액정

액정표시장치

액정의 편광상태에 대한 조작능력을 이용한 표시장치이다.

액정은 빛의 편광상태를 정교하게 조작할 수 있다. 경계를 이루는 물질의 배향, 전기장 등 외부에서 가해지는 여러 조건들에 의해 액정 분자의 방향이 결정된다. 따라서 액정을 통과하는 빛의 밝기를 빠르고 능률적으로 제어할 수 있기 때문에 이를 이용한 영상표시장치인 액정표시장치(liquid crystal display: LCD)가 개발되었다. 액정의 전기-광학 효과에서 살펴본 것처럼 전기장으로 방향자의 방향을 제어하는 것이 손쉽고, 빠르기 때문에 주로 액정의 양쪽 면에 투명한 전극을 설치해서 전압을 인가하게 된다.

LCD는 다양한 형태로 서로 다른 배치로 구현할 수 있으며 앞서 살펴본 꼬인 네마틱 액정도 그중 하나이다. 색채 구현, 시야각, 명암비, 계조표현 등 액정의 영상표현 능력을 높이기 위한 집중적인 연구가 1990년대에 이루어 졌으며 이에 따라 개발된 각종 LCD의 작동구조는 대체로 전압을 인가하지 않은 상태에서 빛을 통과시키지 않아 검게 보이는 정상 검정 모드(normally black mode: NB mode), 그 반대인 정상 하양 모드(normally white mode: NW mode)로 대별할 수 있다. 각각의 화소가 R, G, B의 색상을 적절한 밝기로 나타내어야 전체의 영상이 재현되는 데 각 화소를 구동하는 방식에 따라 능동방식(active matrix: AM), 수동방식(passive matrix: PM) 방식으로 나뉘기도 한다.

정상 하양 모드 액정표시장치

액정은 스스로 빛을 낼 수 없으므로 외부에서 조명을 해야 한다. 이때 조명한 빛이 액정을 통과한 것이 바로 영상을 나타내는 형식이 보편적이지만 들어간 빛이 거울에 의해 반사되어 나오면서 작동하는 것도 있다.

아래 그림의 액정은 꼬인 네마틱 액정(TN-LC)으로 광활성체처럼 편광면을 회전시킨다. 오른편에서 편광되지 않은 자연광이나 조명광이 비쳐질 때 처음 만나는 편광판을 통과하여 수평 방향인 선편광이 된다. 이는 전압이 걸려있지 않은 액정을 통과하면 편광상태가 90도 회전하므로 거울 앞의 편광축이 수직인 편광판을 통과하여 거울에서 반사되어 되돌아 올 수 있다. 그러나 전압이 걸려있으면 액정은 편광을 조작하지 못하므로 반사되는 빛을 볼 수 없다. 이 액정은 거울없이 투과형으로도 작동되는 것을 알 수 있다.

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거울에서 반사되는 빛을 볼 수 있다_액정에 전압이 걸리지 않아서 입사하는 빛의 편광상태가 90도 회전하게 된다. 이 빛이 거울에 반사할 때도 역시 액정에 의해 90도 회전하게 되어 입구의 편광판을 통과해서 나간다. 이 경우 외부에서 조명된 빛이 반사되어 나가는 것이 보이므로 액정이 밝게 보인다.

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거울에서 반사되는 빛을 볼 수 없다_액정에 전압이 걸려있어 액정을 통과하는 빛의 편광상태를 변화시키지 못한다. 따라서 액정은 없는 것과 마찬가지므로 거울 앞뒤의 서로 수직인 두 편광판이 입사하는 빛이나 반사하는 빛 모두를 차단해 버린다. 따라서 이 상태에서는 액정이 빛을 반사하지 못하여 검게 보인다.

액정은 다양한 표시장치에 쓰인다.

다음 그림과 같이 액정을 사이에 두고 여러 형태의 전극을 만들어 숫자나 글씨, 그림 등을 표현할 수 있다.

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액정표시장치_액정에 전압이 걸리는 부분만 밝게 보이므로 액정판을 여러 영역으로 나누어 의도하는 글씨나 그림을 표현할 수 있다.

지금까지는 액정을 통과하는 빛을 가려막거나 그대로 통과시키는 두 작동 모드에 대해 알아보았다. 그러나 제어하는 전압을 적절히 달리하여 광량을 연속적으로 조절할 수 있어서 중간 계조의 표현이 가능하다. 색필터를 이용하는 등 각각의 화소의 색채를 달리하여 색채 영상도 표시할 수 있어서 TV, 휴대폰 등에서 가장 보편적인 화상표시장치가 되고 있다. 이것이 가능하게 되는 데는 반도체 기술, 미세가공기술, 새로운 액정의 개발 등 관련된 여러 분야에 걸쳐서 활발하게 연구가 이루어진 결과이다. 또한 표시장치에 대한 기술개발뿐만 아니라 액정레이저 등 액정의 또다른 응용에 대한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다.

[질문1] 맨 앞 그림에서 액정은 전압이 걸리는 경우 어두운 상태가 된다. 이와 반대로 전압을 걸었을 때 밝게 되도록 하기 위해서 배치를 어떻게 달리해야 할까?

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