3-6) LCD, 액정의 주요 특성들, 이방성

 

액정, 액체 결정

 

물질의 상태는 주로 세가지, 즉 고체, 액체, 그리고 기체로 구분됩니다. 조금 더 들어가서 이온화된 기체를 플라즈마 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 2중성을 지닌 물질답게 다양하고 흥미로운 물리, 화학, 그리고 전기광학적 특성들을 갖습니다.

 

액정, 액체 결정

 

액정의 다양한 특징들

고체와 액체, 2중성을 지난 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 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.

 

이방성

 

이방성

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 굴절률간에 차이가 생기게 되죠. 결국, 유전율 이방성으로 인하여 전기적 제어가 가능해지고, 굴절률 이방성으로 인하여 광학적 차이를 유발할 수 있게 됩니다.

 

복굴절

 

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.

 

광활성

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.

 

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# 더! 생각해보기

a. 액정들은 유전율 이방성을 가지므로 전기장에 의해 움직이며 정렬이 된다. 왜? 어떻게?

b. 액정들은 굴절률 이방성을 가지므로 빛의 방향이 바뀔까. 왜? 어떻게?

c. 액정들은 유전율과 굴절률 이방성을 가지므로 광활성을 가진다는데, 왜? 어떻게?

 

 

3-6. LCD, 액정의 주요 특성들, 이방성-복사.pdf

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