Microsoft Word _2011년01월10일_ 003 LCD 제조용~_백상현외6명_.doc

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예리 석
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1 Polymer(Korea), Vol. 35, No. 5, pp , 2011 LCD 제조용러빙포물성에따른러빙된폴리이미드배향막의특성및러빙효과분석 안홍준ㆍ이장주ㆍ안종수 ㆍ박경철 ㆍ노재규 ㆍ유동연 ㆍ백상현 경희대학교화학공학과, ( 주 ) 영도벨벳, ( 주 ) 하이퍼플렉스 (2011년 1월 10일접수, 2011년 3월 30일수정, 2011년 4월 25일채택 ) Analysis of Properties of Rubbed Polyimide Alignment Layer and Rubbing Effect of Various Rubbing Cloths for LCD Fabrication Hong-Jun Ahn, Jang-Ju Lee, Jong-Soo Ahn*, Kyung-Chul Park*, Jae-Gyu Noh**, Dong-Yeon Yoo**, and Sang-Hyon Paek Department of Chemical Engineering, Kyung Hee University 1, Sucheondong, Yongin-si, Gyeonggi-do , Korea *Youngdo Velvet, Simi-Dong, Gumi, Gyeongsangbuk-do, Korea **Hyperflex, 1-1 Industrial Complex, Bongsan-ri, Sandong-Meon, Gumi, Gyeongsangbuk-do, Korea (Received January 10, 2011; Revised March 30, 2011; Accepted April 25, 2011) 초록 : 러빙공정에서는러빙시공정변수와배향막의특성그리고러빙포의물성이중요한변수로작용한다. 이러한변수들은러빙밀도 (rubbing density) 와러빙력 (rubbing force) 에의해서결정되는러빙된정도 ( 크기 ) 를통하여배향막의배향성에영향을미치게된다. 본연구에서는러빙변수중러빙포의물성이러빙밀도 ( 길이 ) 와러빙력에미치는영향에대하여알아보기위하여다른물성 ( 파일밀도, 강직도 ) 을가지는러빙포를이용하여러빙효과 ( 정도 ) 를분석하였다. 러빙포의파일밀도가커지고강직도가강할수록러빙된배향막의이방성과표면조도가커졌으나러빙효과의형태는서로달랐다. 러빙포의파일밀도는러빙에관여하는파일의수와밀접한관련이되어있어러빙하는밀도 ( 길이 ) 영향을미치지만강직도는러빙밀도 ( 길이 ) 보다는러빙력과보다밀접하게관련성이있었다. Abstract: In rubbing process, process factors, the properties of alignment layer and the physical properties of rubbing cloth have acted as important variables. These factors affect the orientation properties of the alignment layer by rubbed extent that is determined by rubbing density and rubbing force. In this work, we studied the effects of rubbing cloths with different pile density and rigidity on rubbing density(length) and rubbing force. As the pile density and rigidity of rubbing cloths increased, the birefringence and the surface roughness of the rubbed alignment layers became bigger, but the characteristics of rubbing-effect had differed each other. The pile density of rubbing cloths which was related with the number of pile, affected the rubbing density(length). On the other hand, the pile rigidity of rubbing was closely related to rubbing force rather than the rubbing density(length). Keywords: rubbing cloth, alignment layer, pile density, birefringence, rubbing effect. 서론 Liquid crystal display(lcd) 의구동을위해서는일정한한방향으로의균일한액정 (liquid crystal) 배향 (alignment) 이요구된다. 이러한액정배향을유도하는가장보편적인방법으로천을이용한러빙법이사용되고있다. 러빙은레이온또는면으로구성된벨벳형태의러빙포가감긴롤러를회전시켜고분자 ( 일반적으로폴리이미드 ) 배향막이코팅된기판위를일정한한방향으로쓸고지나가게하는방법으로진행된다. To whom correspondence should be addressed. shpaek@khu.ac.kr 지금까지의러빙공정에관한연구는러빙깊이 (pile impression), 1-5 롤러의회전속도, 6 기판의이동속도, 7 러빙횟수 1,8,9 등의여러공정자체변수가러빙배향에주는영향을중심으로이루어졌다. 이러한연구에서러빙세기 (rubbing strength), 러빙밀도 (rubbing density), 러빙력 (rubbing force) 등이개별적으로정의되고이를이용하여러빙의정도를정량화하였다. 하지만, 앞에서언급된러빙공정변수들이외에도러빙공정은러빙포파일의밀도, 강직도, 기모각도, 길이, 마찰력등러빙포의물성 / 특성에도상당한영향을받을것으로예상되나, 이에대한구체적인연구는아직까지이루어지지않고있는상황이다. 본연구에서는러빙포가가지는물성인파일밀도와강직도를러빙포 385

