디스플레이 재료 [11] 빛의 Polarization과 LC의 배향

2025.10.25 - [학교 수업/디스플레이재료] - 디스플레이 재료 [10] TFT - LCD의 기본 구조와 LC의 분류, Elastic Modulus

 

 

이번에는 LCD 안에서 빛이 어떻게 조절되어 ‘밝기·색’이 만들어지는가에 대해 알아보자.

 

1. Polarization of Light (빛의 편광)

 

 LCD는 편광판과 액정을 이용해 빛의 진동 방향을 제어하는 장치 이기 때문에, 편광이 없으면 LCD는 작동하지 않는다. 따라서 LC를 이해한 다음 단계는 빛의 편광이 어떻게 LC와 상호작용하는 가를 알아야 한다.

 

 

 빛은 전기장(E) + 자기장(B)이 서로 수직이며 동시에 진동하는 횡파 (Transverse wave) 로, 전기장의 진동방향이 편광의 방향을 결정한다.

 

 

 일반적인 백라이트나 자연광은 모든 방향으로 진동하는 전기장 성분을 포함해 무질서하고 E-vector가 무작위 방향으로 진동하므로 이 상태에서는 LCD가 아무런 효과를 주지 못한다.

 

그러나, 편광판(Polarizer) 를 통과하면, 특정 진동 방향의 빛(E-vector 한 축 성분)만 통과하여 E-vector를 “한쪽 방향으로 정렬”시킨다. 이것이 LCD의 핵심이다. 첫 번째 편광판 → LC층 → 두 번째 편광판 이라는 3가지 단계에서 빛의 편광 방향이 회전하거나 차단되어 화면이 밝아지거나 어두워진다.

 

 

1-1. Malus’ Law (말뤼 법칙)

 

 

 두 편광판이 90° 교차하면 (θ = 90°) I=0 으로 완전 차단을 하고 평행하면 (θ = 0°) → I=I0I = I_0I=I0​: 최대 투과한다. 따라서 LC의 역할은 편광 방향을 회전시켜 θ를 바꾸는 것이다.

 

 

 

2. Wave Retardation & Birefringence (복굴절과 위상차)

편광을 이해했으면 이제 LC층이 빛의 속도(=위상) 를 어떻게 다르게 만드는지를 알아야한다. LC는 ‘이방성(anisotropic)’ 물질이라, 빛의 진행 방향과 분자 배향 방향에 따라 속도가 달라지며 이를 ‘복굴절(birefringence)’이라고 한다.

 

 

2-1. 복굴절 (Birefringence)

빛이 LC를 통과할 때 2개의 직교 편광 성분으로 분리된다.

 

• Ordinary ray (O-ray): 빠르게 통과, 굴절률 n_0​
• Extraordinary ray (E-ray): 느리게 통과, 굴절률 n_e

 

이러한 두 빛의 속도차이로 인해 위상차가 발생한다. 이로인해 편광 상태가 선에서 타원이나 원편광 등으로 바뀌고 LC가 위상 지연판처럼 행동하게 된다. ( 한 축의 빛은 느리게, 다른 축의 빛은 빠르게 통과 → 위상차 )

 

따라서, TN-LCD에서 전압을 걸면 LC 배향이 변해 Δ 변화 → 밝기 제어가 가능해진다.

 

 

3. Polarizer Material (편광판 재료)

편광의 원리를 배웠다면, 이제 “편광판이 실제로 어떻게 빛을 걸러내는가”를 알아야한다.

 

3-1. 편광판의 구조와 원리

 

편광판의 기본재료는 PVA 필름으로 원래 원자(I)들이 random하게 분포되어있으나 Stretching(연신) 공정으로 분자를 한 방향으로 늘려 정렬시켜 전자의 진동 자유도가 특정 축으로만 남아 편광 기능이 생긴다.

전자가 한 축으로 정렬되면, 그 방향의 전기장(E-field) 성분은 흡수되고, 수직한 방향의 E-field만 통과하므로 LCD의 앞 뒤 편광판은 서로 직교하게 배치되어 LC층이 회전시킨 편광판만 통과가 가능해진다.

 

 

4. LC의 alignment (액정 배향)

LC 분자를 실제로 기판 위에서 ‘정렬시키는 방법’이 어떻게 구현되는가를 다루어보자.

 

앞의 내용은 다음과 같았다.

 

1. 빛의 편광으로 LCD는 빛을 조절한다
2. LC의 방향이 빛의 위상차를 만든다 (복굴절)
3. 편광판은 편광 방향을 선택적으로 통과한다.

 

 LC 분자가 일정 방향으로 정렬되어야 이런 모든 효과가 안정적으로 동작한다. 따라서, 편광 효과를 정확히 얻기 위해 LC를 기판 위에 '어떤 방식으로 세우는 가'를 다뤄보자.

 

4-1. Modes of LC Alignment — LC 배향 모드 종류

 

 

Parallel (수평배향, planar)	LC 분자가 기판에 평행	TN, IPS, FFS 등
Vertical (수직배향)	LC 분자가 기판에 수직	VA 모드 (고명암 대비)
Inclined (기울어진 배향)	LC가 약간 기울어진 상태	광시야각형 MVA, PVA

 

4-2. Vertical Alignment을 위한 Amphiphilic Surfactan

이 중 수직 배향을 위한 Amphilhilic Surfactant (양친해성 계면 활성제)에 대해 알아보자.

Amphiphilic Surfactant:
한 분자 안에 ‘친수성 부분’과 ‘소수성 부분’이 동시에 존재하는 물질.
물과 친한 머리(Polar head) + 기름과 친한 꼬리(Tail group) 를 가진 구조

 

양친해성 계면활성제는 표면에 스스로 정렬하려하기 때문에 친수성 머리는 기판에 소수성 쏘리는 액정을 향한다. 이렇게 하면 LC분자의 소수성 꼬리가 계면활성제의 꼬리와 정렬해 LC가 기판에 수직으로 서게된다. 사실상 Rubbing역할을 하는 것이다. 따라서 이를 Self-Assembly라고 부른다.