LCD의 정의, 구동원리, 제작원리, 재료 TFT-LCD 란?

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얇고 가벼운 모니터 하면 LCD 모니터를 떠올리지만 CRT 모니터만큼 그 구동원리에 대해서는 잘 알려지지 않았다. LCD 모니터의 가장 주요한 부품인 TFT LCD 모듈(일명 패널)의 구조와 원리에 대해 알아보고, LCD 모니터가 어떻게 색상을 표현하고 화면을 구현하는지에 대해 알아보자. 먼저 LCD가 디스플레이기기로서 이용될 수 있었던 가장 큰 공헌을 한 액정에 대해 알아보자. ■ 액정이란? TFT LCD는 수백만개의 작은 셀들이 매트릭스 형태의 구조로 이루어진 박막 표시장치다. 액정 셀은 끝이 봉해진 2장의 유리판 사이에 액정이 들어 있는 구조로 유리판 내면에는 각각 나타내고자 하는 상을 표시하기 위한 전극이 형성돼 있다. 이들 전극들은 외부 단자에 전기적으로 접속돼 있다. 액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이 상태의 것으로 일정 온도 범위에서 액정이 되는 'Thermotropic Liquid Crystal'이라 불리는 유기화합물이다. LCD에는 반사형과 투과형이 있는데 반사형은 LCD 패널의 전면으로부터 입사시킨 빛을 패널 뒷면에 부착돼 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 평행으로 배열돼 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. TFT에 전압과 같은 외부 힘이 인가되면 액정의 방향은 꼬임(90도 비틀어져 있는 상태)이 풀려서 한 방향으로 정렬하게 된다. 이렇게 액정이 패널면에 수직으로 정렬되면 빛은 직진하게 된다. 결국 입사한 빛을 통과시키느냐 마느냐는 액정의 꼬임과 풀림으로 결정된다. 양쪽 유리판에 편광판을 부착해 액정을 통과한 빛을 다시 한 방향으로 모아주어 화소에 빛을 입사시켜 최종적으로 화면에 나타나게 된다. ■ COLOR TFT LCD 모듈의 구조 TFT LCD는 크게 3개의 유닛으로 나눌 수 있다. 첫째, 기판과 기판 사이에 액정이 주입된 패널 둘째, 패널을 구동시키기 위한 드라이버 LSI 및 각종 회로 소자가 부착된 PCB(Printed Circuit Board)를 포함한 구동 회로부 셋째, 백라이트(BackLight)를 포함한 밑판 구조물 이들로 구성된 조립품들을 통상적으로 TFT LCD 모듈이라고 한다. TFT LCD 모듈은 노트북 PC, TV, 모니터와 같은 시스템에서 디스플레이 기능을 담당하는 하나의 서브 시스템(SubSystem)이다. 1 패널 패널의 기능은 백라이트 유닛(Backlignt Unit)에서 입사된 백색 평면광을 구동 회로 유닛으로부터 입력된 개개 화소의 신호 전압에 따라, 빛이 투과되는 화소에 투과되는 빛을 제어해 컬러 영상을 표현하는 역할을 한다. 2 백라이트 유닛(backLight Unit) 백라이트 유닛은 광원으로 사용되는 형광 램프로부터 밝기가 균일한 평면광을 만드는 기능을 한다. 모듈의 두께 및 소비전력은 이 유닛의 두께를 얼마나 얇게 하면서 광이용률을 향상시키는지에 따라 크게 좌우된다. 백라이트에서 나온 빛은 디스플레이 모듈 유닛(Display Module Unit)을 통과하면서 밝기가 점점 감소한다. 백라이트 입사광의 약 5퍼센트의 빛만이 전면 편광기(front Polarizer)를 통과한다. 3 구동 회로 및 밑판 유닛 TFT LCD 패널은 'TFT-Array'와 'Color Filter' 기판으로 구성돼 있으며 주변부에 'Driver IC'를 포함한 구동 회로부가 설치돼 있어야 한다. 구동 회로는 다층 PCB 형태를 취하며 회로부품은 박형화와 고밀도화를 위하여 'Surface mounting Technology(SMT)'기술을 이용한다. 