제 4 장 TFT-LCD 1
평판디스플레이의면적당화소수. 이그림에서는컴퓨터터미널디스플레이를기준으로하였고행과열에해당하는화소의수는 H 와 V로표현되었으며각각의해상도는기판크기를 460 360 가정했을때의패널과화소크기로예를들었다. 2
TFT/LCD 의구성도.TFT 와 color-filter 기판은평행한두개의얇은판으로서그사이에액정층이삽입되는구조를갖는다. Normally-White 디스플레이인교차편광판시스템 (crossedpolarizer system) 을나타내었다. 3
Basic structure of BLU Direct Type Issue for design Brightness Uniformity Side Type Wedge type 4
Backlight 조명에대한스펙트럼의예. 양질의칼라를얻기위하여 R, G, B 삼파장조명을할수있도록설계된다. 5
편광필름의구조 보호필름 AG/AR coating 저반사층 TAC: 지지체 고분자편광매질 입사광을편광시키는역할 TAC: 지지체 접착층 편광필름을글라스표면에접착시키기위하여사용 보호필름 6
TFT 기판 TFT-LCD 의 TFT 어레이기판 7
LCD Array Pixel Structure Data Input 1 2 3... n 1 G a t e S c a n 2... m Data Line Gate Line Stg. Cap. LC TFT TFT/LCD의개략도. 이특정한구조는컴퓨터터미널디스플레이에쓰이고있으며각화소는사각형의형태로설계되고 3개의 RGB subpixel ( 혹은 dot) 로구성돼있다. 8
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LC 10
각화소는세개의 dot(r, G, B) 으로구성되어있다. black matrix 는회색으로나타나있으며 TFT를덮는다. Black matrix 영역을효과적으로활용하기위하여 storage capacitance 전극 ( 좀더진한회색부분 ) 은 H모양이되도록수직배치. 11
TFT/LCD 화소의단면구조. polyimide 막은액정분자들이알맞은방향으로배열되도록문질러진다. Spacer 의직경은액정의셀 gap 을의미하며 5micrometer 정도의크기를갖는다. 12
TFT - LCD Cell 구조 Glass C/F Substrate Black Matrix Color Filter Common Electrode Passivation Liquid Crystal a-si:h Polyimide Film Spacer Drain Source Pixel Electrode Insulator Gate Stg. Cap. TFT Substrate TFT/LCD 화소의단면구조. polyimide 막은액정분자들이알맞은방향으로배열되도록문질러진다. Spacer의직경은액정의셀 gap을의미하며 5mm 정도의크기를갖는다. 13
Color filter 의구조 14
TN 셀의분자배향. 전계가없을경우, 상하유리기판사이에서분자배열은 90 의각도로회전한다. 선편광된빛은셀을통하여투과될때 90 회전한다. 15
디스플레이시스템의모식도. 콘트롤러, 전원그리고여러회로들이조합되어디스플레이를구동하게된다. 16
휘도관련용어 용어단위의미도식비고 광속 (Luminous Flux,, ) 루멘 (lm) 광속은광원으로부터나오는모든빛 ( 가시광 ) 의총량. 광도는방사각도 W 내에서방출되는광속을나타냄. 광도 (Luminous Intensity, I) 칸데라 (cd) 일반적으로광원은여러방향, 다른강도의광속 ( ) 을방사하며광도는특정방향으로부터얼마만큼의빛이방사되는지를정의함 빛은사람의눈이밝기로감지하는전자파의일종입니다. 즉눈으로볼수있는스펙트럼의한부분으로가시광선 (380-780nm) 이라고불리는파장을말합니다. 조도 (Illuminance, E) 룩스 (lx) 조도는광속과조사면의비율 ( 비례관계 ) 를나타내며 1lx 란 1m 2 의면적위에 1lm 의광속이균일하게조사될때를말합니다. = 단위면적에조사되는광속 / 조사면적 (m 2 ) 휘도 (Luminance, L) cd/m 2 광원또는조사면의휘도는밝기를측정하는중요한요소입니다. 17
휘도에따른표시화면의차이 광도 (I,cd) = 한방향으로방출되는광속 / 한방향각도 (sr) 휘도 (L, cd/m 2 ) = 광도 (cd)/ 조사면적 (m 2 ) 조도 (E, lx) = 단위면적에조사되는광속 / 조사면적 (m 2 ) 램프효율 (lm/w) = 광속 (lx)/ 전력소모량 (W) 18
TFT-LCD 기판에서층별투과율 후면광으로부터나온빛은후면편광판에서 43% 감소하고 TFT-LCD 기판의 color filter, 액 정, TFT array 를통과하면서 20% 정도로감소하게되므로대부분의빛이 TFT-LCD 기판에서 손실된다. 상단의그림에각각의층에서휘도감소를도식화하였다. 19
