물질의 상태는 주로 세 가지, 즉 고체, 액체, 그리고 기체로 구분됩니다. 조금 더 들어가서 이온화된 기체를 플라스마 상태로 따로 이야기하기도 하죠. 따로 이야기하는 또 하나의 물질 상태가 액정입니다. 즉, 고체와 액체의 중간 상태, 고체의 규칙, 정렬성과 액체의 유동성을 함께 지니고 있죠. 이와 같이 액정은 액체와 고체 결정의 이중성을 지닌 물질답게 다양하고 흥미로운 물리, 화학, 그리고 전기광학적 특성들을 갖습니다.

고체와 액체, 이중성을 지닌 액정은 보통 비대칭적인 모양(가늘고 긴 막대 모양, 타원형 등)을 가지고 있으며, 인접한 분자들에 맞추어 정렬되려는 성향이 있습니다. 그리고, 분자의 모양에 따라, 또한 분자들의 정렬 방향에 따라 기계적, 전기적, 광학적 특성 등이 달라지는 이방성(anisotropy)을 지니게 되죠. 이러한 특성들로는 점성(점도, 점성률), 유전율, 전도도, 굴절률, 자화율 등이 있으며, 외부로부터 열, 자계, 전계 등을 인가하면 분자 배열이 변하며, 전기광학적인 특성들 또한 변하게 되죠. 예를 들어 액정은 분자 내에서 장축 방향과 단축 방향으로 서로 다른 분극(polarization)의 차이를 가집니다. 따라서 유전율 이방성이 존재하며, 장축 방향으로의 유전율과 단축 방향의 유전율 간에 차이가 생깁니다. 액정에 전기장을 인가할 경우, 전기장에 의해 유도되는 쌍극자 모멘트에 의해서 액정의 분극이 더 큰 쪽이 전기장과 평행한 방향으로 정렬되도록 힘을 받게 됩니다. 이 원리에 의해서 전기장으로 액정의 움직임을 제어할 수가 있죠. 즉, 액정 분자들은 전압이 인가되면 전기장에 따라 이동, 혹은 회전합니다.
 

 

 

 

또한, 굴절률에도 이방성이 존재하죠. 빛이 매질을 진행할 때, 매질의 밀도가 다를 경우 빛이 매질을 통과하는 속도에서도 차이가 발생되는데 이를 빛의 굴절 현상이라 하며, 굴절률이라는 상수로 표현됩니다. 굴절률은 빛의 진동 방향에 따라 달라지며, 빛이 액정 분자를 통과할 때, 액정 분자는 축의 방향에 따라 서로 다른 전자 밀도를 가지므로 빛도 장축과 단축에 대해 서로 다른 위상차를 보이게 됩니다. 이로써 굴절률 이방성이 나타나며, 역시 장축 방향으로의 굴절률과 단축 방향의 굴절률 간에 차이가 생기게 되죠. 결국, 유전율 이방성으로 인하여 전기적 제어가 가능해지고, 굴절률 이방성으로 인하여 광학적 차이를 유발할 수 있게 됩니다.

 

이러한 이유들로 액정 분자에 선편광 된 빛이 입사될 경우, 액정 분자의 방향이나 위치가 점진적으로 변하면 편광 방향이 분자의 방향을 그대로 따라가는 일종의 광활성(optical activity)을 가집니다. 즉, 액정이 빛(전기장)에 의해 분극되는 정도가 막대의 길이 방향과 이에 수직인 단면 방향에 대해 차이가 있기 때문에(보통의 액정은 길이 방향으로의 분극이 더 잘 일어남), 유전율과 굴절률에서 방향에 따른 차이가 있고, 막대 방향이 광축이 되는 복굴절 물질이 됩니다.
 

 

LCD에 주로 사용되어온 액정은 네마틱, 스멕틱, 그리고 콜레스테릭 액정이며, 막대 모양으로 생긴 분자들의 집단입니다. 앞서 언급하였듯이 각각 고유의 규칙들로 분자들이 배열되어 있기 때문에 분자의 장축에 평행한 방향과 직각인 방향에 대해 물리적 특성들이 서로 다른 이방성을 가지게 되죠. 따라서, 액정 분자들의 방향이 변하면 액정의 전기광학적인 특성들도 달라지게 됩니다. 이러한 이방성에 더하여, 액정은 전기장, 자기장, 그리고 응력 등이 외부로부터 인가되면 물리적으로 반응을 하죠. 여기에서는 다양한 액정의 특성들에 대해 LCD와 직접적인 연관성이 있는 특성들을 화학적, 기계적, 전기적, 광학적, 그리고 전기광학적 특성들로 구분하여 살펴봅니다. 그리고 기본적으로는 디스플레이에 범용성이 있으며, 널리 사용되어온 네마틱 액정을 대상으로 하여 설명을 이어가고자 합니다.

