30. LCD 원리 알아보기 (1) - 액정이란?

지피지기면 백전불태!! OLED의 라이벌 LCD에 대해서 알아보자

현재 디스플레이 시장에서 시장지배력이 가장 큰 제품은 단연코 LCD(Liquid Crystal Display)입니다. OLED 패널을 탑재한 제품들이 많아지고는 있지만 이것은 가격이 비싼 프리미엄 시장에서의 이야기이고 TV, 핸드폰, 가전, 자동차 등 디스플레이가 사용되고 있는 그 어디에서도 LCD는 너무나 확고히 그 자리를 지키고 있습니다.

사진1.시대별 다양한 액정(LCD) 적용 제품들

사실 액정이라고 하면 모두 막연하게 

'그 액정화면....' 

'그....그거 액정' 

'액정이 액정이지 뭐야!' 

라며 왜 액정이라 부르는지 액정이 무엇인지 잘모릅니다.

제가 어렸을적만 하더라도 위 사진1처럼 액정이라하면 계산기나 타이핑을 하면 1초뒤에 화면이 바뀌는 백과사전보다 두꺼운 노트북 등에 사용되는 뭔가 답답한 디스플레이 제품이었습니다.(80년대생 부터는 공감하실겁니다...이놈의 나이 ㅜㅜ)

그러다가 어느순간 생활 여기저기에서 많이 사용되기 시작하더니 이제는 아주 높은 화질을 자랑하는 대표적인 디스플레이 제품으로 자리매김했습니다. 심지어 액정은 이제 디스플레이의 대명사처럼 사용되고 있습니다. 위에 액정에 대해 설명하지 못하는 현대인들의 일화와 같이 액정이라고 말하면 우리는 디스플레이 화면을 떠올리곤 하니 말입니다.

오늘부터해서 총 3회에 거쳐 OLED 외에 번외로 LCD에 대하여 알아보는 시간을 가질텐데요. 현재 쓰이고 있는 LCD의 구동원리에 대해 이해하려면 세가지 정도만 아시면 됩니다. 

1. 액정(Liquid crystal) : 재료

2. 편광(Polarized light) : 광학적 원리 [응용제품 : 편광판]

3. 배향(Orientation) : 물리적 원리 [응용제품 : TN 패널, VA 패널, IPS 패널 등]

위에 언급된 세가지 사항만 알면 LCD 구동에 관련한 사실상 모든 내용을 아는 것이나 다름없습니다. 그 중에서도 이번 시간에는 위에서도 약자를 언급했지만 오늘은 이 액정(Liquid Crystal)에 대하여 알아보겠습니다. 

사진2. 인터넷 상의 다양한 액정 모형들

액정에 대하여 인터넷을 뒤지면 사진2와 같은 이런 그림들이 나옵니다. 도대체 어쩌라는 건지 모르겠습니다. 사진만 덩그러니 올려놓고 스메틱이니 네마틱이니 애초에 액정이 뭔지를 모르고 정보를 찾으러 온 사람들에게 이런 정보만 주니 답답할 노릇입니다. 그러니 우리는 이번시간에 완전한 비전공자의 관점에서 한번 알아보도록 합시다. 어짜피 고급정보들은 인터넷에 널리고 널렸으니 쉽게 이해하고자 하는 사람들을 대상으로 해봅시다.

액정이라는 용어의 뜻은 액체(Liquid)와 결정(Crystal)의 합성어입니다. 영어로는 그냥 liquid crystal이니 어려운것 없죠? 우리나라말로 하다보니 액체의 '액'과 결정의 '정'을 따서 액정이라고 이름을 붙였습니다.

액체와 결정은 모두 물질의 상태를 칭하는 용어입니다. 물은 액체이고 얼음은 고체입니다. 같은 H2O 분자로 이루어져 있더라도 분자가 이루는 상태에 따라 액체도 될 수 있고 고체도 될 수 있으며 심지어 기체도 될 수 있습니다. 이를 조절할 수 있는 가장 간단한 방법은 바로 온도를 바꾸는 방법입니다.

일반적인 분자는 온도가 낮은 상태 즉, 추운상태가 되면 분자의 움직임이 줄어들며 고체가 되고 온도가 올라갈 수록 액체를 거쳐 기체가 되어갑니다. 위 사진2의 왼쪽 LG디스플레이 블로그 사진을 보면 잘 나와있죠? 고체는 분자들이 일정하게 나열한 상태이고 액체는 분자들의 자유도가 커져있는 상태입니다. 그런데 액정이라는 상태는 고체도 아닌 것이 액체도 아닌 이상한 상태를 유지합니다.

고체의 특성으로 방향성이 있는 질서정연하게 배열하되, 액체의 특성으로 분자들 자체는 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 액정상태입니다. 그런데 이 액정 상태를 갖기 위해서는 분자가 조금 특별하게 설계되어야 합니다.

사진3. 대표적인 액정 분자구조들과 이를 그림으로 표현

먼저 사진3을 봅시다. 분자구조 2개가 있는데 무엇인지 전혀 중요하지 않고 직관적으로 '아 이놈 길게 생겼구나' 라는 느낌이 올겁니다. 액정이라는 상태의 정의를 보면 '질서있는 배열을 한 유동성있는 상태'이기 때문에 질서있게 배열하려면 연필과 같은 긴 모양이 최고라는 것을 경험상 알수 있으실 겁니다. 탁구공을 열심히 메이커 스티커가 보이게 배열해놓아봤자 입김만 불어도 다 뒤집어집니다. 그러나 연필은 마구 뒤섞어도 적어도 한방향으로 정렬은 어렵지 않게 할 수 있습니다.

