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		우정교수의 디스플레이 이야기 14
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2021-06-11 11:18:10

LCD, 역사 그리고 진화 과정

LCD에 관한 본격적인 공부를 시작하기 전에 LCD가 태어난 배경, 그리고 진화하고 있는 역사를 추적하여 살펴보겠습니다. 1854년, 독일의 병리학자이자 백혈병의 발견자인 루돌프 피르호가 생체의 신경 조직과 물을 접촉시켜서 농도 전이형(lyotropic) 액정을 관찰한 적이 있습니다. 다만, 관심이나 후속 연구가 진행되지는 못하였죠. 그리고 1888년, 오스트리아의 식물생리학자 프리드리히 라이니처는 식물의 콜레스테롤 분자식을 확립하기 위해 인삼, 홍당무 등으로 콜레스테롤을 추출하고 유도체를 합성하여 가는 과정에서 특이한 물질, 즉 콜레스테릴 벤조에이트를 발견합니다. 보통 고체를 가열하면 녹는점 이상에서는 액체가 됩니다. 그런데 콜레스테릴 벤조에이트를 가열하면서 섭씨 145.5도에서는 하얀색의 탁한 액체로 변하였고, 178.5도로 온도를 올리니 투명한 액체가 된 것입니다. 온도를 낮추면, 자색, 청색을 거쳐 탁한 액체로 되었다가 다시 결정으로 돌아갔죠. 물질의 녹는점 두 개를 거치며 색의 변화를 본 것입니다. 그는 독일의 생리학자 오토 레만에게 이 물질을 보냅니다.

그는 당시로서는 최첨단 장비인 가열 편광 현미경을 개발하였죠. 물질을 분석해보니 액체 상태의 물질이 빛을 두 방향으로 굴절시키는 복굴절 성질이 있는 것을 발견합니다. 복굴절은 결정에서만 발생하는 현상이라는 것이 당시의 중론이었습니다. 그런데, 액체 상태임에도 결정이 갖는 복굴절 성질을 지닌, 즉, 액체의 유동성(liquid flowability)과 광학적 이방성(optical anisotropy)이 갖는 물질이 발견된 것이죠. 그는 이 내용으로 흐르는 결정(flowing crystal)에 관한 논문을 발표합니다. 고체와 액체의 중간 성질을 가지는 액체(liquid) 결정(crystal), 즉 액정이라는 뜻이죠. 라이니치는 액정의 발견자, 레만은 액정 연구의 창립자가 된 셈입니다. 이는 최초의 액정으로 인정받는 온도 전이형(thermotropic) 액정의 이야기입니다.

이러한 배경을 토대로 하여 1911년, 프랑스의 샤를 빅토르 모갱은 박막 플레이트들 사이에 정제된 액정을 넣고 실험을 하여 액정 배향을 밝혀내죠. 1922년, 프랑스의 프리델은 연구 결과들을 종합하여 ‘물질의 중간 상태’라는 총설을 발표하였고, 여기에서 ‘smetic, nematic, cholesteric’이라는 액정의 배열 구조를 도입합니다. 그리고 1927년, 러시아의 물리학자 프레데릭은 외부의 장(전기장, 자기장) 안에서 액정의 배향 거동에 대한 이론적 고찰을 정리하였고, 1933년 스웨덴의 물리학자 오젠은 액정의 탄성에 관한 연구 결과를 발표합니다.

1962년, 미국 RCA(Radio Corporation of America)의 두 과학자가 LCD의 초석을 쌓습니다. 먼저 리처드 윌리암스가 액정을 얇게 바르고 전기장을 인가하면 분자들이 움직이면서 빛을 산란시키는 현상, 동적 산란을 발표하면서 디스플레이 물질로서의 응용 가능성을 제시합니다. 1964년, 조지 헤일마이어는 윌리엄스의 동적 산란 모드(Dynamic Scattering Mode, DSM) 기술로 디스플레이를 만들 수 있다는 가능성을 제시하였고, 1968년, 노력 끝에 마침내 최초의 시험용 LCD를 선보입니다. 투명한 액정에 전압을 인가하면 액정이 빛을 산란하여 흰색으로 변하는 현상을 이용하였죠. 따라서, 액정의 디스플레이 응용은 1960년대, DSM-LCD의 등장이 그 시발점이 되었습니다. 물론 구동전압이 높아서 소비 전력이 크고, 화질이 좋지 않아 상용화는 만만치가 않았지만, 그 의미는 매우 크죠.

