물리학과 첨단기술 October 2008 2

LCD (Liquid Crystal Display) 개요 및 액정기술

이승희 ․ 윤태훈

저자약력

이승희 교수는 Kent State University, 물리학 박사(1994)로서 현대전자

LCD 사업본부 (현 HYDIS) 책임연구원(1995–2001), CREOL, University of Central Florida 방문 교수(2007–2008)를 거쳐 2001년부터 전북대학교 공과대학 고분자 나노공학과 조교수를 거쳐 현재 부교수로 재직 중이다.

(lsh1@chonbuk.ac.kr)

윤태훈 교수는 한국과학기술원 전기및전자공학과를 졸업(공학박사)하고(1986),

Optical Sciences Center, University of Arizona 연구원(1990–1991), Dept. of Electrical & Computer Eng, University of California, Santa Barbara 연

구원(1996–1997), 한국과학기술기획평가원(KISTEP) 정보전자전문위원(2001– 2003)을 거쳐 1986년부터 현재 부산대학교 전자전기통신공학부 교수로 재직 중이다. (thyoon@pusan.ac.kr)

참고문헌[1] P. J. Collings, Liquid Crystals (Princeton University Press, 1990).

LCD의 역사

액정(liquid crystal)은 액체이면서도 고체의 성질을 갖는 액체와 고체의 중간상으로 1888년 오스트리아의 식물학자 Reinitzer가 식물에서 콜레스트롤의 기능을 밝히는 과정에서 처음 발견하였다.[1] 액정이란 이름은 Reinitzer가 그 당시에 온도제어시스템 장치를 갖춘 편광현미경으로 많은 실험을 했

던 독일의 과학자 Lehmann에게 시료를 보내 Lehmann이 관찰한 결과, “액체처럼 유체의 성질을 가지면서도 고체처럼 광학적 성질을 갖는다”해서 명명하게 되었다. 이후, 독일 화학자들 Gattermann과 Ritschke가 자연상에 존재하는 물질이 아닌 nematic상의 액정 재료를 처음으로 합성하였고, Lehmann과 공동으로 물질분석을 시작하였다. 분석결과 액정마다 특성이 다른 것을 발견하였고, 고체표면에서 액정이 특정방향으로 정렬할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 당시의 또 다른 주요 과학자는 독일의 Vorlander인데, 액정상을 보여주는 많은 물질들을 합성하였고 특히 이 그룹에서 1901년에서 1934년 사이에 80편 이상의 액정합성관련 박사학위논문들이 작성되었다. 또한 1922년부터 제2차 세계대전까지 다른 분야의 많은 과학자들에 의해 액정이 연구되었다.하지만, 놀랍게도 액정에 대한 많은 관심들은 전쟁 후 사라

져 버렸다. 1958년에 Frank는 많은 사람들이 액정물질에 관한 모든 중요한 문제들이 풀렸다고 촌평했고, 당시의 물리나 화학 교과서에 액정상을 논의하지 않아 다른 많은 과학자들

이 액정상에 대해 알지 못했다. 하지만, 액정디스플레이 개발

선구자 중의 한 명인 Fergason은 이 기간의 액정에 대한 무관심이 액정에 대한 응용부분이 없었기 때문이라고 느끼고

있었다. 1960년 직전에 상황은 조금씩 변하기 시작했다. 미국

Kent State 대학의 화학자 Glenn Brown은 1957년에 액정상에 대한 Review 논문을 게재하였고, 1958년에 런던의 Faraday 학회는 액정학회를 개최하였다. Brown은 Kent State 대학의 액정연구소 설립에 주축이 되었고, 현존하는 첫 번째 국제액정학회를 Kent에서 개최했다.

