액정의 전기광학적 특성은 전기장을 인가하면 액정 분자들의 배열이 바뀌면서 광 변조가 생기는 특성을 말합니다. 즉, 액정이 유전 이방성이나 전도 이방성, 혹은 자발 분극 등에 의해 배열이 바뀌고, 이로 인하여 굴절 이방성, 즉 복굴절성에 기인하여 빛의 간섭, 산란, 그리고 편광 등의 변화가 일어나는 것이죠. 액정의 다양한 전기광학적 특성들에서 특히 LCD에 적용된 효과들을 중심으로 진행 과정을 살펴보죠.
1963년, 미국 RCA사의 연구원인 리처드 윌리엄스(R. Williams)가 네마틱 액정에 전기장을 인가할 경우 광학적인 패턴이 형성되는 현상을 관찰하였죠. 1968년에 J. Wysocki 등은 액정이 콜레스테릭 상에서 네마틱 상으로 상호 변환을 하는 상전이(Phase Cahnge, PC) 효과를 발표하였습니다. 그리고 같은 해인 1968년, RCA의 조지 헤일마이어(G. Heilmeier)는 액정에 전압을 인가하여 불규칙한 패턴을 변화시켜 빛을 산란하도록 하는 동적 산란(Dynamic Scattering, DS) 효과를 실험하였고, 또한 염료(guest)를 함유하는 액정(host)에 전기장을 인가하여 빛의 흡수율과 투과율을 제어할 수 있는 게스트 호스트(Guest Host, GH) 효과를 발표하였습니다. 1971년에는 미국 켄트 주립대의 퍼거슨과 스위스의 마틴 슈아트, 울프강 헬프리치가 거의 동시에 액정의 비틀어진 배열을 이용하는 TN(Twisted Nematic) 효과를 개발하죠. 그리고, 같은 해에 M. Schiekel과 M.Hareng가 액정에 전기장을 인가하여 분자 배열을 변형시킴으로써 발생하는 복굴절 제어(Electrically Controlled Birefringence, ECB) 효과로 색을 변화시킵니다. 그리고 1972년 F. Kahn은 액정을 가열하거나 냉각하면서 광학적 특성을 연구하여, 액정의 열광학(Thermo Optic, TO) 효과를 발표합니다. 1975년에는 N. Clark과 S. Lagerwall이 카이랄 스멕틱 액정의 자발 분극으로 전기장에 대한 액정의 응답 속도를 한결 개선시키는 강유전성(Ferroelectric LC, FLC) 효과를 보고하죠. 그리고, 1984년 T. Scheffer에 의하여 액정의 비틀림 각도가 180도에서 360도에 이르는 Super TN(STN)의 복굴절 효과가 발표됩니다.
이상과 같이 LCD에 적용될 수 있는 전기광학적 효과를 얻기 위하여 다양한 액정과 분자의 배열, 그리고 광 변조 특성 등이 연구, 개발되어 왔습니다. 이러한 전기광학적 효과들은 열 효과형, 전류 효과형, 그리고 전계 효과형, 세 종류로 구분할 수 있습니다. 열 효과형의 경우, 전기장 인가에 더하여서 온도를 올려주어야 하는 방식으로 콜레스테릭 액정과 스멕틱 액정이 이에 해당됩니다. 전류 효과형의 경우에는 전기 전도도의 이방성과 전기장의 상호 작용인 전도성 토크가 우세하게 작용하며, 동적 산란(DS) 액정이 대표적입니다. 그리고, 전계 효과형은 다시 유전 이방성형과 강유전성형으로 구분되는데, 유전 이방성형 전기광학적 효과는 액정의 유전율 이방성과 전기장의 상호 작용력인 유전성 토크로 발생하며, 강유전성형 전기광학적 효과는 강유전성 액정의 자발 분극과 전기장의 상호 작용력으로 발생합니다. 유전 이방성형에는 상전이(PC) 액정, 게스트 호스트(GH) 액정, TN 액정, ECB 액정, STN 액정,그리고 IPS와 VA 액정 등이 해당되며, 강유전성형은 단안정성(비메모리형) 액정과 쌍안정성(메모리형) 액정으로 구분됩니다.
