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서연 손
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LCD (Liquid Crystal Display) 개요및액정기술 이승희 윤태훈 저자약력 LCD 의역사 액정 (liquid crystal) 은액체이면서도고체의성질을갖는액체와고체의중간상으로 1888년오스트리아의식물학자 Reinitzer가식물에서콜레스트롤의기능을밝히는과정에서처음발견하였다.

1 LCD (Liquid Crystal Display) 개요및액정기술 이승희 윤태훈 저자약력 LCD 의역사 액정 (liquid crystal) 은액체이면서도고체의성질을갖는액체와고체의중간상으로 1888년오스트리아의식물학자 Reinitzer가식물에서콜레스트롤의기능을밝히는과정에서처음발견하였다. [1] 액정이란이름은 Reinitzer가그당시에온도제어시스템장치를갖춘편광현미경으로많은실험을했던독일의과학자 Lehmann에게시료를보내 Lehmann이관찰한결과, 액체처럼유체의성질을가지면서도고체처럼광학적성질을갖는다 해서명명하게되었다. 이후, 독일화학자들 Gattermann과 Ritschke가자연상에존재하는물질이아닌 nematic상의액정재료를처음으로합성하였고, Lehmann과공동으로물질분석을시작하였다. 분석결과액정마다특성이다른것을발견하였고, 고체표면에서액정이특정방향으로정렬할수있다는것을발견하였다. 이당시의또다른주요과학자는독일의 Vorlander인데, 액정상을보여주는많은물질들을합성하였고특히이그룹에서 1901년에서 1934년사이에 80편이상의액정합성관련박사학위논문들이작성되었다. 또한 1922년부터제2차세계대전까지다른분야의많은과학자들에의해액정이연구되었다. 하지만, 놀랍게도액정에대한많은관심들은전쟁후사라져버렸다. 1958년에 Frank는많은사람들이액정물질에관한모든중요한문제들이풀렸다고촌평했고, 당시의물리나화학교과서에액정상을논의하지않아다른많은과학자들이액정상에대해알지못했다. 하지만, 액정디스플레이개발 이승희교수는 Kent State University, 물리학박사 (1994) 로서현대전자 LCD 사업본부 ( 현 HYDIS) 책임연구원 ( ), CREOL, University of Central Florida 방문교수 ( ) 를거쳐 2001년부터전북대학교공과대학고분자나노공학과조교수를거쳐현재부교수로재직중이다. (lsh1@chonbuk.ac.kr) 윤태훈교수는한국과학기술원전기및전자공학과를졸업 ( 공학박사 ) 하고 (1986), Optical Sciences Center, University of Arizona 연구원 ( ), Dept. of Electrical & Computer Eng, University of California, Santa Barbara 연구원 ( ), 한국과학기술기획평가원 (KISTEP) 정보전자전문위원 ( ) 을거쳐 1986년부터현재부산대학교전자전기통신공학부교수로재직중이다. (thyoon@pusan.ac.kr) 선구자중의한명인 Fergason은이기간의액정에대한무관심이액정에대한응용부분이없었기때문이라고느끼고있었다. 1960년직전에상황은조금씩변하기시작했다. 미국 Kent State 대학의화학자 Glenn Brown은 1957년에액정상에대한 Review 논문을게재하였고, 1958년에런던의 Faraday 학회는액정학회를개최하였다. Brown은 Kent State 대학의액정연구소설립에주축이되었고, 현존하는첫번째국제액정학회를 Kent에서개최했다. 1968년에 RCA의두과학자는얇은박막형태의액정셀에전계를인가하면구름낀것과같은불투명상태에서투명상태로변한다는결과를발표하였고, 이를시계와같은단순디스플레이에응응함으로써최초의 LCD가등장하게되었다. 하지만, 구동전압이높아소비전력이많고화질이좋지않아상용화에는많은문제가있었다. 약 3년후, 스위스의 Helfrich 와 Schadt, 미국의 Fergason이오늘날까지가장많이사용되고있는액정소자인 twisted nematic(tn) 이전압인가시밝은상태에서어두운상태로변한다는것을발표하였다. 특히, 이액정소자는소비전력이작고정면에서화질이우수한특성을지녀 75년에는일본업체들에의해축전지가장착된시계나계산기로응용되었다. TN소자를이용한 segment 형태의 LCD는고정세화가불가능해 passive matrix의형태의구동방법이제안되었다. 하지만, TN 액정소자는전압인가에따른투과율곡선이급격히변해야하는 passive matrix 구동방법에적합하지않아 on/off 전압차이가크지않은 STN (super twisted nematic) 이 Scheffer 그룹에의해제안되었다. STN 액정소자를이용한 LCD는 segment 형태의 LCD보다많은정보를표현할수있으며, 상하판의전극을단순히행과열형태로만들어제조비용이적게들고정면에서적절한화질을나타낼수있기때문에 90년초반에일본기업에의해노트북용 LCD에주로채용되었다. 하지만, 많은양의정보를표현하는데는한계가있었고화질도 TN에비해서떨 [1] P. J. Collings, Liquid Crystals (Princeton University Press, 1990). 2 물리학과첨단기술 October 2008

어졌다. 한편, passive matrix 방식은 고정세화가 어렵다는 인지 아래 70년대 후반부터 TFT(thin film transistor)가 연 구되었고 TFT를 이용한 active matrix 형태의 TFT LCD가 1980년대에 최초로 개발되어, 지난달 제주에서 열린 국제액 정학회에서 삼성은 TFT LCD를 28세의 청년에 비유하기도 했다.