1968년에 RCA의 두 과학자는 얇은 박막형태의 액정 셀에 전계를 인가하면 구름 낀 것과 같은 불투명상태에서 투명상

태로 변한다는 결과를 발표하였고, 이를 시계와 같은 단순 디스플레이에 응응함으로써 최초의 LCD가 등장하게 되었다. 하지만, 구동전압이 높아 소비전력이 많고 화질이 좋지 않아 상용화에는 많은 문제가 있었다. 약 3년 후, 스위스의 Helfrich와 Schadt, 미국의 Fergason이 오늘날까지 가장 많이 사용되고 있는 액정 소자인 twisted nematic(TN)이 전압인가 시 밝은 상태에서 어두운 상태로 변한다는 것을 발표하였다. 특히, 이 액정소자는 소비전력이 작고 정면에서 화질이 우수한 특성을 지녀 75년에는 일본 업체들에 의해 축전지가 장착된 시계나 계산기로 응용되었다. TN소자를 이용한 segment 형태의 LCD는 고정세화가 불가능해 passive matrix의 형태의 구동방법이 제안되었다. 하지만, TN 액정소자는 전압인가에 따른 투과율 곡선이 급격히 변해야 하는 passive matrix 구동방법에 적합하지 않아 on/off 전압차이가 크지 않은 STN (super‐twisted nematic)이 Scheffer 그룹에 의해 제안되었다. STN 액정소자를 이용한 LCD는 segment 형태의 LCD보다 많은 정보를 표현할 수 있으며, 상하판의 전극을 단순히 행과 열 형태로 만들어 제조비용이 적게 들고 정면에서 적절

한 화질을 나타낼 수 있기 때문에 90년 초반에 일본기업에 의해 노트북용 LCD에 주로 채용되었다. 하지만, 많은 양의 정보를 표현하는 데는 한계가 있었고 화질도 TN에 비해서 떨

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참고문헌[2] S. T. Wu and D.‐K. Yang, Reflective Liquid Crystal Displays

(Wiley, Chichester, UK, 2002), Ch. 2.

그림 1. 액정 분자의 기본 구조.

그림 2. 유전율 이방성 값에 따른 전기장 내에서 액정 반응 및 각각의

대표적인 액정 구조.

어졌다. 한편, passive matrix 방식은 고정세화가 어렵다는 인지 아래 70년대 후반부터 TFT(thin film transistor)가 연구되었고 TFT를 이용한 active matrix 형태의 TFT‐LCD가 1980년대에 최초로 개발되어, 지난달 제주에서 열린 국제액정학회에서 삼성은 TFT‐LCD를 28세의 청년에 비유하기도 했다. TFT‐LCD는 제조장비가 고가인 문제점을 갖는 관계로 대기업만이 할 수 있는 사업이어서 90년대부터 일본기업에 이어 국내의 삼성, LG, 현대가 이 사업에 뛰어들었다. 약 10년 이상 시작이 뒤진 TFT‐LCD 사업에서 현재는 삼성과 LG가 세계 시장 점유율 1, 2위를 다투고 있다. 하지만 최근에 대만기업들의 사업팽창과 중국기업들의 TFT‐LCD 참여로 국내기업들의 기술주도적 제품개발 없이는 향후 수익성 확보가

매우 어려울 것이라 예상된다.

LCD 개요

1. 액정의 주요 물성

액정상을 나타내는 모든 분자구조는 반드시 비등방성을 가

져야 하며, 이러한 비등방적 구조를 갖기 위해서는 mesogenic 그룹의 몸통 부분이 있어야 한다(그림 1). 액정상의 대표적인 예는 orientational ordering만을 갖는 nematic 상인데, 현재의 TFT‐LCD는 100 % nematic 액정을 사용하고 있다. 고체와 같이 ordering을 가지면서도 액체상을 유지하기 위해서는 꼬리 부분에 유연한 알킬체인 부분이 존재해야 하고, 전압인가 시 전기장 방향으로 액정이 재배열되기 위해서는 머리

부분에 극성을 띠는 그룹이 있어야 한다. 액정이 디스플레이로 응용될 수 있었던 중요한 물성으로는, 비등방성 구조로 인해서 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 액정의 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 값이 양인 액정의 경우 전기장인가 시 유도 쌍극자 모멘트가

액정 분자의 장축 방향으로 발생해 전기장방향으로 액정분자

들이 정렬하려는 특성을 가지며, 음인 경우는 앞의 경우와 반대로 유도 쌍극자 모멘트가 액정의 장축에 대해 수직한 방향

으로 발생해 액정분자들이 전기장에 수직방향으로 정렬하려

는 특성을 가지고 있다. 전자는 뒤에 언급될 TN, IPS(in‐plane switching), FFS(fringe‐field switching) 등에 사용되

고 있고, 후자는 MVA(multi‐domain vertical alignment), PVA(patterned vertical alignment) 등에 사용되고 있다.[2]

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 액정셀에 입사된 빛을 투과시키거나 차단하는 광 변조기이다. 액정의 초기배열을 제어하고 전압인가 시 액정이 한 방향으

