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LCD(Liquid Crystal Display, 액정 디스플레이)는 FPD(Flat Panel Display, 평판 디스플레이) 제품의 선두주자로서 CRT를 대체해 나갈 가장 강력한 후보로 손꼽히고 있다. 실제로 일본에서는 LCD 모니터의 판매율이 전체 모니터 시장의 50%를 넘어서고 있고 세계적인 LCD 메이커를 보유하고 있는 한국에서도 일본 못지 않게 빠른 속도로 LCD 모니터가 보급될 것으로 전망되어 왔다.
LCD는 2개의 얇은 유리판 사이에 고체와 액체의 중간 성질을 가진 액정(Liquid Crystal)을 주입해 전원 공급시 액정분자의 배열을 변화시킴으로써 명암을 발생시켜 영상을 표시하는 디스플레이로 그 구동 방식에 따라 PM(Passive Matrix, 단순행렬) 구조와 AM(Active Matrix, 능동행렬) 구조로 나눌 수 있다.
여기서 PM LCD는 서로 직교하는 두 개의 띠狀 전극 교점에 화소가 형성되며, 따라서 각 화소점은 두 개의 겹쳐지는 전극단자에 의해 구동되므로 독립적으로 작동하지 못한다. 이름이 Passive(수동)인 것도 이것 때문이며 Contrast와 응답 속도, 색 표시 특성의 확보가 어렵다. TN과 STN LCD가 이에 해당된다.
반면에 AM LCD는 각 화소 하나 하나에 트랜지스터(스위칭 소자)가 형성되어 잇어 화소의 켜짐과 꺼짐 동작을 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 따라서, 상대적으로 고화질, 빠른 응답 속도를 얻을 수 있으며 우리가 잘 알고 있는 TFT(Thin Film Transistor) LCD가 그 예이다. TFT LCD는 그 표시특성이 우수하여 전체 LCD 시장의 70% 이상을 점유하고 있는데, 최근 Note PC 시장에 이어 Monitor 시장에서도 급성장을 하고 있다.
2.화면크기 (Size)
CRT 모니터에서는 가시화면이라는 개념이 존재한다. 즉, 21인치 모니터의 경우 화면이 표시되는 영역은 약 1인치 작은 20인치 정도가 된다. 이를 가시화면이라 하는데 LCD에서는 이와 같은 가시화면의 개념이 없다. 18인치라 하면 가시화면의 크기가 18인치가 된다. 따라서, 15인치 LCD 모니터는 17인치 CRT 모니터 보다 약 1인치 정도 작고, 18인치 LCD 모니터는 19인치 CRT 모니터와 비슷한 화면을 보여준다고 생각할 수 있다. 물론 화면의 크기는 대각선으로 측정하고 인치로 표기하는데, 삼성 LCD 모니터의 스펙을 보면 Display Area라고 해서 가로*세로의 크기도 같이 표시해 주고 있다. (특별한 의미는 없다.)
3.휘도 (Brightness)
CRT 모니터에서는 볼 수 없는 몇 가지 특성들이 LCD 스펙에 등장하는데, 그 이유는 LCD라는 새로운 디스플레이 기기를 이해하기 위해 약 100년간 우리의 눈을 즐겁게 해온 구관(舊官)과 비교하기 위함이다. 즉, 주요 특성들이 CRT의 수준에 비해 어느 정도의 위치인지를 보여주는 것이다. 요즘 출시되고 있는 LCD 모니터의 경우 보통 150 ~ 200cd/㎡ 정도의 휘도를 보여주고 있어 CRT의 100 ~ 120 cd(칸델라) 보다 높은 휘도를 보여주고 있다. 물론 LCD는 백라이트(Back Light)의 빛을 투과시키는 방식이기 때문에 자체 발광형인 CRT의 휘도와 같이 비교할 수는 없지만, 일반적으로 휘도가 높을수록 좋은 화질을 기대할 수 있다.
4.LCD 방식 (Type)
삼성 LCD 모니터의 카탈로그에는 독특하게도 LCD 방식이 표기되어 있는데, 최근에 제품화된 대부분의 LCD 모니터가 전부 TFT-LCD이며 그 중에서도 아모퍼스 실리콘(a-Si) 방식이 주류를 이루고 있는 상황이기 때문에 굳이 표기한 이유가 궁금해진다. 관심있는 분들은 아래의 간략한 설명을 참고하시면 이러한 필자의 궁금증을 이해하실 것이다. TFT LCD를 구성하는 재료들 중 핵심부분은 전류가 흐르는 반도체 박막이라고 할 수 있는데, 전자를 이동시키는 반도체 재료에 따라 크게 a-Si TFT LCD(Amorphous Silicon, 비정질 실리콘이라고도 함)와 Poly Si TFT LCD (Polycrystalline Silicon, 다결정 실리콘이라고도 함)로 나눌 수 있다. 현재 널리 사용되고 있는 TFT LCD는 a-Si TFT LCD인데 말 그대로 a-Si 재료를 사용하였기 때문에 붙여진 이름이며, 규칙성이 없어 전기적 특성이 비교적 낮다. 다라서 디스플레이의 고해상도, 저가격화에는 한계가 있다.
반면에 Poly-Si TFT LCD는 반도체막 형성시 a-Si에 레이저 빛을 조사함으로써 Poly-Si으로 변화시킨 것으로 완전히 정렬된 원자구조를 갖고 있어 전하이동도(전류흐름)가 a-Si에 비해 100배 이상 빠른 장점을 갖고 있다. 이런 장점으로 인해 Drive IC회로(구동회로)를 따로 장착하지 않고 panel에 내장할 수 있어 가격저감과 slim화가 가능할 뿐 아니라, 대면적 고해상도 디스플레이를 구현할 수 있다. 단, 공정비용이 추가되고 아직 기술이 정착되지 않아 공정의 균일성, 안정성 등이 떨어지는 단점이 있다.
5.픽셀 간격(Pixel Pitch)
CRT 모니터의 도트 피치(Dot Pitch)나 그릴 피치(Gril Pitch)에 해당하는 용어다. 물론 이 간격이 좁을수록 많은 수의 화소가 들어가 있으므로 보다 정밀한 화질의 표현이 가능하다. 하지만, LCD 모니터의 경우 패널(panel)의 사이즈에 따라 픽셀 피치가 정해져 있다.
예를 들어, CRT 모니터의 경우 같은 19인치라도 제조사에 따라 0.24mm부터 0.28mm까지 다양한 피치가 존재하지만, LCD 모니터의 경우 15.1인치 모니터라면 제조회사와 관계없이 모두 0.30mm의 피치를 가진다. 따라서, 소비자들은 패널의 사이즈만 신경쓰면 되고 픽셀 피치에 대해서는 잊어 버려도 무방하다.
6.시야각 (Viewable Angle)
시야각이란 말 그대로 화면을 볼 수 있는 최대한의 각도를 말한다. 이 기준이 되는 것이 대비율(Contrast Ratio)인데 자체 발광형인 CRT와 달리 LCD는 백라이트(Back Light)의 빛이 액정 층과 컬러필터(Color Filter)를 통과해서 사람의 눈에 다다르기 때문에 보는 각도에 따라 빛의 투과율이 다를 수 있다. 정보를 보호해 주는 특수 보안기를 착용할 경우 정면에서 일정 각도 이상 벗어나면 화면의 내용이 보이지 않는 것을 연상하면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
측정하는 기준은 대비율(Contrast Ratio)이며 정면에서 상하좌우로 회전시키면서 대비율의 값이 10%이상 변화하지 않는 범위내에서 정하는 것이 일반적이다. 즉, 수평 시야각이 120도라면 좌우로 회전했을 때 60도까지는 대비율이 10% 이상 변하지 않는다는 뜻이다. 당연히...시야각이 클수록 좋은 제품이다.
7.해상도 (Resolution)
CRT 모니터에서는 최대해상도내에서는 자유롭게 해상도를 변화시켜서 사용할 수 있지만, LCD 모니터의 해상도는 그다지 자유롭지 못하다. 픽셀 피치와 마찬가지로 LCD Panel의 사이즈에 따라 기본 해상도가 정해져 있고 이 외의 해상도에서는 화질이 현격하게 저하될 수 있다.
예를 들어, 18인치 LCD 모니터의 경우 1280*1024의 해상도를 사용해야 하는데 좀더 문자를 크게 보기 위해서 1024*768로 변환하면 문자가 깔끔하게 마무리되지 못하고 어느 부위는 굵고 어떤 부위는 가늘게 표시되는 등 화질이 저하된다. 사이즈별 기본 해상도는 아래와 같다.
모니터 사이즈 (LCD 모니터)
권장 해상도
15~ 15.1인치 1024*768
17 ~ 18인치 1280*1024
8.응답 시간 (Response Time)
응답 시간이란 액정 화소가 켜지거나 꺼지는데 걸리는 시간을 말한다. 화소마다 연결된 트랜지스터를 통해 on/off의 신호가 전달되지만 실제로 액정은 이를 실시간으로 반응하지 못한다. 그 이유는 액정이 고체와 액체의 중간적 성격을 띠기 때문에 액정의 배열이 변화할 때 액정의 점도에 의해 속도의 차이가 나기 때문이다. 이에 따라 빛의 투과 혹은 차단의 속도가 시각적으로 전달되는데 이를 응답 시간이라 하는 것이다.
응답 시간은 다시 상승시간(Rising Time)과 하강시간(Falling Time)으로 나뉘는데, 상승과 하강에 걸리는 총시간으로 나타낸다. 상승시간이란 전압이 가해져 액정이 정렬되는 시간을 말하고 하강시간이란 전압이 가해지지 않아 정렬됐던 액정의 배열이 다시 원위치되는데 걸리는 시간이다. 상승시간에 비해 하강시간이 2배이상 더 걸리며, 하강시간이 길어질수록 잔상이 심해질 수 있다.
9.사용자 조정기능 (OSD: On Scnreen Display)
CRT와 달리 LCD에서는 OSD로 조정할 것이 그렇게 많지 않다. 보통의 경우 모니터를 연결하고 드라이버를 설치해 준 후, Auto 버튼을 한번 눌러주는 것만으로도 대부분의 세팅이 완료된다. CRT의 OSD에서 보지 못한 용어는 Clock과 Phase 정도일 것이다.
OSD는 모니터의 화면을 사용자가 직접 최적화시킬 수 있도록 해주는 조정장치다. 화면에 나타난 OSD 창을 통해 조정하는데 테스트 프로그램과 함께 사용하면 최적화 작업이 쉽고 정교해진다. OSD로 조정할 수 있는 항목의 수는 모니터에 따라 차이가 나며 제조사에 따라 사용하는 용어도 조금씩 다르다.
10.표현 색상 수 (Display Color)
CRT 모니터는 VGA 카드에서 지원되는 모든 색상을 거의 무한 대로 지원할 수 있지만, LCD 모니터가 표현할 수 있는 색상은 역시 panel의 사이즈에 따라 제한적이다. 기본적으로 15인치 LCD 모니터가 표현할 수 있는 색상 수는 26만여 컬러이며, 18인치는 약 1670만 컬러를 표시할 수 있다.
하지만 일부 15인치 LCD 모니터의 경우 회로적인 지원을 통해 1600여만 컬러의 표현도 가능하게 하고 있다. (이에 대해 보다 쉬운 설명이 필요하신 분은 아래의 글을 참고하시기 바란다. 이 글은 지난 9월에 한 소비자의 질문에 대해 답변해 주었던 것이다. - Q&A 게시판)
전자계산기와 같은 가장 단순한 형태의 흑백 LCD의 경우에는 2가지의 선택을 할 수 있습니다. 전압을 가하면 액정이 비틀려져서 빛을 반사하지 못해 검은 색이 되고, 전압을 가하지 않으면 액정이 정렬됨으로써 들어온 빛을 그대로 반사합니다(무색). 즉 이 LCD가 처리할 수 있는 정보는 1 bit이고 2가지 색을 표시할 수 있는 것입니다.
그런데, 컬러 LCD의 경우 하나의 픽셀은 다시 Red, Green, Blue의 3개의 하위 픽셀(subpixel)로 나누어집니다. 이 때 하위 픽셀들이 가장 단순한 1bit(빛을 모두 통과시키거나 모두 차단하거나)의 정보처리만 가능하다면 하나의 픽셀이 표현할 수 있는 색상의 수는 2의 3승인 8가지((2**1)*(2**1)*(2**1)=(2**3)=8)가 됩니다. 이렇게 컬러필터에서 처리할 수 있는 정보의 수(bit)에 따라서 표현 가능한 색상 수가 달라집니다.
만약 컬러필터가 빛을 모두 통과시키나 모두 차단하는 2가지의 극단적인 경우 사이의 정보도 처리할 수 있다면... 예를 들어 5%, 10%, 20%만 통과시킬 수 있다면... 더욱 많은 색상의 표현이 가능할 것입니다. 15인치 LCD 모니터의 대부분은 컬러필터에서 6bit의 정보를 제어할 수 있는데 이는 곧 R, G, B 각각의 색상이 2의 6승만큼의 색을 표현할 수 있다는 뜻이므로 2의 18승((2**6)*(2**6)*(2**6)=(2**18))의 경우의 수가 나올 수 있다는 뜻이며 즉 262,144색의 표현이 가능한 것입니다.
하지만 이 정도로는 색이 충분하지 않기 때문에 다시 R, G, B의 밝기(휘도)를 여러 단계로 나누어 줌으로써 추가적인 색상을 표현해 주고 있습니다. 대부분의 15인치 모니터에서는 2의 6승인 256단계로 휘도를 조정해 줌고 있는데, 결과적으로 2의 24승((2**18)*(2**6)=(2**24)=16,777,216)의 색 표현이 가능해지는 것입니다.
정리해서 말하자면, 15인치 LCD 모니터에서는 컬러필터에서의 투과율 조정과 개별 하위픽셀의 휘도 조정을 통해 색상을 만들어내었다는 뜻입니다. 이에 반해, 18인치 LCD 모니터의 경우에는 각각의 하위 픽셀들이 8bit씩의 정보처리가 가능하므로 한 픽셀이 총 24bit의 색 표현이 가능한 것이며, 즉 하위 픽셀의 휘도 조정 없이도 2의 24승(=16,777,216)의 색상이 가능한 것입니다.
액정 디스플레이는 크게 형태와 구동방식에 따라 분류될 수 있다(표 1.1 참조). 이중 디스플레이 형태에 따라서 투사형 LCD와 직시형 LCD로 나눌 수 있다. 투사형은 직시형과 구분되며, 주로 대면적의 화상 디스플레이를 구현하기 위해 사용되며, 광원을 2차원의 화상 정보를 이용하여 제어하여 공간상에 배치된 스크린에 투사하거나, 고휘도의 영상이나 데이터 화면을 광학 장치를 이용하여 스크린에 확대 투사함으로써 대화면의 화상을 얻는 디스플레이 장치로써 주로 40 인치 이상 수백 인치의 화상을 얻을 수 있다. 이러한 투사형 LCD는 스크린(screen)과 투사광원의 위치에 따라 배면 투사형(rear projection)과 전면 투사형(front projection)으로 구분된다. 투사형 LCD는 라이트 밸브, 광학계, 회로계 및 기구계로 구성되어 있다. LCD에서 나오는 빛을 직접 보는 직시형 LCD는 투과형(transmissive)과 반사형(reflective)으로 나뉜다. 투과형은 백라이트를 이용하여 나온 빛의 세기를 LCD 패널에서 조절하고 반사형은 주로 자연광 및 주변의 빛이 LCD 패널에서 반사되어 화상이 형성된다.
