LCD 액정의 정의

액정이란 액체와 고체의 성질을 함께 가지고 있는 물질로서, 즉 고체의 결정이 갖고 있는 규칙성과 액체의 성질인 유동성을 모두 지닌 액체와 고체의 중간상태에 있는 물질이라는 뜻에서 액정이라 부른다. 액정은 1854년 Virchow가 농도 전이형 액정을 처음 발견한 이래 액정이라는 용어를 사용하게 된 유래는 1888년 오스트리아의 생물학자인 Reinitzer가 콜레스테롤과 관련된 유기물질을 녹이는 과정에서 두 단계로 바뀌는 과정을 발견함으로써 시작되었다. Reinitzer는 이러한 사실을 독일의 물리학자인 Lehmann에게 알렸고, 많은 연구를 거쳐 혼탁한 액체가 다른 액체의 특성과는 달리 고체와 유사한 다소 규칙적인 분자 배열을 갖는다는 것을 알게 되었다. Lehmann은 액체와 같이 유동성을 가지면서 고체와 같은 결정구조를 갖는다는 의미에서 액정이라 명명하게 되었다. 액정물질이 온도의 변화에 따라 상태가 바뀌는 과정을 나타낸다. 일반적으로 물질은 온도가 증가하면 고체에서 투명한 액체로 변하지만, 액정은 온도를 올리면 용융점에서 먼저 불투명하고 혼탁한 액체로 바뀌었다가 더욱 온도를 증가시키면 맑은 액체로 변하게 된다. 유기화합물인 액정은 가늘고 긴 막대 모양이거나 평평한 모양을 하고있는 분자구조이며, 액정은 온도가 증가함에 따라 완전한 규칙성을 가진 고체와 등방성의 액체 중간에 놓이는 상태를 말한다. 따라서 이를 액정상 혹은 중간상이라고 한다. 이러한 액정상은 끈적끈적하고 유동성을 지닌 액체이면서 광학적으로 이방성을 가진 결정을 나타낸다. 액정은 분자의 배향방법에 따라 특수한 배열을 하게 되는데, 배열하는 구조에 따라 스멕틱, 네마틱과 콜레스테릭으로 분류한다. 이와 같은 배열방식에 따른 3가지 액정분자의 구조를 나타내며, 이들에 대해 상세히 기술하면 다음과 같다. 스메틱 액정은 막대기 모양의 액정분자가 규칙적으로 배열하여 층을 이룬 구조를 형성하며, 수직의 장축 방향으로 규칙성을 가지고 평행하게 나열한다. 즉, 한 방향으로 규칙성을 유지한 분자 배열은 분자 축 방향으로 질서 정연하고 층상구조를 갖는다. 분자층 사이에 결합은 매우 약한 편으로 일반 액체에 비해 점도가 크며 끈적끈적한 성질을 가진다. 스멕틱은 희랍어 비누에서 유래하였는데, 이는 처음 발견한 상이 바로 암모늄과 알칼리 비누였기 때문이다. 네마틱 액정은 희랍어 실에서 유래하였으며, 간혹 현미경으로 관찰하면 결함의 모양이 실과 같아 붙여진 이름이다. 약 20,000여종의 화합물에서 네마틱상이 발견되었는데 액정분자의 위치에 대한 규칙성이 없으나 모두 분자축 방향으로 질서를 가지고 배열한다. 따라서 스메틱 액정과 같은 층상 구조를 갖지 않기 때문에 유동적인 액체의 성질에 점도는 비교적 낮은 편이다. 분자의 방향에 있어 상하로 분극이 상쇄되어 강유전성의 성질을 갖지 않는다. 콜레스테릭 액정은 카이랄 화합물에서 형성된 네마틱 상의 일종이며, 이러한 상이 콜레스테롤에서 발견되었기 때문에 붙여진 이름이다. 액정분자의 배열이 스메틱 액정과 같은 층상 구조를 형성하며, 각층의 면에서는 네마틱과 같은 평행 배열을 가진다. 또한 인접한 층 사이에는 분자 축의 배열이 조금씩 어긋나는 형상을 하며, 액정 전체를 보면 나선형의 구조를 나타낸다. 온도에 따라 변화는 온도 전이형 액정에 대해 기술하였지만, 사실 액정의 분자배열구조는 고체의 결정구조와 같이 견고하게 결합되지는 않기 때문에 전기장, 자기장 및 응력 등의 외부 영향에 의해 분자구조가 쉽게 재배열하여 액정의 광학적인 성질이 변화게 된다. 그러므로 이러한 액정의 유연한 성질을 이용하여 디스플레이 장치나 광전소자로 응용하게 된다. 액정 디스플레이의 기본 구조는 2개의 유리기판 사이에 액정물질이 주입하여 만든 것이다. 이와 같이 구성된 LCD에 외부에서 전압을 인가하게 되면 액정의 전기적 및 광학적인 특성이 바뀌게 되고 빛을 차단하거나 통과시키는 스위치와 같은 역할을 하게 된다. 따라서 LCD는 외부에서 입사하는 빛을 이용한다는 점에서 빛의 변조를 이용한 비 발광형 디스플레이로 구분되며, 기존의 다른 디스플레이와는 확연히 다르다고 할 수 있다. 이러한 분자배열의 변화에 의해 LCD는 복굴절성, 선광성, 2색성, 광산란성 및 선광분산 등의 광학적인 성질 변하여 디스플레이의 시각적인 변화를 초래하게 된다. 일반적으로 LCD는 액정표시, 액정표시소자, 액정표시기, 액정표시장치 및 액정표시 패널 등 여러 가지 이름으로 불리고 있다. 액정분자가 외부에서 인가된 전계에 반응하는 특성을 나타내고 있다. 가늘고 긴 액정분자의 양 끝은 양전하와 음전하로 전기 쌍극자이며, 외부의 전계에 의해 액정 쌍극자는 정렬한다. 액정 분자가 설령 쌍극자가 아니더라도 외부의 전계에 영향을 받게 되고, 경우에 따라서는 액정이 전계에 의해 재정렬하여 유도된 쌍극자를 만들게 된다. 분자의 상태는 무게중심과 방향으로 나타낼 수 있는데 고체, 액정 및 액체의 구분은 단위분자의 무게중심과 분자 방향의 규칙성의 정도로 나눌 수 있다. 즉, 액체는 단위분자의 무게중심과 방향이 매울 불규칙적이지만 반면에 고체의 결정은 매우 규칙적인 배열을 하게 된다. 그러나 액정은 단위 분자의 무게중심이 액체와 같이 불규칙하지만 방향의 규칙성은 어느 정도 유지한다. 액정분자들의 배향은 평형상태에서 약간만 벗어나면 원래 상태로 되돌아가려는 복원력이 발생한다.