LCD 동작원리와 동작방식

LCD의 동작원리와 동작방식에 대해 알아보겠습니다. 

 

LCD는 액정 디스플레이(liquid crystal display)의 약자입니다. 크리스탈은 원자가 식염(결정질 고체) 또는 동굴에서 찾을 수 있는 시원해 보이는 크리스탈 "암석"과 같이 높은 수준의 순서로 배열되는 고체입니다.

 

 

식용 소금의 클로즈업. 소나트륨과 염소 원자가 질서 정연하게 배열

다른 결정체는 동일한 작업을 수행하지만 결정마다 모양이 다를 수 있습니다.

 

 

동굴에서 발견될 수 있는 것과 유사한 암석 결정.

결정체의 분자는 질서 정연하게 배열됩니다.

 

 

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액정은 액체처럼 흐르지만 결정질 고체와 마찬가지로 분자 수준에서 높은 수준의 질서로 포장되는 물질입니다.

분자는 대부분 유기물이며(디스플레이를 뜯어서 먹으라고 제안하는 것은 아니지만!) 신체의 세포를 포함하여 많은 곳에 나타납니다. LCD 화면에 유용한 것은 전기적 및 광학적 특성입니다.

 

 

관심 액정 분자는 막대 모양이며 전기적으로 분극됩니다. 액정은 빛을 편광시킬 수 있지만 특정 평면에서 이동하는 광파를 변경하는 능력에 대해 이야기하는 것이 아닙니다.  분자가 다른 영역보다 특정 영역에서 더 많은 전자를 가지고 있어 분자 쌍극자(일종의 전하와 같은)를 제공하고 전기장이나 전압으로 방향을 제어할 수 있도록 합니다.

 

일반적인 액정 분자.

 

빨간색 영역은 전자 밀도가 높고 파란색 영역은 전자 밀도가 낮아 분자를 전기 쌍극자로 만듭니다.

 

 

LCD 작동 방식 - 빛 편광

LCD 화면은 빛의 편광에 의존하여 작동하며 빛(또는 모든 전자기파)은 편광될 수 있습니다.

이를 시각화하기 위해 손에 밧줄을 들고 흔들기 시작한다고 상상해 보십시오. 파도가 형성되어 로프를 따라 이동합니다. 손목을 돌리거나 로프를 다른 방향으로 흔들지 않는다고 가정하면 한 평면에 있을 것입니다. 로프를 따라 파도가 이동하는 평면은 아래 그림에서 볼 수 있듯이 수직 또는 수평일 수 있습니다.

 

 

 

(a)의 파동은 수직이고 (b)의 파동은 수평입니다.

그림의 파동은 빛과 다른 모든 전자기파와 마찬가지로 횡파입니다.

 

 

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두 경우 모두 파동이 한 평면에 있기 때문에 로프를 따라 파동이 선형 편광을 갖는다고 말할 수 있습니다.

이제 슬릿이 있는 파도의 경로에 장애물을 놓았다고 가정해 보겠습니다. 슬릿이 수직이면 수평파가 슬릿을 통과하지 않습니다. 마찬가지로 슬릿이 수평이면 수직파가 통과하지 않습니다. 수직 슬릿이 있는 장애물과 수평 슬릿이 있는 장애물 두 개를 사용하면 둘 다 통과하지 못합니다. 

 

 

 

(a)에서는 수직 편광파가 통과하고 부분 (b)에서는 수평 편광파가 통과하지 못하는데, 이는 슬릿의 방향이 허용하지 않기 때문입니다. 두 로프 모두 선형으로 편광된 파동을 가지고 있는데, 어느 쪽이든 파동이 한 평면에만 있기 때문입니다. 빛은 밧줄처럼 파동으로 이동하기 때문에 편광할 수 있습니다.

 

 

 

90도 각도의 편광 선글라스 두 쌍. 겹치는 곳에는 빛이 통과하지 않습니다.

수직 및 수평으로 편광된 광파가 모두 차단되기 때문입니다.

