[논문]임프린팅을 이용한 BiLaO 패터닝과 액정 디스플레이 소자의 응용

이주환

doi:10.7471/ikeee.2021.25.1.64

[국내논문] 임프린팅을 이용한 BiLaO 패터닝과 액정 디스플레이 소자의 응용
Patterning of BiLaO film using imprinting process for liquid crystal display 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.25 no.1, 2021년, pp.64 - 68

이주환 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University)

초록
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정렬 패턴을 전사공정을 이용하여 BiLaO 박막 위에 패터닝하고 소성온도에 따른 액정 배향 특성에 대하여 연구 하였다. 졸겔 공정을 제작한 BiLaO 은 유리 기판 위에 스핀코팅으로 증착한 후 미리 제작된 정렬패턴을 전사하여 100, 150, 200, 250 ℃ 의 온도에서 소성하였다. POM분석으로부터 200℃ 이하의 소성온도에서 액정배향은 균일하지 않았고, 250 ℃의 소성온도에서 균일한 액정 배향 특성을 확인 할 수 있었고, 결정 회절 법 분석으로 부터도 확인 가능하였다. 전사 공정 시 250 ℃의 온도에서 패턴이 전사되었음을 Atomic force microscopy 을 통하여 확인 할 수 있었다. 250 ℃의 온도에서 전사된 정렬 패턴에 의하여 박막의 이방성을 획득 하였고 이방성 박막 위에서 액정 분자들이 고르게 배향 될 수 있었다. 따라서 BiLaO 산화막의 전사에 의한 액정 배향 공정은 소성온도에 영향을 받는다는 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We demonstrate an effect of annealing temperature on imprinting process of BiLaO thin film for liquid crystal alignment. BiLaO prepared sol-gel process was deposited by spin coating on a glass substrate, and then transferred to a pre-fabricated aligned pattern which is fabricated on a silicon wafer by laser interference lithography. Thin film was annealed at different temperature of 100, 150, 200, and 250 ℃. From the polarized optical microscopy analysis, the liquid crystal orientation was not uniform at the annealing temperature of 200 ℃ or lower and the uniform liquid crystal alignment characteristics were confirmed at the annealing temperature of 250 ℃. From atomic force microscopy, the pattern was not transferred at a temperature of 200 ℃ or lower. In contrast, the pattern was transferred at 250 ℃. Anisotropy of the thin film was obtained by the alignment pattern transferred at a temperature of 250 ℃, and the liquid crystal molecules could be evenly oriented on the thin film. Therefore, it was confirmed that the liquid crystal alignment process by the imprinting process of the BiLaO oxide film was affected by the annealing temperature.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Transmittance spectra of BiLaO film after transffering process. 그림 1. BiLaO 박막의 투과율 그래프
그림 Fig. 2. POM images of LC cells based on BiLaO film after transfering process. 그림 2. 전사 공정 후 BiLaO 박막을 이용하여 제작된 액정 셀의 POM 이미지
그림 Fig. 3. Transmittnace vs light incident angle of the LC cell based on transferred BiLaO. 그림 3. 빛 입사각도에 따른 액정 셀의 투과율 변화
그림 Fig. 4. (a) 3-D and (b) cross-sectional AFM images of BiLaO film after transferring process. 그림 4. 전사 공정 후 BiLaO 박막의 (a) 3차원 및 (b) 표면 AFM 이미지

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 BiLaO 박막 위 정렬 패턴 전사공 정 중 소성온도에 따른 액정 배향 특성에 대하여 연구 하였다. POM과 회전 결정법을 이용하여 200 ℃ 이하의 소성온도에서는 액정배향은 균일하지 못하고, 250 ℃의 소성온도에서 균일한 액정 배향 특성이 발생한다는 것을 관측할 수 있었다.