그림....
LCD는 구동방식에 따라 전기적 구동(electrically addressed) LCD와 광학적 구동(optically addressed) LCD로 나눌 수 있다. 광학적 구동 LCD는 spatial light modulator가 한가지 예이며 광신호에 의해 LCD를 제어하는 것이다.
전기적 구동방식은 화소전극의 구동시 능동소자의 유무에 따라 수동행렬(passive matrix) LCD와 능동행렬(active matrix) LCD로 구분될 수 있다 (그림 1.1 참조).
그림 1.1 능동행렬방식과 수동행렬방식 LCD의 비교
수동행렬방식은 주로 초기의 LCD 제품 (시계, 계산기 등)에 많이 이용되었고 LCD에 쓰이는 액정의 종류에 따라 Twisted Nematic(TN)-LCD, Super Twisted Nematic(STN)-LCD, Ferroelectric (F)-LCD와 Polymer Dispersed (PD)-LCD 등으로 분류된다. TN-LCD는 현재 LCD제품에서 가장 많이 쓰이고 있으나 응답속도, 시야각, 사용온도 범위 등의 문제점을 안고 있다. STN-LCD는 twist 각이 240°∼ 270°로 인가전압에 따른 투과도가 매우 급격히 변화되는 점을 이용하여 초기 LCD-TV 및 노트북에 많이 사용되었다. F-LCD는 강유전성 액정을 사용한 디스플레이로서 현재 사용되는 LCD중 가장 빠른 응답속도를 나타낸다. PD-LCD는, 현재 주로 사용되고 있는 TN모드방식의 경우 편광판을 필요로 하며 이 편광판에 의해 입사광의 1/2정도가 흡수되어 열로 바뀌기 때문에 광 이용 효율이 낮아지는 문제점을 개선하기 위하여 제안된 방식이다. PDLC는 액정의 유동성과 고분자 물질의 구조 및 복굴절성 등을 활용하는 것으로 고분자 재료와 액정을 혼합하는 경우, 액정의 유동성으로 액정 방울들이 polymer와의 경계에서 분자력 및 경계 조건 등에 의하여 분자 배열을 하게 되는데, 거시적으로는 각 방울들은 임의의 분자 배열을 하게 된다. 이 상태에서 평행한 빛이 입사되면 액정의 복굴절성에 의하여 액정 방울을 지나가면서 전계인가에 따라 굴절 방향이 바뀌게 된다.
각 화소를 능동소자에 의해 제어하는 능동행렬 LCD는 단자의 수에 따라 2단자(two terminal)소자 LCD와 3단자(three terminal) 소자 LCD로 구분된다. 2단자 소자는 주로 metal-insulator-metal (MIM)방식과 다이오드 방식이 사용되고 있다.
현재 LCD제품의 대부분을 차지하는 방식인 3단자소자는 주로 박막트랜지스터를 이용한다. 또한 박막트랜지스터의 활성층(active layer)의 종류에 따라 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT-LCD, 다결정질 실리콘(poly-Si) TFT-LCD, Cd-Se TFT-LCD등으로 구분된다. 현재 사용되는 대부분의 제품은 비정질 실리콘 박막트랜지스터를 이용한 LCD이고 향후 다결정질 실리콘 박막트랜지스터로의 전환이 예상된다.
1.2. TFT-LCD의 시장
LCD의 시장규모는 92년도 일본에서 생산액 3256억엔 (일본 통산성 자료)에 도달하였고, 94년까지 매년 30% 정도의 성장을 나타냈으나, 95년도에는 0%의 성장을 기록하였다. 하지만 96년부터는 다시 30% 정도로 성장하고 있다.
액정디스플레이가 본격적으로 전자기기에 채용되기 시작한 것은 최근의 일이고 지금까지 25년 정도의 역사에 지나지 않는다. 이 사이에 액정디스플레이 기술도 TN-LCD에서 STN-LCD, MIM-LCD, TFT-LCD로 발전하였고, 더불어 액정디스플레이의 표시성능도 현저하게 향상되었으며, 박형, 경량, 저소비전력이라는 특징으로 CRT에서는 어려운 새로운 분야에서의 수요를 창출해 왔다. LCD는 그 응용상품에의 발전과정에서 4세대로 분류할 수 있다.
제 1세대는 TN 모드 LCD이며 전자계산기, 시계 등의 표시소자로서 사용되었다. 제 2세대는 1986년에 개발된 고 콘트라스트 대형 단순 매트릭스 STN-LCD이고 본격적으로 PC 워드프로세서의 디스플레이로 이용되었다. 제 3세대는 1985년에 개발되어 그동안 꾸준히 성장해 온 TFT-LCD이며 10″급의 TFT-LCD가 양산되기 시작한 1991년 이후는 새로운 비약을 향한 제 3세대 칼라화가 시작되었다고 말할 수 있다. 현재까지 LCD의 주요한 응용제품은 노트북 PC이며 1995년에 개발된 in-plane switching 기술이 LCD의 모니터 응용에 새로운 지표를 마련하였다. 따라서 13″이상의 모니터용 광시야각 TFT-LCD는 제 4세대 액정 디스플레이로 분류할 수 있다.
액티브 매트릭스 LCD 제작에 사용되는 TFT는 대부분 비정질 실리콘 TFT이고, 비정질 실리콘 TFT-LCD는 액정 TV에서 노트북 PC, 워크스테이션에 이르기까지 다용도로 이용된다. 반면에 poly-Si TFT-LCD는 크기가 작은 LCD, 예를 들면 주로 투사형 LCD에 이용된다. Poly-Si TFT-LCD의 장점은 주변회로를 화소의 스윗칭 소자와 동시에 유리 기판위에 제작이 가능하다는 것이다.
1986년에 처음으로 3″액정 TV의 생산에 사용된 비정질 실리콘 TFT-LCD는 1990년까지 3∼5″급 소형 TV에 주로 응용되었으며, 91년부터 8.4″부터 10.4″급의 생산이 진행되었고 95년부터는 11.3″, 12.3″, 13.3″등의 다양한 크기의 제품이 양산되고 있다. 그리고 최근에는 모니터용으로 15.1″, 17″, 20″급의 생산도 진행되고 있다. 일본 노무라연구소의 자료(1995년 자료)에 의하면 2005년도의 TFT-LCD시장은 2700억엔이고 STN-LCD는 3,000억엔이다(그림 1.2 참조). 2005년의 TFT-LCD 시장은 AV용이 11,000억엔, OA용이 10,500억엔이며 통신용이 3,500억엔, 기타 계측 및 의료분야가 2,000억엔으로 예상하고 있다(그림 1.3 참조).
LCD는 다른 전자부품에 비하여 재료 및 부품비의 비율이 높으며 2000년의 재료 및 부품 시장은 7,200억엔으로 예상된다(노무라연구소자료). 부품 및 재료별 시장은 드라이버 IC 2,500억엔, 컬러필터 2,000억엔, ITO막 1,000억엔, 유리판 500억엔, 백라이트 400억엔, 편광필름 350억엔, 액정 200억엔 등이다(그림 1.4 참조).
액정의 연구는 1854년 Virchow에 의한 농도전이형(lyotropic) 액정(liquid crystal)의 발견과 Reinitzer와 Lehmann에 의한 1888∼1889년의 온도전이형(thermotropic) 액정의 발견에서 시작되었다. Lehmann은 액정이 광학적 이방성을 나타내는 것을 확인하고, "액체가 갖는 유동성과 결정이 갖는 광학이방성을 겸비한 액체"의 의미로 Flussige Kristall이라고 부를 것을 제안하였다. Flussige Kristall은 영어로는 liquid crystal, 즉 액정이다. 1920년대의 많은 사람들이 약 300여종의 액정을 합성하였고, 1930년대에는 LCD 개발을 가능하게 한 가장 중요한 요소인 프레데릭츠(Freedericksz) 전이라고 하는, 전계인가에 의한 네마틱상의 변형과 임계값을 발견하였다. 그 후 액정의 윌리암스(Willliams) 도메인 형성과 광산란의 발견, 동적 산란 모드의 발명으로 이어지는 액정의 연구는 전자공업계에 큰 기여를 하였다(표 1.2 참조)
1960년대에는 실온에서 상의 유전 이방성을 갖는 실온 네마틱 액정의 합성으로 DSM(dynamic scattering mode)-LCD를 실현하게 되었다. 하지만 DSM-LCD는 전류전압 효과 때문에 소비전력이 비교적 크고 디스플레이 화질이 나쁘다는 등의 문제가 있었다.
표 1.2 LCD의 역사적 추이
이후 LCD의 역사는 정보표시량의 증대, 표시면적의 증대, 보기 쉬운 정도의 향상, 그리고 full color화에 중점을 두고 연구되어 왔다. LCD의 보기 쉬운 정도에서의 실패 요인은 흑백 표시의 TN-LCD에서 라인의 수가 64 이상으로 늘어나면, 크로스 토크에 의해 화면의 표시가 나쁘다는 점이다. 이는 액정산업에 한계로 나타났고, 이를 해결하기 위한 대응책으로 1972년 P. Brody가 제안했던 능동행렬(active matrix) LCD이다.
1980년대 초에 몇 그룹은 기판 사이의 액정 비틀림 각이 90°이상이 되는 ST(Super Twisted) 효과를 보고하였다. 1985년 SID(Society for Information Display) Symposium에서 super twisted nematic 효과와 birefringence를 이용한 컬러 STN 디스플레이의 특성이 발표되었다. 이후로 STN-LCD에는 대비비(contrast ratio)와 시야각에 있어서 큰 문제가 없었으나, 500 스캐닝 라인 이상에서 광학적 간섭효과에 의해 생기는 형상 착색화가 문제로 나타났다. 이 문제를 해결하기 위해 STN-LCD의 위에 reverse twisted 액정을 겹치는 double-layer STN(DSTN)-LCD가 개발되었다. 하지만 DSTN-LCD는 대비비면에서 많은 문제점을 가지고 있었다. 그래서 단순 매트릭스 LCD의 한계를 극복하기 위해 1970년대 제안된 AMLCD에 대한 연구가 활발히 진행되었다(그림 1.5 참조).
그림 1.5 Break through technology of LCD
1.3.2 TFT의 역사
능동행렬 액정 표시 소자 (AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)가 정보 디스플레이 분야에서 점차적으로 주류가 되고 있다. AMLCD에서는 박막트랜지스터 (TFT: Thin Film Transistor) 하나에 의해 화소 하나의 전압을 조절하여 화소의 투과도를 변화시킨다.
최근 산업계에서는 비정질 실리콘을 능동층으로 사용한 TFT가 대면적 AMLCD의 스윗칭 소자로 사용되며, 이러한 비정질 실리콘 박막은 기판 온도 350 ℃ 이하에서 증착이 가능하기 때문에 저가의 대면적 유리 기판을 사용할 수 있는 잇점이 있다. 또한 비정질 실리콘 TFT는 scan line의 수가 1000 이상인 디스플레이에서도 전하를 공급할 수 있을 정도로 드레인 전류가 크고, 한 프레임(frame) 동안에 전하의 방전이 거의 없을 정도로 off 전류가 낮다. 따라서 대비비 100:1 이상을 가질 수 있다.
여러가지 능동행렬 기술들이 개발되었음에도 불구하고, 오늘날 가장 많이 사용되고 유력시되는 디스플레이는 비정질 실리콘 TFT와 저온 다결정 실리콘 TFT를 이용한 LCD이다. 그런데 AMLCD가 매우 일찍 제안되었음에도 불구하고 최초의 상업제품은 1982년에 생산된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (poly-Si TFT)를 이용한 poket TV였다.
각 화소에 스윗칭 소자를 연결하여 전체의 화면을 형성하는 것이 AMLCD인데, 스위칭은 diode가 주류인 two terminal device 혹은 transistor (three terminal device)로 할 수 있다. AMLCD에는 디스플레이 기술, 반도체 기술 및 액정 기술이 종합적으로 이용되고 대면적 유리기판을 사용한다는 특징을 갖는다.
1935년에 영국의 O. Heil이 TFT의 구조 특허를 취득하고, 1961년에 박막 트랜지스터의 기본 개념이 나온 이래, 1970년대에 기본적인 연구가 진행되었다. 1971년에 Lechner가 행렬 디스플레이의 각 화소를 독립적으로 스위칭하면 100:1 혹은 그 이상의 고대비비를 얻을 수 있을 것이라고 제안하는 등의 AMLCD의 기본 개념을 발표하였다. 1971년에 최초의 AMLCD가 Brody 등에 의해서 발표되었으나, 이때의 박막 트랜지스터는 CdSe TFT였다.
그 이후로 1972년에 Spear와 LeComber가 글로우 방전 방법으로 수소화된 비정질 실리콘을 제작한 후에 1979년에 LeComber에 의해 비정질 실리콘 TFT가 개발되었다. 또한 그는 이의 AMLCD로의 적용을 제안하였다.
1970년대 말부터 1981년에 걸쳐 Geis 등과 Rief 등이 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 발전 계기를 마련하였다. Self-implantation에 의한 다결정 실리콘 박막의 그레인 (grain) 크기를 증가시키는 방법을 제안하여, 1980년대 초에는 다결정 실리콘과 비정질 실리콘 디바이스를 사용한 TFT-LCD가 일본의 여러회사에서 개발되었다. 이때에 일본에서 주로 생산한 비정질 실리콘 TFT-LCD는 pocket TV (3∼5″)용이었다. T. Matsumoto 등에 의해 1982년에는 엑시머 레이져 아닐링 (Excimer laser annealing) 방법에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 발표되었으며, 1984년에는 T. P. Brody 등에 의해 직접 증착 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 그후 1985년에 Morozumi에 의해 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 드라이버 IC (Integrated Circuit)가 제안되었으며, 1980년대 후반에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터에 대한 활발한 연구가 진행되어 다결정 실리콘 박막 트랜지터의 누설전류를 줄이려는 많은 시도가 진행되었다. 또한 1996년에는 J. Jang 등에 의해 누설전류가 작고 안정성이 높은, Cl이 함유된 비정질 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 표 1.4에 TFT의 개발 역사가 요약되어 있다.
표 1.4 TFT 개발 역사의 요약
1.3.3 TFT(thin film transistor)-LCD의 역사
AMLCD는 단순 매트릭스 LCD에 비해 응답시간과 계조를 포함하는 화질 특성이 우수하다. AMLCD는 큰 화면크기와 많은 화소수가 필요한 TV 수신기, 포터블 컴퓨터에 이용되는 직시형과, 프로젝션 TV와 비디오 카메라의 모니터용에 이용되는 작은 LCD 모듈의 두 분야를 중심으로 연구, 발전되어 디스플레이 산업에서의 현재 위치를 점하게 되었다. 1976년에 AMLCD 평면 TV가 제안되었고 1978년 Lipton 등에 의한 MOSFET 1.75형, 30625화소 LCD와 Brody와 Luo에 의한 CdSe TFT LCD가 개발되었다. 1979년에 LeComber 등이 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT의 LCD에의 응용에 대해 연구하기 시작한 후, TFT-LCD는 급속히 발전하여 현재의 위치에 이르게 되었다(표 1.5 참조).