'Driver IC'는 'Tape Carrier Package(TCP)'형태로 제작돼 PCB와 패널 사이에 연결된다. 위와 같이 제작된 TFT LCD 패널, 백라이트 유닛, 구동 회로부는 'Chassis Unit'으로 완성돼 조립품 형태를 취하게 된다. 이를 TFT 모듈이라고 한다. ▣ TFT LCD모니터와 CRT 모니터의 차이 현재 데스크탑용 모니터로는 CRT 모니터와 TFT LCD 모니터로 나누어진다. 모니터가 점점 대형화될수록 기존의 CRT 모니터로는 공간의 제약을 많이 받게 되므로 점점 LCD 모니터에 대한 수요가 늘고 있다. 가격도 많이 낮아져 15인치급이 40만~50만원대이므로 충분히 구매를 고려해볼 만하다. 그렇다면 TFT LCD 모니터의 장점이 무엇이고 단점이 무엇인지 알아보자. ■ TFT LCD 모니터의 장점 ㆍ얇고 가볍다 이제는 모니터에 대해 관심 있는 사람이라면 누구나 아는 가장 큰 장점이다. 물론 CRT 모니터와 비교해서 그렇다는 것이다. 가시화면이 비슷한 CRT 모니터 17인치 평면 모니터와 15인치 TFT LCD 모니터를 비교하면 LCD 모니터 15인치의 평균 무게가 4~5kg이라면 CRT 모니터는 약 16~20kg 정도로 CRT 모니터가 LCD 모니터 무게의 약 4배 정도 된다. 두께 또한 말이 필요 없을 것이다. ㆍ소비전력이 적다 CRT 모니터는 전자총에서 나온 빔을 좌우로 위에서 아래로 주사하는 방식이기 때문에 구동시키는 데 높은 전력을 소비한다. 반면에 LCD 모니터는 TFT 소자를 on/off 하는 방식이므로 구동하는 데 소비되는 전력이 낮다. 따라서 LCD 모니터는 그만큼 에너지 소모량이 적다. ㆍ전자기파가 적다 CRT 모니터는 전자빔을 주사시키기 위해 DY라는 부품을 이용한다. 이 DY 주위에 고주파의 전류를 흘려보내기 때문에 DY 주변부에서 고주파의 전자기파가 발생한다. 전자기파는 인체에 유해하다고 알려져 있으며 주변의 전자기기의 작동에도 영향을 주므로 발생하지 않는 것이 좋은 제품이라고 볼 수 있다. LCD 모니터는 주사방식이 아니므로 전자기파가 거의 발생하지 않는 장점이 있다. ㆍ화질이 중앙이나 주변이 동일하다 CRT 모니터에서는 구조상 화면의 주변으로 갈수록 포커스, GD, CG 등이 떨어져 중앙과 주변의 화질차이가 있다. 그러나 LCD 모니터의 경우 매트릭스 형태의 화소구조로 중앙이나 주변이나 포커스, CG, GD가 동일하며 또렷하다. 포커스가 또렷하다는 것이 장점이면서도 한편으로는 너무 선명해 눈부심의 원인이 되므로 단점이라고도 볼 수 있다. ㆍ깜박임이 없다 CRT 모니터는 스크린에 입혀진 형광체의 발광시간이 짧아서 화면주사율이 높지 않으면 발광(신호)과 다음 발광(다음 신호) 사이에 아무런 빛이 나오지 않는 시간이 깜박임으로 느껴지게 되어 눈을 피곤하게 한다. 그러나 LCD 모니터의 경우 다음 신호가 들어오기 전까지 계속 이전 상태에 머물러 있게 되고 액정의 응답시간 자체가 길어 60Hz의 주사율에도 아무런 빛이 나오지 않는 시간이 전혀 느껴지지 않는다. 즉 프레임간 주사시간보다 응답시간이 길기 때문에 깜박임이 없다. ■ TFT LCD 모니터의 단점 ㆍ가격이 비싸다 아직까지 같은 크기의 CRT 모니터에 비해 가격이 비싼 편이다. 19인치 평면 CRT 모니터가 30만원대에 가격이 형성돼 있는 데 비해 같은 크기의 18.1인치 LCD 모니터는 100만원 이상을 줘야 구입할 수 있어 가격 차이가 큰 편이다. ㆍ화소수와 다른 해상도에서의 포커스가 떨어진다 LCD 모니터의 픽셀 구조가 매트릭스 형식이기 때문에 화소수와 동일한 해상도에서는 매우 선명하고 또렷하다는 장점이 있는 반면에 화소수와 다른 해상도, 즉 더 낮은 해상도와 높은 해상도에서는 포커스가 또렷하지 못하고 흐려진다는 단점이 있다. 