1 Hz FHD LCD TV 의기술개발및현황 이경하 양명수 강인병 저자약력 요 TFT LCD 는 9 년초 중반시장진입단계에서 Full Color, 박형 경량을장점으로 Notebook 시장을창출하였다. 9년대말에는고휘도 (5 nit), 광시야각액정모드의개발을통해기존 CRT의아성인 MNT 영역을대체하기시작하였고, 년부터는고휘도 (5 nit), 3 이상대형화를통해 CRT TV를급속히대체하였다. 5년부터는 1 Hz FHD 기술을개발, 동영상화질을획기적으로개선하면서경쟁자인 PDP의성능을넘어대형TV 시장에서독보적인위치를구축해나아가고있다. 본기고에서는진화를거듭하고있는 TFT LCD 기술중에서 1 Hz FHD 중심으로동화상관련기술을요약하고, 업체별개발동향, 그리고동화상의정량화부분에대해논의해보고자한다. 서 TV 시장에서지난몇년의패러다임변화는시장의맹주이던 CRT를밀어내고새로운강자가등장하는혼란의시대를창출하고있다. 패러다임변화의첫째는방송기술의발전이다. 방송방식이아날로그에서디지털로바뀌었다. 이와동시에 HD(High Definition) 방송으로변동되고있고, 일본에서는 3D 방송도시범운영되고있다. 이는 VGA급아날로그 display 에서 HD, FHD급 digital display를누가더잘만들수있 이경하수석연구원은경희대학교반도체물리학박사 (1997) 로 LG Display 연구소에서새로운패널설계룰과 new display를개발중이다. (khalee86@lgdisplay.com) 양명수수석연구원은한양대학교전자공학석사 (199) 로 1991년이후 LG Display 연구소에서 LTPS, 패널공정개발을해왔고, 최근패널재료 / 공정 / 설계를총괄하는연구실장으로근무중이다. (yangms@lgdisplay.com) 강인병소장은 University of South Australia 전자공학박사 (1998) 로 1991 년부터 LG Display 개발부문에서근무해왔고, 7년부터 Display 연구소장으로재직중이다. (ibkang@lgdisplay.com) 약 는가에대한경쟁의장으로변화되고있다. 둘째는 Display가 TV only가아닌 Multi display 역할을수행하도록요구받고있다. TV뿐아니라 Internet, Network 환경의급속한발전에따른다양한 Contents를언제어디서나대응할수있는 Ubiquitous 디스플레이로변화되어야한다. 이미시장에서는다양한 FHD contents들이제작유포되고있으며이를대응하기위해서는디스플레이해상도가최소 FHD 16:9 Format은되어야한다. 최근에 IT 부분도 3:4, 16:1 Format을넘어 16:9로빠르게재편되고있는상황도이러한변화를대응하는부분으로볼수있다. 세번째는디스플레이는클수록좋다는일반룰에입각한대화면화이다. 지난몇년간 PDP, LCD 제조업체들은경쟁적으로 TV 대화면을주도하였고실제대화면을접해본고객들은점점더그매력속으로빠져들고있다. 넷째는디스플레이의본질인화질부분으로단순히보여주는디스플레이는의미가없어지고있다. 동영상화질을개선하여좀더사실감, 웅장감을부여하고, 다이내믹한특성을보여주는실감영상시대로나아가고있다. 정리해보면패러다임변화대응의 Key word는대화면과 FHD 이상의고정세디스플레이를좋은화질로누가더잘만드는것이핵심경쟁요소로볼수있다. 대형화고정세부분에서는 TFT LCD는큰강점을가지고있다고볼수있다. 자사에서는이미 3년전에업계최초로 1인치급 LCD가기술의문제가아닌사업성의문제임을시연한바있다. 또한 8세대이상의투자를통한 5인치급대량양산이가능하게되었고반도체장비를활용한제조공법은 mobile 응용부분에서 3 ppi 이상의고정세수준도가능하게만들고있다. 이러한기술을바탕으로대화면 FHD 부분에서도타경쟁 Display 부분에절대우위를가지고있다고볼수있다. 다른하나의문제는동영상의화질부분인데특히액정이인가된전압에의해물리적으로반응하는시간이걸리고, 전압또한 Frame 시간동안지속적으로인가되는 Hold 방식이기때문에동영상응답속도가느린것이최대약점이었다. 이는 CRT, PDP 업체로부터지속적공격을받아왔으며최근 3년동안 LCD hot issue로부각되었다. 그러나진화를거듭하는 LCD 역사는이를극복하기위한노력을경주하였고 1 Hz 물리학과첨단기술 October 8