로 재배열하기 위해서는, 초기 액정들을 단일결정처럼 한 방향으로 정렬시켜야만 한다. 이를 위한 여러 기술들이 제안되었지만, 현재 상용화되고 있는 대표적인 기술은 문지름(rubbing) 공정이다. 고분자 배향막인 폴리이미드를 1000 Å 이하로 코팅한 후, cotton이나 rayon 포로 표면을 문질러주면 놀랍게도 문질러준 방향으로 액정이 정렬한다. 현재 TN, IPS, FFS 액정소자는 이 공정을 필요로 하지만, VA 액정소자는 곁가지 밀도가 높은 고분자 배향막을 코팅해주면 액정

이 자연적으로 배향막 위에 90도로 서게 되므로 문지름 공정이 필요하지 않다.위와 같은 기판의 표면처리로 초기 평형상태에 있는 액정

에 전계를 인가하면, 전기장과 액정의 유전율 이방성 사이에서 유전회전력(dielectric torque)이 발생하여 액정분자의 배

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참고문헌[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, 547‐550 (1992).[5] M. Oh‐e and K. Kondo, Appl. Phys. Lett. 67, 3895 (1995).

그림 3. 액정디스플레이의 기본 동작원리 개념.

열에 변형이 나타난다. 여기서의 변형은 화학적 변형이 아니라 물리적 변형을 의미하고, 변형 정도는 액정셀의 탄성에너지와 전기에너지의 관계에 의해 결정된다. 변형이 일어난 상태에서 전계를 제거하면 액정분자들은 탄성 복원력에 의해

원래 상태로 돌아간다. LCD의 동작원리를 설명할 때는 일반적으로 벽에 매달린 용수철과 비교한다. 벽에 매달린 용수철은 외부에서 힘을 주어 당겼다 놓으면 원 상태로 돌아간다. LCD와 비교해 설명해 보면, 외부의 힘은 인가된 전압, 용수철의 탄성상수는 액정의 탄성상수와 비교될 수 있다. 둘의 차이점은, 용수철의 경우 연신을 반복하면 용수철에서 열이 발생하는 것에 비해, LCD에서는 액정분자의 물리적인 배열이 변함에 따라 선편광된 입사광이 느끼는 위상지연값(dΔn: d는 셀갭)이 달라지게 된다. 위상지연값에 따라, 선편광된 입사광이 액정셀을 통과하면 그대로 선편광이 되거나, 원편광이나 타원편광 또는 90도 회전된 선편광이 되어 액정셀을 통과한 빛의 세기가 조절된다(그림 3). 참고로, 용수철을 너무 세게 잡아당기면 용수철이 탄성을 잃어 원래 상태로 돌아가지 못

하는데, LCD에서도 이와 유사하게 직류 전계를 인가하면 전원을 인가해도 화면이 바로 변하지 않아 잔상문제가 발생하

게 되며, 이러한 이유로 LCD는 교류로 구동해야 한다.

액정 기술

LCD는 비발광 디스플레이로, 액정의 유효 위상지연 값이 보는 각도에 따라 달라지고 파장에 의존하는 특성을 지닌다. 또한, 액정은 점성을 가진 액체여서 전계인가 시 유전회전력에 의해서만 액정의 배열이 결정되기 때문에 응답속도가 1 ms 이상인 문제점을 갖는다. 화질문제에 있어서 발광 디스플레이에 비해 LCD는 원천적으로 특성이 뒤떨어지지만, 최근의 많은 LCD 연구자들에 의한 새로운 액정모드 개발로 발광 디스플레이에 버금가는 수준으로 화질을 향상시킬 수 있었다. 다음은, 현재까지 LCD의 화질을 향상시킬 수 있었던 기술에

대해 요약한 것이다.

1. 광시야각 기술

액정모드는 초기의 액정배향형태에 따라 구분하며, 상판에서 하판까지 액정이 연속적으로 꼬여 있는 TN, 수평배열(ho- mogenous alignment), 수직배열(vertical alignment), splay 배열 OCB(optically compensated bend), 고분자와 액정이 혼합된 형태인 PDLC(polymer dispersed LC) 등이 있다. TN 모드는 LCD 산업에서 가장 오래된 액정모드로 광효율과 공정마진이 우수하여 모든 LCD 회사들이 생산하고 있다. 하지만, 시야각이 협소하여 이를 극복하기 위해 이중도메인 TN (DDTN: dual‐domain TN), 사중도메인 TN(FDTN: four‐do-main TN) 등 다양한 방식들이 제안되었으며, 현재는 셀의 양쪽에 discotic 형의 분자구조를 갖는 고분자 광학필름을 붙인 WV(wide‐view)‐TN이 고화질 TN의 주축을 이룬다. 수평배향 모드에서는, 초기에 IPS 모드가 주를 이루고 있었으나 일부 회사들은 전기광학특성이 우수한 FFS 모드로 전환하고 있다. 수직배향 모드의 경우, 크게 MVA와 PVA 모드로 나눌 수 있다.[3] 각각의 구조와 동작원리는 다음 본문에서 좀 더 자세하게 다루기로 한다.

