TFT LCD의 구동원리

[가을이야기]

TFT LCD의 구동원리

오늘은 TFT LCD의 원리에 대해 간단히(저 나름대로는 간단하다고 생각하지만 여러분들은 어떨지 모르겠군요.),쉽게 설명하도록 하겠습니다. 좀 지루하시겠지만 끝까지 읽는다면 TFT LCD에 대해 좀 더 잘 알 수 있는 기회가 되었으면 좋겠습니다.

원리개요

TFT_LCD는 LED(발광다이오드),PDP(플라즈마 표시판),EL(전계발광표시)등의 표시부품 중 LED와 함께 가장 널리 사용되고 있으며 전자손목시계를 비롯,각종 문자,도형표시는 물론 TV의 화면 표시에까지 활용되고 있다.

액정셀의 구조는 끝이 봉해진 두 장의 유리판 사이에 액정이 들어 있으며 유리판의 내면에는 각각 나타내고자 하는 상을 표시하기 위한 전극이 형성되어 있고, 이들 전극들은 외부단자에 전기적으로 접속되어 있다.

왜 TFT_LCD인가?

디스플레이에 요구되는 표시성능에는 높은 contrast비,고휘도,고해상도(대화면 표시용량),계조 표시성,색표시성,고속 응답성,광시야각등이 있다. 단순매트릭스(passive matrix)형으로도 화상 이나 문자,도형등의 정보를 표시할 수 있지만 단순매트릭스에서는 위의 특성들이 서로 trade-off(상충)관계에 있다. 즉 한가지 특성을 좋게하면 다른 특성들이 나빠지는 관계를 갖게 되므로 전체적으로 고성능화하기에는 한계가 있다.
가장 큰 약점으로는 cross-talk(신호 잡음)문제이다. 그러나 액티브 매트릭스는 각 화소에 스위치 소자를 부가함으로써 표시성능을 향상시킬 수 있다.

액정이란?

액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이상태의 것으로 일정 온도범위에서 액정이 되는 Thermotropic Liquid Crystal이라 불리는 유기화합물이다.
LCD에는 반사형과 투과형이 있는데 반사형은 LCD패널의 전면으로부터 입사시킨 빛을 패널뒷면에 부착되어 있는 반사판에 반사시켜 표시하는 형이며, 투과형은 배면으로부터 주위광 또는 형광을 입사시켜 상을 나타내는 형이다.

동작원리

액정의 방향을 유도하기 위해 배향 처리된 면과 액정이 접촉하면 액정분자들이 배향막골과 평행하게 배열된다. 모든 액정 분자가 양쪽의 기판면 가까이에서는 평행하게 배열되어 있고 양쪽 기판은 서로 배열방위가 90도 비틀어져 있다.(이것을 twisted 분자배열이라 부른다.) 따라서 액정분자는 양기판 사이에서 배열방위가 연속적으로 90도 비틀어져 있게 되고 빛은 액정을 통해 분자들의 방향을 따라서 진행한다. 분자들이 90도 비틀어져 있으면 그림과 같이 빛도 90도 틀어져 통과한다.

액정분자들이 배향막골과 평행하게 정렬된 상태


액정분자들이 양 기판사이에 90도 비틀어져 있다.

TFT를 이용하여 전압이나 외부에서 힘이 인가되면 액의 방향은 꼬임(90도 비틀어져 있는 상태)이 풀려서 한 방향으로 panel면에 수직하게 정렬되고 빛은 직진하게 된다.
결국 입사한 빛을 통과시키느냐 마느냐는 액정의 꼬임과 풀림으로 결정하고 양쪽유리판에 편광판을 부착하여 액정을 통과한 빛을 다시 한 방향으로 모아주어 화소에 빛을 입사시켜 최종적으로 화면에 나타나게 된다

좌: 전압인가시 액정분자들의 정렬 상태 , 우: 전압 Off 시 액정분자들의 정렬상태


전압 On, Off 시 빛이 통과하는 모습

color구현의 원리

초기에는 LCD가 흑백만을 지원했으나 LCD의 응용 범위가 넓어지고 display시장이 칼라화되면서 LCD도 칼라를 지원하도록 발전하였다.

LCD에서는 색을 구현하기위해 Red,Green,Blue의 빛의 3원색에 해당하는 color filter를 사용한다. RGB color filter를 인접하게 배치시키고 각각의 color filter에 해당 color신호를 인가하여 밝기를 제어함으로서 색을 표현하는 것이다.
소자에 인가되는 전압을 조절함으로서 밝기가 조절되고 결국 다양한 색을 표현하게 된다.