 

 

LCD, 액정의 특성, 구조와 거동  >>

 

액정의 종류는 실로 다양합니다. 다만, LCD에 사용되는 액정은 주로 막대형으로 방향성을 지니고 있는 네마틱 액정이며, 이를 기초로 하여 액정 분자의 기본 구조를 살펴보죠. 기다란 모양의 분자 구조, 양쪽 터미널(terminal)에서 머리로 칭하는 쪽은 전기적으로 극성을 리드하고, 꼬리 쪽은 유연성을 주로 제공합니다. 몸통 부분은 메조겐 그룹(mesogenic group)들로, 비교적 강한 막대 모양의 분자 구조를 가지며, 복굴절 효과에 기여하게 됩니다. 각각의 구조들은 연결부(linker)들로 이어져 있으며, 이와 함께 몇몇 측면 그룹(side chain, end group)들이 존재하여 액정의 유연성, 점도 등을 조절하고 필요한 반응이나 상호 작용을 유도하기도 합니다. 이러한 액정 분자의 크기는 대략 폭은 수 옹스트롬, 길이는 수십 옹스트롬 정도이죠.  

 

분자의 상태는 물리적 자유도(degree of freedom)를 기반으로 하여 위치와 방향으로 구분할 수 있습니다. 액체의 경우에는 각 분자의 위치와 방향이 모두 불규칙적으로 배열(arrangement)되며, 고체 결정의 경우에는 위치와 방향에 규칙이 있죠. 액정의 경우에는 대부분 분자의 위치는 액체와 같이 불규칙하지만, 방향은 어느 정도의 규칙성을 가지고 배열됩니다. 실제로는 각각의 액정 분자들은 열적 요동에 의해서 계속 움직이고 그 방향도 조금씩 서로 다릅니다만, 평균적으로는 분자들이 특정한 방향으로 정렬되는 성향을 보이기 때문에 방향성은 어느 정도의 규칙성을 가집니다. 왜냐하면 액정 분자들은 분자들 간에 서로 끌어당기는 인력(attraction force)이 작용하여 평행하게 배열되는 성향이 있기 때문입니다. 배열되는 모양과 방향들을 고려하여 네마틱 액정, 스멕틱 액정(A형과 C형 등), 그리고 카이랄 네마틱 혹은 콜레스테릭 액정 등으로 구분할 수 있음은 앞서 설명한 바 있습니다.
 

 

이러한 배열의 정도는 방향자(director), n으로 나타낼 수 있으며, 이는 거시적인 측면에서 일정 영역 내의 분자들이 평균적으로 정렬한 방향을 표시합니다. 이러한 방향자와 개개의 액정 분자들이 취하는 장축 방향 간의 사잇각을 고려하여 정렬 인자(order parameter), S를 정의, 방향성을 표현합니다. 그리고, 액정을 가두는 공간의 계면, 즉, 상하부 기판의 표면에서의 액정 정렬 상태, 즉, 액정의 배향(alignment)이 공간 내 액정 분자들의 배열 상태를 결정하게 되죠. 즉, 상부와 하부에서 표면 배향된 액정 분자들을 기준으로 상호 작용을 통하여 나머지 액정 분자들의 배열이 이루어집니다. 

 

액정을 LCD에 사용하기 위해서는 일정한 공간, 즉, 두 장의 기판 사이에서 균일하고 안정된 분자 배열과 전기 신호에 대해 규칙성과 재현성이 있는 움직임, 배향이 필요합니다. 기판 사이에서 액정 분자들이 배열되는 방식은 주로 일곱 가지로 분류되죠. 수평(homogeneous) 배열에서는 액정 분자들이 양쪽 기판면에 대하여 평행으로 방향도 같으며, 수직(homeotropic) 배열에서는 기판면에 수직, 역시 방향은 같습니다. 하이브리드(hybrid) 배열에서는 액정 분자들이 한 쪽 기판면에서는 수평, 동일 방향이고 다른 쪽 기판면에서는 수직, 동일 방향인데, 중간의 액정 분자들이 90도로 틀어지면서, 누워있다가 일어서는 자세들로 배열을 잇고 있습니다. 선경사(pretilted) 배열에서는 액정 분자들이 양쪽 기판에 대하여 일정한 각도로 기울여져서 배열되고, 배열 방향은 같죠. 꼬인(twisted) 배열의 경우, 두 기판에 접하는 액정 분자들은 평행으로 배열되어 있으나, 배열 방향이 상호 90도로 틀어져 있어 중간의 액정 분자들은 연속적으로 조금씩 꼬이면서, 즉, 누워서 조금씩 회전하는 방향으로 배열됩니다. 평면(planar) 배열일 경우, 액정 분자들이 두 기판면에 평행하게 누워있는 소용돌이 모양의 나선형 배열로, 나선축이 두 기판에 수직으로 위치하고 있습니다. 이는 Grandjean 배열이라고도 합니다. 초점 원뿔형(focal conic) 배열은 Grandjean 배열이 누운 형태로 나선축이 두 기판에 평행하도록 배열된 상태이나, 나선축 방향이 정확히 일치하지는 않습니다.

