31. LCD 원리 알아보기 (2) - 편광이란?

지피지기면 백전불태!! OLED의 라이벌 LCD에 대해서 알아보자

지난 시간 액정(Liquid Crystal)에 대하여 알아본 결과 우리는 액정의 광학적, 전기적 특성을 이용하여 디스플레이 재료로서 응용될 수 있는 포인트들에 대해 알아보았습니다. 그러나 지난 포스팅 말미에도 언급했듯이 액정이라는 놈의 전기적 광학적 특성들만 가지고는 빛을 조절해야하는 디스플레이로서의 역할을 제대로 수행할 수 없습니다.

컬투는 정찬우, 김태균이 함께해야 컬투이고, 다이나믹 듀오는 최자와 개코가 함께 해야 다이나믹 듀오인것 처럼 LCD도 액정과 함께 편광판(Polarizer)이라는 녀석이 함께해야 디스플레이 재료로서 제 구실을 할 수 있습니다. 

이 편광판이 바로 편광이라는 현상을 일으키는 소재인데, 편광(Polarized light)이라는 현상을 이해하면 편광판의 역할도 쉽게 이해가 되실 겁니다.

여러분들은 빛(Light)이라고 하면 무엇을 빛이라고 정의하고 계시나요? 문과분들은 상당히 시적인 개념으로 와닿을 것이고, 저 같은 이과출신들은 전파기파 중 가시광영역의 일부분이라고 이해할 수도 있습니다.

레이저와 리모콘 적외선, 심지어 라디오 주파수까지 이 모든 것은 빛의 형제들입니다. 사실 빛 그자체라고도 할 수 있죠. 

사진1. 전자기파의 구성과 그 차이 *그래프 출처 : 물리의 이해(http://physica.gsnu.ac.kr/)

빛은전자기파의 일종이며, 전자기파(Electromagnetic wave)는 전기장(Electric field)과 자기장(Magnetic field)이 서로 수직상태를 유지하며 서로에게 영향을 주며 나아가는 형태를 띄는 파동을 말합니다. 이 수직인 상태로 나아가는 모습을 사진1에서 표현하고 있습니다. 위 사진이 비교적 파장이 짧은 전자기파의 모습이고, 아래가 파장이 긴 전자기파의 모습입니다.

단지 이들을 이루는 전자기파의 파장이 짧고 기느냐의 차이로 가시광, 자외선, 라디오파, 통신파 등 다양한 모습의 형태를 보는 것을 알 수 있습니다. 파장이 짧다는 것은 파동이 빠르게 요동쳐야 하니 에너지가 큰 상태의 전자기파이고, 파장이 길다는것은 상대적으로 고요한 상태로 나아가는 전자기파로 에너지가 작습니다.

결국, 눈에 보이지 않는 X선이나 리모콘 적외선이나 눈에 보이는 빨주노초파남보 아름다운 색들이나 여러분들이 켜놓은 Wi-Fi나 모두 같은 전자기파라는 것입니다. 여러분의 눈은 전자기파가 가지는 무수히 많은 영역의 파장들에서 극히 일부분인 380~780nm 부근의 전자기파만을 인식할 수 있으며 이를 가시광선이라 부르고 그 외 다른 영역의 전자기파는 존재를 인식할 수 없습니다. 오히려 무수히 많은 전자기파의 세상에서 좁은 범위의 전자기파만을 인식한다는 것이 축복일지도 모릅니다..

그러면 이제 편광에 대해서 본격적으로 알아보도록 합시다. 이 편광이라는 전자기파의 상태는 사진1과 같이 전기장과 자기장의 파동상태를 일정한 조건으로 맞추는 것을 말합니다. 

천천히 다시 알아보자면 일단 태양에서 내리 쬐는 빛은 위 전자기장들이 수없이 많은 방향으로 진동하는 일명 무편광빛(Unpolarized light)입니다. 이는 광원이 되는 태양의 원자를 이루는 전자의 배치가 바뀌면서 빛을 낼 때 원자의 방향과 질서도가 무질서하게 배치되어 있는 상태에서 빛을 내기 때문입니다.

