디스플레이 재료 [10] TFT - LCD의 기본 구조와 LC의 분류, Elastic Modulus

 

1. TFT-LCD의 기본 구조

TFT-LCD는 어떻게 생겼고, 내부 각 층이 어떤 역할을 하는 지 알아보자.

 

TFT-LCD = 백라이트 + 액정층 + 컬러필터 + 편광판으로 구성되어있으며, 빛을 만드는 부분과 조절하는 부분이 분리되어있다.

 

위쪽 : Polarizer → Color Filter → Glass → LC → TFT Array → PCB 아래쪽 : Backlight Unit + Diffuser + Reflector + Chassis

1-1. LCD Panel

 LCD Panel은 위쪽 Color Filter 기판 + 아래쪽 TFT Array 기판  2장의 유리로 되어있으며, 그 사이의 액정층 (LC Layer)이 존재한다. 

 

 상판의 color filter 는 각 픽셀의 RGB 색을 담당하고, 하판은 TFT Array 기판은 각 픽셀의 전압을 제어한다. 두 기판이 합쳐져 빛의 투과율을 조절해 색을 표현한다.

 

1-1-1. LCD Panel의 구성요소

 

 

 

1-2. 구동회로 Unit

TFT-LCD는 단순한 유리판이 아니라 전자 회로가 붙은 시스템 이다.

LCD Driver IC (LDI)	Gate, Source 신호를 순차적으로 인가해 각 TFT를 제어
Multi-layer PCB	구동 신호 전달, 전원 공급
TCP (Tape Carrier Package)	구동 IC와 패널을 연결하는 패키지 형태, 플렉서블 테이프 형태

 

 

1-3. Backlight & Chassis

TFT-LCD는 스스로 빛을 내지 않기 때문에 별도의 백라이트가 필요하다.

Backlight Unit	예전엔 CCFL(냉음극형 형광램프) → 지금은 LED가 대체. 빛을 균일하게 확산시켜 LC층에 전달
Chassis	패널을 기계적으로 지지하고, 외부 충격 방지 역할

 

 

2. Classification of Liquid Crystal (LC의 상전이와 구조)

 

 

 온도에 따라 LC는 3 가지 상태로 변한다. 액정상태에서는 광학적 이방성(Anisotropy) 이 존재하기 때문에, 편광판을 통해 빛의 편광 상태를 조절할 수 있다.

 

LC 종류는 Nematic Phase, Smectic A, Smectic C, Cholesteric 등이 존재한다.

 

 

 

 

2-1. Cholestertic (Chiral Nematic) Phase

Cholesteric (Chiral Nematic) Phase
: Nematic LC가 층마다 director 방향이 조금씩 회전하면서 나선 구조를 형성한 형태

 

이때 주기는 Director가 한바퀴 회전하는 거리로, 특정 파장의 빛만 선택적 반사한다는 특징이 있다.

 

2-2. Elastic Modulus in LC (K₁₁, K₂₂, K₃₃)

액정 분자들이  막대형으로 그 평균 방향을 director(n)이라고 부르며, 움직이는 물리적 변형이 일어날 때 어떤 부분은 퍼지고(splay), 어떤 부분은 비틀리고 (Twist), 어떤 부분은 굽어진다(bend).

각각 방향성에 따른 탄성 계수이다.

 

 

 

 각각의 변형에는  LC 분자들이 전기장, 자기장, 기계적 힘에 의해 휘어지거나 꼬이거나 퍼질 때 이를 복원하려는 탄성력이 존재하며, 이를 수치화한 것이 탄성 계수(Elastic Constants)라고 한다. 

 

 물리적으로, 전기장을 걸면 LC분자는 전기적 토크에 의해 회전하려 하고 이때 LC 내부의 탄성력이 그 움직임에 저항한다. 즉, 

LC의 실제 배향각(tilt, twist 등)은 전기장에 의한 에너지와 탄성에너지(K-term) 의 경쟁 결과로 결정되며 이는 이전에 말한 “Mauguin’s Limit”이나 “Threshold Voltage (Vth)” 같은 LCD 광학식 계산의 핵심 전제가 된다.