LC(liquid crystal) 란무엇인가? - LC란 : 고체와액체의중간특성 - LCD란 : 액정의상태변화를이용해정보를표시하는장치로서, 온도외에전기장의변화에따라배열상태가바뀌는특성을이용한것 - 1888년오스트리아의생물학자인 Reinitzer가콜레스테롤과관련된유기물질을녹이는과정에서발견 ( 그림 ) - 독일의물리학자인 Lehmann은이러한혼탁한액체가고체의규칙적인분자배열을가지며또한유동성을가지며결정구조를가졌다는의미로액정 (liquid crystal) 이라명명함. 145.5 o C 178.5 o C
LC 의특징 유기화합물로서가늘고긴막대모양의분자구조 액정상 ( 고체와액체의중간 ) 끈적한유동성의액체 광학적으로이방성의결정 결정의배열이변하네!
LC 의종류 분자축방향으로규칙적인층상구조점도높음 스멕틱 (smectic) 비규칙적분자축정렬낮은점도 네마틱 (nematic) 콜레스테릭 (cholesteric) 액정의 3 가지분자배열구조 액정전체에 나선형모양
전계에의한액정분자배열의변화 q 액정분자 막대모양의액정분자 : 전기쌍극자 액정분자의무게중심과방향 외부전계의영향으로배열이변화
액정분자배열의종류 (a) 수평형 (b) 수직형 (c) 경사형 (d) 트위스트형 (e) 혼합형 (f) grandijean 형 어떻게구별하지? (g) Focal cone 형
LCD 의역사
TFT-LCD 의역사
LCD 의변천사 1887년브라운이전자관 ( 음극선관, 브라운관 ) 을발명 1888년오스트리아의라인니쳐가액정 (LC) 발견 1934년영국의쉔베르크가 CRT를이용하여진공관 TV 발명 1968년미국 RCA사가액정으로표시장치에응용 1973년전자계산기와전자시계에 LCD 적용 1986년 STN-LCD와소형 TFT-LCD 실용화 1990년 10인치 TFT-LCD 양산화 ( 노트북 PC에적용 )
LCD 의종류 종류가많군!
LCD 분류 ( 형태에따른 ) 광원의위치지, 뭘! 어떻게구별하나!
LCD 분류 ( 구동방식에따른 ) q 전극구동방식에따라구분 수동행렬형 (passive matrix) 능동행렬형 (active matrix) 이런차이구나! (PM-LCD) (AM-LCD)
LCD 의기본개념
TFT-LCD 의기본동작 7 곱색깔 무지개!
LCD 의스위칭소자 q 스위치소자의역할 화소에수직으로교차하는 x( 행전극 ) 와 y( 열전극 ) 전극에 선택적으로전압인가 화소 PM-LCD 단면과전극구조
LCD 의스위칭소자 q TFT 소자와 capacitor 설치 화소의신호전압제어 동화상구현및응답속도개선 집적화공정필요 AM-LCD 구조와구동회로
TFT 특징 q TFT 소자 3단자소자 : 소스 (source), 드레인 (drain), 게이트 (gate) MOSFET와유사하게 MOS 구조 MOS동작중에축적모드 (accumulation mode) 에서스위치동작 소스와드레인사이에전류를게이트전압이제어하여스위칭 비정질실리콘 amorphous Si! a-si 가뭘까! 기본적인 a-si TFT 의단면도
AM-LCD 의특징 q 기본구조 전면과배면유리기판사이에액정주입 ( 간격 : 5 mm) 전면과배면기판의전극에 TFT로구동전압을조절하여동작 디스플레이기술, 반도체공정기술및액정소재기술이종합 유리기판에비정질실리콘 (a-si) TFT-LCD 증착 (350 C 이하의저온증착 ) 다결정실리콘 (poly-si) 을사용할경우, TFT와주변구동회로를일체화가능 화소표시부와구동회로부접속이용이단점 : 고온증착
TFT 동작 q TFT 동작 : 선형영역과포화영역 선형영역 : 저항성분특성 - 드레인전압의증가에따라드레인전류증가 TFT 의단면도와 I-V 특성 저항성분 ( 오옴의법칙 )
TFT 동작 q TFT 포화영역 드레인전압이높은경우, 드레인전류는드레인전압에관계없이일정한특성 게이트전압하에서채널은드레인쪽에서 pinch off( 핀치오프 ) 발생 드레인전류가일정하게포화 V D >> 0 핀치오프
Si 원자결합 q a-si:h 박막의장점 대면적증착용이 저온증착가능 계면특성우수 제조공정유연
a-si TFT-LCD 구조 Staggered type TFT 의구조 BCE 방식 ES 방식 Inverted staggered type TFT의구조
TFT-LCD 화소구성
a-si TFT 의제조공정
poly-si 와 a-si TFT 의차이 고속회로에맞지않겠네! 비싸겠군! HW#1: 개구율이란?
저온 poly-si (LTPS) TFT (a) Top gate type qtop gate type 기존의 MOSFET 구조와흡사 반도체집적기술적용가능 (b) Bottom gate type qbottom gate type a-si TFT 구조와동일 다결정 Si층이게이트절연층위에형성 ( 불순물차단 )
LTPS-TFT 의공정순서도 q poly-si 제조공정의문제점 고온처리 : 소자특성은우수해지지만, 유리기판에문제 많은공정단계 : 공정단계를줄이고수율향상이중요 Top gate type Bottom gate type 쟝, 복잡한공정이네!