하지만 최근에 대만기업들의 사업팽창과 중국기업들의 TFT LCD 참여로 국 내기업들의 기술주도적 제품개발 없이는 향후 수익성 확보가 매우 어려울 것이라 예상된다. LCD 개요 그림 2. 유전율 이방성 값에 따른 전기장 내에서 액정 반응 및 각각의 대표적인 액정 구조. 1.

그룹의 몸통 부분이 있어야 한다(그림 1). 액정상의 대표적인 예는 orientational ordering만을 갖는 nematic 상인데, 현 재의 TFT LCD는 100 % nematic 액정을 사용하고 있다.

2 어졌다. 한편, passive matrix 방식은 고정세화가 어렵다는 인지 아래 70년대 후반부터 TFT(thin film transistor)가 연 구되었고 TFT를 이용한 active matrix 형태의 TFT LCD가 1980년대에 최초로 개발되어, 지난달 제주에서 열린 국제액 정학회에서 삼성은 TFT LCD를 28세의 청년에 비유하기도 했다. TFT LCD는 제조장비가 고가인 문제점을 갖는 관계로 대기업만이 할 수 있는 사업이어서 90년대부터 일본기업에 그림 1. 액정 분자의 기본 구조. 이어 국내의 삼성, LG, 현대가 이 사업에 뛰어들었다. 약 10 년 이상 시작이 뒤진 TFT LCD 사업에서 현재는 삼성과 LG 가 세계 시장 점유율 1, 2위를 다투고 있다. 하지만 최근에 대만기업들의 사업팽창과 중국기업들의 TFT LCD 참여로 국 내기업들의 기술주도적 제품개발 없이는 향후 수익성 확보가 매우 어려울 것이라 예상된다. LCD 개요 그림 2. 유전율 이방성 값에 따른 전기장 내에서 액정 반응 및 각각의 대표적인 액정 구조. 1. 액정의 주요 물성 액정상을 나타내는 모든 분자구조는 반드시 비등방성을 가 져야 하며, 이러한 비등방적 구조를 갖기 위해서는 mesogenic 고 있고, 후자는 MVA(multi domain vertical alignment), [2] PVA(patterned vertical alignment) 등에 사용되고 있다. 그룹의 몸통 부분이 있어야 한다(그림 1). 액정상의 대표적인 예는 orientational ordering만을 갖는 nematic 상인데, 현 재의 TFT LCD는 100 % nematic 액정을 사용하고 있다. 고 체와 같이 ordering을 가지면서도 액체상을 유지하기 위해서 는 꼬리 부분에 유연한 알킬체인 부분이 존재해야 하고, 전압 인가 시 전기장 방향으로 액정이 재배열되기 위해서는 머리 부분에 극성을 띠는 그룹이 있어야 한다. 액정이 디스플레이 로 응용될 수 있었던 중요한 물성으로는, 비등방성 구조로 인 해서 전자기파의 진행방향이 액정의 장축 방향이냐 단축 방 향이냐에 따라 다른 굴절율 값을 갖기 때문에 나타나는 굴절 율 이방성(Δn)과 전기장에 의해 유도되는 분극 정도가 액정 의 장축 방향이나 단축 방향에 따라 다르기 때문에 나타나는 유전율 이방성(Δε)이 있다. 액정의 또 다른 흥미로운 특징은, long range ordering을 갖고 있으며 용수철처럼 탄성체라는 것이다. 현재 상용화되는 액정은 Δε 관점에서 보면 Δε 값이 0보다 큰 액정과 0보다 작은 액정으로 나눌 수 있다(그림 2). Δε 값 이 양인 액정의 경우 전기장인가 시 유도 쌍극자 모멘트가 액정 분자의 장축 방향으로 발생해 전기장방향으로 액정분자 들이 정렬하려는 특성을 가지며, 음인 경우는 앞의 경우와 반 대로 유도 쌍극자 모멘트가 액정의 장축에 대해 수직한 방향 2. LCD 동작원리 고화질 LCD는 액정층의 상하판에 편광판이 각각 한 장씩 배치되어 있고, 상하판의 투과축은 서로 수직으로 배열되어 있다. LCD는 액정에 전계를 인가해 액정배열을 변형시켜 액 정셀에 입사된 빛을 투과시키거나 차단하는 광 변조기이다. 액정의 초기배열을 제어하고 전압인가 시 액정이 한 방향으 로 재배열하기 위해서는, 초기 액정들을 단일결정처럼 한 방 향으로 정렬시켜야만 한다. 이를 위한 여러 기술들이 제안되 었지만, 현재 상용화되고 있는 대표적인 기술은 문지름 (rubbing) 공정이다. 고분자 배향막인 폴리이미드를 1000 Å 이하로 코팅한 후, cotton이나 rayon 포로 표면을 문질러주 면 놀랍게도 문질러준 방향으로 액정이 정렬한다. 현재 TN, IPS, FFS 액정소자는 이 공정을 필요로 하지만, VA 액정소 자는 곁가지 밀도가 높은 고분자 배향막을 코팅해주면 액정 이 자연적으로 배향막 위에 90도로 서게 되므로 문지름 공정 이 필요하지 않다. 위와 같은 기판의 표면처리로 초기 평형상태에 있는 액정 에 전계를 인가하면, 전기장과 액정의 유전율 이방성 사이에 서 유전회전력(dielectric torque)이 발생하여 액정분자의 배 으로 발생해 액정분자들이 전기장에 수직방향으로 정렬하려 는 특성을 가지고 있다. 전자는 뒤에 언급될 TN, IPS(in [2] S. T. Wu and D. K. Yang, Reflective Liquid Crystal Displays (Wiley, Chichester, UK, 2002), Ch. 2. plane switching), FFS(fringe field switching) 등에 사용되 물리학과 첨단기술 October

