액정

1. 개요

액정은 특정 온도 범위에서 유동성을 가지면서 광학적 이방성을 나타내는 물질 상태를 의미한다. 1888년 프리드리히 라이니처에 의해 처음 발견되었으며, 조르주 프리델에 의해 네마틱, 스멕틱, 콜레스테릭 상으로 분류되었다. 액정은 열방성 액정과 유방성 액정으로 분류되며, 분자 모양에 따라 칼라미틱, 디스코틱 액정 등으로 나뉜다. 액정은 외부 자극에 민감하게 반응하며, 전기장, 자기장, 온도, 압력 등에 따라 분자 배열이 변화한다. 이러한 특성을 활용하여 액정 디스플레이(LCD), 액정 온도계, 액정 렌즈 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 생체막과 세포막과 같은 생명 시스템에도 존재한다.

2. 역사

1888년, 오스트리아의 식물생리학자 프리드리히 라이니처는 콜레스테롤 유도체에서 액정을 발견하였다. 라이니처는 콜레스테릴 벤조에이트가 두 개의 녹는점을 가지며, 145.5°C에서 흐릿한 액체로, 178.5°C에서 투명한 액체로 변하는 현상을 관찰했다. 이는 원편광의 반사, 빛의 편광 방향을 회전시키는 능력과 함께 콜레스테릭 액정의 중요한 특징으로, 오토 레만이 1904년에 명명했다.

1920년대에는 조르주 프리델이 액정을 네마틱, 스멕틱, 콜레스테릭 액정으로 분류하였다.

1960년대에 들어서 콜레스테릭 액정을 이용한 온도 분포 시각화 등 응용 연구가 시작되었고, 1968년 RCA의 조지 H. 하일마이어가 액정 디스플레이를 발표하면서 응용 연구가 급속히 발전하였다. 1969년에는 상온에서 네마틱 상을 갖는 물질인 N-(4-메톡시벤질리덴)-4-부틸아닐린(MBBA)이 합성되었다.

1991년, 피에르 질 드 젠은 액정 연구로 노벨 물리학상을 수상하였다.

한국에서는 1970년대부터 액정 연구가 본격적으로 시작되었다. 특히 디스플레이 산업을 중심으로 발전하여 세계적인 기술 경쟁력을 확보하였다. 일본에서는 1975년 일본화학회 제33회 추계 연례회 연합 토론회 합동 대회에서 응용물리학회와 일본화학회의 공동 주최로 액정 토론회가 개최되었다.

3. 액정의 분류

액정은 크게 열방성 액정(Thermotropic Liquid Crystal^영어)과 유방성 액정(Lyotropic Liquid Crystal^영어)으로 분류된다. 열방성 액정은 온도 변화에 따라 분자 구조가 변하는 반면, 유방성 액정은 온도 외에 다른 요인에 의해서도 변하는 성질을 가지고 있다. 전자는 온도전이형, 후자는 농도전이형이라고도 불린다.

분자 모양에 따라서도 액정을 분류할 수 있는데, 길쭉한 분자로 이루어진 액정을 칼라믹 액정, 원반 모양의 분자로 이루어진 액정을 디스코틱 액정이라고 한다.

액정상(중간상)은 질서의 유형으로 특징지을 수 있다. 분자들이 규칙적인 격자로 배열되어 있는지(위치 질서), 분자들이 같은 방향을 향하고 있는지(배향 질서)에 따라 구분한다. 액정은 배향 질서를 가지지만, 위치 질서는 부분적이거나 완전히 없을 수 있다.

대부분의 열방성 액정은 고온에서 등방성 상을 갖는다. 가열하면 무작위적인 분자 질서와 유체와 같은 흐름을 보이는 액체 상으로 전이된다. 저온에서는 액정이 유동성을 유지하면서 비등방성 배향 구조와 단거리 배향 질서를 갖는 상을 가질 수 있다.