제안 방법

BiLaO박막을 스핀 코팅하여 제작된 패턴을 전사 하였다. 100℃ 부터250℃까지소성온도를바꾸어가며전사공정 을진행하였고, 각각에대하여액정셀을제작하였다. Polarized optical microscopy(POM)를 이용하여 배향특성을 확인하였다.
액정배향특성배향특성확인을위하여POM(Olympus, Japan)를 이용하였고, 액정의 프리틸트 각은 결정회절법(TBA107, Autronic, Germany)을이용하여측정하였다.AFM(XE-BIO, Parksystems)을이용하여 표면 형상을 관측하였다. 박막의 투과도는 UV-visible-nearinfraredspectrometricmeasurement (V-650, JASCO)으로측정하였다.
액정 배향을 위한 표면 이방성 획득을 위해레이저 간섭 리소그래피를 이용하여 정렬된 data-checked="false">패턴을실리콘웨이퍼위에제작하였다.BiLaO박막을 스핀 코팅하여 제작된 패턴을 전사 하였다. 100℃ 부터250℃까지소성온도를바꾸어가며전사공정 을진행하였고, 각각에대하여액정셀을제작하였다.
100℃ 부터250℃까지소성온도를바꾸어가며전사공정 을진행하였고, 각각에대하여액정셀을제작하였다. Polarized optical microscopy(POM)를 이용하여 배향특성을 확인하였다. 결정 회절법을 이용하여 액정의 프리틸트각을 측정하였다.
Polarized optical microscopy(POM)를 이용하여 배향특성을 확인하였다. 결정 회절법을 이용하여 액정의 프리틸트각을 측정하였다. 표면 이방성확인을 위하여 Atomic force microscopy(AFM)을이용하였다.
AFM(XE-BIO, Parksystems)을이용하여 표면 형상을 관측하였다. 박막의 투과도는 UV-visible-nearinfraredspectrometricmeasurement (V-650, JASCO)으로측정하였다.
전사공정은하 나의 몰드로 지속적으로 사용할 수 있기 data-checked="false">때문에비용측면에서매우효율적인공정이다.배향막으 로는졸겔공정을이용하여BiLaO박막을제작하 였다. 액정 배향을 위한 표면 이방성 획득을 위해레이저 간섭 리소그래피를 이용하여 정렬된 data-checked="false">패턴을실리콘웨이퍼위에제작하였다.
본연구에서는대면적공정이가능하고연속공정에도 사용할 수 있는 전사 공정을 이용하여 data-checked="false">표면이방성을주어액정을배향하였다.전사공정은하 나의 몰드로 지속적으로 사용할 수 있기 data-checked="false">때문에비용측면에서매우효율적인공정이다.
소성 온도에 따른 표면 상태를 확인하기 위해 AFM을 이용하여 표면의 구조를 분석하였다. 그림 4는 각 소성온도별 전사 공정 이후 AFM 표면 분 석으로 각각 3차원 이미지와 단면 이미지를 보여주고 있으며, 모든 표면에서 파티클이 생성 되어있는 것을 확인할 수 있었다.
배향막으 로는졸겔공정을이용하여BiLaO박막을제작하 였다. 액정 배향을 위한 표면 이방성 획득을 위해레이저 간섭 리소그래피를 이용하여 정렬된 data-checked="false">패턴을실리콘웨이퍼위에제작하였다.BiLaO박막을 스핀 코팅하여 제작된 패턴을 전사 하였다.
2, data-checked="false">Merck)을사용하였다.액정배향특성배향특성확인을위하여POM(Olympus, Japan)를 이용하였고, 액정의 프리틸트 각은 결정회절법(TBA107, Autronic, Germany)을이용하여측정하였다.AFM(XE-BIO, Parksystems)을이용하여 표면 형상을 관측하였다.
레이저 간섭 리소그래피로 패턴간격750nm, 높이30nm의정렬패턴을실리콘 기판 위에 제작하였다. 제작한 패턴은 스핀코팅된 BiLaO 박막위에 전사하여 온도에 따라 100, 150, 200, 250℃에서 30분간 소성하였다. 상, 하판의 패턴 방향이 평행하도록 위치 시켜, 액정셀을제작하였다.

대상 데이터

Lanthanum(ⅲ) nitrate hydrate와 Bismuth(Ⅲ) nitrate pentahydrate 를 전구체로 사용하고, 2ME (2-methoxyethanol)에녹여0.1M의BiLaO용액을 제작하였다. 용액은 75℃에서 3 시간 동안 자석교반기로 섞은 후, data-checked="false">24시간동안에이징하였다.
제작된BiLaO용액은유리기판위에30초간3000rpm 에서 스핀코팅 하였다. 레이저 간섭 리소그래피로 패턴간격750nm, 높이30nm의정렬패턴을실리콘 기판 위에 제작하였다. 제작한 패턴은 스핀코팅된 BiLaO 박막위에 전사하여 온도에 따라 100, 150, 200, 250℃에서 30분간 소성하였다.

이론/모형

결정 회절법을 이용하여 액정의 프리틸트각을 측정하였다. 표면 이방성확인을 위하여 Atomic force microscopy(AFM)을이용하였다.

