[테마특강] 콜레스테릭액정(CLC) 특성과 응용

김 인선 (金 仁善)

86년 서울대 섬유고분자학과 졸업

89년 미국 미시간대학 고분자공학 석사

95년 미국 미시간대학 고분자공학 박사

95∼96년 미국 CPIMA(Center on Polymer Interfaces and Macromolecular Assemblies)연구원

97년∼현재 LG전선연구소 광전자재료기술 그룹 선임연구원

우리가 일상에서 느끼는 색상은 어떤 매체에 의해 흡수 혹은 반사된 빛의 조합에 의해 나타나게 된다. 어떤 매체가 안료(顔料)나 염료(染料)같은 발색체(發色體)를 지니는 경우 반사되거나 투과된 빛의 색감(色感)은 발색체의 흡광에 따라 달라진다. 이 경우 색상은 유화물감의 예에서 알 수 있듯 조합이 가능하다. 색상도 슬라이드 프로젝터에서 보듯 가감이 가능하다. 슬라이드 프로젝터에서는 다양한 색 필터를 이용하여 백색광으로부터 최종 색상을 구현한다. 예를 들어 자홍색(magenta)과 황색(yellow)의 필터를 통과한 백색광은 적색으로 나타나게 된다.

색상이 사람에게 인지되는 다른 방법은 빛의 반사와 간섭현상이다. 박막(薄膜)과 그 주변의 굴절률 차이가 존재하는 경우 반사되는 빛은 보강(補强) 혹은 상쇄(相殺)의 간섭이 발생하게 된다. 물에 뜬 기름방울, 비누방울 혹은 무기염료 등에서 이같은 예를 찾아볼 수 있다.

백색광은 사람이 인지할 수 있는 모든 색상의 합으로 이해할 수 있다. 백색광이 박막에 조사되면 그 빛의 입사각, 관찰자의 시야각, 박막의 두께등에 의해 여러가지 다른 색상으로 나타난다. 이런 현상은 파장에 따라 빛이 선택적으로 보강 혹은 상쇄간섭을 일으키기 때문이다.

우리의 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 비오는 날 물위의 기름 방울은 다양한 색을 보여주며 비누방울은 보는 각도에 따라 특정한 색상을 띠거나 투명해 보이기도 한다. 그러나 박막이 항상 반사와 간섭에 의해 색상을 보여 주는 것은 아니다. 때로는 입사된 빛의 대부분이 투과되기도 한다. 이런 경우 층 구조를 형성하여 반사율을 증가시킬 수 있다.

생물체중 몇 가지 곤충은 관찰각도에 따라 색상이 변화되는 표피를 갖는다. 풍뎅이류의 곤충들 중 몇 종은 표피가 다당류의 층 구조로 이루어져 보는 각도에 따라 다양한 색을 나타낸다. 이 다당류 분자들의 층 구조가 콜레스테릭 액정(CLC;Cholesteric Liquid Crystal) 또는 카이랄네마틱 액정의 분자 배열과 유사성을 갖는다.

일반적으로 액정분자는 구조와 조성에 따라 액정상을 띠게 된다. 액정상은 온도와 농도에 영향을 받는다. 지금까지 많이 연구되고 응용된 액정 또는 액정상은 네마틱 액정이다. 네마틱 액정은 특히 현재 상용화된 액정디스플레이(LCD;Liquid Crystal Display)에 적용되고 있다.

CLC는 네마틱 액정 중 한 형태로 이해할 수 있다. CLC의 조성은 네마틱 액정과 카이랄 중심(chiral center)을 가지는 액정의 조합으로 볼 수 있다. 네마틱 액정상은 액정 분자들이 일정 방향으로 정렬된 규칙성을 갖는다. 이에 비해 CLC는 층의 구조를 갖는데 각 층에서 액정들은 일반 네마틱의 규칙성을 보인다. 하지만 층간 액정의 배열은 한 방향으로 회전하게 되고 이 회전에 의해 층간의 반사율에 차이가 생기게 된다. 이러한 반사율의 차이는 서두에서 설명된 반사와 간섭에 의한 색상을 보여 줄 수 있다.