 

 

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LCD의 작동 원리 

 

LCD 디스플레이의 일반적인 유형

 

반사형 LCD 화면은 주변광이 레이어를 통과한 다음 화면을 통해 다시 시청자에게 반사되는 데 의존합니다. 이러한 유형의 LCD에서 마지막 레이어(레이어 6)는 거울이므로 화면으로 들어오는 빛이 다시 반사됩니다. 빛은 화면의 레이어 1-5를 두 번 통과해야 하기 때문에 일부 빛은 "손실"됩니다.

 

투과형 LCD는 미러가 아닌 백라이트를 사용합니다. 백라이트는 아래 그림의 레이어 6에 해당합니다. 이 경우 빛은 스크린 레이어를 한 번만 통과하면 됩니다. 투과형 LCD 디스플레이는 외부 광원이 좋지 않은 곳에서 보기에 적합합니다. 단점은 백라이트가 전체 화면의 전력 소비에 비해 상당한 양의 전력을 소모한다는 것입니다. 최신 제품은 LED 백라이트를 사용하여 전력 소비를 줄여 배터리 수명을 절약합니다. 많은 소형 최신 LCD는 투과형입니다.

 

반투과형 LCD 디스플레이는 위의 두 가지를 혼합한 것이며 주변 조명 조건에 따라 빛을 반사하고 백라이트에서 빛을 투과할 수 있는 레이어 5와 6 사이에 특수 폴리머를 사용합니다. 이들은 종종 자동차와 같이 주변광이 가변적인 상황에서 집을 찾습니다.

 

 

 

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일반적인 LCD 화면의 레이어

 

 

LCD 분석

LCD화면의 첫 번째 레이어는 일반적으로 편광 필터입이며  빛을 수직으로 편광합니다. 다섯 번째 층은 비슷하지만 빛을 수평으로 편광합니다. 모든 방향으로 향하는 광파가 첫 번째 레이어에 들어가면 수직 방향의 파동만 통과하여 다음 레이어로 들어갑니다.

 

다음으로 레이어 2, 전극 레이어가 있습니다. 전극은 영리한 재료 과학 덕분에 대부분 투명합니다. 이는 빛이 디스플레이를 방해하지 않도록 통과할 수 있어야 하기 때문입니다.

 

LCD 제조업체는 이 레이어에 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용합니다. LCD에 표시하려는 모양으로 표면에 ITO를 증착합니다.

 

레이어 3은 액정 자체이며 트위스트 네마틱(또는 줄여서 TN)은 전기장이 없을 때 액정 분자의 정렬을 나타내는 한 유형입니다. 이 상황에서 이 물질은 나선형 모양을 형성하고 통과하는 빛을 90도 편광할 수 있습니다. 전기장 또는 전압이 존재하면 재료가 풀리고 이로 인해 분극이 없습니다. 즉, 전압을 가할 때 빛을 편광하지 않습니다.

 

이로 인해 통과하는 빛은 전면 수직 편광 필터(레이어 1)와 수평 편광 필터(레이어 5)의 상호 작용에 의해 차단됩니다. 따라서 이제 화면의 문자가 표시됩니다. 전기장의 강도를 변화시키면 밝기가 달라집니다. 

 

 

작동 중인 LCD의 모습.

 

 

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그림의 중간 부근에서 빛이 모든 방향(따라서 별 모양)에서 첫 번째 편광판으로 들어오고 수직 편광으로 나가는 것을 볼 수 있습니다.

또한, 그림의 이 부분은 LC 분자가 전기장으로 인해 정렬되어 빛이 두 번째 편광판을 계속 통과하지 않는다는 것을 보여줍니다. 오히려 그림의 상단에서 '2'의 세그먼트가 어둡게 표시되어 보는 사람이 볼 수 있습니다. 전기장이 없을 때 LC 분자는 꼬인 배열에 있습니다. 이 때문에 빛을 다시 한 번 회전시켜 두 번째 편광판으로 통과시킵니다. 그런 다음 거울은 빛을 관찰자에게 다시 반사하여 '2'의 세그먼트가 선명하게 보이도록 하여 거의 보이지 않게 합니다.