개구율 TFT array 의개구영역 (aperture area) Aperture ratio[%]=cf 의투과면적 /Active area 면적 높은컨트라스트와색재현율 ( 다음 section 에서설명 ) 을유지하기위해서는 TFT-LCD 기판의 투과율은높혀야한다. 이러한 TFT-LCD 디스플레이의투과율은개구율에정비례하게되는데 개구율 (aperture ratio) 의정의는다음과같다. 20
개구율 BM margin 과개구율 TFT-LCD의개구율의정의는 단위화소에서빛이통과되어나올수있는면적의비 이다. 상단의그림과같이 color filter의 BM(black matrix) 로정의된다. BM의영역은 1 액정분자가정확히제어가되지않는부분 인화소전극의 fringe electric field 영역차단부분 2 x-talk을최소화할목적으로기생용량성분을최소화하기위한 화소전극-data 신호배선의전기적절연마진 3 상하기판의정렬 (alignl) 마진 (~5μm) 으로구성된다. 21
색재현율 NTSC와 EBU의기준 NTSC (National Television Systems Committee) : 전미 TV 방식위원회. 미국, 캐나다, 멕시코, 일본등에서사용되는칼라 TV 시스템으로서전미 TV방식위원회의권고에의해 FCC/ 연방통신위원회 (Federal Communications Commission) 가승인한방송규격 EBU (European Broadcasting Union) : 유럽방송연맹에가맹한텔레비전방송 회사들이프로그램과뉴스소재를교환하기위해만든국제중계네트워크및 이단체가승인한방송규격 22
응답속도 Rising time 과 falling time 을정의하는시간에따른투과율변화그림 Tr Tf 응답속도에따른디스플레이이미지의차이 (a) <16ms (b)~50ms 응답속도의의미는디스플레이의휘도가가장밝은상태 (white) 의 90% 에서 10% 까지변할때걸리는시간 (Rising time, Tr) 과반대로휘도가가장어두운상태 (black) 의 90% 에서 10% 까지변할때걸리는시간 (falling time, Tf) 로정의하여일반적으로 Tr과 Tf의합으로나타낸다. 23
시야각 디스플레이의시야각을정의하는좌표계 계조반전시야각을정의하기위한시야각과휘도간의관계그림 계조반전시야각은오른쪽의그림과같이디스플레이의계조를 8 개로나누고 φ 가 0, 90, 180, 270 도지점에서휘도를측정하여낮은 level 의계조가높은레벨의계조보다휘도가높 아지는각도 Θ 를계조반전시야각으로정의한다. 24
대표적인 pixel 의 3 가지배열형태 25
대표적인디스플레이의해상도 26
디스플레이 pixel image 에따른컨트라스트비교 CR = White brightness Black brightness 위의수식은암실에서주변환경휘도가 0 이라고생각할때의관계식이며만일주변휘도 (external brightness) 를고려하면 CR = White brightness + external brightness reflectance Black brightness + external brightness reflectance 인가휘도가매우작다면 CR = White brightness Black brightness + external brightness reflectance 27
주변밝기와각디스플레이종류에따른 CR 특성 contrast 에따른이미지차이비교이미지 (a) (b) 28
TFT-LCD 에서차지하는소비전력구성도 LCD 에서소모되는전력의대부분은후면광을포함하는후면광 unit 이다. 전체에서소모되 는전력의 60% 이다. 따라서소비전력의절감을위한후면광 unit 의효율성증대는절대적이 라고할수있다. 29
(+) 주기와 (-) 주기의 ΔVp 의정의와파형도 구동의 (+) 주기에서의 ΔVp 와 (-) 주기에서의 ΔVp 의크기가달라서투과되는빛의양의차이 로인해시각적으로깜빡거리는것처럼보이는현상을말한다. 일반적으로 ΔVp 는아래와같이정의된다. ΔVp 는 data 전압크기에도영향받는다. Kickback 전압 : TFT가 on 상태에서 off 상태로전환될때 gate 전극전압의급격한변화는 gate전극과 Drain 전극사이의기생용량 (Cgd) 에의한 capacitive coupling 현상에의해화소전극에인가된전압이변동되는전압 30
x-talk 평가 pattern x-talk은특정한 pattern에서특정부분의이미지가다른영역에영향을주어휘도의변화혹은이미지의왜곡을주는요소로써디스플레이품위에중요한판단요소가된다. X-talk는아래와같이정의한다. 수평 x-talk (%) = [Y-Yx]/Y 100 수직 x-talk (%) = [Y-Yy]/Y 100 수평과수직 x-talk은 TFT array의설계시발생하는기생용량이근본원인 31
