 하지만 포칼코닉과 호메오트로픽 상태에서는 혼합한 염료의 특정 파장대역을 흡수하는 성질로 인하여 염료의 색이 약간 잔존함을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서는 이색성 염료를 콜레스테릭 액정에 혼합하여 입사각에 따른 반사파장 변화가 줄어드는 특성을 확인하였다. 제안된 방법은 서로 다른 반사 파장을 가지는 콜레스테릭 액정에 각기 다른 염료를 추가해야 하므로, 모든 가시 광 파장대의 색을 구현하는 디스플레이 소자에 적용하기에는 약간의 제한이 따른다. 그러나 각각의 셀에서 입사 각도가 증가함에 따라 단파장으로 이동되는 빛을 효과적으로 제거함으로써 초기에 설계된 색을 넓은 각도에서 확보할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콜레스테릭(cholesteric) 액정 소자란?	콜레스테릭(cholesteric) 액정 소자는 반사판, 편광판, 그리고 특별한 광학적 설계 없이도 제작이 가능한 스위칭 가능한 브래그(Bragg) 반사판이다. 특히 플라나(planar)와 포칼코닉 (focal conic) 상태에서 안정적인 특성을 가지는데, 여기서 안정적인 상태라는 것은 전계를 인가하지 않아도 그 상태를 유지하는 것을 의미한다.
	콜레스테릭 액정 소자에 문제가 되는 현상은 어떠한 현상인가?	그러나, 콜레스테릭 액정 소자에서 반사되는 빛의 파장이 입사각에 크게 의존하는 현상은 여전히 문제로 남아있다. 콜레스테릭 액정 소자에서 반사되는 빛의 파장 (λ)은 npcosθ로 주어진다.
	콜레스테릭(cholesteric) 액정 소자는 어떠한 상태에서 안정적인 특성을 가지는가?	콜레스테릭(cholesteric) 액정 소자는 반사판, 편광판, 그리고 특별한 광학적 설계 없이도 제작이 가능한 스위칭 가능한 브래그(Bragg) 반사판이다. 특히 플라나(planar)와 포칼코닉 (focal conic) 상태에서 안정적인 특성을 가지는데, 여기서 안정적인 상태라는 것은 전계를 인가하지 않아도 그 상태를 유지하는 것을 의미한다. 이러한 쌍안정 특성을 바탕으로 저전력 구동이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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D. Fairchild, Color Appearance Models (Addison-Wesley, 1998).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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