표 1.5 TFT-LCD의 역사[2]
1.3.4 TFT-LCD의 현재
90년대 이후 TFT-LCD에 대한 연구는 대면적화, 광시야각화, 고개구율화 등에 중점을 두고 진행되었다. 이때에 사용된 스위칭 소자는 모두 a-Si:H TFT이다. 현재 TFT-LCD는 노트북 PC 시장을 석권했으며, 데스크 탑용 모니터로의 채용이 점차적으로 증대되고 있다. TFT-LCD의 가장 큰 문제로 지적되고 있는 좁은 시야각에 대한 해결방안으로 1) 멀티 도메인, 2) 필름 보상, 3) In Plane Switching(IPS) mode, 4) Optically Compensated Birefringence(OCB)와 같은 방법들이 제안되어 연구되고 있다. 이중 IPS 모드는 모니터 등의 대면적용 TFT-LCD에 적합하고 시야각은 상하좌우 모두 140°정도를 갖는 장점을 가지고 있다. 하지만 개구율이 낮다는 점 등이 아직 문제로 남아 있다. TFT-LCD는 CRT에 비해 부피가 작고, 소비전력이 낮으며 건강에 유해한 전자파와 같은 문제가 없다는 장점을 가지고 있다. 따라서 반응 속도, 시야각, 동작온도 범위, 완제품의 가격 등의 문제가 점차적으로 해결되고 있기 때문에 TFT-LCD가 CRT를 대체하여 데스크 탑용 모니터 및 TV로 사용이 점차 증대될 것이다(표 1.6참조)
표 1.6 90년대의 TFT-LCD
표 1.7 모니터에 응용하기 위한 대화면 LCD
1996년에 Sharp에서는 29인치의 TFT-LCD를 두 장 접합하는 방식으로 40인치 SVGA급 TFT-LCD를 발표하였다. 이것이 1998년 2월 현재까지 개발된 직시형의 가장 대화면 TFT-LCD이다. 또한 Fujitsu에서는 좌우 140°, 상하 110°시야각의 XGA 13.8″TFT-LCD, Hitachi에서는 좌우 140°, 상하 140° 시야각의 13.3″XGA TFT-LCD의 상품화에 성공하였다. 또한 NEC와 Hosiden에서는 9.5″반사형 color TFT-LCD 개발에 성공하였고, Toshiba와 LG에서는 12.1″급 저온 poly-Si TFT-LCD를 개발하였다. 국내에서는 세계 최초로 삼성에서 1600×1200의 화소수를 갖는 30″UXGA(Ultra Extended Graphic Array) TFT-LCD를, LG에서는 노트북용 14.1″XGA TFT-LCD를 개발하였다(표 1.7 참조). 최근에는 비정질 실리콘을 결정화하는 많은 새로운 방법들이 제안되고 있으며, 한 예가 일본의 Sharp와 SEL에서 개발한 super lateral grain growth 방법이며 이러한 방법에 의하여 300 cm2/Vs이상의 전계효과 이동도를 얻었다.
그림 1.6 컬러 TFT-LCD panel 구조 (직시형, 투과형)
그림 1.6의 컬러 TFT-LCD의 구조를 보면, 형광램프에서 나온 빛이 반사 및 분산 장치에 의해 액정패널쪽으로 입사된다. 액정 패널은 두 개의 유리판 사이에 비틀림네마틱(TN)액정이 약 5μm 두께로 채워져 있으며, 빛이 입사된 쪽의 유리판 위에 TFT 및 ITO 화소와 액정배향층이 있고, 다른 쪽의 유리판 위에는 컬러필터와 액정배향층(폴리이미드)이 코팅되어 있다. 그리고 두 장의 유리판밖에는 편광판이 부착되어 있다.
컬러화상은 R(적색), G(녹색), B(청색) 세 종류의 컬러필터를 조합하여 얻어진다. R,G,B 세 개의 화소가 모여서 한 개의 컬러화소를 이루며, TFT는 R, G, B 화소에 각각 연결되어 있기 때문에 SVGA(800×600) 화면 구성의 경우 3×480,000개의 TFT가 필요하다.
TFT-LCD는 입사된 빛의 3∼10%만 투과하는 매우 비효율적인 광변조기이다. 두 장의 편광판의 투과도 45%, 유리 두장의 투과도 94%, TFT 어레이 및 화소의 투과도 65%, 컬러필터의 투과도를 27%라 두고 계산하면 TFT-LCD의 광투과도는 약 7.4%이다. 현재 생산되는 12.1인치급의 광투과도는 5∼8%이다. 그림 1.7은 백라이트에서 나온 빛의 각 층별 투과도를 도식적으로 나타낸 것이다. 백라이트에서 나온 빛이 후면 편광판, TFT기판, 컬러필터 및 전면 편광판을 투과하면 그 세기가 10% 이하로 떨어진다.
그림 1.7 TFT-LCD 백라이트에서 나온 빛이 각층을 통과할때의 투과도
1.4.1 Backlight 및 편광판
Backlight unit은 그림 1.8과 같이 램프, 반사판, 도광판, 확산판과 프리즘판으로 구성되어 있다. 램프는 CCFT(Cold Cathode Fluorenscence Tube), HCFT(Hot Cathode Fluorenscence Tube)로 구분되며, 반사판은 빛의 반사각을 변화시킨다. 빛은 도광판을 거쳐서 균일성을 확보해 주는 확산판을 지나서, 프리즘을 통해서 평면으로 나가게 된다. 그림 1.9는 편광 필름의 구조를 보여주고 있다. 여러층으로 구성이 되며 입사광을 편광시키는 고분자 편광물질을 중심으로 지지체 TAC(tri-acetyl-cellulose)를 편광물질의 양쪽에 사용하고 접착층은 편광 필름을 글라스 표면에 접착시키기 위하여 사용한다. 그리고 상측 표면에는 저반사층인 AG(Anti-Glane) 혹은 AR(Anti-Reflection) coating층과 보호막이 있다.
1.4.2 유리 (Glass)
LCD에서 사용되는 유리는 무알카리 특성이 되어야 한다. 이는 유리판에서 alkali 이온이 액정 셀중에 용출되면 액정 비저항이 저하되어 표시 특성이 변하게 되고, seal부에서는 sealant의 유리와의 부착력을 저하시키고, TFT의 동작에 악영향을 주기 때문이다. 350℃ 이상의 온도을 견디며 산과 염기에 견딜 수 있는 TFT-LCD용 기판재료는 fusion 공법으로 제작된 유리가 사용되고 있다. 유리판 표면의 불량은 얼룩, 긁힘, 표면의 불균일, 휘어짐, 그리고 물결침 등이 있으며, 이러한 문제점은 TFT-LCD 제조에 있어서 중요하다.
TFT-LCD를 제조하기 위해서는 유리판 위에 Al, Cr, ITO, SiNx 등의 박막을 형성해야 하는데, 박막과 유리판 사이의 부착력이 문제가 된다. 유리판와 막사이의 부착력은 유리판 표면의 청결도에 크게 좌우된다. 유리판과 세정에는 아세톤, 초순수, 초음파세척 등의 다양한 방법을 사용한다.
1.4.3 TFT 기판
그림 1.10 TFT-LCD의 TFT 어레이 기판
그림 1.10은 TFT-LCD의 TFT 어레이 기판의 모식도이다. TFT는 일반적으로 화소 하나에 하나씩 존재하며, 화소에 필요한 데이타를 데이터 라인에서 화소로 입력하는 스위치 역할을 하며, 게이트 라인에 문턱전압보다 높은 전압이 인가되면 turn-on이 된다. 데이터 라인은 일반적으로 패널의 수직 방향으로 위치하며. 구동 IC에서 출력된 데이터 전압을 화소까지 전달한다. 라인 하나에 수직 해상도에 해당하는 수의 화소가 부착돼 있다. 게이트 라인은 데이터 라인과는 달리 수평방향으로 위치하며, 게이트 IC에서 순차적으로 신호를 출력한다. 컬러 TFT-LCD의 경우에는 컬러를 표시하기 위하여 라인 하나에 수평 해상도의 3배에 해당하는 수의 화소가 존재한다.
1.4.4 LC (Liquid Crystal)
액정 분자 길이방향의 축이 전극 면에 평행이 되도록 배향 처리한 2매의 투명전극상에 90°각도를 가지도록 셀을 구성하고, 여기에 nematic 액정을 주입하면 한쪽 전극으로부터 다른 한쪽 전극을 향하여 액정의 분자 길이 축이 연속적으로 90°twist된 배열상태를 이루는데 이를 twisted nematic(TN) 액정이라 한다.
Nematic 액정은 그 분자 위치의 규칙성은 없지만 분자축을 전제로 한 방향의 질서를 가지고 있다. 액정 분자는 길이가 수십 Å이고 폭이 수 Å이 되는 구조를 가지고 있으며, nematic 액정에서 분자의 방향은 위, 아래가 거의 동등하기 때문에 분극이 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지는 않는다. 액정의 분자구조에서 분자의 축방향과 직각 방향이 물리적 성질이 매우 다르다. 따라서 액정은 광학적 이방성을 가지는 물질이다. 축방향에 평행인 유전률이 ε〃이고 축방향에 직각인 유전률은 ε⊥ 이라고 할 때 Δε=ε〃 -ε⊥> 0은 p(positive) 형 액정이고 Δε=ε〃 -ε⊥< 0은 n(negative) 형 액정이다. 일반적으로 p형 액정은10≤Δε≤20이고 n형 액정은 -1≤Δε≤-2 정도의 값을 가진다.
1.4.5 컬러 필터 기판
그림 1.11 컬러 필터의 투과 특성 및 backlight에서 방출된 빛의 스펙트럼
그림 1.11은 컬러 필터의 투과 특성 및 backlight에서 방출된 빛의 스펙트럼을 나타낸다. 빛이 컬러 필터를 통과시 파장에 따라 투과도가 상이하다. 그러나 램프의 스펙트럼 때문에 컬러 필터를 통과한 R,G,B 빛의 세기가 비슷하게 된다.
1.4.6 Driver IC / Controller / TAB
표면실장기술(SMT :Surface Mount Technology)은 기판의 단면 혹은 양면위에 전자 부품을 접합하여 전기적으로 도통되도록 회로를 구성할 때 적용되는 접합기술을 총칭한다. TFT-LCD 모듈은 패널과 이를 구동시켜 표시동작을 실행하기위한 부분 부품인 구동회로 PCB와 backlight용 광학 장치 및 기구적인 부품이 모여서 이루어진다. 액정 구동용 IC를 탑재한 flexible PCB 또는 IC Chip 자체를 어떠한 방법으로 연결시키는 가에 따라 여러종류의 접합기술이 있다. 베어칩을 실장하는 주요한 방식은 다음의 세가지가 있다.
와이어본딩(Wire Bonding) 방식과 TAB(Tape Automated Bonding)방식, 그리고 Flip Chip Bonding방식이 있다. 그림 1.12는 현재 노트북용 TFT-LCD 제작에 사용된 TAB방식의 모식도이다.
그림 1.12 TAB(Tape Automated Bonding)방식의 실장기술
표 1.8 각종 컴퓨터에 적용되는 모니터의 해상도1.5.1 Display area/Resolution
해상도는 화상을 표현하는데 있어서 얼마나 세밀한 부분까지 표시할 수 있느냐 하는 척도를 나타낸다. 현재 사용되고 있는 해상도의 종류는 매우 많은데, 표 1.8에는 일반적으로 사용되는 해상도를 나타내며, 표 1.9은 각 해상도에 따른 dot pitch와 DPI(dot per inch)를 나타낸다. CRT에서는 여러 가지 다른 해상도를 하나의 모니터에 표시할 수 있는 반면, LCD에서는 하나의 LCD 패널에는 기본적으로 하나의 해상도밖에 표시할 수 없다. 이는 LCD의 화소의 수가 패널의 설계에 따라 한가지로 정해지기 때문인데, 최근 들어서는 일부 LCD 모니터 등의 용도로 상용하기 위해서 multisync라는 기술을 이용하여 이러한 문제를 해결하고 있다. 표시하려는 화상의 해상도가 패널의 해상도 보다 낮은 경우에는 신호처리를 통해서 화면에 가득 차도록 표시하는 것이 가능하다. 그러나 표시하려는 화상의 해상도가 패널의 해상도보다 큰 경우에는 표시가 불가능하다.
표 1.9 각 해상도에 따른 dot pitch와 DPI(dot per inch)
1.5.2 Brightness/Contrast ratio
Contrast ratio(C/R)는 화면상에서 상이 얼마나 뚜렸하게 보이는지를 가름하는 척도로서 휘도의 차이가 클수록 잘 보인다. C/R는 패널의 중앙에서 white 상태의 휘도값을 black 상태의 휘도값으로 나눈 값으로 정의한다.
C / R = Luminance with all pixels white / Luminance with all pixels black
Black 상태에서의 휘도는 white 상태에서의 휘도보다 작은 값을 가지기 때문에 위의 식에서 C/R 값은 주로 black 상태의 휘도에 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다. Brightness는 backlight의 세기에 관계되며 노트북용 TFT-LCD는 표면 밝기가 70 cd/m2이고 TV용에서는 200 cd/m2 정도이다.
1.5.3 계조 (Gray scale)
White와 black외에 다른 상태가 존재하는 표시 방식으로서, 계조표시(gray scale)에서는 white와 black 상태 사이에 몇 개의 중간상태가 더 존재한다. 완전 컬러 (full color) TFT-LCD에서는 8 비트의 해상도 (256 gray scales)를 필요로 한다. Gray scale의 형성은 그림 1.13에서 보는 바와 같이 비선형적인 T-V (transmittance-voltage) 특성을 고려하여 만들어 진다. 전압의 중간값을 얻기 위해서는 액정에 인가되는 전압의 세기를 조절하는 방법과 전압 펄스폭을 조절하는 방법이 있다. 드라이버를 통하여 생성된 신호는 원하는 투과도를 나타낼 수 있게 하여, gray scale을 만든다.
그림 1.13 Transmittance-voltage 특성곡선과 드라이버에 의한 voltage level의 한 예 (8 gray levels)
1.5.4 컬러 (Color)
지금까지 다양한 종류의 컬러 형성방법이 제시되어 왔다. 초기에는 네마틱 액정의 복굴절 효과나 콜레스테릭 액정의 선택 반사와 같은 액정 자신이 가지는 광학적 성질을 이용하는 방법이나, 게스트-호스트 효과와 같이 액정 이외 재료의 광학적 성질을 액정에 이용하여 제어하는 방법이 주류였다. 그러나 현재에는 3원색의 컬러 필터를 하나 하나의 화소의 전극상에 형성하고 LCD가 입사되는 빛의 강도를 제어하는 라이트 벨브의 역할을 하게 하여, 3원색에 해당하는 세개의 필터를 투과한 색광을 혼합함으로써 다색표시나 자연색의 표시를 가능하게 하는 방식이 주류를 이루고 있다. TN 액정을 사용하는 TFT-LCD의 구성에서, 액정은 두 개의 유리기판 (TFT 기판과 컬러필터 기판) 사이에 봉입된다. 컬러필터기판은 공통전극기판이라고도 불리우는데, 투과성의 공통전극기판은 ITO (Indium Tin Oxide)로 만들어지고, 컬러필터의 위에 증착된다. TN 액정을 사용하기 위해서 두 유리기판의 간격은 약 5 μm 정도를 유지한다.
