고분해능 투명전극 패턴을 이용한 무배향막 액정배향 기술 :: 산업뉴스

액정배향막 기술은 디스플레이를 비롯한 여러 분야에서 가장 핵심이 되는 기술이다. 현재 이 시장은 일본이 독점하고 있으며, 다른 나라들은 일본의 독점을 피하기 위해 액정배향막 대체 기술 연구를 활발히 진행하고 있다. 이러한 시장상황에서 액정배향막을 완전히 탈피한 무배향막 액정배향 기술이 개발되었다. 이에 본지는 한국과학기술연구원 정현수 선임연구원의 ‘고분해능 투명전극 패턴을 이용한무배향막 액정배향 기술’ 보고서를 소개하고자 한다.

Ⅰ. 서론

오늘날 LCD(Liquid Ccrystal Display)로 더 잘 알려져 있는 액정은 3차원의 고체상과 무차원의 액체상 사이의 구조를 가지는 중간상(Mesophase) 물질로서 액체의 유동성과 고체의 이방성, 결정성을 함께 가지고 있다. 이런 특성들로 인해, 외부장에 의해 민감하게 반응할 수 있고 광학적으로 나타나는 이방성은 액정을 표시장치의 핵심소재로서 크게 각광받게 했다. 최근 LCD의 기술적 성숙과 포화가 이뤄짐에 따라, 세계적으로 LCD 이외의 액정을 이용해 수행할 수 있는 다양한 연구들에 대한 시도가 일어나고 있다. 디스플레이를 비롯한 여러 분야에서, 액정의 기초 및 응용연구의 가장 기본이 되며 핵심이 되는 기술은 바로 균일한 액정배향 기술이다.

액정배향 기술은 액정분자를 원하는 방향으로 균일하게 배향시키는 기술로서 액정의 원천적인 거동 및 제어에 대한 이해뿐만 아니라 현 액정 디스플레이에서 액정이 편광된 빛의 개폐자 역할을 잘 수행할 수 있도록 액정을 한쪽 방향으로 균일하게 배향시켜주는 액정 구동의 핵심기술이다. 현재 대표적인 액정배향 기술은 고분자 막을 이용한 액정배향막 기술이며 Polyimide 계열의 고분자 막을 유리기판 위에 증착 시킨 후 천으로 마찰시키는 러빙법이 보편적인 방법이다. 러빙법은 공정이 간단하고 낮은 유전 상수와 높은 열 안정성, 우수한 기계적 강도의 장점이 있는 반면에, 천의 마찰로 인한 오염, 정전기 발생 및 고분자 막의 물리적 손상으로 인한 액정 결함구조의 유도와 같은 단점이 있으며, 배향 메커니즘이 정확히 밝혀지지 않았기 때문에 필요한 배향을 얻는 데에 어려움이 있다.

또한 액정배향막 시장은 현재 액정 소재를 독점하고 있는 일본이 장악하고 있으며, 일본 기업과의 정보 공유를 기반으로 한 공동 연구만을 통해서 기술 발전을 이루고 있는 실정이다. 따라서 액정배향막러빙법을 대체할 연구가 활발히 진행 중이며, 궁극적으로는 고분자 막이 아닌 다른 공정을 통해서 액정의 거동을 제어할 수 있는 원천기술의 확보가 이루어져야 액정기반 차세대 디스플레이 및 바이오 등 여러 응용분야를 선점할 수 있다.

본고에서는 고분자 배향막에서 완전히 탈피해 디스플레이의 기본 부품인 투명전극ITO(Indium Tin Oxide)를 고분해능으로 패턴화해, 이를 직접 이용해 액정을 원하는방향으로 배향하고 광전자소자에 응용한 기술을 소개하고자 한다.

Ⅱ. 본론

1. 기존 배향 기술과 문제점

현재 액정의 배향을 얻는 방법으로서는 러빙법, 스트레칭법, 광조사법 등과 같은 방법들이 알려져 있다. 이 중에서 현재까지 배향막으로서 가장 널리 사용되고 있는 것으로는 폴리이미드 고분자에 러빙 기술을 사용해 배향을 유도하는 러빙 배향막이다. 이 러빙법은 고분자를 코팅한 기판을 천으로 문지르는 간단한 방법으로서, 공정이 간단하고 대면적화와 고속처리가 가능해 공업적으로 널리 이용되고 있는 방법이다.

