[논문]PEDOT:PSS/MWNT 나노복합체의 나노주름 임프린팅을 통한 투명전극-배향막 복합 기능 박막의 액정 구동

장종인; 정해창

doi:10.17661/jkiiect.2023.16.1.8

PEDOT:PSS/MWNT 나노복합체의 나노주름 임프린팅을 통한 투명전극-배향막 복합 기능 박막의 액정 구동
Liquid Crystal Driving of Transparent Electrode-Alignment Layer Multifunctional Thin Film by Nano-Wrinkle Imprinting of PEDOT:PSS/MWNT Nanocomposite 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.16 no.1, 2023년, pp.8 - 17

장종인 (Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University) , 정해창 (Department of Electrical Engineering, Changwon National University)

초록
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기존 liquid crystal display(LCD) 공정에서 Indium Tin Oxide(ITO) 투명전극과 폴리이미드 배향막의 러빙 공정은 액정을 정렬하고 전계를 인가하기 위하여 필수적인 공정이다. 하지만 ITO의 증착은 높은 진공을 요구하며, 러빙 공정은 정전기에 의해 소자가 손상될 수 있는 단점이 존재한다. 본 논문에서는 기존 ITO 투명전극을 대체하기 위하여 PEDOT:PSS와 Multi-wall carbon nanotube(MWNT)를 혼합하여 PEDOT:PSS 나노복합체를 제조하고, 러빙 공정을 대체하기 위하여 나노 주름 구조 몰드를 통한 나노임프린팅을 통하여 박막을 형성함으로써 기존 액정 디스플레이의 투명전극과 배향막 두 가지 박막을 PEDOT:PSS/MWNT 나노복합체 박막 하나만으로 기능하게 하여 공정을 단순화 하였다. 전사된 나노 주름을 따라 액정이 잘 배향됨을 확인하였으며, 이를 기반으로 만들어진 액정 셀에서 박막 내 MWNT의 함량이 높아질수록 박막의 전기전도도가 증가하여 낮은 구동 전압과 빠른 응답 속도를 갖는다는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 공정 단순화와 용액공정에 의한 공정 단가 절감, 기존 러빙 공정의 단점을 해결하는데 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In conventional liquid crystal display(LCD) manufacturing process, Indium Tin Oxide(ITO) as transparent electrode and rubbing process of polyimide as alignment layer are essential process to apply electric field and align liquid crystal molecules. However, there are some limits that deposition of ITO requires high vacuum state, and rubbing process might damage the device with tribolectric discharge. In this paper, we made nanocomposite with PEDOT:PSS and MWNT to replace ITO and constructed alignment layer by nano imprint lithography with nano wrinkle pattern, to replace rubbing process. These replacement made that only one PEDOT:PSS/MWNT film can function as two layers of ITO and polyimide alignment layer, which means simplification of process. Transferred nano wrinkle patterns functioned well as alignment layer, and we found out lowered threshold voltage and shortened response time as MWNT content increase, which is related to increment of electric conductivity of the film. Through this study, it may able to contribute to process simplification, reducing process cost, and suggesting a solution to disadvantage of rubbing process.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 액정 셀 제작 모식도 Fig. 1. Schematic of Liquid Crystal (LC) cell based on PEDOT:PSS/MWNT by wrinkle imprinting method
그림 그림 2. 순수한 PEDOT:PSS 박막, PEDOT:PSS/MWNT 박막, MWNT의 라만 스펙트럼 비교 Fig. 2. Raman spectra of pristine PEDOT:PSS, PEDOT:PSS/MWNT film and MWNT 그림
그림 그림 3. MWNT 함량에 따른 PEDOT:PSS/MWNT 박막의전도도 Fig. 3. Conductivity of PEDOT:PSS/MWNT film depending on content of MWNT
그림 그림 4. (a) PEDOT:PSS/MWNT 박막의 MWNT 함량에 따른 자외-가시선 투과도 스펙트럼 (b) ITO, 폴리이미가 코팅된 ITO, PEDOT:PSS/MWNT 5wt% 박막의 자외-가 시선 투과도 스펙트럼 Fig. 4. (a) UV-Visible transmittance spectra of PEDOT:PSS/MWNT composite depending on MWNT content (b) UV-Visible transmittance spectra of ITO, polyimide coated ITO, and PEDOT:PSS/MWNT 5wt%
그림 그림 5. (a)나노 주름 패턴 PDMS 몰드의 3D 스캔 이미 지 (b) PEDOT:PSS/MWNT 박막의 3D 스캔 이미지(c)나 노 주름 패턴 PDMS 몰드의 라인 프로파일 (d) PEDOT:PSS/MWNT 라인 프로파일 Fig. 5. (a)3D scan image of nano wrinkle pattern PDMS mold (b)3D image of imprinted PEDOT:PSS/MWNT film (c)Line profile of PDMS mold (d) line profile of imprinted PEDOT:PSS/MWNT film
그림 그림 6. anti-prarallel 액정 셀의 편광 현미경 사진 (a)편 광자와 주름 패턴(빨간화살표)가 평행할 때 (b)편광자와 주름 패턴이 45도의 각도를 이룰 때 Fig. 6. Polarized optical image of the anti-parallel LC cell of PEDOT:PSS/MWNT film. (a)With parallel direction of polarizer and wrinkle pattern direction, (b) placed with 45 degree difference between pola rizer and wrinkle pattern
그림 그림 7. 액정 셀의 전기-광학적 특성. (a) ITO/PI 액정 셀과 PEDOT:PSS/MWNT 액정 셀의 전압-투과율 관계 의 비교 (b) ITO/PI 액정 셀과 PEDOT:PSS/MWNT 액정 셀의 상승시간 비교 (c) ITO/PI 액정 셀과 PEDOT:PSS/ MWNT 액정 셀의 하강시간 비교 Fig. 7. Electro-optical characteristics of LC cells. (a) Comparison of voltage-transmittance between conventional ITO/PI LC cell and PEDOT:PSS/MWNT LC cell. (b) Comparison of rising time between conventional ITO/PI LC cell and PEDOT:PSS/MWNT LC cell. (c) Comparison of falling time between conventional ITO/PI LC cell and PEDOT:PSS/MWNT LC cell.

