LCD, 액정(상) 관련 용어들(2)>>

 

도메인(domain)은 액정 셀 내에서 액정 방향자의 배향이 일정하거나 혹은 연속적으로 변화되어 불연속성이 없는 영역을 말하며, 시야각을 넓히기 위하여 한 화소에 여러 개의 도메인을 두기도 합니다. 동적 산란(dynamic scattering)은 액정층 안에서 전기-유체학적인 효과로 발생하는 빛의 산란 현상입니다. 예를 들어 유전 이방성을 가진 네마틱 액정에 도전성 물질을 첨가, 전도도를 높인 상태에서 전기장을 인가하면 전기장을 따라 이온 전류가 생성되고, 이로 인하여 액정 분자들의 무작위적 상태(random state)의 운동이 발생합니다. 이로 인하여 미세한 복굴절 영역들이 수도 없이 생기게 되고, 이들 경계에서 빛이 난반사, 산란되면서 셀은 불투명 상태가 되죠. 

 

방향자(director)는 액정 분자들의 평균 배향을 나타내는 단위 벡터입니다. 즉, 액정 분자는 인접한 분자와 평행하게 배열하려는 성향이 강하지만, 열적 요동 등으로 방향과 위치가 시간적, 공간적으로 끊임없이 변합니다. 이는 거시적으로는 작은 범위일지라도 분자 스케일에서는 충분히 큰 영역이며, 방향자는 영역 내에 존재하는 액정 분자들의 평균 방향을 나타냅니다. 밴드 상태(band state)는 액정 분자들의 배향이 평형 상태에서 벗어난 변형의 한 종류로 배열 구조가 장축 방향으로 휘어진 상태를 말합니다.
 

상전이(phase transition)는 액정의 상이 변하는 현상입니다. 주로 외부의 열에 의해 발생하는데, LCD 불량의 원인이 되며, 따라서 액정의 상전이 온도는 LCD의 동작 온도 범위를 결정하게 됩니다. 선경사각(pre-tilt angle)은 초기에 설정되는 값으로 기판 표면과 액정 분자 사이의 각도를 말하죠. 수직 배향(homeotropic alignment)과 수평 배향(homogeneous alignment)은 각각 액정 분자의 장축이 기판 표면에 수직 및 수평으로 배향된 상태를 일컫습니다. 스플레이 상태(splay state)는 액정 분자들의 배향이 평형 상태에서 벗어나서 부챗살을 펼친 모양으로 배열된 상태입니다.

 

용이축(easy axis)은 기판 표면에 액정 분자가 배열될 경우 자유 에너지가 가장 낮은 방향을 의미합니다. 전이(transition)는 액정이 한 상태에서 다른 상태로 변화하는 현상이죠. 예를 들면 온도 전이형 액정의 상은 앞서 말하였듯이 위치 질서와 방향 질서에 따라 네마틱 상과 스멕틱 상으로 구분되는데, 온도에 따라 다른 상으로 전이됩니다. 집합 조직(texture)은 전압의 불안전한 인가로 액정이 원하지 않는 방향으로 배향되거나 결함이 생성된 상태입니다. 투명점(clearing point)은 액정이 등방성으로 전이를 시작하는 온도를 의미합니다.

 

 

 

LCD, 액정(셀)모드 용어들 >>

 

다음으로, 액정 혹은 액정 셀의 작동 모드와 관련된 용어들입니다. 역시, 가급적 ‘가나다 순’을 따릅니다. 게스트-호스트 효과(guest-host effect) 모드는 액정 셀(host)에 특정 파장의 빛을 흡수하는 이색성 색소(guest)를 첨가하여 빛의 흡수를 조절합니다. 여기서 이색성 색소는 액정과 같은 막대 모양의 비등방성 분자로써 빛의 흡수율이 편광 방향에 따라 달라지는 물질이죠. 게스트-호스트 모드에 전압을 인가하지 않으면 특정 파장의 빛에 대한 흡수가 일어나고, 전압을 인가하면 흡수가 일어나지 않습니다. 이 구조를 적층하여 디스플레이로 이용하면, 감산 색 혼합 (subtractive color mixing) 방식으로 컬러를 구현할 수 있어서 칼라 필터가 필요하지 않으며, 편광판도 사용하지 않는 장점이 있지만, 명암비가 낮아서 고화질을 구현하기는 어렵습니다.