그림 1. 4인치이상 FPD Market Trends ( 디스플레이서치, 7.Q). 라는성공신화를시장에내놓았다. [1 5] 본 1에서는지난 3년간시도되었던다양한동영상화질개선기술을소개할것이다. 다양한기술들이보이지않는경쟁을거쳐최종 1 Hz라는승자를탄생시켰고, 이기술은 PDP보다나은동영상화질을제공함으로서시장의절대강자로 LCD가등극할날이멀지않음을예고하고있다. 그림 1의 4인치이상 FPD 시장 Market Share에서볼수있듯이 LCD 성장률이 PDP 대비압도적으로우위에있음이이를증명해주고있다. 6 이후급격한성장률은 7/8/1세대공장의과감한투자뿐아니라이러한 FHD 1 Hz 기술개발이반영된결과로해석할수있다. [6] FHD 1 Hz는기존대비반으로줄어든 gate 충전시간과 3 4배이상의해상도구현에서오는투과효율저하, 배선의신호전달지연증가, D IC load 증가에의한발열등많은난제를안고있다. 이를해결하기위해서다양한기술적접근들이시도되고있는데, 이는각사의액정모드, 고유공정및장비, 재료특성들이감안된 unique한기술로전개되고있다. 본 에서는이러한각사의노력들을소개할것이다. LG Display는구리 (copper, Cu) 배선 /S IPS 기술을, 삼성전자는 TFT (1gate/data)/S PVA 기술을바탕으로 1 Hz 모델을개발하였으며, 특히 S IPS 1 Hz/FHD 기술은 PDP처럼빠른 MPRT (8 ms) 및동화상제공으로, S PVA는 Black 성능으로시장의주목을받았다. 마지막으로본 3에서는 1 Hz를넘어최고의동영상화질로가는길목에서표준화된정량화방법이없는동영상평가부분에대해논의하고몇몇항목들을소개할것이다. [1,5] FHD 1 Hz 제품에대한노력들은 7년도하반기이후북미 / 유럽시장의표준고급모델로자리를잡았고, 3 FHD 제품으로확대되며확실한차별화를선도하였다. 그림 는 Full HD의지역별성장률과 1 Hz 제품의판매대수예상치를나타내는데, 8년이후 1%/ 년의선형적인성 그림. Full HD 지역별판매성장률 /1 Hz 판매대수예상 ( 디스플레이뱅크 ). 장률을보여주고있다. 특히 1 Hz 의경우 1 년도에 67 만대로예상되고있다. [6] 1. 동화상잔상개선기술 본 LCD 는 개의 polarizer 사이에 birefringence( 복굴절 ) 과 anisotropic 특성을갖는액정을이용하여빛의진행을 on/off 하는 light holding device 로써, 편광판에의한시야각 /color shift와액정응답속도 /backlight holding time에의한동화잔상이라는두가지본질적인제한을갖게된다. 그림 3은디스플레이형태 ( 발광 (Impulsive), 수광 (Hold)) 별로광세기변화특성을나타낸다. 이러한광세기지연이눈을자극하여잔상 (tailing, blurring) 으로화질을저하시키게된다. [7 9] 이러한화질저하를개선하기위하여빠른응답속도개선과 Holding 특성의개선이필요하다. 디스플레이의동화상화질을결정하는동화응답속도를나타내는 MPRT (Motion Picture Response Time) 는기존응답속도가화면의 on/off 구간동안의휘도차이를나타내는반면, 이동하는 [1] C.H. Oh et al., J. Soc. Inf. Display 1, 11 (4). [] Kyung Ha Lee, Nikkei Electronics Asia, 9월호 (5). [3] T. Nose et al., SID Symposium Digest 3, 994 (1). [4] S.S. Kim et al., J. of the SID 16, 43 (8). [5] S.S. Kim et al., SID Symposium Digest 38, 13 (7). [6] 7년상반기보도자료요약 ; Display Search, 아이서플라이. [7] N. Fisekovic et al., Asia Display/IDW 1, 1637 (1). [8] Y. Kuroki et al., SID 6 Digest, 14 (6). [9] S.S. Kim et al., SID 8 Digest, 196 (8). 물리학과첨단기술 October 8 3
