액정 디스플레이(LCD) 기술
1. 액정 디스플레이(LCD)란
LCD는 전기장, 자기장, 온도, 응력 등의 외부 영향에 따라 쉽게 재배열하는 액정의 특성을 이용한 표시소자이다. LCD는 기판으로 사용되는 두개의 유리 판으로 구성되어 있으며, 액정을 포함하고 있다. 전압(electrical tension)이 인가되면 액정은 스스로 기판에 수직으로 배열되어 편광된 빛이 통과하지 못하게 한다.
최근까지 가장 흔히 사용된 LCD는 네마틱으로, 이들은 장축(longest axis)에 평행하게 배향한다. 전자기력은 분자들이 서로와 다른 방향으로 회전 및 운동하게 한다. 액정은 자신을 통과하는 빛의 편광성을 바꾸며, 편광판(polarizer sheet)은 편광판 상의 라인에 평행하게 편광된 빛만을 통과시킨다.
액정 셀은 두 장의 유리 판 사이에 액정을 봉합함으로써 생산되는데, 각각의 유리 판 안쪽에는 투명 전극이 놓여 진다. 편광판은 각 유리 판의 바깥쪽 맨 위에 부착되어 있다.
액정은 빛을 방출하지 않으며, 인가된 전압에 따라 빛을 투과(transmissive)하기만 하는데 이것이 소위 발광 기술들(유기 EL, PDP, FED, VFD)과 근본적으로 구별되는 점이다. 그런 까닭에 광원(백라이트)의 부착이 필요하며, 이로 인해 전력소모와 비용과 부피가 증가하게 된다.
액정 디스플레이 기술에는 능동매트릭스의 대표적인 TFT LCD와 수동매트릭스의 STN (super twisted nematic) LCD, 강유전성LCD(FLCD), 고분자 분산(PDLC), 그리고 플라즈마 구동형(PALC) 등이 있다.
능동 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD, active matrix liquid crystal display)는 TN (twisted nematic) 액정을 사용하지만, 화소의 어드레싱 방식에서 수동 매트릭스 디스플레이와는 다르다.
디스플레이에는 그리드(grid) 위에 트랜지스터 매트릭스가 위치해 있다. 매트릭스 라인들은 트랜지스터를 충전(charge)하라는 명령을 보내는 역할을 한다. 컬럼(행)은 0또는 1의 신호를 보내어 한 점이 ON 또는 OFF 되도록 한다. 계조 표현을 위해 컬럼은 1~3V사이의 전압을 보내어 다양한 강도로 액정의 배향을 조정하여 통과하는 빛의 양을 조절한다. 모든 트랜지스터는 능동 매트릭스를 형성한다.
이렇게 화소로부터 영상을 구현하기 때문에
단 하나의 결함도 인간의 눈에 매우 잘 띄므로 디스플레이 내의 모든 트랜지스터는 고장이 없어야 한다. 사람의 눈은 다른 색의 배경에 있는 한 점을 쉽게 식별할 수 있다.
? TV화질에 절대적인 균일한 영상을 성취하기 위해서는 모든 트랜지스터는 균일한 행위를 나타내야 한다.
TFT는 일반적으로 아몰퍼스 실리콘(a-Si)으로 만들어지는데, 이것은 저온(<600°) 생산이 가능하다. 대화면 디스플레이를 제조하는 업체들은 모두 이 기술을 사용하고 있다.
다결정 실리콘(p-Si)은 아몰퍼스 실리콘과 비슷하나 600°이상의 고온이 요구되어 특수 유리가 필요하다. 다결정 실리콘의 주요 장점은 전자 이동성이 커서 드라이버가 연결 매트릭스와 함게 기판 위에 직접 놓여질 수 있다는 것이다. 그 결과
더 낮은 비용(똑같은 수율에 대하여 약 50%)
? 크기 감소
연결 수의 감소로 인한 더 큰 신뢰성 (해상도가 점차 높아지면서 더욱 관심을 끄는 사항) 등의 혜택이 있다.
이 기술은 고비용 및 실패의 중요한 원인이 되는 연결 문제를 해결해주며, 또한 전력소모 측면에서도 이점이 있다.
새로운 저온 기술이 개발되면서 500°이하의 온도에서 유리판 위에 TFT를 생산하는 것이 가능하게 되었다. 이로써 직시형으로서 드라이버를 통합한 다결정 실리콘 밸브와 LCD들을 더 낮은 비용으로 생산하는 것이 가능하게 되었다. Sanyo, Sony, Hitachi, Toshiba 등 많은 업체들이 상당히 높은 투자를 하고 있으며 몇몇 생산라인은 가동되고 있다. 낮은 전력소모 면에서 가장 유망한 이 새로운 기술은 거의 모든 LCD업체들이 지속적인 연구를 하고 있다.
여러 업체들이 단결정 실리콘을 사용하는 LCD를 개발해 왔으나 재료 비용이 높다. 이 기술은 생산 방법에 있어서 상당한 장점을 가지고 있는데, 집적회로에서와 비슷하다. 좁은 면적의 디스플레이에 고집적화가 가능하다. 이 기술의 실제적인 사용은 프로젝터와 가상 현실 등의 어플리케이션으로 제한되어 있다.
성능과 초고 해상도 면에서 이와 경쟁할 수 있는 기술을 Sharp사가 개발하였다. CGS (Continuous Grain Silicon)로 알려진 이 기술은 전자 이동성이 단결정 실리콘에 매우 근접하며, 드라이버와 모든 종류의 집적회로(마이크로프로세서 등)를 유리 기판 위에 통합할 수 있다.