TFT-LCD에서 각 화소는 그림 1.14에서 보는 바와 같이, R, G, B (red, green, blue) 3색의 도트 (dot)로 이루어진다.
그림 1.14 TFT-LCD의 컬러 도트의 배열이다. Striped 형태는 대체로 컴퓨터 모니터에 이용이 되고, triad나 quad 형태는 TV 화면에 이용된다.
그림 1.14의 triad와 quad 형태의 배열은 대체로 TV 화면 제작에 이용이 되는데, quad 형태의 배열에서 한 녹색 도트는 흰 도트로 대치된다. Striped 형태는 대체로 컴퓨터 모니터에 이용된다. 디지털 신호는 각 도트에 주어지게 되고, 컬러 채널당 n 비트 (bits)의 표시 가능한 컬러의 수는 (2n)3으로 주어진다. 예를 들어 n=2 이면 64색의 표시할 수 있고, n=4 이면 4,096색을 표시하며, 24 비트의 컬러 그래픽은 16,777,216 (=(28)3) 색을 표시할 수 있다.
1.5.5 시야각 (Viewing angle)
액정은 광학적으로 상광선(ordinary) 굴절률 (no), 이상광선 (extra-ordinary) 굴절률 (ne)의 두 종류의 굴절율을 갖는 이방성 물질이므로 LCD는 시야각에 따라서 색과 C/R의 값이 달라지는데 일반적으로 시야각은 보는 눈의 방향에 따라서 결정되는 각도를 말한다.
측정은 눈과 화면이 정면이 될 때의 각도를 0。로 정하여 패널을 상하-60。∼60。, 좌우 -60。∼60。로 회전시키며서 각 계조(gray level)에서 2∼5。간격으로 측정한다. 시야각에 따른 휘도곡선을 그리면 gray scale inversion이 발생하는 각을 알 수 있다. 시야각은 C/R의 값이 10:1 이상일 때의 범위로 정한다. 일반적으로 LCD의 화질을 결정하는 것은 시야각뿐만 아니라 gray scale이 inversion되는 각도도 포함되어야 한다.
1.5.6 속도 (Speed)
LCD의 speed는 액정의 응답시간에 절대적으로 의존한다. 액정은 고분자 물질로서 전기장의 변화에 빠르게 응답하지 못하고 어느 정도의 시간을 두고 액정분자의 배열이 변화된다. 또한 점성, 탄성력등이 응답시간과 밀접한 관계를 가지게 된다. 응답시간의 지연은 화면에 잔상을 남기어 동화상을 구현할 경우 화질이 저하된다.
액정의 시간지연에 따른 배열분포의 변화는 LCD 화면에서 밝기의 차이로 나타나는데, 이 밝기의 변화를 측정하면 응답시간을 알 수 있다. 백바탕 모우드 (normally white mode)에서 전압이 인가되지 않았을 때의 밝기를 1이라고 하고, 전압이 인가 되었을 때의 밝기를 0이라고 가정할 경우에 rising time은 액정에 전압이 인가되어 전기장과 같은 방향으로 액정의 장축이 배열하여 준안정 상태에 이르는 시간으로 최대의 휘도를 100%으로 최적화할 경우 휘도가 90%에서 10%로 변하는데 걸리는 시간이고, falling time은 전기장이 사라져 원래의 안정된 상태로 돌아오는데 걸리는 시간이다. 응답시간에 영향을 주는 요인들에는 여러 가지가 있는데, 액정의 회전점성도, 액정셀의 두께, 동작온도, 동작전압, 액정의 pitch, 꼬임각과 탄성상수 등이다.
1.5.7 수명 (Lifetime)
TFT-LCD는 액정, 컬러 필터, 편광판, TFT, backlight 등이 결합된 복잡한 구조를 가지고 있다. 그러나 backlight를 제외한 다른 부품들의 수명은 반영구적이라고 할 수 있으므로, TFT-LCD의 수명에 가장 큰 영향을 주는 것은 backlight이다. 표 1.10은 CCFT와 HCFT의 수명과 특징을 비교한 표이다.
표 1.10 CCFT와 HCFT의 수명과 특징
TFT LCD TV - What is TFT LCD?
History of TFT LCD
Liquid crystal was discovered by the Austrian botanist Fredreich Rheinizer in 1888. "Liquid crystal" is neither solid nor liquid (an example is soapy water).
In the mid-1960s, scientists showed that liquid crystals when stimulated by an external electrical charge could change the properties of light passing through the crystals.
The early prototypes (late 1960s) were too unstable for mass production. But all of that changed when a British researcher proposed a stable, liquid crystal material (biphenyl).
Today's color LCD TVs and LCD Monitors have a sandwich-like structure (see figure below).
What is TFT LCD?
TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) has a sandwich-like structure with liquid crystal filled between two glass plates.
TFT Glass has as many TFTs as the number of pixels displayed, while a Color Filter Glass has color filter which generates color. Liquid crystals move according to the difference in voltage between the Color Filter Glass and the TFT Glass. The amount of light supplied by Back Light is determined by the amount of movement of the liquid crystals in such a way as to generate color.
TFT LCD - Electronic Aspects of LCD TVs and LCD Monitors
Electronic Aspects of AMLCDs
The most common liquid-crystal displays (LCDs) in use today rely on picture elements, or pixels, formed by liquid-crystal (LC) cells that change the polarization direction of light passing through them in response to an electrical voltage.
As the polarization direction changes, more or less of the light is able to pass through a polarizing layer on the face of the display. Change the voltage, and the amount of light is changed.
There are two ways to produce a liquid-crystal image with such cells: the segment driving method and the matrix driving method.
The segment driving method displays characters and pictures with cells defined by patterned electrodes.
The matrix driving method displays characters and pictures in sets of dots.
Direct vs. multiplex driving of LCD TVs.
The segment drive method is used for simple displays, such as those in calculators, while the dot-matrix drive method is used for high-resolution displays, such as those in portable computers and TFT monitors.
Two types of drive method are used for matrix displays. In the static, or direct, drive method, each pixel is individually wired to a driver. This is a simple driving method, but, as the number of pixels is increased, the wiring becomes very complex. An alternative method is the multiplex drive method, in which the pixels are arranged and wired in a matrix format.
To drive the pixels of a dot-matrix LCD, a voltage can be applied at the intersections of specific vertical signal electrodes and specific horizontal scanning electrodes. This method involves driving several pixels at the same time by time-division in a pulse drive. Therefore, it is also called a multiplex, or dynamic, drive method.
Passive and Active Matrix LCDs
There are two types of dot-matrix LCDs.
Passive-matrix vs. active-matrix driving of LCD Monitors.
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TFT LCD TV - What is TFT LCD?
History of TFT LCD
Liquid crystal was discovered by the Austrian botanist Fredreich Rheinizer in 1888. "Liquid crystal" is neither solid nor liquid (an example is soapy water).
In the mid-1960s, scientists showed that liquid crystals when stimulated by an external electrical charge could change the properties of light passing through the crystals.
The early prototypes (late 1960s) were too unstable for mass production. But all of that changed when a British researcher proposed a stable, liquid crystal material (biphenyl).
Today's color LCD TVs and LCD Monitors have a sandwich-like structure (see figure below).
What is TFT LCD?
TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) has a sandwich-like structure with liquid crystal filled between two glass plates.
TFT Glass has as many TFTs as the number of pixels displayed, while a Color Filter Glass has color filter which generates color. Liquid crystals move according to the difference in voltage between the Color Filter Glass and the TFT Glass. The amount of light supplied by Back Light is determined by the amount of movement of the liquid crystals in such a way as to generate color.
TFT LCD - Electronic Aspects of LCD TVs and LCD Monitors
Electronic Aspects of AMLCDs
The most common liquid-crystal displays (LCDs) in use today rely on picture elements, or pixels, formed by liquid-crystal (LC) cells that change the polarization direction of light passing through them in response to an electrical voltage.
As the polarization direction changes, more or less of the light is able to pass through a polarizing layer on the face of the display. Change the voltage, and the amount of light is changed.
There are two ways to produce a liquid-crystal image with such cells: the segment driving method and the matrix driving method.
The segment driving method displays characters and pictures with cells defined by patterned electrodes.
The matrix driving method displays characters and pictures in sets of dots.
Direct vs. multiplex driving of LCD TVs.
The segment drive method is used for simple displays, such as those in calculators, while the dot-matrix drive method is used for high-resolution displays, such as those in portable computers and TFT monitors.
Two types of drive method are used for matrix displays. In the static, or direct, drive method, each pixel is individually wired to a driver. This is a simple driving method, but, as the number of pixels is increased, the wiring becomes very complex. An alternative method is the multiplex drive method, in which the pixels are arranged and wired in a matrix format.
To drive the pixels of a dot-matrix LCD, a voltage can be applied at the intersections of specific vertical signal electrodes and specific horizontal scanning electrodes. This method involves driving several pixels at the same time by time-division in a pulse drive. Therefore, it is also called a multiplex, or dynamic, drive method.
Passive and Active Matrix LCDs
There are two types of dot-matrix LCDs.
Passive-matrix vs. active-matrix driving of LCD Monitors.
In passive-matrix LCDs (PMLCDs) there are no switching devices, and each pixel is addressed for more than one frame time. The effective voltage applied to the LC must average the signal voltage pulses over several frame times, which results in a slow response time of greater than 150 msec and a reduction of the maximum contrast ratio. The addressing of a PMLCD also produces a kind of crosstalk that produces blurred images because non-selected pixels are driven through a secondary signal-voltage path. In active-matrix LCDs (AMLCDs), on the other hand, a switching device and a storage capacitor are integrated at the each cross point of the electrodes.
The active addressing removes the multiplexing limitations by incorporating an active switching element. In contrast to passive-matrix LCDs, AMLCDs have no inherent limitation in the number of scan lines, and they present fewer cross-talk issues. There are many kinds of AMLCD. For their integrated switching devices most use transistors made of deposited thin films, which are therefore called thin-film transistors (TFTs).
The most common semiconducting layer is made of amorphous silicon (a-Si).
a-Si TFTs are amenable to large-area fabrication using glass substrates in a low-temperature (300캜 to 400캜) process.
An alternative TFT technology, polycrystalline silicon - or polysilicon or p-Si-is costly to produce and especially difficult to fabricate when manufacturing large-area displays.
Nearly all TFT LCDs are made from a-Si because of the technology's economy and maturity, but the electron mobility of a p-Si TFT is one or two orders of magnitude greater than that of an a-Si TFT.
This makes the p-Si TFT a good candidate for an TFT array containing integrated drivers, which is likely to be an attractive choice for small, high definition displays such as view finders and projection displays.
Structure of Color TFT LCD TVs and LCD Monitors
A TFT LCD module consists of a TFT panel, driving-circuit unit, backlight system, and assembly unit.
Structure of a color TFT LCD Panel:
It is commonly used to display characters and graphic images when connected a host system.
The TFT LCD panel consists of a TFT-array substrate and a color-filter substrate.
The vertical structure of a color TFT LCD panel.
The TFT-array substrate contains the TFTs, storage capacitors, pixel electrodes, and interconnect wiring. The color filter contains the black matrix and resin film containing three primary-color - red, green, and blue - dyes or pigments. The two glass substrates are assembled with a sealant, the gap between them is maintained by spacers, and LC material is injected into the gap between the substrates. Two sheets of polarizer film are attached to the outer faces of the sandwich formed by the glass substrates. A set of bonding pads are fabricated on each end of the gate and data-signal bus-lines to attach LCD Driver IC (LDI) chips
Driving Circuit Unit
Driving an a-Si TFT LCD requires a driving circuit unit consisting of a set of LCD driving IC (LDI) chips and printed-circuit-boards (PCBs).
To reduce the footprint of the LCD module, the drive circuit unit can be placed on the backside of the LCD module by using bent Tape Carrier Packages (TCPs) and a tapered light-guide panel (LGP).
How TFT LCD Pixels Work
A TFT LCD panel contains a specific number of unit pixels often called subpixels.
Each unit pixel has a TFT, a pixel electrode (IT0), and a storage capacitor (Cs).
For example, an SVGA color TFT LCD panel has total of 800x3x600, or 1,440,000, unit pixels.
Each unit pixel is connected to one of the gate bus-lines and one of the data bus-lines in a 3mxn matrix format. The matrix is 2400x600 for SVGA.
Structure of a color TFT LCD panel.
Because each unit pixel is connected through the matrix, each is individually addressable from the bonding pads at the ends of the rows and columns.
The performance of the TFT LCD is related to the design parameters of the unit pixel, i.e., the channel width W and the channel length L of the TFT, the overlap between TFT electrodes, the sizes of the storage capacitor and pixel electrode, and the space between these elements.
The design parameters associated with the black matrix, the bus-lines, and the routing of the bus lines also set very important performance limits on the LCD.
In a TFT LCD's unit pixel, the liquid crystal layer on the ITO pixel electrode forms a capacitor whose counter electrode is the common electrode on the color-filter substrate.
Vertical structure of a unit pixel and its equivalent circuit
A storage capacitor (Cs) and liquid-crystal capacitor (CLC) are connected as a load on the TFT.
Applying a positive pulse of about 20V peak-to-peak to a gate electrode through a gate bus-line turns the TFT on. Clc and Cs are charged and the voltage level on the pixel electrode rises to the signal voltage level (+8 V) applied to the data bus-line.
The voltage on the pixel electrode is subjected to a level shift of DV resulting from a parasitic capacitance between the gate and drain electrodes when the gate voltage turns from the ON to OFF state. After the level shift, this charged state can be maintained as the gate voltage goes to -5 V, at which time the TFT turns off. The main function of the Cs is to maintain the voltage on the pixel electrode until the next signal voltage is applied.
Liquid crystal must be driven with an alternating current to prevent any deterioration of image quality resulting from dc stress.
This is usually implemented with a frame-reversal drive method, in which the voltage applied to each pixel varies from frame to frame. If the LC voltage changes unevenly between frames, the result would be a 30-Hz flicker.
(One frame period is normally 1/60 of a second.) Other drive methods are available that prevent this flicker problem.
Polarity-inversion driving methods.
In an active-matrix panel, the gate and source electrodes are used on a shared basis, but each unit pixel is individually addressable by selecting the appropriate two contact pads at the ends of the rows and columns.
Active addressing of a 3x3 matrix
By scanning the gate bus-lines sequentially, and by applying signal voltages to all source bus-lines in a specified sequence, we can address all pixels. One result of all this is that the addressing of an AMLCD is done line by line.
Virtually all AMLCDs are designed to produce gray levels - intermediate brightness levels between the brightest white and the darkest black a unit pixel can generate. There can be either a discrete numbers of levels - such as 8, 16, 64, or 256 - or a continuous gradation of levels, depending on the LDI.
The optical transmittance of a TN-mode LC changes continuously as a function of the applied voltage.
An analog LDI is capable of producing a continuous voltage signal so that a continuous range of gray levels can be displayed.