 

고분자 분산형 액정(Polymer Dispersed LC, PDLC) 모드는 고분자에 액정이 분산되어 있는 상태로 고분자와 액정의 굴절률 차이로 인한 산란 현상을 이용합니다. 직경이 수 마이크로인 액정의 작은 방울(droplet)들이 수십 마이크로 두께의 고분자 필름에 분산된 형태로 제작되는데, 전기장을 걸어주면 액정의 방향자가 전기장 방향으로 설정됩니다. 이 때 액정의 정상 굴절률(ordinary refractive index)이 고분자의 굴절률과 일치한다면 빛이 투과하여 투명하게 되죠. 전기장을 제거하게 되면 액정의 방향자는 고분자와의 계면효과에 의해 무질서하게 분포되면서 액정의 유효 굴절률이 고분자의 굴절률과 달라지고, 이로 인하여 빛이 산란되면서 불투명 상태가 됩니다. 이 모드는 빛의 산란을 이용하기 때문에 편광판을 필요로 하지 않아 빛의 이용 효율이 큰 장점이 있습니다.
 

 

 

꼬인 네마틱(Twisted Nematic, TN) 액정 모드는 뒤쪽과 앞쪽 기판 사이에 있는 액정의 초기 배향이 90도로 꼬인 구조를 가지는 네마틱 액정 모드입니다. 즉, 뒤쪽 및 앞쪽 기판의 러빙 방향을 서로 직교시키고 기판의 액정을 수평 배향하면, 두 기판 사이의 액정 분자들은 내부 에너지를 최소화하기 위하여 90도의 꼬인 구조를 형성하게 되죠. 이 때 두 기판에 부착되는 편광판들의 투과축 역시 액정의 러빙 방향과 같도록 서로 직교시키면 뒤쪽 편광판을 통과하여 선 편광된 빛은 액정층을 통과하면서 편광 방향이 액정 분자와 평행하게 바뀌고, 따라서 앞쪽 편광판을 통과, 밝은 상태를 구현합니다. 두 기판간에 전압을 인가하면 액정 분자들이 수직하게 정렬이 되면서 뒤쪽 기판에서 입사된 빛의 편광 방향이 변하지 않고 그대로 진행하여 앞쪽 편광판을 통과하지 못하게 되고, 이로 인해 어두운 상태가 되죠. 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 모드이나 응답 속도가 느리고 시야각이 좁다는 단점이 있습니다. 초꼬인 네마틱(Super Twisted Nematic, STN) 액정 모드는 뒤쪽과 앞쪽 기판 사이에 있는 액정의 초기 배향이 180도에서 270도가량 꼬인 구조를 가지는 네마틱 액정 모드이죠. 이렇게 비틀림 각을 증가시키면 기울기가 가파른 전압 - 투과 특성을 얻을 수 있어 높은 명암비와 많은 정보량을 얻을 수 있습니다.

 

모서리 전계 스위칭 (Fringe Field Swit-ching, FFS) 모드에서는 하부 기판에 막대(또는 꺾쇠) 모양의 화소 전극과 사각 플레이트 모양의 상대 전극을 절연층을 사이에 두고 형성하여 전기장 인가 시 두 전극 간에 모서리 전기장이 형성되면서 수평 배향된 액정을 회전시킵니다. 이 때 화소 전극과 상대 전극의 부분의 위쪽, 모서리쪽을 포함한 모든 영역의 액정 분자들을 회전시켜 넓은 시야각을 확보할 수 있습니다. 패턴 수직 배향(Patterned Vertical Alignment, PVA) 모드에서는 하판의 화소 전극과 상판의 상대(공통) 전극을 일정 간격으로 분리, 형성된 모서리 전기장을 이용하여 수직 배향된 액정 분자들의 경사 방향을 조절함으로써 수직 방향성과 함께 넓은 시야각을 얻게 됩니다. 평면 내 스위칭 (In Plane Switching, IPS) 모드에서는 화소 전극과 상대(공통) 전극을 모두 하판에 형성하고, 수평 방향으로의 전기장을 이용하여 수평 배향된 액정 분자들을 역시 기판에 평행하게 회전시킴으로써 넓은 시야각이 가능합니다.