대해요약한것이다. 1. 광시야각기술 그림 3. 액정디스플레이의기본동작원리개념. 열에변형이나타난다. 여기서의변형은화학적변형이아니라물리적변형을의미하고, 변형정도는액정셀의탄성에너지와전기에너지의관계에의해결정된다. 변형이일어난상태에서전계를제거하면액정분자들은탄성복원력에의해원래상태로돌아간다. LCD의동작원리를설명할때는일반적으로벽에매달린용수철과비교한다.

3 대해요약한것이다. 1. 광시야각기술 그림 3. 액정디스플레이의기본동작원리개념. 열에변형이나타난다. 여기서의변형은화학적변형이아니라물리적변형을의미하고, 변형정도는액정셀의탄성에너지와전기에너지의관계에의해결정된다. 변형이일어난상태에서전계를제거하면액정분자들은탄성복원력에의해원래상태로돌아간다. LCD의동작원리를설명할때는일반적으로벽에매달린용수철과비교한다. 벽에매달린용수철은외부에서힘을주어당겼다놓으면원상태로돌아간다. LCD와비교해설명해보면, 외부의힘은인가된전압, 용수철의탄성상수는액정의탄성상수와비교될수있다. 둘의차이점은, 용수철의경우연신을반복하면용수철에서열이발생하는것에비해, LCD에서는액정분자의물리적인배열이변함에따라선편광된입사광이느끼는위상지연값 (dδn: d는셀갭 ) 이달라지게된다. 위상지연값에따라, 선편광된입사광이액정셀을통과하면그대로선편광이되거나, 원편광이나타원편광또는 90도회전된선편광이되어액정셀을통과한빛의세기가조절된다 ( 그림 3). 참고로, 용수철을너무세게잡아당기면용수철이탄성을잃어원래상태로돌아가지못하는데, LCD에서도이와유사하게직류전계를인가하면전원을인가해도화면이바로변하지않아잔상문제가발생하게되며, 이러한이유로 LCD는교류로구동해야한다. 액정기술 LCD는비발광디스플레이로, 액정의유효위상지연값이보는각도에따라달라지고파장에의존하는특성을지닌다. 또한, 액정은점성을가진액체여서전계인가시유전회전력에의해서만액정의배열이결정되기때문에응답속도가 1 ms 이상인문제점을갖는다. 화질문제에있어서발광디스플레이에비해 LCD는원천적으로특성이뒤떨어지지만, 최근의많은 LCD 연구자들에의한새로운액정모드개발로발광디스플레이에버금가는수준으로화질을향상시킬수있었다. 다음은, 현재까지 LCD의화질을향상시킬수있었던기술에 액정모드는초기의액정배향형태에따라구분하며, 상판에서하판까지액정이연속적으로꼬여있는 TN, 수평배열 (homogenous alignment), 수직배열 (vertical alignment), splay 배열 OCB(optically compensated bend), 고분자와액정이혼합된형태인 PDLC(polymer dispersed LC) 등이있다. TN 모드는 LCD 산업에서가장오래된액정모드로광효율과공정마진이우수하여모든 LCD 회사들이생산하고있다. 하지만, 시야각이협소하여이를극복하기위해이중도메인 TN (DDTN: dual domain TN), 사중도메인 TN(FDTN: four domain TN) 등다양한방식들이제안되었으며, 현재는셀의양쪽에 discotic 형의분자구조를갖는고분자광학필름을붙인 WV(wide view) TN이고화질 TN의주축을이룬다. 수평배향모드에서는, 초기에 IPS 모드가주를이루고있었으나일부회사들은전기광학특성이우수한 FFS 모드로전환하고있다. 수직배향모드의경우, 크게 MVA와 PVA 모드로나눌수있다. [3] 각각의구조와동작원리는다음본문에서좀더자세하게다루기로한다. (1) 수평배향모드 1 IPS 셀구조및동작원리 TN 모드의단점을해결하기위해 1992년새로운개념이제안되었다. [4] 그것은, 초기액정분자를상판과하판사이에꼬임없이배열시키고, 수직전기장이아닌수평전기장으로액정분자들을기판에평행하게회전시키는것이다. 이를적용해, 히타치는최초의 IPS TFT LCD를 95년에발표하였다. [5] 그림 4는 IPS셀의단면도와동작원리를나타낸다. IPS셀의투과율은 T=Tosin 2 (2Φ)sin 2 (πdδn/λ) 의식으로나타낼수있으며, 여기서 Φ는액정의광축과편광판의투과축사이의각도이다. 전계인가전에액정들이상판과하판사이에꼬임없이균일하게수평배열하며액정광축 ( 장축 ) 은교차된편광판중상판혹은하판의투과축과일치하기때문에 (Φ=0 ), 입사된선편광이액정셀을통과후에도편광상태가변하지않아검광판에의해빛이흡수되어어두운상태를보여준다. 앞의 [3] S. T. Wu and D. K. Yang, Reflective Liquid Crystal Displays (Wiley, Chichester, UK, 2002), Ch. 12. [4] R. Kiefer, B. Webber, F. Windscheid, and G. Baur, In plane switching of nematic liquid crystals, Proc. Japan Displays 92, (1992). [5] M. Oh e and K. Kondo, Appl. Phys. Lett. 67, 3895 (1995). 4 물리학과첨단기술 October 2008