The digital LDI produces discrete voltage amplitudes, which permits on a discrete numbers of shades to be displayed. The number of gray levels is determined by the number of data bits produced by the digital driver.
Generating Colors
The color filter of a TFT LCD TV consists of three primary colors - red (R), green (G), and blue (B) - which are included on the color-filter substrate.
How an LCD Panel produces colors.
The elements of this color filter line up one-to-one with the unit pixels on the TFT-array substrate.
Each pixel in a color LCD is subdivided into three subpixels, where one set of RGB subpixels is equal to one pixel.
(Each subpixel consists of what we've been calling a unit pixel up to this point.)
Because the subpixels are too small to distinguish independently, the RGB elements appear to the human eye as a mixture of the three colors.
Any color, with some qualifications, can be produced by mixing these three primary colors.
The total number of display colors using an n-bit LDI is given by 23n, because each subpixel can generate 2n different transmittance levels.
The content shown above was provided by Samsung Electronics.
LCD는 2개의 얇은 유리판 사이에 고체와 액체의 중간 성질을 가진 액정(Liquid Crystal)을 주입해 전원 공급시 액정분자의 배열을 변화시킴으로써 명암을 발생시켜 영상을 표시하는 디스플레이로 그 구동 방식에 따라 PM(Passive Matrix, 단순행렬) 구조와 AM(Active Matrix, 능동행렬) 구조로 나눌 수 있다.
여기서 PM LCD는 서로 직교하는 두 개의 띠狀 전극 교점에 화소가 형성되며, 따라서 각 화소점은 두 개의 겹쳐지는 전극단자에 의해 구동되므로 독립적으로 작동하지 못한다. 이름이 Passive(수동)인 것도 이것 때문이며 Contrast와 응답 속도, 색 표시 특성의 확보가 어렵다. TN과 STN LCD가 이에 해당된다.
반면에 AM LCD는 각 화소 하나 하나에 트랜지스터(스위칭 소자)가 형성되어 잇어 화소의 켜짐과 꺼짐 동작을 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 따라서, 상대적으로 고화질, 빠른 응답 속도를 얻을 수 있으며 우리가 잘 알고 있는 TFT(Thin Film Transistor) LCD가 그 예이다. TFT LCD는 그 표시특성이 우수하여 전체 LCD 시장의 70% 이상을 점유하고 있는데, 최근 Note PC 시장에 이어 Monitor 시장에서도 급성장을 하고 있다.
2.화면크기 (Size)
CRT 모니터에서는 가시화면이라는 개념이 존재한다. 즉, 21인치 모니터의 경우 화면이 표시되는 영역은 약 1인치 작은 20인치 정도가 된다. 이를 가시화면이라 하는데 LCD에서는 이와 같은 가시화면의 개념이 없다. 18인치라 하면 가시화면의 크기가 18인치가 된다. 따라서, 15인치 LCD 모니터는 17인치 CRT 모니터 보다 약 1인치 정도 작고, 18인치 LCD 모니터는 19인치 CRT 모니터와 비슷한 화면을 보여준다고 생각할 수 있다. 물론 화면의 크기는 대각선으로 측정하고 인치로 표기하는데, 삼성 LCD 모니터의 스펙을 보면 Display Area라고 해서 가로*세로의 크기도 같이 표시해 주고 있다. (특별한 의미는 없다.)
3.휘도 (Brightness)
CRT 모니터에서는 볼 수 없는 몇 가지 특성들이 LCD 스펙에 등장하는데, 그 이유는 LCD라는 새로운 디스플레이 기기를 이해하기 위해 약 100년간 우리의 눈을 즐겁게 해온 구관(舊官)과 비교하기 위함이다. 즉, 주요 특성들이 CRT의 수준에 비해 어느 정도의 위치인지를 보여주는 것이다. 요즘 출시되고 있는 LCD 모니터의 경우 보통 150 ~ 200cd/㎡ 정도의 휘도를 보여주고 있어 CRT의 100 ~ 120 cd(칸델라) 보다 높은 휘도를 보여주고 있다. 물론 LCD는 백라이트(Back Light)의 빛을 투과시키는 방식이기 때문에 자체 발광형인 CRT의 휘도와 같이 비교할 수는 없지만, 일반적으로 휘도가 높을수록 좋은 화질을 기대할 수 있다.
4.LCD 방식 (Type)
삼성 LCD 모니터의 카탈로그에는 독특하게도 LCD 방식이 표기되어 있는데, 최근에 제품화된 대부분의 LCD 모니터가 전부 TFT-LCD이며 그 중에서도 아모퍼스 실리콘(a-Si) 방식이 주류를 이루고 있는 상황이기 때문에 굳이 표기한 이유가 궁금해진다. 관심있는 분들은 아래의 간략한 설명을 참고하시면 이러한 필자의 궁금증을 이해하실 것이다. TFT LCD를 구성하는 재료들 중 핵심부분은 전류가 흐르는 반도체 박막이라고 할 수 있는데, 전자를 이동시키는 반도체 재료에 따라 크게 a-Si TFT LCD(Amorphous Silicon, 비정질 실리콘이라고도 함)와 Poly Si TFT LCD (Polycrystalline Silicon, 다결정 실리콘이라고도 함)로 나눌 수 있다. 현재 널리 사용되고 있는 TFT LCD는 a-Si TFT LCD인데 말 그대로 a-Si 재료를 사용하였기 때문에 붙여진 이름이며, 규칙성이 없어 전기적 특성이 비교적 낮다. 다라서 디스플레이의 고해상도, 저가격화에는 한계가 있다.
반면에 Poly-Si TFT LCD는 반도체막 형성시 a-Si에 레이저 빛을 조사함으로써 Poly-Si으로 변화시킨 것으로 완전히 정렬된 원자구조를 갖고 있어 전하이동도(전류흐름)가 a-Si에 비해 100배 이상 빠른 장점을 갖고 있다. 이런 장점으로 인해 Drive IC회로(구동회로)를 따로 장착하지 않고 panel에 내장할 수 있어 가격저감과 slim화가 가능할 뿐 아니라, 대면적 고해상도 디스플레이를 구현할 수 있다. 단, 공정비용이 추가되고 아직 기술이 정착되지 않아 공정의 균일성, 안정성 등이 떨어지는 단점이 있다.
5.픽셀 간격(Pixel Pitch)
CRT 모니터의 도트 피치(Dot Pitch)나 그릴 피치(Gril Pitch)에 해당하는 용어다. 물론 이 간격이 좁을수록 많은 수의 화소가 들어가 있으므로 보다 정밀한 화질의 표현이 가능하다. 하지만, LCD 모니터의 경우 패널(panel)의 사이즈에 따라 픽셀 피치가 정해져 있다.
예를 들어, CRT 모니터의 경우 같은 19인치라도 제조사에 따라 0.24mm부터 0.28mm까지 다양한 피치가 존재하지만, LCD 모니터의 경우 15.1인치 모니터라면 제조회사와 관계없이 모두 0.30mm의 피치를 가진다. 따라서, 소비자들은 패널의 사이즈만 신경쓰면 되고 픽셀 피치에 대해서는 잊어 버려도 무방하다.
6.시야각 (Viewable Angle)
시야각이란 말 그대로 화면을 볼 수 있는 최대한의 각도를 말한다. 이 기준이 되는 것이 대비율(Contrast Ratio)인데 자체 발광형인 CRT와 달리 LCD는 백라이트(Back Light)의 빛이 액정 층과 컬러필터(Color Filter)를 통과해서 사람의 눈에 다다르기 때문에 보는 각도에 따라 빛의 투과율이 다를 수 있다. 정보를 보호해 주는 특수 보안기를 착용할 경우 정면에서 일정 각도 이상 벗어나면 화면의 내용이 보이지 않는 것을 연상하면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
측정하는 기준은 대비율(Contrast Ratio)이며 정면에서 상하좌우로 회전시키면서 대비율의 값이 10%이상 변화하지 않는 범위내에서 정하는 것이 일반적이다. 즉, 수평 시야각이 120도라면 좌우로 회전했을 때 60도까지는 대비율이 10% 이상 변하지 않는다는 뜻이다. 당연히...시야각이 클수록 좋은 제품이다.
7.해상도 (Resolution)
CRT 모니터에서는 최대해상도내에서는 자유롭게 해상도를 변화시켜서 사용할 수 있지만, LCD 모니터의 해상도는 그다지 자유롭지 못하다. 픽셀 피치와 마찬가지로 LCD Panel의 사이즈에 따라 기본 해상도가 정해져 있고 이 외의 해상도에서는 화질이 현격하게 저하될 수 있다.
예를 들어, 18인치 LCD 모니터의 경우 1280*1024의 해상도를 사용해야 하는데 좀더 문자를 크게 보기 위해서 1024*768로 변환하면 문자가 깔끔하게 마무리되지 못하고 어느 부위는 굵고 어떤 부위는 가늘게 표시되는 등 화질이 저하된다. 사이즈별 기본 해상도는 아래와 같다.
모니터 사이즈 (LCD 모니터)
권장 해상도
15~ 15.1인치 1024*768
17 ~ 18인치 1280*1024
8.응답 시간 (Response Time)
응답 시간이란 액정 화소가 켜지거나 꺼지는데 걸리는 시간을 말한다. 화소마다 연결된 트랜지스터를 통해 on/off의 신호가 전달되지만 실제로 액정은 이를 실시간으로 반응하지 못한다. 그 이유는 액정이 고체와 액체의 중간적 성격을 띠기 때문에 액정의 배열이 변화할 때 액정의 점도에 의해 속도의 차이가 나기 때문이다. 이에 따라 빛의 투과 혹은 차단의 속도가 시각적으로 전달되는데 이를 응답 시간이라 하는 것이다.
응답 시간은 다시 상승시간(Rising Time)과 하강시간(Falling Time)으로 나뉘는데, 상승과 하강에 걸리는 총시간으로 나타낸다. 상승시간이란 전압이 가해져 액정이 정렬되는 시간을 말하고 하강시간이란 전압이 가해지지 않아 정렬됐던 액정의 배열이 다시 원위치되는데 걸리는 시간이다. 상승시간에 비해 하강시간이 2배이상 더 걸리며, 하강시간이 길어질수록 잔상이 심해질 수 있다.
9.사용자 조정기능 (OSD: On Scnreen Display)
CRT와 달리 LCD에서는 OSD로 조정할 것이 그렇게 많지 않다. 보통의 경우 모니터를 연결하고 드라이버를 설치해 준 후, Auto 버튼을 한번 눌러주는 것만으로도 대부분의 세팅이 완료된다. CRT의 OSD에서 보지 못한 용어는 Clock과 Phase 정도일 것이다.
OSD는 모니터의 화면을 사용자가 직접 최적화시킬 수 있도록 해주는 조정장치다. 화면에 나타난 OSD 창을 통해 조정하는데 테스트 프로그램과 함께 사용하면 최적화 작업이 쉽고 정교해진다. OSD로 조정할 수 있는 항목의 수는 모니터에 따라 차이가 나며 제조사에 따라 사용하는 용어도 조금씩 다르다.
10.표현 색상 수 (Display Color)
CRT 모니터는 VGA 카드에서 지원되는 모든 색상을 거의 무한 대로 지원할 수 있지만, LCD 모니터가 표현할 수 있는 색상은 역시 panel의 사이즈에 따라 제한적이다. 기본적으로 15인치 LCD 모니터가 표현할 수 있는 색상 수는 26만여 컬러이며, 18인치는 약 1670만 컬러를 표시할 수 있다.
하지만 일부 15인치 LCD 모니터의 경우 회로적인 지원을 통해 1600여만 컬러의 표현도 가능하게 하고 있다. (이에 대해 보다 쉬운 설명이 필요하신 분은 아래의 글을 참고하시기 바란다. 이 글은 지난 9월에 한 소비자의 질문에 대해 답변해 주었던 것이다. - Q&A 게시판)
전자계산기와 같은 가장 단순한 형태의 흑백 LCD의 경우에는 2가지의 선택을 할 수 있습니다. 전압을 가하면 액정이 비틀려져서 빛을 반사하지 못해 검은 색이 되고, 전압을 가하지 않으면 액정이 정렬됨으로써 들어온 빛을 그대로 반사합니다(무색). 즉 이 LCD가 처리할 수 있는 정보는 1 bit이고 2가지 색을 표시할 수 있는 것입니다.
그런데, 컬러 LCD의 경우 하나의 픽셀은 다시 Red, Green, Blue의 3개의 하위 픽셀(subpixel)로 나누어집니다. 이 때 하위 픽셀들이 가장 단순한 1bit(빛을 모두 통과시키거나 모두 차단하거나)의 정보처리만 가능하다면 하나의 픽셀이 표현할 수 있는 색상의 수는 2의 3승인 8가지((2**1)*(2**1)*(2**1)=(2**3)=8)가 됩니다. 이렇게 컬러필터에서 처리할 수 있는 정보의 수(bit)에 따라서 표현 가능한 색상 수가 달라집니다.
만약 컬러필터가 빛을 모두 통과시키나 모두 차단하는 2가지의 극단적인 경우 사이의 정보도 처리할 수 있다면... 예를 들어 5%, 10%, 20%만 통과시킬 수 있다면... 더욱 많은 색상의 표현이 가능할 것입니다. 15인치 LCD 모니터의 대부분은 컬러필터에서 6bit의 정보를 제어할 수 있는데 이는 곧 R, G, B 각각의 색상이 2의 6승만큼의 색을 표현할 수 있다는 뜻이므로 2의 18승((2**6)*(2**6)*(2**6)=(2**18))의 경우의 수가 나올 수 있다는 뜻이며 즉 262,144색의 표현이 가능한 것입니다.
하지만 이 정도로는 색이 충분하지 않기 때문에 다시 R, G, B의 밝기(휘도)를 여러 단계로 나누어 줌으로써 추가적인 색상을 표현해 주고 있습니다. 대부분의 15인치 모니터에서는 2의 6승인 256단계로 휘도를 조정해 줌고 있는데, 결과적으로 2의 24승((2**18)*(2**6)=(2**24)=16,777,216)의 색 표현이 가능해지는 것입니다.
정리해서 말하자면, 15인치 LCD 모니터에서는 컬러필터에서의 투과율 조정과 개별 하위픽셀의 휘도 조정을 통해 색상을 만들어내었다는 뜻입니다. 이에 반해, 18인치 LCD 모니터의 경우에는 각각의 하위 픽셀들이 8bit씩의 정보처리가 가능하므로 한 픽셀이 총 24bit의 색 표현이 가능한 것이며, 즉 하위 픽셀의 휘도 조정 없이도 2의 24승(=16,777,216)의 색상이 가능한 것입니다.
그림....
LCD는 구동방식에 따라 전기적 구동(electrically addressed) LCD와 광학적 구동(optically addressed) LCD로 나눌 수 있다. 광학적 구동 LCD는 spatial light modulator가 한가지 예이며 광신호에 의해 LCD를 제어하는 것이다.
전기적 구동방식은 화소전극의 구동시 능동소자의 유무에 따라 수동행렬(passive matrix) LCD와 능동행렬(active matrix) LCD로 구분될 수 있다 (그림 1.1 참조).
