[퍼온글] 액정(liquid crystall)이란 무엇인가?

액정의 종류


액정 상에서 분자의 배열방법은 3 가지 종류로 크게 분류 된다.

- 스멕틱(Smectic), -네마틱(Nematic), - 콜레스테릭(Cholesteric)

① Smectic 액정

· 막대 모양의 분자가 층 모양의 구조를 형성하여 구성 분자는

서로 평행으로 배열 되어 있다. 층의 면에서는 분자의 위치에

규칙성이 없지만 면에 직각인 방향에는 분자 위치의 규칙성

(positional order) 을 유지하고 분자 축은 전체로서 한 방향을

향한 질서가 있다.

분자 층 사이의 결합은 비교적 약하여 서로 미끄러지기 쉬운

특성을 갖는다. 이 때문에 Smectic 액정은 2차원적 유체의

성질을 나타낸다. 그러나 보통의 액체에 비교하면 점도 매우

높다.


② Nematic 액정

· 막대 모양의 분자가 서로 평행으로 배열하고 있지만 각각의

분자는 장축 방향으로 비교적 자유로이 이동할 수 있으며

층상구조는 존재하지 않는다. 이 때문에 유동성이 풍부하고

점도가 작다.

분자의 방향은 위· 아래가 거의 동등하기 때문에 분극이 상쇄

되어 일반적으로 강 유전성을 나타내지 않는다.


③ Cholersteric 액정

· Smectic 액정과 같이 층상 구조를 형성 하지만 장축의 분자는

면 내에서 Nematic 액정과 유사한 평형 배열을 하고 있다.

인접한 층 사이에서 분자 축의 배열 방위가 약간씩 벗어나 있는

형태이며 액정 전체로서는 나선(helical) 구조를 하고 있다.

Cholesteric 액정은 旋光性, 선택 광 산란, 원 편광 2색성 등

의 광학적 특성이 나선 구조에 의해 나타나게 된다.


각종 액정 재료

액정 재료로서 요구사항은 가열하지 않고 사용할 수 있는 액정, 즉

실온 액정의 합성 이다. 이러한 액정 재료의 합성에 중요한 착안점은


1. 고온에서 저온까지 액정상을 나타내고 폭넓은 온도 범위에서 사용가능할 것.

2. 화학적, 광학적 안정성이 뛰어나고 수명이 길 것.

3. 점도가 작고 고속 응답성일 것.

4. 유전 이방성이 크고 저 전압 구동에 적합 할 것.

5. 복굴절의 크기가 표시 Contrast 의 증가에 적합할 것.

6. 탄성 율의 균형이 다중구동에 적합할 것.

7. 분자배열의 질서도가 높고 표시 Contrast 의 증가에 적합할 것.


LCD의 형태에 따라 사용되는 액정형태, 유전 이방성의 양(+), 음(-),

복굴절의 크기, 첨가제의 필요성 유무 등에 차이가 있다(표 2.1 참조).


1. Blend 액정 재료

LCD에 필요한 모든 성능을 단일 액정 화합물에서 얻기는 어렵다.

따라서 여러 종류를 혼합한 다 성분 Blend 액정을 제조하여 특정

Display 방식에 적합한 기능을 얻게 된다.

LCD 방식에 따라 Blend 액정에 도전 제, 2 색성 염료, Chiral 제

등이 첨가 된다.

다 성분 Blend 에 의해서 액정상의 온도 범위를 확대 시킬 수 있거나

단일 액정이 갖는 성질을 보유하면서 단일 액정이 갖지 않은 성능을

얻을 수 있게 된다.


2. Nematic 액정 재료

(1) 시프염기 계(Schiff bases):

최초의 실온 액정 재료는 P-Metoxy Benzylidyne- P'-Butylaniliden

으로(MBBA) 으로 대표되는 시프염기계 액정 화합물 이다(표2.4).

MBBA 또는 P-Etoxy Benziliden-P'-Butylaniliden(EBBA) 의 동종

액정 화합물은 유전 이방성이 음(Δε ∼ -0.5) 일 때 복굴절 율이

크고(Δn ∼ 0.25) 점도는 중간 정도로 Dynamic Scattering(DS) 형

및 ECB 형의 LCD 에 사용 된다.


TN LCD 에는 Δε > 0 인 양(+) 의 액정 재료가 요구 되어 최초로

사용된 것은 말단기가 시아노 기인 시프 염기계 액정 화합물 이다.

점도는 높으나 유전 이방성이 크기 때문에 ( Δε = 15 ∼ 20)

저 전압 동작에 적합하다. 그러나 수분에 대해서는 불안정 하다.

