우리 학교 생명화학공학과 정희태 교수팀이 무배향막 액정 배향 기술을 개발했다. 이 기술의 개발로, LCD 제품의 반응 속도나 소모 전력 등을 개선할 가능성이 열렸다. 한국화학연구원, 전북대 연구팀과 같이 진행한 이번 연구 결과는 네이처 자매지 <네이처 아시아 머터리얼즈> 2월 17일자 온라인 속보로 게재되었다.

고분자 배향막의 단점 드러나

액정(Liquid Crystal)은 액체와 결정의 중간상태에 있는 물질이다. 디스플레이 장치에 사용되는 액정은 전압에 따라 배열된 방향이 변하며, 이 배열 방향에 따라 차폐하는 빛의 파장이 달라진다. 이를 이용하면 원하는 색만 액정을 통과하도록 할 수 있다.
그러나 액정을 그냥 배열하면 액정 분자가 각각 다른 방향으로 배열되어 전압으로 일정하게 조절할 수 없다. 이 때문에 기존의 액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display)는 투명 전극 위에 배향막 패턴을 그린 후, 액정을 배열해 롤러로 문질러 한 방향으로 배향하는 ‘러빙 기법’을 이용해왔다. 하지만 이 방법은 고분자가 열에 매우 취약하며, 액정과 전극 사이에 끼어들어 전기 신호에 대한 민감도를 떨어뜨린다는 단점이 보고된 바 있다. 또한, 고분자 배향막은 대부분 일본에서 생산하기 때문에 많은 돈을 일본에 내고 있는 실정이다.

액정 배향을 위한 패턴이 관건

정 교수팀은 고분자 배향막 없이도 액정 분자를 배향할 수 있는 기술을 개발했다. 액정을 기판에 배향하려면 적당히 깊고 얇은 패턴을 기판에 그릴 수 있어야 한다. 따라서 고분자 배향막 없이 투명 전극 위에 패턴을 그려서 액정을 배향하려는 시도는 이전부터 있었다. 하지만 투명 전극 위에 패턴을 쌓으면 투명 전극의 투명도가 떨어지고, 패턴을 깎으면 전기전도도가 떨어지는 단점이 발생했다.

미세 패터닝 기술 SSL

정 교수팀이 투명 전극에 패턴을 형성하기 위해 이용한 방법은 SSL(Secondary Sputtering Litho-graphy) 패턴 기법이다. SSL은 이온화한 아르곤 기체를 가속해 기판에 충돌시켜 기판을 깎는 기법인데, 고분자로 기판 위에 얇은 벽을 세우면 깎이면서 튀어 나가는 기판의 물질들이 고분자 벽에 달라붙게 된다. 그 후 고분자 벽을 제거하면 벽면에 쌓인 기판 물질로 패턴이 남게 된다. 이 기법을 이용하면 10~20nm 폭의 얇고 높은 패턴을 형성할 수 있으며, 기판의 종류에 구애받지 않는 장점이 있다. SSL은 재작년 정 교수팀이 개발한 패터닝 기법으로, 당해 ‘2010 카이스트 올해의 기술’로 꼽히기도 했다.

배향막을 없애니 장점도 다양해

고분자 배향막 없이 액정을 배향하는 이 기술을 적용하면, 배향막 공정시간을 단축할 수 있다. 또한, 배향막이 없어 투명 전극에 의한 전기 신호가 액정에 더 빨리 전달되고, 액정이 더 민감하게 반응할 수 있다. 액정에 전기신호가 빨리 전달된다는 것은 화상의 반응속도가 높다는 뜻이다. 또한, 액정이 더 민감하게 반응하면 저전압에서 화면을 구동할 수 있어, 저전력 디스플레이 개발에 도움이 될 것으로 보인다. 배향막만큼의 두께를 줄일 수 있어 더욱 얇은 LCD를 제작할 수도 있다. 고분자 배향막을 독점적으로 공급하고 있는 일본의 영향력에서 벗어날 수 있다는 장점도 있다.
또한, SSL 기법을 이용하면 20nm 이하의 미세한 패턴을 그릴 수 있어, 높은 고해상도를 갖는 디스플레이를 구현할 수 있다. 얇고 높은, 고종횡비의 패턴을 그릴 수 있어 높은 신뢰도로 액정을 배향할 수도 있을 것으로 판단된다. 기판의 종류에 구애받지 않고, 미세한 조절이 가능해 다양한 차세대 디스플레이는 물론, 터치패널 등에도 쉽게 적용할 수 있을 것으로 전망된다.

이번 연구로 개발된 기술은 배향막이 필요하지 않은 디스플레이 개발 가능성을 연 동시에 기존 LCD에서 사용한 기판을 그대로 활용할 수 있다는 점에서 의미가 깊다.

연구를 주도한 전환진 학우(생명화학공학과 박사과정)는 “이번 실험은 LCD 초기 모델에 대한 결과로, 이 외에도 다양한 종류의 LCD에 대해서도 후속 연구를 계속해 나갈 것이다”라고 말했다.