32. LCD 원리 알아보기 (3) - VA(PVA) IPS TN 패널의 차이점-1

LCD가문의 형제들 VA IPS TN 패널들의 차이점을 알아보자

지난 시간까지 우리는 LCD에서의 핵심재료인 액정(Liquid Crystal)과 편광(Polarized light)라는 현상에 대해서 알아보았습니다. 액정이라는 재료와 편광이라는 물리적 현상을 이용하여 LCD라는 제품을 만들어지는데 액정에도 종류가 다양하여 종류에 따른 차이점들이 존재합니다.

가장 초창기에 사용하고 지금도 저가형 LCD에서 주로 사용되는 TN(Twist Nematic) 패널 방식부터 삼성이 줄곧 사용했던 VA(Vertical Align)방식과 LG의 방식으로도 유명한 IPS(In Plane Switching) 까지 차근차근히 이번시간을 포함하여 세번에 걸쳐서 알아보도록 합시다.

일단 일반적으로 TN VA IPS에 대하여 찾아보면 이런 내용들이 나옵니다. 

TN은 시야각이 똥망이며, 가격이 싸다.

VA는 명암비가 좋지만 터치에는 적용이 힘들다.

IPS는 VA나 TN 방식에 비하여 색감이 좋고 시야각도 좋지만 가격이 비싸다.

위 내용은 결과적으로는 모두 맞는 말입니다. 그러나 왜 그러한 특징들이 나타나는지까지는 간단하게나마 알고 있어야겠지 않겠습니까? 다같은 LCD인데 누구는 시야각이 좋고 누구는 안좋고, 터치에 민감하고 안하고의 특징이 왜 일어나는지 알면 더 재미있겠지요.

먼저 세가지 패널에 공통적으로 적용되는 것부터 알아봅시다. 

지난 시간에 편광에 대하여 알아볼때 알아보았지만, LCD는 편광된 빛만을 다룹니다. 즉, 일정하게 한방향으로만 진동하는 빛들을 사용한다는 것이죠. 이것이 어떤 개념인지 아래 그림들을 통해 한번 이해해 봅시다. 

투명전극과 편광판 구성

먼저 액정을 가둬두어야 하니 두개의 유리판이 위아래로 존재할 겁니다. 그리고 전압을 가해주어야하니 당연히 ITO라는 투명한 투명전극이 액정이 들어갈 안쪽으로 위치시킵니다. 그리고는 빛의 필터 역할을 하는 편광판을 가로방향과 세로방향으로 수직으로 90도 방향으로 하여 글래스에 붙여놓습니다.

여기까지는 이해가 안되시는 분들이 없겠죠? 초등학교 교과과정만 이수했어도 이해하는데 전혀 문제가 없으실 겁니다. 자 그럼 조금 더 나아가 봅시다.

다음 단계에서는 빛을 아래 글래스에다 비추면 어떤 현상이 일어날까요?

편광판이 없을때와 있을때 비교

그림이 조금 난잡한점 이해부탁드립니다. ㅜㅜ 그래도 제 의도는 이해하셨으리라 믿습니다. 편광판이 없는 글래스에 빛을 통과시키면 당연히 아무 문제없이 빛이 통과하겠지요. 그러나 편광판을 직교시켜놓은 상태에 빛을 가하면 빛이 빛이 통과되지 못합니다. 

빛이 아래 세로로 놓인 편광판을 통과하면 세로로 진동하는 빛의 성분만이 남는데 세로로만 진동하기 때문에 빛이 진행하다가 가로로 된 편광판을 만나면 통과하지 못하고 편광판에 흡수되어 버립니다. 그래서 위 그림과 같이 빛이 차된되어 버립니다.

이 현상을 우리가 위에서 바라다 보면 아래 그림과 같은 느낌일 겁니다. 

위에서 바라본 편광판 유무 비교

여기 까지는 지난 시간에 다룬 편광까지의 이야기를 현상적으로 자세하게 늘어 놓은 것 밖에 없습니다. 그러면 이제 준비된 편광판을 붙여놓은 글래스에다가 액정을 한번 넣어봅시다.

