스마트폰 화면에 쓰이는 액정은 고체와 액체의 중간 성질을 가진 유기분자입니다. 전압에 따라 분자의 배열이 변하여 빛을 조절하는 원리가 무엇인가요?

Question

스마트폰 화면에 쓰이는 액정은 고체와 액체의 중간 성질을 가진 유기분자입니다. 전압에 따라 분자의 배열이 변하여 빛을 조절하는 원리가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

스마트폰이나 텔레비전 화면의 핵심인 액정은 흐르는 성질을 가진 액체와 일정한 방향으로 배열되는 고체의 특성을 동시에 지닌 독특한 유기 분자입니다. 일반적으로 액정 분자들은 가늘고 긴 막대 모양을 하고 있으며, 전압이 가해지지 않은 상태에서는 일정한 규칙에 따라 배열되어 빛을 통과시키는 통로 역할을 합니다.

​액정이 빛을 조절하는 핵심은 편광판과 액정 분자의 비틀림에 있습니다. 액정 패널의 앞뒤에는 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 두 장의 편광판이 서로 직교하는 방향으로 배치되어 있습니다. 전압이 없을 때 액정 분자들은 나선형으로 비틀려 배열되는데, 이때 백라이트에서 나온 빛은 액정 사슬을 따라 방향이 90도 꺾이면서 반대편 편광판을 통과해 우리 눈에 밝게 보이게 됩니다.

​반대로 전압을 가하면 액정 분자들은 전기장의 방향을 따라 수직으로 곧게 일어서게 됩니다. 이렇게 되면 액정의 비틀림 구조가 사라지면서 빛의 방향을 꺾어주지 못하게 됩니다. 결과적으로 빛은 직교 상태인 반대편 편광판에 막혀 통과하지 못하고 화면은 어둡게 변합니다.

​결국 스마트폰은 각 화소에 가해지는 전압의 세기를 미세하게 조절하여 액정 분자가 일어서는 정도를 바꿈으로써 빛의 양을 조절합니다. 이러한 과정을 통해 검은색부터 흰색까지의 명암을 만들어내고, 여기에 컬러 필터를 더해 우리가 보는 선명하고 화려한 영상을 구현하는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 스마트폰 화면에 사용되는 액정은 매우 독특한 물질인데요, 액체처럼 흐를 수 있으면서도, 분자 배열은 어느 정도 규칙성을 가지기 때문에 고체의 성질도 일부 함께 가지고 있습니다. 액정 분자는 보통 길쭉한 막대 형태를 가지고 있고, 분자 자체에 전하 분포의 비대칭성이 있어 전기장에 반응할 수 있습니다. 평소에는 일정한 방향으로 정렬되어 있는데, 여기에 전압이 걸리면 분자들이 전기장의 방향에 맞추어 배열 방향을 바꾸게 됩니다. 스마트폰 화면에서는 빛이 먼저 편광판을 지나며 특정 방향으로 진동하는 편광된 빛이 되며, 그 다음 액정층을 통과하는데, 액정 분자 배열 상태에 따라 빛의 진동 방향이 회전하거나 그대로 유지됩니다. 마지막 편광판에서 빛이 통과할지 차단될지가 결정되면서 화면이 밝게 보이거나 어둡게 보이게 됩니다. 전압이 없을 때는 액정 분자들이 꼬여 있거나 특정 방향으로 배열되어 빛의 편광 방향을 바꾸어 줄 수 있으며, 반대로 전압을 가하면 분자들이 한 방향으로 정렬되면서 빛의 편광 방향을 바꾸는 능력이 달라집니다. 결국 전압으로 분자 배열을 조절하고, 그 배열 변화가 빛의 통과량을 바꾸는 것이 액정 디스플레이의 핵심 원리인데요, 각 화소는 이렇게 빛의 양을 조절하고, 여기에 빨강, 초록, 파랑 색 필터가 결합되면 다양한 색과 영상이 만들어지게 됩니다. 감사합니다.