다음으로, 액정이 LCD에 적용되는 데에 필요한 몇가지 광학적인 현상들을 살펴보죠. 이러한 현상들, 즉, 편광(polarization of light)과 편광자(polarizer), 복굴절(birefringence), 그리고 광활성(optical activity) 등에 대해 정리를 하고자 합니다. 앞에서는 액정과 관련된 전기광학적 특성의 발전 과정을 설명하였습니다. 이러한 전기광학적 특성을 조금 더 들어가보죠. 물질에 전기장이나 자기장, 심지어 변형을 가하면 그 결정의 대칭성 등이 변경되어 복굴절을 띄지 않는 물질이 복굴절 물질로 되기도 하고, 활성을 띄지 않는 물질이 활성을 띄기도 합니다. 이와 같이 전기장에 의해 결정의 광학적 성질이 변하는 것을 전기-광학 효과(electro-optic effect), 자기장에 의한 경우를 자기-광학 효과(magneto-optic effect), 그리고 변형에 의해 광학적 성질이 변하는 경우를 광 탄성(photo-elasticity) 효과라고 합니다. LCD에서는 액정의 전기-광학 효과를 이용하죠. 즉, 액정은 길쭉한 시가 모양의 분자들이 규칙적으로 배열된 상태로, 방향에 질서가 있어 결정이라고는 하지만 위치면에서는 액체처럼 이동할 수 있습니다. 주로 세 종류의 액정상이 LCD에 이용되는데, 방향과 위치를 위주로 하여 특징을 보면, 네마틱 상의 경우에는 방향이 한 방향이며 위치는 자유로이 변할 수 있습니다. 다음으로, 스멕틱 상의 경우, 방향이 한 방향이고 위치는 평면상으로만 움직일 수 있으며, 이러한 상태의 층들이 층층이 쌓여 있죠. 그리고, 콜레스테릭상은 방향이 연속적으로 변하여 나선 모양으로 배치되어 있습니다.
편광 현상은 빛의 파동성으로만 설명될 수 있는데, 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 말합니다. 이 현상은 1809년 말뤼스에 의해 발견되었는데, 실제 자연광은 모든 방향의 전기장과 자기장이 다양하게 포함되어 있어서 편광되지 않은 빛(unpolarized light)입니다. 일반적인 의미의 전자기파는 모든 방향으로 진동하는 빛이 혼합된 상태를 말하지만, 특정한 광물질이나 광학 필터와 같은 편광자를 사용해 편광된 상태의 빛을 얻을 수 있죠. 즉, 자유공간이나 무한한 길이의 균일한 매질을 진행하는 전자기파는 진행 방향에 서로 수직하는 전기장과 자기장으로 이루어집니다. 일반적으로 벡터를 이용하여 편광 상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직하고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 전기장의 벡터로 설명합니다. 이때 전기장을 x축과 y축, 두 수직한 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있죠. z축은 파의 진행 방향으로 가정합니다. 진행하는 전기장 벡터의 진폭은 정현파 곡선의 형태로 변화하며, 대부분의 전자기파에서 진동수와 진폭은 끊임없이 변화하는데 전자기파의 진행 방향 쪽에서 마주보았을 때 그 벡터의 진동이 항상 일정한 방향을 가지는 것은 아닙니다. 시간에 따라서 xy 평면 상에서 전기장 벡터가 어떻게 변하는 가를 보면 직선을 그리는 경우가 있고 원이나 타원을 그리는 경우가 있습니다. 이 궤적에 따라서 직선 편광(linear polarization), 원 편광(circular polarization), 그리고 타원 편광(elliptical polarization)으로 구분이 됩니다.
직선 편광, 혹은 선 편광은 평면에 도달하는 전기장 성분들의 벡터합이 특정한 방향으로의 반직선을 그리는 경우에 해당합니다. 원 편광은 벡터들의 합이 원형으로 계속 변화하는 경우로, 진폭에 변화가 없는 경우입니다. 이 때, 원의 궤적이 그려지는 방향에 따라 좌원 편광(left-circular polarization)과 우원 편광(right-circular polarization)으로 분류됩니다. 직선 편광도 원 편광도 아닌 모든 경우, 즉, 전기장 벡터들이 크기와 방향이 바뀌면서 회전하는 경우가 타원 편광에 해당되는데, 이는 가장 일반적인 편광이며, 사실 직선 편광과 원 편광도 넓은 의미에서는 타원 편광에 속합니다. 편광이 되지 않은 자연광은 액정을 통과합니다. 액정은 굴절률 이방성이 있어 빛의 방향을 유도할 수는 있지만, 가로막지는 못합니다. 그래서 LCD에서는 한쪽에 설치된 선형 편광판을 통하여 직선 편광된 빛만이 입사되도록 하고, 배열된 액정의 광활성 특성을 이용하여 편광 방향을 변화시키면서 유도하는 것이죠. 편광 방향이 변화된 빛은 반대쪽에 설치된 선형 편광판을 통하여 걸러지면서 밖으로 나가게 되는데, 이때 걸러진 빛의 양이 LCD 화면의 밝기에 해당합니다. 즉, 일반적인 LCD는 빛의 선형 편광을 이용합니다. OLED에서도 편광판을 사용하는데, 이는 블랙 화면을 정확하게 표현하고 야외시인성(야외에서 화면의 영상을 인지할 수 있는 정도)을 확보하기 위해서지요. 정확한 영상을 표현하기 위해서는 햇빛의 반사를 최소화 할 필요가 있는데, 편광판이 빛의 반사를 막는 역할을 합니다. LCD에서 사용하는 것이 직선 편광판이라면 OLED에서는 원편광판을 사용합니다.
