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'전극용 유리막'에 해당되는 글 1

  1. 2012.02.28 배향막이 필요없는 차세대 LCD(2)
2012. 2. 28. 00:00 대덕밸리과학소식/KAIST

평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로, LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있습니다.

이는 우리나라가 세계시장의 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이기도 합니다.

LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술이 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술입니다.

현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고, 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법이 적용됩니다.

그러나 고분자 배향막은 고분자 설계 합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여, 자유자재로 휘어지는 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었습니다.

기존 LCD와 달리 고분자 배향막이 필요 없는 신개념 LCD 기술이 개발됨에 따라 더욱 얇고 고화질에 속도도 빠른 차세대 디스플레가 나올 전망입니다.


□ KAIST 정희태 교수팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막 기술을 개발했습니다.

정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 20nm의 높은 분해능과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인됐습니다.

연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능합니다.

따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 ㎛에서 ㎝까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있습니다.

(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진



또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었습니다.

이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, ㎚ 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 받고 있습니다.

또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 민감도가 크게 향상된 터치패널에도 활용될 수 있습니다.

이번 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 큽니다.

이번 연구는 KAIST 정희태 석좌교수(교신저자)가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처'의 자매지 'Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)' 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications)

장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.


 용  어  설  명

ITO (Indium Tix Oxide) :
ITO (인듐주석산화물): 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로서 흔히 투명전극이나 ITO라고 한다.
얇은 박막에서 투명하고 전기전도율이 좋아 평판디스플레이, 터치스크린, 태양전지등 다양한 분야에서 투명도와 전도도가 요구되는 기판으로 사용되고 있다.
ITO를 다양한 방식으로 패턴하여 산업계에 적용시키려는 연구가 많이 진행되어 왔으나 패턴 형성 시 저항이 급격하게 올라가 전도도가 떨어져 전극으로서의 기능을 수행할 수 없었다.
따라서 고분해능의 패턴 형성 후에도 전도도와 투과도가 유지되는 것이 큰 난제였다.

액정(Liquid Crystals) :
액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다.

고분자 배향막 :
액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름

표시소자(indicating element) :
부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자

<연 구 개 요>

Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications (나노 패턴이 형성된 투명전극을 이용한 무배향막 액정 배향)

현재 세계의 평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로 LCD(Liquid Crystal Display)를 중심으로 활발한 연구가 진행 중이며, 한국이 세계시장을 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이다.
LCD는 대표적인 평판디스플레이 소자로서 경량, 저 전압 구동 등 차세대 디스플레이의 요구에 가장 잘 부합하고 있으며 대화면화와 고화질의 구현을 위해 세계 각국에서 기능과 품질향상을 위한 노력이 활발하다.
액정을 전기광학소자로써 구동시키기 위해서는 필수적인 기술은 균일한 액정배향기술이다.
그 동안의 액정 배향 기술은 모두 고분자 배향막에 의존하여 왔다. 하지만 고분자 배향막은 고분자 설계 및 합성부터 후처리 공정까지 많은 시간과 비용이 소비되며 고분자 안정화를 위한 고온 공정은 기판 선택의 자유도가 떨어지는 단점이 있다. 그리고 플렉서블 디스플레이 및 멀티도메인 모드와 같은 미래 디스플레이 모드에 고분자 배향막은 대응하기 힘들어 기술적 한계에 부딪히고 있다.
또한 액정배향막 시장은 현재 액정 소재를 독점하고 있는 일본이 독점하고 있으며 일본 기업과의 정보 공유를 통한 공동 연구만을 통해서 기술 발전을 이루고 있는 실정이다.
따라서 고분자배향막을 대체할 연구가 시급한 실정이며 궁극적으로는 고분자 막이 아닌 다른 공정을 통해서 액정의 거동을 제어할 수 있는 원천 기술의 확보가 향후 차세대 디스플레이 세계시장을 선점할 수 있는 중요한 연구이다.