성능/효과

그림 4는 각 소성온도별 전사 공정 이후 AFM 표면 분 석으로 각각 3차원 이미지와 단면 이미지를 보여주고 있으며, 모든 표면에서 파티클이 생성 되어있는 것을 확인할 수 있었다. 100, 150, 200℃의 소성온 도에서는 불규칙한 파티클의 배열을 보여주고 있으나, 250℃의 소성온도에서는 표면 위의 파티클들 이 한 방향으로 정렬되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 기판 소성에서 잔여 용매가 증발되는 과정에서 표면에 파티클들의 응집이 발생되었기 때문이며, 이러한 현상이 BiLaO 표면 위 패턴 형성 을 방해하게 된다.
본 논문에서는 BiLaO 박막 위 정렬 패턴 전사공 정 중 소성온도에 따른 액정 배향 특성에 대하여 연구 하였다. POM과 회전 결정법을 이용하여 200 ℃ 이하의 소성온도에서는 액정배향은 균일하지 못하고, 250 ℃의 소성온도에서 균일한 액정 배향 특성이 발생한다는 것을 관측할 수 있었다. 이러한 차이가 발생하는 원인을 확인하기 위해서 AFM 분석을 통해서 소성 온도별 박막의 상태를 확인하였으며, 전사 공정 시 250 ℃의 온도에서 박막 위 정 렬 패턴이 전사된다는 것을 확인하였다.
이러한 정 렬 패턴으로 인해 박막 이방성이 발생되고, 이에 의하여 액정 분자들이 한 방향으로 고르게 배향 될 수 있었다. 결과적으로 BiLaO 산화 막의 전사에 의한 액정 배향 공정은 소성온도에 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 무기 재료 용 액 공정과 전사 공정의 혼합은 효율적인 방법으로 액정 배향에 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 입 증할 수 있었다.
결과적으로 BiLaO 산화 막의 전사에 의한 액정 배향 공정은 소성온도에 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 무기 재료 용 액 공정과 전사 공정의 혼합은 효율적인 방법으로 액정 배향에 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 입 증할 수 있었다.
액정셀은전사된패턴의방향이동일하도록위와 아래의 기판을 조립하였다. 소성온도 100, 150, 200℃에서는강한빛샘현상이관측되었고, 250℃의 소성 온도에서 제작한 액정 셀에선 깨끗한 검은색 사진을 확인할 수 있었다. 액정 셀에 부착되어 있는90°로틀어진상, data-checked="false">하측의편광판은한방향으로균일하게정렬되어있는액정분자에의해조절되는 빛이 투과되지 못하게 하며, 이로 인해 POM에서 검은색 사진이 관측된다.
그림1은박막의투과율측정 그래프이다.온도별투과율을측정한결과380nm 에서780nm의파장영역인가시광선영역에서소 성온도에따라약80.9, 82.6, 82.6, 81.3%의 높은 투과율을 보였다. 이는 러빙 처리한 PI의 투과율 83%와 비교하였을때 유사한 수준의 투과율을 보이고 있으며[12], 실제 디스플레이 소자에서 이 BiLaO박막들이응용되기에적합하다는것을의미 한다.
따라서 박막 위의 이방 특성에 의하여 액정 분자들은 동일한 방향으로 정렬 하 려는 성질을 갖으며, 이로 인하여 박막 근처의 액 정 분자 뿐만 아니라, 액정 셀 내부의 액정 분자들 또한 동일한 방향으로 정렬된다. 이러한 분석 결과 들을 통해 250℃의 소성온도에선 정렬 패턴의 전사 가 가능하며, 동시에 균일한 액정 배향을 구현할 수 있다는 것을 확인하였다.
4로 수평배향 특성을 보였다. 이러한 분석 결과는 앞선 POM 분석 결과와 동일하며, 균일한 액정 배향이 250℃의 소성온도에서 구현된다는 것을 의미한다. 그리고 이것은 전사 공정에서 소성 온도가 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
POM과 회전 결정법을 이용하여 200 ℃ 이하의 소성온도에서는 액정배향은 균일하지 못하고, 250 ℃의 소성온도에서 균일한 액정 배향 특성이 발생한다는 것을 관측할 수 있었다. 이러한 차이가 발생하는 원인을 확인하기 위해서 AFM 분석을 통해서 소성 온도별 박막의 상태를 확인하였으며, 전사 공정 시 250 ℃의 온도에서 박막 위 정 렬 패턴이 전사된다는 것을 확인하였다. 이러한 정 렬 패턴으로 인해 박막 이방성이 발생되고, 이에 의하여 액정 분자들이 한 방향으로 고르게 배향 될 수 있었다.

참고문헌 (12)

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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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