응답 속도 개선 Image Tailing 액정 재료 (점도), 점도), Cell Design (갭 (갭, 전극), 전극), new mode 구동 전압, 전압, ODC (Over Driving Circuits) Holding 특성 개선 Image Blurring Black Data Insertion Scanning BLU Blinking BLU 그림 3. Display type에 따른 광 세기 의존성. High Frame Frequency (1Hz, GFI, MEDI) 그림 5. 동화상 잔상 개선 기술 요약. 이 연구되고 있어 이상적인 디스플레이를 상용화되기 멀지 않 았음을 기대할 수 있다. 그림 5는 동영상 이슈를 개선하기 위한 응답속도 및 광 홀 딩 특성 개선 방법에 대한 잔상 개선 기술들의 요약을 나타 9% 휘 도 MPRT = Ave.Σ(BEW(on+off)) 셀 설계 (갭, 전극), new mode 및 over driving 기술들이 있 ODC시 MPRT 다. Light holding(image blurring) 특성을 개선하기 위해, 프레 1% 임마다 블랙 데이터를 입력하거나, 고속 주파수로 구동(1 Hz, Time (ms) 그림 4. MPRT 측정법 및 ODC시 휘도 변화. box의 앞과 뒤에서 발생하는 휘도 차이로부터 계산되며, 그 림 4에서처럼 on(1%) off(9%) 구간 동안의 평균 BEW(blur edge width)로 계산되어 time (ms)으로 표시되고, 사람의 인 지 한도는 5.7 ms로 알려져 있다. 낸다. 동화상의 image tailing 저감을 위해 액정 재료(점도), [1] 첫 번째로 액정의 응답속도를 사람의 인지 한도인 5.7 ms 이하로 개선을 위해 on/off time을 빠르게 해야 한다. 수식 1에서처럼 액정의 회전 점도를 낮추고 종래 8mPa.s (Gray interpolated image data 입력), impulsive backlight 등의 방 식이 있다. [3-8] 액정 응답속도 Ton γ 1d ε oδ ε (V V ) c Toff γ 1d π K 고속응답을 위해서 회전점도 γ 1, 구동전압 V 수식 1. LCD on/off의 액정의 응답 속도 관계식.. 1 Hz LCD TV의 주요 핵심 기술 액정의 광학적 이슈인 시야각 및 고속 응답 속도를 위하여 [14] to Gray~8 ms)æ < 6 mpa.s (< 5 ms)로 낮추고, 구동 전 S IPS, S PVA, OCB 등이 제안 발전되어 왔다. 압을 높이는 설계 기술들 (낮은 cell gap, 전극 구조 등)이 개 LG Display의 S IPS 모드 적용 TV의 1 Hz 대응 설계 및 발되고 있다. 그리고 gray to gray 응답 속도를 균일하고 빠 구동 요약을 나타낸다. Aluminum 대비 1/의 저 저항을 갖 그림 6은 르게 하기 위해 ODC(over driving circuit) 기술도 광범위하 게 채택되었다. [11] 뿐만 아니라 ms 이하의 액정 기술 연구 가 지속되고 있고, 새로운 모드 기술(blue phase 등) 등도 발 표되고 있다. [1,13] 두 번째로 광의 holding 특성을 개선하기 위해서 black data insertion, high dynamic rate(hdr, high frame frequency) [4 8] 최근에는 backlight scanning (blinking) 기술 등이 있다. LED backlight를 사용한 local dimming 및 dynamic control 4 물리학과 첨단기술 October 8 [1] D.H. Kelly, editor, Visual Science and Engineering (Marcel Dekker Press). [11] H. Nakamura et al., Jpn. J Appl. Phys. 4, 6435 (1). [1] F. Yamada et al., SID Digest Tech Papers 31, 118 (). [13] H.J. Coles et al., Nature 436, 997 (5). [14] J.U. Kwon et al., IMID 8, to be published.
