타원법을 이용한 광시야각 필름의 비균일 이방성 분포 연구
Study on the Non-Uniform Distribution of Anisotropy in Wide View Film Using Ellipsometry
- 주제(키워드) Ellipsometry , Discotic Material , Twisted Nematic Liquid Crystal Display , Anisotropy , Wide View Film
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 김상열
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 파일정보 PDF
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000011158
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display)는 다른 디스플레이에 비해 생산량과 매출액 차이를 벌리며 디스플레이 산업계의 리더 역할을 하고 있고 지속적인 기술 개발을 통하여 그 격차를 더욱 벌리고 있다. LCD는 액정의 이방성 특성으로 인하여 시야각 제약과 액정의 물성 특성으로 인한 느린 응답속도 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 LCD 제조 업계에서는 기존의 TN-LCD(Twisted Nematic-LCD)에 시야각 보상 필름을 하거나, 고급형 모니터나 대형 TV에 시야각 특성을 개선하기 위한 IPS(In Plane Switch), VA(Vertical Alignment) 등의 다양한 동작 모드 개발, 액정의 초기 응답 속도를 빠르게 하기 위한 과전압기술, 그리고 액정 자체의 응답 속도를 높이기 위한 블루 상 액정 개발 등 다양한 연구을 진행하고 있다. 이러한 LCD의 일반적인 연구 방법은 전압 인가에 따른 액정의 동작을 탄성계수나 유전율 이방성, 굴절률 이방성 등을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 투과된 빛의 광학적 특성을 평가하거나 LCD 시제품을 제작하여 투과율 등을 측정, 또는 LCD의 시야각 보상 필름의 비균일 이방성 분포에 대해서는 이론적으로 예상되는 분포 특성을 적용하는 등의 결과에 대한 연구만 있을 뿐 실제로 광학적인 방법으로 제품을 투과한 빛의 특성을 분석하여 LCD의 액정분포나, 시야각 보상 필름의 비균일 분포 특성을 찾아내는 등의 연구는 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서 액정과 같이 비균일 이방성 특성을 갖는 광학 물질의 이방성 분포 특성을 연구하는 새로운 연구 방법을 소개하였다. 비균일 이방성 매질의 광축 분포 특성을 연구하기 위하여 우선 빛의 편광상태 표현에 대한 기본적인 내용을 설명하였다. 이방성 매질을 투과하는 빛의 편광상태 표현을 얻기 위한 확장된 존스 행렬계산법과 이 방법의 단점을 보완하여 개발된 확장된 존스 행렬계산법의 개선식에 대한 이론적인 표현을 유도하였고, 비균일 이방성 분포를 갖는 물질을 투과한 빛의 편광상태 변화를 분석하기 위하여 균일한 단층의 이방성 물질이 다층의 박막으로 이루어진 것으로 설정하여 이들 다층의 이방성 매질을 투과한 빛의 편광상태를 표현하는 새로운 연구 방법을 소개하였다. 이방성 매질을 투과한 빛의 편광상태 변화를 측정하기 위하여 회전검광자 방식의 투과형 타원계를 도입하였다. 투과형 타원계는 시료를 360도 회전시키거나 기울여 측정할 수 있는 시료거치대가 있어 비균일 광축 분포를 갖는 매질을 360도 회전시키며 다양한 입사각에서 푸리에 계수를 측정할 수 있으며 타원법의 모델링 분석법과 비균일 이방성 매질을 투과한 빛의 편광상태를 표현하는 방법을 이용하여 비균일 이방성 매질의 광축 분포 특성을 분석하였다. 비균일 이방성 매질로는 우선 TN-LCD에서 시야각 개선을 위해 사용하는 편광판과 보상판으로 이루어진 복합판에서 편광판과 보상판의 광축 정렬 오차와 보상판의 Rin, Rth를 동시에 결정하였다. 또한 편광판/보상판의 복합판보다 TN-LCD의 시야각 개선 효과가 매우 탁월한 Fuji Photo사의 Wide View 필름을 투과한 빛의 편광상태 변화를 측정하여 TAC(tri-acetyl cellulose) 기층 위에 광축이 연속적으로 변하는 판형 형태의 디스코틱 액정의 광축 분포를 코사인 함수와 지수적으로 감소하는 형태의 분포함수를 도입하여 디스코틱 액정의 광축 분포를 정확히 찾았다. 위와 같은 연구 방법은 디스코틱 액정뿐만 아니라 전압이 인가 되었을 때 TN-LCD의 액정 분포 특성이나, 다른 비균일 이방성 매질의 광학적 특성을 분석하는데 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
more초록/요약
The conventional twisted nematic–iquid crystal displays(TN–CDs) are commonly used as one of the major monitors of desktop and notebook, due to the advantages of low price, fast response time, and high contrast ratio at normal incidence, in spite of their weakness of the narrow viewing angle and the poor color gamut. The most successful method for improving the viewing angle performance of TN–CDs is using a wide–iew(WV) film. Several studies have been reported about the improved optical performance of WV films made of PDM layer. However for the present no study based on directly observed results about the optic axis distribution of the PDM layer in the WV film has been reported. To analyze its distribution, one must handle the polarization state change in the non–niform, anisotropic media with an optical model that will properly express the non–niform distribution of the anisotropic liquid crystals in the WV film. Since no general model that will properly express all non–niform distribution of anisotropic materials has been reported yet, one commonly used optical model is the one