이 무편광 상태의 빛으로 액정에 빛을 통과 시키면 액정의 방향에 관계없이 빛이 모두 통과 되어 버립니다. 왜냐하면 액정은 지난 시간에 다룬 내용대로 굴절률이방성(refractive index anisotropy)이라는 특징으로 빛을 방향성있게 유도 할 수는 있지만 이것을 막는 역할을 하지는 못합니다. 그래서 편광이라는 현상을 이용하는데 아래 그림을 보면서 이해해 봅시다.

사진2. 무편광빛과 전기장과 자기장의 위상이 180도 차이나는 빛의 편광상태*그래프 출처 : 물리의 이해(http://physica.gsnu.ac.kr/)

사진2의 첫번째는 무편광 상태의 빛의 전기장과 자기장의 진동방향입니다. 전자기장이 랜덤으로 모든 방향으로 진동하며 나아가고 있음을 알 수 있습니다. 그런데 사진2의 오른쪽과 같이 전기장과 자기장의 위상차이 즉, 전기장의 파장의 시작과 자기장의 파장의 시작의 차이를 주면 전기장과 자기장의 합으로 표현되는 편광상태가 변한다는 것을 확인 할 수 있습니다.

사진2의 위 사진을 보면 파란색 전기장의 성분이 빨간색 하이라이트 쳐놓은 곳에서 X축으로 마이너스 상태이지만 아래 사진을 보면 X축 성분이 모두 플러스 상태인 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 파동의 축 성분이 반대가 되는 것을 위상차이라고 하며, 사진2와같이 완전히 반대인 상태를 위상차이가 180도 차이가 난다고 말합니다.(삼각함수를 떠올려보면 쉽습니다. Sin 함수를 나타내는 내각의 각도과 같은 개념입니다.)

이렇게 위상차이가 나는 두 빛의 편광상태는 각 각 +45도 편광상태, -45도 편광상태로 완전히 반대의 편광상태를 지닙니다. 이 말은 즉슨, 빛이 한가지 성분으로 정돈되었다는 것을 의미합니다. X축 성분과 Y축 성분 중 특정 축 성분의 전기장을 제거하면 진동을 한방향으로만 하게 될테고 그 모양은 위상차로 결정할 수 있습니다.

이 상태를 아래의 그림으로 한번 이해를 해봅시다. 

사진3. 편광방향에 따른 빛의 투과와 차단 *사진출처 : www.toyo-visual.com

사진3을 보면 편광판에 의해 편광된 빛이 어떻게 투과되고 차단되는지 잘 나타나 있습니다. 편광판의 역할은 무편광상태의 빛을 편광상태로 만드는 소재이며 이 편광판을 통과한 빛은 편광상태가 됩니다. 따라서 위 사진3과 같이 수평편광판을 지난 빛은 수평편광상태가 되고 이어서 다시 수평 편광판을 가져다 놓으면 편광상태가 같기 때문에 빛이 통과하게 됩니다.

그러나 아래 그림과 같이 수평편광된 빛에 수직편광판을 놓게 되면 편광판에서 통과할 수 있는 편광상태와 반대이기 때문에 빛은 통과하지 못하게 됩니다. 그래서 기본적으로 편광판을 직교한 상태로 놓으면 빛이 거의 완전히 차단되어 완전히 검정 플라스틱같은 상태로 보이게 됩니다. 

이렇게 편광이라는 현상을 가지고 편광판을 이용하면 빛을 완전히 차단시키는 것이 가능합니다. 그래서 이 두 편광판사이에 액정을 넣게 되면 액정의 굴절률이방성을 가지고 편광된 방향을 바꿀 수 있기 때문에 편광판과 액정의 조합을 이용하여 LCD를 구현하게 됩니다. 최종적으로 이 편광이라는 현상을 효과적으로 이용하기 위해 액정의 배향(Orientation)을 이용합니다. 

액정의 배향을 이용한 LCD 원리 이해와 이 배향에 따른 VA, IPS, TN 패널의 분류와 특징에 대하여 다음 시간에 정리하도록 하겠습니다.