Ra Rb Ga Gb Ba Bb G n Copper gate G n+1 1G D Pixel Modeling Data-Inversion Driving Luminance Gn+1 외삽 Gn data Gn-1 1 Gray Scale 56 Gray 별투과특성 그림 6. S IPS TV 의 1 Hz 설계및구동요약. 는 Copper gate 배선기술을적용하고 panel 내 load (TFT 기판상의 finger 전극간액정 cap) 가적어 one TFT와 data inversion, interpolated image data 적용으로 1 Hz FHD 를실현할수있었고동화화질의척도가되는 MPRT도 PDP 에필적하는 8 ms를달성하였다. [1,14,15] 구동원리는동일한 Gn 1 gate on시 Data에 번의 refresh를통하여 interpolated image를입력하여 TFT LCD 각 pixel에인가함으로써 real 1 Hz를구현하게된다. 그림 6의 gray별투과특성에이를설명하는모식도가나와있다. S IPS의동화상화질의차별화장점에대해 SID 8에서발표되었고, 최근 fine pattern 전극기술을적용한 advanced S IPS 기술에관련하여 IMID 8, IDW 8에서발표할예정이다. [14,18] 그림 7은삼성전자의 S PVA 모드적용 TV의 1 Hz 대응설계및구동 (Gray frame insertion) 을나타내고있다. S PVA의경우 개의 TFT를적용하여 1 frame 동안 gray frame을인가하여고속구동을하게된다. [15] VA의경우 CF 와 TFT 기판사이의기생 capacitance로인한 load의증가로높은구동전압과 개의 TFT를필요로하게되었고, 최근에는 CC(capacitance coupling) 방식의고속주파수적용 Gray 별투과특성 그림 7. S PVA 1 Hz 설계및구동요약. 연구도활발하게진행되고있다. [15] 구동 frame 동안 pixel A, B 중한개를 on/off 시키며 1 Hz를구현하게된다. S PVA의시야각 color shift 특성과고속구동을동시에만족하기위해 small pixel 구동과다양한 Dynamic control이적용된다. 특히, 최근미국에서개최된 SID 8에서삼성전자는세계최초로 6 Hz 8 UHD TV와 4 Hz 구동이가능한 Blue Phase 기술을적용한 15 LCD를선보였다. [9,13] 이러한신기술은 CRT를뛰어넘을빠른응답속도특성으로미래에도새로운액정소자및제품들이시장을선도해나갈수있는새로운가능성을보여준것이다. 1 Hz 구동을위해적용한여러기술들은사람의동영상인식메커니즘에입각하여보다더생생한화상을재현하는데목적이있고, 향후현기술의혁신과새로운모드의개발등으로 AMOLED 기술진보에대응할수있는전기를마련할수있다고생각된다. [1,13,14] 그리고대형 TV를위한 Impulsive light control 기술로개발된 scanning 및 blinking 기술은 MPRT의특성을 3% Luminance max luminance Mixed Pixel-A half luminance Pixel-B 1 Gray Scale 56 [15] S.J. Kim et al., SID 8 Digest, (8). 물리학과첨단기술 October 8 5