(1) 수평배향 모드① IPS셀 구조 및 동작원리TN 모드의 단점을 해결하기 위해 1992년 새로운 개념이

제안되었다.[4] 그것은, 초기 액정분자를 상판과 하판 사이에 꼬임 없이 배열시키고, 수직전기장이 아닌 수평전기장으로 액정분자들을 기판에 평행하게 회전시키는 것이다. 이를 적용해, 히타치는 최초의 IPS TFT‐LCD를 95년에 발표하였다.[5] 그림 4는 IPS셀의 단면도와 동작원리를 나타낸다. IPS셀의 투과율은 T = Tosin2(2Φ)sin2(πdΔn/λ)의 식으로 나타낼 수 있으며, 여기서 Φ는 액정의 광축과 편광판의 투과축 사이의 각도이다. 전계인가 전에 액정들이 상판과 하판 사이에 꼬임없이 균일하게 수평배열하며 액정 광축(장축)은 교차된 편광판 중 상판 혹은 하판의 투과축과 일치하기 때문에(Φ= 0°), 입사된 선편광이 액정셀을 통과 후에도 편광상태가 변하지 않아

검광판에 의해 빛이 흡수되어 어두운 상태를 보여준다. 앞의

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참고문헌[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 in‐plane‐switching mode TFT‐LCD,” SID 97 Digest 28, 929‐932 (1997).

그림 4. IPS셀 구조와 동작원리.

그림 5. 1D 구조시 시야각에 따른 화질 변화 및 2D 구조에서의 액정

배열 및 화소 구조.

그림 6. IPS 및 FFS 셀 구조와 전극 조건 비교.

TN셀 구조와는 달리, IPS셀에서는 공통전극과 신호전극이 하부기판에만 일정한 거리를 두고 존재한다. 전극 폭보다 전극간 거리가 커서 전계인가 시 그림 4와 같이 전극간에는 주로 수평전기장만 존재한다. 수평전기장과 액정 방향자 사이에 일정한 각이 존재하면 액정에 유전 회전력이 작용하여 액정분

자를 기판에 평행하게 회전시킨다.[6]

빛의 진행과정을 보면, 입사된 선편광이 액정층을 통과하면서 위상지연을 느끼게 되고, Φ가 45°이고 셀의 위상지연값이 최적값을 나타낼 때에 선편광이 90도 회전되나, 일반적으로는 주축이 검광판과 일치한 타원편광이 되어 빛이 통과된다. 또한, 시야각에서도 보는 각도에 따라 유효 위상지연값의 차이가 작아 화질의 시야각 의존성이 TN셀에 비해 작다.[7]

한편, IPS셀에서 1D 구조처럼 전압인가 시 액정(점선모양 막대)이 한 방향으로만 회전하기 때문에 그림 5에서 보는 바와 같이 밝은 상태에서 액정분자의 단축 또는 장축 방향을

바라보냐에 따라 화면이 푸르스름하게 또는 노란색을 띠게

된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2D(2‐domain) 구조가 제안되었으며 이 구조에서는 화소를 두 영역으로 나누어 서로

전기장 방향이 거울대칭식으로 존재하게 하여 전압인가 시

액정들이 양방향으로 회전하게 만들어 보는 각도에 따라 화

면의 변화를 줄일 수 있다.[8]

② FFS셀 구조 및 동작원리앞에서 설명한 IPS 구조는 전극 위에서 액정이 회전하지

않아 투과율이 낮고 전기장의 세기가 전극간의 거리에 비례

하기 때문에 구동전압이 높기 때문에, 액정의 수평회전으로 인해 고화질을 보여줌에도 불구하고 사용에 한계가 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 FFS 모드가 개발되었는데 셀 구조를 보면 초기 액정 배열은 IPS와 동일하다. 하지만 그림 6과 같이 전극 구조가 IPS와 달리 FFS에서는 항상 전극간 거리가 전극 폭보다 작거나 (l/w < 1) 공통전극과 신호전극간에 거리는 존재하지 않고 신호(공통)전극끼리만 간격이(l/w = 0) 존재할 수 있다. 두 전극 사이에는 절연막이 존재하여 전기장 분포를 보면 수평 및 수직성분 (Ey, Ez)을 가지고 있는 fringe 전기장이 존재한다. 좀 더 구체적으로 살펴보면 slit 전극의 edge 영역에서는 강한 수평전기장 성분만 존재하고, slit 전극의 중앙에서는 수직 전기장만 존재하므로, 둘 사이에서는

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참고문헌 [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, 1077‐1080 (1998).