액정의 질서는 마이크로미터 정도의 도메인 크기까지 확장될 수 있지만, 거시적 규모까지는 확장되지 않는다. 그러나 경계나 전기장과 같은 기술을 사용하여 거시적 액정 샘플에서 단일 정렬 도메인을 강제할 수 있다.

3.1. 네마틱 (Nematic) 상

네마틱 액정은 위치 질서 없이 분자들이 한 방향으로 정렬된 액정의 한 종류이다. 액체처럼 유동성이 있지만, 분자들의 평균 방향은 배향 벡터(Director)라고 불리는 n 벡터로 나타낼 수 있다.

"네마틱"이라는 명칭은 프리델이 명명했으며, 그리스어의 “실”에서 유래했다. 네마틱 액정을 현미경으로 관찰하면 실 모양의 구조가 보이기 때문이다.

막대 모양 분자들이 한 방향으로 정렬되어 굴절률과 유전율이 방향에 따라 다르다. N 액정은 광학적으로 단축성을 띈다.

외부 전기장에 의해 쉽게 분자 배열이 변하고, 전기장이 사라지면 원래 상태로 복귀하는 특성이 있다. 이러한 특성을 이용하여 액정 디스플레이에 활용된다.

3.1.1. 카이랄 네마틱 (Chiral Nematic) 상

Chiral Nematic^영어 상은 콜레스테릭 액정이라고도 불리며, 분자 배열이 나선형 구조를 이루는 네마틱 액정의 일종이다. 콜레스테릭이라는 명칭은 콜레스테롤 유도체에서 처음 발견되었기 때문에 붙여졌다. 카이랄 네마틱 액정은 열역학적으로 네마틱 액정과 동일하므로, 네마틱 액정의 일종으로 분류된다.

카이랄 네마틱 상은 분자축이 배향자와 평행하면서, 배향자에 수직인 방향으로 꼬여 나선형 구조를 이룬다. 이러한 꼬임은 주로 분자 내부에 포함된 비대칭 탄소 때문에 발생하지만, 최근에는 비대칭 탄소를 포함하지 않는 벤드코어 분자로 구성된 액정에서도 거시적인 카이럴성이 발견되기도 한다. 인접한 분자 간의 비틀림은 비대칭적인 충진으로 인해 발생하며, 이는 장거리 카이랄 질서를 유발한다.

카이랄 피치(p)는 액정 분자가 360° 완전히 비틀리는 거리를 의미한다. 이 피치는 온도 변화나 다른 분자의 첨가에 따라 변하며, 적절히 조절할 수 있다. 일부 액정 시스템에서는 피치가 가시광선의 파장과 같아져, 브래그 반사와 같은 독특한 광학적 특성을 나타내기도 한다. 예를 들어, 빛이 나선축을 따라 입사하면 가장 낮은 차수의 반사만 허용되고, 사입사의 경우 고차 반사가 허용된다. 또한, 콜레스테릭 액정은 나선축을 따라 입사하는 원편광을 반사하고, 사입사하는 경우 타원 편광을 반사한다.

카이랄 네마틱 액정은 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 성질(선택 반사)을 가지는데, 이는 나선 주기에 평균 굴절률을 곱한 파장의 빛을 반사하기 때문이다. 왼쪽으로 감긴 나선 구조는 왼쪽 원편광만을 반사하고, 오른쪽 원편광은 투과시킨다. 반대로 오른쪽으로 감긴 나선 구조는 오른쪽 원편광만을 반사한다. 이러한 선택 반사가 가시광선 영역에 있으면 액정은 색깔을 띠게 되며, 이를 이용한 것이 액정 온도계이다.

3.2. 스멕틱 (Smectic) 상

스멕틱 액정은 적어도 1차원적인 중심성 구조를 가지며, 층상 구조를 가지는 액정이다. "스멕틱"이라는 단어는 "청소" 또는 "비누와 같은 성질"을 의미하는 라틴어 "smecticus"에서 유래했다. 스멕틱 액정의 한 예로는 p,p'-디노닐아조벤젠이 있다.