잔상 잔상이란일정한시간동안동일한 pattern을표시한후다른 pattern으로변경하였을때이전의 pattern이남아있는현상. 잔상의원인은 a) 동일한전압인가에따른 LC의열화에따른 V-T curve 변경 b) 오염된 LC에기인한 PI표면에이온흡착에따른 V-T curve 변경, c) 비정상구동에따른 (+) frame과 (-) frame의전압차이에의한잔류전계가 PI면에전사되는경우등다양하게나타난다. 32
잔상 잔상을평가하기위한 pattern 33
잔상이발생하였을경우의이미지 pattern 잔상이발생하였을경우의이미지 pattern 34
TFT-LCD panel 의모식도 평면상에세로방향으로연결된수로와가로방향으로연결된수도꼭지를가지고있으며세로와가로의수로가가로지르는지점에는물탱크가하나씩있다고하면상단의그림과같이 TFT-LCD panel가수로가 1:1로대응됨을알수있다. 각각의부품들은수도꼭지는 TFT, 가로와세로의배관은금속배선, 물탱크는용량기 (capacitor), 물은전하, 물탱크에담겨있는물의수위는전위 (electrical potential) 로대응된다. 35
유지기간에서의동작모식도 일정한주기로수도꼭지의밸브를열어주게되는데이주기가디스플레이에서는프레임주파수 (frame frequency) 로써일반적으로 1/60초, 즉 60 Hz로정의되어있다. 실제로 1개의프레임은가로배관의수로분할되므로수도꼭지는 1/60/( 가로배관의수 ) 의주기로열리게된다. 디스플레이는소스 signal에따라서충전 (charging), 유지 (holding) 의 2개의상태를반복적으로수행하게된다. 36
TFT 와화소구조 37
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Storage Capacitor 구조 41
독립배선방식 Cs-On-Gate 방식 42
액정디스플레이의분류방법 43
Twisted Nematic LC 의간단한동작원리 TN-LC는 normally white mode에서동작하는데위의그림에서 V=0 상태일때빛은 LC에평행하게흘러들어가편광판 (polarizer) 을통과하게되고이때가 white 상태이다. 그러나 V=5가인가되면 LC가전계를따라배열되고빛의편광판투과를막아글자를나타나게하는것이다. 44
AM-LCD 와 PM-LCD 의비교 STN-LC 또한작동원리는 TN-LC 와유사하지만회전각이크기때문에더큰 contrast 비를가져다주었다. 45
투과형 / 반사형그리고반투과형액정표시장치의구조 반사형액정표시장치는배면광소자가필요없기때문에전력및배터리소모를줄일수있다. LCD에요구되는액정특성을살펴보면다음과같다. 1) 넓은동작온도범위, 2) 고속응답, 3) 고대비비, 4) 저전압구동, 5) 고전압최저투과율, 6) 반응시간감소, 7) 넓은시야각특성, 8) 신뢰성이다. 46
NW mode TN 액정 Cell 의동작 (light on 과 light off) TN (twisted nematic) mode 액정 cell 에 Vth 이하의전압이인가되면상단그림 과같이액정분자는액정이주입된초기상태인나선형태로 90 비틀려서배열 된다. 47
NW mode TN 액정 Cell 의동작 (light on 과 light off) NW (normally white) mode TN cell과 STN cell에인가된전압과광투과율과의관계는그림 24에서나타내는 V-T 특성을갖는다. 점차인가전압을증가시키면투과율은서서히감소하며중간정도의전압에서는투과율은비례적으로다소크게변화하고다시높은전압이인가되어최저의투과율 (black 상태 ) 부근에도달하면전압이변화해도투과율의변화는거의없는특징을가진다. STN mode에서는 V-T 특성이급격히변하므로이와같이중간밝기표시를액정 cell에가해주는전압크기로표현이불가능하고액정전압을일정시간유지시켜주는축적용량이없는 passive 구동방식이기때문에 multiplexing 또는시분할방식등으로중간계조를표현한다. 48
TN 과 STN LCD 의전압에따른투과율곡선 (V-T curve) 49
TN 과 STN LCD 의전압에따른투과율곡선 (V-T curve) 50
계조전압에따른투과율곡선과 r-correction 의정의 실제의응용에서인간의시각특성이밝은화면에서의밝기차이는잘구분하지못하는점을고려해야한다. 따라서사람의시각특성을고려한 gray scale별투과율의직선성조정도필요하다. 이러한일련의조정과정을 r-correction 이라고하며상단의그림은 r-correction에서계조와투과율의관계를나타낸다. 51
