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액정(LC) 재료 연구개발과 공정 제어 솔루션

오늘날 LCD는 TV, 휴대폰 및 컴퓨터 디스플레이부터 산업용 장비 패널, 항공전자 디스플레이 및 옥외 표지판까지 일상 생활과 작업장에서 널리 사용되고 있습니다. LCD의 안전성, 품질 관리, 제품 수명 주기는 사용된 액정 재료의 순도 및 제조 공정의 불순물 관리 수준에 의해 좌우됩니다. 이와 관련된 문제를 해결하고 전반적인 공정 제어를 개선하기 위해 여러 가지 분석 방법을 채택할 수 있습니다.

1. LCD(액정 디스플레이) 메커니즘

LC(액정)는 고체상 결정의 특성을 지닌 액체 상태의 유기물입니다. LC는 액체와 결정 사이의 상 전이 상태에서 유동성을 유지하면서 동시에 결정질 구조(분자 배향 및 위치)를 가집니다.

LCD에 사용되는 LC 재료는 가늘고 긴 막대 모양 분자 구조를 가지며, 광학적 이방성(복굴절) 및 유전상수 이방성 등의 이방성 특성을 보입니다. LC가 정교하게 홈이 파인 두 개의 배향막 사이에 끼워졌을 때, LC 분자는 배향막의 홈을 따라 배열됩니다. 두 개의 배향막이 배치되면, 각 층의 홈이 직교 방향으로 배치되어 LC 분자가 비틀린 방향으로 정렬됩니다.

LCD 패널에서 배향막 사이에 끼워진 LC 층은 전달된 빛과 다른 진동 방향을 가진 두 개의 PVA 편광 필름 사이에 다시 끼워집니다. 후면광은 모든 방향으로 진동하지만 편광 필름은 입사광선이 한 방향으로만 진동하도록 합니다.

LC 분자가 직교 배향된 상태에서는, 입사광선도 LC 분자의 방향을 따라 비틀어지므로 빛이 두 번째 편광 필름을 투과할 수 있습니다. 반대로, LC 분자에 AC 전압이 가해지면, 분자의 방향이 변하여 전기장을 따라 배향됩니다. 그러면 입사광선은 첫 번째 편광 필름을 직접 통과한 후 두 번째 편광 필름에 의해 차단됩니다. LC 재료의 방향은 AC 전압을 켜고/끄는 방식으로 조절할 수 있는 반면 화면 디스플레이는 후면광을 켜고/끄는 방법으로 조절할 수 있습니다.

2. LC 재료의 예

LC 재료의 기본 구조는 막대 또는 판형 분자이며, 분자의 긴 축이 한 방향을 향합니다. LCD 재료는 실온 상태에서 몇 가지 고체 성분을 포함하며 나중에 혼합물은 어는점에서 액화됩니다. 공급업체는 자신의 재량에 맞게 LCD 재료의 조합과 혼합 비율을 결정할 수 있습니다. 제조업체들은 LC 디스플레이의 성능을 향상시키기 위해 지속적으로 노력하고 있으며, 일부는 여러 유형의 LC 재료(에스테르계 LC, 바이페닐계 LC 및 페닐시클로헥산계 LC 등)와 기본 재료의 혼합 방법을 조절하여 LC 디스플레이의 성능을 개선하고 있습니다. R&D 프로젝트를 위한 개선 목표에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

  • 전압: 구동전압을 낮추어 전기 소비를 줄입니다.
  • 온도: 안정적으로 작동 가능한 온도 범위를 확대합니다(저온부터 고온까지).
  • 점도: 비디오에 대한 응답 속도를 개선합니다.
  • 굴절률: 색상을 제어하여 브라이트 화이트를 표현합니다.
  • 탄성: AC 전압이 가해질 때 LC 분자의 배향 특성을 향상시켜 높은 콘트라스트를 얻습니다.


LC 재료 구조의

3.LC 재료의 품질 평가

LCD를 개발 및 제조 과정의 품질 관리, 제품 수명 연장 및 LC 재료의 안전성 측면에서 볼 때, 재료의 불순물과 분해인자(가속 열화 시험을 통해 측정)를 효율적으로 관리하는 작업은 매우 중요합니다. HPLC 및 GC는 LC 재료의 품질 관리와 분석에 널리 사용되며, 용도와 재료에 따라 적절한 방법을 선택합니다. 컬럼이 분리에 핵심적인 요소이기는 하지만, 재료의 끓는점과 기타 제한 요소로 인해 이러한 분석에 이용 가능한 GC 컬럼의 유형이 제한적입니다. 또한 GC는 특별히 이성질체 분리에서 제한 사항을 가집니다. 반면에 HPLC의 경우에는 분리 능력이 GC보다 떨어져 미세 성분이 간과될 수 있다는 우려가 있습니다.

