▲ 사진: 경북대 전자공학부 김학린 교수

극한의 고온과 저온 환경에서도 안정적으로 작동하는 액정디스플레이(이하 LCD, Liquid Crystal Display) 개발 연구를 용이하게 할 수 있는 액정 물성 모델링 기법이 발표됐다.

경북대 전자공학부 김학린 교수팀은 온도에 따라 변하는 액정의 전기·광학적 물성(물리적 성질) 양상을 설명할 수 있는 ‘물리해석적 물성 모델링 기법(six-parameter dielectric permittivity model)’을 개발했다.

LCD 핵심 소재인 액정은 주변 온도에 민감해 계조(명암의 자연스러운 변화 표현) 특성, 명암대비비, 응답 속도 등 디스플레이 특성이 동작 온도 조건에 따라 영향을 받는 문제점을 가지고 있다. 실내환경에서 주로 사용되는 모니터나 TV, 사용자가 휴대하는 스마트폰과는 달리 자동차용 LCD는 고온과 저온 환경에서도 안정적으로 작동해야 한다.

폭넓은 동작 온도 범위에서 안정적 영상 표시가 되는 LCD 패널 개발을 위해서는 온도 변화에 따라 민감하게 변하는 액정의 전기·광학적 물성 특성을 사전에 평가, 이러한 온도 의존성을 보상해 설계해야 한다. 액정의 광학적 특성에 대한 모델링 연구는 보고된 바 있으나 전기적 특성인 온도에 따른 액정 유전율(물질의 전기적 성질) 변화에 대한 모델링 연구는 정확도가 높지 않았다.

김 교수팀은 온도에 따른 분자 밀도 변화와 액정 분자 유전율 상전이 특성, 분자 질서도 변화 등 액정 유전율의 온도에 따른 변화 특성을 주요 변수로 고려해 ‘물리해석적 물성 모델링 기법(six-parameter dielectric permittivity model)’을 제시했다. 이를 통해 저온영역으로는 액정의 녹는 온도점(Tm)부터 고온 영역으로는 네마틱-등방상 상전이 온도점(TNI)※까지 전 동작 온도 영역에 대해 온도에 따른 액정 유전율 물성치(물질의 물리적 성질을 나타내는 값) 변화 특성을 모델링할 수 있었다.

※ 네바틱-등방상 상전이 온도점(TNI) : 액정 분자가 일축성 방향 질서도를 가지고 있어서 편광 변조가 이루어지는 복굴절 광학 효과를 가지는 상태를 네마틱상이라 하며, 일정 온도 이상의 상전이 후에는 액정의 네마틱상이 사라져 복굴절이 없는 등방성 유체 상태가 된다. 이러한 상전이 온도를 네마틱-등방상 상전이 온도점이라 한다.

특히, 이번 연구는 급격한 물성 변화를 나타내는 네마틱-등방상 상전이 온도점 근방의 온도에 따른 액정 유전율 변화 특성 또한 높은 정확도로 모델링 가능하다는 측면에서 의의가 있다.

김 교수는 “이번 모델링 기법 제시로 극한의 저온 또는 고온 환경에서도 사용 가능한 액정 신물질 합성 연구와 폭넓은 온도 영역에서 안정적 동작이 가능한 LCD 패널 설계를 위한 온도 보상 설계 연구 과정이 훨씬 용이해질 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

이 연구 결과는 영국왕립화학회에서 발간하는 국제 전문학술지인 ‘물리화학·화학물리(Physical Chemistry Chemical Physics)’ 8월호 표지 논문으로 게재됐다.