분자도 마찬가지로 질서를 가지게 배열하려면 긴 형태여야합니다. 그래서 액정은 어느 자료에서든지 항상 저렇게 긴 태국 쌀같이 표현하는 겁니다. 실제로 긴 형태를 유지 하니까요. 

자 이제까지 액정의 형태는 알아보았는데 그럼 이 액정상태를 유지하는 액정이라 불리는 재료가 어떻게 디스플레이에 응용되게 되었을까요?? 바로 아래 두가지 특성을 갖기 때문에 디스플레이로써 응용이 가능했던겁니다. 

액정의 대표적인 특징

1. 굴절률 이방성(Δn, 델타 엔)이 크다.

2. 유전률 이방성(Δε, 델타 입실론)이 크다.

아 아 나가지 마세요 어려운 용어지만 쉽게 풀어드리겠습니다. 액정은 이 두가지 특징을 가지고 디스플레이 시장을 주름잡는 엄청난 놈이 되었습니다. 굴절률이방성(refractive index anisotropy)과 유전률이방성(dielectric anisotropy)이 그 주인공입니다. 먼저 이방성(Anisotropy)이라는 용어의 뜻을 이해해야합니다. 이방성이란 두가지 성질을 갖는것을 말합니다. 

그러니까 굴절률 이방성이라고 하면 굴절률이 다른 두가지 성질을 갖는다는 것을 의미합니다. 유전율 이방성도 마찬가지겠지요. 먼저 굴절률 이방성에 대하여 간단히 알아보도록 합시다. (굴절률에 대하여 자세히 알아보시려면 지난 포스팅을 참고해 주세요 - 굴절률이야기)

굴절률이방성 이야기!

굴절률이란 빛이 나아갈 때 어떠한 물체에 닿거나 통과할 때 물체의 성질에 의해 빛이 느려지거나 빨라져서 생기는 경로차이라고 할 수 있습니다. 그래서 욕조에서 내 발바닥을 보면 실제보다 훨씬 가깝게 느껴지는 것은 공기로 이동하던 빛이 물에 닿으면서 속도가 변하는 굴절률 차이에 의해 생기는 현상입니다.

사진4. 액정의 굴절률 이방성이 생기는 이유

질서를 유지하기 위해 길게 분자를 만들어 놓았더니 경로에 따라서 굴절률이 달라지는 이러한 특징이 나타나게됩니다. 그래서 액정이 배열한 방향에 따라 굴절률이 작거나 크게 임의로 조절이 가능해지는 것이죠. 그래서 빛이 통과를 잘하게 유지시키면 밝은 상태를 유지할 수 있고 빛이 잘 통과 하기 어렵게 배열시키면 어둡게 디스플레이를 조절할 수 있게 되는 겁니다.

그러면 이 배열 상태는 어떻게 바꾸어야 할까요? 몇 옴스트롱() 단위의 작은 분자들을 손으로 돌릴 수도 없고 그렇다고 데굴데굴 굴릴 수도 없는 것이고... 그 방법은 유전률이방성을 이용하는 방법입니다.

유전률이방성 이야기!

유전률이방성도 굴절률이방성과 마찬가지로 분자내에 유전률이란 특성의 차이에 의해 생기는 특징입니다. 유전률이란 쉽게 말해서 전기장에 반응하는 정도를 말합니다. 그래서 전기장이 가해지도록 두 전극에 전압을 가해주면 이 사이에 위치한 액정은 유전률에 따라 자기자신을 배열하기 시작합니다.

사진5. 액정의 유전률 이방성 특징 

대부분의 물질은 전기장에 반응하는데 그 반응 하는 정도가 차이가 있습니다. 그런데 액정같이 긴 모양을 한 분자는 분자안에서도 전기장에 반응을 잘하는 부위가 있고 그렇지 않은 부위가 같이 공존하게 됩니다. 그래서 유전률이방성이라는 특징을 갖게 됩니다.

분자구조에 따라 전기장의 방향에 따라 배향하는 Positive 유전률 이방성 액정이 있는가 하면, 그 반대로 전기장 방향에 수직하게 배열하는 Negative 유전률 이방성 액정이 있습니다. 이러한 종류는 LCD를 설계할 때 미치는 요소가 되는데 전극 구조나 패널 역할별로 negative와 positive 액정을 선택합니다. 한개의 LCD 패널에는 같은 종류의 액정만이 들어갑니다. 배열을 해야하는데 다른 성질을 갖는 액정이 섞여버리면 원하는대로 구동하지 않겠지요.

그래서 유전률 이방성을 이용하면 전기장의 세기로 이 액정의 방향을 조절할 수 있게됩니다. 액정의 방향을 조절할 수 있다는것은 굴절률 이방성을 이용하여 빛의 경로를 이리저리 조절할 수 있다는 말과 같으니 전기와 액정 이 둘만 있으면 LCD가 만들어 질 수 있을 것도 같으나 그렇지가 않습니다. 

빛의 경로를 굴절률의 차이로 조절할 수는 있으나 경로만 바꿀뿐이지 완벽히 차단할 수는 없기 때문에 검정색을 표현하거나 색을 어둡게 표현하기 위해서는 빛을 완전히 차단시킬 수 있도록 도와줄 수 있는 친구들이 필요합니다. 바로 편광(Polarized light)이라는 현상을 이용해야 합니다. 이 편광에 대해서는 다음시간에 다루도록 하겠습니다.