LCD, 액정의 특성, 광학적, 전기광학적(2)>>

 

다음으로, 액정이 LCD에 적용되는 데에 필요한 몇 가지 광학적인 현상들을 살펴보죠. 이러한 현상들, 즉, 편광(polarization of light)과 편광자(polarizer), 복굴절(birefringence), 그리고 광활성(optical activity) 등에 대해 정리를 하고자 합니다. 앞에서는 액정과 관련된 전기광학적 특성의 발전 과정을 설명하였습니다. 이러한 전기광학적 특성을 조금 더 들어가보죠. 물질에 전기장이나 자기장, 심지어 변형을 가하면 그 결정의 대칭성 등이 변경되어 복굴절을 띄지 않는 물질이 복굴절 물질로 되기도 하고, 활성을 띄지 않는 물질이 활성을 띄기도 합니다. 이와 같이 전기장에 의해 결정의 광학적 성질이 변하는 것을 전기-광학 효과(electro-optic effect), 자기장에 의한 경우를 자기-광학 효과(magneto-optic effect), 그리고 변형에 의해 광학적 성질이 변하는 경우를 광 탄성(photo-elasticity) 효과라고 합니다. LCD에서는 액정의 전기-광학 효과를 이용하죠. 즉, 액정은 길쭉한 시가 모양의 분자들이 규칙적으로 배열된 상태로, 방향에 질서가 있어 결정이라고는 하지만 위치면에서는 액체처럼 이동할 수 있습니다. 주로 세 종류의 액정 상이 LCD에 이용되는데, 방향과 위치를 위주로 하여 특징을 보면, 네마틱 상의 경우에는 방향이 한 방향이며 위치는 자유로이 변할 수 있습니다. 다음으로, 스멕틱 상의 경우, 방향이 한 방향이고 위치는 평면상으로만 움직일 수 있으며, 이러한 상태의 층들이 층층이 쌓여 있죠. 그리고, 콜레스테릭 상은 방향이 연속적으로 변하여 나선 모양으로 배치되어 있습니다. 

 

편광 현상은 빛의 파동성으로만 설명될 수 있는데, 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 말합니다. 이 현상은 1809년 말뤼스에 의해 발견되었는데, 실제 자연광은 모든 방향의 전기장과 자기장이 다양하게 포함되어 있어서 편광되지 않은 빛(unpolarized light)입니다. 일반적인 의미의 전자기파는 모든 방향으로 진동하는 빛이 혼합된 상태를 말하지만, 특정한 광물질이나 광학 필터와 같은 편광자를 사용해 편광된 상태의 빛을 얻을 수 있죠. 즉, 자유공간이나 무한한 길이의 균일한 매질을 진행하는 전자기파는 진행 방향에 서로 수직하는 전기장과 자기장으로 이루어집니다. 일반적으로 벡터를 이용하여 편광 상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직하고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 전기장의 벡터로 설명합니다. 이때 전기장을 x축과 y축, 두 수직한 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있죠. z축은 파의 진행 방향으로 가정합니다. 진행하는 전기장 벡터의 진폭은 정현파 곡선의 형태로 변화하며, 대부분의 전자기파에서 진동수와 진폭은 끊임없이 변화하는데 전자기파의 진행 방향 쪽에서 마주보았을 때 그 벡터의 진동이 항상 일정한 방향을 가지는 것은 아닙니다. 시간에 따라서 xy 평면 상에서 전기장 벡터가 어떻게 변하는가를 보면 직선을 그리는 경우가 있고 원이나 타원을 그리는 경우가 있습니다. 이 궤적에 따라서 직선 편광(linear polarization), 원 편광(circular polarization), 그리고 타원 편광(elliptical polarization)으로 구분이 됩니다.

 