386 안홍준 ᆞ 이장주 ᆞ 안종수 ᆞ 박경철 ᆞ 노재규 ᆞ 유동연 ᆞ 백상현 제조조건을조절하여다르게구현하고이들물성이러빙시실제 LCD 공정에서액정배향막으로사용되고있는폴리이미드막과러빙공정에미치는영향을고찰하고자한다. 이를통하여러빙포의물성이러빙된배향막의특성과러빙효과 ( 정도 ) 에미치는영향을분석하고자한다. 실험재료.

2 386 안홍준 ᆞ 이장주 ᆞ 안종수 ᆞ 박경철 ᆞ 노재규 ᆞ 유동연 ᆞ 백상현 제조조건을조절하여다르게구현하고이들물성이러빙시실제 LCD 공정에서액정배향막으로사용되고있는폴리이미드막과러빙공정에미치는영향을고찰하고자한다. 이를통하여러빙포의물성이러빙된배향막의특성과러빙효과 ( 정도 ) 에미치는영향을분석하고자한다. 실험재료. 본연구에사용한러빙포의섬유는셀룰로오스아세테이트를알칼리로표면부분을가수분해시켜레이온으로개질한것으로, 러빙포의지조직의밀도와제직공정을달리하여러빙포단위면적당파일의수, 즉파일밀도를다양하게구현하였다. 러빙포제작시, 파일의강직도를높이기위하여수용성지지제를러빙포의지조직의후면으로부터코팅을하는데, 러빙포지조직및파일의건조정도를다르게하여지지제의코팅두께를변화시킴으로써파일의강직도를제어하였다. 러빙배향막으로는 250 에서이미드화된폴리이미드 (Nissan Chemical사의 SE-1691) 가사용되었다. 러빙포의물성측정. 러빙포의파일밀도와파일의직경, 그리고지조직후면에코팅된지지제의두께는 SEM(Hitachi 사의 TM3000) 을이용하여측정하였고, 파일의기계적물성은 UTM(Instron model- 5844) 장치의압축모드에의한 strain-stress 특성과 6.1 kpa 의압력에의하여파일이압축된정도 ( 길이 ) 를측정하여비교하였다. 러빙및러빙토크측정. 러빙깊이 (rubbing depth 또는 pile impression) 를 0.01 mm 까지정밀하게조절할수있는, 롤러의지름이 130 mm 인자동러빙기를이용하여, 각각의러빙포로폴리이미드배향막을러빙깊이 0.30 mm, 롤러의회전속도 1000 rpm 과배향막기판의이동속도 160 cm/min인조건에서 1회러빙하였다. 러빙포의물성에따른러빙력의변화를관찰하기위하여러빙기에걸리는토크를 Mitsubishi 사의서보모터 (HC-KFS23) 와 Omron 사의계측기 (K3MA-J) 를사용하여측정하였다. 배향막의분석. 러빙에의해폴리이미드배향막분자 ( 또는사슬 ) 는러빙방향으로재배열되는데, 이에따른배향막의이방성은 Figure 1과같이구성된 photoelastic modulator(pem) 장치를이용하여광학적으로측정하였고그정도는배향막의 phase retardation 의크기로써결정하였다. 러빙된배향막의표면형상의변화는러빙전ᆞ후의배향막표면의 AFM 이미지를통하여분석하여확인하였다. Veeco 사의 D-3100 를사용하여 tapping 모드로 10 μm 10 μm 크기의 AFM 이미지를얻었고, RMS 표면조도 (surface roughness) 를구하였다. 결과및토론 러빙포의물성분석. 본연구에서는두가지의다른물성 ( 파일밀도, 파일강직도 ) 을가지는러빙포를연구하였다. 첫번째는 ea/cm 2 의파일밀도를가지는러빙포에대하여지조직과파일의건조율을다르게한다음, 수용성지지체를지조직의후면으로부터코팅하여건조율에따른수용성지지체의침투도를다르게하였다. Figure 2의 SEM 이미지에서볼수있듯이지조직의코팅층의건조율이낮을수록파일에흡수되는지지체의정도가감소됨으로써지지제의전체코팅두께가 75, 90, 125 μm 로점점증가됨을알수있다. 두번째는지지제층의두께를 75 μm 로일정하게하고지조직의밀도와파일의직경을다르게하여파일밀도가 32000, 40000, 47000과 ea/cm 2 인러빙포를제작하였다 와 ea/cm 2 에사용된파일은 2.55 denier, 그리고 47000와 ea/cm 2 에사용된파일은 2.31 denier 였는데, SEM 이미지측정결과파일의직경은각각의경우 19 와 15 μm 로나타났고위에서제작한 4개의러빙포의파일밀도가제대로구현되었음을확인했다 (Figure 3). 러빙시러빙포의파일이받는압력이파일에어떠한영향을주는지확인하기위하여파일에일정한압력 (6.125 kpa) 을가한후파일이압축된정도를압축전ᆞ후의파일의길이를통하여조사하였다. 다른파일밀도를가지는러빙포의경우 (Figure 4 참조 ), 압축전의러빙포의전체파일의길이는모두 1.80 mm 로동일하였는데, kpa 의압력이가해진후의파일이압축된정도, 즉파일이줄어든길이는파일밀도가감소할수록증가하는것을볼수있다. 이는러빙포의파일밀도가증가할수록힘에외부압력에대응하는파일의수가많아짐으로써파일당받는압력이줄어들기때문이다. (a) (b) (c) Figure 2. Coating thickness of a back supporting layer for piles with (a) high; (b) medium; (c) low dryness. (a) (b) Figure 1. Schematic setup of a photoelastic modulator(pem) system used for measurement of phase retardation. Figure 3. Pile diameter of rubbing cloths with (a) 2.55 denier (32000 ea/cm 2, ea/cm 2 ); (b) 2.31 denier(47000 ea/cm 2, ea/cm 2 ). 폴리머, 제 35 권제 5 호, 2011 년