consisted of many thin anisotropic but uniform layers. For calculation of polarization state change of light passing through the anisotropic layers, Berreman’ 4 x 4 matrix, a faster 4 x 4 matrix, and 2 x 2 extended Jones matrix method are commonly used. The 4 x 4 matrix method is exact, but it requires lengthy calculations when the LC cell is thick, and hence sometimes a faster 4 x 4 matrix method is preferred. In addition, the 4 X 4 method is too complicated to be used in many practical applications. The 2 x 2 matrix methods are faster, easier, more intuitive than the 4 x 4 matrix method, but they are applicable only to small birefringent media. Since ellipsometry is based on the measurement and analysis of the polarization state of light, it can be applied to the characterization of non–niform, anisotropic media. For polarization analysis of large birefringent networks, we introduce an improved 2 x 2 matrix method. The improved 2 x 2 matrix method enables one to calculate the exact transmission coefficients at the interface between two anisotropic media. The key point of this improved 2 X 2 matrix method is to introduce an imaginary isotropic layer of zero thickness between two anisotropic media. Thus, the transmission coefficients at the interface between two anisotropic media can be effectively calculated by considering the multiple reflection in the imaginary layer. If the medium is non–niform, it can be substituted by a sum of N uniform layers. Thus the polarization state of light passing through the non–niform, anisotropic media VI-4 is calculated by matrix calculation. To find the exact optic axis distribution of the discotic material in the WV film, we introduce the optical model that the non–niform, anisotropic discotic layer is replaced by a multilayered film where each anisotropic layer is uniform and has the same thickness, but the direction of its optic axis varies progressively. The real WV film is the hybridly aligned discotic liquid crystals coated on a TAC(triacetyl cellulose) film. Since the TAC film has a small amount of optical anisotropy with its optic axis lying in–lane, the anisotropy of the TAC film should be considered for a more realistic analysis. In order to check the effect of the small substrate anisotropy, the TAC film is optically replaced as an α–late with its in–lane retardation of 5 ㎚. The distribution for the optic axis of discotic materials in the wide–iew film has been revealed. The tilt angle of the discotic materials distributes exponentially from in–lane direction to out–f–lane direction on a weakly anisotropic TAC substrate. This method can be applied in analyzing the polarization state of light passing through any non–niform anisotropic media.
more목차
I. 서론 1
II. 빛의 편광상태 표현 5
1.존스 행렬 5
2. 뮬러(Mueller) 행렬 9
III. 이방성 매질을 진행하는 빛의 편광상태 16
1. 단축 이방성 매질을 진행하는 빛의 편광상태 표현 16
2. 비균일 이방성 매질을 투과한 빛의 편광상태 28
2.1. 확장된 2 x 2 존스 행렬계산법 28
2.2. 확장된 2 x 2 존스 행렬계산법의 개선식 32
2.3. 다층의 이방성 매질을 투과한 빛의 편광상태 표현 38
2.3.1. 2상계 구조를 갖는 등방성 매질에서 반사계수와 투과계수 표현 38
2.3.2. 이방성 매질 사이에 등방성 매질이 있는 경우 투과계수 표현 41
2.3.3. 비균일 이방성 분포를 가지는 매질에 의한 편광상태 변화 44
IV. 타원법(Ellipsometry)과 타원계(Ellipsometer) 52
1. 타원법의 역사 52
2. 타원법의 원리 52
3. 3상계의 반사와 투과 55
4. 다층 박막에서 타원상수 57
5. 타원계 59
5.1. 회전검광자 방식의 타원계 59
5.2. 위상변조방식의 타원계 63
6. 타원법의 모델링 분석 67
7. 타원법을 사용한 물질의 광학적 특성 분석 67
V. 이방성 매질의 비균일 분포특성 분석 73
1. TN-LCD의 시야각 개선용 복합판 분석 73
1.1. 보상판의 광학적 특성 74
1.2. 복합판 광학상수의 선형 회귀분석 79
2. TN-LCD의 시야각 개선용 Wide View 필름 83
VI. 결론 98
Abstract 100
부록 102