 

꼬인 네마틱 디자인은 초기 LCD 디스플레이에는 괜찮았지만 TN 소재에는 몇 가지 문제가 있습니다. 반응이 좋지 않고 명확한 작동 임계값이 없습니다. 따라서 어떤 경우에는 전기장이 액정을 정렬하도록 강제하지만 다른 경우(예: 다른 온도) 동일한 전기장이 정렬되지 않을 수 있습니다.

 

STN(Super-Twisted Nematic) 액정을 입력합니다.

원래 화신은 반응이 약간 느리지만 편광 꼬임은 TN 액정보다 큽니다. 이 유형은 TN보다 개선되었지만 이후 더 나은 버전이 출시되었습니다.

여기에는 FSTN- 및 FSTN+가 포함되며 여기서 F는 필터링됨을 나타냅니다. 이러한 변형은 STN 액정과 후면 편광판 사이에 추가 층을 사용합니다. 이렇게 하면 화면의 대비와 선명도가 향상됩니다.

 

마지막으로, 컬러 LCD는 적색, 녹색 및 청색(RGB) 컬러 필터는 픽셀을 사용하여 컬러 이미지를 생성합니다. 

 

 

요약

• LCD는 액정 디스플레이를 의미합니다.
• 대부분의 LCD는 광 편광에 의존하여 작동합니다.
• 고체 결정의 분자는 질서 정연하게 배열됩니다. 식용 소금은 일반적인 결정질 고체의 좋은 예입니다.
• 액정은 액체와 결정질 고체의 특성을 모두 가지고 있으며 빛을 편광할 수 있는 유기 분자입니다. 또한 전기장으로 제어할 수 있는 전기 쌍극자가 있습니다.
• LCD 디스플레이에는 3가지 일반적인 유형이 있습니다. 반사 디스플레이는 주변광을 사용하고  투과형 스크린에는 백라이트가 있습니다. 반투과형 디스플레이는 두 가지가 혼합된 형태입니다.
• 일련의 레이어가 LCD 디스플레이를 구성합니다. 
• 전압은 액정 분자의 전기 쌍극자로 인해 LCD에서 액정 물질의 방향을 제어합니다. 쌍극자는 분자의 한 영역에 전자가 풍부하여 전기적 특성을 부여하는 것입니다. 이것은 편광판과 결합되어 빛이 통과하거나 통과하지 않도록 하여 화면에 표시되는 문자(있는 경우)를 제어합니다.
• 픽셀은 화면에서 제어 가능한 가장 작은 요소이며 작은 사각형 모양입니다. 그룹화되고 특정 패턴으로 켜지면 의미 있는 그림을 형성할 수 있습니다.
• 컬러 LCD는 레이어 외에도 컬러 필터 또는 컬러 픽셀을 사용합니다. 컬러 픽셀은 실제로 하나에 3개의 픽셀이며 세 개의 "미니 픽셀"은 빨간색, 녹색 및 파란색입니다. 특정 픽셀 내에서 각 색상 "미니 픽셀"의 강도를 변경하여 가능한 모든 색상을 표시할 수 있고 화면의 사양에 따라 수천만 개에 달할 수 있습니다. 이와 같은 디스플레이는 일반적으로 TV, 컴퓨터 및 전화기에서 찾을 수 있습니다. 다른 더 작고 단순한 LCD 화면은 종종 단색(일반적으로 검은색 또는 회색의 한 가지 색상을 의미함)이거나 제한된 수의 색상만 표시할 수 있습니다.
• 최신 LCD 기술로는 박막 트랜지스터(TFT), 평면 스위칭(IPS) 및 콜레스테릭 LCD(ChLCD)가 있습니다.
• OLED 및 퀀텀닷과 같은 다른 신기술은 결국 많은 LCD 디스플레이를 대체할 수 있지만 현재로서는 LCD가 여전히 가장 일반적이고 가장 저렴한 디스플레이입니다.