LCD 제조용러빙포물성에따른러빙된폴리이미드배향막의특성및러빙효과분석 387 (a) (c) (b) (d) Table 1.

0075 40000 75 0.0055 40000 90 0.0068 40000 125 0.0112 Figure 4. Pile length after applying a constant pressure of 6.

Thickness of supporting layer: 75 μm Compressive stress(kpa) 25 20 15 10 5 Thickness of supporting layer: 90 μm Thickness of supporting layer: 125 μm 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.

지지제의코팅두께가다른러빙포의경우에는, 코팅된지지제의두께가증가할수록압력에의해파일이압축되는정도가감소하였는데, 이것은지지제층이두꺼워질수록파일의강직도가증가된것에의한것으로볼수있다. Figure 5에나타난압축모드의 strain-stress 결과에서도지지제층이두꺼워질수록파일의강직도가증가한다는것을재확인할수있다. 러빙포물성에따른배향막의특성변화.

3 LCD 제조용러빙포물성에따른러빙된폴리이미드배향막의특성및러빙효과분석 387 (a) (c) (b) (d) Table 1. Birefringence of SE-1691 Layer Rubbed by Various Rubbing Cloths Property of rubbing cloth supporting layer (μm) Birefringence Figure 4. Pile length after applying a constant pressure of kpa for rubbing cloths with pile density of (a) ea/cm 2 ; (b) ea/cm 2 ; (c) ea/cm 2 ; (d) ea/cm 2. Thickness of supporting layer: 75 μm Compressive stress(kpa) Thickness of supporting layer: 90 μm Thickness of supporting layer: 125 μm Compression depth(mm) Figure 5. Compressive strain-stress curves for rubbing cloths with various thicknesses of the back supporting layer. 지지제의코팅두께가다른러빙포의경우에는, 코팅된지지제의두께가증가할수록압력에의해파일이압축되는정도가감소하였는데, 이것은지지제층이두꺼워질수록파일의강직도가증가된것에의한것으로볼수있다. Figure 5에나타난압축모드의 strain-stress 결과에서도지지제층이두꺼워질수록파일의강직도가증가한다는것을재확인할수있다. 러빙포물성에따른배향막의특성변화. 러빙시, 러빙포파일의 shear 응력 (stress) 에의해고분자배향막의분자가또는주사슬이러빙방향으로배향 (orientation) 하게되고이에따라러빙된배향막은미세한이방성을띠게된다 Table 1은상이한물성을가지는러빙포에의하여러빙된폴리이미드배향막의이러한이방성을 PEM 장치를이용하여광학적으로정밀하게측정하여복굴절 (birefringence) 로나타낸결과이다. 러빙포의파일밀도와파일의강직도가증가할수록러빙에의해발생된배향막의복굴절률이커진다. 이것은파일의밀도와강직도가증가할수록러빙된정도가커져서배향막의분자가러빙방향으로배향되는비율이증가한다는것을나타낸다. Figure 6. AFM surface topography of SE-1691 layer rubbed by rubbing cloths with pile density of (a) ea/cm 2 ; (b) ea/cm 2 ; (c) ea/cm 2 ; (d) ea/cm 2. Table 2. AFM Surface Roughness of SE-1691 Layer Rubbed by Various Rubbing Cloths Property of rubbing cloth supporting layer (μm) RMS surface roughness(nm) Figure 6 에나타난러빙된배향막의표면의 AFM topography 결과에서볼수있듯이, 파일밀도가증가할수록러빙시 pile 에의해배향막표면에 ( 작은 ) groove들의상대적으로더균일하고촘촘하게형성되는경향이있으나 groove의깊이와표면조도에는큰차이가나타나지않았다 (Table 2 참조 ). 한편, 파일의강직도에따라서는 groove의수와간격에는별다른차이가나타나지않았지만파일의강직도가커질수록 groove의깊이가증 Polymer(Korea), Vol. 35, No. 5, 2011