3bit 계조구현이가능한 LSI 의계조표현방법 52
3bit 계조구현이가능한 LSI 의계조표현방법 액정 cell에서빛의투과를완전차단하거나완전통과다시말해서 off/on만할수있다고가정하면각각의 sub-pixel이표현가능한색의수는 RGB와이들의조합으로 2 2 2 = 8종류의색상표현이가능하다. 각각의 RGB를 3-bit씩표현한다면 8 8 8 = 512의 color 조합이가능하다. 즉, 표현이가능한 color의수는 driver ic의 digital 동작의 bit 수에따라결정된다. 수식으로표현하면다음과같다. N = 2 n (R) 2 n (G) 2 n (B) = 2 3n 즉, 6-bit data driver IC 를사용하면 262,144 종류 (218) 의컬러표현이이론적으 로가능하다. 53
LSI 출력신호에다른 LCD 에서표현할수있는색의수 54
각종 TFT-LCD 응용제품의디스플레이해상도에따른화소와대조비, 표준화명칭 구분 Resolution Dot # Pixel # Display ratio Standardize 1 320 240 76,800 230,400 4:3 Quarter VGA 2 640 400 256,000 768,000 16:10 EGA 3 640 480 307,200 921,600 4:3 VGA 4 800 480 384,000 1,152,000 15:9 Wide VGA 5 800 600 480,000 1,440,000 4:3 SVGA 6 1024 600 614,400 1,843,200 ~17:10 Wide SVGA 7 1024 768 786,432 2,359,296 4:3 XGA 8 1280 1024 1,310,720 3,923,160 5:4 SXGA 9 1400 1050 1,470,000 4,410,000 4:3 SXGA+ 10 1600 1200 1,920,000 5,760,000 4:3 UXGA 11 1920 1080 2,073,600 6,220,800 16:9 HDTV 12 1920 1200 2,304,000 6,912,000 16:10 Wide UXGA 13 2048 1536 3,145,728 9,427,184 4:3 QXGA 14 3200 2400 7,680,000 23,040,000 4:3 QUXGA 55
CIE-RGB 색도계의스펙트럼삼중극치값, 즉색조화함수. r(l) 에서 0 이하의극치값 (stimulus value) 이색도조화 (matching) 를위해더해진다. 56
CIE-XYZ 색도계의색조화함수. 57
CIE 색도도. 단색방사는파장의단위가 mm 로표시되는스펙트럼의중심에있다. 플랑크중심은특정색온도의흑체복사에대응된다. 58
CIE 색도도. 단색방사는파장의단위가 mm 로표시되는스펙트럼의중심에있다. 59
염색젤라틴으로만들어진컬러필터의투과스펙트럼. 60
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Color 형성방법 Red blue Green θ Θ<0.3 white 62
NTSC 표시를가진 TFT/LCD와 CRT 디스플레이의색좌표계비교. NTSC(National Television Standard Committee) 표시의좌표는 R=(0.67,0.33), G=(0.21,0.71), B=(0.14,0.08) 이다. 63
TFT-LCD 를구동하는전체 system 구성도 TFT-LCD 는 digital 방식으로동작되기때문에입력되는 data 가 analog 인경우는 analog 신호를 digital 신호로변환시켜주는 AD converter 를 LCD timing control ASIC 과같이사용해야한다. Timing control ASIC 에서는입력된 digital data 를 source 구동 IC 가처리가능한형태의 digital 신호로제어신호를발생시킨다. Analog 회로에서는다단계 gray scale 표시에필요한표준전압을만들어 Data driver IC 에공급한다. 64
TFT-LCD Module 의구동시스템과게이트신호배선의선택과 Scan Pulse 의공급 TFT-LCD에서는두종류의 driver IC가사용되며 row driver IC(gate driver IC) 는 TFT-Array gate 신호배선을순차적으로선택하여 scan 신호를발생하는역할을하고 column driver IC (Data driver IC or Source driver IC) 는화상정보 digital data를화소전압으로변경하여 data 신호배선에인가하는역할을한다. 65
AMLCD 의수직단면구조 AMLCD 는상단의그림에서와같이수직단면으로보면상단의그림과같으며크 게편광판 -color filter 기판 - 배향막 - 액정 -TFT array 기판 - 편광판으로구성. 66