3년 정도가 지난 1971년, 미국 켄트 주립대의 퍼거슨과 스위스의 마틴 슈아트, 울프강 헬프리치가 거의 동시에 TN(Twisted Nematic)-LCD 셀을 개발합니다. 이는 오늘날까지도 많이 사용되고 있는 모드로, 투명한 상태에서 전압을 인가하면 빛을 차단하여 검게 변하죠. 소비 전력이 작고 정면에서의 화질이 우수하여 시계나 전자계산기에 본격적으로 적용이 되었습니다. 드디어 LCD가 실생활에 적용된 순간이죠. 1971년, 옵텔(Optel)에서 LCD가 장착된 손목시계를 선보였으며, 1973년, 일본의 샤프가 LCD 시계를 본격적으로 양산하기 시작하였고, 1976년에는 휴대용 전자계산기에 적용합니다.

그리고, 더 많은 정보를 표시하기 위하여 직접 구동 방식에서 매트릭스 구동으로 발전하는데, 이를 위해 전압 인가에 따라 더 빠른 속도로 투과율이 변하는 액정 모드가 필요하게 되었고, 따라서 STN(Super Twisted Nematic) 모드가 등장을 합니다. STN-LCD는 미국의 테리 쉐퍼 등이 개발하였고, 액정이 회전하는 각도가 240 ∼270도로 매우 크며, 또한 전압을 인가하면 투과도가 매우 급격히 변화되는 장점이 있어 모니터 등에 활용할 수 있습니다. 매트릭스 구동이 실현된 것이죠. 이와 같이 TN(Twisted Nematic) 액정을 이용한 단순 표시 소자로써 시계나 전자계산기에 적용된 시기가 LCD의 제1세대에 해당합니다. 그리고 제2세대는 단순 매트릭스 구동형 STN-LCD로 컴퓨터 모니터에 적용된 시기입니다.

한편, TN-LCD가 개발된 이듬해인 1972년에는 헝가리 태생의 피터 브로디가 미국의 웨스팅하우스에 근무하면서 능동 행렬 LCD, 즉, AM-LCD를 제안, 발표하죠. 사실, AM-LCD의 근본이 되는 TFT에 대해서는 별도의 역사를 다루어야 할 만큼 내용도 유래도 길지만, 간단히 정리해 보겠습니다. 1935년, 영국의 헤일이 특허를 취득하였고, 이후 1945년에 반도체 활성층으로 CdSe를 사용한 TFT가 고체 촬상 소자용으로 발표되었고, 이를 1972년에 브로디가 LCD에 적용을 하게 되죠. 능동 매트릭스 구동형 LCD의 시작입니다. 그리고, 1972년에 스코틀랜드의 Spear와 LeComber가 글로우 방전을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(amorphous Silicon, a-Si)을 만들고, 1979년에 역시 LeComber가 비정질 실리콘을 이용한 TFT-LCD를 발표합니다. 1982년에는 다결정 실리콘(polycrystalline Silicon, poly-Si) TFT를 이용한 포켓형 TV가 최초로 상업화되면서 TFT-LCD는 급속히 발전하게 되죠. 1983년에는 일본의 세이코 엡손이 LCD 컬러 TV를 최초로 발표합니다. 즉, LCD는 DSM-LCD에서 TN-LCD, STN-LCD, 그리고 TFT가 설치된 AM-LCD로 진화를 하여 갑니다. 1985년부터 TFT LCD의 개발이 더욱 본격화되었으며, 1987년, 샤프는 TV용 3인치급 TFT LCD를 생산, 판매하기 시작하였고 1988년에는 14인치급 TFT로 확장됩니다. 그리고, 도시바, 산요, 세이코 엡손 등이 모니터나 휴대용 TV 등에 본격적으로 합류하며, 노트북 컴퓨터, 포터블 TV의 발전 속도가 빨라집니다. 그리고, 1991년, 10인치급 TFT LCD가 노트북용 모니터로 본격 양산되기 시작하였으며, 이 시기를 LCD의 제3세대로 정의합니다.