가하여 (Figure 7 참조 ), 이에따라 Table 2 에서볼수있듯이표면조도가파일밀도의경우보다는상대적으로큰차이를나타냈다. 러빙포물성과러빙효과 ( 정도 ) 의상관관계. 러빙이된정도 ( 크기 ) 는러빙된길이또는면적에비례하는러빙밀도 (rubbing density) 와러빙의강도 / 세기에비례하는러빙력 (rubbing force) 에의하여정해질수있다.

4 388 안홍준 ᆞ 이장주 ᆞ 안종수 ᆞ 박경철 ᆞ 노재규 ᆞ 유동연 ᆞ 백상현 (a) (b) (c) Figure 7. AFM surface topography of SE-1691 layers rubbed by rubbing cloths with (a) 75 μm-thick; (b) 100 μm-thick; (c) 125 μmthick, back supporting layers. 가하여 (Figure 7 참조 ), 이에따라 Table 2 에서볼수있듯이표면조도가파일밀도의경우보다는상대적으로큰차이를나타냈다. 러빙포물성과러빙효과 ( 정도 ) 의상관관계. 러빙이된정도 ( 크기 ) 는러빙된길이또는면적에비례하는러빙밀도 (rubbing density) 와러빙의강도 / 세기에비례하는러빙력 (rubbing force) 에의하여정해질수있다. 러빙밀도는러빙이많이되었느냐또는적게되었느냐를나타내며, 러빙력은러빙이강하게되었느냐또는약하게되었느냐의관점을대변한다. 러빙포의물성이변함에따라러빙밀도와러빙력모두가영향을받겠지만, 그정도는러빙포의각물성의특성에따라차이가있을것으로여겨진다. 러빙포의파일밀도는러빙에관여하는파일의수와관련된것이므로러빙하는길이또는면적에주로영향을미치게된다. 따라서, 러빙밀도는러빙력보다는주로러빙밀도에영향을주는요소라할수있다. 반면에, 러빙포의강직도는러빙밀도보다는러빙력과보다밀접하게관련이있다고볼수있다. 파일의강직도가커지게되면, 러빙시배향막표면에미치는 shear 응력이증가함으로써러빙에의해영향을받는표면의깊이 / 두께가증가하게되며, 이에따라배향막표면의거칠기와 groove의깊이가커지게된다. 러빙포의파일밀도가큰러빙포는상대적으로많은수의파일이배향막표면을쓸고지나감으로써배향막과러빙포파일의접촉면적이증가하게되고이에따라러빙되는배향막표면의면적이증가하게된다. 한편, 파일의강직도가증가하게되면, 러빙에의해영향을받는배향막표면의두께가커지게된다. 즉, 배향막표면영역에서러빙방향으로배향되는분자또는사슬이많아지게된다. 러빙포의파일밀도가증가하거나파일의강직도가커지거나모두러빙의정도 / 크기를증가시키고이에따라배향막의이방성과표면조도가커지는결과를초래하지만, 이들러빙포의물성이러빙에미치는세부적인영향은위에서언급하였듯이다소차이가있다. 앞에서나타난러빙된배향막의특성분석의결과들도이와맥락을같이한다. 러빙포의파일밀도와파일의강직도에따른러빙효과를보다정량적으로이해하기위하여러빙시러빙롤러에걸리는과부하를토크 (torque) 로환산하여러빙횟수에따라어떻게변하는지측정하였다. 예상된바와같이파일밀도와파일의강직도가증가함에따라러빙토크도증가하는것으로나타났다 (Table 3 참조 ). 동일한러빙횟수에대하여, 파일밀도가증가하면파일의접촉면적, 즉러빙면적이증가하여마찰력의증가로이어져이에따라러빙토크가증가하게된다. 한편, 파일의강직도가커지면, 파일의접촉면적은크게영향을받지않지만러빙력 (rubbing force) 이커지게되어그결과로토크가증가하게된다. Table 3의결과에서주목할부분은러빙횟수가증가함에따라러 Table 3. Change in Rubbing Torque (units: Nm) with the Number of Rubbings for Various Properties of Rubbing Cloth Number of rubbings 빙토크의값이감소하며그값이일정한값으로유지되는시점에서의러빙횟수가차이가있다는점이다. 러빙의횟수가증가해도러빙토크가일정한값이유지되고변화가없다는것은배향막표면에서더이상의 ( 추가의 ) 러빙이일어나지않는다는것을, 즉배향막의모든표면이더이상러빙포파일의영향을받지않는다는것을의미한다고볼수있다. 파일밀도가증가할수록러빙횟수에따른러빙토크의초기감소비율이크게나타났고, 일정한토크값에도달하는러빙횟수도감소하는것으로나타났다. 이것은러빙포의파일밀도가증가할수록배향막표면이상대적으로많이그리고고르게러빙된다는것을잘대변해주는결과이다. 한편, 파일의강직도에따라서는이러한경향이나타나지않고강직도와상관없이거의동일한러빙횟수 (5 번 ) 이후에러빙토크가일정하게유지되었다. 이는파일의강직도는러빙밀도에영향을거의주지않는다는것을보여준다. 결 본연구에서는두가지다른물성 ( 파일밀도, 파일강직도 ) 을가지는러빙포의러빙에따른러빙효과 ( 정도 ) 에대하여조사하였으며, 이러한러빙된정도 ( 크기 ) 를러빙시러빙롤러에걸리는토크의변화를통하여정량적으로고찰하여보았다. 러빙포의파일밀도가높을수록파일과배향막간의러빙면적 / 길이가증가하여배향막 ( 폴리이미드 ) 분자들의배향성 ( 이방성 ) 과러빙균일도가향상시켰으며, 파일강직도는커질수록배향막 ( 폴리이미드 ) 분자의배향성 ( 이방성 ) 향상과강한러빙력을보였다. 이러한러밍포물성들에따른러빙효과들을러빙시발생하는토크치 론 supporting layer(μm) 폴리머, 제 35 권제 5 호, 2011 년

