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평배향모드 계열 (IPS-LCD)이다. 두 기술 모두 유리기판 위에amorphous silicon 박막을 증착시킨 TFT(Thin Film Transistor) 기술을바탕으로 하고 있으나, 액정유기분자들의 초기 배열 상태와 전압에 따른액정분자의거동의차이에의해VA-LCD와 IPS-LCD로분류된다.

(그림1) (그림2)

그림1. Patterned VA-LCD (삼성전자)의 단면 구조와 화소 현미경사진그림2. IPS-LCD (LG display) 단면 구조와 화소 현미경사진

그림1에서 보는 바와 같이, VA-LCD는 액정이 초기에 수직 방향으로배열되어있으나, 액정층에인가되는전압의세기가증가함에따라액정배열은여러개의domain으로분할되어수평방향으로회전하면서눕게된다. 반면, 그림2에 도식된 IPS-LCD에서는 편광자와 나란하게 수평으로배열된액정분자들이인가전압에따라기판면에평행한상태에서방위각방향으로회전하는배열특성이있다.

두기술모두LCD기판아래와윗면에각각편광축이서로수직이되도록두장의편광판이부착되어있다. 따라서, 전압이인가되지않은상태에서는 빛이 두 편광판을 동시에 투과할 수 없어서 display는 black 상태가된다. 반면, 광학적이방성을가진액정분자들이전기장에의해회전하게되면, 빛이 액정 층을 지나면서 액정의 광학적 이방성에 의해 빛의 편광상태가변화하게된다. 액정이충분히회전하게되면빛의편광축은90。만큼회전하게되면서빛은온전히투과되어white 상태가된다.

이처럼LCD의계조표현은액정분자들의배열상태에의해조절되고, 그액정 분자들의 배열은 TFT channel과 기판 위에 가로 세로로 형성된data 및 gate bus 배선들을 통해 인가된 전압에 의해 조절된다. 따라서,VA-LCD와 IPS-LCD는모두 수 nm 길이의 유기 액정 분자들의 물리적

그림3은 3D 구동원리를 개략적으로 보여주고 있다. (참고: 실제 LCD 제조회사들이 사용하는 구동방법은 그림3과 조금씩 다르며, 회사별로도 다른방법을채택하고있다. Active 방식내에서도최소6가지이상의다른방법이적용될수있다) 사람의각각의눈에60Hz의영상을표시하기위해서는 TV는 최소 120Hz의 화면을 표시하여야 하고 (실제는 이보다 많은 240Hz를 표시하는 경우가 대부분이다), 안경의 좌안과 우안은 이에맞게번갈아개폐(開閉)를반복한다.

이때 LCD를 구동하는 방식은 화면의 상단부터 순차구동을 하기 때문에화면표시에필요한시간이요구되고, 영상신호를화면에모두표시하였을지라도 액정이 물리적인 운동을 마치고 입력 신호에 맞는 휘도를 표시하기 위해서는 액정거동시간이 추가로 요구된다. 따라서, 각각 좌안 영상과우안 영상에 할애된 1/120초 중에서 화면의 순차구동을 위한 화면표시시간과 액정거동을 위한 시간을 제외하면 실제로 유효한 영상표시시간은1/240초보다더짧아진다.

통상 X-talk 현상을 최소화하기 위하여 화면표시시간과 액정거동시간에는 back-light unit (BLU)를 점멸시키다. 이처럼 구동방식 때문에 3D 화면의 휘도는 2D화면의 휘도 대비 20%도 안 되는 낮은 휘도를 가진다.이와 같이, 3D-TV의 두 가지 핵심 문제점은 X-talk와 휘도 저하문제라고 할 수 있는데, 이를 해결하기 위해 필요한 것은 화면표시 시간과 액정거동시간을최대한단축하게하는것이라고할수있다.

액정의고질적인약점중하나인느린응답속도는이관점에서매우치명적인 단점이 될 수 있다. 이를 극복하기 위한 기술개발은 두 가지 방향으로 전개된다. 한 가지는 TFT 기판의 구동시간을 최대한 단축하기 위하여amorphous silicon보다전자이동도가좋은poly silicon이나산화물반도체를 이용한 TFT 기판을 제작하는 기술이다. 하지만, 아직은 생산성,양품률, 및 신뢰성 등의 문제로 amorphous silicon만 사용되고 있다. 또다른 개선 방법은 액정의 거동시간을 단축시키기 위해 저점도 액정을 사용하고 액정층의 두께(cell-gap)를 얇게 만드는 기술, 및 구동을 이용한고속응답기술등이적용되고있다. 후자의기술을이용하여상당한성과를 보고 있지만, 추가 개선이 요구되며, 액정의 응답속도는 현 수준대비약두배빠른응답속도가요구되고있다.

VA-LCD와 IPS-LCD의 개별적 문제점두 번째로 VA-LCD와 IPS-LCD가 액정 배열의 차이로 말미암아 각각

가지고 있는 문제점을 살펴보기로 한다. VA-LCD는 정면에서 흑백 대비

LCD(액정표시장치)의 발전과 전망

기술동향컬럼

회전운동에 의한 광학적 이방성 조절에 의해 영상표현을 한다는 점에서공통적인특징을가지고있지만, 그분자들의배열방향과회전방향이다르므로화질에서는각각다른특징을보인다. 상기한공통점과차이점때문에 두 기술이 극복하여야 할 문제점에 있어서도 고통적인 문제점과 각각의기술이가진개별적인문제점들이있다.

