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동의어 포함
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Abstract
Contents
Chapter 1. Introduction 20
1.1. Liquid Crystals 22
1.1.1. Liquid Crystal Phases 23
1.1.2. Chirality and Symmetry 28
1.2. Chiral Smectic Liquid Crystals 34
1.2.1. Surfaced Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal Mode 34
1.2.2. Antiferroelectric Liquid Crystal Mode 38
1.2.3. V-Shaped Switching Mode 39
1.2.4. Deformed Helix Ferroelectric Liquid Crystal Mode 41
1.3. Outline of Thesis 43
Chapter 2. Vertical Alignment of Tight-Pitch Ferroelectric Liquid Crystals 45
2.1. The Operation Principle of the VA-DHFLC Mode 47
2.2. Alignment and Electro-Optic Properties of the VA-DHFLC Mode 54
2.3. Numerical Analysis of the VA-DHFLC Configuration 66
2.3.1. The Elastic Energy Expression for the Smectic C* 67
2.3.2. Electro-Optical Properties Represented by the Jones Matrix 70
2.3.3. Coarse Graining Method for Fast Convergence in 2-Dimensional Simulations 76
Chapter 3. High Speed Display Applications 88
3.1. Introduction 88
3.2. Flexible Display using Periodic Array of Columnar Spacers 91
3.2.1. Overview of Various Flexible Displays 91
3.2.2. The Operation Principle 95
3.2.3. Fabrication of Columnar Spacers 96
3.2.4. Results and Discussion 101
3.3. Transflective Ferroelectric Liquid Crystal Displays 106
3.3.1. Overview of Various Transflective Displays 106
3.3.2. Transflective Display with Dual Side In-Plane Electrodes 112
3.3.3. Transflective Display with Single Side In-Plane Electrodes 125
Chapter 4. Optical Device Applications 139
4.1. Introduction 139
4.2. Electrically Controlled Fresnel Lens 144
4.2.1. Polarization Independent Fresnel Lens in an Orthogonally Alternating Hybrid Configuration 150
4.2.2. High-Speed FLC Fresnel Lens using a Patterned Fresnel Zone Plate Type Electrode 164
4.3. High-Speed Phase Modulator for IR Application based on the VA-DHFLC Mode 177
4.3.1. The Operation Principle 178
4.3.2. Fabrication of Resistor Networks 180
4.3.3. Results and Discussion 184
Chapter 5. Concluding Remarks 195
Bibliography 199
Publication 211
국문 초록 216
Figure 1.1: Molecular arrangement of N and SmA phase. 24
Figure 1.2: Molecular arrangement of SmC and SmCA phase.(이미지참조) 26
Figure 1.3: Twist of the molecule in cholesteric phase (lefthanded) 29
Figure 1.4: Twist of the director in the SmC* phase. Due to the resulting... 31
Figure 1.5: Twist of the coupled director in the SmCA* phase. Due to...(이미지참조) 32
Figure 1.6: The surface stabilized ferroelectric liquid crystal (SSFLC) mode... 35
Figure 1.7: (a) Tilt direction in successive layers of an antiferroelectric liquid... 38
Figure 1.8: (a) Schematic representation of V-shaped switching mode in the... 40
Figure 1.9: (a) Schematic diagram of DHFLC mode in homogeneous align-... 41
Figure 2.1: The arrangements of smectic layers between two glass substrates... 46
Figure 2.2: The geometrical and material dependence of the VA-DHFLC... 48
Figure 2.3: The schematic diagram of the VA-DHFLC mode in the absence... 50
Figure 2.4: The schematic diagram of the VA-DHFLC mode under an ap-... 51
Figure 2.5: Example of zigzag defect usually appeared in a SSFLC cell. 54
Figure 2.6: The schematic diagrams and the corresponding microscopic... 56
Figure 2.7: The schematic diagrams and the corresponding microscopic... 58
Figure 2.8: Optical path to detector through a LC cell. 59
Figure 2.9: Experimental results of transmittance T as a function of incident... 60
Figure 2.10: The hysteresis-free symmetric EO property to triangular wave... 62
Figure 2.11: The EO characteristics of the VA-DHFLC cell: (a) the trans-... 63
Figure 2.12: Measured dielectric constant of FLC 10817 and 10855. 64
Figure 2.13: Layer breaking phenomenon of the VA-DHFLC samples under... 65