본 연구는 액정 배향 연구의 일환으로 디스플레이용 투명 전극 (ITO) 자체를 나노 패터닝하여 고분자 배향막 없이 액정을 배향하고, 이를 이용한 디스플레이 소자로의 응용 연구이다.
본 연구진은 2차 증착 현상기반 새로운 리소그래피 방법으로 투명전극 표면을 패터닝하여 액정과 패턴 간의 순수한 물리적 결합에 의해 액정을  배향하였다.
주사전자 현미경 및 EDX 촬영을 통해 고분해능/고종횡비 ITO 패턴이 형성되었다는 것을 확인하였다.
기존의 투명전극 패턴기술은 저분해능/저종횡비의 패턴이 형성될 뿐만 아니라 패턴 형성시 저항이 급격하게 올라가 투명전극으로서의 역할을 더 이상 못하게 된다.
하지만 본 연구의 기법으로 제작한 투명전극은 1) 패턴 형성 후 투과도 및 전도도의 저하가 거의 없어 투명전극으로서의 기능을 유지하는 동시에 2) 고 종횡비 (aspect ratio, 10)를 갖는 고 분해능 (high resolution, 20 nm)의 패턴이 형성되어 액정 분자체와 높은 결합에너지 (anchoring energy)를 물리적으로 형성할 수 있어 매우 안정적이며 고른 액정 배향을 대면적에 구현할 수 있다.
이는 식각과 증착이 동시에 일어나는 2차 증착 현상에 기인한 것으로서 전자현미경 분석 결과 약 15nm의 ITO 층이 희생되어 150 nm 이상의 높이를 가지는 패턴을 형성되었다는 것을 확인하였다.
본 연구진은 1차원 선 패턴이 형성된 투명 전극기판을 이용하여 디스플레이의 범용모드인 ECB, TN 모드를 구현하였으며 패턴이 형성된 전 영역에서 액정 분자체들이 각 모드에 따른 배향을 매우 잘 보여주는 것을 확인하였다.
광전자 특성 평가 결과 낮은 구동전압 (< 0.7V)과 빠른 응답속도 ( < 5ms) 그리고 우수한 광전자 특성을 보여 디스플레이에 응용할 수 있음을 보였다.
또한 Berreman 이론에 입각하여 패턴의 높이와 간격을 세밀하게 조절함으로써 액정 배향에 필요한 critical anchoring 에너지를 실험적으로 확인하였다.
상기 연구결과들은 투명전극 고유의 물성을 유지하면서 배향막 역할을 동시에 하는 bifunctional alignment layer가 형성되었다는 것을 뒷받침해준다.
투과도 및 전도도 저하 없이 정교한 미세 나노 패턴이 형성된 투명전극을 이용하여 물리적으로 액정을 수평 및 수직배향 모드를 구현한 사례는 아직 학계에 보고된바가 없다.
또한 고분자 배향막 기술에 비해 경제적 효과 및 더욱 뛰어난 소자특성이 기대되 산업적으로도 매우 가치있는 연구이다.
더 나아가 본 기술은 디스플레이 분야 뿐만 아니라 투명전극이 쓰이는 다른 분야 (터치패널, 유기태양전지) 에도 다각적으로 활용될 수 있어 미래 전자제품 원천기술로서 의의가 크다.

<정희태 교수>

1. 인적사항
 
○ 주소: 대전시 유성구 대학로 (구성동 373-1),
      한국과학기술원 (KAIST) 생명화학공학과


2. 학력
 1987  학사, 연세대학교, 화학공학과
 1989  석사, KAIST, 생명화학공학과
 1998            박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과
 

3. 경력사항 
1989 ~ 1994     삼성종합기술원, 선임연구원
1998 ~ 2000    미국 캘리포니아대학, 박사후 연구원
2000 ~ 현재     KAIST 생명화학공학과, 정교수
2003 ~ 2005    한국생명공학연구원, 초빙교수
2007 ~ 현재     KAIST 화학과, 겸임교수
2007 ~ 현재     KAIST 나노연구소, 겸임교수
2009 ~ 2010    미국 국가표준연구소, 방문교수
2010 ~ 현재     Macromolecular Research 부편집장
2011 ~ 현재     KAIST, 석좌교수


posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 더 빠른 속도, 더 얇은 lcd가 생산된다면 상상 이상의 제품들이 많이 탄생될 것 같아요.ㅎㅎ카이스트에서 좋은 연구성과들이 이루어지고 있군요.

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