그림 1.1 능동행렬방식과 수동행렬방식 LCD의 비교
수동행렬방식은 주로 초기의 LCD 제품 (시계, 계산기 등)에 많이 이용되었고 LCD에 쓰이는 액정의 종류에 따라 Twisted Nematic(TN)-LCD, Super Twisted Nematic(STN)-LCD, Ferroelectric (F)-LCD와 Polymer Dispersed (PD)-LCD 등으로 분류된다. TN-LCD는 현재 LCD제품에서 가장 많이 쓰이고 있으나 응답속도, 시야각, 사용온도 범위 등의 문제점을 안고 있다. STN-LCD는 twist 각이 240°∼ 270°로 인가전압에 따른 투과도가 매우 급격히 변화되는 점을 이용하여 초기 LCD-TV 및 노트북에 많이 사용되었다. F-LCD는 강유전성 액정을 사용한 디스플레이로서 현재 사용되는 LCD중 가장 빠른 응답속도를 나타낸다. PD-LCD는, 현재 주로 사용되고 있는 TN모드방식의 경우 편광판을 필요로 하며 이 편광판에 의해 입사광의 1/2정도가 흡수되어 열로 바뀌기 때문에 광 이용 효율이 낮아지는 문제점을 개선하기 위하여 제안된 방식이다. PDLC는 액정의 유동성과 고분자 물질의 구조 및 복굴절성 등을 활용하는 것으로 고분자 재료와 액정을 혼합하는 경우, 액정의 유동성으로 액정 방울들이 polymer와의 경계에서 분자력 및 경계 조건 등에 의하여 분자 배열을 하게 되는데, 거시적으로는 각 방울들은 임의의 분자 배열을 하게 된다. 이 상태에서 평행한 빛이 입사되면 액정의 복굴절성에 의하여 액정 방울을 지나가면서 전계인가에 따라 굴절 방향이 바뀌게 된다.
각 화소를 능동소자에 의해 제어하는 능동행렬 LCD는 단자의 수에 따라 2단자(two terminal)소자 LCD와 3단자(three terminal) 소자 LCD로 구분된다. 2단자 소자는 주로 metal-insulator-metal (MIM)방식과 다이오드 방식이 사용되고 있다.
현재 LCD제품의 대부분을 차지하는 방식인 3단자소자는 주로 박막트랜지스터를 이용한다. 또한 박막트랜지스터의 활성층(active layer)의 종류에 따라 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT-LCD, 다결정질 실리콘(poly-Si) TFT-LCD, Cd-Se TFT-LCD등으로 구분된다. 현재 사용되는 대부분의 제품은 비정질 실리콘 박막트랜지스터를 이용한 LCD이고 향후 다결정질 실리콘 박막트랜지스터로의 전환이 예상된다.
LCD의 시장규모는 92년도 일본에서 생산액 3256억엔 (일본 통산성 자료)에 도달하였고, 94년까지 매년 30% 정도의 성장을 나타냈으나, 95년도에는 0%의 성장을 기록하였다. 하지만 96년부터는 다시 30% 정도로 성장하고 있다.
액정디스플레이가 본격적으로 전자기기에 채용되기 시작한 것은 최근의 일이고 지금까지 25년 정도의 역사에 지나지 않는다. 이 사이에 액정디스플레이 기술도 TN-LCD에서 STN-LCD, MIM-LCD, TFT-LCD로 발전하였고, 더불어 액정디스플레이의 표시성능도 현저하게 향상되었으며, 박형, 경량, 저소비전력이라는 특징으로 CRT에서는 어려운 새로운 분야에서의 수요를 창출해 왔다. LCD는 그 응용상품에의 발전과정에서 4세대로 분류할 수 있다.
제 1세대는 TN 모드 LCD이며 전자계산기, 시계 등의 표시소자로서 사용되었다. 제 2세대는 1986년에 개발된 고 콘트라스트 대형 단순 매트릭스 STN-LCD이고 본격적으로 PC 워드프로세서의 디스플레이로 이용되었다. 제 3세대는 1985년에 개발되어 그동안 꾸준히 성장해 온 TFT-LCD이며 10″급의 TFT-LCD가 양산되기 시작한 1991년 이후는 새로운 비약을 향한 제 3세대 칼라화가 시작되었다고 말할 수 있다. 현재까지 LCD의 주요한 응용제품은 노트북 PC이며 1995년에 개발된 in-plane switching 기술이 LCD의 모니터 응용에 새로운 지표를 마련하였다. 따라서 13″이상의 모니터용 광시야각 TFT-LCD는 제 4세대 액정 디스플레이로 분류할 수 있다.
액티브 매트릭스 LCD 제작에 사용되는 TFT는 대부분 비정질 실리콘 TFT이고, 비정질 실리콘 TFT-LCD는 액정 TV에서 노트북 PC, 워크스테이션에 이르기까지 다용도로 이용된다. 반면에 poly-Si TFT-LCD는 크기가 작은 LCD, 예를 들면 주로 투사형 LCD에 이용된다. Poly-Si TFT-LCD의 장점은 주변회로를 화소의 스윗칭 소자와 동시에 유리 기판위에 제작이 가능하다는 것이다.
1986년에 처음으로 3″액정 TV의 생산에 사용된 비정질 실리콘 TFT-LCD는 1990년까지 3∼5″급 소형 TV에 주로 응용되었으며, 91년부터 8.4″부터 10.4″급의 생산이 진행되었고 95년부터는 11.3″, 12.3″, 13.3″등의 다양한 크기의 제품이 양산되고 있다. 그리고 최근에는 모니터용으로 15.1″, 17″, 20″급의 생산도 진행되고 있다. 일본 노무라연구소의 자료(1995년 자료)에 의하면 2005년도의 TFT-LCD시장은 2700억엔이고 STN-LCD는 3,000억엔이다(그림 1.2 참조). 2005년의 TFT-LCD 시장은 AV용이 11,000억엔, OA용이 10,500억엔이며 통신용이 3,500억엔, 기타 계측 및 의료분야가 2,000억엔으로 예상하고 있다(그림 1.3 참조).
LCD는 다른 전자부품에 비하여 재료 및 부품비의 비율이 높으며 2000년의 재료 및 부품 시장은 7,200억엔으로 예상된다(노무라연구소자료). 부품 및 재료별 시장은 드라이버 IC 2,500억엔, 컬러필터 2,000억엔, ITO막 1,000억엔, 유리판 500억엔, 백라이트 400억엔, 편광필름 350억엔, 액정 200억엔 등이다(그림 1.4 참조).
LCD(liquid crystal display)의 역사
액정의 연구는 1854년 Virchow에 의한 농도전이형(lyotropic) 액정(liquid crystal)의 발견과 Reinitzer와 Lehmann에 의한 1888∼1889년의 온도전이형(thermotropic) 액정의 발견에서 시작되었다. Lehmann은 액정이 광학적 이방성을 나타내는 것을 확인하고, "액체가 갖는 유동성과 결정이 갖는 광학이방성을 겸비한 액체"의 의미로 Flussige Kristall이라고 부를 것을 제안하였다. Flussige Kristall은 영어로는 liquid crystal, 즉 액정이다. 1920년대의 많은 사람들이 약 300여종의 액정을 합성하였고, 1930년대에는 LCD 개발을 가능하게 한 가장 중요한 요소인 프레데릭츠(Freedericksz) 전이라고 하는, 전계인가에 의한 네마틱상의 변형과 임계값을 발견하였다. 그 후 액정의 윌리암스(Willliams) 도메인 형성과 광산란의 발견, 동적 산란 모드의 발명으로 이어지는 액정의 연구는 전자공업계에 큰 기여를 하였다(표 1.2 참조)
1960년대에는 실온에서 상의 유전 이방성을 갖는 실온 네마틱 액정의 합성으로 DSM(dynamic scattering mode)-LCD를 실현하게 되었다. 하지만 DSM-LCD는 전류전압 효과 때문에 소비전력이 비교적 크고 디스플레이 화질이 나쁘다는 등의 문제가 있었다.
표 1.2 LCD의 역사적 추이
이후 LCD의 역사는 정보표시량의 증대, 표시면적의 증대, 보기 쉬운 정도의 향상, 그리고 full color화에 중점을 두고 연구되어 왔다. LCD의 보기 쉬운 정도에서의 실패 요인은 흑백 표시의 TN-LCD에서 라인의 수가 64 이상으로 늘어나면, 크로스 토크에 의해 화면의 표시가 나쁘다는 점이다. 이는 액정산업에 한계로 나타났고, 이를 해결하기 위한 대응책으로 1972년 P. Brody가 제안했던 능동행렬(active matrix) LCD이다.
1980년대 초에 몇 그룹은 기판 사이의 액정 비틀림 각이 90°이상이 되는 ST(Super Twisted) 효과를 보고하였다. 1985년 SID(Society for Information Display) Symposium에서 super twisted nematic 효과와 birefringence를 이용한 컬러 STN 디스플레이의 특성이 발표되었다. 이후로 STN-LCD에는 대비비(contrast ratio)와 시야각에 있어서 큰 문제가 없었으나, 500 스캐닝 라인 이상에서 광학적 간섭효과에 의해 생기는 형상 착색화가 문제로 나타났다. 이 문제를 해결하기 위해 STN-LCD의 위에 reverse twisted 액정을 겹치는 double-layer STN(DSTN)-LCD가 개발되었다. 하지만 DSTN-LCD는 대비비면에서 많은 문제점을 가지고 있었다. 그래서 단순 매트릭스 LCD의 한계를 극복하기 위해 1970년대 제안된 AMLCD에 대한 연구가 활발히 진행되었다(그림 1.5 참조).
그림 1.5 Break through technology of LCD
1.3.2 TFT의 역사
능동행렬 액정 표시 소자 (AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)가 정보 디스플레이 분야에서 점차적으로 주류가 되고 있다. AMLCD에서는 박막트랜지스터 (TFT: Thin Film Transistor) 하나에 의해 화소 하나의 전압을 조절하여 화소의 투과도를 변화시킨다.
최근 산업계에서는 비정질 실리콘을 능동층으로 사용한 TFT가 대면적 AMLCD의 스윗칭 소자로 사용되며, 이러한 비정질 실리콘 박막은 기판 온도 350 ℃ 이하에서 증착이 가능하기 때문에 저가의 대면적 유리 기판을 사용할 수 있는 잇점이 있다. 또한 비정질 실리콘 TFT는 scan line의 수가 1000 이상인 디스플레이에서도 전하를 공급할 수 있을 정도로 드레인 전류가 크고, 한 프레임(frame) 동안에 전하의 방전이 거의 없을 정도로 off 전류가 낮다. 따라서 대비비 100:1 이상을 가질 수 있다.
여러가지 능동행렬 기술들이 개발되었음에도 불구하고, 오늘날 가장 많이 사용되고 유력시되는 디스플레이는 비정질 실리콘 TFT와 저온 다결정 실리콘 TFT를 이용한 LCD이다. 그런데 AMLCD가 매우 일찍 제안되었음에도 불구하고 최초의 상업제품은 1982년에 생산된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (poly-Si TFT)를 이용한 poket TV였다.
각 화소에 스윗칭 소자를 연결하여 전체의 화면을 형성하는 것이 AMLCD인데, 스위칭은 diode가 주류인 two terminal device 혹은 transistor (three terminal device)로 할 수 있다. AMLCD에는 디스플레이 기술, 반도체 기술 및 액정 기술이 종합적으로 이용되고 대면적 유리기판을 사용한다는 특징을 갖는다.
1935년에 영국의 O. Heil이 TFT의 구조 특허를 취득하고, 1961년에 박막 트랜지스터의 기본 개념이 나온 이래, 1970년대에 기본적인 연구가 진행되었다. 1971년에 Lechner가 행렬 디스플레이의 각 화소를 독립적으로 스위칭하면 100:1 혹은 그 이상의 고대비비를 얻을 수 있을 것이라고 제안하는 등의 AMLCD의 기본 개념을 발표하였다. 1971년에 최초의 AMLCD가 Brody 등에 의해서 발표되었으나, 이때의 박막 트랜지스터는 CdSe TFT였다.
그 이후로 1972년에 Spear와 LeComber가 글로우 방전 방법으로 수소화된 비정질 실리콘을 제작한 후에 1979년에 LeComber에 의해 비정질 실리콘 TFT가 개발되었다. 또한 그는 이의 AMLCD로의 적용을 제안하였다.
1970년대 말부터 1981년에 걸쳐 Geis 등과 Rief 등이 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 발전 계기를 마련하였다. Self-implantation에 의한 다결정 실리콘 박막의 그레인 (grain) 크기를 증가시키는 방법을 제안하여, 1980년대 초에는 다결정 실리콘과 비정질 실리콘 디바이스를 사용한 TFT-LCD가 일본의 여러회사에서 개발되었다. 이때에 일본에서 주로 생산한 비정질 실리콘 TFT-LCD는 pocket TV (3∼5″)용이었다. T. Matsumoto 등에 의해 1982년에는 엑시머 레이져 아닐링 (Excimer laser annealing) 방법에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 발표되었으며, 1984년에는 T. P. Brody 등에 의해 직접 증착 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 그후 1985년에 Morozumi에 의해 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 드라이버 IC (Integrated Circuit)가 제안되었으며, 1980년대 후반에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터에 대한 활발한 연구가 진행되어 다결정 실리콘 박막 트랜지터의 누설전류를 줄이려는 많은 시도가 진행되었다. 또한 1996년에는 J. Jang 등에 의해 누설전류가 작고 안정성이 높은, Cl이 함유된 비정질 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 표 1.4에 TFT의 개발 역사가 요약되어 있다.
표 1.4 TFT 개발 역사의 요약
1.3.3 TFT(thin film transistor)-LCD의 역사
AMLCD는 단순 매트릭스 LCD에 비해 응답시간과 계조를 포함하는 화질 특성이 우수하다. AMLCD는 큰 화면크기와 많은 화소수가 필요한 TV 수신기, 포터블 컴퓨터에 이용되는 직시형과, 프로젝션 TV와 비디오 카메라의 모니터용에 이용되는 작은 LCD 모듈의 두 분야를 중심으로 연구, 발전되어 디스플레이 산업에서의 현재 위치를 점하게 되었다. 1976년에 AMLCD 평면 TV가 제안되었고 1978년 Lipton 등에 의한 MOSFET 1.75형, 30625화소 LCD와 Brody와 Luo에 의한 CdSe TFT LCD가 개발되었다. 1979년에 LeComber 등이 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT의 LCD에의 응용에 대해 연구하기 시작한 후, TFT-LCD는 급속히 발전하여 현재의 위치에 이르게 되었다(표 1.5 참조).