 

이러한 액정 분자들의 배열에서 기준이 되는 부분은 양쪽 기판의 표면입니다. 이곳에서 분자들을 어떻게 배열시키는가에 따라서 두 기판 표면의 액정 분자들을 잇는 중간 영역의 액정들의 배열도 결정이 되죠. 기판 표면의 액정 분자들을 인위적으로 배열, 고정(anchoring)한 뒤, 다른 분자들도 이제 준하여 규칙적으로 배열되도록 하는 것을 ‘액정 배향’이라고 하며, LCD 제작에서 중요한 공정 중의 하나입니다. 액정 분자들이 기판에 대해 취하는 방향에 따라 수직 배향, 수평 배향, 그리고 경사 배향 등으로 구분하죠. 그리고, 물질의 상태(고체 혹은 액체)는 정렬 인자(order parameter)로 표현되는데, S=1인 경우에는 고체, S=0은 액체를 의미하며, 액정의 경우에는 1과 0의 중간값을 가지게 됩니다. 
 

 LCD, 액정의 특성, 기계적 >>

 

액정의 변형과 복원에 관한 이야기로 넘어가 보죠. 액정의 변형은 외부에서 인가되는 전기장(또는 자기장), 액정과 경계를 이루는 표면 등에 의해 유도되며 액정 분자간 상호 작용이 이러한 변형을 억제하면서 평형 상태를 유지하고 있습니다. 실제로, 유체의 특성을 보이는 액정을 전기 광학 소자로 제작하기 위해서는 제한된 공간에 가둬야 하므로 액정과 특정한 표면 사이의 상호작용이 액정의 변형에 영향을 주게 됩니다. 그러므로 액정 방향자(분자 장축의 평균 방향)의 공간적인 분포는 액정 분자들간의 상호 작용을 나타내는 탄성 (변형) 에너지, 외부에서 인가되는 전기장(자기장)과 액정의 전기적(자기적) 상호 작용인 전기 에너지, 그리고 가두는 공간을 형성하는 계면에서의 액정의 표면 고정 에너지(surface anchoring energy)에 의해 결정이 되고, 이러한 세 가지 에너지의 합이 최소가 되는 액정 분포에서 평형상태가 됩니다. 이상적인 평형 상태에서는 액정 분자들은 평균적으로 일정한 방향으로 배열되죠. 
 

그리고, 액정 분자들이 평형 상태에서 변형이 되면 원래의 상태로 돌아가려는 복원력(restoring force)이 발생합니다. 액정의 거시적인 변형은 탄성 연속체 이론을 바탕으로 해석되는데, 액정의 공간적 변형을 구성 분자들의 배열 상태로서 퍼짐(splay), 비틀림(twist), 휨(bend)의 세 가지 독립적 성분으로 나누어 표현할 수 있습니다. 이는 용수철의 변형에 따른 변형 에너지와 비슷하죠. 평형 상태에서 나란하게 정렬된 액정 분자들이 변형되었을 때, 액정의 탄성 에너지는 저장된 에너지에 해당하며, 원래의 상태로 복원하려는 힘의 근원이 됩니다. 복원력의 크기, 즉, 탄성 에너지는 변형된 정도에 비례하는데, 비례 상수인 탄성 계수, K(배열 상태를 나타내는 세 가지로 구분)와 평균 방향자 n의 어긋남으로 표현됩니다. 액정에 전기장이 인가될 경우, 액정은 자유 에너지가 최소가 되는 방향으로 배열하는데, 여기서 자유 에너지는 탄성 에너지와 전기 에너지의 합에 해당합니다. 물론, 전기 에너지가 제로가 되면, 다시 평형 상태로 돌아가게 되죠.

 

LCD, 액정의 특성, 전기적  >>

 

액정은 분자 내에서 장축 방향과 단축 방향으로 서로 다른 분극(polarization)의 차이를 가집니다. 따라서 유전율 이방성이 존재하며, 장축 방향으로의 유전율과 단축 방향의 유전율간에 차이가 생깁니다. 액정에 전기장을 인가할 경우, 전기장에 의해 유도되는 쌍극자 모멘트에 의해서 액정의 분극이 더 큰 쪽이 전기장과 평행한 방향으로 정렬되도록 힘을 받게 됩니다. 이 원리에 의해서 전기장으로 액정의 움직임을 제어할 수가 있죠. 즉, 액정 분자들은 전압이 인가되면 전기장에 따라 이동, 혹은 회전합니다.
 