그러나, 이러한 러빙법은 몇 가지의 결정적인 결함을 가지고 있다. 예를 들면 배향포와 배향막의 마찰강도에 따라 배향막에 형성되는 미세홈의 형태가 달라지기 때문에, 액정분자의 배열이 불균일하게 되어 위상왜곡과 광산란이 발생한다. 또한 고분자 표면을 러빙함으로써 발생하는 정전기(ESD)로 인한 기판손상과 러빙포에서 생성되는 먼지 등에 의해 생산수율이 저하되는 문제점이 있다. 이와 함께 국부적으로 선택된 영역만을 배향해 각 영역이 다르게 배향되도록 하는 방법인 멀티도메인 형성 공정은 매우 복잡해 이를 통한 시야각 개선이 원천적으로 불가능하다. 그래서 새로운 구조와 배향방식을 사용한 배향막의 개발이 요구됐다.

러빙법의 결함을 개선하기 위해 개선된 것이 바로 광배향법이다. 광배향법은 감광성고분자가 도포된 기판에 선편광된 자외선을 조사해 광이량화나 광이성화 또는 광분해를 유도하고, 그 결과로 배향막에 배향방향을 부여하는 방법이다. 이러한 광배향법은 비접촉방식이기 때문에 불순물 이입 및 정전기 발생으로 인한 문제점을 원천적으로 배제할 수 있어 배향처리가 간편하고 수율을 향상시킬 수 있으므로 대량생산에 적합하다. 그리고 영역에 따라 편광방향을 달리하면서 자외선을 조사하는 비교적 간단한 공정으로 다중도메인을 형성할 수 있기 때문에 시야각 개선에 유리한 방법이다.

액정 광배향막으로 사용되는 고분자로는, 광이량화 반응을 통해 액정을 배향시키는 시나메이트 계열의 고분자와 광이성화 반응을 통해 액정을 배향시키는 아조벤젠기를 포함하는 고분자, 그리고 광분해 반응을 통해 액정을 배향시키는 폴리이미드 계열의 고분자 등이 있다. 이중 시나메이트 계열의 고분자는 빠른 광반응을 하므로 비교적 짧은 시간의 광조사에 의해서도 우수한 액정 배향을 얻을 수 있으나, 일반적으로 선경사각이 1° 미만으로 매우 낮으며 열적인 안정성이 취약한 단점이 있다. 아조벤젠기를 포함하는 고분자를 이용한 광이성화 방법 역시 배향이 간단하다는 장점이 있지만 약한 배향성과 시간이 지남에 따라 배향된 액정의 배향 특성이 변해 안정성에 문제가 있다.

한편, 광분해에 의한 방법에 있어서는 여러 가지 광분해성 고분자가 사용될 수 있지만 지금까지 시클로부탄계 폴리이미드를 제외하고는 알려진 경우가 거의 없다. 이 고분자의 경우에도 배향막의 안정성이 우수하며 폴리이미드의 구조에 따라서 선경사각의 조절이 용이하다는 장점이 있으나, 광반응이 느리므로 광조사 시간이 길다는 문제점이 있다.

그림1.png

▲ <그림 1> 대표적인 액정 배향 기술 a) 러빙법 b) 광배향법

2. 투명전극을 이용한 무배향막 배향연구

본 기술은 나노구조 패턴이 형성된 투명전극 및 이를 이용한 무배향막 액정 제어에 관한 것이다. 물리적 이온 식각공정을 통한 이온 봄바드먼트(Ion Bombardment) 현상을 이용해 투명전극 상에 고분해능(High Resolution)과 고종횡비(High Aspect Ratio)를 가지는 나노구조 패턴을 형성시킴으로써 투명전극의 전도성 및 광투과성의 저하 없이 우수한 액정 배향 특성을 유도한 것이다.

2-1. 고분해능/고종횡비 나노 패턴형성

본 연구에서 사용된 2차 증착 리소그래피는 기존의 투명전극 패터닝 기술과는 다르게, 식각이나 증착의 다단계 개념이 아닌 한 공정으로 투명전극 표면의 식각과 증착을 동시에 하는 One-step 공정으로 이루어진다는 특징이 있다. 투명전극의 손실률을 최소화로 낮추면서 표면의 구조를 원하는 대로 조절할 수 있는 기술이다.

그림2.png

▲ <그림 2> 2차 증착 현상 리소그래피를 이용한 투명전극 나노패턴 모식도

투명전극에 전극물질로 이루어진 나노 패턴을 형성시키는 과정은 다음과 같다. 먼저, 투명전극 ITO 기판상에 패턴화된 고분자 구조체를 형성시킨다. 상기 형성된 고분자 구조체의 외주면에 물리적 이온 식각공정을 통한 이온 봄바드먼트 현상을 적용해 투명전극 형성 물질이 부착된 고분자 복합체를 형성시킨다.