이에 반해 분리 능력이 뛰어난 UPLC 기술과 분해능이 우수한 질량 분석기(Xevo G2-XS QTof MS)를 함께 사용하면 LC 재료에 대한 고품질 분리 분석이 가능합니다. UPLC 기술을 이용하면 단시간에 여러 가지 주요 LC 재료와 미세 성분을 분리할 수 있습니다. 또한 종합적이며 높은 감도의 검출 특성을 가진 Tof-MS (time-of-flight 질량 분석기)를 이용해 가속 열화 시험 전과 후에 미세하게 차이를 유발하는 요소를 쉽게 육안으로 식별할 수 있으며, 이러한 요소의 조성에 관련된 정보를 파악할 수 있습니다. MS/MS 스펙트럼에서 조각 구조(product ion)의 성분을 분석할 수 있으며, 구조를 예측할 수 있고 예측된 구조를 MassFragment 소프트웨어를 이용해 확인할 수 있습니다.

  • 자외선 조사를 이용한 가속 열화 시험
  • 가열을 통한 가속 열화 시험
  • 전기 저항에 관련된 시험

기기 분석에 기반한 품질 평가 방법
가속 열화 시험 전과 후의 차이 분석
불순물 분석
UPLC H-Class/Xevo G2 Qtof MS

  • 고속, 고성능 분리 및 분석
  • 스캔 속도
  • 분리 능력
  • accurate mass의 장기적인 안정성
  • ESCi 프로브

UPC2

  • 초고속, 고성능 분리 및 분석
  • 저극성 화합물의 분리
  • 이성질체의 분리

Preparation SFC

  • 이성질체의 분리
  • 산업용 규모의 대상 화합물 전처리 및 정제
  • 소량 불순물의 대규모 전처리
  • 기화 과정의 효율성 증대

4.  UPLC/Xevo G2-XS Qtof MS 이용한 LC 재료 분석의

LC 재료 분리/분석의 예

UPLC 기술을 이용하여 비슷한 구조를 가진 LC 재료를 짧은 시간에 정확하게 분리하고 분석할 수 있습니다. 생성된 불순물 및 열화산물과 같은 보다 복잡한 샘플에 대해 고처리량 분석을 적용할 수 있습니다.

LC 재료의 성분 분석 결과의 예

이 그림에서는 Waters 고유의 성분 분석 기능으로 MS/MS 스펙트럼에 대해 성분 분석을 수행한 결과를 보여줍니다. 후보 성분은 accurate mass의 높은 정확도와 안정 동위원소의 스펙트럼 정보를 가지는 i-Fit(고유한 Waters 알고리즘)을 이용해 검출된 스펙트럼으로부터 안정적으로 제공됩니다.

LC 재료에 대한 MS/MS 스펙트럼의 예

Xevo G2-XS QTof 시스템을 이용한 MS/MS 분석은 높은 정확도와 감도로 분자 구조에서 product ion을 분석할 수 있습니다. 또한 product ion 스펙트럼에 관련해서는 accurate mass 및 안정 동위원소의 스펙트럼 정보로부터 신뢰성 있는 성분 정보를 얻을 수 있습니다.

MS/MS 스펙트럼에서 product ion의 성분 분석을 수행한 예

Xevo G2-XS QTof 시스템을 이용하는 MS/MS 분석에서 높은 정확도와 감도로 분자 구조의 product ion을 분석할 수 있습니다. MS/MS 스펙트럼에서 product ion의 동시 성분 계산 기능도 사용할 수 있습니다. 이 방식은 주요 product ion 사이에 발생하는 이온 탈착 반응의 유형을 육안으로 확인할 수 있기 때문에 구조 분석에 효과적입니다.

MassFragment 조각 예측 소프트웨어의 예

MS/MS 스펙트럼에서 예측된 구조는 MassFragment 소프트웨어를 통해 검증할 수 있습니다. 조각 구조 배치가 예측된 구조와 상반될 경우, 작용기나 기타 구조 그룹의 위치, 프레임이 검토 및 수정되며 MassFragment를 이용하여 재검증을 수행합니다.

LC 재료 연구개발과 공정 제어 솔루션

UPLC/Xevo G2-XS QTof MS (UPLC/Quadrupole-time-of-flight 질량 분석기)

  • IntelliStart를 이용한 자동 검량
  • LockSpray를 이용한 장기간 고정밀 accurate mass 측정
  • i-Fit를 이용한 정밀 원소 조성 분석
  • UHPLC(초고성능 액체 크로마토그래피)에 최적
  • QuanTof 기술에 기반한 고선택성 정량분석
  • ESCi, APCI/APPI, ASAP, APGC에 적용 가능
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