고온 poly-si (HTPS) TFT q고온다결정실리콘 TFT 제조공정 유리대신석영 (quartz) 기판에 CVD로 a-si 증착하고열처리 (600 C) 하여 poly-si로결정화 반도체공정설비로 poly-si 제조 주변구동회로부를동일기판상에구성가능즉, 화소로연결되는 gate와 data 구동회로를기판에집적 - a-si TFT에서는외부에구성된구동회로에연결
TFT-LCD 패널의구조 qtft-lcd 특징 비발광형디스플레이 Þ 후면광 (back-light) 필요 평면광 : 냉음극관 (CCFL), 도광판, 확산판등으로구성 직시형 LCD module 구조
TFT-LCD 의단면도
TFT-LCD 의기본용어 v LCD Panel Backlight Unit 에서입사된백색광을구동회로 unit 로부터입력된개개화소의신호전압에따라화소에투과되는빛을조절하여 color 영상을표현하는역할 Glass Substrate Liquid Crystal Layers Black Matrix Color Filter Common Electrode Alignment Film Polarizing Film Spacer LCD의투명기판으로낮은표면거칠기를갖는 non-alkaline glass 로 0.05 mm보다작은 peak-to-valley distortion를갖는다. (TFT- Array 기판, Color Filter 기판 ) 액정층의두께는보통 4 mm 정도이다. Color Filter의 Pixel 사이에형성되는빛차광막 (Cr, CrOx/Cr, Black Photoresist) 3가지기본색 (RGB) 의염료나안료를포함하는수지 Film 투명한전기전도체인 ITO로만들어진전극으로액정 Cell에전압을인가 Polymide로구성된얇은유기막으로액정을배향하기위해형성편광된빛의특정성분을투과혹은흡수 LCD Panel의액정층두께를일정하게유지하기위해설계된 Silica 혹은염료알갱이
Thin Film Transistor 의구조
TFT-LCD 의구조
TFT-LCD 의구조
TFT-LCD 의주변부
Color filter 의구조
B/L unit 의기본구조 은코팅
Color TFT-LCD 의동작
8 단계의 gray scale 구동 IC 가 n 개의 bit 를가지면, 색의개수 (N)
디스플레이의해상도 q LCD 화면의해상도 : pixel 의수 Color 의종류 : 구동 IC 에서 bit 의수로결정 TFT-LCD 의설계 : 화면의크기와해상도로결정
해상도에따른요소 q TFT-LCD 의해상도증가 Gate 신호배선의수는증가하지만, 선택시간은짧아짐 선택시간동안 TFT on 동작으로전류흐르면, 액정 cell과축적용량에 data 전압인가로충방전 해상도증가로 on 동작시간이짧아짐으로부하용량을충분히충전시키기위해서는 TFT성능향상이필요
TFT-LCD 의설계요소제한 W/L 이뭐지! 개구율이 뭘까?
TFT 의 active addressing 동작 3 3 pixel 의 addressing 동작은교재 134 쪽을참조
LCD 의 color 구현
TFT-LCD 의구동시스템
TFT-LCD 의제조공정 v TFT-LCD 의제조공정분류 TFT-array 공정 color filter 공정 액정공정 모듈공정 검사공정
TFT 공정순서도
TFT-array 공정
TFT 공정에서사용하는세정기술
건식및습식식각의비교
Color filter 공정
액정공정 - 셀 (Cell) 공정 CF 공정과 TFT 공정에서준비된 2개의글라스를하나로합치고절단하는공정
액정공정의흐름도
배향막공정 q 유리기판 ( 상판과하판 ) 에배향막을형성하는공정 액정분자가일정한방향으로정렬할수있도록가공 배향막을인쇄하고 rubbing 공정으로표면처리 배향막 : 200 C 이하에서약 1,000A 정도의균일한박막 ITO 표면과우수한접촉 (polyimide) 액정과화학적으로반응하지않는소재
Spacer 공정 q 유리상판과하판의간격을균일하게유지 Spacer의직경 : 4~5 mm Spacer의산포밀도 : 100~200개 /cm 2 액정 cell에서 spacer는배열을방해하는불순물이므로산포밀도가높아서는않된다. ( 빛의산란이나액정의흐트러짐야기 ) Spacer 소재 : plastic spacer나 glass spacer 사용
액정주입 q 유리상판과하판을합착하고패널을구성한후, 액정주입 Spacer의직경에의해상판과하판사이의간격은약 5 mm 정도 액정주입을위해 seal pattern 형성 진공주입법 : LCD 패널을진공처리하고모세관현상과압력차로액정주입. 즉, cell 내부를 10-3 torr 로유지하고액정용기에넣으면액정이모세관의원리로빨려들어가고, 이후에대기압으로바꾸면압력차에의해빈공간이채워짐. 액정주입의소요시간이약 2일정도소모 최근에는 seal 인쇄후에액정을떨어뜨리는 ODF(one drop filling) 법을사용한후에상판과하판을합착하는방식.
모듈공정 완제품패널을만들기위한마지막공정으로 Cell 공정으로만들어진패널에편광판과 PCB, 백라이트유닛등을부착하는최종단계
LCD 모듈공정의흐름도
LCD 패널의내부구조
TFT-LCD 응용제품군
TFT-LCD 응용과전망 1920년까지약 300여종의액정개발 평판디스플레이의강점인저소비전력, 경량화및양산성등의성능만족 LCD의크기, 수량및수율등의생산성으로기판의크기가지속적으로커져감 ( 향후 8세대라인투자계획 ). 현재유리기판의두께는 0.7mm 사용, 향후 0.5mm 이하요구 또한, 유리기판대신에 flexible 기판에대한연구개발중 TFT-LCD의전체소비전력의약 60-70% 가 BL(back light) 광원에사용.
LCD 소재의개발현황