그림 4. IPS 셀구조와동작원리. 그림 6. IPS 및 FFS 셀구조와전극조건비교. 된다. 이러한문제를해결하기위해 2D(2 domain) 구조가제안되었으며이구조에서는화소를두영역으로나누어서로전기장방향이거울대칭식으로존재하게하여전압인가시액정들이양방향으로회전하게만들어보는각도에따라화면의변화를줄일수있다. [8] 그림 5.

[6] 빛의진행과정을보면, 입사된선편광이액정층을통과하면서위상지연을느끼게되고, Φ가 45 이고셀의위상지연값이최적값을나타낼때에선편광이 90도회전되나, 일반적으로는주축이검광판과일치한타원편광이되어빛이통과된다. 또한, 시야각에서도보는각도에따라유효위상지연값의차이가작아화질의시야각의존성이 TN셀에비해작다.

액정의수평회전으로인해고화질을보여줌에도불구하고사용에한계가있다. 이러한단점을극복하기위해 FFS 모드가개발되었는데셀구조를보면초기액정배열은 IPS와동일하다. 하지만그림 6 과같이전극구조가 IPS와달리 FFS에서는항상전극간거리가전극폭보다작거나 (l/w <1) 공통전극과신호전극간에거리는존재하지않고신호 ( 공통 ) 전극끼리만간격이 (l/w =0) 존재할수있다.

4 그림 4. IPS 셀구조와동작원리. 그림 6. IPS 및 FFS 셀구조와전극조건비교. 된다. 이러한문제를해결하기위해 2D(2 domain) 구조가제안되었으며이구조에서는화소를두영역으로나누어서로전기장방향이거울대칭식으로존재하게하여전압인가시액정들이양방향으로회전하게만들어보는각도에따라화면의변화를줄일수있다. [8] 그림 5. 1D 구조시시야각에따른화질변화및 2D 구조에서의액정배열및화소구조. TN셀구조와는달리, IPS셀에서는공통전극과신호전극이하부기판에만일정한거리를두고존재한다. 전극폭보다전극간거리가커서전계인가시그림 4와같이전극간에는주로수평전기장만존재한다. 수평전기장과액정방향자사이에일정한각이존재하면액정에유전회전력이작용하여액정분자를기판에평행하게회전시킨다. [6] 빛의진행과정을보면, 입사된선편광이액정층을통과하면서위상지연을느끼게되고, Φ가 45 이고셀의위상지연값이최적값을나타낼때에선편광이 90도회전되나, 일반적으로는주축이검광판과일치한타원편광이되어빛이통과된다. 또한, 시야각에서도보는각도에따라유효위상지연값의차이가작아화질의시야각의존성이 TN셀에비해작다. [7] 한편, IPS셀에서 1D 구조처럼전압인가시액정 ( 점선모양막대 ) 이한방향으로만회전하기때문에그림 5에서보는바와같이밝은상태에서액정분자의단축또는장축방향을바라보냐에따라화면이푸르스름하게또는노란색을띠게 2 FFS셀구조및동작원리앞에서설명한 IPS 구조는전극위에서액정이회전하지않아투과율이낮고전기장의세기가전극간의거리에비례하기때문에구동전압이높기때문에, 액정의수평회전으로인해고화질을보여줌에도불구하고사용에한계가있다. 이러한단점을극복하기위해 FFS 모드가개발되었는데셀구조를보면초기액정배열은 IPS와동일하다. 하지만그림 6 과같이전극구조가 IPS와달리 FFS에서는항상전극간거리가전극폭보다작거나 (l/w <1) 공통전극과신호전극간에거리는존재하지않고신호 ( 공통 ) 전극끼리만간격이 (l/w =0) 존재할수있다. 두전극사이에는절연막이존재하여전기장분포를보면수평및수직성분 (E y, E z) 을가지고있는 fringe 전기장이존재한다. 좀더구체적으로살펴보면 slit 전극의 edge 영역에서는강한수평전기장성분만존재하고, slit 전극의중앙에서는수직전기장만존재하므로, 둘사이에서는 [6] Y. Sun and S. T. Wu, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L423 (2003). [7] M. Oh e, In plane switching electro optical effect of nematic liquid crystals, Liquid Crystals Today 10 (2001). [8] H. Wakemoto, S. Asada, N. Kato, Y. Yamamoto, M. Tsukane, T. Tsurugi, K. Tsuda, and Y. Takubo, An advanced inplane switching mode TFT LCD, SID 97 Digest 28, (1997). 물리학과첨단기술 October