층 층의 액정 분자들의 회전은 일종의 나선(螺旋)구조로 볼 수 있다. 이러한 나선 구조에서 나타나는 두 가지 구조의 특징은 나선의 회전 방향과 나선의 반복 주기인 피치(pitch)이다. 피치는 액정층이 다시 동일한 배열로 돌아올 때까지 높이로 이해 할 수 있고 이 피치가 CLC의 색상을 결정하는 변수이다. 즉 피치가 적색의 파장(6백50)과 동일 한 경우 이 CLC는 정면에서 적색을 반사하게 된다. CLC에서 반사된 빛을 측면에서 관측하면 관측각도에 따라 황색, 녹색, 청색 등 가시광 영역의 모든 색상을 볼 수 있다.

하지만 CLC가 언제나 이같은 반사 특성을 나타내는 것은 아니다. 이것은 액정의 배향에 따른 특성인데 네마틱 액정의 배향 상태를 전장으로 조절하여 화면을 표시하는 TFT(thin film transistor) LCD에 보여지듯 액정의 배향이 광학 특성을 조절한다. 일반적으로 액정은 박막 형태로 취급된다. 액정분자들은 막 표면에 대해 배향된 상태에 따라 특징이 구분된다. CLC 액정분자들이 표면에 대해 평행하게 배열하는 경우 반사 특성이 잘 나타나게 되는데 반해 이 액정분자들이 표면에 대해 수직으로 배열하는 경우에는 입사되는 빛이 반사되지 않고 투과된다. 만일 CLC분자들의 배향이 임의로 흩어지는 경우 입사되는 빛은 주로 산란된다. 이런 특징을 이용하면 PDLC(polymer dispersed liquid crystal)의 원리를 이용한 화면 표시장치에 색상을 줄 수 있다. 즉 빛의 산란과 투과를 이용한 평면표시장치에서 CLC를 사용하면 그 특성색의 반사와 산란 상태를 이용해 화면표시를 할 수 있다.

CLC의 구조에서 또 다른 중요 특징은 CLC 나선의 회전방향이다. 이는 CLC의 반사특성에 있어 편광(偏光)을 형성시킬 수 있는 중요한 요인이 된다. 즉 CLC의 나선구조가 우선(右旋) 혹은 좌선(左旋) 여부에 따라 반사되는 빛의 원 편광(圓偏光)의 방향이 결정된다. 우선 CLC는 해당 피치의 우원 편광을 반사하게 된다. 일상의 빛은 우원 혹은 좌원 편광의 합으로 생각할 수 있고 CLC를 이용하는 경우 그 구조에 따라 일정 성분의 원 편광을 분리할 수 있다. 현재 사용되는 LCD에서 빛의 편광특성(선 편광)이 이용되는 점을 착안한다면 CLC가 LCD에 응용 될 가능성이 크다고 할 수 있다.

CLC의 산업적 응용은 발견에 비해 상당히 늦어진 감이 있다. 이는 CLC가 일반 액정과 마찬가지로 액정상으로 존재하여 구조적으로 안정성을 확보하기 어려웠고 또한 온도에 따라 구조 변화가 수반되어 반사특성에 변화를 가져오는 등의 난점이 있었기 때문이다. 최근 이루어지고 있는 고분자 액정에 관한 연구를 통해 이런 난점들이 해결될 가능성이 보이고 있다. CLC의 액정상을 고온에서 나타나게 하는 경우 급속 냉각에 의해 CLC의 구조를 유지하도록 하여 상온에서 CLC 광학 특성을 이용할 수 있게 된다. 이 경우 액정의 유동성이 사라지고 상당한 구조적 안정성을 확보 할 수 있다. 이런 형태의 CLC는 페인트 업계에 적용되고 있다. 예를 들어 CLC를 사용하여 위조지폐를 방지하는 방법이 연구되고 있는데 화폐를 제조할 때 CLC 안료를 사용하면 색상의 각도 특성을 위조 화폐에서 도용할 수 없기 때문이다. 하지만 이런 종류의 CLC도 여전히 온도에 대한 안정성이 크지 않기 때문에 반응성 CLC액정의 개발이 시도되었다.