<그림 2>의 2차 증착현상 모식도를 보면, Ar 이온들에 의해 식각된 ITO 입자들이 먼저 형성돼 있는 고분자 구조체의 벽면에 증착이 된다는 것을 알 수 있다. 즉, 식각과 증착이 동시에 일어나는 것이다. 이 ITO 물질이 부착된 고분자 복합체에서 고분자만을 제거해 기판상에 투명전극 물질로만 이루어진 나노구조 패턴을 제조하는 것이다. 이렇게 만들어진 투명전극 기판은 전도성과 광투과성의 저하 없이 액정의 배향을 원하는 방향으로 정밀하게 조절할 수 있다.

2-2. 패턴 Characterization

투명전극을 이용해 액정을 순수배향하기 위해서는 크게 3가지 요건이 충족돼야 한다. 첫 번째로 고분해능 패턴이다. 패턴의 크기가 빛의 파장대만큼 커지게 되면 패턴에 의한 산란효과로 인해 투과도가 저하되기 때문이다. 두 번째는 패턴 형성 후에도 투명전극의 또 다른 특성인 전도도가 저하되지 않아야 한다. 기존의 에칭기반 투명전극 기술들은 패턴형성 후에 저항이 급격하게 올라가 투명전극의 기능을 상실하게 되는 치명적 단점을 가지고 있었다. 마지막으로 액정과 강한 물리적 결합을 할 수 있는 고종횡비의 패턴이 필요하다.

액정 배향 메커니즘을 물리적 인자로 설명한 Berreman 이론에 의하면, 액정 분자체들은 에너지를 최소화하기 위해 패턴을 따라가게 되는데, 이때 패턴의 높이가 높을수록 패턴과 액정간의 Anchoring은 강하게 돼 안정적인 배향을 순수하게 물리적으로 달성할 수 있기 때문이다.

고분해능, 고종횡비 패턴의 형성 유무는 주사전자현미경 단면 및 표면 촬영을 통해 확인했다. <그림 3>에서 보는 바와 같이 약 20㎚의 폭과 150㎚의 높이를 가지는 종횡비 7이상의 고분해능 고종횡비 패턴이 투명전극 전면적에 형성됐다는 것을 알 수 있다. 이 패턴들이 고분자 지지체가 아니고 투명전극 물질인 ITO 자체임을 증명하기 위해 EDAX 실험을 진행해본 결과, 투명전극 물질, 즉 인듐(In), Tin(Sn) Oxide로 이루어진 것을 확인할 수 있다.

그림3.png

▲ <그림 3> 투명전극 ITO 나노 패턴을 촬영한 주사전자현미경 사진과 EDAX 데이터

패턴 형성 후에도 투명전극의 특성인 투과도와 전도도 기능을 유지하는지 조사하기 위해 비교 실험을 진행했다. 전도도 비교를 위해, 프로브 스테이션(Probe Station)을 이용했다. 나노구조 패턴이 형성된 투명전극 기판의 전압에 대한 전류 값은 나노구조 패턴이 형성돼 있지 않은 투명전극 기판과 미세한 차이가 있을 뿐 거의 유사한 것 알 수 있었다. 또한 면저항 측정결과, 나노구조 패턴이 형성돼 있지 않은 투명전극기판(ITO)은 8.23ohm/sq로 측정됐고, 나노구조 패턴이 형성된 투명전극 기판(ITOpattern)은 9.06ohm/sq으로 측정돼 135㎚의 나노구조 패턴 형성 후에도 본 발명에 따른 나노구조 패턴이 형성된 투명전극 기판(ITO pattern)은 10% 정도의 전도도 감소만이 나타나, 전기적으로도 손상이 없는 고품질의 투명전극 기판을 대면적으로 패턴화시킬 수 있음을 알 수 있었다.

UV-Vis 조사를 통한 광투과도 측정 결과, 나노구조 패턴이 형성돼 있지 않은 투명전극 기판과 동일하게 550㎚ 파장대에서 96%의 광투과도를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해 광학적으로 손상이 없는 고품질의 투명전극 기판을 대면적으로 패턴화시킬 수 있음을 알 수 있다.

고분해능, 고종횡비 패턴 형성 후에도 투과도와 전도도가 저하되지 않는 이유는 2차 증착리소그래피의 특징인 식각과 증착의 One-step공정 때문이다. 기존의 각종 에칭과 증착을 통한 패터닝 방법을 이용하면 100㎚ 높이의 라인패턴을 제작하려면 100㎚의 투명전극 두께 층을 식각하거나 증착해야만 했다. 하지만, 본 연구팀의 기술을 이용하면 20㎚ 남짓의 투명전극 식각과 동시에 130㎚ 이상의 높이를 갖는 패턴을 제작할 수 있는 장점을 지니고 있어, 표면의 어떠한 손상과 투명전극의 광학적/전기적 변화 없이 표면의 패턴을 크게 줄 수 있다는 큰 장점을 지니고 있다.