스멕틱(Sm) 상은 1차원적인 중심의 주기 구조(층 구조)를 가지며, 층 내의 분자 배치에 따라 SmA, SmB, SmC 등 여러 상태로 분류된다.

* SmA 상: 1차원적인 주기 구조를 가지지만, 층 내에는 질서가 없는 2차원 액체 상태이다. 분자 장축이 층 법선 방향을 향하고 있다.
* SmC 상: SmA 상과 같이 층 내에는 질서가 없는 2차원 액체 상태이나, 분자 장축이 층 법선에 대해 유한한 기울기 각을 가지고 있다.
* SmC_A 상: 기울기 방향이 층을 넘어서는 동일하지만, 층마다 반대 방향으로 기울어지는 상이다.
* 헥사틱(Hexatic) 상: 1차원적인 주기 구조 외에, 층 내에서 분자는 육방 대칭의 배열을 하고 있다. 육방 대칭의 격자 방위는 장거리 질서를 가지지만, 분자의 무게중심 위치에 대해서는 단거리 질서만 존재한다. 이러한 구조는 육각형 격자 안에 5각형과 7각형의 격자가 조합된 결함이 존재함으로써 만들어지고 있다. SmB_HEX, SmF, SmI 상 등이 여기에 해당된다.
* SmB_HEX 상: 분자 장축이 층 법선에 평행하다.
* SmF 상: 분자는 제2 인접 분자 방향으로 기울어져 있다.
* SmI 상: 인접 분자 방향으로 기울어져 있다.
* Cry 상: 층 내에서도 육방격자를 이루고 있으며, 분자의 질량중심 위치에도 3차원적인 질서가 있다. 과거에는 Sm 상으로 분류되었으나, 2001년 IUPAC 권고 이후 Cry 상으로 불리게 되었다. 완전한 결정과의 차이는 분자 장축 주위의 회전이 멈추지 않았다는 것이다.
* CryB 상: 분자가 층 법선 방향을 향하고 있다.
* CryG 상, CryH 상: 분자가 상 법선에서 기울어져 있다.
* CryE, CryJ, CryK 상: 층 내 배열이 직사각형 격자를 이루고 있으며, 분자의 배열은 엇갈린(矢筈)형 구조를 이루고 있다.
* CryE 상: 분자가 층에 대해 수직이다.
* CryJ 상, CryK 상: 분자가 층에 대해 기울어져 있다.

장성한 스멕틱 액정구조(분자가 기울어진 층상 구조를 가지는 액정구조)에서 분자간 전기 쌍극자의 정렬이 일어나면 거시적인 자발분극이 생겨서 강유전성이 발생되는 경우가 있다. 강유전성 액정의 특징은 고속 전기장 응답속도(일반적으로 1ms 이내)나 메모리 효과(전기장이 없어도 분자 배향이 유지됨)가 있다. 이 고속 응답속도를 이용한 강유전성 액정 디스플레이(Ferroelectric Liquid Crystal Display^영어)를 일시적으로 캐논에서 판매하였다. (1995년 ~ 1999년)

비대칭 탄소를 포함하는 분자로 이루어진 SmA 상에서는 일반적으로 비대칭 구조에 의한 꼬임은 Sm 상의 층 구조에 의해 억제되어 키랄성이 없는 SmA 상과 구별이 되지 않는 상태가 된다. 특히 비대칭 탄소를 포함한 상태임을 나타내는 경우에는 SmA^* 상으로 표기하는 경우가 있다.

* TGBA^* 상: SmA^* 상의 고온측 상과의 전이점 근방에서 층 구조가 부드럽고, 또 분자의 꼬임력이 강한 경우에, 층 구조에 주기적으로 나선형 전위가 발생하여 층이 꼬이는 구조가 되는 상태이다.
* TGBC^* 상: SmC 상의 층이 꼬인 상이다.