빛의 electromagnetic wave 특성과편광의원리 LCD 모듈의백라이트 (back light) 에서나오는빛은그진동방향은모든방향으로같은확률을가진다. 편광필름은이러한빛중에서편광축과동일한방향으로진동하는빛만투과시키고그외의나머지방향으로진동하는빛은적당한매질을이용하여흡수또는반사하여특정한한방향으로진동하는빛을만드는역할을한다. 편광필름은입사광을서로직교하는 2 가지편광성분으로나누고그한쪽만을통과 시켜다른성분을흡수또는분산시키는것이다. 67
편광필름의구조 LCD에사용되는편광필름은그림에서와같이여러층으로이루어져있다. 입사광을편광시키는고분자편광매질을중심으로지지체 TAC (Tri-acetylcellulose) 를편광매질의양쪽에사용하고접착층은편광 Film을보호필름에접착시키기위하여사용한다. 그리고상측표면에는저반사층인 AG (Anti-Glare) 혹은 AR (Anti-Reflection) 코팅층과보호막이있다. 68
편광필름의분류 편광필름의분류반사형산란형굴절형 편광발생현상과만드는방법 편광각으로입사시킨광운의반사광에의한것 복굴절성의결정과그주굴절율의하나와같은굴절율을갖는등방체를조합시킨것. 편광각으로입사시킨광원의굴정광에의한것 복굴절형입사광선을보통광선과이상광선으로나눠이상광선만을투과시킨것. 다결정이색성형 고분자이색성형 헤라파타이트미결정의결정축을일정방향으로정리하여초산섬유소 film 중에배열고정시킨것. Micelle 을일정한방향으로배열한고분자투명 film 의 micelle 사이에이색성물질을흡착시킨것. 단결정이색성형 단결정의결정축과이에직교하는방향과의이색성에의한것 69
고분자이색성편광필름의분류 고분자이색성편광필름의분류 흡착시킨이색성물질 Poly halogen polarizer 편광각으로입사시킨광원의반사광에의한것. 염료편광필름 금속편광필름 폴리엔편광필름 복굴절성의결정과그주굴절률의하나와같은굴절률을갖는등방체를조합시킨것. 편광각으로입사시킨광원의굴절광에의한것 입사광선을보통광선과이상광선으로나눠이상관선만을투과시킨것 70
편광의종류 직선편광, 원편광, 타원편광 편광도는편광필름의기본성능을나타내는중요한파라미터가된다. 왜냐하면 편광필름에의한투과광의농도비에의해문자나도형이표현되기때문이다. 71
편광의종류 편광의종류 (a) 와부분편광의분할 (b) 편광도는상단의그림 (a) 에서입사광속은 2F = Fy + Fz (F=Fy=Fz) 로정의되며편광판을통과한투과광속 : Ft = Fty + Ftz로정의된다. 기하학적으로 y방향투과율 : Ty = Fty / Fy, z방향투과율 : Tz = Ftz / Fz으로나타내며이때편광된빛의 Fp (polarized light intensity) 와편광되지않은빛의강도 Fu (unpolarized light intensity) 는아래와같이정의된다. Fu = F'y Fp = F"y = Fy - F'y 이때편광도 V 는완전편광강도 / 부분편광강도로정의된다. 즉, F p F y - F z V = = = F u + F p F y + F z T y - T z T y + T z 72
시야각향상보상필름개념도 원편광판은선형편광판과 1/4λ 위상차판으로구성되어있다. 보상필름은액정셀을수직으로통과할때와비스듬히통과할때그 retardation 값이서로달라위상차가발생하여시야각에따른투과광의특성이다르게된다. 따라서 retardation은액정의그것과같지만음의 retardation 값을갖는필름을사용하여이를보상하면시야각을향상시킬수있다. 73
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확산필름 < 투과형확산필름 > < 반사형확산필름 > < 확산필름의특성 > 반사된빛을확산시키는투과형확산필름과 LCD 를통과한빛이후면의반사판 에서확산될수있도록해주는기능의반사형확산필름으로나뉘어진다. 78
표면의반사방지필름 AG 처리가된반사광의원리 표면반사방지필름을이용할때의분광반사특성 Anti-glare (AG) 표면처리는표면반사광을난반사시킴으로써 specula( 반짝임 ) 반사를줄인다. 편광필름의표면에실리콘입자를뿌려주어표면을거칠게만들어져반사효과가있지만 LCD의투과광의확산이일어나대비비가떨어지는단점이있다. 79
대표적인 Color filter 의형태 크게 Stripe 형, Mosaic형, Delta 형으로나뉜다. Stripe형은가장일반적인형태로모바일디스플레이로부터대형 TV에이르기까지사용되며공정이간단하고높은개구율을가지는장점이있지만해상도가낮은디스플레이에서는색혼합시시인성이떨어진다. Mosaic type이나 Delta type은색혼합시시인성이우수하지만공정이어렵고구동방법이복잡해지므로색표현이자연스러워하는 DSC (digital still camera) 에주로사용된다. 80