따라서 LCD 모니터는 자신이 이용하고자 하는 해상도에 맞는 제품을 구매해야 한다. ㆍ시야각, 응답시간, 표시색이 다소 부족하다 이 3가지 특징은 아직까지 CRT 모니터보다는 부족하지만 상당부분 개선되고 있다. 시야각의 경우 좌우로 약 150~160도 수준이라 양호하지만 상하로는 90~110도 수준으로서 아직까지 상하 시야각이 다소 작은 것이 문제가 되지만 사용하는 데는 큰 문제가 없는 수준이다. 응답시간은 최근 25ms까지 접근되어서 게임 사용이나 화면 스크롤시에도 크게 거슬리지 않을 정도로 발전했다. 표시색은 아직까지 부족해 그래픽 디자이너처럼 색감에 민감한 사용자들은 만족스럽지 못할 것이다. ▣ LCD 모니터 스펙 보기 LCD 모니터와 CRT 모니터는 구동 소자가 달라 주요 사양에 차이가 있다. LCD 모니터만의 사양으로는 밝기,콘트라스트,시야각, 응답시간, 화소수가 있다. 밝기나 콘트라스트라는 개념이 CRT 모니터에도 적용은 되지만 굳이 사양에 표기하지 않는 것이 관행이었다. CRT 모니터의 경우에는 사양보다는 오히려 브라운관 종류별 특징과 화질에 관련된 용어를 알아두는 것이 더욱 유용할 것이다. ㆍLCD 패널 타입 LCD 패널 종류는 액정의 재료에 따라 분류하거나 패널의 회로 구성방식에 따라 분류한다. 액정의 재료에 따라 분류하면 a-si, poly-si 등으로 나눌 수 있다. ㆍ가시화면(useful size) 모니터의 유효화면 크기를 말하며 가로×세로로 표현하거나 대각길이로 표현한다. 일반적으로 CRT 모니터는 인치 또는 형으로 일컬어지는 크기와 가시화면 크기가 다르지만, LCD 모니터는 동일하다. 예를 들어, 15인치는 유효화면의 대각길이가 15.0인치이며 15.1인치는 유효화면의 대각길이가 15.1인치라고 보면 된다. ㆍ화소수 패널의 가로와 세로의 총 화소수(픽셀수)로서 물리적으로 고정된 값이다. 예를 들어 화소수가 1,024×768이라면 가로로 1,024개, 세로로 768개의 화소가 존재하는 것으로서 각 화소는 R, G, B 3개의 부화소(subpixel)로 이루어져 있다. 3개의 부화소가 각 화소의 색상을 결정한다고 보면 된다. ㆍ피치(pitch) LCD 모니터는 R, G, B 부화소들이 가로로 반복적으로 배열된 구조로서 같은 색 부화소끼리의 간격을 말한다. 즉 R과 R 사이의 간격이나 G와 G 사이의 간격을 말한다. ㆍ밝기(Brightness) 화면의 밝기 레벨을 말하며 수치가 클수록 화면이 밝다. 일반적으로 모니터 size가 크거나 피치가 클수록 개구율이 높아 밝기 레벨이 높다. ㆍ대비비(contrast ratio) 화면에 아무런 비디오 신호가 입력되지 않아 검게 나타나는 부위의 밝기와 화면에 밝게 나타나는 부위의 밝기의 비를 콘트라스트 비(Contrast ratio)라고 한다. 이 수치가 클수록 선명하므로 수치가 클수록 좋은 모니터라고 보면 된다. ㆍ응답시간(response time) 액정 표시소자가 on/off될 때 걸리는 시간을 의미한다. 외부에서 전압신호가 꺼짐에서 켜짐으로 또는 켜짐에서 꺼짐으로 바뀌면 액정은 그 신호에 따라 변형되지만 액정의 점도에 의해서 즉각적으로 반응하지 못한다. 액정이 평형상태에 도달하기까지 지연시간이 발생되는 것이다. 액정의 이러한 변형 특성은 광학적인 특성으로 나타나며 광학적으로 지연되는 시간을 응답시간이라고 말한다. 일반적으로 제품 스펙에 표기되는 것은 on->off(falling time), off->on(rising time)될 때의 시간을 합한 값이다. 응답시간이 짧을수록 빠른 동영상이나 게임에서 응답시간 지연에 따른 화면 번짐이 적어지게 된다. ㆍ시야각(viewing angle) 액정 디스플레이는 보는 각도에 따라서 밝기 또는 콘트라스트가 변화되는 특성을 가지고 있다. 화면과 연직면에서 가장 밝고 주변으로 비껴서 볼수록 어두워지게 된다. 