그림 7. 수직배향모드에서의광시야각기본개념. 수평및수직전기장성분이모두존재한다. 수평및수직전기장성분이함께존재하는영역때문에 FFS모드에서는전기광학특성이액정의유전율이방성부호에따라크게달라진다. 또한, fringe 전기장이존재할때는위치에따라액정을회전시키는수평전기장의세기가달라서, 그림을자세히보면위치마다액정의배열이상당히다른것을볼수있다.

공정상의단점은존재하지만 IPS의개념처럼액정분자가기판에평행하게회전하고더불어전영역에서회전하기때문에투과율이우수하면서도광시야각특성을갖는액정모드라고할수있다. FFS 모드는고투과율, 저전압구동등장점이많아현재전제품군에응용되고있고 IPS의선두주자였던히타치를포함해여러회사들이현재는 FFS 기술을사용하고있다.

5 그림 7. 수직배향모드에서의광시야각기본개념. 수평및수직전기장성분이모두존재한다. 수평및수직전기장성분이함께존재하는영역때문에 FFS모드에서는전기광학특성이액정의유전율이방성부호에따라크게달라진다. 또한, fringe 전기장이존재할때는위치에따라액정을회전시키는수평전기장의세기가달라서, 그림을자세히보면위치마다액정의배열이상당히다른것을볼수있다. FFS셀에서는액정분자들이전극위부분에서도회전을하기때문에전영역에서높은투과율을나타낸다. [9] 따라서투과율을극대화하기위해서는반드시전극들이투명전극으로구성되어야만한다. 이러한이유때문에투명전극인 ITO 두층이필요하여종래 TN 공정보다마스크 1개가추가된다는단점이발생한다. 공정상의단점은존재하지만 IPS의개념처럼액정분자가기판에평행하게회전하고더불어전영역에서회전하기때문에투과율이우수하면서도광시야각특성을갖는액정모드라고할수있다. FFS 모드는고투과율, 저전압구동등장점이많아현재전제품군에응용되고있고 IPS의선두주자였던히타치를포함해여러회사들이현재는 FFS 기술을사용하고있다. (2) 수직배향모드수직배향모드의큰특징은 side chain 밀도가높은고분자폴리이미드를이용하면액정이배향막위에수직으로배열한다는것이다. 교차된편광자사이에액정이기판에수직으로배열해있으면정면에서입사된선편광은위상지연값이 0인액정층을지나므로편광상태에변화가없고검광판에흡수되어어두운상태를나타낸다. 하지만정면에서의완벽한어두운상태가교차된편광판투과축의 45도방향에서는유효위상차가커져서상당량의빛샘이발생한다. 이러한문제를해결하기위해수직배향소자에서는고화질을보여주기위해서반드시광보상필름이편광자와액정셀사이에존재해야만한다. 보는방향에따라우수한화면을구현하기위해수직전기장을인가하여유전율이방성이음인액정을편광판투과축에대해 45도인 4방향으로눕혀야하는데어떤방식으로눕게하느냐에따라 MVA와 PVA 방식으로나뉜다. 그림 7에 그림 8. MVA 구조와돌기주변의빛샘사진. 서액정이한방향으로만누우면정면에서의중간계조가오른쪽방향에서는유효위상차가작아어두운상태로보이고왼쪽방향에서는정면보다밝은상태가되어화질이보는각도에따라크게변하게된다. 따라서오른쪽의다중도메인에서보는것처럼액정분자가서로다른최소 4방향으로누워야보는각도에따라유효위상차값의변화가작아시야각에따른화질의존성이최소가된다. 여러방향으로액정을눕히기때문에, MVA나 PVA 모드에서는전계를인가한밝은상태에서도도메인사이의액정들은눕지않아어두운상태를유지하게되어투과율의저하를나타낸다. 1 MVA셀구조및동작원리 95년 IPS TFT LCD가처음발표된이래수직배향모드에서는후지쯔 MVA 방식이개발되면서많은연구자들이좀더관심을갖게되었다. [10] 그림 8의단면도에서보듯이상판은투명전극위에유기막돌기를형성하고하판은투명전극을그림과같이패턴한다. 이러한구조에서양기판에수직배향막을코팅하고액정을충진하면돌기주변에서액정이작은 [9] S. H. Lee, S. L. Lee, and H. Y. Kim, Appl. Phys. Lett. 73, 2881 (1998). [10] A. Takeda, S. Kataoka, T. Sasaki, H. Chida, H. Tsuda, K. Ohmuro, T. Sasabayashi, Y. Koike, and K. Okamoto, A super high image quality multi domain vertical alignment LCD by new rubbing less technology, SID 08 Digest 29, (1998). 6 물리학과첨단기술 October 2008