AI 본문요약
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문제 정의

임프린팅(imprinting) 공정은 대면적 공정이 가능하고, 마찰에 의한 불량을 최소화 할 수 있어 기존 러빙 공정의 한계점을 극복할 것으로 기대되는 공정 중 하나이다. 본 연구 그룹에서는 기계적 응력에 의한 표면 처리 공정을 통해 간단하게 대면적에 나노구조를 형성할 수 있는 나노 주름 형성 연구를 진행하였고, 이를 몰드로 이용하여 임프린팅 공정을 통해 배향막에 전사하여 액정 배향에 대한 연구결과를 보고 한 바 있다 [5].
본 연구에서는 PEDOT:PSS/MWNT 복합체와 임프린팅 공정을 이용하여 배향막과 전극의 기능을 동시에 수행할 수 있는 효율적인 액정 배향 공정에 대하여 검토하였다. 임프린팅 공정을 적용하여 러빙 과정 중에 발생하는 정전기에 의한 소자 파괴 문제를 해결할 수 있었다.
뿐만 아니라 임프린팅 법을 적용하여 액정 배향의 역할도 수행함으로써 전극과 배향막의 기능을 동시에 수행하게 하고자 한다. 이는 전극의 증착 공정과 배향막 코팅 공정, 러빙 공정의 세 단계의 공정을 단일 공정으로 단순화 할 수 있는 효율적인 공정으로써 본 연구는 PEDOT:PSS/MWNT 복합체와 임프린팅을 이용하여 기존의 LCD 공정을 대체 하고자 한다.

제안 방법

MWNT는 기계적 강도가 우수하고 전도성이 높은 물질로 다양한 폴리머에 혼합되어 폴리머의 강도와 전도성을 높이는 것으로 널리 알려진 물질이다[25-27]. MWNT를 혼합하여 PEDOT:PSS의 강도를 증가시키고 전도성을 증가시켜 ITO를 대체하고자 한다. 뿐만 아니라 임프린팅 법을 적용하여 액정 배향의 역할도 수행함으로써 전극과 배향막의 기능을 동시에 수행하게 하고자 한다.
또한 제작된 몰드와 박막의 형태를 측정하기 위해 형상 측정 레이저 마이크로스코프(vk-x1000; Keyence)를 통해 표면의 형상 및 line profile을 측정하였다. 그리고 박막의 구성 성분을 분석하기 위해 라만 분광광도계(NRS-3300; JASCO)로 박막을 분석하였으며, UV-Vis transmittance (V-650, JASCO)를 측정하였다.
본 연구에서는 PEDOT:PSS와 MWNT의 복합체를 유리 기판 위 스핀코팅한 후 나노임프린팅 공정을 이용하여 투명 전극 및 배향막을 동시에 기능하는 박막을 제조하였다.
MWNT를 혼합하여 PEDOT:PSS의 강도를 증가시키고 전도성을 증가시켜 ITO를 대체하고자 한다. 뿐만 아니라 임프린팅 법을 적용하여 액정 배향의 역할도 수행함으로써 전극과 배향막의 기능을 동시에 수행하게 하고자 한다. 이는 전극의 증착 공정과 배향막 코팅 공정, 러빙 공정의 세 단계의 공정을 단일 공정으로 단순화 할 수 있는 효율적인 공정으로써 본 연구는 PEDOT:PSS/MWNT 복합체와 임프린팅을 이용하여 기존의 LCD 공정을 대체 하고자 한다.
액정 배향능력을 평가하기 위해 편광현미경(BX53M, Olympus)으로 parallel 액정셀을 관찰하였으며, 전기광학특성평가장치 (LCMS-200, Sesim Photonics Technology Co.)를 이용하여 전압-투과율 (voltage-transmittance) 측정 및 응답속도 (response time)를 측정하였다.
제작된 박막은 소스미터(keithley2450)를 통한 4단자 측정법을 통해 전도성을 측정하였다(MWNT 함유량 당 15회 샘플 제작 측정). 또한 제작된 몰드와 박막의 형태를 측정하기 위해 형상 측정 레이저 마이크로스코프(vk-x1000; Keyence)를 통해 표면의 형상 및 line profile을 측정하였다.