시야각은 상하 그리고 좌우에 따라 콘트라스트가 특정값 이상이 되는 각도로 표현하며, 일반적으로 콘트라스트가 10:1 또는 5:1 이상이 되는 각도로 정한다. 당연히 시야각이 클수록 화면을 더 큰 각도로 볼 수 있게 돼 편리하다. ㆍ표시색상(colors) LCD 모니터가 표현할 수 있는 색상수를 말한다. 일반적으로 16M(1,600만색) 이상이면 자연색 표현이 가능하다고 본다. 6비트 패널을 채용한 모니터는 262,144를 표현할 수 있으며 8비트 패널을 채용한 모니터는 16M색을 표현할 수 있다. 일반적으로 1,024×768의 화소수를 가진 모니터는 6비트 패널을 채용하고 있으며 1,280×1024의 화소수를 가진 모니터는 8비트 패널을 채용한다. ㆍ해상도(resolution) 모니터가 얼마나 많은 정보(문자나 그림)를 담을 수 있는가를 나타내는 척도로서 가로 1,024×768/85Hz라고 표기된 경우 모니터의 가로로 1,024개의 점(dot)과 세로로 768lines을 화면상에서 표현할 수 있다는 것이고, 그 해상도에서 지원하는 수직주파수가 85Hz라는 의미다. ㆍOSD(On Screen Display) OSD란 'On Screen Display'의 약어로 말 그대로 사용자가 필요로 하는 정보나 알아야 할 정보를 모니터 화면에 직접 표시하는 기능을 말한다. 모니터의 경우는 화면의 조정상태 등의 조정 진행상태를 화면에 표시해주는 기능으로 15인치 고급형 모니터 이상의 기종에 이 기능이 장착돼 있다. ㆍPlug and Play DDC(Display Data Channel) 모니터와 컴퓨터 간의 채널을 정의한 것으로, 모니터의 프로필을 컴퓨터에 전송하거나, 키보드·마우스를 이용해 모니터 정보를 변경시키는 방식을 말한다. 예전에는 비디오카드의 일방적 신호에 의해 디스플레이하는 수동적 역할에 그쳤으나, DDC 기술을 채택한 최근의 플러그앤플레이 방식의 모니터는 자체 정보를 컴퓨터에 전송함으로써 효율적인 자원 관리를 할 수 있다. DDC를 사용하기 위해서는 D-sub 15핀 커넥터를 사용해야 하며, BNC를 사용하면 관련 시그널을 전송할 수 있는 여유핀이 없기 때문에 사용이 불가능하다. ▣ LCD 모니터 구매 가이드 이제는 LCD 모니터를 모르는 사람은 거의 없을 것이다. 정확한 명칭은 몰라도 그 얇고 가벼운 모니터 하면 LCD 모니터를 떠올릴 것이다. 그만큼 많이 대중화되었고 수요도 늘고 있다. 수요가 늘면서 공급 또한 많아져 정말 셀 수 없이 많은 업체에서 LCD 모니터를 생산하고 있다. LCD 모니터라는 것이 LCD 패널에 컨트롤 보드와 몇 가지 부품, 잘 디자인된 케이스만 있으면 쉽게 만들어낼 수 있는 제품이니 만큼 자본이 있는 업체라면 누구든지 만들 수 있기 때문이다. 많은 제조사들이 다양한 제품을 출시해 경쟁하고 있는 것이 LCD 모니터 시장의 현실이다. 그렇다면 어떤 제품을 골라야 하나? 여기서는 LCD 모니터를 살 때, 고려해야 하는 사양을 알아보자. 1 자신의 용도에 따른 해상도와 크기를 결정하자 가장 많이 보급된 15인치의 경우 해상도가 1,024×768이며 17·18인치급은 1,280×1,024이다. 인터넷 서핑이나 간단한 문서작업 등 고해상도를 필요로 하지 않는다면 1,024×768을 표현하는 15인치가 적당하며 프로그래밍이나 다중 문서 작업, 고해상도를 요구하는 그래픽 작업 등에는 1,280×1,024를 지원하는 17·18인치급이 적당하다. 일본산 제품 중에는 16인치 제품이 있는데 해상도가 1,280×1024이므로 17·18인치급에 속한다고 볼 수 있다. 한 가지 주의할 점은 17·18인치의 경우 화면 크기에 비해 고해상도를 표현하다 보니 화소 크기가 작아 글자의 폰트가 작으므로 눈이 좋지 않은 사용자는 미리 한번쯤 보고 구매하는 것이 좋을 듯하다. 2 밝기와 콘트라스트를 확인하자 LCD 모니터의 밝기와 콘트라스트는 적당한 값이 정해진 것은 아니다. 