그림 10. PVA 셀 구조 단면도. 그림 11. 삼성에서 발표한 PVA 화소의 밝은 상태. 그림 9. 후지쯔가 제안한 8 도메인 MVA셀의 구조, 등가회로, 실제 8 도메인 화소. 어주면 그 차이는 최소화 된다. ② PVA셀 구조 및 동작원리 각도로 tilt를 갖고, 상하판에 전압인가 시 유기막 돌기에는 그림 10은 PVA셀의 구조를 나타낸다.

로 하면 전압인가 시 액정이 대각선 네 방향으로 눕게 되어 영역에서 상하전극에 전압인가 시 전기장 방향이 수직 방향 보는 각도에 따른 유효 위상차값의 변화를 최소화한다. 하지 이 아닌, 수직과 수평성분을 동시에 갖는 경사전기장이 형성 만 다중도메인 형성 시 보는 각도에 따른 화면의 균일도는 된다.

전극 패턴을 wedge 어 어두운 상태에서 빛샘이 존재하여 정면의 명암대비비를 또는 지그재그 형식으로 상하판에 교대로 배치하면 액정 분 저하시키는 단점이 있다. 자들이 4 방향으로 눕게 되어 4 도메인을 형성하게 된다(그 밝은 상태의 시야각에 따른 휘도균일도, 색 이동 최소화를 [11] 전극이 교대로 패턴되면, 패턴된 전극 림 11).

한 개의 화소를 이러한 부분을 개선하기 위해 후지쯔에서는 8도메인을 제안 A와 B로 나누고 한 개의 화소에 두 개의 TFT를 두는 방식으 하였다(그림 9). 그림 9에서 보는 것처럼 한 화소를 영역 A, 로 서로 tilt각을 다르게 하였다.

6 그림 10. PVA 셀 구조 단면도. 그림 11. 삼성에서 발표한 PVA 화소의 밝은 상태. 그림 9. 후지쯔가 제안한 8 도메인 MVA셀의 구조, 등가회로, 실제 8 도메인 화소. 어주면 그 차이는 최소화 된다. ② PVA셀 구조 및 동작원리 각도로 tilt를 갖고, 상하판에 전압인가 시 유기막 돌기에는 그림 10은 PVA셀의 구조를 나타낸다. 구조적인 측면에서 전계가 인가되지 않으므로 수직 전기장이 아닌 경사 전기장 의 MVA와 차이점은 상판에 돌기를 사용하지 않고 투명전극 이 형성된다. 결과적으로 돌기와 전극 패턴을 지그재그 형태 을 패턴하는 것이다. 로 하면 전압인가 시 액정이 대각선 네 방향으로 눕게 되어 영역에서 상하전극에 전압인가 시 전기장 방향이 수직 방향 보는 각도에 따른 유효 위상차값의 변화를 최소화한다. 하지 이 아닌, 수직과 수평성분을 동시에 갖는 경사전기장이 형성 만 다중도메인 형성 시 보는 각도에 따른 화면의 균일도는 된다. 이 경사전기장의 방향이 전극의 패턴을 중심으로 거울 높일 수 있으나 돌기 주변에 초기부터 액정 분자가 약간의 대칭식으로 존재하고, 수직배열된 액정과 각을 이루어 액정분 tilt 각을 형성하며 편광판의 투과축과 45도 각을 이루고 있 자들이 서로 다른 방향으로 눕게 한다. 전극 패턴을 wedge 어 어두운 상태에서 빛샘이 존재하여 정면의 명암대비비를 또는 지그재그 형식으로 상하판에 교대로 배치하면 액정 분 저하시키는 단점이 있다. 자들이 4 방향으로 눕게 되어 4 도메인을 형성하게 된다(그 밝은 상태의 시야각에 따른 휘도균일도, 색 이동 최소화를 [11] 전극이 교대로 패턴되면, 패턴된 전극 림 11). 위해 4도메인을 형성하였지만 여전히 CRT나 이중 도메인 PVA 모드도 시야각에 따른 화질 변화를 최소화하기 위해 IPS나 FFS에 비해 색 이동도 또는 감마 곡선의 변화가 크다. 8도메인을 제작하여 S PVA라고 명명하였다. 한 개의 화소를 이러한 부분을 개선하기 위해 후지쯔에서는 8도메인을 제안 A와 B로 나누고 한 개의 화소에 두 개의 TFT를 두는 방식으 하였다(그림 9). 그림 9에서 보는 것처럼 한 화소를 영역 A, 로 서로 tilt각을 다르게 하였다. MVA 방식과는 달리 sub B로 나누고 B영역 위에 유전체를 형성시키거나 화소전극을 pixel A와 B의 면적을 1:1로 하지 않고 1:2로 하여 특성을 floating 시키면, 전기용량 coupling 효과에 의해 B 영역에 인가된 전압이 A 영역에 인가된 전압과 달라 액정이 서로 다 른 각도로 눕게 된다. 따라서 중간계조 전압 인가 시 B 영역 [11] K. H. Kim, K. Lee, S. B. Park, J. K. Song, S. N. Kim, and J. H. Souk, "Domain divided vertical alignment mode with optimized fringe field effect," Proc. Asia Display 98, (1998). 이 A 영역에 인가된 전압보다 낮아 액정이 덜 눕게 되어 정 면에서의 휘도가 다르게 나타난다. 하지만 충분한 전압을 걸 물리학과 첨단기술 October