(2) 안식향상 에스테르 계 :

이 액정 화합물은 벤젠 고리를 에스테르 基로 결합한 분자

구조 이다(표 2.5). 화학적 안정성이 양호하고 Blend 액정

성분으로 각종 방식의 LCD 에 폭넓게 사용 된다.

양쪽의 말단기가 알킬기나 알콕시 기인 액정 화합물은

이 말단기의 약간의 차이로 유전 이방성의 부호가 변하여

ε < 1 이다. 양 말단기가 모두 알킬기인 경우 저 점성이지만

그 외의 경우는 모두 고 점성 이다.

말단기에 시아노기를 갖는 액정 화합물은 Δε > 0 으로

현저하게 크므로( Δε > 20) 저 전압 구동이나 Multiplex 구동

용 액정 재료로 사용 된다.

(3) 비페닐 계와 타 페닐 계:

말단기가 알킬(alkyl)기와 알콕실(alkoxyl)기인 시아노비페닐(cyanobiphenyl)

액정 화합물은 무색이며 화학적 안정성과 광학적 안정성이 우수하다.

각종 방식의 LCD 에 광범위하게 사용되고 있는 대표적인 Np 액정 재료

이다(표 2.6).

시아노비페닐 액정을 실제 사용할 때는 Nematic 액정의 온도범위 확대,

복굴절성의 증대, Multiplex 구동성능의 향상 등을 위한 첨가재인 시아노

타페닐 액정 화합물을 Blend 로서 사용한다.

(4) 시클로헥실칼본산 에스테르 계

시클로헥실카르본산(cyclohexylcarboxylic acid) 에스테르계 액정

화합물은 점도가 비교적 낮고 액정 온도 범위가 비교적 넓은 것이

특징이다. 말단기 Z 가 알킬기나 알콕실기 인 Nn 액정 화합물은

저 점성, Blend 액정의 성분으로 쓰인다.

또한 탄성율이 작기 때문에 Multiplex 구동성능을 향상 시키기 위한

성분으로서도 유용 하다. 말단기가 시아노(cyano) 기인 Np 액정

화합물은 복굴절율이 낮고 유전 이방성이 낮다.



그 외에도 여러 가지 종류의 액정 화합물 재료들이 있다. 이를테면:

(5) 페닐시클로헤산(cyclohexane)계와 비페닐시클로헥산

(biphenylcyclohexane) 계

(6) 피리미딘(pyrimidine:C4H4N2) 계

(7) 시클로헥실(cyclohexyl : C2H12)에탄 계

(8) 시클로헥센(cyclohexene: C6H10) 계

(9) 디플루오르(difluorine) 페닐렌(phenylene) 계

등이 있다.


3. Cholesteric 액정 재료

콜레스테릭 액정 화합물은 표 2.7에 나타낸 것과 같이 콜레스테릭 기

(C27H45-) 를 갖는 콜레스테롤 유도체와 통상의 Nematic 액정 화합물의

말단기로서 2-메틸부틸기(2MB) 나 2-메틸부톡시기(2MBO) 와 같은

광학 활성 분자 알킬기나 알콕시기를 도입한 Chiral Nematic 액정으로

대별 된다.

이들 콜레스테릭 액정은 선광성, 선택광 산란, 원편광 이색성 등의

특수한 광학적 성질을 가지며 그 광학적 성질은 전압 인가나 온도 변화

등으로 예민하게 변화 한다.

콜레스테릭 액정이 갖는 나선비틀림 구조를 직접적으로

이용하는 용도로서 다음 3 가지 역할을 갖는다.

(1) TN 형 LCD 용 Nematic 액정 재료에 미량

(∼0.1wt.%)의 콜레스테릭 액정을 첨가하여

반전 비틀림의 분자배향 결함을 방지 한다.

(2) SBE/STN 형 LCD 용 Nematic 액정 재료에

적당량(∼1wt.%)의 콜레스테릭 액정을 첨가하여

분자 배열의 비틀림 각을 일정 값으로 제어 한다.

(3) 보통의 Nematic 액정에 콜레스테릭 액정을 소량

(∼5wt.%) 첨가하여 PC 형 LCD용의 긴 나선

피치를 갖는 액정 재료를 만든다.

4 Smectic 액정 재료

일차원적 유체인 Nematic 액정에 비하면 Smectic

액정은 층상 구조이기 때문에 유동성 문제가 있어

외부의 영향을 받지 못한다.

그러나 2 차원적으로는 유체로 간주할 수 있는

Smectic A(SA) 액정과 Smectic C(SC) 액정 및

Chiral smectic C(SC*) 액정 등은 전기장, 자기장,

열 등의 외부에 비교적 반응하기 쉽다.

이 재료들의 전기광학 효과나 열 광학 효과는

대용량 Display 나 Memory 형 Display, 고속 광

스위치 등의 구동에 이용되고 있다.