상부와 하부 기판, 두 기판 사이에 전압을 인가하지 않은 상태에서 기판과 닿는 액정 분자들은 기본적으로 기판 표면의 러빙 홈에 수평으로, 즉 누운 자세로 배열됩니다. 그리고, 상판과 하판의 러빙 홈들이 90도의 각도로 만들어지므로 상판과 하판 표면의 액정 분자들은 역시 90도만큼 틀어져서 배치되고, 이들 사이의 액정 분자들은 0도에서 90도까지의 각도로 조금씩 틀어지면서(꼬이면서) 배열이 되죠. 이 때 두 기판간의 간격, 즉 셀 갭(cell gap)은 액정 분자의 장축과 단축 방향으로의 굴절률 차이와 입사될 빛의 파장에 의하여 결정이 됩니다. 즉, 셀 갭과 굴절률 차이를 곱한 위상 지연값이 파장의 1/2이 되도록 하죠. 이를 꼬인 네마틱(Twisted Nematic, TN) 모드라고 합니다.
상판과 하판에 부착되는 두 개의 편광판들도 각각의 기판 위의 배향막의 러빙 홈과 같은 방향, 즉, 액정 분자들이 정렬되는 방향으로의 광축을 가집니다. 뒤쪽의 BLU로부터 나온 빛의 경로를 따라가 보면, 먼저 하판의 편광판을 지나면서 한 쪽 방향으로만 진동하는 선형 편광 상태가 되고, 액정층을 통과하면서 위상 지연이 일어나서 90도의 각도로 틀어진 선편광 상태가 되어 상판의 편광판을 통과하게 되죠. 따라서 밝은 화면이 표시됩니다. 만일, 두 기판 사이에 전압을 인가하게 되면 기판 사이의 액정들이 유전율 이방성에 의하여 전기장에 나란한 방향으로 정렬하게 되면서, 액정층을 통과하는 빛에 위상 지연이 일어나는 정도가 변하게 되어 따라서 선형 편광이 틀어지는 각도가 역시 변하게 됩니다. 이로 인하여 상판의 편광판을 통과할 수 있는 빛이 줄어들고, 최대 전압이 인가되어 액정 분자들이 위상 지연이 전혀 일어나지 않을 정도로, 즉 거의 수직으로 정렬하게 되면 가장 어두운 화면이 표시되죠. 이상은 전압을 인가하지 않은 상태에서 밝은 상태가 되기 때문에 백색 바탕(normally white) 모드라 하며, 반면에 상판과 하판에 각각 부착되는 편광판의 광축을 나란히 배치하여 전압을 인가하지 않은 상태에서 어두운 상태가 되는 경우를 흑색 바탕(normally black) 모드라고 합니다. 일반적으로 흑색 바탕 모드가 상대적으로 명암비가 낮은데, 이는 액정을 통한 빛샘 현상으로 인하여 완전한 흑색을 구현하기가 어렵기 때문입니다. 아울러, 러빙을 통한 액정 배향의 경우, 러빙 되지 않은 상태에 비해 균일도가 떨어지기도 하지요.
이러한 TN 모드는 상판과 하판에 형성되는 투명 전극이 별도의 복잡한 형상을 필요로 하지 않아서 빛의 투과율이 높으며, 또한 액정의 응답 속도, 즉 동작 속도가 빠르다는 것이 큰 장점입니다. 인가 전압에 대한 액정의 응답 속도에 있어서 액정의 켜짐(turn on) 시간과 꺼짐(turn off) 시간은 액정 고유의 특성인 탄성 계수와 회전 점도, 액정의 굴절률과 연관된 셀 갭, 그리고 액정의 유전 상수를 고려한 문턱 전압과 인가 전압으로 결정됩니다. 즉, 응답 속도를 결정하는 인자들은 모두 액정의 물성에 의존하며, 따라서 응답 속도를 높이기 위해서는 높은 탄성 계수와 낮은 회전 점도, 높은 굴절률과 유전 상수를 갖는 액정이 이상적이지요. 다만, 이러한 인자들의 값은 상호 이율 배반(trade off) 관계를 가지고 있으며, 여기에 신뢰성까지 추가적으로 고려할 경우 사용할 수 있는 액정의 종류도 아주 제한적입니다. 이러한 상황에서도 TN 모드에 적용할 수 있는 액정들은 그 선택의 폭이 비교적 넓어서 빠른 응답 속도를 구현하는데 유리한 점이 분명히 있죠.
이와 같이 TN 모드는 높은 광 투과율과 빠른 응답 속도에 유리하고, 이에 더하여 제작 과정이 비교적 용이하며 제조 비용도 낮다는 장점들이 있지만, 반면에 시야각 특성에서 약점을 지니고 있습니다. 즉, 액정의 비대칭적인 배열 상태로 인하여 보는 각도에 따라 액정의 유효 굴절률이 달라져서 화면을 통과하는 광량이 시야각에 의존하게 됩니다. 이를 해결하기 위하여 광 시야각 보상 필름을 적용하고, 다중 배향을 시도하는 등의 노력이 있어왔지만 그 한계를 완전히 극복하지 못하였죠. 따라서, 시야각 개선을 위한 모드들이 활발히 개발되었고, 대표적인 것이 다음으로 설명할 평면 내 스위칭 (In Plane Switching, IPS)모드와 수직 배향(Vertical Alignment, VA) 모드입니다.
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# 더! 생각해보기
a. 셀 갭은 액정 분자의 장축, 단축 방향으로의 굴절률 차이와 입사될 빛의 파장에 의하여 결정이 되는데, 이를 좀 더 알아보자
b. 위상 지연과 선편광, 원편광에 관하여 더 알아보자
c. 액정의 응답 속도가 액정의 켜짐과 꺼짐 시간, 탄성 계수와 회전 점도, 셀 갭 등에 의해 결정되는 이유를 알아보자
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