color filter 의종류와제작방법에따른분류 CF는 RGB 컬러필터형성에사용되는재료에따라안료 (pigment) 방식과염료 (dye) 방식이있으며, 제작방법에따라감광법 (photolithography), 분산법 (diffusion), 전착법 (Electrodeposition), 인쇄법 (printing) 등으로분류할수있다. 81
Red/Green/Blue color filter 제작공정 82
color filter 평탄화공정이유무에따른 CF 단면구조 83
ITO 두께에따른투과율과투명전도막의도포지역 84
액정 (LC, Liquid Crystal) 의정의및일반적특징 액정물질의온도변화에의한상태변화 액정 (Liquid crystal : LC) 이란명칭은고체상과액체상의중간상태인액정상을 가리키는경우와이러한액정상을갖는물질그자체를가리키는경우의두가지 의미로사용되고있다. 85
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액정 (LC, Liquid Crystal) 의정의및일반적특징 액정상에서의분자배열구조 액정물질의대부분은유기화합물이며분자형상은가늘고긴막대모양이나편평한모양을하고있다. 액정상에서이들분자의배열방법은상단의그림과같이특수한배열을하고있다. 그리고이들배열구조에차이에따라스멕틱 (smectic), 네마틱 (nematic), 콜레스테릭 (cholesteric) 등의종류로크게분류된다. 87
액정의종류 전류효과형 동적산란 (DS) 형 액정의전기 광학효과 전계효과형 열효과형 유전이방성형강유전성형스메틱형콜레스테릭형 비틀림네마틱 (TN) 형게스트. 호스트 (GH) 형복굴절제어 (ECB) 형초비틀림네마틱복굴절 (SBE/STN) 형상전이 (PC) 형고분자분산형 (PD) 형단안정성 ( 비메모리형 ) 쌍안정성 ( 메모리 ) 형 88
배향막 액정분자의위치관계 액정물질을단순히 glass 기판사이에끼우는것만으로는같은분자배열상태를얻기가어렵기때문에기판내벽에처리를실시하여배향막을형성한다. 배향막의재질은무기물주체인무기배향막과유기물주체인유기배향막, 그리고두가지를병용하여사용하는것으로구분할수있다. 89
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배향막 Polyimide 계고분자의일반적인합성반응 무기배향막은 SiO 사방증착법에의해형성되어진다. SiO 사방증착법은금속이나산화물및불화물등의무기물질을기판에대해경사로증착하는것으로, 증착물질로 SiO가일반적으로사용되어진다. 이막의배향기구는 rubbing 방향으로생긴미세한 groove 의한것으로생각되며 pretilt angle이거의 0도가된다. 이에비해 SiO 등의무기증착막을부착시킨시판을부드러운천등으로 rubbing한경우에는 2-3도의평형배향이얻어지며실용적으로는 polyimide 등의고분자를도포한후에 rubbing하는일이많다. 유기배향막은액정표시소자에대한유기배향막의배향제어기술은액정재료에의한특성변화가적고생산 line에적용하기에적합한유기분자에의한배향제어기술이다. 회전도포법혹은인쇄도포법에의해기판상에유기고분자의박막을형성하여경화한후 rubbing법으로액정분자의배향을제어하는기술로발전하였다. 91
방향자의방향이 x-z 면에국한되고경계면에대해서 x 축에평행한네마틱셀의개략도. 92
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TFT/LCD 의일반적인배향구조. 배향은하판과 45도를이루고있고상판과 -45도를이루고있다. 94
two-domain twisted-nematic 액정 display의러빙방향과 pretilt 각. 이러한구조는시야각특성을개선한다. 95
TN-cell 의수직방향에서의광투과율의각의존도. 다른러빙방향과높고낮은 pretilt 각의결합으로정입사에대하여대칭적인형태가나타난다. 하판에서는두영역에서러빙방향이다르고 pretilt 각이높다. 상판에서는러빙방향은같으나 pretilt 각이낮다. 96
Backlight Backlight 구조 LED backlight 구조 현재주로사용되고있는 backlight의기본구조는광원, 도광판 (LGP), 확산판 (Diffuser), 프리즘시트 (Prism sheets) 로이루어진것으로상단의그림과같다. LED backlight 는최소 50,000 시간의수명을갖고, EL보다더밝다는장점이있다. 또한소비전력이작으며, +5 V DC에서작동하기때문에별도의 inverter를필요로하지않는다. LED를보호하기위해흐르는전류를제어하기위한회로를달아준다. LED는 display 바로아래위치하며, 일반적으로 yellow-green을나타내지만, 여러가지색에적용될수있다. 97
