Liquid crystals (LCs) are finding increasing applications in a wide variety of fields including liquid-crystal display technology, materials science, bioscience, etc. One of the most important issues for using LCs in a range of applications is the ability of the LCs to hold a stable and uniform orientation on a macroscopic scale. In order to achieve a macroscopic ordering in a certain direction, a command layer or so called alignment layer is usually needed. The most common aligning layer is made of polymers and has an anisotropy, which is achievable with several known methods. Unfortunately, this additional polymer layers causes increase of fabrication process including from polymer synthesis to post-treatment of polymers and a loss of transmittance of the device. Furthermore, to actively cope with variety of future display mode such as flexible and multi-domain mode, it is inevitable to develop new technology to align LCs without employing polymer layers.
In this thesis, the new types of LC alignment methods without employing polymers are introduced. To align LCs in the absence of polymer layers, we have mainly developed two strategies: 1) by using carbon nanotubes (CNTs) and 2) by developing conductive alignment layers. First, we show a simple yet versatile method for aligning LCs by using magnetic-field oriented single-walled carbon nanotubes (SWNTs) that were modified with magnetic particles. From a series of experiments, we found that that this is due to the SWNTs being exposed to a very low strength magnetic field, combined with strong π-π interactions between the biphenyl group in the LCs and the wall of the SWNTs. Next, we describe a novel method for alignment from thermotropic to lyotropic LCs using nano-patterns of electrically conductive indium-tin-oxide (ITO) layers with high resolution (ca < 20nm) and high aspect ratio (ca. 8), fabricated by the second sputtering lithography (SSL). The patterned ITO is found to function as an electrode and alignment layer at the same time, which facilitates successful fabrication of bifunctional conductive alignment layer for LC devices. The LC cells fabricated using patterned ITO substrates show highly stable alignment of LCs over large area and good electro-optical responses. Moreover, systematic approach made by the precise control of pattern dimensions allows us to estimate a critical anchoring energy required for an effective LC alignment based on Berremans’ theory. In addition to nematic LC alignment, we introduce new concept of very simple lithography based on cholesteric LC (CLC) alignment acting as a photomask in forming repetitive and uniform patterns in photoresist (PR) over large area. We demonstrate that homogeneous arrays of CLCs with its helix in plane (fingerprint texture) under electric field act as a lens to generate periodic light intensity (phase grating) on photoresist. These new approaches to processing of LC alignment may open up new technical outlook for future display and new way for lithographic application.
본 학위 논문은 액정 분자체를 고분자 배향막 없이 대면적에서 나노 물질 및 나노 패터닝 기법을 통하여 제어하고 배향하는 방법 그리고 이를 이용한 광전자 소자 응용 연구들의 결과를 다루고 있다. 액정 배향 및 제어는 액정의 고유의 물성 연구와 같은 기초적인 학문적 탐구 및 액정이 가지는 비등방성 광학적 성질을 이용한 디스플레이를 포함한 여러 응용분야에 있어서 필수적 요소이다. 그 동안의 액정 배향 기술은 모두 고분자 배향막에 의존하여 왔다. 고분자 배향막을 투명전극에 도포한 후 후처리 공정을 통하여 배향막 표면에 비등방성을 부여하여 이를 액정이 물리적 혹은 화학적으로 따라가게 만드는 원리였다. 하지만 고분자 배향막은 고분자 설계부터 후처리 공정까지 많은 시간과 비용이 소비되며 고분자 안정화를 위한 고온 공정은 기판 선택의 자유도가 떨어지는 단점이 있다. 더 나아가 플렉서블 디스플레이 및 멀티도메인 모드와 같은 미래 디스플레이 모드에 고분자 배향막은 부합하기 힘들어 기술적 한계에 부딪히고 있다. 본 연구는 배향막 연구에서 탈피하여 나노 물질과 하이브리드 혹은 투명전극 표면위에 나노 패턴을 형성하여 직접 액정을 배향시키는 무배향막 액정 연구이다.