색을 표현하는 원리를 예를 들어 보자.

만약 액정이 빛을 완전히 차단하거나 또는 완전히 통과시키는 두가지 기능만 할 수 있다고 가정하면(R,G,B가 각각 1bit인경우) 표현 가능한 색의 수는 총 2의 3제곱인 8가지 경우의 수가 나옵니다. 즉 filter를 완전히 열고 닫는 경우만 있다면 이는 R,G,B 각각을 1-bit의 데이터를 가지고 제어할 수 있다. 만약 R,G,B 각각이 2bit의 데이타를 가지고 단위 색을 제어한다면 2의 6제곱인 64가지의 경우가 나온다.

이를 수식으로 표현해보면 아래와 같다.

결과적으로 LCD에서 표현 할 수 있는 색의 수는 사용되는 화상 데이터의 bit수에 의해 결정된다고 할 수 있다.

다시 한번 정리해보면 color filter를통과하는 빛의 양은 액정을 이용하여 제어하고 이러한 액정을 동작하는데 필요한 전압은 source driver IC에서 출력되어 pixel TFT를 통해 공급된다. 이렇게 해서 액정에 공급된 전압은 액정의 투과율을 변화시키게 되는데 이 때 몇 단계로 액정을 제어 할 수 있느냐에 따라 표현 가능한 색의 수가 결정되는 것이다.
즉 액정이 꼬여 있으면 white가 되고 꼬임이 풀려 있으면 black이 되며 그 사이의 중간 계조(gray scale) 를 조합하여 여러가지 색의 표현이 이루어진다.

해상도

display의 특성에 있어서 또 하나의 중요한 특성으로 해상도를 들 수 있다. 해상도라 함은 화상을 표현함에 있어 얼마나 세밀한 부분까지 표현할 수 있느냐하는 척도로서 해상도가 높아질수록 화소의 수가 많아지기 때문에 단위시간동안 drive IC가 처리해야 할 데이터의 양이 많이져서 결국 처리속도가 높아져 거의 한계에 다다른다는 문제점이 생기게 된다.
이로 인해 신호 왜곡, EMI등이 발생할 소지가 많아지고 있다. 또한 수직 해상도가 높아짐에 따라 한 개의 수평line에 할당된 시간이 짧아졌다. LCD에서는 화소에 데이터 전압을 충전할 수 있는 시간이 하나의 수평 line시간에 불과하기 때문에 이 시간이 어느 이하로 짧아지면 제대로 충전이 안돼 화질이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 여러 각도에서 많은 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 기술에 많은 진보가 있었다.

COLOR TFT_LCD module의 구조

Color TFT_LCD는 TFT소자의 종류에 따라 a-Si(amophous silicon)TFT와 p-Si(Polysilicon)TFT로 나눌 수 있고 이들 중 a-Si TFT를 사용한 직시형 TFT-LCD가 가장 널리 사용된다.

TFT-LCD는 크게 3개의 unit으로 나눌 수 있다.

첫째, 기판과 기판사이에 액정이 주입된 panel

둘째, panel을 구동시키기 위한 Driver LSI 및 각종 회로 소자가 부착된PCB(Printed Circuit Board)를 포함한 구동 회로부

셋째, BackLight를 포함한 Chassis구조물로 나눌 수 있다.
이들로 구성된 조립품들을 통상적으로 TFT-LCD Module이라고 한다.

TFT-LCD Module은 Notebook PC,TV,Monitor와 같은 System에서 Display기능을 담당하는 하나의 SubSystem이다

TFT-LCD 모듈 구조

1) Panel의 기능은 Backlignt Unit에서 입사된 백색 평면관을 구동 회로 Unit으로부터 입력된 개개 화소의 신호전압에 따라 화소에 투과되는 빛을 제어하여 Color영상을 표현하는 역할을 한다.

① Black Matrix : Color Filter의 Pixel사이에 형성되어 R,G,B각화소에서 나온 빛들이 서로 간섭을 하지 않도록 차단해주고 외부에서 들어온 빛이 반사되지 않도록 흡수하는 역할.

② Color Filter : 세가지 기본색(R,G,B)의 염료나 안료를 포함하는 수지film .결국 액정을 통과한 빛이 색깔을 갖도록 한는 역할.

③ OverCaot막 : 이 막은 Color Filter 표면의 평탄화를 위해 사용된다. 이 막은 또한 ITO(Indum Tin Oxide,투과성과 도전성이 좋으며 화학적,열적 안정성이 우수한 투명 전극 재료)와의 접착력 향상을 위하여 사용되기도 한다.