CCFL Backlight CCFL backlight의가장두드러진특징은전력소모가적다는것과매우밝은백색광을제공한다는것이다. 주로두가지방식이쓰이는데직하식과 side edge 방식모두광원으로냉음극형광등을사용한다. 확산판을이용하여 display면에빛이골고루조사되게하며, edge lighting은두께가얇고소비전력이적기때문에선호되고있다. 역시 inverter를필요로하며, EL보다긴 10,000에서 15,000 시간의수명을갖는다. 98
TFT 기판과 CF 기판의조립공정 99
배향막도포 TFT array 기판과 CF에도포되는배향막프린트공정컬러필터와 TFT 어레이에액정을균일하게배향하기위한유기박막을도포하는공정으로디스펜서를통하여용액형태의 polyimide, PI를회전하는드럼위에도포하고도포된폴리이미드가미리패턴된고무판에인쇄되고기판의 stage를이동하면서균일하게도포한다. 도포후경화로에서경화시키는데두께는 1000A 이하가일반적이다. 100
러빙공정 TFT array 기판과 CF 기판의러빙공정그리고러빙강도에영향을미치는변수 액정이일정한방향으로배향되도록하기위하여경화된 PI 에일정한방향으로 직홈으로만드는공정으로, 회전하는드럼에부착된러빙포로패턴을일정한방 향으로문질러서일정한방향의홈이만들어지도록한다. 101
Alignment technique Rubbing Oblique SiO2 Evaporation θ 0 Evaporated SiO 2 φ 0 φ : Rubbing role advancing direction. 0 θ : Alignment Layer properties. 0 Merit : Simple & Cheap Process. Demerit : Maintenance. Merit : Broad range θ control. 0 Demerit : Area Limit. 102
Alignment Layer 1. Rubbing Process? 3. Principles of LC Alignment on Polymer Surface LC CH Branch Before Rubbing After Rubbing 2. Two types of alignment layer - PI : Polymer + solvent Polymer Precure - PA : Polymer monomer + solvent Polymer Main cure -Surface topology?, -Anisotropic Wan der waals force? 러빙방향액정배향바향 Slow axis PI Polystyrene PVCi 103
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Seal 프린트공정 TFT array 기판에만행해지는 seal printer 디스플레이영역과비디스플레이영역 ( 금속배선부 /IC COG/FOG 부분 ) 구별하기 위한 땜 과같은영역으로액정이주입될영역을정의한다. 일반적으로 TFT array 부분에공정을진행하며디스펜서방식과프린트방식두가지가있다. 106
Short dispenser TFT array 기판과 CF 기판을도전시키기위한 short dispenser 공정 TN과같은일반적인 LCD 디스플레이는액정의전계가상하로인가되므로 CF부분의화소전극과구동 IC로부터연결된 TFT array 부분의 Vcom 배선과연결하기위하여도전성 paste를이용하여 short 시켜주게된다. 최근에는미리 seal print 공정에서 sealant에도전성 bead를이용하여 short dispenser 공정을생략하는공정도개발되어있다. 107
Spacer 산포 CF 기판위에진행되는 spacer 산포공정 TFT array 와 CF 기판사이에형성되는 column spacer 상판과하판을합착시킬때일정한 cell-gap 을확보하기위하여 spacer 를균일 하게뿌려주는공정으로, spacer 를적정농도로용액속에혼합한후펌프를통해 분사노즐로수송하여노즐에서고압으로기판에분사시킨다. Spacer 는공모양으로직경은 4~5μm 의크기에서 LCD 의 cell-gap 에따라결정 된다. 최근엔 CF 의 column spacer 를형성하여 spacer 공정을생략하는방법이 일반적으로적용되고있다. 108
CF-TFT array 조립공정 TFT array 기판과 CF 기판조립공정 TFT array 기판과 CF 기판의조립후 hot press 공정 상단의그림과같이 seal 프린트 /short dispense 고정이완료된 TFT-array 기판과 spacer 산포가완료된 CF 기판은상하기판의 align mark 를이용하여상 / 하합착공정을진행하게된다. 합착이완료된기판은고온에서상 / 하기판에압력을가하면서이미 TFT-array 에도포되어있는 seal 를열경화시키면서최적화된압력과시간을조절하여균일한 cell-gap 을형성하게된다. 이공정은 CF 와 TFT array 의 align 정밀도와균일한 cell-gap 형성을결정하는매우중요한공정이된다. 109