표 1.5 TFT-LCD의 역사[2]
1.3.4 TFT-LCD의 현재
90년대 이후 TFT-LCD에 대한 연구는 대면적화, 광시야각화, 고개구율화 등에 중점을 두고 진행되었다. 이때에 사용된 스위칭 소자는 모두 a-Si:H TFT이다. 현재 TFT-LCD는 노트북 PC 시장을 석권했으며, 데스크 탑용 모니터로의 채용이 점차적으로 증대되고 있다. TFT-LCD의 가장 큰 문제로 지적되고 있는 좁은 시야각에 대한 해결방안으로 1) 멀티 도메인, 2) 필름 보상, 3) In Plane Switching(IPS) mode, 4) Optically Compensated Birefringence(OCB)와 같은 방법들이 제안되어 연구되고 있다. 이중 IPS 모드는 모니터 등의 대면적용 TFT-LCD에 적합하고 시야각은 상하좌우 모두 140°정도를 갖는 장점을 가지고 있다. 하지만 개구율이 낮다는 점 등이 아직 문제로 남아 있다. TFT-LCD는 CRT에 비해 부피가 작고, 소비전력이 낮으며 건강에 유해한 전자파와 같은 문제가 없다는 장점을 가지고 있다. 따라서 반응 속도, 시야각, 동작온도 범위, 완제품의 가격 등의 문제가 점차적으로 해결되고 있기 때문에 TFT-LCD가 CRT를 대체하여 데스크 탑용 모니터 및 TV로 사용이 점차 증대될 것이다(표 1.6참조)
표 1.6 90년대의 TFT-LCD
표 1.7 모니터에 응용하기 위한 대화면 LCD
1996년에 Sharp에서는 29인치의 TFT-LCD를 두 장 접합하는 방식으로 40인치 SVGA급 TFT-LCD를 발표하였다. 이것이 1998년 2월 현재까지 개발된 직시형의 가장 대화면 TFT-LCD이다. 또한 Fujitsu에서는 좌우 140°, 상하 110°시야각의 XGA 13.8″TFT-LCD, Hitachi에서는 좌우 140°, 상하 140° 시야각의 13.3″XGA TFT-LCD의 상품화에 성공하였다. 또한 NEC와 Hosiden에서는 9.5″반사형 color TFT-LCD 개발에 성공하였고, Toshiba와 LG에서는 12.1″급 저온 poly-Si TFT-LCD를 개발하였다. 국내에서는 세계 최초로 삼성에서 1600×1200의 화소수를 갖는 30″UXGA(Ultra Extended Graphic Array) TFT-LCD를, LG에서는 노트북용 14.1″XGA TFT-LCD를 개발하였다(표 1.7 참조). 최근에는 비정질 실리콘을 결정화하는 많은 새로운 방법들이 제안되고 있으며, 한 예가 일본의 Sharp와 SEL에서 개발한 super lateral grain growth 방법이며 이러한 방법에 의하여 300 cm2/Vs이상의 전계효과 이동도를 얻었다.
그림 1.6 컬러 TFT-LCD panel 구조 (직시형, 투과형)
그림 1.6의 컬러 TFT-LCD의 구조를 보면, 형광램프에서 나온 빛이 반사 및 분산 장치에 의해 액정패널쪽으로 입사된다. 액정 패널은 두 개의 유리판 사이에 비틀림네마틱(TN)액정이 약 5μm 두께로 채워져 있으며, 빛이 입사된 쪽의 유리판 위에 TFT 및 ITO 화소와 액정배향층이 있고, 다른 쪽의 유리판 위에는 컬러필터와 액정배향층(폴리이미드)이 코팅되어 있다. 그리고 두 장의 유리판밖에는 편광판이 부착되어 있다.
컬러화상은 R(적색), G(녹색), B(청색) 세 종류의 컬러필터를 조합하여 얻어진다. R,G,B 세 개의 화소가 모여서 한 개의 컬러화소를 이루며, TFT는 R, G, B 화소에 각각 연결되어 있기 때문에 SVGA(800×600) 화면 구성의 경우 3×480,000개의 TFT가 필요하다.
TFT-LCD는 입사된 빛의 3∼10%만 투과하는 매우 비효율적인 광변조기이다. 두 장의 편광판의 투과도 45%, 유리 두장의 투과도 94%, TFT 어레이 및 화소의 투과도 65%, 컬러필터의 투과도를 27%라 두고 계산하면 TFT-LCD의 광투과도는 약 7.4%이다. 현재 생산되는 12.1인치급의 광투과도는 5∼8%이다. 그림 1.7은 백라이트에서 나온 빛의 각 층별 투과도를 도식적으로 나타낸 것이다. 백라이트에서 나온 빛이 후면 편광판, TFT기판, 컬러필터 및 전면 편광판을 투과하면 그 세기가 10% 이하로 떨어진다.
그림 1.7 TFT-LCD 백라이트에서 나온 빛이 각층을 통과할때의 투과도
1.4.1 Backlight 및 편광판
Backlight unit은 그림 1.8과 같이 램프, 반사판, 도광판, 확산판과 프리즘판으로 구성되어 있다. 램프는 CCFT(Cold Cathode Fluorenscence Tube), HCFT(Hot Cathode Fluorenscence Tube)로 구분되며, 반사판은 빛의 반사각을 변화시킨다. 빛은 도광판을 거쳐서 균일성을 확보해 주는 확산판을 지나서, 프리즘을 통해서 평면으로 나가게 된다. 그림 1.9는 편광 필름의 구조를 보여주고 있다. 여러층으로 구성이 되며 입사광을 편광시키는 고분자 편광물질을 중심으로 지지체 TAC(tri-acetyl-cellulose)를 편광물질의 양쪽에 사용하고 접착층은 편광 필름을 글라스 표면에 접착시키기 위하여 사용한다. 그리고 상측 표면에는 저반사층인 AG(Anti-Glane) 혹은 AR(Anti-Reflection) coating층과 보호막이 있다.
1.4.2 유리 (Glass)
LCD에서 사용되는 유리는 무알카리 특성이 되어야 한다. 이는 유리판에서 alkali 이온이 액정 셀중에 용출되면 액정 비저항이 저하되어 표시 특성이 변하게 되고, seal부에서는 sealant의 유리와의 부착력을 저하시키고, TFT의 동작에 악영향을 주기 때문이다. 350℃ 이상의 온도을 견디며 산과 염기에 견딜 수 있는 TFT-LCD용 기판재료는 fusion 공법으로 제작된 유리가 사용되고 있다. 유리판 표면의 불량은 얼룩, 긁힘, 표면의 불균일, 휘어짐, 그리고 물결침 등이 있으며, 이러한 문제점은 TFT-LCD 제조에 있어서 중요하다.
TFT-LCD를 제조하기 위해서는 유리판 위에 Al, Cr, ITO, SiNx 등의 박막을 형성해야 하는데, 박막과 유리판 사이의 부착력이 문제가 된다. 유리판와 막사이의 부착력은 유리판 표면의 청결도에 크게 좌우된다. 유리판과 세정에는 아세톤, 초순수, 초음파세척 등의 다양한 방법을 사용한다.
1.4.3 TFT 기판
그림 1.10 TFT-LCD의 TFT 어레이 기판
그림 1.10은 TFT-LCD의 TFT 어레이 기판의 모식도이다. TFT는 일반적으로 화소 하나에 하나씩 존재하며, 화소에 필요한 데이타를 데이터 라인에서 화소로 입력하는 스위치 역할을 하며, 게이트 라인에 문턱전압보다 높은 전압이 인가되면 turn-on이 된다. 데이터 라인은 일반적으로 패널의 수직 방향으로 위치하며. 구동 IC에서 출력된 데이터 전압을 화소까지 전달한다. 라인 하나에 수직 해상도에 해당하는 수의 화소가 부착돼 있다. 게이트 라인은 데이터 라인과는 달리 수평방향으로 위치하며, 게이트 IC에서 순차적으로 신호를 출력한다. 컬러 TFT-LCD의 경우에는 컬러를 표시하기 위하여 라인 하나에 수평 해상도의 3배에 해당하는 수의 화소가 존재한다.
1.4.4 LC (Liquid Crystal)
액정 분자 길이방향의 축이 전극 면에 평행이 되도록 배향 처리한 2매의 투명전극상에 90°각도를 가지도록 셀을 구성하고, 여기에 nematic 액정을 주입하면 한쪽 전극으로부터 다른 한쪽 전극을 향하여 액정의 분자 길이 축이 연속적으로 90°twist된 배열상태를 이루는데 이를 twisted nematic(TN) 액정이라 한다.
Nematic 액정은 그 분자 위치의 규칙성은 없지만 분자축을 전제로 한 방향의 질서를 가지고 있다. 액정 분자는 길이가 수십 Å이고 폭이 수 Å이 되는 구조를 가지고 있으며, nematic 액정에서 분자의 방향은 위, 아래가 거의 동등하기 때문에 분극이 상쇄되어 일반적으로 강유전성을 나타내지는 않는다. 액정의 분자구조에서 분자의 축방향과 직각 방향이 물리적 성질이 매우 다르다. 따라서 액정은 광학적 이방성을 가지는 물질이다. 축방향에 평행인 유전률이 ε〃이고 축방향에 직각인 유전률은 ε⊥ 이라고 할 때 Δε=ε〃 -ε⊥> 0은 p(positive) 형 액정이고 Δε=ε〃 -ε⊥< 0은 n(negative) 형 액정이다. 일반적으로 p형 액정은10≤Δε≤20이고 n형 액정은 -1≤Δε≤-2 정도의 값을 가진다.
1.4.5 컬러 필터 기판
그림 1.11 컬러 필터의 투과 특성 및 backlight에서 방출된 빛의 스펙트럼
그림 1.11은 컬러 필터의 투과 특성 및 backlight에서 방출된 빛의 스펙트럼을 나타낸다. 빛이 컬러 필터를 통과시 파장에 따라 투과도가 상이하다. 그러나 램프의 스펙트럼 때문에 컬러 필터를 통과한 R,G,B 빛의 세기가 비슷하게 된다.
1.4.6 Driver IC / Controller / TAB
표면실장기술(SMT :Surface Mount Technology)은 기판의 단면 혹은 양면위에 전자 부품을 접합하여 전기적으로 도통되도록 회로를 구성할 때 적용되는 접합기술을 총칭한다. TFT-LCD 모듈은 패널과 이를 구동시켜 표시동작을 실행하기위한 부분 부품인 구동회로 PCB와 backlight용 광학 장치 및 기구적인 부품이 모여서 이루어진다. 액정 구동용 IC를 탑재한 flexible PCB 또는 IC Chip 자체를 어떠한 방법으로 연결시키는 가에 따라 여러종류의 접합기술이 있다. 베어칩을 실장하는 주요한 방식은 다음의 세가지가 있다.
와이어본딩(Wire Bonding) 방식과 TAB(Tape Automated Bonding)방식, 그리고 Flip Chip Bonding방식이 있다. 그림 1.12는 현재 노트북용 TFT-LCD 제작에 사용된 TAB방식의 모식도이다.
그림 1.12 TAB(Tape Automated Bonding)방식의 실장기술
표 1.8 각종 컴퓨터에 적용되는 모니터의 해상도
해상도는 화상을 표현하는데 있어서 얼마나 세밀한 부분까지 표시할 수 있느냐 하는 척도를 나타낸다. 현재 사용되고 있는 해상도의 종류는 매우 많은데, 표 1.8에는 일반적으로 사용되는 해상도를 나타내며, 표 1.9은 각 해상도에 따른 dot pitch와 DPI(dot per inch)를 나타낸다. CRT에서는 여러 가지 다른 해상도를 하나의 모니터에 표시할 수 있는 반면, LCD에서는 하나의 LCD 패널에는 기본적으로 하나의 해상도밖에 표시할 수 없다. 이는 LCD의 화소의 수가 패널의 설계에 따라 한가지로 정해지기 때문인데, 최근 들어서는 일부 LCD 모니터 등의 용도로 상용하기 위해서 multisync라는 기술을 이용하여 이러한 문제를 해결하고 있다. 표시하려는 화상의 해상도가 패널의 해상도 보다 낮은 경우에는 신호처리를 통해서 화면에 가득 차도록 표시하는 것이 가능하다. 그러나 표시하려는 화상의 해상도가 패널의 해상도보다 큰 경우에는 표시가 불가능하다.
표 1.9 각 해상도에 따른 dot pitch와 DPI(dot per inch)
1.5.2 Brightness/Contrast ratio
Contrast ratio(C/R)는 화면상에서 상이 얼마나 뚜렸하게 보이는지를 가름하는 척도로서 휘도의 차이가 클수록 잘 보인다. C/R는 패널의 중앙에서 white 상태의 휘도값을 black 상태의 휘도값으로 나눈 값으로 정의한다.
C / R = Luminance with all pixels white / Luminance with all pixels black
Black 상태에서의 휘도는 white 상태에서의 휘도보다 작은 값을 가지기 때문에 위의 식에서 C/R 값은 주로 black 상태의 휘도에 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다. Brightness는 backlight의 세기에 관계되며 노트북용 TFT-LCD는 표면 밝기가 70 cd/m2이고 TV용에서는 200 cd/m2 정도이다.
1.5.3 계조 (Gray scale)
White와 black외에 다른 상태가 존재하는 표시 방식으로서, 계조표시(gray scale)에서는 white와 black 상태 사이에 몇 개의 중간상태가 더 존재한다. 완전 컬러 (full color) TFT-LCD에서는 8 비트의 해상도 (256 gray scales)를 필요로 한다. Gray scale의 형성은 그림 1.13에서 보는 바와 같이 비선형적인 T-V (transmittance-voltage) 특성을 고려하여 만들어 진다. 전압의 중간값을 얻기 위해서는 액정에 인가되는 전압의 세기를 조절하는 방법과 전압 펄스폭을 조절하는 방법이 있다. 드라이버를 통하여 생성된 신호는 원하는 투과도를 나타낼 수 있게 하여, gray scale을 만든다.
그림 1.13 Transmittance-voltage 특성곡선과 드라이버에 의한 voltage level의 한 예 (8 gray levels)
1.5.4 컬러 (Color)
지금까지 다양한 종류의 컬러 형성방법이 제시되어 왔다. 초기에는 네마틱 액정의 복굴절 효과나 콜레스테릭 액정의 선택 반사와 같은 액정 자신이 가지는 광학적 성질을 이용하는 방법이나, 게스트-호스트 효과와 같이 액정 이외 재료의 광학적 성질을 액정에 이용하여 제어하는 방법이 주류였다. 그러나 현재에는 3원색의 컬러 필터를 하나 하나의 화소의 전극상에 형성하고 LCD가 입사되는 빛의 강도를 제어하는 라이트 벨브의 역할을 하게 하여, 3원색에 해당하는 세개의 필터를 투과한 색광을 혼합함으로써 다색표시나 자연색의 표시를 가능하게 하는 방식이 주류를 이루고 있다. TN 액정을 사용하는 TFT-LCD의 구성에서, 액정은 두 개의 유리기판 (TFT 기판과 컬러필터 기판) 사이에 봉입된다. 컬러필터기판은 공통전극기판이라고도 불리우는데, 투과성의 공통전극기판은 ITO (Indium Tin Oxide)로 만들어지고, 컬러필터의 위에 증착된다. TN 액정을 사용하기 위해서 두 유리기판의 간격은 약 5 μm 정도를 유지한다.
TFT-LCD에서 각 화소는 그림 1.14에서 보는 바와 같이, R, G, B (red, green, blue) 3색의 도트 (dot)로 이루어진다.
그림 1.14 TFT-LCD의 컬러 도트의 배열이다. Striped 형태는 대체로 컴퓨터 모니터에 이용이 되고, triad나 quad 형태는 TV 화면에 이용된다.