그림 7. 수직 배향 모드에서의 광시야각 기본 개념.

그림 8. MVA 구조와 돌기 주변의 빛샘 사진.

수평 및 수직전기장 성분이 모두 존재한다. 수평 및 수직전기장 성분이 함께 존재하는 영역 때문에 FFS모드에서는 전기광학특성이 액정의 유전율 이방성 부호에 따라 크게 달라진다. 또한, fringe 전기장이 존재할 때는 위치에 따라 액정을 회전시키는 수평전기장의 세기가 달라서, 그림을 자세히 보면 위치마다 액정의 배열이 상당히 다른 것을 볼 수 있다. FFS셀에서는 액정분자들이 전극 위 부분에서도 회전을 하기 때문

에 전 영역에서 높은 투과율을 나타낸다.[9] 따라서 투과율을 극대화하기 위해서는 반드시 전극들이 투명전극으로 구성되

어야만 한다. 이러한 이유 때문에 투명전극인 ITO 두 층이 필요하여 종래 TN 공정보다 마스크 1개가 추가된다는 단점이 발생한다. 공정상의 단점은 존재하지만 IPS의 개념처럼 액정 분자가 기판에 평행하게 회전하고 더불어 전 영역에서 회

전하기 때문에 투과율이 우수하면서도 광시야각 특성을 갖는

액정모드라고 할 수 있다. FFS 모드는 고투과율, 저전압구동 등 장점이 많아 현재 전 제품 군에 응용되고 있고 IPS의 선두주자였던 히타치를 포함해 여러 회사들이 현재는 FFS 기술을 사용하고 있다.

(2) 수직배향 모드수직 배향 모드의 큰 특징은 side chain 밀도가 높은 고분

자 폴리이미드를 이용하면 액정이 배향막 위에 수직으로 배

열한다는 것이다. 교차된 편광자 사이에 액정이 기판에 수직으로 배열해 있으면 정면에서 입사된 선편광은 위상지연값이

0인 액정층을 지나므로 편광상태에 변화가 없고 검광판에 흡수되어 어두운 상태를 나타낸다. 하지만 정면에서의 완벽한 어두운 상태가 교차된 편광판 투과축의 45도 방향에서는 유효위상차가 커져서 상당량의 빛샘이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수직배향 소자에서는 고화질을 보여주기 위해

서 반드시 광보상필름이 편광자와 액정셀 사이에 존재해야만

한다. 보는 방향에 따라 우수한 화면을 구현하기 위해 수직전기장을 인가하여 유전율 이방성이 음인 액정을 편광판 투과

축에 대해 45도인 4방향으로 눕혀야 하는데 어떤 방식으로 눕게 하느냐에 따라 MVA와 PVA 방식으로 나뉜다. 그림 7에

서 액정이 한 방향으로만 누우면 정면에서의 중간계조가 오

른쪽방향에서는 유효 위상차가 작아 어두운 상태로 보이고

왼쪽방향에서는 정면보다 밝은 상태가 되어 화질이 보는 각

도에 따라 크게 변하게 된다. 따라서 오른쪽의 다중 도메인에서 보는 것처럼 액정 분자가 서로 다른 최소 4방향으로 누워야 보는 각도에 따라 유효위상차값의 변화가 작아 시야각에

따른 화질의존성이 최소가 된다. 여러 방향으로 액정을 눕히기 때문에, MVA나 PVA 모드에서는 전계를 인가한 밝은 상태에서도 도메인 사이의 액정들은 눕지 않아 어두운 상태를

유지하게 되어 투과율의 저하를 나타낸다.

① MVA셀 구조 및 동작원리95년 IPS TFT‐LCD가 처음 발표된 이래 수직배향 모드에

서는 후지쯔 MVA 방식이 개발되면서 많은 연구자들이 좀 더 관심을 갖게 되었다.[10] 그림 8의 단면도에서 보듯이 상판은 투명전극 위에 유기막 돌기를 형성하고 하판은 투명전극을

그림과 같이 패턴한다. 이러한 구조에서 양 기판에 수직배향막을 코팅하고 액정을 충진하면 돌기 주변에서 액정이 작은

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그림 9. 후지쯔가 제안한 8 도메인 MVA셀의 구조, 등가회로, 실제 8

도메인 화소.