많은 화합물에서 SmC 상에 비대칭 구조를 도입하면, 층의 비틀림이 발생하지 않고, 분자의 기울기 방향이 층마다 회전하는 상태가 된다. 이 상태를 SmC^* 상이라고 한다.

SmC^* 상은 그 대칭성으로부터 강유전성을 나타낼 수 있는 것으로 알려져 있다. 전형적인 SmC^* 강유전성 액정에서는, 분극은 층 내에서 분자의 기울기와 수직인 방향으로 발생한다.

* SmC_α^* 상: SmC^* 상의 고온 쪽에 나타나는 상으로, 수 분자 정도의 짧은 나선 구조를 취하고 있다.
* SmC_A^* 상: 기울기 방향이 1층마다 반전하고, 수백 nm 정도의 나선 주기를 갖는 상으로, 반강유전성 상으로 알려져 있다.

3.3. 컬럼너 (Columnar) 상

원반형 분자들이 기둥(Column) 모양으로 배열된 액정상이다. 이 분자들은 중심 위치에 1차원 주기 구조를 갖는 스멕틱 액정(Sm 액정)과는 다르게, 칼럼 내 분자의 질량중심 위치에는 규칙성이 없다는 점에서 완전한 결정과 구별된다. 이러한 칼럼들은 2차원적인 주기 구조를 형성하며, 격자의 종류에 따라 다음과 같이 분류된다.

원반형 액정 분자와 마찬가지로, 원추형 액정 분자 또한 칼럼 상을 형성할 수 있다. 비극성 네마틱, 극성 네마틱, 스트링빈, 도넛, 양파상과 같은 다른 상들도 예측되었으며, 비극성 네마틱을 제외한 원추형 상들은 극성 상이다.

3.4. 기타 액정 상

블루상(Blue phases)은 카이랄 네마틱 상과 등방성 액체 상 사이의 온도 범위에서 나타나는 액정 상이다. 블루상은 수백 나노미터의 격자 주기를 갖는 결함의 규칙적인 3차원 입방 구조를 가지며, 따라서 입방 격자에 해당하는 가시광선 파장 범위에서 선택적인 브래그 반사를 나타낸다. 1981년 이러한 상들이 준결정과 유사한 이십면체 대칭을 가질 수 있다는 것이 이론적으로 예측되었다.

블루상은 고속 광 변조기 또는 조정 가능한 포토닉 결정에 관심을 끌고 있지만, 매우 좁은 온도 범위(보통 몇 켈빈 미만)에서만 존재한다. 최근에는 실온(260–326 K)을 포함한 60 K 이상의 온도 범위에 걸쳐 블루상을 안정화하는 것이 입증되었다. 실온에서 안정화된 블루상은 10⁻⁴ s 정도의 응답 시간으로 전기광학적 스위칭을 허용한다. 2008년 5월 최초의 블루상 모드 LCD 패널이 개발되었다.

주기적인 입방 구조를 가지고 가시광선 파장 범위에 밴드갭을 갖는 블루상 결정은 3차원 포토닉 결정으로 간주될 수 있다. 대량으로 이상적인 블루상 결정을 생산하는 것은 여전히 문제가 되는데, 생산된 결정은 일반적으로 다결정(판상 구조)이거나 단결정 크기가 제한적(마이크로미터 범위)이기 때문이다. 최근에는 다양한 제어된 결정 격자 방향으로 대량의 이상적인 3차원 포토닉 결정으로 얻어진 블루상이 안정화되어 생산되었다.

N\*상과 등방상 사이에 N\*상이 아닌 중간상이 나타나는 경우가 있다. 이 상태도 배향 벡터 방향의 꼬임 구조를 가지지만, N\*상과 달리 여러 방향으로 꼬이는 이중 원통 구조이다. 이 상이 연구 초기 발견되었을 때 청색을 띠었기 때문에 블루상이라고 불리게 되었지만, 모든 블루상이 청색으로 발색되는 것은 아니다. 세 종류의 블루상이 존재하는 것으로 알려져 있다.