 

 

LCD, 액정의 특성, 광학적, 전기광학적(1)>>

액정의 전기광학적 특성은 전기장을 인가하면 액정 분자들의 배열이 바뀌면서 광 변조가 생기는 특성을 말합니다. 즉, 액정이 유전 이방성이나 전도 이방성, 혹은 자발 분극 등에 의해 배열이 바뀌고, 이로 인하여 굴절 이방성, 즉 복굴절성에 기인하여 빛의 간섭, 산란, 그리고 편광 등의 변화가 일어나는 것이죠. 액정의 다양한 전기광학적 특성들에서 특히 LCD에 적용된 효과들을 중심으로 진행 과정을 살펴보죠.
 

 

 

1963년, 미국 RCA사의 연구원인 리처드 윌리엄스(R. Williams)가 네마틱 액정에 전기장을 인가할 경우 광학적인 패턴이 형성되는 현상을 관찰하였죠. 1968년에 J. Wysocki 등은 액정이 콜레스테릭 상에서 네마틱 상으로 상호 변환을 하는 상전이(Phase Cahnge, PC) 효과를 발표하였습니다. 그리고 같은 해인 1968년, RCA의 조지 헤일마이어(G. Heilmeier)는 액정에 전압을 인가하여 불규칙한 패턴을 변화시켜 빛을 산란하도록 하는 동적 산란(Dynamic Scattering, DS) 효과를 실험하였고, 또한 염료(guest)를 함유하는 액정(host)에 전기장을 인가하여 빛의 흡수율과 투과율을 제어할 수 있는 게스트 호스트(Guest Host, GH) 효과를 발표하였습니다. 1971년에는 미국 켄트 주립대의 퍼거슨과 스위스의 마틴 슈아트, 울프강 헬프리치가 거의 동시에 액정의 비틀어진 배열을 이용하는 TN(Twisted Nematic) 효과를 개발하죠. 그리고, 같은 해에 M. Schiekel과 M.Hareng가 액정에 전기장을 인가하여 분자 배열을 변형시킴으로써 발생하는 복굴절 제어(Electrically Controlled Birefringence, ECB) 효과로 색을 변화시킵니다. 그리고 1972년 F. Kahn은 액정을 가열하거나 냉각하면서 광학적 특성을 연구하여, 액정의 열광학(Thermo Optic, TO) 효과를 발표합니다. 1975년에는 N. Clark과 S. Lagerwall이 카이랄 스멕틱 액정의 자발 분극으로 전기장에 대한 액정의 응답 속도를 한결 개선하는 강유전성(Ferroelectric LC, FLC) 효과를 보고하죠. 그리고, 1984년 T. Scheffer에 의하여 액정의 비틀림 각도가 180도에서 360도에 이르는 Super TN(STN)의 복굴절 효과가 발표됩니다.

 

이상과 같이 LCD에 적용될 수 있는 전기광학적 효과를 얻기 위하여 다양한 액정과 분자의 배열, 그리고 광 변조 특성 등이 연구, 개발되어 왔습니다. 이러한 전기광학적 효과들은 열 효과형, 전류 효과형, 그리고 전계 효과형, 세 종류로 구분할 수 있습니다. 열 효과형의 경우, 전기장 인가에 더하여서 온도를 올려주어야 하는 방식으로 콜레스테릭 액정과 스멕틱 액정이 이에 해당됩니다. 전류 효과형의 경우에는 전기 전도도의 이방성과 전기장의 상호 작용인 전도성 토크가 우세하게 작용하며, 동적 산란(DS) 액정이 대표적입니다. 그리고, 전계 효과형은 다시 유전 이방성형과 강유전성형으로 구분되는데, 유전 이방성형 전기광학적 효과는 액정의 유전율 이방성과 전기장의 상호 작용력인 유전성 토크로 발생하며, 강유전성형 전기광학적 효과는 강유전성 액정의 자발 분극과 전기장의 상호 작용력으로 발생합니다. 유전 이방성형에는 상전이(PC) 액정, 게스트 호스트(GH) 액정, TN 액정, ECB 액정, STN 액정, 그리고 IPS와 VA 액정 등이 해당되며, 강유전성형은 단안정성(비메모리형) 액정과 쌍안정성(메모리형) 액정으로 구분됩니다.  

 

 

<다음호에 이어서 계속>

 

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

<저작권자ⓒ '플라스틱사이언스' 무단전재-재배포 금지.>