LCD란 'Liquid Crystal Display'의 약자로 액정을 이용한 디스플레이다.
OLED와 다르게 자체발광소자가 아니기 때문에 백라이트에서 빛을 내줘야 한다.
모바일 같은 중소형기기는 OLED패널이 점차 확대되고 있고(플래그쉽은 이미 모두 OLED), 중저가형 테블릿 및 핸드폰은 LCD를 이용하고 있다.
중대형으로 가면 OLED 패널이 너무 비싸기 때문에 판매율이 높지 않다. + 번인 이슈. 삼성이 내세우는 QLED도 진짜 오리지널 퀀텀닷 패널이 아니라, 퀀텀닷 필름으로 색재현율을 높인 뒤 백라이트에서 빛을 내주는 방식이다.
여담이지만, 옛날엔 백라이트를 형광등을 이용했는데 요즘은 에너지 효율이 좋은 LED를 이용해 빛을 낸다.
LCD는 크게 3가지를 이용한 원리인데, 다음과 같다.
1. 액정(Liquid crystal) : 재료
2. 편광(Polarized light) : 광학적 원리 [응용제품 : 편광판]
3. 배향(Orientation) : 물리적 원리 [응용제품 : TN 패널, VA 패널, IPS 패널 등]
여기서 액정이란 고체와 액체 사이의 중간쯤을 말하는데, 방향성이 있는 고체의 특성으로 질서 정연하게 배열하되 액체의 특성으로 분자들은 자유롭게 움직일 수 있다.
위는 예시인데, 딱봐도 길게 생겼다. 앞서 전기변색 파트에서 PDLC에서 나왔던 내용이다. 다시 한번 얘기하자면 액정은 색연필 한 다스와 탁구공을 테이블에 올려놨을 때, 색연필은 한 방향으로 어렵지 않게 정렬이 가능하다. 바람을 불어도 움직이지 않지만, 원한다면 방향을 바꿀 수 있다.
탁구공은 바람을 조금만 불어도 난리가 난다. 가만히 정렬조차 쉽지 않다. 즉, 액정은 고체와 액체의 성질을 같이 가지고 있으며, 분자를 질서 있게 배열하려면 긴 형태가 되어야 유리하다.
액정은 굴절률 이방성과 유전율 이방성이 크다는 특징을 가지고 있다. 굴절률이란 빛이 나아가다가 어떤 물체에 닿거나 통과하면 빛이 느려지거나 빨라져서 생기는 경로차이다.
위에 그림을 참고해보자. 보라색 긴 분자에 검은색 화살표 방향을 표시가 돼있다. 왼쪽처럼 빛이 통과하는 것보다 오른쪽처럼 중간을 가로지르는 게 빛이 더 빨리 통과한다. 이것을 '굴절률 이방성' 이라고 한다.
이처럼 액정을 어떻게 배열하느냐에 따라 굴절률이 작거나 크게 조절할 수 있다. 빛이 빨리 통과할 수 있게 하면 그만큼 밝은 상태를 유지할 수 있고, 반대는 통과가 어려워 어두운 상태를 유지하게끔 조절이 가능하다는 것이다.
배열을 조절하기 위해선 유전율 이방성을 이용해야한다. 유전율은 전기장에 반응하는 정도다. 전기를 가하면 전류가 흐른다. 그리고 이 전하들이 있는, 발생하는 공간이 전기장이다. 한마디로 전기를 가하면 액정은 전기장에 반응하므로 유전율에 따라 배열을 하기 시작한다.
분자구조에 따라 이 배열은 전기장 방향에 따라 배향하는 Positive, 반대로 수직하게 배열하는 Negavtive 유전율 이방성 액정이 있다. 구조나 패널에 따라 같은 종류의 액정만 들어간다. 성질이 다르면 액정이 섞일 테니까 말이다. 이 두 개를 이용해 빛의 경로를 조절할 수 있다. 하지만 빛을 완벽히 차단할 순 없기 때문에 이를 도와줄 편광(Polarizded light)을 이용한 편광판(Polarizer)이라는 친구가 함께 해야 한다.
**전기장 방향에 따라 배열되는 차이가 있다. negative, positive. 이 차이가 '유전률 이방성'
빛은 전자기파의 일종, 전자기파는 전기장과 자기장이 서로 수직 상태를 유지하며 나아가는 형태를 띠는 파동이다. 이 파장이 짧고 길냐에 따라 우리가 말하는 가시광선, 자외선, 라디오 주파수 등의 형태로 나뉜다. 편광은 전기장과 자기장의 파동 상태를 일정한 조건을 맞추는 것을 말한다.
햇빛은 수많은 방향으로 진동하는 무편광빛(Unpolarized light)이다. 이는 태양의 원자를 이루는 전자들의 배치가 바뀌면서, 빛을 낼 때 원자의 방향과 질서도가 무질서한 상태에서 빛을 내기 때문이라고 한다.
