전자계산기부터 시작해 모니터, 노트북, PMP, MP3, 휴대전화, 그리고 TV까지 LCD는 곳곳에서 쓰이지 않는 곳이 없을 만큼 보편화된 디스플레이 패널이다. 지난 1세기 동안 CRT 방식의 브라운관 TV가 안방을 잠식했으나 LCD는 1973년 샤프전자의 소형 탁상계산기를 시작으로 다양한 제품에 사용되기 시작했다. 얇은 두께 탓에 TV 이외의 여러 기기에 사용될 수 있었고 그 결과 우리 생활에서 빼놓을 수 없는 핵심 디스플레이 기술로 발전하기에 이르렀다.

액정 분자 구조로 빛을 조절

그렇다면 LCD는 어떠한 원리로 동작하는 것일까? LCD에 대해 이해하기 전에 먼저 액정(Liquid Crystal)에 대해 이해해야 한다. 액정은 고체와 액체의 중간상태로 돼 있으며 이 액정의 전기성질을 표시장치에 응용한 것이 바로 LCD다. 액체와 같은 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정과 같이 규칙적으로 배열되는 과정(복굴절)을 통해 빛을 조절하고 내보내는 것이다.

◇ 액정 패널의 구조 [사진 = 삼성 SDI 홈페이지]

◇ 액정 패널의 구동원리 [사진 = 삼성 SDI 홈페이지]

액정 분자는 길쭉한 형태로 되어 있고 방향에 따라 굴절율이 달라지는데, 이렇게 하나 이상의 굴절율을 갖는 것을 복굴절이라 한다. 전기장과 자기장으로 구성되는 빛을 편광판에 투과하면 특정 방향의 빛만 투여되는데, 이렇게 투여된 빛이 배향막을 거치면 액정 분자의 위치를 틀어버리게 된다. 여기에 전압을 넣으면 액정 분자가 한 방향으로 배열해 빛을 차단하게 되고 전압을 막으면 전압 방향에 따라 액정이 나선형으로 배열돼 빛은 액정의 나선형 방향을 따라 흘러서 투과될 수 있다. 두 장의 편광판으로 액정의 정렬 상태를 조절해 빛의 양을 조절하는 것이 LCD의 기본 원리이다.

◇ 전압의 작용에 따른 분자의 움직임 [사진 = 구미세관 홈페이지]

액정의 분자 구조가 빛을 보내는 문의 역할을 한다면 빛을 내기 위해서는 형광등이 필요하다. 일반적으로 CCFL(냉음극형광램프)을 사용하지만 최근에는 밝기와 전력 효율이 우수한 LED 백라이트 유닛(BLU)을 사용하는 추세다. 백라이트 유닛으로 빛을 만들고 거기에 컬러 필터를 덧대어 RGB 3원색을 만들어 편광판과 액정을 통과시켜 다양한 색상의 빛을 만든다.

최근에는 RGB 3원색을 이용한 LED를 개선한 화이트 LED가 새롭게 등장해 LED TV의 대중화를 앞당기고 있다. 화이트 LED는 LED 칩 개수를 기존의 1/3가량 줄일 수 있어 생산 단가를 40% 절감할 수 있다.

 ◇ 기존 LED  방식과 화이트 LED 방식의 비교.
화이트 LED 방식이 훨씬 적은 수의 LED 칩을 사용한다.

LCD 패널의 종류

LCD 패널은 크게 TN(Twisted Nematic), VA(Vertical Alignment), IPS(In-Plane Switching) 방식으로 나눠진다. PC용 모니터는 TN 방식이 많지만 TV는 VA 방식과 IPS 방식을 선호한다. PC용 모니터와 TV에 따라 패널을 구분하는 것은 주 사용 용도가 정지영상 재생과 동영상 재생으로 나눠지기 때문이지만 모니터와 TV의 구분이 점차 모호해지는 탓에 최신 모니터들의 경우 IPS 방식을 많이 사용한다.

TN 방식은 구동 전압이 낮고 제조 단가가 저렴하다는 장점이 있지만 시야각이 좁고 색상과 휘도의 변화가 일정치 않아 정교한 영상을 만들지 못한다. 점점 사용 빈도가 줄어들고 있는 방식이다. VA 방식은 색상이 자연스럽고 명암비가 가장 높지만 시야각이 좁고 응답속도가 느리다는 단점이 있다. IPS 방식의 경우엔 색상, 계조에 걸쳐 균일한 응답속도를 나타내고 시야각이 넓지만 명암비와 휘도가 높지 않다는 단점이 있다.

◇ PVA 패널을 채택해 명암비가 높은 삼성 LCD TV 크리스털 로즈

삼성과 소니의 경우 VA 패널의 단점을 보완한 PVA(Patterned Vertical Alignment) 패널을 사용해 시야각에 따라 색상이 달라지는 문제를 개선했으며 LG는 IPS 패널의 단점을 보완한 S-IPS(Super In-Plane Switching) 패널을 사용해 명암비와 휘도를 개선하고 응답속도를 높였다.

다나와 이상훈 기자 tearhunter@danawa.com