최근에는 250cd/m2에 300:1의 고휘도, 고 콘트라스트(contrast) 제품이 많이 출시되고 있지만 프로그래밍이나 문서작업 등 텍스트 위주의 작업을 많이 하는 사용자라면 휘도와 콘트라스트가 굳이 높을 필요는 없다. 그러나 영상 감상이 주목적이라면 고휘도, 고 콘트라스트 제품을 권하고 싶다. LCD 모니터가 흑색의 깊이가 낮아 어두운 곳의 이미지를 세밀하게 표현하지 못하는 단점이 있는데 콘트라스트가 높을수록 어두운 부분의 표현이 선명해지고 색감도 풍부해지기 때문이다. 3 부가기능 LCD 모니터는 CRT 모니터에 비해 다양한 부가기능을 제공한다. 부가기능에 따라 가격 차이가 나며 부가기능을 기본으로 제공하기도 하고 옵션으로 제공하기도 하므로 꼼꼼히 따져보아야 한다. ㆍ세로 보기(pivot) 기능 LCD 모니터는 CRT 모니터와 달리 지구자기의 영향을 받지 않으므로 모니터를 세로방향으로 돌려서 사용할 수 있도록 스탠드를 90도로 돌릴 수 있는 기능을 제공한다. A4 문서의 경우 페이퍼의 규격이 세로로 긴 형태이므로 가로보다는 세로로 보는 것이 효율적일 것이다. 이 기능을 이용하려면 화면을 90도로 돌려줄 수 있는 소프트웨어인 Portrait사에서 만든 'Pivot software'를 설치해야 한다. 'Pivot Software'도 버전에 따라 사용가능한 운영체제가 제한적이지만 대개 제조사에서 직접 제공하므로 모니터를 구입할 때 같이 구입하면 업그레이드가 가능하다. 별도 구입시 약 2만원의 추가 비용이 든다. ㆍTV tuner TV tuner를 내장하여 PC에 연결하지 않고 TV를 볼 수 있는 기능이다. ㆍA/V 기능 video, audio 입력 단자를 제공하여 VTR나 캠코더, 디지털 카메라 등에 연결할 수 있는 기능이다. ㆍSpeakr 제공 스피커를 내장한 제품들이 많다. LCD 모니터에 내장된 스피커의 경우 출력이 작은 편이므로 작은 사무실이나 방에서 혼자 오디오 기능을 즐기기에 적합하다. ㆍDVI 기능 디지털 비디오 인터페이스로 그래픽카드와 모니터 간에 아날로그가 아닌 디지털로 데이터를 전송하는 기능이다. XGA급인 15인치에서는 아날로그와 디지털 간의 화질 차이가 거의 없지만 SXGA급 이상에서는 아날로그 인터페이스에 비해 화질 열화가 적어 선명하다. DVI에도 디지털 전용인 DVI-D와 아날로그와 디지털 겸용인 DVI-I가 있으며 DVI-I를 사용할 경우에는 별도의 어댑터를 장착해야 한다. 현재는 DVI-I를 지원하는 제품보다는 DVI-D와 일반 아날로그 단자(15Pin D-sub)를 모두 제공하는 경우가 많은 편이고 DVI-D 단자만 제공하는 경우는 매우 드물다. ㆍwall mount 벽걸이 기능을 말한다. 모니터 뒷면 중앙에 벽에 걸 수 있도록 4개의 구멍이 있으며 VESA 규격에 따라 75mm×75mm와 100mm×100mm가 있다. 벽걸이 기능을 이용하려면 LCD 모니터 벽걸이용 클램프(clamp)를 구입하여 설치해야 한다. 4 가격대를 결정하자 가장 먼저 자신의 주머니 사정에 따라 가격을 결정해야 할 것이다. 크기에 따라 가격 차이가 크게 나는데 15인치가 대략 40만~50만원대이며 17·18인치급이 70만~90만원대이다. LCD 모니터 가격이 비슷비슷하다지만 일본산이냐 국내산이냐에 따라 차이가 나고 대기업이냐 중소기업이냐에 따라 약간의 가격 차이가 나는 편이다. 지난 해부터 사용자들이 주목을 받고 있는 LCD 모니터 가격이 꾸준히 하락해 지금은 15인치 모델의 경우 30만원대 후반에서 50만원 정도에 구입할 수 있다. 초기에 문제가 됐던 응답속도나 색감 표현 능력은 지금 많이 개선되데다가 일반 사용자에게 꾸준히 인기를 끌고 있어 CRT 모니터를 제치고 차세대 디스플레이 시장을 이끌어갈 태세다.