이 기술의 주요 아이디어는 MIM기법(Thin Film Diode 기법으로도 불리움)을 사용하여 각 화소 아래에 있는 트랜지스터를 다이오드로 대체하는 것이다. 생산공정은 간단하며 저렴한 유리기판의 사용이 가능하고 300°이하의 높지 않은 제조온도를 요구하기 때문에 생산비용이 TFT와 비슷하거나 낮지만, 비균질성(non-uniform nature)이라는 커다란 문제점을 가지고 있다. 비디오(캠코더, 휴대형 TV, 디지털 카메라, GPS)용 1.8 ~ 6.5" 컬러 디스플레이가 생산되고 있다.
능동 매트릭스의 경우처럼 어드레싱 방식은 열 및 행의 매트릭스를 사용하지만, 능동 매트릭스와는 달리 각 화소에 트랜지스터나 다이오드와 같은 능동 셀이 없다. 각 화소는 열(row)에 있는 전기 신호를 인가함으로써 선택된다. 행(column)에 가산(+) 또는 감산(-)신호를 부가함으로써 빛을 내는 화소에는 더 높은 전압이, 그리고 OFF 되는 화소에는 더 낮은 전압이 걸린다.
가. TN 디스플레이(Twisted Nematics 액정 디스플레이)
액정은 수백 ms동안 상태를 유지한다. 각 화소는 열별로(row by row) 주사하는 동안 보통 매16ms마다 리프레시 된다. 다양한 주파수율로 화소를 디스플레이함으로써 계조 표현을 한다.
이 메커니즘은 전압과 리프레시 속도가 고정되어 있기 때문에 화소수가 증가하면 빛을 내는 화소와 꺼진 화소 사이의 전압차가 떨어지는 한계점을 가지고 있다. 더욱이 화소수 증가는 누화(crosstalk)를 야기하여 OFF된 화소들도 부분적으로 빛을 낼 수 있는 전압을 받을 수 있다.
수동 매트릭스 TN 디스플레이는 현재 시계나 계산기에서 짧은 문장을 표시하는 소형 디스플레이로 제한되어 사용되고 있다. 가격이 저렴하며, 노동력이 싼 아시아에서 대부분 생산된다. 소형 고품질의 문자ㆍ숫자 표현 디스플레이는 대량 판매시 개수보다는 무게로 계량하여 판매된다.
STN 디스플레이는 수동 매트릭스를 사용하는 LCD 중 가장 널리 사용되는 종류이다.
원리는 전계 효과 하에 결정의 회전각을, TN에서 일반적인 90°에서 270°로 증가시킴으로써 전압 차에 대한 결정의 반응성을 더 크게 하였다.
누화(crosstalk)와 동영상 표시에 어려움이 있었으나 계속적으로 상당한 발전을 이루어, 콘트라스트, 시야각, 특히 적절한 응답속도를 향상시킴으로써 동영상을 제공할 수 있게 되었다.
이러한 성능 향상은 새로운 어드레싱 기술의 구현, 이중주사(dual scan), 새로운 유체(fluid)와 필름의 사용 등을 통하여 가능하게 되었다. 그 결과로 현재는 다음과 같은 컬러 수동 디스플레이 제조가 가능하게 되었다:
? 소형 또는 대형 (12인치~17인치)
? 150ms, 100ms, 심지어는 80ms(Sharp)에 이르는 빠른 응답속도 (기존의 응답속도: 270ms 또는 300ms)
? 콘트라스트 비가 두배 향상, 주로 40:1, 50:1까지도
수평 시야각 80°, 수직 시야각 60°
150cd/m2, 200cd/m2의 휘도
강유전성 액정을 사용하는 LCD는 TN LCD보다 디스플레이 속도가 빠르고, 일단 초기화되면 생성 전계가 사라지더라도 같은 상태를 유지하는 메모리 효과를 가지고 있다. 따라서 디스플레이에 그림 등을 로딩한 후 전원을 끊어도 영상이 몇 일 동안 디스플레이 된다.
그러나 이 기술은 계조(gray scale) 표시능력이 떨어지고 풀컬러 구현이 어렵다. 속도는 동영상을 표시하는 데 충분치 못하며, 광 시야각 구현을 위해 사용하는 매우 얇은 액정 층은 제조가 어렵고 충격에 민감하다.
이 기술에는 다양한 변형이 존재한다. 이것은 투명한 고분자 버블(2,3 미크론의 크기) 속에 캡슐화된 액정을 사용하는데, 이들은 다시 투명한 컨덕터 필름이 놓여진 플라스틱 층들로 둘러싸여 있다. 스위치 오프 상태가 되면 캡슐들은 액정 분자의 배향을 변화하지 않으며 디스플레이는 불투명해진다. 전계를 인가하면 분자가 배향되고 화면이 투명해진다.
다. 플라즈마 구동 LCD(PALC)
PALC 디스플레이는 원리적으로 기존의 능동 매트릭스 LCD와 같으나, PALC 디스플레이에서는 어드레싱을 위해 현재 대부분 AMLCD에서 사용하고 있는 복잡한 반도체 구조인 박막 트랜지스터 (TFT) 대신 플라즈마의 전기적 성질이 사용된다.
액정 안에 이색성 색소(dichroic dye)가 있는데, 이 색소는 방향에 따라서 빛을 흡수하거나 투과하여 특정한 색상은 만든다. 이 기술은 다양한 색을 제공하지만 반사율이 20%에 불과하다.
Sharp는 HR-TFT(또는 Super Mobile LCD)라 불리는 훨씬 좋은 성능의 신기술을 개발하였는데, 예를 들어 이 기술에 기반한 8.4인치 디스플레이는 반사율 30%, 콘트라스트 비 10:1, 응답속도 50ms, 262,000 컬러, 전력소모 0.3W의 성능을 제공한다. ♣ <Y.L>