6Hz와 1Hz의 MPRT 비교 Box 이동 1/1Hz 16 G to G ~5ms 1Hz 4Hz 16 MVA S-IPS S-PVA 14 1 1 8 6 4 15.4ms 1Hz+S/B 1 GrayLevel Level (~55) Gray (~55) Time 1/6Hz 6Hz MPRT (ms) LPL 1Hz SS 1Hz Sharp 1Hz 18 11.5ms 1.8ms ~8ms 8 PDP~8.8ms 4 인지한계 ~5.7ms CRT level ( 4ms) S-IPS 4 6 8 S-PVA 1 MVA 1 4 6 8 액정 응답속도 (ms) vs Hz 그림 8. TV 구동 주파수에 따른 MPRT 개선 모식도 및 액정 응답속도 의존성 (측정, 계산). [7] Measure Cond. : Moving Speed 3本 L line / L144 Back ground 그림 9. 광 시야각 모드 별 동화 해상력 비교. 일본 9는 동화 해상력 패턴에서 바탕 gray L144에서 3 bon으 Hitachi사는 blinking 기술을 탑재한 3 HD급을 6년에 로 측정한 디지털 이미지로써 각 모드 별로 해상력과 변별 정도 개선할 수 있어 최근 제품화가 진행되고 있다. 출시하였다. 다음 세션에서 고속 구동 및 impulsive BLU 기 특성에서 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이러한 동화 해상력 술 등의 적용에 따른 동화상 화질 특성과 정량화를 알아보기 차이는 cell 내 액정 수직 배열 상태에 따른 굴절 특성의 차 로 한다. 이에 기인하고 있고 최근 깊은 연구를 통한 새로운 결과들이 발표되고 있다.[16 18] 동화상 화질 정량화 (MPRT, 동화 해상력) 결 대형 LCD TV 시장에서 폭발적인 성장 배경엔 경쟁 디스 플레이보다 차별화된 고 정세 (Full HD화), 고 계조 표현(1 LCD의 동화상 특성을 획기적으로 개선할 수 있는 액정 재 bits)과 고속 영상 처리 (1 Hz) 특성으로 볼 수 있다. 그림 료/설계 기술 및 1 Hz/FHD 기술은 시장의 핵심 성장 동 8은 디스플레이 별로 측정된 MPRT로 S IPS 모드 FHD TV 력으로써 디지털 정보화 사회를 선도하고 있다고 요약할 수 에서 액정 응답 속도와 구동 주파수 (6 Hz, 1 Hz, 1 있다. 향후 경쟁 디스플레이와의 차별화 도구로써 고속 주파 Hz+S/B(scanning backlight))에 선형적으로 의존한다. PDP 수 및 Impulsive 구동 기술은 LCD 핵심 기술로서 소비자의 의 8.8 ms 대비 1 Hz S IPS는 ~8 ms, scanning backlight 까다로운 요구를 충족시키면서 full HD 시장에서 점유율을 기술이 적용된 S IPS는 ~5.7 ms 이하의 TV를 제작할 수 있 증가시켜 갈 것으로 예상된다. 그리고 4 Hz 이상의 초고속 어 인지 한도 ~5.7 ms를 넘어 향후 이상적인 디지털 정보 구동 및 UHD급의 생산이 가시화되면 떠오르는 public 매체로써 절대 강자가 될 수 있으리라 생각한다. display 시장과 함께 LCD 산업의 새로운 전성기가 올 것으 LCD에서 빠른 동화상을 구동할 경우 색의 번짐 및 왜곡 로 기대해본다. 현상을 볼 수 있는데, 광 시야각 모드와 측정 조건 별로 정리 분석할 수 있다. [16 18] 동화 해상력 패턴을 사용하여 좌 우 이 동시 blurring edge 영역에서 휘도와 color shift 변화를 측 [16] S.H. Park et al., SID 8 Digest, 81 (8). 정 평가하여 재현 화질 (동화 해상력 휘도/CR/Color shift [17] K.H. Lee et al., SID Symp. Digest, Vol. 36, 174 (5). 등)을 평가할 수 있음을 SID 8에서 발표하였다. 6 물리학과 첨단기술 October 8 [16] 그림 [18] S.H. park et al., IDW 8 to be published.