그림 10. PVA 셀 구조 단면도.

그림 11. 삼성에서 발표한 PVA 화소의 밝은 상태.

참고문헌[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,

383‐386 (1998).

각도로 tilt를 갖고, 상하판에 전압인가 시 유기막 돌기에는 전계가 인가되지 않으므로 수직 전기장이 아닌 경사 전기장

이 형성된다. 결과적으로 돌기와 전극 패턴을 지그재그 형태로 하면 전압인가 시 액정이 대각선 네 방향으로 눕게 되어

보는 각도에 따른 유효 위상차값의 변화를 최소화한다. 하지만 다중도메인 형성 시 보는 각도에 따른 화면의 균일도는

높일 수 있으나 돌기 주변에 초기부터 액정 분자가 약간의

tilt 각을 형성하며 편광판의 투과축과 45도 각을 이루고 있어 어두운 상태에서 빛샘이 존재하여 정면의 명암대비비를

저하시키는 단점이 있다.밝은 상태의 시야각에 따른 휘도균일도, 색 이동 최소화를

위해 4도메인을 형성하였지만 여전히 CRT나 이중 도메인 IPS나 FFS에 비해 색 이동도 또는 감마 곡선의 변화가 크다. 이러한 부분을 개선하기 위해 후지쯔에서는 8도메인을 제안하였다(그림 9). 그림 9에서 보는 것처럼 한 화소를 영역 A, B로 나누고 B영역 위에 유전체를 형성시키거나 화소전극을 floating 시키면, 전기용량 coupling 효과에 의해 B 영역에 인가된 전압이 A 영역에 인가된 전압과 달라 액정이 서로 다른 각도로 눕게 된다. 따라서 중간계조 전압 인가 시 B 영역이 A 영역에 인가된 전압보다 낮아 액정이 덜 눕게 되어 정면에서의 휘도가 다르게 나타난다. 하지만 충분한 전압을 걸

어주면 그 차이는 최소화 된다.

② PVA셀 구조 및 동작원리그림 10은 PVA셀의 구조를 나타낸다. 구조적인 측면에서

의 MVA와 차이점은 상판에 돌기를 사용하지 않고 투명전극을 패턴하는 것이다.[11] 전극이 교대로 패턴되면, 패턴된 전극 영역에서 상하전극에 전압인가 시 전기장 방향이 수직 방향

이 아닌, 수직과 수평성분을 동시에 갖는 경사전기장이 형성된다. 이 경사전기장의 방향이 전극의 패턴을 중심으로 거울대칭식으로 존재하고, 수직배열된 액정과 각을 이루어 액정분자들이 서로 다른 방향으로 눕게 한다. 전극 패턴을 wedge 또는 지그재그 형식으로 상하판에 교대로 배치하면 액정 분

자들이 4 방향으로 눕게 되어 4 도메인을 형성하게 된다(그림 11).

PVA 모드도 시야각에 따른 화질 변화를 최소화하기 위해 8도메인을 제작하여 S‐PVA라고 명명하였다. 한 개의 화소를 A와 B로 나누고 한 개의 화소에 두 개의 TFT를 두는 방식으로 서로 tilt각을 다르게 하였다. MVA 방식과는 달리 sub‐pixel A와 B의 면적을 1:1로 하지 않고 1:2로 하여 특성을

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그림 12. 응답시간이 느린 디스플레이 소자에서 발생하는 Tailing 현상.

참고문헌[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, 196‐199 (2008).[13] S. T. Wu and D.‐K. Yang, Reflective Liquid Crystal Displays

(Wiley, 2002), Ch. 10.

더 향상시켰다. 최근에는 삼성에서 S‐PVA를 이용하여 세계 최대크기인 82” TFT‐LCD를 개발하였다.[12]

2. 고속응답 기술

CRT(cathode‐ray tube), PDP(plasma display panel), OLED (organic light‐emitting diode) 등 대부분의 디스플레이 소자들은 발광소자로써 μs 단위의 빠른 응답시간을 나타내지만, 수광소자인 LCD는 유체인 액정의 전기광학효과를 사용하므로 액정의 거동에 의해 응답속도가 제한된다. Nematic 액정을 사용한 LCD는 수 ms 이상의 느린 응답시간을 나타내므로 고속응답특성을 구현하기 위한 기술들이 오랫동안 연구되

어왔다. 느린 응답시간은 잔상을 발생시켜 동화상 재생시에 선명하지 못한 화면을 나타낸다. 여기서, 화면의 잔상발생원인은 디스플레이 소자 자체의 느린 응답특성에 의한 tailing과 디스플레이 소자의 구동방식에 따른 blurring으로 구분할 수 있다.