7 그림 12. 응답시간이느린디스플레이소자에서발생하는 Tailing 현상. 더향상시켰다. 최근에는삼성에서 S PVA를이용하여세계최대크기인 82 TFT LCD를개발하였다. [12] 2. 고속응답기술 CRT(cathode ray tube), PDP(plasma display panel), OLED (organic light emitting diode) 등대부분의디스플레이소자들은발광소자로써 μs 단위의빠른응답시간을나타내지만, 수광소자인 LCD는유체인액정의전기광학효과를사용하므로액정의거동에의해응답속도가제한된다. Nematic 액정을사용한 LCD는수 ms 이상의느린응답시간을나타내므로고속응답특성을구현하기위한기술들이오랫동안연구되어왔다. 느린응답시간은잔상을발생시켜동화상재생시에선명하지못한화면을나타낸다. 여기서, 화면의잔상발생원인은디스플레이소자자체의느린응답특성에의한 tailing 과디스플레이소자의구동방식에따른 blurring으로구분할수있다. (1) Tailing 동화상재생시에발생하는잔상효과중 tailing은주로디스플레이소자의느린응답특성에의해발생한다. 동화상재생시에디스플레이소자의응답속도가충분히빠르지못하면움직이는물체의전후경계가흐려지는 tailing이발생하는데, 이러한 tailing을제거하여선명한화면을구현하기위해서는디스플레이소자의응답속도를향상시켜야한다. LCD의응답속도는전계인가시의 turn on 시간과전계제거시의 turn off 시간으로구분지을수있으며, 각각아래의식으로나타낼수있다. [13] 계수, V th 에관계되는유전율이방성 Δε이응답특성에큰영향을미칠것이라예상할수있다. 점성은유체고유의성질이지만, LCD에서는응답속도저하의결정적인원인으로지적된다. 탄성계수는큰값을가질수록빠른응답특성을확보할수있으며 Δε이클수록 V th 를줄일수있으므로, 낮은회전점성계수와높은탄성계수, 그리고높은 Δε값을갖는액정을개발하기위한소재측면의연구가지속적으로진행되어왔다. 셀설계파라미터중에서는셀갭이응답특성에아주큰영향을미치게된다. 식 (1) 과 (2) 에서응답시간은셀갭의제곱에비례하여느려지는것을알수있으므로, 작은셀갭을적용한설계기법을통해고속응답특성확보가가능하다. 한편, 액정의물성측면에서광학적이방성 Δn이큰액정을채택하면작은셀갭을적용한설계가가능하므로, 이또한소재측면에서고려되는부분중하나이다. 식 (1) 에서, turn on 시간은높은전압을인가할수록빨라지는것을확인할수있다. 이를이용하여대부분의 LCD 패널에서는높은전압을일시적으로인가한후에계조구현을위한전압을인가하는 over driving을적용하여빠른 turn on 응답시간을구현한다. [3,4] 비슷한원리로, 높은전압에해당하는계조에서낮은전압에해당하는계조로바뀌는응답시간도일시적으로 0 V를인가한후에원하는계조에해당하는전압을인가하는 under driving을적용함으로써빠른응답특성구현이가능하다. 이때, turn on 시간은허용범위내의최대전압을인가하여매우빠르게할수있지만, turn off 시간은 under driving을적용하더라도액정의물성에의존하는경향이매우크기때문에주로 turn off 시간때문에 LCD의응답시간이느려진다. Nematic 액정을사용한 LCD 모드중에서가장빠른 OCB(optically compensated bend) 모드의경우에도 over driving을적용하면 1 ms 이내의아주빠른 turn on 시간을구현할수있지만, turn off 시간은 underdriving을적용하더라도 5 ms 정도로 turn on 시간에비해매우느리다. (1) (2) (2) Blurring 한편, 디스플레이소자의응답특성이빨라지더라도 holdtype 디스플레이에서는 impulse type 의디스플레이에서는발 여기서, γ 1 은액정의회전점성계수, d는액정층의셀갭, K 는액정의탄성계수, V는인가전압, V th 는문턱전압을각각나타내며, V b 는전계제거직전에인가했던 bias 전압을나타낸다. 식 (1) 과 (2) 에서액정의물성중에서는회전점성계수, 탄성 [12] S. S. Kim, B. H. You, J. H. Cho, S. J. Moon, B. H. Berkeley, and N. D. Kim, 82 ultra definition LCD using new driving scheme and advanced super PVA technology, SID 08 Digest 39, (2008). [13] S. T. Wu and D. K. Yang, Reflective Liquid Crystal Displays (Wiley, 2002), Ch 물리학과첨단기술 October 2008

