LCD(Liquid Crystal Display)에서 액체결정(Liquid Crystal) 알아보기

액정이라는 주제가 저는 쉽게 설명을 드리지 못하는 주제입니다.

하지만 LCD의 핵심이 되는 물질이기에 조금이라도 설명을 드려야 겠다는 생각 드네요.

 

간단하게 액정의 히스토리를 보자면

 

일정 온도 범위에서

액체와 고체 중간 성질을 가지는 물질이 있음을

1888년 오스트리아 생물학자

프리드리히 라이니처가 처음으로 발견하게 됩니다.

 

라이니처는 식물에서 콜레스테롤 연구 중

콜레스테롤과 연관된 유기물질이 녹는 거동을 관찰한 결과

145도에서는 탁했던 액체가 178도에서는 맑은 액체로

변하는 것을 우연히 발견하게 됩니다.

 

그리고 이러한 액체가 고체 결정처럼 빛을 편광 시키는

광학적 이상성이 있다는 것을 확인하고

액체와 같은 흐르는 성질과 고체와 같은

광학적 특징을 가지고 있다는 의미로 액정이라고 부르게 됩니다.

 

액정이란?

액체와 결정의 중간 상태를 가지는 물질을 말합니다.

보통 액정 분자의 배열은

평소에 빛이 잘 통과하지 못하는 구조를 가지고 있습니다.

 

그러나 액정에 일정한 전압을 주게 되면

액정 분자의 배열 방향이 같은 방향으로 정렬이 되고

그때 같은 방향으로 결정구조를 가져 투명해지게 됩니다.

 

이런 현상을 액정의 전기 광학 효과라고 합니다.

이 액정의 전기 광학 효과를 이용하여

빛의 투과를 전기적으로 컨트롤할 수 있습니다.

 

즉, 간단하게 정리하자면 액정의 전기 광학 효과로 인해

LCD안에서 액정이 셔터와 같은 역할을 하게 됩니다.

 

액정의 종류 (출처 : http://www.qsstudy.com/chemistry/liquid-crystals)

 

액정은 네마틱 / 스메틱 / 콜레스테릭 3가지가 있습니다.

(다른 종류가 더 있는지 제가 확인이 힘드네요)

 

네마틱(Nematic) 액정은

막대 모양의 분자가 서로 평행하게 배열하고 있지만

각각의 분자는 장축 방향으로 비교적 자유로이 이동할 수 있습니다.

층상구조가 존재하지 않아서 유동성이 풍부하고 점도는 낮습니다.

 

스메틱(Smetic) 액정은

막대 모양의 분자가 층 모양의 구조를 형성하며

구성분자는 서로 평행으로 배열하여 각 층의 면 위에 거의 수직으로 있는 구조입니다.

분자층 사이의 결합은 비교적 약해서 비누처럼 서로 미끄러지기 쉬운 특성을 가지며

이런 특성 때문에 2차원적 유체의 성질을 나타냅니다.

 

콜레스테릭(Cholesteric)은

다른 말로 카이랄 네마틱(Chiral Nematic)이라고 부릅니다.

여기서 키아랄의 뜻은 비틀려 있다는 것을 의미합니다.

인접한 층 사이에서 분자 축의 배열 방위가 약간씩 벗어나 있는 형태로

액정 전체로서는 나선구조를 가지고 있습니다.

 

액정은 광학적 이방성 특성을 가지고 있습니다. 

그래서 굴절율 이방성(△n)과 유전율 이방성(△ε)

이 2가지가 중요합니다.

 

굴절율 이방성은 비등방성 구조로 인해서 전자기파의 진행방향이

액정의 장축 방향이냐 단축 방향이냐에 따라서 다른 굴절율 값을 가집니다.

 

반면,

유전율 이방성은 전기장에 의해서 유도되는 유전분극 정도가

액정의 장축 방향이냐 단축 방향에 따라서 다르기 때문에 나타납니다.

 

유전율 이방성

 

유전율 이방성이 △ε > 0의 경우 (IPS/TN)

전기장 인가시 유도 쌍극자 모멘트가 액정 분자의 장축 방향으로 발생해

전기장 방향으로 액정 분자들이 정렬하려는 특성을 가집니다.

 

△ε < 0 (VA)의 경우

전기장 인가시 유도 쌍극자 모멘트가 액정의 장축에 대해 수직 한 방향으로 발생해

액정 분자들이 전기장에 수직방향으로 정렬하려는 특성을 나타냅니다.