④ 공통전극(Common Electrode) : 이것은 투명한 전기 전도체인 ITO로 만들어진 전극으로 액정셀에 전압을 인가한다.

⑤ 배향막(Alignment Film) : 이 막은 Polimide로 구성된 얇은 유기막으로 액정을 배향(방향을 일정하게 만들어줌)하기 위해 형성된다.

⑥ 액정층(Lyquid Crystal) : 액정층의 두께는 보통 5㎛정도이며 Twisted nematic문자 배열을 하고 있다.

⑦ sealant : Panel의 가장자리에 위치하여 TFT Array기판과 Color Filter기판을 고정하는 접착제 역할과 active cell영역을 구성한다.

⑧ 화소전극 : 투명하고 전기 전도성을 갖는 ITO로 만들어지며 TFT를 통하여 인가된 신호전압을 액정Cell에 가해주는 역할을 한다.

⑨ TFT : 액정에 신호전압을 인가하고 차단하는 Switching소자이다.

⑩ 축적용량(Storage Capacitor) : Pixel ITO에 인가된 신호전압을 일정시간이상 유지시켜주는 역할을 한다.

2) BackLight Unit

BackLignt Unit의 기능은 광원으로 사용되는 형광 Lamp로부터 밝기가 균일한 평면광을 만드는 것이다. Module의 두께 및 소비전력은 이 Unit의 두께를 얼마나 얇게하면서 광이용율을 향상시키는 지에 따라 크게 좌우된다. Backlignt에서 나온 빛은 Display Module Unit을 통과하면서 밝기가 점점 감소한다. Backlight입사광의 약 5%의 빛만이 전면 편광기(front Polarizer)를 통과한다.

3) 구동회로 및 Chassis Unit
TFT-LCD Panel은 TFT-Array와 Color Filter기판으로 구성되어 주변부에 Driver IC를 포함한 구동회로부가 설치되어야 한다. 구동회로는 다층 PCB형태를 취하며 회로부품은 박형화와 고밀도화를 위하여 Surface mounting Technology(SMT)기술을 이용한다. Driver IC는 Tape Carrier Package(TCP)형태로 제작되어 PCB와 Panel사이에 연결된다.

위와같이 제작된 TFT-LCD Panel,Backlight Unit,구동회로부는 Chassis Unit으로 완성되어 조립품 형태를 취하게 된다. 이를 TFT Module이라고 한다.

TFT LCD PANEL의 간단한 제조과정은 아래와 같다.

① Pixel단위의 신호를 인가하는 Switching소자들을 형성하는 TFT Array공정

② 색상을 구현하기 위한 Clor RGB Array를 형성하는 Color Filter공정

③ TFT기판과 Color Filter기판사이에 액정Cell을 형성하는 액정 공정

앞으로의 과제

액정 휴대단말기나 car navigation,산업용 모니터등에 주로 쓰이는 STN LCD에 비해 TFT LCD는 대화면을 요구하는 NOTE PC나 desktop 모니터등에 주로 사용됩니다. 액정 desktop모니터는 현재 세계적으로 15"의 수요가 가장 많고 18"가 그다음을 잇고 있습니다. 앞으로 LCD가 화면 표시장치로서의 점유율을 높이고자 한다면 SIZE를 늘리기 위한 기술 개발이 이루어져야 합니다.
기술적으로 볼 떄 size를 늘리게 되면 액정의 무게가 중앙으로 몰리면서 액정의 간격을 일정하게 유지하는 것이 어렵게 되고 액정의 간격이 일정하지 않게 되면 결국 화질을 저하시키게 됩니다.
20" 이상의 LCD가 demo용으로 나와있기는 하지만 실제 생산하여 판매를 하려면 좀 더 많은 생산 기술적 발전이 있어야 할 것 같습니다. 그래서 현재 20"이상의 화면표시장치로 부상하고 있는 것이 PDP입니다. 아직까지도 고가이기때문에 시장이 작은 편이고 LCD가 평면 표시장치에서는 가장 시장 점유율이 높기 때문에 앞으로도 많은 기술 개발이 이루어질 것으로 보입니다.
현재는 생산성 증대와 저가격화가 관건으로 이를 위한 시도는 제조 공정의 단순화와 수율 향상의 관점에서 제조 업체는 물론 관련 제조 장비 업체의 공동의 노력이 요구되고 있습니다.

<출처 : 디스플레이뱅크>

[출처] TFT LCD의 구동원리|작성자 느림보