그림 1.14의 triad와 quad 형태의 배열은 대체로 TV 화면 제작에 이용이 되는데, quad 형태의 배열에서 한 녹색 도트는 흰 도트로 대치된다. Striped 형태는 대체로 컴퓨터 모니터에 이용된다. 디지털 신호는 각 도트에 주어지게 되고, 컬러 채널당 n 비트 (bits)의 표시 가능한 컬러의 수는 (2n)3으로 주어진다. 예를 들어 n=2 이면 64색의 표시할 수 있고, n=4 이면 4,096색을 표시하며, 24 비트의 컬러 그래픽은 16,777,216 (=(28)3) 색을 표시할 수 있다.
1.5.5 시야각 (Viewing angle)
액정은 광학적으로 상광선(ordinary) 굴절률 (no), 이상광선 (extra-ordinary) 굴절률 (ne)의 두 종류의 굴절율을 갖는 이방성 물질이므로 LCD는 시야각에 따라서 색과 C/R의 값이 달라지는데 일반적으로 시야각은 보는 눈의 방향에 따라서 결정되는 각도를 말한다.
측정은 눈과 화면이 정면이 될 때의 각도를 0。로 정하여 패널을 상하-60。∼60。, 좌우 -60。∼60。로 회전시키며서 각 계조(gray level)에서 2∼5。간격으로 측정한다. 시야각에 따른 휘도곡선을 그리면 gray scale inversion이 발생하는 각을 알 수 있다. 시야각은 C/R의 값이 10:1 이상일 때의 범위로 정한다. 일반적으로 LCD의 화질을 결정하는 것은 시야각뿐만 아니라 gray scale이 inversion되는 각도도 포함되어야 한다.
1.5.6 속도 (Speed)
LCD의 speed는 액정의 응답시간에 절대적으로 의존한다. 액정은 고분자 물질로서 전기장의 변화에 빠르게 응답하지 못하고 어느 정도의 시간을 두고 액정분자의 배열이 변화된다. 또한 점성, 탄성력등이 응답시간과 밀접한 관계를 가지게 된다. 응답시간의 지연은 화면에 잔상을 남기어 동화상을 구현할 경우 화질이 저하된다.
액정의 시간지연에 따른 배열분포의 변화는 LCD 화면에서 밝기의 차이로 나타나는데, 이 밝기의 변화를 측정하면 응답시간을 알 수 있다. 백바탕 모우드 (normally white mode)에서 전압이 인가되지 않았을 때의 밝기를 1이라고 하고, 전압이 인가 되었을 때의 밝기를 0이라고 가정할 경우에 rising time은 액정에 전압이 인가되어 전기장과 같은 방향으로 액정의 장축이 배열하여 준안정 상태에 이르는 시간으로 최대의 휘도를 100%으로 최적화할 경우 휘도가 90%에서 10%로 변하는데 걸리는 시간이고, falling time은 전기장이 사라져 원래의 안정된 상태로 돌아오는데 걸리는 시간이다. 응답시간에 영향을 주는 요인들에는 여러 가지가 있는데, 액정의 회전점성도, 액정셀의 두께, 동작온도, 동작전압, 액정의 pitch, 꼬임각과 탄성상수 등이다.
1.5.7 수명 (Lifetime)
TFT-LCD는 액정, 컬러 필터, 편광판, TFT, backlight 등이 결합된 복잡한 구조를 가지고 있다. 그러나 backlight를 제외한 다른 부품들의 수명은 반영구적이라고 할 수 있으므로, TFT-LCD의 수명에 가장 큰 영향을 주는 것은 backlight이다. 표 1.10은 CCFT와 HCFT의 수명과 특징을 비교한 표이다.
표 1.10 CCFT와 HCFT의 수명과 특징
TFT LCD TV - What is TFT LCD?
History of TFT LCD
Liquid crystal was discovered by the Austrian botanist Fredreich Rheinizer in 1888. "Liquid crystal" is neither solid nor liquid (an example is soapy water).
In the mid-1960s, scientists showed that liquid crystals when stimulated by an external electrical charge could change the properties of light passing through the crystals.
The early prototypes (late 1960s) were too unstable for mass production. But all of that changed when a British researcher proposed a stable, liquid crystal material (biphenyl).
Today's color LCD TVs and LCD Monitors have a sandwich-like structure (see figure below).
What is TFT LCD?
TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) has a sandwich-like structure with liquid crystal filled between two glass plates.
TFT Glass has as many TFTs as the number of pixels displayed, while a Color Filter Glass has color filter which generates color. Liquid crystals move according to the difference in voltage between the Color Filter Glass and the TFT Glass. The amount of light supplied by Back Light is determined by the amount of movement of the liquid crystals in such a way as to generate color.
TFT LCD - Electronic Aspects of LCD TVs and LCD Monitors
Electronic Aspects of AMLCDs
The most common liquid-crystal displays (LCDs) in use today rely on picture elements, or pixels, formed by liquid-crystal (LC) cells that change the polarization direction of light passing through them in response to an electrical voltage.
As the polarization direction changes, more or less of the light is able to pass through a polarizing layer on the face of the display. Change the voltage, and the amount of light is changed.
There are two ways to produce a liquid-crystal image with such cells: the segment driving method and the matrix driving method.
The segment driving method displays characters and pictures with cells defined by patterned electrodes.
The matrix driving method displays characters and pictures in sets of dots.
Direct vs. multiplex driving of LCD TVs.
The segment drive method is used for simple displays, such as those in calculators, while the dot-matrix drive method is used for high-resolution displays, such as those in portable computers and TFT monitors.
Two types of drive method are used for matrix displays. In the static, or direct, drive method, each pixel is individually wired to a driver. This is a simple driving method, but, as the number of pixels is increased, the wiring becomes very complex. An alternative method is the multiplex drive method, in which the pixels are arranged and wired in a matrix format.
To drive the pixels of a dot-matrix LCD, a voltage can be applied at the intersections of specific vertical signal electrodes and specific horizontal scanning electrodes. This method involves driving several pixels at the same time by time-division in a pulse drive. Therefore, it is also called a multiplex, or dynamic, drive method.
Passive and Active Matrix LCDs
There are two types of dot-matrix LCDs.
Passive-matrix vs. active-matrix driving of LCD Monitors.
Learn About LCD TV and TFT LCD Displays
TFT LCD TV - What is TFT LCD?
History of TFT LCD
Liquid crystal was discovered by the Austrian botanist Fredreich Rheinizer in 1888. "Liquid crystal" is neither solid nor liquid (an example is soapy water).
In the mid-1960s, scientists showed that liquid crystals when stimulated by an external electrical charge could change the properties of light passing through the crystals.
The early prototypes (late 1960s) were too unstable for mass production. But all of that changed when a British researcher proposed a stable, liquid crystal material (biphenyl).
Today's color LCD TVs and LCD Monitors have a sandwich-like structure (see figure below).
What is TFT LCD?
TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) has a sandwich-like structure with liquid crystal filled between two glass plates.
TFT Glass has as many TFTs as the number of pixels displayed, while a Color Filter Glass has color filter which generates color. Liquid crystals move according to the difference in voltage between the Color Filter Glass and the TFT Glass. The amount of light supplied by Back Light is determined by the amount of movement of the liquid crystals in such a way as to generate color.
TFT LCD - Electronic Aspects of LCD TVs and LCD Monitors
Electronic Aspects of AMLCDs
The most common liquid-crystal displays (LCDs) in use today rely on picture elements, or pixels, formed by liquid-crystal (LC) cells that change the polarization direction of light passing through them in response to an electrical voltage.
As the polarization direction changes, more or less of the light is able to pass through a polarizing layer on the face of the display. Change the voltage, and the amount of light is changed.
There are two ways to produce a liquid-crystal image with such cells: the segment driving method and the matrix driving method.
The segment driving method displays characters and pictures with cells defined by patterned electrodes.
The matrix driving method displays characters and pictures in sets of dots.
Direct vs. multiplex driving of LCD TVs.
The segment drive method is used for simple displays, such as those in calculators, while the dot-matrix drive method is used for high-resolution displays, such as those in portable computers and TFT monitors.
Two types of drive method are used for matrix displays. In the static, or direct, drive method, each pixel is individually wired to a driver. This is a simple driving method, but, as the number of pixels is increased, the wiring becomes very complex. An alternative method is the multiplex drive method, in which the pixels are arranged and wired in a matrix format.
To drive the pixels of a dot-matrix LCD, a voltage can be applied at the intersections of specific vertical signal electrodes and specific horizontal scanning electrodes. This method involves driving several pixels at the same time by time-division in a pulse drive. Therefore, it is also called a multiplex, or dynamic, drive method.
Passive and Active Matrix LCDs
There are two types of dot-matrix LCDs.
Passive-matrix vs. active-matrix driving of LCD Monitors.
In passive-matrix LCDs (PMLCDs) there are no switching devices, and each pixel is addressed for more than one frame time. The effective voltage applied to the LC must average the signal voltage pulses over several frame times, which results in a slow response time of greater than 150 msec and a reduction of the maximum contrast ratio. The addressing of a PMLCD also produces a kind of crosstalk that produces blurred images because non-selected pixels are driven through a secondary signal-voltage path. In active-matrix LCDs (AMLCDs), on the other hand, a switching device and a storage capacitor are integrated at the each cross point of the electrodes.
The active addressing removes the multiplexing limitations by incorporating an active switching element. In contrast to passive-matrix LCDs, AMLCDs have no inherent limitation in the number of scan lines, and they present fewer cross-talk issues. There are many kinds of AMLCD. For their integrated switching devices most use transistors made of deposited thin films, which are therefore called thin-film transistors (TFTs).
The most common semiconducting layer is made of amorphous silicon (a-Si).
a-Si TFTs are amenable to large-area fabrication using glass substrates in a low-temperature (300캜 to 400캜) process.
An alternative TFT technology, polycrystalline silicon - or polysilicon or p-Si-is costly to produce and especially difficult to fabricate when manufacturing large-area displays.
Nearly all TFT LCDs are made from a-Si because of the technology's economy and maturity, but the electron mobility of a p-Si TFT is one or two orders of magnitude greater than that of an a-Si TFT.
This makes the p-Si TFT a good candidate for an TFT array containing integrated drivers, which is likely to be an attractive choice for small, high definition displays such as view finders and projection displays.
Structure of Color TFT LCD TVs and LCD Monitors
A TFT LCD module consists of a TFT panel, driving-circuit unit, backlight system, and assembly unit.
Structure of a color TFT LCD Panel:
It is commonly used to display characters and graphic images when connected a host system.
The TFT LCD panel consists of a TFT-array substrate and a color-filter substrate.
The vertical structure of a color TFT LCD panel.
The TFT-array substrate contains the TFTs, storage capacitors, pixel electrodes, and interconnect wiring. The color filter contains the black matrix and resin film containing three primary-color - red, green, and blue - dyes or pigments. The two glass substrates are assembled with a sealant, the gap between them is maintained by spacers, and LC material is injected into the gap between the substrates. Two sheets of polarizer film are attached to the outer faces of the sandwich formed by the glass substrates. A set of bonding pads are fabricated on each end of the gate and data-signal bus-lines to attach LCD Driver IC (LDI) chips
Driving Circuit Unit
Driving an a-Si TFT LCD requires a driving circuit unit consisting of a set of LCD driving IC (LDI) chips and printed-circuit-boards (PCBs).
To reduce the footprint of the LCD module, the drive circuit unit can be placed on the backside of the LCD module by using bent Tape Carrier Packages (TCPs) and a tapered light-guide panel (LGP).
How TFT LCD Pixels Work
A TFT LCD panel contains a specific number of unit pixels often called subpixels.
Each unit pixel has a TFT, a pixel electrode (IT0), and a storage capacitor (Cs).
For example, an SVGA color TFT LCD panel has total of 800x3x600, or 1,440,000, unit pixels.
Each unit pixel is connected to one of the gate bus-lines and one of the data bus-lines in a 3mxn matrix format. The matrix is 2400x600 for SVGA.
Structure of a color TFT LCD panel.
Because each unit pixel is connected through the matrix, each is individually addressable from the bonding pads at the ends of the rows and columns.
The performance of the TFT LCD is related to the design parameters of the unit pixel, i.e., the channel width W and the channel length L of the TFT, the overlap between TFT electrodes, the sizes of the storage capacitor and pixel electrode, and the space between these elements.
The design parameters associated with the black matrix, the bus-lines, and the routing of the bus lines also set very important performance limits on the LCD.
In a TFT LCD's unit pixel, the liquid crystal layer on the ITO pixel electrode forms a capacitor whose counter electrode is the common electrode on the color-filter substrate.
Vertical structure of a unit pixel and its equivalent circuit
A storage capacitor (Cs) and liquid-crystal capacitor (CLC) are connected as a load on the TFT.
Applying a positive pulse of about 20V peak-to-peak to a gate electrode through a gate bus-line turns the TFT on. Clc and Cs are charged and the voltage level on the pixel electrode rises to the signal voltage level (+8 V) applied to the data bus-line.
The voltage on the pixel electrode is subjected to a level shift of DV resulting from a parasitic capacitance between the gate and drain electrodes when the gate voltage turns from the ON to OFF state. After the level shift, this charged state can be maintained as the gate voltage goes to -5 V, at which time the TFT turns off. The main function of the Cs is to maintain the voltage on the pixel electrode until the next signal voltage is applied.
Liquid crystal must be driven with an alternating current to prevent any deterioration of image quality resulting from dc stress.
This is usually implemented with a frame-reversal drive method, in which the voltage applied to each pixel varies from frame to frame. If the LC voltage changes unevenly between frames, the result would be a 30-Hz flicker.
(One frame period is normally 1/60 of a second.) Other drive methods are available that prevent this flicker problem.
Polarity-inversion driving methods.
In an active-matrix panel, the gate and source electrodes are used on a shared basis, but each unit pixel is individually addressable by selecting the appropriate two contact pads at the ends of the rows and columns.
Active addressing of a 3x3 matrix
By scanning the gate bus-lines sequentially, and by applying signal voltages to all source bus-lines in a specified sequence, we can address all pixels. One result of all this is that the addressing of an AMLCD is done line by line.
Virtually all AMLCDs are designed to produce gray levels - intermediate brightness levels between the brightest white and the darkest black a unit pixel can generate. There can be either a discrete numbers of levels - such as 8, 16, 64, or 256 - or a continuous gradation of levels, depending on the LDI.
The optical transmittance of a TN-mode LC changes continuously as a function of the applied voltage.
An analog LDI is capable of producing a continuous voltage signal so that a continuous range of gray levels can be displayed.
The digital LDI produces discrete voltage amplitudes, which permits on a discrete numbers of shades to be displayed. The number of gray levels is determined by the number of data bits produced by the digital driver.
Generating Colors
The color filter of a TFT LCD TV consists of three primary colors - red (R), green (G), and blue (B) - which are included on the color-filter substrate.
How an LCD Panel produces colors.
The elements of this color filter line up one-to-one with the unit pixels on the TFT-array substrate.
Each pixel in a color LCD is subdivided into three subpixels, where one set of RGB subpixels is equal to one pixel.
(Each subpixel consists of what we've been calling a unit pixel up to this point.)
Because the subpixels are too small to distinguish independently, the RGB elements appear to the human eye as a mixture of the three colors.
Any color, with some qualifications, can be produced by mixing these three primary colors.
The total number of display colors using an n-bit LDI is given by 23n, because each subpixel can generate 2n different transmittance levels.
The content shown above was provided by Samsung Electronics.
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