대상 데이터

PEDOT:PSS 수용액과 dimethylformamide (DMF)에 초음파 분산시킨 MWNT (sigma-aldrich, 100nm diameter)를 섞어 MWNT의 질량에 따라 1wt%부터 5wt%의 PEDOT:PSS/MWNT 용액을 제작하였다. 이후 1500 rpm에서 30초 동안 스핀코팅 후 제작된 주름 패턴 몰드를 전사하여 120도 오븐에서 경화하였다.
본 연구에서는 PEDOT:PSS와 MWNT (multi-wall carbon nanotube) 복합체를 전극이자 배향막으로 사용하고자 한다. MWNT는 기계적 강도가 우수하고 전도성이 높은 물질로 다양한 폴리머에 혼합되어 폴리머의 강도와 전도성을 높이는 것으로 널리 알려진 물질이다[25-27].
액정 셀은 PEDOT:PSS/MWNT 복합체 박막의 주름 패턴의 광학적 특성을 평가하기 위해 주름 방향이 평행하도록 상, 하 기판을 놓아 제작된 parallel 셀과 전기-광학적 특성을 평가하기 위하여 주름 패턴의 방향이 수직하도록 상, 하 기판이 놓인 twisted nematic(TN) 액정 셀이 제작되었으며, 각 셀의 액정층의 두께는 60μm와 5μm로 제작되었다

성능/효과

802ms)를 보여주며 빠른 응답속도를 보여주는 것을 확인 할 수 있었다. MWNT의 함량이 높을수록 구동 전압이 낮아지고 액정이 안정적으로 동작하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 MWNT의 함양이 증가할수록 전기전도도가 증가하는 경향과 연관됨을 확인 할 수 있었다. 액정은 전계에 반응하여 유전율 이방성에 의해 스위칭 된다.
임프린팅 공정을 적용하여 러빙 과정 중에 발생하는 정전기에 의한 소자 파괴 문제를 해결할 수 있었다. 또한 MWNT의 함량이 증가할수록 박막의 전기전도도가 증가하는 것을 확인하였으며, 4wt%와 5wt%의 MWNT 함량을 가질 때 액정 셀이 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다. 또한 PEDOT:PSS/MWNT 박막은 파란색 가시광 영역에서 ITO 전극보다 더 높은 투과도를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 MWNT의 함량이 증가할수록 박막의 전기전도도가 증가하는 것을 확인하였으며, 4wt%와 5wt%의 MWNT 함량을 가질 때 액정 셀이 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다. 또한 PEDOT:PSS/MWNT 박막은 파란색 가시광 영역에서 ITO 전극보다 더 높은 투과도를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
이는 기존의 ITO전극과 폴리이미드 배향막을 활용한 LCD 제조 공정보다 경제적이고 단순한 공정을 제시하지만 한계점도 존재함을 확인 할 수 있었다. 구동전압에 있어서 기존의 ITO와 폴리이미드 배향막을 활용한 액정 셀 보다는 높은 구동전압 특성을 보인다.

후속연구

향후에는 전극/배향막 일체형 LCD 구현을 위하여 디스플레이에 적용 가능한 투과율과 전도성을 높일 수 있는 소재에 대한 연구가 지속적으로 필요하여 동시에 소재에 따른 적합한 배향 공정에 대한 연구가 이루어져야 한다. 또한 전극/배향막의 전도성과 액정 응답 특성 사이의 관계에 대한 후속 연구를 통해 AR/VR 디스플레이에 안정적으로 동작 가능한 고속응답특성 LCD에 대한 연구가 필요하다.
향후에는 전극/배향막 일체형 LCD 구현을 위하여 디스플레이에 적용 가능한 투과율과 전도성을 높일 수 있는 소재에 대한 연구가 지속적으로 필요하여 동시에 소재에 따른 적합한 배향 공정에 대한 연구가 이루어져야 한다. 또한 전극/배향막의 전도성과 액정 응답 특성 사이의 관계에 대한 후속 연구를 통해 AR/VR 디스플레이에 안정적으로 동작 가능한 고속응답특성 LCD에 대한 연구가 필요하다.

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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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