Figure 2.14: A helically modulated SmC* LC. The direction of both n and... 68
Figure 2.15: The flow chart of coarse graining method for fast convergence... 80
Figure 2.16: Numerical calculation results of director profiles. Here, we... 82
Figure 2.17: (a) The cell geometry used for the calculation of electric field... 84
Figure 2.18: Simulation results for EO transmittance of the VA-DHFLC... 86
Figure 3.1: The technology attributes of flexible displays 92
Figure 3.2: The schematic diagram of our flexible VA-DHFLC cell and... 95
Figure 3.3: The microscopic and SEM images of an array of columnar spac-... 97
Figure 3.4: The fabrication process of in-plane electrodes and columnar... 98
Figure 3.5: The stamping process for mechanical stability against the bend-... 99
Figure 3.6: Cross sectional SEM images of our flexible VA-DHFLC cell. 100
Figure 3.7: Microscopic textures of our flexible VA-DHFLC cell with... 102
Figure 3.8: The EO transmittance of our flexible VA-DHFLC cell under a... 103
Figure 3.9: The dynamic EO response of our flexible VA-DHFLC cell under... 104
Figure 3.10: Microscopic textures and corresponding intensity profiles of... 105
Figure 3.11: A schematic diagram of (a) transmissive LCD using a backlight... 107
Figure 3.12: Structure of a transflective LCD with a dual cell gap geometry. 109
Figure 3.13: Schematic diagrams of two types transfiective LCD in a single... 111
Figure 3.14: The schematic diagram of our T-FLC cell with a single gap... 113
Figure 3.15: The operation principle of our T-FLC cell and the polarization... 115
Figure 3.16: The operation principle of our T-FLC cell and the polarization... 116
Figure 3.17: The microscopic texture observed reflective mode is the top... 117
Figure 3.18: The experimental setup to measure the optical anisotropy of... 119
Figure 3.19: The induced phase retardation of our T-FLC cell measured by... 120
Figure 3.20: Microscopic textures of our T-FLC cell in the presence of an... 122
Figure 3.21: The transmitted and the reflected intensities of our T-FLC... 123
Figure 3.22: The schematic diagram of our T-FLC cell with a single gap... 126
Figure 3.23: The operation principle of our T-FLC cell with altered inter-... 127
Figure 3.24: The operation principle of our T-FLC cell with altered inter-... 128
Figure 3.25: The microscopic texture of in-plane electrodes with various... 130
Figure 3.26: Numerical calculation results of the electric field distribution,... 131
Figure 3.27: Numerical calculation results of the voltage-dependent trans-... 132
Figure 3.28: Voltage-dependent induced phase retardation according to var-... 133
Figure 3.29: Microscopic textures of the VA-DHFLC cells with different... 135
Figure 3.30: The electric field distribution of the vertical components near... 136
Figure 3.31: Measured transmittance and reflectance intensities of the pro-... 137
Figure 3.32: The dynamic EO responses to an unipolar electric field of a... 138
Figure 4.1: Some examples of LC based optical devices. (a) LC lens ar-... 142
Figure 4.2: Schematic diagram of a binary amplitude/phase Fresnel lens. In... 146
Figure 4.3: Diffraction of a plane wave at a Fresnel zone plate. 147
Figure 4.4: Schematic diagram of the PILC Fresnel lens in an orthogonally... 151
Figure 4.5: (a) Side view of LC configuration under no applied voltage and... 152
Figure 4.6: (a) Side view of LC configuration under an applied voltage and... 153
Figure 4.7: The molecular structures of LGC-M2 (a) before and (b) after... 156
Figure 4.8: Fabrication processes of the PILC Fresnel lens in an orthogo-... 158
Figure 4.9: Microscopic textures of the PILC Fresnel lens with orthogonally... 159
Figure 4.10: Dynamic diffraction efficiency of our PILC Fresnel lens as a... 160
Figure 4.11: The CCD images of focusing and defocusing for the x, +45°,... 162