4. 액정의 특성

액정은 액체(Liquid^영어)의 유동성과 결정(Crystal)의 이방성이라는 특징을 모두 가지고 있다. 1960년대에는 '액체 수정'이라고 불리기도 했다. 액정은 분자 배열의 규칙성에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

* [[네마틱 액정]]: 막대 모양 분자들이 평균적으로 같은 방향으로 정렬되어 있지만, 분자 위치는 불규칙하다. 유동성이 있으며, 외부 전기장에 의해 쉽게 분자 배열을 바꿀 수 있다. 액정 디스플레이에 활용된다.
* [[스멕틱 액정]]: 1차원 주기 구조(층 구조)를 가지며, 층 내 분자 배치에 따라 여러 종류로 나뉜다. 유동성은 없다.
* [[컬럼너 액정]]: 2차원 주기 구조를 가진다.

네마틱 액정의 분자 배열은 '배향 벡터(Director)'(n)로 나타내며, 이 방향과 수직 방향에서 굴절률과 유전율이 다르다. 즉, 광학적으로 단축성 물질이다. 유전율의 이방성은 분자 구조에 따라 양(+) 또는 음(-)의 값을 가질 수 있다.

카이랄 네마틱 액정(Chiral Nematic Liquid Crystal)은 콜레스테롤 유도체에서 처음 발견되어 '콜레스테릭 액정'이라고도 불렸다. 이 액정은 배향 벡터가 나선형으로 변화하는 구조를 가지며, 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 '선택 반사' 현상을 보인다. 이 현상은 액정 온도계에 이용된다.

5. 액정의 응용

액정은 다양한 분야에 응용되는데, 그 예는 다음과 같다.

* [[액정 디스플레이]](LCD): 가장 널리 알려진 응용 분야로, 텔레비전, 모니터, 스마트폰 등 다양한 전자기기에 사용된다.

액정 층에 전기장을 가하면 액정 분자가 정렬되어 빛의 통과 여부를 조절할 수 있다. 컬러 LCD는 색 필터를 사용하여 다양한 색을 표현한다. 캐논에서는 일시적으로 강유전성 액정 디스플레이(FLCD)를 판매하기도 했다 (1995년 ~ 1999년).
* [[액정 온도계]]: 온도에 따라 색이 변하는 열변색성 카이랄 액정의 성질을 이용한다. 온도 변화에 따라 액정의 색이 변하는 원리를 이용하여, 수족관, 수영장, 유아용/목욕용 온도계 등에 사용된다.
* 광학 소자: 액정 가변 필터는 전기광학 장치로 사용되며, 초분광 이미징에 사용된다. 액정 렌즈는 인가된 전압/온도에 따라 굴절률을 조절하여 빛을 수렴/발산시킨다. 적응 광학의 일종으로, 이미징 시스템의 초점 보정, 영상면 조정, 심도/초점 심도 범위 변경 등에 사용되며, 근시 및 노안 교정용 장치(안경, 콘택트 렌즈) 개발에도 활용된다. 액정 레이저는 레이저 매질에서 액정을 분포형 귀환 메커니즘으로 사용한다.
* 센서: 액정은 산업 현장에서 열점/열 흐름/응력 분포 패턴을 찾거나, 반도체 산업에서 고장 분석을 위해 전기적으로 생성된 열점을 감지하는 데 사용된다.
* [[스마트 글래스#Polymer-dispersed liquid-crystal devices|폴리머 분산 액정]](PDLC): 창문에 적용하여 전기적으로 투명/불투명 전환이 가능한 스마트 필름 형태로 제공되어 개인 정보 보호에 사용된다.
* 생체 재료: 생체막, 세포막 (인지질로 구성), DNA, 폴리펩타이드, 세포골격 필라멘트 등 생체 물질 중에도 액정 구조를 가지는 경우가 많다.
* 기타: 비눗물, 오산화바나듐(V) (vanadium(V) oxide), 스멕타이트 점토(clays) 계열, 탄소 나노튜브, 그래핀, 시온 잉크, 섬유 강화 플라스틱 등.
* 광 메모리 장치: CD 및 DVD와 유사한 프로세스를 사용하는 광 메모리 장치에서 액정 필름의 사용이 가능할 수 있다.
* [[양자 컴퓨팅|양자 컴퓨터]] 모방: 전기장을 사용하여 액정 분자의 방향을 조작하고, 데이터를 저장하고, 다른 분자와의 불일치 각도에 따라 다른 값을 인코딩하는 양자 컴퓨터 모방 기술의 기본으로 사용된다.