직선 편광, 혹은 선 편광은 평면에 도달하는 전기장 성분들의 벡터합이 특정한 방향으로의 반직선을 그리는 경우에 해당합니다. 원 편광은 벡터들의 합이 원형으로 계속 변화하는 경우로, 진폭에 변화가 없는 경우입니다. 이 때, 원의 궤적이 그려지는 방향에 따라 좌원 편광(left-circular polarization)과 우원 편광(right-circular polarization)으로 분류됩니다. 직선 편광도 원 편광도 아닌 모든 경우, 즉, 전기장 벡터들이 크기와 방향이 바뀌면서 회전하는 경우가 타원 편광에 해당되는데, 이는 가장 일반적인 편광이며, 사실 직선 편광과 원 편광도 넓은 의미에서는 타원 편광에 속합니다. 편광이 되지 않은 자연광은 액정을 통과합니다. 액정은 굴절률 이방성이 있어 빛의 방향을 유도할 수는 있지만, 가로막지는 못합니다. 그래서 LCD에서는 한쪽에 설치된 선형 편광판을 통하여 직선 편광된 빛만이 입사되도록 하고, 배열된 액정의 광활성 특성을 이용하여 편광 방향을 변화시키면서 유도하는 것이죠. 편광 방향이 변화된 빛은 반대쪽에 설치된 선형 편광판을 통하여 걸러지면서 밖으로 나가게 되는데, 이때 걸러진 빛의 양이 LCD 화면의 밝기에 해당합니다. 즉, 일반적인 LCD는 빛의 선형 편광을 이용합니다. OLED에서도 편광판을 사용하는데, 이는 블랙 화면을 정확하게 표현하고 야외시인성(야외에서 화면의 영상을 인지할 수 있는 정도)을 확보하기 위해서지요. 정확한 영상을 표현하기 위해서는 햇빛의 반사를 최소화 할 필요가 있는데, 편광판이 빛의 반사를 막는 역할을 합니다. LCD에서 사용하는 것이 직선 편광판이라면 OLED에서는 원 편광판을 사용합니다.

복굴절은 1699년 바르톨리누스가 방해석에서 처음으로 관찰하였는데, 광학적으로 이방성인 매질 내에서 빛의 편광 방향에 대한 굴절률이 다를 경우, 입사한 빛의 파장은 유지하더라도 빛이 편광 방향에 따라 나누어지는 현상을 말합니다. 즉, 빛의 속도가 편광 방향에 따라 달라지는 것이죠. 일반적으로 빛이 물질 속에서 전파될 때 빛의 전기장, 혹은 자기장과 물질 속의 전자가 상호 작용을 합니다. 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 또 새로운 전기장의 진동을 유발하죠. 무수히 많은 원자, 분자의 전자들이 만들어 내는 빛(전자기파)과 원래의 빛이 합성되어 물질 속에서의 빛은 새로운 속도, 새로운 진폭으로 전파가 됩니다. 따라서 물질 속을 진행하는 빛의 특성은 물질 속에 있는 전자의 결합 상태에 영향을 받는데, 만일 그 물질이 결정을 이루면서, 결정이 방향성이 없다면, 즉, 대칭이 아니라면 빛의 편광 상태에 따라 진행 방향과 속도가 달라지게 되죠. 즉, 원자들이 대칭으로 배열되어 있지 않아 결정을 이루는 전자나 원자의 진동도 운동 방향에 따라 다른 양상으로 나타나기 때문입니다. 두 갈래로 갈라지는 빛에 대하여, 정상적인 결정축, 즉, 광축(optical axis)을 따르는 빛을 정상 광선(ordinary ray), 비정상적으로 굴절을 하는 빛을 비정상 광선(extraordinary ray)이라 하며, 이러한 현상을 복굴절, 이러한 물질을 복굴절체라고 합니다. 액정은 복굴절 물질입니다.

 

다음으로 광활성 현상입니다. 즉, 결정의 분자 구조가 구부러지거나 휘어져 있으면, 편광면이 회전되고, 따라서 선형 편광된 빛이 들어올 경우, 편광 방향(빛의 진동면)을 연속해서 회전시키는, 즉, 광축을 회전시키는 성질을 가지고 있습니다. 이를 광활성이라고 하죠. 꿀이나 설탕물과 같이 결정 구조를 갖는 과당이나, 플라스틱, 유리 등에서도 나타나며, 과당의 경우, 농도에 따라 광활성 정도가 다르므로 편광 방향의 회전 정도를 관찰하여 농도를 측정할 수도 있습니다. 투명한 플라스틱에서도 성형 과정에서 냉각 속도의 불균일로 나타나는 취약 부분을 광활성 정도로 알아낼 수가 있죠. 급속히 냉각된 유리에도 이를 적용할 수가 있습니다. 측정 방법을 살펴보면, 1차 편광자로 빛을 편광시킨 뒤, 광활성 물질을 통과시키고 다시 편광축이 일정 각도만큼 어긋나 있는 편광자를 거쳐 나오는 빛을 관찰하는 방식입니다. 광활성 물질의 광 회전 능력은 고유 광회전도로 나타나는데, 광활성 물질층을 통과하면서 빛이 회전하는 각도를 층의 두께와 농도의 곱한 값으로 나누어서 얻어집니다. 이는 빛의 파장과 측정 온도가 고정될 경우, 물질 고유의 값이며, 따라서 농도의 측정이 가능해지죠. 액정은 광활성 물질입니다. 즉, LCD는 편광자를 거쳐 편광된 빛이 광축 방향으로 정렬된 액정 분자에 입사하여 액정 분자들이 배열된 방향을 따라 진행하는 과정을 거치죠. 이 과정에서 편광, 복굴절, 그리고 광활성 현상이 연동되어 작용을 합니다.