반응성 CLC의 경우 아직 본격적인 상업적 개발이 이뤄지지 않고 있다. 반응성 CLC를 이용하는 경우 CLC 분자들을 먼저 배향시키고 자외선을 조사하여 경화(硬化)시키면 그 구조가 고정되어 변화되지 않는 네트워크를 형성한다. 경화된 CLC는 기계적으로나 열적으로 안정하여 응용범위가 확장되고 있다.

CLC를 이용한 응용의 한 예로 LCD에 사용될 수 있는 반사형 편광막을 들 수 있다. 현재 노트북 등에 표시장치로 사용되는 LCD는 고휘도 구현이 당면과제이다. LCD백라이트에서 나오는 빛의 절반 이상이 LCD의 기존 편광막에서 손실된다. 이는 비편광의 빛이 선 편광으로 바뀌면서 나오는 필수적인 현상이지만 CLC의 선택 반사와 빛의 재활용을 통해 극복될 수 있다. CLC 편광막은 백라이트에서 나온 빛의 절반을 투과시키고 나머지는 반사시키는데 이때 투과 및 반사된 빛은 서로 다른 원 편광을 갖게 된다. 반사된 빛은 백라이트 반사 판에서 다시 반사되면서 그 원편광이 반대로 바뀌고 이 빛이 다시 CLC편광막에 도달하면 이번에는 반사없이 투과 되어진다. 이로써 CLC 편광막을 통과한 빛은 일정한 방향의 원편광이 되고 이 원평광은 위상차 판을 통과해 선편광으로 전환된다. 즉 백라이트에서 발생한 빛의 100%가 선 편광화되므로 기존 LCD 보다 이론적으로 2배 이상의 휘도 증가가 가능하다. 기술적으로는 CLC의 선택 반사 폭을 넓혀 가시광 전 영역을 포함하도록하는 문제가 남아있다.

경화성 CLC 또는 고분자 CLC의 또 다른 응용은 컬러필터 분야이다. 이 분야는 현재 프로젝터에 사용되는 컬러 필터에 상업적 응용이 고려되고 있다. CLC는 선택반사영역 외의 빛은 흡수없이 투과시키므로 기존 LCD컬러 필터가 가지는 약점인 광 투과율의 문제를 해결할 수 있을 것이다. 다만 이 경우 기존 LCD패널에 반사형 컬러 필터를 사용하는 문제점이 대두되어 앞으로 더욱 연구가 필요할 것으로 예상된다. 하지만 고휘도를 구현해야 하는 LCD의 당면과제에 CLC 컬러 필터는 대안으로 제시되고 있다.

LCD 등 화면표시장치 이외에도 CLC의 응용으로 고려되는 분야는 광메모리(optical memory)소재이다. 현재 사용되는 광메모리 소재는 주로 상 변화에 따른 반사율 차이를 이용하는 데 현재는 주로 무기재료가 사용되고 있다. CLC는 상의 차이에 따라 반사율이 현격한 차이를 보이는 물질이다. 경화성 CLC를 이용하는 경우 배향 상태를 조절하여 비교적 손쉽게 재생 전용(read-only memory) 또는 추기형(write-once read-many) 광 메모리 소자를 형성할 수 있다. 고분자 CLC를 이용하는 경우에는 적절한 기록(write) 및 소거(erase)방식을 통해 반복 기록형(rewritable) 광 기록소자로도 사용이 가능하다.

CLC는 자연으로부터 추출 가능한 물질로 발견이후 광학소재로 사용되기도 하였으나 최근 고분자 형태(경화성 포함)로 개발되면서 응용 범위를 넓히고 있다. 특히 가시광 영역에서의 선택 반사성과 선택반사영역 외에서의 비흡수성이 광학 소재로 응용할 수 있는점이 흥미롭다. 이러한 소재적 특성에 고분자화를 이용하여 구조적 안정성을 부여함으로 상업적 응용이 가속화되고 있다. 이러한 CLC소재들이 범용 광학소재로 사용되기 위해서는 CLC의 광특성을 최대화할 수 있는 공정의 확보가 필요하며 또 현재 응용 가능한 분야(LCD 또는 광 메모리)에서 주변 기기의 연구도 필요하다.