액정의 종류는 실로 다양합니다. 다만, LCD에 사용되는 액정은 주로 막대형으로 방향성을 지니고 있는 네마틱 액정이며, 이를 기초로 하여 액정 분자의 기본 구조를 살펴보죠. 길다란 모양의 분자 구조, 양쪽 터미널(terminal)에서 머리로 칭하는 쪽은 전기적으로 극성을 리드하고, 꼬리 쪽은 유연성을 주로 제공합니다. 몸통 부분은 메조겐 그룹(mesogenic group)들로, 비교적 강한 막대 모양의 분자 구조를 가지며, 복굴절 효과에 기여하게 됩니다. 각각의 구조들은 연결부(linker)들로 이어져 있으며, 이와 함께 몇몇 측면 그룹(side chain, end group)들이 존재하여 액정의 유연성, 점도 등을 조절하고 필요한 반응이나 상호 작용을 유도하기도 합니다. 이러한 액정 분자의 크기는 대략 폭은 수 옹스트롬, 길이는 수십 옹스트롬 정도이죠.
분자의 상태는 물리적 자유도(degree of freedom)를 기반으로 하여 위치와 방향으로 구분 할 수 있습니다. 액체의 경우에는 각 분자의 위치와 방향이 모두 불규칙적으로 배열(arrangement)되며, 고체 결정의 경우에는 위치와 방향에 규칙이 있죠. 액정의 경우에는 대부분 분자의 위치는 액체와 같이 불규칙하지만, 방향은 어느 정도의 규칙성을 가지고 배열됩니다. 실제로는 각각의 액정 분자들은 열적 요동에 의해서 계속 움직이고 그 방향도 조금씩 서로 다릅니다만, 평균적으로는 분자들이 특정한 방향으로 정렬되는 성향을 보이기 때문에 방향성은 어느 정도의 규칙성을 가집니다. 왜냐하면 액정 분자들은 분자들간에 서로 끌어당기는 인력(attraction force)이 작용하여 평행하게 배열되는 성향이 있기 때문입니다. 배열되는 모양과 방향들을 고려하여 네마틱 액정, 스멕틱 액정(A형과 C형 등), 그리고 카이랄 네마틱 혹은 콜레스테릭 액정 등으로 구분할 수 있음은 앞서 설명한 바 있습니다.
이러한 배열의 정도는 방향자(director), n으로 나타낼 수 있으며, 이는 거시적인 측면에서 일정 영역 내의 분자들이 평균적으로 정렬한 방향을 표시합니다. 이러한 방향자와 개개의 액정 분자들이 취하는 장축 방향 간의 사잇각을 고려하여 정렬 인자(order parameter), S를 정의, 방향성을 표현합니다. 그리고, 액정을 가두는 공간의 계면, 즉, 상하부 기판의 표면에서의 액정 정렬 상태, 즉, 액정의 배향(alignment)이 공간 내 액정 분자들의 배열 상태를 결정하게 되죠. 즉, 상부와 하부에서 표면 배향된 액정 분자들을 기준으로 상호 작용을 통하여 나머지 액정 분자들의 배열이 이루어집니다.
액정을 LCD에 사용하기 위해서는 일정한 공간, 즉, 두 장의 기판 사이에서 균일하고 안정된 분자 배열과 전기 신호에 대해 규칙성과 재현성이 있는 움직임, 배향이 필요합니다. 기판 사이에서 액정 분자들이 배열되는 방식은 주로 일곱 가지로 분류되죠. 수평(homogeneous) 배열에서는 액정 분자들이 양쪽 기판면에 대하여 평행으로 방향도 같으며, 수직(homeotropic) 배열에서는 기판면에 수직, 역시 방향은 같습니다. 하이브리드(hybrid) 배열에서는 액정 분자들이 한 쪽 기판면에서는 수평, 동일 방향이고 다른 쪽 기판면에서는 수직, 동일 방향인데, 중간의 액정 분자들이 90도로 틀어지면서, 누워있다가 일어서는 자세들로 배열을 잇고 있습니다. 선경사(pretilted) 배열에서는 액정 분자들이 양쪽 기판에 대하여 일정한 각도로 기울여져서 배열되고, 배열 방향은 같죠. 꼬인(twisted) 배열의 경우, 두 기판에 접하는 액정 분자들은 평행으로 배열되어 있으나, 배열 방향이 상호 90도로 틀어져 있어 중간의 액정 분자들은 연속적으로 조금씩 꼬이면서, 즉, 누워서 조금씩 회전하는 방향으로 배열됩니다. 평면(planar) 배열일 경우, 액정 분자들이 두 기판면에 평행하게 누워있는 소용돌이 모양의 나선형 배열로, 나선축이 두 기판에 수직으로 위치하고 있습니다. 이는 Grandjean 배열이라고도 합니다. 초점 원뿔형(focal conic) 배열은 Grandjean 배열이 누운 형태로 나선축이 두 기판에 평행하도록 배열된 상태이나, 나선축 방향이 정확히 일치하지는 않습니다.
이러한 액정 분자들의 배열에서 기준이 되는 부분은 양쪽 기판의 표면입니다. 이 곳에서 분자들을 어떻게 배열시키는가에 따라서 두 기판 표면의 액정 분자들을 잇는 중간 영역의 액정들의 배열도 결정이 되죠. 기판 표면의 액정 분자들을 인위적으로 배열, 고정(anchoring)한 뒤, 다른 분자들도 이제 준하여 규칙적으로 배열되도록 하는 것을 ‘액정 배향’이라고 하며, LCD 제작에서 중요한 공정 중의 하나입니다. 액정 분자들이 기판에 대해 취하는 방향에 따라 수직 배향, 수평 배향, 그리고 경사 배향 등으로 구분하죠. 그리고, 물질의 상태(고체 혹은 액체)는 정렬 인자(order parameter)로 표현되는데, S=1인 경우에는 고체, S=0은 액체를 의미하며, 액정의 경우에는 1과 0의 중간값을 가지게 됩니다.
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# 더! 생각해보기
a. 액정 분자를 인체로 묘사하고 각 부위의 역할도 생각해보자
b. 액정들의 배열과 정렬 성향은 사람들의 무의식적인 집단 행동과 비유될 수 있을까
c. 액정들의 배열 방식을 그림과 기호들(정렬 인자, 방향자, 각도 등)로 묘사해보자
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