러빙(Rubbing) 된 고분자막(PI)의 유무 비교

첫번째 그림은 액정을 넣긴 넣어봤는데 뭔가가 이상합니다. 액정이 제 역할을 하려면 배열 방향이 일정해야 하는데 아주 난장판입니다. 이렇게 되면 액정의 역할인 광셔터 역할을 제대로 수행하기가 불가능합니다. 따라서 이 액정을 일정한 방향으로 배열시키기 위해서 고분자로 된 얇은 막을 기판위에 형성시킵니다.

이 막 이름을 PI(Polyimide, 폴리이미드)막이라 하며, 이 막의 역할은 액정을 일정한 방향으로 정렬시키는 역할을 합니다. 그러나 이 PI막을 코팅한 것 만으로는 액정을 정렬시킬 수는 없어서 러빙(Rubbing)이라는 과정을 한번 더 거칩니다. 

러빙... 뭔가 아주 사랑스러운 말 같지만 문지르다는 뜻을 가진 Rub에서에 나온 말로 러빙포라고 하는 부드러운 원단으로 한 방향으로 문지르면 PI막에 일정한 방향으로 홈들이 생기므로 이 홈들이 액정과 상호작용하여 일정한 방향으로 정렬이 되게 합니다.

러빙 방향은 편광판의 방향과 같게 하는 것이 일반적입니다. 그래서 수직 방향으로 된 편광판과 나란히 PI막을 러빙해 놓으면 아래 글래스에 근접한 액정들은 세로로 위 글래스에 근접한 액정들은 가로로 배열을 하게 되는데 이렇게 되면 액정들이 꼬인 모양(Twisted)이 되므로 이렇게 만들면 바로 TN 패널이 됩니다.

TN 패널의 빛의 통과 유무

그래서 액정이 있는 부분과 없는 부분의 차이를 위 그림 왼쪽에서 비교해 보았습니다. 액정이 있고 없고에 따라 빛이 통과되냐 아니냐라는 큰 차이를 가져옵니다. 액정이 있는 부분에서 일어나는 현상을 조금 더 자세히 살펴봅시다.

TN 패널에 전압을 가해주지 않은 평상시는 액정들이 질서정연하게 꼬여있으므로 빛이 이 꼬여있는 액정을 타고 편광방향이 조금씩 틀어지면서 가로 편광판의 방향과 일치되며 최종적으로 빛이 통과 됩니다. 액정들이 급격히 방향을 바꾸면 이러한 현상이 불가능하지만 액정들이 차례로 질서있게 꼬여있으면 가능해집니다.

따라서 TN패널은 기본적으로 NW모드를 갖습니다. 여기서 NW란 Normally White(노말리 화이트)로 평상시에 빛을 통과하는 모드라는 뜻입니다. 그러면 반대로 평상시 전압이 제로일 때 빛이 통과되지 못하는 모드라면 Normally Black(노말리 블랙)으로 NB모드라고 하겠지요?

그러면 이제 전압을 인가해봅시다. 

그러면 액정 첫번째 시간에 다루었던 유전율 이방성에 의해 액정이 일제히 같은 방향으로 정렬하게 되고 위 오른쪽 그림처럼 PI막에 닿은 몇몇 액정들을 제외하고는 전부 수직으로 배열합니다. 그러면 편광된 빛이 통과할때 점차적으로 편광방향을 바꾸는 것이 불가능해지기 때문에 빛이 통과되지 못하게 됩니다. 액정이 없는 부위와 별반 차이가 없게 되겠지요?

VA IPS TN 패널의 차이점을 알아보기 위해 기본적으로 액정의 구동에 관련한 내용들을 TN패널을 사용하여 대표적으로 살펴보았습니다. LCD가 구동하게 되면 빛을 어떻게 통과시키고 막는지 정확히 이해 되셨을 겁니다.

다음시간에는 그러면 다른 패널들에서는 어떻게 빛을 통과시키고 막길래 시야각 등의 특성 차이가 생기는지 직접적으로 비교해보도록 하겠습니다.