(1) Tailing동화상 재생 시에 발생하는 잔상효과 중 tailing은 주로 디

스플레이 소자의 느린 응답특성에 의해 발생한다. 동화상 재생 시에 디스플레이 소자의 응답속도가 충분히 빠르지 못하

면 움직이는 물체의 전후 경계가 흐려지는 tailing이 발생하는데, 이러한 tailing을 제거하여 선명한 화면을 구현하기 위해서는 디스플레이 소자의 응답속도를 향상시켜야 한다.

LCD의 응답속도는 전계인가 시의 turn‐on 시간과 전계제거 시의 turn‐off 시간으로 구분지을 수 있으며, 각각 아래의 식으로 나타낼 수 있다.[13]

⋅

(1)

⋅

(2)

여기서, γ1은 액정의 회전점성계수, d는 액정층의 셀갭, K는 액정의 탄성계수, V는 인가전압, Vth는 문턱전압을 각각 나타내며, Vb는 전계제거 직전에 인가했던 bias 전압을 나타낸다.식 (1)과 (2)에서 액정의 물성 중에서는 회전점성계수, 탄성

계수, Vth에 관계되는 유전율이방성 Δε이 응답특성에 큰 영향을 미칠 것이라 예상할 수 있다. 점성은 유체 고유의 성질이지만, LCD에서는 응답속도 저하의 결정적인 원인으로 지적된다. 탄성계수는 큰 값을 가질수록 빠른 응답특성을 확보할 수 있으며 Δε이 클수록 Vth를 줄일 수 있으므로, 낮은 회전점성계수와 높은 탄성계수, 그리고 높은 Δε값을 갖는 액정을 개발하기 위한 소재측면의 연구가 지속적으로 진행되어 왔다.셀 설계 파라미터 중에서는 셀갭이 응답특성에 아주 큰 영

향을 미치게 된다. 식 (1)과 (2)에서 응답시간은 셀갭의 제곱에 비례하여 느려지는 것을 알 수 있으므로, 작은 셀갭을 적용한 설계기법을 통해 고속응답특성 확보가 가능하다. 한편, 액정의 물성측면에서 광학적 이방성 Δn이 큰 액정을 채택하면 작은 셀갭을 적용한 설계가 가능하므로, 이 또한 소재측면에서 고려되는 부분 중 하나이다.식 (1)에서, turn‐on 시간은 높은 전압을 인가할수록 빨라

지는 것을 확인할 수 있다. 이를 이용하여 대부분의 LCD 패널에서는 높은 전압을 일시적으로 인가한 후에 계조구현을

위한 전압을 인가하는 over‐driving을 적용하여 빠른 turn‐on 응답시간을 구현한다.[3,4] 비슷한 원리로, 높은 전압에 해당하는 계조에서 낮은 전압에 해당하는 계조로 바뀌는 응답시간

도 일시적으로 0 V를 인가한 후에 원하는 계조에 해당하는 전압을 인가하는 under‐driving을 적용함으로써 빠른 응답특성 구현이 가능하다. 이때, turn‐on 시간은 허용범위 내의 최대 전압을 인가하여 매우 빠르게 할 수 있지만, turn‐off 시간은 under‐driving을 적용하더라도 액정의 물성에 의존하는 경향이 매우 크기 때문에 주로 turn‐off 시간 때문에 LCD의 응답시간이 느려진다. Nematic 액정을 사용한 LCD 모드 중에서 가장 빠른 OCB(optically compensated bend) 모드의 경우에도 over‐driving을 적용하면 1 ms 이내의 아주 빠른 turn‐on 시간을 구현할 수 있지만, turn‐off 시간은 under‐driving을 적용하더라도 5 ms 정도로 turn‐on 시간에 비해 매우 느리다.

(2) Blurring한편, 디스플레이 소자의 응답특성이 빨라지더라도 hold‐

type 디스플레이에서는 impulse‐type의 디스플레이에서는 발

물리학과 첨단기술 October 2008 9

그림 13. Hold‐type 디스플레이 소자에서 발생하는 Blurring 현상.