복굴절은 1699년 바르톨리누스가 방해석에서 처음으로 관찰하였는데, 광학적으로 이방성인 매질 내에서 빛의 편광 방향에 대한 굴절률이 다를 경우, 입사한 빛의 파장은 유지하더라도 빛이 편광 방향에 따라 나뉘어지는 현상을 말합니다. 즉, 빛의 속도가 편광 방향에 따라 달라지는 것이죠. 일반적으로 빛이 물질 속에서 전파될 때 빛의 전기장, 혹은 자기장과 물질 속의 전자가 상호 작용을 합니다. 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 또 새로운 전기장의 진동을 유발하죠. 무수히 많은 원자, 분자의 전자들이 만들어 내는 빛(전자기파)과 원래의 빛이 합성되어 물질 속에서의 빛은 새로운 속도, 새로운 진폭으로 전파가 됩니다. 따라서 물질 속을 진행하는 빛의 특성은 물질 속에 있는 전자의 결합 상태에 영향을 받는데, 만일 그 물질이 결정을 이루면서, 결정이 방향성이 없다면, 즉, 대칭이 아니라면 빛의 편광 상태에 따라 진행 방향과 속도가 달라지게 되죠. 즉, 원자들이 대칭으로 배열되어 있지 않아 결정을 이루는 전자나 원자의 진동도 운동 방향에 따라 다른 양상으로 나타나기 때문입니다. 두 갈래로 갈라지는 빛에 대하여, 정상적인 결정축, 즉, 광축(optical axis)을 따르는 빛을 정상 광선(ordinary ray), 비정상적으로 굴절을 하는 빛을 비정상 광선(extraordinary ray)이라 하며, 이러한 현상을 복굴절, 이러한 물질을 복굴절체라고 합니다. 액정은 복굴절 물질입니다.
다음으로 광활성 현상입니다. 즉, 결정의 분자 구조가 구부러지거나 휘어져 있으면, 편광면이 회전되고, 따라서 선형 편광된 빛이 들어올 경우, 편광 방향(빛의 진동면)을 연속해서 회전시키는, 즉, 광축을 회전시키는 성질을 가지고 있습니다. 이를 광활성이라고 하죠. 꿀이나 설탕물과 같이 결정 구조를 갖는 과당이나, 플라스틱, 유리 등에서도 나타나며, 과당의 경우, 농도에 따라 광활성 정도가 다르므로 편광 방향의 회전 정도를 관찰하여 농도를 측정할 수도 있습니다. 투명한 플라스틱에서도 성형 과정에서 냉각 속도의 불균일로 나타나는 취약 부분을 광활성 정도로 알아낼 수가 있죠. 급속히 냉각된 유리에도 이를 적용할 수가 있습니다. 측정 방법을 살펴보면, 1차 편광자로 빛을 편광시킨 뒤, 광활성 물질을 통과시키고 다시 편광축이 일정 각도만큼 어긋나 있는 편광자를 거쳐 나오는 빛을 관찰하는 방식입니다. 광활성 물질의 광 회전 능력은 고유 광회전도로 나타나는데, 광활성 물질층을 통과하면서 빛이 회전하는 각도를 층의 두께와 농도의 곱한 값으로 나누어서 얻어집니다. 이는 빛의 파장과 측정 온도가 고정될 경우, 물질 고유의 값이며, 따라서 농도의 측정이 가능해지죠. 액정은 광활성 물질입니다. 즉, LCD는 편광자를 거쳐 편광된 빛이 광축 방향으로 정렬된 액정 분자에 입사하여 액정 분자들이 배열된 방향을 따라 진행하는 과정을 거치죠. 이 과정에서 편광, 복굴절, 그리고 광활성 현상이 연동되어 작용을 합니다.
# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.
# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다. 댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr
# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.
# 더! 생각해보기
a. 액정과 LCD, 역사적인 사건들을 좀 더 세밀히 알아보자. 관심이 있다면
b. 액정의 비틀림 각도가 커질수록 전기광학적 특성은 어떻게 변할까. STN을 대상으로 설명해보자
c. 편광 현상을 더 알아보자. 일상생활에서 볼 수 있는 빛의 편광 현상, 이를 이용한 것들은 무엇이 있을까
d. 물질마다 빛의 속도가 달라지는 이유, 즉 굴절률이 다른 이유는 무얼까
e. 일상에서도 복굴절 현상은 쉽게 눈에 띌까. 예를 들면
f. 광활성 현상, 왜 발생하고, 어디에서 관찰할 수 있수까
'공부와 생각들 > 디스플레이 공부' 카테고리의 다른 글
| 3-11) LCD, 동작 원리 (0) | 2019.07.11 |
|---|---|
| 쉬어가기) 지구 기울기 (0) | 2019.07.11 |
| 3-9) LCD, 액정의 특성, 전기적 (1) | 2019.07.10 |
| 3-8) LCD, 액정의 특성, 기계적 (0) | 2019.07.09 |
| 3-7) LCD, 액정의 특성, 구조와 거동 (0) | 2019.07.09 |