 

 

LCD, 동작 원리  >>

 

LCD의 동작 원리를 살펴보죠. 일반적인 투과형(transmissive-type), 능동 구동형, 백색 바탕 모드(normally white mode)의 TN-LCD를 대상으로 하여 빛의 경로를 따라가 보겠습니다. 먼저, 디스플레이 패널의 가장자리나 혹은 뒷면에 설치된 광원, 예를 들어 백색 LED에서 발생된 빛이 도광판과 반사판, 확산판, 프리즘 시트 등을 통과하면서 균일하게 퍼져서 패널 아래쪽 유리 기판에 부착된 편광판을 통과합니다. 편광판을 통과한 빛은 한 쪽 방향으로만 진동하는 직선 편광된 빛으로 걸러지게 되죠. 이렇게 선 편광된 빛은 아래쪽 유리 기판을 통과하면서 화소들에 도달합니다.

 

화소 내에 있는 각각의 부화소들, 한쪽 귀퉁이에는 TFT 스위칭 소자가 있으며, TFT가 온 상태가 되면 부화소에 적정한 크기의 신호 전압이 인가되고, 이 전압에 비례하여 액정이 움직이게 됩니다. 즉, 아래쪽 기판과 위쪽 기판 사이에 담겨 있는 액정 분자들은 초기, 즉, 두 기판들간에 전압이 인가되기 전에는 기판들 사이에서 90도의 각도로 비틀어져서 누워 있는데, 전압이 인가되면서 액정을 일으켜 세우게 되죠. 즉, 전압이 커질수록 비틀어진 각도가 줄어듭니다. 화소에 들어간 빛은 이 때부터 각각의 부화소별로 별도로 조절이 되죠. 각각의 부화소에 있는 액정의 비틀림 경로를 따라서 편광 방향이 바뀌면서 진행을 합니다. 물론 액정의 광활성 특성을 따르는 과정이죠. 만일, 부화소에 전압이 인가되지 않아서 90도의 비틀림 각도를 그대로 유지하고 있으면, 액정을 통과한 빛은 액정 분자들의 배열을 따라 편광 방향이 90도가 틀어진 상태가 되고, 전압이 인가되는 경우에는 액정의 비틀어진 각도가 줄어드는 만큼 편광의 방향도 덜 틀어지게 됩니다. 이렇게 각각의 부화들별로 편광 방향의 틀어짐의 정도를 달리하는 빛은 위쪽 기판에 도포되어 있는 칼라 필터에 도달합니다.

 

칼라 필터 역시, RGB로 구성되어 각각의 RGB 부화소를 구성하고 있으며, 도달된 빛은 부화소별로 독자적인 편광 방향을 가지고 있습니다. 그리고 칼라 필터를 통과하면서 RGB 색상을 띄게 되죠. 그리고 마지막으로 칼라 필터가 형성된 위쪽 기판에 부착되어 있는 편광판에 도달합니다. 위쪽 기판에 부착된 편광판은 아래쪽 기판의 편광판에 대해 90도의 각도로 교차되어 있습니다. 따라서, 90도로 틀어진 빛은 편광 방향이 편광판과 일치하므로 전부 통과할 수 있고, 비틀림 각도가 줄어들수록 통과되는 빛의 양도 줄어들게 됩니다. 즉, 전압이 인가되지 않은 경우에 가장 밝은 빛이 나오고, 전압의 크기가 증가할수록 밝기는 낮아지며, 궁극적으로 액정의 틀어짐이 제로일 경우 빛의 편광 방향은 입사된 상태에서 변하지 않아 편광 방향이 편광판과 일치되는 빛도 제로가 됨으로써 빠져나오는 빛은 없게 되죠. 이상이 빛이 디스플레이 패널을 통과하는 ‘투과형,’ TFT가 작동될 부화소를 결정하고 신호 전압을 전달하는 ‘능동 구동형,’ 전압을 인가하지 않을 경우 가장 밝은 RGB 색이 나오는 ‘백색 바탕 모드,’ 그리고 아래쪽 기판에서 위쪽 기판까지 90도의 각도로 비틀어진 액정상을 이용하는 ‘Twisted Nematic(TN)’형 LCD의 작동 원리입니다.