5 LCD 제조용러빙포물성에따른러빙된폴리이미드배향막의특성및러빙효과분석 389 와러빙횟수에따른변화를통해서더욱정확한정량적수치로확인할수있었다. 참고문헌 1. S. H. Paek, J. Ind. Eng., 7, 316 (2001). 2. K. Takatoh, M. Hasegawa, M. Koden, N. Itoh, R. Hasegawa, and M. Sakamoto, Alignment technologies and applications of liquid crystal devices, in Liquid Crystals, G. W. Gray, J. W. Goodby, and A. Fukuda, Editors, Taylor & Francis, New York, pp 7-54 (2005). 3. G. P. Sinha, B. Wen, and C. Rosenblatt, Appl. Phys. Lett., 79, 2543 (2001). 4. D. S. Seo, S. Kobayashi, and M. Nishikawa, Appl. Phys. Lett., 61, 2392 (1992). 5. B. S. Ban and Y. B. Kim, Appl. Phys. Chem. B, 103, 3869 (1999). 6. M. Yamahara, M. Nakamura, N. Koide, and T. Sasaki, Liq. Cryst., 34, 381 (2007). 7. Y. B. Kim, H. Olin, S. Y. Park, J. W. Choi, L. Komitov, M. Matuszczyk, and S. T. Lagerwall, Appl. Phys. Lett., 66, 2218 (1995). 8. T. Uchida, M. Hirano, and H. Sakai, Liq. Cryst., 5, 1127 (1989). 9. N. A. J. M. van Aerle, M. Barmentlo, and R. W. J. Hollering, J. Appl. Phys., 74, 3111 (1993). Polymer(Korea), Vol. 35, No. 5, 2011

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DBPIA-NURIMEDIA e- 비즈니스연구 (The e-business Studies) Volume 17, Number 1, February, 28, 2016:pp. 3~30 ISSN 1229-9936 (Print), ISSN 2466-1716 (Online) 원고접수일심사 ( 수정 ) 게재확정일 2016. 01. 08 2016. 01. 09 2016. 02. 25 ABSTRACT