디스플레이 재료 [12] 각 LCD 구동 모드의 원리 비교 (TN / STN / IPS / VA)

 

LCD의 기본 원리는 다음과 같이 3단계로 나눌 수 있다.

1. 빛의 편광 - 빛의 진동 방향 제한
2. LC층 - 전기장에 의해 분자 방향이 변하며 빛의 편광 회전량 달라짐
3. 두번째 편광판 - 빛의 투과율 결정

 

즉, 각 MODE (TN/ STN/ IPS/ VA)는 LC 분자가 어떻게 회전하고 그에따라 빛이 어떻게 변하느냐의 차이이다.

 

1. TN(Twisted Nematic) Mode

 

 이 모드에서는 LC 분자들이 위/아래 기판 사이에서 90도 비틀린 형태로 배열되며 두 편광판은 서로 직교 상태이다. 전압을 걸면 어두워지는 Normally White 구조이다.

 

 

• 전압이 OFF일 때 → LC가 빛의 편광을 90° 회전시킴 → 빛이 두 번째 편광판을 통과 → 밝음(White)
• 전압이 ON일 때 → LC 배열이 전기장 방향으로 펴짐 → 편광 회전이 사라짐 → 차단(Dark)

 

 

원리를 상세하게 알아보자.

1-1. Normally White / Black Mode

Normally White Mode	- 전압이 OFF일 때 밝으며 상하 두 편광판의 편광 방향이 수직이다.
Normally Black Mode	- 전압이 ON일 때 밝으며 상하 두 편광판의 편광 방향이 평행하다.

 

 

1-2. Normally White/ Black Mode의 light transittance

2. Super Twisted Nematic (STN) Mode

TN보다 LC의 비틀림 각을 180°~270°로 증가시킨 구조로,Cholesteric (Chiral Nematic) LC를 사용한다

 

 TN은 밝기 변화가 완만하여 명암비와 응답속도 한계 존재 하기 때문에 비틀림 각을 키우면 LC의 광학적 위상차가 커져 더 빠른 스위칭과 높은 대비가 가능해진다. 결과적으로, 전압변화 대 밝기 변화가 급격해져 더 높은 contrast를 얻을 수 있다.

 

STN은 전기장에 따른 LC 분자 변형이 탄성 계수 (K값)의 비율에 의해 결정된다.

 

이러한 조합으로 STN은 작은 전압에도 LC 배향이 민감하게 반응할 수 있도록 설계된다.

 

 

TN모드와 STN모드에서의 전기-광학 곡선을 비교해보자.

TN모드는 전압이 증가하면 투과율이 완만히 감소하나, STN은 매우 급격히 변한다. 즉, S자형 전기-광학 곡선이 가파르게 나타나며, 낮은 전압에서도 확실한 On/Off 효과를 얻을 수 있다.

3. In-Plane Switching (IPS) MODE

TN/STN은 빛이 수직 방향으로 진행하면서 LC가 세로로 회전하기 때문에, 시야각(Viewing angle)이 좁고 색 왜곡이 생기며, Wave Guide 효과가 발생한다.  이를 해결하기 위해 LC 분자가 기판 평면 안(In-plane) 에서 회전하도록 만든 구조가 IPS이다.

 

WaveGuide 효과:
빛이 LC층을 지그재그로 통과하면서 색 분리되는 현상

 

 

IPS MODE에서는 두 전극이 같은 평면에 위치해 LC가 기판면에 수평으로 눞여져있고, 전압을 걸면 그 평면 내(x-y평면)에서 회전한다.

 

전압 OFF	전압 ON
LC가 초기 방향으로 눕거나 약간 비틀림	수평 방향으로 정렬되어 빛의 편광 회전 발생

 

→ 빛이 전기장과 나란히 회전 → 균일한 밝기 + 넓은 시야각 확보.

 

 

따라서, 전압을 걸면 밝아지는 normally black mode이다.

 

 

특징으로는 Waveguide 효과가 없어 색 왜곡이 적고, LC가 균일하게 회전해 색 균일도가 높으나 시야각이 매우 넓지만 응답속도가 느리고 구동 전압이 높다

 

4. Vertical Alignment (VA) Mode

 IPS는 색 은 정확하지만, 전압이 높고 응답이 느리고, TN은 빠르지만 명암이 낮다. 이를 해결하기 위해 나온 것이 VA MODE이다.

 

LC 분자가 기본적으로 기판에 수직으로 정렬되어 있지만, 전기장을 수직 방향으로 인가하면 LC가 기울어지며(bent) 여러 방향으로 분포하여 OFF일 땐 수직, ON일 땐 기울기 상태로 변화한다.

 

 

동작 원리를 정리한다.

Voltage OFF	LC 수직	편광 회전 X	빛 차단
Voltage ON	LC 기울기	편광 회전 O	빛 통과

 

즉, VA는 Normally Black 구조로 전압을 걸면 밝아진다.

 

장점과 단점은 다음과 같다.

 

장점

• 명암비(Contrast ratio) 매우 높음
• Waveguide 효과 없음 → 색 왜곡 적음
• IPS보다 전력 효율 높음

단점

• 응답속도 느림 (LC 기울기 변화가 물리적으로 느림)
• 구동 구조 복잡 (multi-domain 필요)
• 시야각 IPS보다 약간 좁음 (~170°)

5. TN vs IPS vs VA Modes 비교

 

 

 

7. 시야각 의존성 (Viewing-Angle Dependent Retardation)

 

시야각에 따라 위상차 Δ가 변하면 색과 밝기가 달라지는 이유를 알아보자.

 

θ(관찰각도)가 변하면 Δ가 달라져, 빛의 간섭과 위상차가 달라지며 이로인한 색 반전 발생한다. 그래서 IPS나 VA는 LC 방향을 다중영역(Multi-domain)으로 만들어 이를 상쇄하려한다.

 

만일 △의 변화가 크면 어떻게 될까?

 

빛의 편광 회전이 각도에 따라 심하게 달라져 보는 위치마다 밝기와 색 변화가 커진다.