1995년, 수평 전극 스위칭(In Plane Switching, IPS) 기술의 개발과 도입으로, 시야각이 넓어지면서 LCD 화면은 13인치급 이상으로 커집니다. 이 무렵을 LCD의 제4세대로 정의하죠. 2000년대에는 한국이 주도권을 갖기 시작하며, 화면의 크기와 해상도의 한계를 극복하면서, LCD TV가 본격 등장하기 시작한 2005년 무렵을 LCD의 제5세대의 진입으로 볼 수 있습니다. 이후로는 LED를 광원으로 채택하고, 나아가서는 양자점을 적용하는 등 자유로운 크기, 최고의 성능으로 소형 모바일 기기부터 대형 TV에 이르기까지 디스플레이 응용 범위의 대부분을 LCD가 점하고 있습니다.

LCD, 액정, 액정의 분류>>

액정(Liquid Crystal, LC)은 액체 결정으로 액체와 고체 결정 사이의 특성을 지니는 물질의 상태입니다. 액체 상태에서는 원자나 분자들의 위치, 방향 모두 장거리 질서가 없는데 반하여 결정 상태에서는 장거리 질서가 존재합니다. 이와 같이 액체와 결정의 중간 상태(mesophase) 물질로는 유연성 결정(plastic crystal)이라는 물질도 있죠.

액정은 크게 온도 전이형 액정(Thermo-tropic LC)과 농도 전이형 액정(Lyotropic LC)으로 구분합니다. 온도 전이형 액정은 열에 의해서만 분자 구조가 바뀌고, 농도전이형의 경우에는 임계 농도치 이상으로 용해되었을 때, 여러 영향에 의해 변하게 되죠. 온도 전이형 액정은 일반적으로 막대 모양을 가지는데, 위치 질서의 정도에 따라 네마틱(nematic)상과 스멕틱(smectic) 상으로 구분되며, 분자의 chirality에 따라 카이랄(chiral) 액정과 비카이랄(achiral) 액정으로 나뉩니다. 카이랄 네마틱 액정은 콜레스테릭(cholesteric) 액정으로도 부르는데, 이는 처음 발견된 액정인 콜레스테롤이 카이랄 네마틱 액정이었기 때문입니다. 네마틱 상은 단지 방향 질서만을 가지고 있는 액정상이며 스멕틱 상은 방향 질서와 함께 1차원 또는 2차원의 위치 질서를 가지고 있는 상입니다.

액정 상태에서 분자들은 특수한 배열을 하고 있습니다. 자연상태의 액정은 약 3,000여 종 이상이 있으나, LCD에 이용되는 것은 주로 온도 전이형 액정에 속합니다. 전압이나 자력, 기타 외부의 힘에 의해서 분자의 배열 방향이 쉽게 제어되는 성질을 가지고 있기 때문이죠. LCD용 액정은 배열 구조의 차이에 따라 세 종류, 즉, 콜레스테릭(cholesteric), 네마틱(nematic), 그리고 스멕틱(smectic)으로 분류할 수 있습니다.

LCD, 액정의 분류, 네마틱 액정 >>

네마틱(nematic)은 그리스 어원으로 ‘실’에서 유래되었습니다. 실이 지나가듯이 방향 질서만 있고 위치 질서는 없죠. 만일 액정 분자들이 위치 질서까지 가지는 경우에는 스멕틱 상으로 불리며, 이는 네마틱 상보다 유동성이 작고 층 구조를 이루는 특징이 있습니다. 네마틱 액정은 막대 모양의 분자들이 서로 평행하게 스스로 배열하고 있습니다. 각각의 분자들은 위치가 고정되어 있지 않고 장축 방향으로는 비교적 자유로이 이동할 수 있습니다. 이 때문에 유동성이 높고 점도는 낮습니다. 분자들 간의 상호작용은 존재하여 방향성을 가지며, 굴절률, 유전율, 자화율 등의 전기광학적 특성들에 대해 이방성을 보입니다.

현재, 디스플레이를 포함하여 대부분의 전기광학 소자로 사용되는 액정은 네마틱 액정입니다. 특히 LCD 분야에서는 단연코 가장 중요한 상입니다. 즉, 전기적 이방성을 가지므로 외부에서 인가한 전기장에 반응하여 액정 분자가 전기장의 방향에 평행 혹은 수직으로 나열되며, 이때 액정을 통과하는 빛의 편광이 변하는 성질을 이용한 것이 네마틱 액정 디스플레이입니다. 액정의 상들 중에서 매우 단순하고 낮은 수준의 질서를 가지고 있어서, 균일한 소자를 대면적으로 제작할 수 있고 동역학적 성능도 우수하죠. 또한, 분자 간 상호작용이 비교적 단순하며 이론적인 해석이 충분히 이루어져 있기도 합니다.