그림4.png

▲ <그림 4> 투명전극 패턴 형성 전후 a)전도도 b)투과도 c)원자력간 현미경 분석 그래프

2-3. 액정배향

<그림 2>의 f와 같이 나노패턴이 형성된 투명전극 기판을 사용해 액정배향을 했다. 액정기반 디스플레이에 가장 많이 쓰이는 ECB모드(아래, 위 기판을 서로 평행조립)와 TN모드(아래, 위 기판이 서로 90° 꼬인 형태)로 셀을 조립한 후 상용화된 네마틱 액정 5CB를 주입했다. 편광현미경 측정 결과, <그림 5>에서 보는 바와 같이 패턴의 전면적에서 액정들이 매우 잘 배향이 됐다는 것을 알 수 있다.

ECB모드의 경우, 패턴의 전면적에서 검정색 Texture가 나타나는데, 이는 액정분자들이 편광판 방향, 즉 기판방향과 평행하게 정렬이 돼 있기 때문이다. TN모드의 경우에는 <그림 5>와 같이 ECB모드와 달리 하얀색 Texture가 나타나는데, 이는 액정분자들이 아래, 위 기판을 따라 꼬인 형태로 배향이 된 결과이다. 두 모드 실험 결과를 바탕으로, 나노구조 패턴이 형성된 투명전극은 액정을 원하는 방향으로 배향하는데 매우 효과적임을 알 수 있다.

실제 광학소자에 응용가능성을 보기 위해 전기장 인가 실험을 진행했다. 액정이 표시장치에서 하는 기본이자 핵심적인 역할은 바로 빛에 대한 차폐역할이다. TN모드 셀을 준비한 후 광전자 실험을 진행한 결과, 인가 전압의 세기가 점점 강하면 셀의 광투과도가 점점 낮아지는 것을 관찰할 수 있다. 이는 액정분자들이 전기장의 방향에 따라 정렬되기 시작하면서 더 이상 꼬임구조(빛의 투과상태)를 유지하지 않고 수직으로 정렬되기 때문이다.

그래프 안쪽 <그림 5>에서 알 수 있듯이, 전압 인가 전에는 White 상태로서 빛을 투과시키는 상태가 되고 전압 인가 시에는 Black 상태가 돼 빛을 차단시키는 상태가 된다. 이 실험을 통해 투명전극 나노 패턴을 이용한 액정 직접 배향이 광전자소자로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 광전자 실험 결과, 러빙법에 의한 배향법보다 낮은 문턱 전압(Threshold Voltage)과 빠른 응답속도를 확인했다. 현재 고분자 배향막으로는 달성하기 힘든 수 μs의 초고속 응답속도를 본 기술을 토대로 개발 중에 있다.

그림5.png

▲ <그림 5> 투명전극 패턴을 이용한 액정 배향 및 광전자 소자 측정 결과

Ⅲ. 결론

우리나라 디스플레이 제조 기술은 세계선두이나 배향 및 소재기술을 포함한 여러 가지 원천 기술은 일본과 같은 선진국에 대한 의존도가 높은 편이다. 따라서 액정 배향 기술에 대한 원천기술 확보는 향후 세계 디스플레이시장에서의 선점과 직결되는 매우 중요한 연구이다. 본 연구는 기존의 기술로는 불가능했던 전도도와 광 투과성의 저하가 없는 매우 우수한 나노구조 패턴을 대면적으로 형성한 직접 액정 배향에 관한 것이다.

이는 배향막과 전극의 기능을 동시에 하는 것으로서 고분자 막이 필수적인 기존의 러빙법 및 광배향법과 차별화되는 독창적이며 원천적인 연구이다. 본 기술은 고분자 배향막 합성 및 후처리 공정이 완전히 배제돼 공정 단가를 낮추는 경제적 효과를 볼 수 있으며 고분자 배향막 시장의 80% 이상을 독점하고 있는 일본 기업 중심의 시장구조에서 벗어날 수 있는 산업적 효과도 기대된다. 또한 열적, 물리적 안정성을 기반으로 해, 디스플레이 제작 공정을 개선함에 있어 큰 제약조건을 제거해 제작 공정의 유연함을 줄 수도 있다.

학문·기술적 측면에서 볼 때, 투명전극 패턴 기술은 나노 수준의 제어가 가능하므로 이를 이용한 액정 분자체의 제어는 현재 명확하게 밝혀지지 않은 액정 배향 메커니즘을 분자수준에서 이해할 수 있는 기반을 마련한다. 액정의 제어 및 배향기술은 세계적으로 관심이 집중되고 있는 연구 분야이며, 이 연구가 성공적으로 수행될 경우 세계적인 이론 및 기술 확보가 가능하기 때문에 향후 디스플레이 분야와 신규분야에 더 힘을 실을 것으로 기대된다.

자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)

필자 : 한국과학기술연구원 정현수 선임연구원