Figure 4.12: The polar plot of the centro-symmetrical diffraction efficiencies... 163
Figure 4.13: The schematic diagram of high-speed FLC Fresnel lens using... 165
Figure 4.14: The operation principle of our FLC Fresnel lens with patterned... 166
Figure 4.15: Numerical calculation result of diffraction efficiency of our FLC... 169
Figure 4.16: FZP type patterned ITO electrode. 170
Figure 4.17: Microscopic textures of our FLC Fresnel lens under crossed... 171
Figure 4.18: (a) The schematic diagram of the deviation of layer normal... 172
Figure 4.19: Dynamic diffraction efficiency of our FLC Fresnel lens as a... 173
Figure 4.20: Focusing and defocusing properties of our FLC Fresnel lens... 175
Figure 4.21: Dynamic EO response characteristics of our FLC Fresnel lens... 176
Figure 4.22: Schematic diagram of our phase modulator based on the VA-... 179
Figure 4.23: Distribution of the electric potential of the electrostatic simu-... 180
Figure 4.24: Electrostatic simulation results of the electric field parallel Ex...(이미지참조) 181
Figure 4.25: Microscopic texture of n+ doped amorphous silicon resistor...(이미지참조) 182
Figure 4.26: Our phase modulator observer by a polarizing microscope un-... 183
Figure 4.27: Microscopic textures under crossed polarizers to various applied... 185
Figure 4.28: (a) Voltage dependent transmittance curve for the 50 μm thick... 187
Figure 4.29: Texture of broken alignment after the device has been driven... 188
Figure 4.30: Simulation results of Ey at different y positions and the electric...(이미지참조) 189
Figure 4.31: Model for explaining the localized layer buckling phenomenon 190
Figure 4.32: Microscopic photos of textures on the operating region of the... 192
Figure 4.33: Simulation results of (a) localized smectic layer buckling phe-... 193
자발분극을 가지는 강유전성 액정상은 외부전기장과 자발분극의 직접적인 상호작용에 의해 고속응답 특성이 요구되는 표시 및 광학 소자의 능동 층으로써 매우 큰 장점을 가지고 있다. 하지만, 강유전성 액정을 이용한 대부분의 응용소자는 불균일한 배향특성, 연속계조의 어려움 등으로 인해 소자로의 응용에 있어서 제약점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 고분자 안정화 강유전성 액정모드, V-shaped 강유전성 액정모드, 나선변형 강유전성 액정모드 등 다양한 모드가 제안되었다. 이렇게 제안된 모드들은 고속응답, 연속계조, 광시야각등 탁월한 전기광학 특성을 지니지만 여전히 액정분자의 균일한 배향문제는 미해결 과제로 남아 있다. 따라서, 균일한 액정분자의 배향을 얻을 수 있는 새로운 강유전성 액정모드에 대한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 수평전극위에 수직배향된 나선변형 강유전성 액정모드를 제안하며 동시에 다양한 분야로의 응용에 관한 연구를 소개한다. 수직배향된 나선변형 강유전성 액정모드는 기존의 강유전성 액정모드와 달리 러빙이나 전기장 처리없이 대면적에 걸친 매우 균일한 배향특성을 확보할 수 있으며 고속응답, 연속계조, 광시야각 특성을 동시에 확보하게 된다. 이러한 수직배향된 나선변형 강유전성 액정모드의 동작 원리, 전기광학특성 및 이론에 대하여 설명한다. 또한 유한 차분법에 근거한 수치해석을 위해 새로운 계산법에 대하여 소개한다.
본 모드를 기반으로 하여, 플렉서블 디스플레이와 반투과형 디스플레이로의 응용에 관한 연구 결과를 소개한다. 플렉서블 디스플레이의 경우, 외부변형에 의한 기판의 물리적 안정성과 전기광학 특성의 유지를 위해 수평전극위에 규칙적으로 배열된 기둥 스페이서 구조를 도입하였다. 반 투과형 디스플레이의 경우, 단일 두께를 가지는 구조를 기반으로 하여 전극의 형태를 변화시켜 반사영역과 투과영역의 광경로차에 의한 광 특성을 보상하였다. 이러한 기본 원리에 의해, 투과영역의 위상차는 반사영역에 비하여 약 2배의 값을 가지며, 그 결과 두 영역에서 동일한 전기광학 특성을 확보 할 수 있었다.
다음으로, 광학 소자로의 응용에서는 프레넬 렌즈와 위상조절 소자에 대한 연구 결과를 소개한다. 프레넬 렌즈의 경우, 두 영역간에 서로 직교하는 광축이 형성된 혼성구조를 광배향막을 도입하여 손쉽게 제작 할 수 있었다. 액정을 기반으로한 프레넬 렌즈는 전기적으로 회절 특성이 쉽게 조절될 수 있으며 입사 광에 대한 편광의존성 없이 균일한 회절 특성을 가질 수 있었다. 고속응답 특성 확보를 위해, 프레넬 영역 형태로 패턴된 전극과 강유전성 액정을 이용한 연구에서는, 인가전압에 따라 강유전성 액정의 평균광축이 평면상에서 조절되어 입사편광에 대한 의존성 없는 회절특성을 확보할 수 있었다. 마지막으로 적외선 영역에 응용 가능한 위장조절장치에 관한 연구이다. 본 소자에서는 균일하며 충분히 큰 위상지연을 확보하기 위해 저항연결 망과 이중 전극 구조를 도입 함으로써 기판에 수평한 단일방향의 균일한 전기장을 형성하여 이상적인 위상 지연소자를 제작 할 수 있었다.
결론적으로, 본 논문에서는 매우 짧은 나선피치를 가지는 강유전성 액정을 수직배향 시킨 수직배향 나선변형 강유전성 액정모드를 도입 함으로써 다른 공정 처리없이 대면적에 걸친 균일한 액정배향을 확보할 수 있었으며, 제안된 강유전성 액정 모드의 물리적 특성과 전산시늉을 위한 새로운 계산법 및 고속 응답 특성을 가지는 표시 및 광학 소자로의 응용에 대한 연구결과를 기술하였다. 본 연구에서 제시된 수직배향 나선변형 강유전성 액정모드는 앞으로 수행될 고속 응답특성을 지닌 다양한 응용 소자의 제작에 초석을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.*표시는 필수 입력사항입니다.
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