참고문헌[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, 1793‐1796 (2006).[15] A. A. S. Sluyterman and W. A.J.A. van der Poel, “Motion‐

fidelity improvement at a frame re of 120 Hz via the use

of a scanning backlight,” SID 07 Digest 38, 127‐130 (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.1737‐1740 (2007).

생하지 않았던 화면의 blurring 현상에 의한 잔상문제가 발생한다. 이는 한 frame 동안 화면이 유지됨으로써 눈의 잔상효과에 의해 화면의 색상 혹은 계조가 섞이는 것처럼 보임으

로써 발생하며, 그림 13은 이러한 blurring 현상을 나타낸다.Blurring을 줄이기 위해 최근에 개발된 방법에는 BDI(black

data insertion)와 backlight scanning이 있다.[14,15] BDI는 각 frame 사이에 black data를 삽입하는 방법이며, LCD의 frame이 바뀔 때마다 어두운 화면을 보여줌으로써 잔상을 줄이는 방법이다. Backlight scanning은 LCD의 scan 라인 신호에 동기를 맞춰 backlight를 scanning하는 방법이며, BDI보다 더욱 확실하고 강력한 대안으로 각광받고 있다. 이 방법을 적용하면 impulse‐type 디스플레이 소자들의 화면구성방식처럼 비 선택구간에서는 광원을 차단하여 어두운 화면을

보여줌으로써 hold‐type 디스플레이인 LCD에서의 잔상문제를 해결할 수 있다. 하지만, backlight을 scanning하는 방법은 휘도감소에 대응하기 위해 인가전류를 순간적으로 증가시

킴으로써 광원의 신뢰성 문제를 야기하므로, 광원측면에서의 연구개발도 함께 요구되고 있다.

1971년에 TN 모드가 제안된 이후로 nematic 액정을 사용한 LCD의 응답속도는 수십 ms 대의 느린 응답시간을 지적 받아 왔으며, 1984년에 OCB 모드가 제안되면서 고속응답특성의 구현가능성이 기대를 모아왔다. 현대의 LCD는 over‐/under‐driving과 BDI, backlight scanning, 120 Hz 구동 등 최신기술의 개발로 5 ms 이내의 빠른 응답속도를 구현할 수 있으며, MPRT(moving picture response time) 등 고품위의 동영상 구현을 위한 기준도 정의하는 등 진화속도가 더 빨

라지고 있다. 최근에는 고속구동이 가능한 블루상 액정도 연구 개발됨으로써, 향후에는 CRT, PDP, OLED처럼 응답시간에 구애 받지 않는 고속 LCD가 등장할 것이라 기대된다. 이를 위해서는 액정, 구동, 광원 등 다양한 측면에서의 연구개발이 복합적으로 요구되며, 이 기술들의 융합을 통해 향후의 LCD는 응답속도 문제에서 자유로울 수 있으리라 기대된다.

차세대 LCD

1. 블루상 액정 소개[16,17]

현재 상용화되고 있는 모든 TFT‐LCD는 초기에 광학적으로

이방성 특성을 갖고 있는 네마틱 액정을 사용하는데 디스플

레이로 응용 시 반드시 한쪽방향으로의 정렬이 필요해 이를

위한 표면 처리공정이 필요하다. 이는 대면적으로 갈수록 제어에 어려움이 존재한다. 하지만 최근에 초기에 광학적으로 등방성 특성을 갖고 있는 블루상 액정을 이용한 TFT‐LCD prototype을 삼성의 신성태 박사팀이 세계최초로 전시하였다. 이 소자의 특징은 표면배향공정을 필요치 않아 대면적 TFT‐LCD 제작에 유리하고 응답시간이 1 ms 이하로 차세대 TFT‐LCD로 주목 받고 있다.

결 론

본 원고에서는 액정개발에서부터 LCD 발전의 역사와 더불어 LCD의 화질이 어떤 방식으로 개발되어 왔는지를 요약해봤다. 현재 TFT‐LCD의 화질은 발전을 거듭해 발광형 플라즈마 디스플레이와 구분을 못할 정도의 수준에 도달하였다. 이와 같은 발전 덕분에 많은 사람들이 LCD의 연구는 포화단계지 않냐 하는 의문을 제시하고 있지만 TFT‐LCD는 현재 발전을 거듭하고 아직도 성능 향상 및 비용 절감을 위한 많은 핵

심기술들의 개발을 요구하고 있다. 결론적으로 말하면 아직도 TFT‐LCD는 진화하고 있고 paradigm shift 수준의 기술혁명을 기다리고 있다.