탄소나노튜브는 기계적 강도, 전기적 특성등의 우수한 물리, 화학적 특성으로 차세대 고기능성 나노소자 분야에서 주요한 역할을 할 것으로 기대되는 물질이나 배향성 및 분산성, 패턴 형성들의 문제로 인해 소자구현에 응용성이 떨어지고 있는 실정이다. 본 연구는 탄소나노튜브 표면에 매우 약한 자기장에도 반응할 수 있는 자성 입자를 붙여 배향성을 향상시켰다. 자성물질도 표면이 개질된 탄소나노튜브 표면과 액정 표면에서 일어나는 pi-pi 전자들간의 비공유 결합을 라만 기법으로 확인하였다. 먼저 탄소나노튜브를 약한 자기장에 선배향시키고 액정 물질들이 두 물질간의 상호작용을 바탕으로 선배향된 탄소나노튜브를 액정상에서 따라가 배향이 된다는 것을 편광현미경 관찰을 통해 확인하였다.
ITO는 우수한 투과도 및 전기 전도도로 인해서 산업계에서 가장 많이 쓰이고 있는 투명전극 물질이다. 본 연구는 투명전극 물질의 표면을 고분해능과 고종횡비를 가지는 나노 패턴닝하여 고분자 배향막 없이 액정을 대면적에서 배향하였다. 본 연구실에서 2차 증착 현상을 이용하여 새롭게 개발된 리소그래피 방법으로 투명전극 표면을 패터닝 하였으며 주사전자 현미경 및 EDX 촬영을 통해 고분해능/고종횡비 ITO가 형성되었다는 것을 확인하였다. 포토리소그래피와 같은 기존의 투명전극 패턴은 저분해능/저종횡비의 패턴이 형성될 뿐만 아니라 패턴 형성시 저항이 급격하게 올라가 투명전극으로서의 역할을 더 이상 못하게 된다. 하지만 본 연구의 기법으로 형성된 나노 패턴이 형성된 투명전극은 투과도와 전도도가 거의 변하지 않는 다는 것을 확인하였다. 이는 식각과 증착이 동시에 일어나는 2차 증착 현상에 기인한 것으로서 원자력간 현미경 분석 결과 약 15nm의 ITO 층이 희생되어 150 nm 이상의 높이를 가지는 패턴을 형성되었다는 것을 확인하였다. 패턴된 기판은 전 면적에서 액정 물질들을 매우 고르게 잘 배향하는 것을 확인하였으며 ECB 및 TN cell을 제작하여 광전자 특성을 평가한 결과 매우 우수한 특성을 확인하였다. 또한 Berreman 이론에 입각하여 패턴의 높이와 간격을 세밀하게 조절함으로써 액정 배향에 필요한 critical anchoring 에너지를 실험적으로 확인하였다. 또한 grid 모양의 패턴을 ITO위에 직접 형성하여 특수한 고분자 배향막이 필요한 수직배향을 고분자 배향막 없이 대면적에서 구현하였다. 상기 연구결과들은 투명전극 고유의 물성을 유지하면서 배향막 역할을 동시에 하는 bifunctional alignment layer가 형성되었다는 것을 뒷받침해준다. 더 나아가 기존의 thermotropic 액정 배향법으로는 배향이 힘든 lyotropic 액정을 상기 기법을 이용하여 패턴 전면적에서 배향하였다. 이는 향후 lyotropic 액정의 특수한 전기/광학적 성질을 탐구하고 실제 소자에 응용하는데 있어서 매우 중요한 밑거름이 될 것이다.
배향연구의 일환으로서 키랄성 네마틱 액정을 배향하고 배향된 액정 필름으로부터 나오는 비등방성 광학적 성질을 이용하여 lithography 마스크에 응용하는 연구도 진행하였다. 키랄성 네마틱 액정의 fingerprint texture가 감광제에 전사되어 선 패턴이 대면적에 형성하고 선 폭 조절이 단순히 키랄 dopant의 농도를 조절함으로써 쉽게 된다는 것을 확인하였다. 상기 연구 결과는 액정을 이용한 리소그래피의 영역을 더욱 확장하는 것으로서 다른 상 및 구조체를 갖는 액정을 이용하면 더욱 복잡하고 기존 기술로는 힘든 패턴을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