 

반사형 LCD(reflective-type display)는 외부의 광원(자연광)을 이용하며, 아래쪽 기판에 반사판을 설치, 반사되는 빛으로 작동됩니다. BLU에 들어가는 소비 전력을 줄일 수 있고, 햇빛 아래에서의 가독성이 좋은 반면에 표면에서 반사되는 빛의 성분으로 인하여 명암비가 낮은 단점이 있습니다. 투과형 LCD(transmissive-type LCD)는 LCD의 가장 일반적인 구조로 BLU 광원으로부터의 빛이 LCD 패널을 통과하면서 동작하며, 반투과형 LCD(transreflective-type LCD)는 반사형과 투과형이 혼합된 구조로, 밝은 외부 환경에서는 반사형, 비교적 어두운 실내에서는 투과형으로 작동됩니다. 백색 바탕 모드(normally white mode)는 외부 전압이 인가되지 않을 때 빛이 투과하여 최대 휘도를 가지는 경우이며, 반대로 흑색 바탕 모드(normally black mode)는 전압 인가가 없을 때 빛이 차단되어 최소 휘도를 표시하는 모드입니다. 오씨비 (Optically Compensated Birefringence, OCB) 모드는 밴드 상태로 배열된 액정 셀에 보상 필름을 이용하는 모드이며, 초기에는 파이 셀(pi cell)로 명명되었죠. 전압 제어 복굴절(Electrically-Controlled Birefringence, ECB) 모드는 전기장으로 액정 셀 내의 액정 분자들의 배열을 수직 혹은 수평으로 배향, 액정 셀의 복굴절 정도를 조절하여 작동되는 모드입니다.

 

 

 

 

LDC, 동작 특성, 성능 용어들 >>

 

다음으로, LCD의 전기광학적 동작 특성, 성능과 관련된 용어들입니다. 역시 ‘가나다 순’으로 정리합니다. 간섭(crosstalk, cross modulation)에서 광학적인 간섭은 이웃 화소들간에 서로 빛이나 색의 영향을 주거나 받는 현상이며, 전기적인 간섭은 작동되는 화소로부터의 누설 전압(전류)이나 기생 정전 용량에 의해서 선택되지 않은 화소가 일부 작동이 되는 현상입니다. 특히, 매트릭스형 수동 구동의 경우에는 선택되지 않은 화소에서도 표시 신호가 왜곡되어 명암비가 저하되기도 하죠.

 

 

 

꺼짐 시간(turn off time)은 액정 구동 전압이 온에서 오프로 바뀌었을 때, 휘도(투과율)가 10%까지 감소하는데 걸리는 시간이며, 켜짐 시간(turn on time)은 반대로 오프에서 온으로 전압이 바뀔 경우, 휘도가 90%로 이르기까지 걸리는 시간입니다. 광학적 문턱 전압(optical threshold voltage)은 인가 전압에 따른 투과율 곡선에서 전압을 증가시킬 때 액정 셀의 투과율이 변화하는 시점에서의 전압을 의미합니다. 액정 셀의 가운데 층에 위치한 액정 분자가 회전하기 시작하는 전압을 나타내는 프레데릭츠 문턱전압 (Freedericksz threshold voltage) 보다는 일반적으로 1.5배에서 2배 정도 높게 나타나죠. 또한 광학적 포화 전압(optical saturation voltage)은 투과율이 더 이상 변화하지 않는 전압을 말합니다.

 

기억 효과, 저장 효과(memory effect, storage effect)는 인가 전압을 제거하더라도 액정 분자의 배열 상태가 유지되어 시각적인 정보를 유지할 수 있는 특성입니다. 이를 위해서는 기본적으로 쌍안정 특성을 가지고 있어야 하며, 강유전성 LCD(FLCD), 콜레스테릭 LCD 등이 대표적이죠. 동일 정보를 계속 표현할지라도 전압을 인가할 필요가 없어 소비 전력이 낮은 장점이 있어서, 반사형 LCD로 구현하여 사인 보드, 스마a트 태그, 전자 종이, 전자책 등에 응용합니다. 로컬 디밍(local dimming)은 화면의 분할 구동을 의미합니다. 즉, BLU에서 LED 광원들을 다수의 영역들로 구분하여서, 영상 신호와 연계하여 영상의 어두운 부분에 해당하는 영역은 휘도를 줄이고, 밝은 영역은 휘도를 높여줌으로써, 명암비와 소비 전력을 개선하는 기술입니다.

