수직액정배향을 위한 이온빔 조사된 HfO2 박막의 표면변화에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

액정 배향을 위한 이온빔 조사된 무기재료에 대한 연구는 high-resolution 디스플레이 소자 구현을 위한 nonstop process 에서의 제어의 용이성의 이유로 지속되어 왔다. SiOx, a-C:H 와 같은 투명한 절연체 물질들은 무기 액정 배향막으로서의 잠재력을 가진 물질로서 각광받아 왔다. 그럼에도 불구하고 우수한 capacity를 가진 새로운 물질의 액정배향막은 우수한 성능의 디스플레이 소자 개발을 위하여 요구되고 있다. 특히 강유전성 무기재료의 경우 액정 배향막으로서 사용될 경우 상대적으로 높은 capacitance로 인하여 배향막에 의한 전압손실을 줄일 수 있다. 즉, 강유전성 무기배향막을 사용함으로써 낮은 외부전압 하에서도 최소한의 전압만으로 소자구동을 실현할 수 있다. 이것은 high-k 물질을 이용한 액정 디스플레이 소자의 경우 낮은 문턱전압에서 액정 분자가 효과적으로 구동함으로써, 저전력 액정 디스플레이 소자로서의 가능성을 가진다고 할 수 있다.
높은 잠재력을 가진 다양한 종류의 high-k 물질중, HfO2는 높은 유전율과 상대적으로 낮은 전류손실, 또한 높은 밴드갭 에너지 (5.68 eV)와 이로 인한 우수한 투명성으로 인하여 액정 배향막으로서 가장 기대되는 물질이라고 할 수 있다. 이러한 HfO2의 성질로 인하여 액정 배향막에 응용될 경우 배향막의 capacitance값을 증가시켜 액정소자의 저전압 구동을 가능하게 할 수 있다. 그러나 HfO2 박막은 액정 배향막으로 사용될 경우 2가지의 단점을 가질 수 있다. 첫째로, indium tin oxide (ITO) 전극과 배향막 계면사이에 발생하는 높은 charge trap density로 인하여 액정소자특성을 저해할 수 있다. 둘째로, HfO2 박막과 ITO 전극 사이에 발생할 수 있는 누설전류에 의하여 액정분자의 구동에 악영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 이온빔 조사된 HfO2 박막표면에서의 액정분자의 수직배향을 실현시키고 그 메카니즘을 규명하였다. 또한 charge trap과 누설전류를 최소화하기 위하여 매우 얇은 Al2O3 박막을 buffer layer로 증착하였다. 본 논문에서는 높은 신뢰성의 매우 얇은 액정 배향막을 실현하기 위하여 HfO2/Al2O3 이중박막은 박막의 두께와 균일성을 높은 수준으로 유지할 수 있는 원자층 증착장비 (ALD)를 이용하여 성장시켰다.
본 논문의 실험결과 액정분자가 이온빔 조사된 HfO2 박막표면에서 수직 배향되는 메카니즘을 규명하였다. XPS 분석결과 액정의 수직배향은 fully oxidization된 HfO2 표면에서 이루어지며, 이러한 박막의 변화는 특정세기 이상의 이온빔 조사에 의하여 이루어졌다. 이온빔 조사각도와 조사시간은 각각 45o와 2분으로 고정되었으며 이 조건하에서 1500 eV 이상의 이온빔 조사시 액정의 수직 배열을 위한 박막의 천이가 일어난다는 결과를 도출하였다. 이는 XPS spectra에서 Hf 4f peak이 낮은 binding 에너지의 값으로 이동한다는 사실을 통하여 도출할 수 있었다. 또한 Hf 4f peak의 intensity 증가한다는 결과로부터 non-stoichiometric 상태의 HfOx 표면이 fully oxidized된 HfO2 표면으로 변화한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이온빔 조사된 HfO2 박막을 이용한 VA-LCD 모드의 액정셀은 0.9V의 매우 낮은 문턱 전압값을 가짐으로 인하여 저전력 구동의 액정 디스플레이 소자로서의 가능성을 실현하였다. 마지막으로 액정 배향막으로서의 열적 안정성을 테스트한 결과 250oC의 높은 온도까지 액정의 배향상태가 유지됨을 확인함으로써 기존의 PI 상의 액정소자에 비해 높은 안정성과 신뢰성을 갖는다고 평가할 수 있다.