LCD, 액정의 분류, 스멕틱 액정 >>

스멕틱(smetic)이라는 용어는 그리스 어원의 ‘비누’에서 유래되었습니다. 분자들은 방향 질서와 함께 위치 질서도 이루고 있죠. 스메틱 액정은 막대 모양의 분자들이 층 구조를 형성하며 각 층들은 평행으로 배열되고 층 내에서 분자들은 거의 수직으로 서있는 구조입니다. 분자층 사이의 결합은 비교적 약하여 비누처럼 서로 미끄러지기 쉬운 특성을 가지며, 이 때문에 스멕틱 액정은 2차원적으로 유체의 성질을 나타냅니다. 각 층들이 전체적으로는 자유로이 움직이는 반면에 층 내에서 분자들의 이동은 제한됩니다. 그러므로 네마틱 상에 비하여 약간은 더 단단한 물질을 만들며, 액체에 비하면 점도는 매우 높습니다. 전기광학적 응답 특성을 가지므로 역시 LCD에 사용될 수 있습니다.

LCD, 액정의 분류, 콜레스테릭 액정 >>

콜레스테릭(cholesteric) 액정, 혹은 카이랄 네마틱(chiral nematic) 액정은 네마틱 액정에 주기적인 나선 구조를 유도하는 카이랄 첨가물(chiral dopant)이 첨가된 액정으로, 네마틱 액정의 방향자가 나선 축을 따라 꼬이면서 배열된 나선형의 구조를 가집니다. 이는 콜레스테릭 액정으로도 부르는데, 이는 처음 발견된 액정인 콜레스테롤이 카이랄 네마틱 액정이었기 때문입니다. 참고로 콜레스테릭(cholesteric)은 그리스 어원으로 ‘쓸개, 담’의 뜻을 가집니다. 여하튼 발견된 후로 네마틱 액정에 카이랄 첨가물을 섞어 동일한 분자 구조를 갖는 액정을 만들게 되었고 이를 카이랄 네마틱 액정이라 명하게 되었죠. 두 액정상의 분자 구조가 동일하므로 두 단어는 동일한 의미로 사용됩니다.

콜레스테릭 액정의 나선 방향은 카이랄 단위에 의해 결정되는데, 그 주기를 나선 피치라고 부릅니다. 피치가 작은 경우, 나선축이 광학적 축으로의 역할을 하죠. 따라서 콜레스테릭 액정의 광학적 특성은 나선 축의 방향에 의해 결정됩니다. 즉, 나선 피치에 상당하는 파장의 빛에 대해 카이랄성(chirality), 편광 및 빛의 선택적인 반사와 색상 조절 특성을 나타내며, 이러한 성질을 이용하여 광학 장치를 생산하려는 시도가 진행 중입니다. 예를 들어 콜레스테릭 액정이 300 ~ 1100 nm 카이랄 피치를 가지게 되면 그 범위 대에 상응하는 파장 범위의 자외선, 가시광선 및 근적외선을 반사할 수 있습니다. 즉, 카이랄 피치를 조절함으로써 광결정 기반의 자외선이나 근적외선 차단제, 혹은 색조형 화장품 등으로 적용이 가능할 수 있습니다. 이와 함께 광메모리 소재나 광 기록 매체에 쓰이는 광학 소재로도 유망합니다. 또한 콜레스테릭 액정은 온도에 따라 색이 민감하게 변하므로, 온도 표시 소자로도 사용됩니다.

아울러 디스플레이나 스마트 윈도우 영역에서도 반사, 혹은 산란되는 색이나 빛의 투과도를 조절하여 응용이 가능합니다. 응용의 한 예로 LCD에 사용될 수 있는 반사형 편광막을 들 수 있습니다. 즉, 편광판을 통과하지 못하는 빛에 대해 콜레스테릭 반사형 편광막을 적용, 편광 상태를 변환하여 재활용할 수 있도록 하는 연구도 진행 중입니다. 이와 함께 광투과율이 높은 컬러 필터에도 활용할 수 있어 LCD의 낮은 효율을 증가시킬 수 있을 것으로 기대가 되며, 전자책용 디스플레이로도 활용이 가능합니다.

<다음호에 이어서 계속>

“본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”