투과형과 구별되는 방식으로 반사형(reflective-type), 그리고 반투과형(transreflective-type) LCD가 있고, 백색 바탕 모드와 함께 흑색 바탕 모드(normally black mode)가 있으며, TN 상 액정과 함께 STN 상 액정, 그리고 콜레스테릭 상 액정 등도 있습니다. 동작 원리에 있어서 세부적인 차이는 있을지라도, 큰 틀에서는 대부분 설명된 원리를 따르고 있죠. 세부적인 차이들은 뒤를 이을 설명에서 다룰 것입니다.

 

 

LCD, 기본 구조 >>

 

LCD의 기본적인 구조를 빛이 진행하는 경로, 즉 패널의 뒷면(아래쪽)에서 앞면(위쪽)으로 이동하면서 설명을 이어갑니다. 역시 가장 일반적인 투과형(transmissive-type), 능동 구동형, 백색 바탕 모드(nor-mally white mode)의 TN-LCD를 대상으로 합니다.

먼저, 빛을 제공하는 광원입니다. 과거에는 냉음극 형광 램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)를 사용하였는데, 2010년 전후로 LED로 대체되기 시작하여 현재는 모든 LCD가 LED 광원을 사용합니다. 그리고, 양자점 효과를 더하여서 색순도가 높은 RGB, 즉, 백색을 만들어내죠. LED 광원은 휘도가 높아지면서 주로 패널의 뒷면보다는 옆면에 배열됩니다. 다음으로 빛을 패널 안쪽으로 전달하는 도광판이 있고, 패널의 아래쪽으로 내려가는 빛을 위로 올려주는 반사판이 있습니다. 위로 올려진 빛을 골고루 퍼지게 하는 확산판이 있고, 퍼진 빛의 방향을 정렬하는 두 장, 즉, 수평과 수직 방향의 프리즘 시트가 있죠. 여기까지를 후면 광원부(Back Light Unit, BLU)라고 합니다.

 

 

다음으로는 한쪽 방향으로 진동하는 빛만을 통과시키는 편광판이 있는데, 이 편광판은 아랫쪽 유리 기판의 외부에 부착되어 있지요. 유리 기판의 반대쪽에는 회로 배선과 각각의 RGB 부화소들을 구동하기 위한 TFT, 저장 커패시터, 그리고 투명 전극이 형성되어 있습니다. 그리고 기판 바로 위의 액정을 배열하기 위한 배향막이 설치되어 있죠. 이러한 아래쪽 기판을 TFT (백플레인) 기판, 후면 혹은 배면 기판, 하판 등으로 부릅니다. 그리고 위쪽 기판은 컬러 필터 기판, 전면 기판, 혹은 상판이라고 하죠. TFT 기판과 칼라 필터 기판 사이에는 액정이 배열된 공간이 있으며, 공간의 간격은 기둥이나 구 모양의 스페이서로 유지가 됩니다. 컬러 필터 기판의 안쪽에는 말 그대로 RGB 컬러 필터가 형성되어 있으며, RGB 각각의 부화소들 사이에는 빛의 상호 간섭을 방지하기 위한 블랙 매트릭스(Black Matrix, BM)가 존재하죠. 물론 칼라 필터와 블랙 매트릭스 위에는 액정에 전압을 인가하기 위한 상부 투명 전극과 역시 액정 배향막이 설치되어 있습니다. 컬러 필터 기판의 바깥쪽에는 액정을 통과하면서 편광 방향이 회전된 빛을 통과시켜주는 편광판이 부착되어 있죠. 그리고, 연이어서 터치 센서 패널, 커버 글라스 등이 올라갑니다.

 

이상에서 TFT 기판과 컬러 필터 기판이 합착된 구조를 LCD 패널, 혹은 셀(cell)이라고 하고, LCD 패널에 BLU, 그리고 구동용 집적 회로(Integrated Circuit, IC)칩과 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 등이 연결된 구조를 LCD 모듈이라고 합니다. 지금부터는 LCD 패널부에서 TFT 기판, 컬러 필터 기판, 그리고 LCD 모듈부에서 광원과 BLU, 구동 회로부 등의 순서로 설명을 이어가겠습니다.  

 

 

<다음호에 이어서 계속>

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