무편광 상태의 빛이 액정을 통과하면 빛이 모두 통과하는데, 앞서 말했듯 굴절률 이방성이란 빛을 방향성 있게 유도하는 거지 차단하진 못하기 때문이다. 그래서 편광을 이용하는데, 무편광 상태는 전자기장이 랜덤한 모든 방향으로 진동하며 나아가고 있다. 이때 전기장과 자기장의 위상 차이. 즉, 전기장과 자기장의 파장 시작의 차이를 주면 합으로 표현되는 편광 상태가 변한다.
뭔소리냐하면 사진을 보면 위는 파란색 전기장이 마이너스지만, 아래는 플러스다. 파동의 축 성분이 반대가 되는걸 위상차이라고 한다. 두 개의 파동은 반대 상태의 편광을 나타난다. 즉, 특정 축 성분의 전기장을 제거. 한 마디로 전기장에 약간 손을 대주면 빛이 한 방향으로만 진동하게 된다는 것이다.
이를 이용해 무편광상태를 편광 상태로 바꿔주는 게 편광판이다. 편광판을 통과하면 무평관상태도 편광 상태가 된다. 수평 편광판을 지나가면 수평 편광으로, 수직 편광판을 지나면 수직 편광으로 간다. 이때 수 평평관은 수직 편광과 방향이 다르기 때문에 통과하지 못하며, 빛을 차단해 검은색으로 보이게 할 수 있다.
편광판 사이에 액정을 넣어서 굴절률, 유전율 이방성으로 방향을 바꾸고, 편광판을 통해 원하는 방향의 빛만 통과시켜서 명암을 만들 수 있게 되고 이 조합을 이용해 LCD를 구현한다.
완성된 간단한 구조를 살펴보면 투명하고 빛이 통하는 ITO 투명전극이 액정이 들어갈 유리기판 안쪽에 배치시킨다. 그리고 필터 역할을 해주는 편광판을 가로, 세로 방향으로 유리기판에 붙여놓는다. *source : allled.tistory.com
짠. 대충 이런 구조가 된다. 편광판 - 기판 - 투명전극 ㅣ 액정 ㅣ 투명전극 - 기판 - 편광판
위 사진처럼 편광판이 없을 때는 빛이 난잡하게 통과되겠지만, 있을 때는 빛의 제어가 가능하다. 하지만 이것만으로는 약간 부족하다.
그래서 액정이 일정한 방향이 될 수 있게 전극 안쪽에 폴리이미드. 고분자막을 통해 좀 더 일정한 방향으로 정렬시켜준다. 좀 더 확실하게 배열하기 위해 고분자막에 Rubbing이라고 러빙포라고 하는 원단으로 한 방향으로 문지르면 PI 막에 일정한 방향으로 홈들이 생겨 글라스에 근접할수록 한 방향으로 배열하게 된다.
▲ 이와 같이 일반적인 방법을 이용한 것이 TN(Twist Nematic)이다.
> 전원 off일 땐 가로 편광판에 가까워질수록 고분자막에 의해 가로방향, 세로쪽으로 세로 방향으로 액정이 배열되면서 트위스트처럼 생겨먹었다. 전원이 on 되면 액정이 수직으로 배열되지만 방향이 일정하지 않아 광시야각이 좋지 않다.
▲ 2번째로 VA 패널
> 수직으로 배열했다가 전원 들어오면 수평으로 배열된다. 원래는 큰 문제 없었는데 스마트폰과 터치패널이 나오면서 문제가 생겼다. 수직으로 배열돼있어서 손으로 누르면 기판이 눌리고 액정들이 유지하고 있는 간격이 일그러진다. 이걸 셀갭(Cell gap)이라고 한다. 예전 LCD 손으로 문지르면 색이 다채롭게 변하는 게 이것 때문이다. 게다가 빛샘 막으려고 필름도 붙여야 한다.
▲ 다음은 제일 많이 쓰이는 ISP 패널.
> ISP는 액정을 수평방향으로 배열한다. 이를 다른 수평방향으로 배열하기 위해 전극 두 개가 위아래가 아닌 아래 기판에 수평으로 배열되어있다. 액정 분자들이 눕혀있어서 광시야각이 좋다. 어느 각에서도 잘 보인다.
TN/VA패널은 전기장에 따라 액정이 섰다가 누웠다가를 반복하니 반응속도가 떨어진다. ISP는 누운 상태로 돌아가니까 더 빠르다. 다만, 장시간 사용 시 번인이 있다는 문제가 제기되고 있지만, 시야각과 터치패널을 쓰기에 굉장히 우수하기에 죄다 이거 쓴다고 보면 된다.
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