8 그림 13. Hold type 디스플레이소자에서발생하는 Blurring 현상. 생하지않았던화면의 blurring 현상에의한잔상문제가발생한다. 이는한 frame 동안화면이유지됨으로써눈의잔상효과에의해화면의색상혹은계조가섞이는것처럼보임으로써발생하며, 그림 13은이러한 blurring 현상을나타낸다. Blurring을줄이기위해최근에개발된방법에는 BDI(black data insertion) 와 backlight scanning이있다. [14,15] BDI는각 frame 사이에 black data를삽입하는방법이며, LCD의 frame이바뀔때마다어두운화면을보여줌으로써잔상을줄이는방법이다. Backlight scanning은 LCD의 scan 라인신호에동기를맞춰 backlight를 scanning하는방법이며, BDI 보다더욱확실하고강력한대안으로각광받고있다. 이방법을적용하면 impulse type 디스플레이소자들의화면구성방식처럼비선택구간에서는광원을차단하여어두운화면을보여줌으로써 hold type 디스플레이인 LCD에서의잔상문제를해결할수있다. 하지만, backlight을 scanning하는방법은휘도감소에대응하기위해인가전류를순간적으로증가시킴으로써광원의신뢰성문제를야기하므로, 광원측면에서의연구개발도함께요구되고있다. 1971년에 TN 모드가제안된이후로 nematic 액정을사용한 LCD의응답속도는수십 ms 대의느린응답시간을지적받아왔으며, 1984년에 OCB 모드가제안되면서고속응답특성의구현가능성이기대를모아왔다. 현대의 LCD는 over /under driving과 BDI, backlight scanning, 120 Hz 구동등최신기술의개발로 5 ms 이내의빠른응답속도를구현할수있으며, MPRT(moving picture response time) 등고품위의동영상구현을위한기준도정의하는등진화속도가더빨라지고있다. 최근에는고속구동이가능한블루상액정도연구개발됨으로써, 향후에는 CRT, PDP, OLED처럼응답시간에구애받지않는고속 LCD가등장할것이라기대된다. 이를위해서는액정, 구동, 광원등다양한측면에서의연구개발이복합적으로요구되며, 이기술들의융합을통해향후의 LCD는응답속도문제에서자유로울수있으리라기대된다. 차세대 LCD 1. 블루상액정소개 [16,17] 현재상용화되고있는모든 TFT LCD는초기에광학적으로 이방성특성을갖고있는네마틱액정을사용하는데디스플레이로응용시반드시한쪽방향으로의정렬이필요해이를위한표면처리공정이필요하다. 이는대면적으로갈수록제어에어려움이존재한다. 하지만최근에초기에광학적으로등방성특성을갖고있는블루상액정을이용한 TFT LCD prototype을삼성의신성태박사팀이세계최초로전시하였다. 이소자의특징은표면배향공정을필요치않아대면적 TFT LCD 제작에유리하고응답시간이 1 ms 이하로차세대 TFT LCD로주목받고있다. 결 본원고에서는액정개발에서부터 LCD 발전의역사와더불어 LCD의화질이어떤방식으로개발되어왔는지를요약해봤다. 현재 TFT LCD의화질은발전을거듭해발광형플라즈마디스플레이와구분을못할정도의수준에도달하였다. 이와같은발전덕분에많은사람들이 LCD의연구는포화단계지않냐하는의문을제시하고있지만 TFT LCD는현재발전을거듭하고아직도성능향상및비용절감을위한많은핵심기술들의개발을요구하고있다. 결론적으로말하면아직도 TFT LCD는진화하고있고 paradigm shift 수준의기술혁명을기다리고있다. [14] T. Kim, B. Park, B. Shin, B. H. Berkeley, and S. S. Kim, Response time compensation for black frame insertion, SID 06 Digest 37, (2006). [15] A. A. S. Sluyterman and W. A.J.A. van der Poel, Motionfidelity improvement at a frame re of 120 Hz via the use of a scanning backlight, SID 07 Digest 38, (2007). [16] H. J. Coles and M. N. Pivnenko, Nature 436, 997 (2005). [17] H. Kikuchi and H. Higuchi, Fast electro optical switching in polymer stabilized liquid crystalline blue phases for display application, SID 07 Digest 38, pp (2007). 론 물리학과첨단기술 October

Microsoft PowerPoint - OLED_vs_LCD.ppt [호환 모드]

Microsoft PowerPoint - OLED_vs_LCD.ppt [호환 모드] 디스플레이기술비교 : OLED 와 LCD 구조및동작원리, 특징비교 박기찬 명암비 (Contrast Ratio) 응답속도 (Response Time) 시야각 (Viewing Angle) Black Image OLED 는매우낮고균일한 black level 구현이가능하고, 시야각에따른빛샘도없음. AMOLED Black 휘도 구분 CR (Static) F.W.