오늘은 다양한 영역에서 활용되고 있는 평판 디스플레이의 대표 제품. LCD의 기본 작동 원리에 대해 살펴보겠습니다.

LCD(Liquid Crystal Display, 액정표시장치)는 '액정'을 핵심 소재로 한 평판 디스플레이입니다. 액정(液晶, Liquid Crystal)이란 액체와 고체의 성질을 함께 가지고 있는 물질로, 고체의 결정이 갖는 규칙성과 액체의 성질인 유동성을 모두 지닌 물질이라는 뜻에서 액체결정, 줄여서 액정이라고 부릅니다.

의외로 액정은 상당히 오래 전에 발견되었습니다. 액정은 1854년 처음 발견되었고, 1888년 오스트리아의 생물학자 Reinitzer에 의해 비로소 '액정'이라는 이름을 최초로 부여받게 됩니다. 이후, 1920년대에는 많은 연구자들이 약 300여종의 액정을 합성해 발표했고, 액정에 전기 자극을 주어 상태를 변형하는 연구로 이어집니다. 1960년대에는 액정이 광학적 효과를 나타낸다는 사실이 과학 잡지 네이처(Nature)에 발표되었고, 이때부터 액정의 실용화 연구는 본격 궤도에 올라 이후 다양한 방식의 LCD가 화질과 성능을 높여 제품화되기에 이릅니다.

LCD는 정보를 표현하기 위해 외부의 빛(광원)을 필요로 하는 디스플레이입니다. 액정 자체가 빛을 뿜어내지는 않기 때문입니다. 따라서 패널 뒷면에서 백색의 빛을 비추는 백라이트(Back Light)의 도움을 받아야 하고, 다양한 색을 표현하기 위해 컬러필터(Color Filter)를 함께 사용해야 합니다.

그럼 액정을 어떻게 활용하길래 디스플레이의 핵심 소재로 활용할 수 있을까요? 기본 원리는 빛의 방향성에 숨어 있습니다. 빛, 조금 더 구체적으로 말해서 빛의 근원인 광원은 근본적으로 빛이 360도 사방으로 뻗어나가는 특성이 있습니다. 집 안에 켜 놓은 전등이 집 전체로 빛을 퍼뜨리며 공간을 밝히는 것과 같습니다. 이러한 광원에 일정한 방향성을 주고 그 빛이 액정을 통과하도록 하고, 전류를 이용해 액정을 움직이게 하면 원하는 빛의 방향을 조절할 수 있게 하는 것이 기본 원리입니다. 그럼 구체적인 원리를 아래 그림과 같이 보겠습니다.

※ 참고로 LCD의 액정 구조는 다양한 방식이 개발되어 있으므로, 이번 톺아보기에서는 그 중에 가장 기본적인 모델인 TN(Twisted Nematic) 방식의 Normally White(전압을 가하지 않은 기본 상태에서 빛을 통과시킴)를 기준으로 설명드립니다.

먼저 편광판이라고 불리는 패널 2장을 준비합니다. 편광판(偏光板, polarizer)이란 특정한 각도의 빛만 통과시키는 기능을 합니다. 밀가루 반죽을 만들어 놓고 가늘게 홈을 판 '틀'를 통과시키면 홈의 모양대로 반죽이 밀려나오듯이 빛도 편광판을 통과할 수 있는 부분만 빠져나오므로 홈을 통과할 수 있는 각도의 빛만 일정한 방향성을 유지한 채로 편광판을 빠져나옵니다. 이렇게 되면 빛이 일정한 방향성을 갖게 됩니다.

2장의 편광판을 각각 위 아래로 배치한 후 그 아래에 광원인 백라이트를 켭니다. 그럼 아랫쪽 편광판을 통과한 빛이 위로 올라가고, 그 빛은 이어서 윗쪽 편광판을 만나게 됩니다. 만약 이때 윗쪽 편광판이 놓은 방향이 아랫쪽과 같다면 아랫쪽에서 올라온 빛은 대부분 그대로 윗쪽 편광판을 통과할 것이고, 반대로 윗쪽 편광판을 아랫쪽과 작각으로 만나게 돌려 놓는다면 대부분의 빛은 윗쪽 편광판을 통과하지 못하게 됩니다. LCD는 바로 빛이 직각 상태로 만나게 해 빠져나갈 수 없게 한 뒤 그 사이에 액정을 배치함으로써 액정의 움직임에 따라 빛의 각도를 틀어줘 빠져나가는 빛의 양을 조절하는 원리를 이용합니다.

액정에 전압을 가하면 액정을 움직일 수 있기 때문에, TFT로 전압을 가해 액정을 그대로 두거나 모양이 비틀어지게 할 수 있습니다. 액정은 빛을 통과시키는 광학적 특성이 있으므로, 비틀어진 모양이 되면 액정으로 들어온 빛도 비틀어진 모양을 따라서 이동합니다.이러한 액정의 특성을 활용하면 서로 직각으로 엇갈린 편광판 사이에서도 액정이 90도로 비틀어지게 놓이면 빛은 마치 편광판이 서로 같은 방향을 바라보고 있는 것처럼 대부분 위로 빠져나갈 수 있게 됩니다.

이렇게 빛이 빠져나가는 양에 따라 우리가 눈으로 보는 디스플레이의 밝기가 달라집니다. 액정이 움직지지 않아서 빛이 아예 빠져나가지 못하게 막힌 상태가 되면 화면은 어둡게 꺼져있는 것으로 보이게 됩니다. 하지만 액정 자체는 백라이트의 빛을 유도하는 역할만 하므로, 스스로 다양한 색을 내지는 못합니다. 그래서 액정과 편광판을 통과한 빛이 여러가지 색을 표현하기 위해서는 컬러필터라는 층을 한번 더 거쳐야 합니다.

컬러필터(color filter)는 빛을 통과시키면 해당 필터의 특성에 따라 색이 나타나도록 하는 기능을 하는데, 셀로판지와 비슷합니다. 가시광선의 다양한 색을 표현하기 위해서는 빛의 삼원색인 빨간색(R), 녹색(G), 파란색(B)이 필요하기 때문에 이렇게 3가지 색의 컬러필터가 각각의 픽셀마다 배치됩니다. 그리고 각 픽셀의 3가지 색상마다 그 아래에 각각을 담당하는 액정이 있고, 그 액정이 빛의 양을 조절해 RGB의 색 농도를 조절합니다. 이렇게 해서 수백만의 다양한 색을 표현하게 되는 원리입니다.

오늘은 LCD가 디스플레이로 작동하는 가장 기본적인 작동 원리에 대해 살펴보았습니다. 다음 시간에는 이러한 기본 원리를 활용한 여러가지 LCD의 구조에 대해서 조금 더 소개해 드리겠습니다.