수직 배향(Vertical Alignment, VA) 모드에서는 액정 분자들을 기판에 대해 수직으로 배향시킵니다. 즉, 러빙을 통하여 기판에 수평 배향 배향을 시킬 경우에 발생하는 표면의 거칠기와, 오염으로 인한 불균일성, 그리고 이로부터 발생하는 빛샘과 흑색의 휘도 증가, 명암비 감소를 개선하는 것이 목적이었죠. VA 모드에서는 러빙 공정이 없고, 액정이 수직으로 배향되므로 이러한 문제들을 최소화할 수 있습니다. 특히, 화면을 정면에서 바라볼 때 액정 분자들의 단축 방향을 보게 되므로 액정 불균일에 의한 빛샘 현상이 줄어들어서 명암비가 향상되죠. 이는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 분자들을 기판에 수직으로 배열한 상태이며, 입사된 빛이 액정층을 통과하면서 위상 지연이 일어나지 않으므로 전압이 인가되기 전에는 직교한 편광판에 의해 흑색 바탕 모드가 설정됩니다. 전압이 인가되면 상판과 하판 사이에 전기장이 형성되고 음의 유전율을 가진 액정은 전기장에 수직한 방향, 즉, 기판에 대해 수평 방향으로 회전하며, 이로 인하여 위상 지연이 일어나면서 빛이 통과하게 되죠.
개발 초기부터 VA 모드에서의 고민은 시야각 특성이었습니다. 액정의 수직 배향으로 인하여 정면에서의 명암비는 향상되지만 측면 쪽으로 갈수록 액정의 굴절률 차이가 커지면서 시야각 특성이 나빠집니다. 특히 초기에는 액정이 기판에 대해 수평으로 누울 때 불완전한 거동을 개선하기 위하여 러빙 공정을 필요로 하였고, 이로 인하여 측면 시야각 특성이 더욱 저하되었죠. 따라서 러빙 공정을 쓰지 않고 액정의 방위각을 제어하기 위하여 다양한 다중 영역(multi-domain) 구조들이 제안되었는데, 대표적인 것이 MVA(Milti-domain VA) 모드와 PVA(Patterned VA) 모드입니다. MVA 모드는 기판 표면에 돌출부(protrusion)를 형성하고, 이로써 결정되는 액정의 선 경사각(pre-tilt angle)을 이용하여 액정의 배열 방향을 제어합니다.
반면에 PVA 모드에서는 상부와 하부의 기판 전극에 패턴을 형성하여 전압을 인가하면 발생하는 모서리 전계로 액정의 배열 방향을 결정하게 되죠. 즉, PVA 모드에서는 상판과 하판에 형성되는 투명 전극의 개별 부화소에 대해 두 개의 대칭 영역으로 V자형, 슬릿 패턴을 삽입하는데, 전압을 인가할 경우 패턴들의 가장자리에서 모서리 전계가 형성되어 액정 방향이 제어됩니다. 이 때 액정의 정렬은 두 개의 대칭 패턴 영역에 더하여 두 방향의 모서리 전계 영역까지 고려하면 총 네 개의 영역들이 형성되며, 이러한 4 영역들(4-domains)은 액정의 정렬 방향에 따라 발생되는 위상 지연 정도의 차이를 상호 보상, 보완함으로써 시야각 특성을 개선합니다.
다음으로 개발된 것이 SPVA(Super PVA) 모드로써, 이는 PVA 구조에서 개별 부화소를 다시 두 개의 영역으로 분할하여 서로 다른 전압을 인가하면서 총 여덟 개의 영역들, 즉, 8 영역들(8-domains)을 활용합니다. 이때 인가 전압을 분할하기 위해서는 별도의 트랜지스터나 결합(coupling) 커패시터, 혹은 차등 저항(differential resistor) 등을 이용하죠. PVA 모드는 구조나 디자인을 통하여 정해진 보상만이 가능하지만, SPVA 모드의 경우 인가 전압의 분할 보상 기능이 더해져서 튜닝을 통한 최적화가 가능하다는 장점도 있습니다. 물론 이러한 전압 분할 방식은 MVA 모드에도 유사하게 적용될 수 있습니다. 이 때 전극의 패턴 영역에 있는 액정은 전기장의 영향을 거의 받지 못하여서 초기의 수직 배향 상태를 유지하므로 흑색 모드로 계속 남아있게 되며, 따라서 광 투과율의 저하가 발생합니다. 이러한 투과율 저하 요인을 제거하면서도 액정 제어 기능을 유지할 수 있는 구조가 SVA(Super VA) 모드입니다. 즉, 하판의 전극에 대각 방향으로 네 개의 영역이 되도록 피치가 작은 미세 패턴이 형성되어 있는데, 패턴이 미세화 되면서 패턴 영역도 전기장의 영향을 받게 됩니다. 또한, 액정에는 반응성 메조겐(Reactive Mesogen, RM)을 도핑, 전압 인가와 자외선 조사를 통해 안정화 상태를 유도하며, 이렇게 안정화된 RM에 의해 액정 분자들은 완전한 수직 배향이 아닌 약간의 선 경사각을 가지게 되죠. 따라서 미세 패턴은 광 투과율을 증가시키고, RM에 의한 선 경사각 효과는 응답 속도의 향상과 액정의 방향 제어에 기여를 하게 됩니다.
또한 PVA 모드의 경우 패턴간 거리와 폭이 응답 속도와 연관되어서 화소의 크기에 따라 크게 영향을 받지만, SVA 모드는 화소 크기에 특성이 영향을 받는 정도가 적어서 다양한 크기의 패널과 해상도에도 적용이 가능합니다.
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# 더! 생각해보기
a. VA 기술은 다양하게 점진적으로 발전하여 왔다. 발전 경로와 각각의 세부 기술들에 관하여 알아보자
b. 앞으로의 방향, 즉, 터치 기술의 발전, 투명 디스플레이, 유연 디스플레이 등과의 궁합은 어떨까
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