 

무라(mura)는 화면의 특성이 균일하지 못하고 얼룩이 진 상태를 총칭하며, 얼룩(stain)은 무라 중에서도 특히 영상의 경계가 흐릿하게 나타나는 화소 결함을 뜻합니다. 잔상(after image)은 다음 영상으로 넘어간 후에도 이전의 영상이 남아있는 현상으로 열화(burn-in)로도 표현합니다. 잔상과 관련된 보다 세부적인 용어들을 살펴보면, 영구 잔상(image sticking, residual image, braking image)은 장시간 혹은 지속적으로 남아있는 비복원 잔상, 일시 잔상(image retention)은 일정 시간이 지나면 기존 상태로 돌아오는 비복원 잔상으로 구별됩니다. 특히 일시 잔상의 경우 명 잔상(bright image retention)과 암 잔상(dark image retention)이 있는데, 각각 밝은 화면과 어두운 화면으로 전환할 때 이전 이미지가 잔류하는 현상에 해당하죠.

 

전압 유지율(voltage holding ratio)은 화소가 충전된 이후의 전압 유지 수준입니다. 액정에 전압을 인가하면 전하량(Q)은 정전 용량(C)과 전압(V)의 곱으로 충전되는데, 이후부터 원치 않는 전하 손실, 방전이 일어나게 되고, 이 상황에서 전압을 유지하고 있는 수준을 의미합니다. 전압-투과율 곡선(Voltage-Transmission steepness, V-T curve)은 LCD 패널에 인가된 전압에 의해 셀 내의 액정 분자가 거동함으로써 나타나는 광 투과율의 변화, 즉 인가 전압과 광 투과율간의 관계를 보여줍니다.

 

 

LCD, 작동모드 >>

 

LCD는 액정의 전기광학적 특성을 기반으로 하여 동작하며, 액정의 종류, 배열 및 배향, 그리고 동작 전압의 인가 방법 등에 따라 다양한 방식들로 작동이 됩니다. 이러한 작동 모드들에 대해서 일단 현재까지 산업에서 널리 사용되어온 모드들을 먼저 설명하기로 합니다. 즉, 주요 작동 모드는 네 가지이며, 꼬인 네마틱(Twisted Nematic) 모드, 평면 내 스위칭(In Plane Switching, IPS) 모드, 모서리 전계 스위칭(Fringe Field Switching, FFS) 모드, 그리고 수직 배향(Vertical Alignment, VA) 모드가 해당됩니다.

 

 

 

 

LCD, 작동모드, TN모드 >>

 

 

상부와 하부 기판, 두 기판 사이에 전압을 인가하지 않은 상태에서 기판과 닿는 액정 분자들은 기본적으로 기판 표면의 러빙 홈에 수평으로, 즉 누운 자세로 배열됩니다. 그리고, 상판과 하판의 러빙 홈들이 90도의 각도로 만들어지므로 상판과 하판 표면의 액정 분자들은 역시 90도만큼 틀어져서 배치되고, 이들 사이의 액정 분자들은 0도에서 90도까지의 각도로 조금씩 틀어지면서(꼬이면서) 배열이 되죠. 이 때 두 기판간의 간격, 즉 셀 갭(cell gap)은 액정 분자의 장축과 단축 방향으로의 굴절률 차이와 입사될 빛의 파장에 의하여 결정이 됩니다. 즉, 셀 갭과 굴절률 차이를 곱한 위상 지연값이 파장의 1/2이 되도록 하죠. 이를 꼬인 네마틱(Twisted Nematic, TN) 모드라고 합니다.

 

 

 

상판과 하판에 부착되는 두 개의 편광판들도 각각의 기판 위의 배향막의 러빙 홈과 같은 방향, 즉, 액정 분자들이 정렬되는 방향으로의 광축을 가집니다. 뒤쪽의 BLU로부터 나온 빛의 경로를 따라가 보면, 먼저 하판의 편광판을 지나면서 한 쪽 방향으로만 진동하는 선형 편광 상태가 되고, 액정층을 통과하면서 위상 지연이 일어나서 90도의 각도로 틀어진 선편광 상태가 되어 상판의 편광판을 통과하게 되죠. 따라서 밝은 화면이 표시됩니다. 만일, 두 기판 사이에 전압을 인가하게 되면 기판 사이의 액정들이 유전율 이방성에 의하여 전기장에 나란한 방향으로 정렬하게 되면서, 액정층을 통과하는 빛에 위상 지연이 일어나는 정도가 변하게 되어 따라서 선형 편광이 틀어지는 각도가 역시 변하게 됩니다. 이로 인하여 상판의 편광판을 통과할 수 있는 빛이 줄어들고, 최대 전압이 인가되어 액정 분자들이 위상 지연이 전혀 일어나지 않을 정도로, 즉 거의 수직으로 정렬하게 되면 가장 어두운 화면이 표시되죠. 이상은 전압을 인가하지 않은 상태에서 밝은 상태가 되기 때문에 백색 바탕(normally white) 모드라 하며, 반면에 상판과 하판에 각각 부착되는 편광판의 광축을 나란히 배치하여 전압을 인가하지 않은 상태에서 어두운 상태가 되는 경우를 흑색 바탕(normally black) 모드라고 합니다. 일반적으로 흑색 바탕 모드가 상대적으로 명암비가 낮은데, 이는 액정을 통한 빛샘 현상으로 인하여 완전한 흑색을 구현하기가 어렵기 때문입니다. 아울러, 러빙을 통한 액정 배향의 경우, 러빙 되지 않은 상태에 비해 균일도가 떨어지기도 하지요. 