Glass scribe/break 공정 원판 glass scribe와 break 공정기판조립이완료된원장상태는다수의제품으로제작되었으므로각각의부분으로절단작업이필요하다. 이러한 glass cutting 공정은 wheel의형상 /scribe 속도 /scribe 압력 /break 높이등다양한변수의최적화가필요하면 LCD의 glass 강도에영향을준다. 110
액정주입공정 액정주입공정모식도와시간에따른챔버압력곡선 상판과하판을합착한후모세관현상과압력차를이용해서상판과하판사이에액정을주입하는공정으로, 진공배기계, 진공반응기, 상하이동장치, 액정을담그는지그및 N2purge계로구성되어있다. 약 80% 정도채워졌을때, 진공펌프의밸브를닫고진공상태의 chamber를상압으로압력을높혀주면서서서히 N2 를진공 chamber 내로 purge하면 cell 내부와주위와의압력차가발생하여액정이 cell 내부의빈공간을채우게된다. 111
end seal 공정 액정주입후 end seal 공정액정주입이완료된 panel은주입구를막는공정이진행되는데이를 봉지 공정이라고한다. Sealant를주입구부분에도포하고자외선 (UV) 를조사함으로써경화를하며 UV가디스플레이영역에조사되어액정에손상을주게되면주입구부분에얼룩이나이상구동으로표시품위가떨어지게되므로 UV차단막과같은보고가필요하다. 112
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게이트 busline 의균일분포회로도. 게이트 busline 을따라지나가면서 line 에병렬로연결된 capacitance 와직렬로연결된저항에의해서지연되고변형된전압 pulse. R 과 C 는각각단위길이당의저항과 capacitance 를나타낸다. 116
게이트금속과대각길이와의상관관계 :(a) 화소의개수가 640x480 인 VGA 의패널사이즈 ;(b) 고화질패널의크기 (1920x1120). 알루미늄을게이트버스라인금속으로사용하였을때 30 보다큰패널을고화질의형태로만들수있다. 117
TFT-LCD Module 118
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Gate 신호배선의선택과 Scan Pulse 공급 121
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Data Driver IC 의동작 123
- + - + + + - + - - - + - + - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + 디스플레이공학 방식 n-th field 화소 Polarity (n+1)-th field Data Line 구동신호 광학응답 Ripple 의기본주성분 [Hz] Frame 반전 기우 T F 화소 Frequency : 1/2T F 전화소 화소 : 1/2T F Line 반전 + + - + -+ - + -+ 기우 T F T H 화소 Frequency : 1/T F ( Interlace 효과 ) 화소 : 1/2T F 기행 우행 Column 반전 + - + + - + - - + + - + + - + - -- - + - + - + - + - -- + ++ 기우 T F 화소 Frequency : 1/T F ( Interlace 효과 ) 화소 : 1/2T F 기행 우행 Dot 반전 + - + - + - - - + - + + - + - + - + -+ + - + - - + - + + - + - 기우 T F T H 화소 Frequency : 1/T F ( Interlace 효과 ) 화소 : 1/2T F ± 행 행 124
Display 특성 1. Luminance : cd/m 2 = nit 2. Luminous transmission % 3. Luminance contrast ratio 4. Size 5. Gray scale 6. Response time 7. Viewing angle/ 광 leak 8. Cross talk 9. Image sticking/flicker/ 10. Resolution UXGA, XGA, QXGA 11. Color garmut 12. Color chromaticity 13. Color purity 14. Lifetime 15. Cost 16. Stitch/Defect 125