6. 액정과 관련된 오해

액정 디스플레이의 재료에 오징어가 사용된다거나, 최초의 액정 디스플레이가 신입 기술자의 실수로 탄생했다는 이야기는 일본에서 유포된 잘못된 정보이다.

1980년대 하코다테에 있던 일본화학사료가 오징어 간을 원료로 한 다크 오일에서 콜레스테릭 액정을 제조·판매했던 것은 사실이다. 이 액정을 액세서리로 판매했던 회사도 있었다. 액정 디스플레이에 오징어가 사용된다는 이야기는 두 가지 계통이 있는데, 하나는 콜레스테릭 액정을 사용한 컬러 텔레비전이라는, 전혀 실현되지 않은 이야기이고, 다른 하나는 TN형 액정 디스플레이에 오징어 유래의 원료가 사용되었다는 이야기이다. 후자의 경우 TN형 액정 디스플레이에 콜레스테롤 유도체가 사용된 것은 사실이지만, 오징어 유래의 콜레스테롤 유도체 사용은 확인되지 않았다. 오징어 먹물이 천연 액정 물질이라는 이야기도 있지만, 이 역시 사실이 아니다.

액정 디스플레이가 신입의 실수에서 탄생했다는 이야기는 NHK의 프로젝트 X에서 시작된 것으로 보인다. 당사자가 쓴 글을 보면, 프로젝트 X 직후에는 "대실수"라고 표현되었던 사건이, 2006년 전기정보통신학회지 기사에서는 "뚜껑을 닫는 것을 잊은 액정 병을 보고, '망했다. 공기 중의 수증기로 시프 염기로 이루어진 액정 화합물이 분해되었을지도 모른다'고 생각하는 동시에 '그래, 저 실험을 해 보자'고 교류 구동 실험을 했다"는 이야기로, 2007년 응용물리학회에서는 "이온성 유기 화합물의 의도적인 첨가였다. 이 아이디어의 기초가 된 액정 완화 현상과 분자 운동에 대해서는, 프랑스의 de Gennes 등의 액정 연구 그룹에 의해 상세한 이론적 검토가 이루어져 있으며, 이 논문은 이 발명의 계기를 주었다."고 하여 선행 연구가 있었음을 보여준다. 2013년 서적에서는 "1970년에 Orsay LC Group이 PRL(Physical Review Letters)에 낸 논문에서, 어느 정도의 이온이 있으면 DSM이 교류로 효율적으로 일어난다는 것이 이론 해석으로 제시되었다. 그러나 1그램 수만 엔의 액정에 불순물을 첨가한다는 행위는 주저하게 되어, 좀처럼 실행할 수 없는 나날이 계속되었다. 그러던 중 행운이 찾아왔다. 가수분해에 의해 이온성 불순물이 생기는 액정 샘플 병의 뚜껑을 닫는 것을 잊고 있었는데, '이것은 혹시 액정이 가수분해하여 이온성 불순물이 증가하여 액정의 도전율을 높여 Orsay 그룹이 말하는 교류 구동의 조건을 만족하고 있을지도 모른다'고 생각해 곧바로 이 재료로 교류 구동 실험을 했다"는 내용으로 바뀐다. 교류가 우수하다는 논문은 "대실수" 1년 전에 발표되었고, 액정을 개발하던 그룹도 볼 시간은 충분했다. 신입의 실수라는 이야기는 방송을 위한 연출로 보는 것이 타당하다.