 

이러한 TN 모드는 상판과 하판에 형성되는 투명 전극이 별도의 복잡한 형상을 필요로 하지 않아서 빛의 투과율이 높으며, 또한 액정의 응답 속도, 즉 동작 속도가 빠르다는 것이 큰 장점입니다. 인가 전압에 대한 액정의 응답 속도에 있어서 액정의 켜짐(turn on) 시간과 꺼짐(turn off) 시간은 액정 고유의 특성인 탄성 계수와 회전 점도, 액정의 굴절률과 연관된 셀 갭, 그리고 액정의 유전 상수를 고려한 문턱 전압과 인가 전압으로 결정됩니다. 즉, 응답 속도를 결정하는 인자들은 모두 액정의 물성에 의존하며, 따라서 응답 속도를 높이기 위해서는 높은 탄성 계수와 낮은 회전 점도, 높은 굴절률과 유전 상수를 갖는 액정이 이상적이지요. 다만, 이러한 인자들의 값은 상호 이율 배반(trade off) 관계를 가지고 있으며, 여기에 신뢰성까지 추가적으로 고려할 경우 사용할 수 있는 액정의 종류도 아주 제한적입니다. 이러한 상황에서도 TN 모드에 적용할 수 있는 액정들은 그 선택의 폭이 비교적 넓어서 빠른 응답 속도를 구현하는데 유리한 점이 분명히 있죠.

 

이와 같이 TN 모드는 높은 광 투과율과 빠른 응답 속도에 유리하고, 이에 더하여 제작 과정이 비교적 용이하며 제조 비용도 낮다는 장점들이 있지만, 반면에 시야각 특성에서 약점을 지니고 있습니다. 즉, 액정의 비대칭적인 배열 상태로 인하여 보는 각도에 따라 액정의 유효 굴절률이 달라져서 화면을 통과하는 광량이 시야각에 의존하게 됩니다. 이를 해결하기 위하여 광 시야각 보상 필름을 적용하고, 다중 배향을 시도하는 등의 노력이 있어왔지만 그 한계를 완전히 극복하지 못하였죠. 따라서, 시야각 개선을 위한 모드들이 활발히 개발되었고, 대표적인 것이 다음으로 설명할 평면 내 스위칭 (In Plane Switching, IPS)모드와 수직 배향(Vertical Alignment, VA) 모드입니다.

 

 

 

LCD, 작동모드, IPS모드(1) >>

 

평면 내 스위칭(In Plane Switching, IPS) 모드의 경우, 상판과 하판 사이의 액정들이 기판에 평행하도록 수평, 동일 방향으로 배열되며, 다만, 방향자가 전극과 일정 각도를 가집니다. 그리고 두 장의 편광판들은 TN 모드의 경우와 같이 두 기판에 광축이 서로 교차되도록 부착되는데, 따라서 전압이 인가되지 않은 초기 상태에서는 흑색 바탕 모드를 가지게 되죠. 액정 구동용 전극들은 하판에만 설치되며, 따라서 전압이 인가되면 기판과 평행한 방향으로 전기장이 형성되고 액정 분자들 또한 평면에 나란하게 회전을 합니다. 이때 액정의 거동은 유전율 이방성의 양과 음의 값에 따라 서로 다른 성향을 보이며, 따라서 사용 가능한 액정의 종류가 일부 제한적이기도 하죠. 

 

<다음호에 이어서 계속>

 

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