VA-LCD와 IPS-LCD의 공통적인 문제점먼저, VA-LCD와 IPS-LCD가 공통으로 가진 가장 핵심적인 문제점부

터 살펴 보도록 한다. 작년 하반기의 할리우드 3D 실사 영화‘아바타’의큰성공과, 금년부터출시된3D-LCD TV의시장에서의폭발적인반응은향후3D기술의긍정적미래예측에확신을주었다.

사람이 3차원 물체를 인식하는 것은 여러 가지 원리가 복합적으로 작용하고있지만, 가장핵심적인원리는양쪽눈이인식하는이미지의차이를뇌에서 경험적인 계산을 통하여 물체의 거리 정보로 바꾸는 것이라고 할수 있다. 실제로는2D의평면적인화면을가진LCD TV를이용하여사람의눈과뇌가3D 영상으로느끼게하는stereography 기술도이러한사실에기초하고있다.

현재 출시되고 있는 3D TV는 시간을 분할하여 좌안 영상과 우안 영상을번갈아 표시하는 Active 방식이라고 부르는 기술을 채택하고 있다. 즉,LCD-TV는 좌안의 영상과 우안의 영상을 번갈아 표시하고 이와 동조된‘active 안경’은TV의좌안과우안영상이각각안경의좌안과우안쪽만을통과하게한다. 이렇게함으로써관찰자의좌안과우안은각각3D TV에서표시되는좌안영상과우안영상만을각각인지하게된다.

이때가장중요한요소는좌안과우안의영상이섞여서사람의눈에인지되게되면그정도에따라3D 느낌이들지못하거나어지럼증을유발하는등치명적인문제가될수있다. 이현상을cross-talk (X-talk)이라고부른다.

그림3. 3D TV 구동 원리의 개략적인 도식 (실제 각 LCD 회사들이 사용하는방법들은 조금씩 차이를 보이고 있으며, 위의 도식된 방식과 차이가 있음.)

머리말LCD는금년기준세계적으로약70~80조시장을형성하며전체디스

플레이 시장의 80% 정도를 점유하는 거대산업으로 발전하였다. 이는LCD가 손목시계와 같은 단순한 디스플레이 수준을 넘기 위해amorphous silicon 박막기술과결합하여얇은노트북제품에적용되기시작한 지가 불과 20년을 갓 넘었고, CRT가 100여 년 동안 절대적으로차지하고 있던 모니터 시장에 진출하기 위하여 광시야각 액정 모드가 개발된 지가 이제 10년이 되었을 뿐인 것을 고려하면 LCD의 발전속도는가히놀랄만하다고하겠다.

최근의 LCD의 급속한 성장은 그동안 가지고 있던 여러 가지 화질상 혹은 제조상의 문제점들을 극복하고 대형 TV 제품에 맞는 기술 개발에 성공한 것이 가장 중요한 이유라고 할 수 있다. 10여 년 전에 LCD는 FED(field emitted display)나 PDP(Plasma Display Panel)기술대비 동영상의 끌림 문제와 측면에서의 화질저하 문제로 화질상의 열세를 가지고 있었다. 하지만, 그동안의 연구개발 결과로 이 두 가지 핵심적인 문제를 상당부분극복함으로써, 높은해상도와높은정면대비비의우수한화질의장점을 바탕으로 PDP나 FED보다 뛰어난 기술로의 혁신을 성공적으로수행한 것으로 받아들여지고 있다. 반면, 이러한 LCD의 독주는 최근OLED(Organic Light Emitted Display) 기술의 발전으로 그 미래를 예측할수없는상황이되었다.

최근 OLED 기술은 그동안의 poly silicon 박막기술의 발전과 OLED 유기 발광재료의 수명 개선 기술로 소형 모바일 디스플레이 제품에 성공적으로 진입하였고, 뛰어난 화질과 낮은 제조원가로 차세대 디스플레이 기술로 자주 언급되고 있다. 따라서, LCD기술이 지속적으로 디스플레이 기술의 강자로 남을 수 있을지 혹은 다른 이전의 디스플레이 기술처럼 더앞선 기술에 밀려 쇠퇴의 길로 접어들지 향후 수년이 LCD의 운명을 좌우하는중요한시기가될것으로보인다.

본기고문에서는현재LCD기술의핵심기술에대해서요약을하고이기술들이가진주요문제점혹은극복이필요한요소들을정리하고, 이러한한계를극복하기위하여개발중인기술중에서몇가지예를정리하고자한다.

현 LCD-TV의 핵심 기술들 및 특징현재LCD-TV 기술은크게두가지기술로분류할수있다. 하나는삼

성전자, Sharp, AUO 등의 회사에서 생산하는 수직배향모드 계열 (VA-LCD)이고, 다른 하나는 LG display, Hitachi, BEO 등에서 생산하는 수

LCD(액정표시장치)의발전과전망 성균관대학교 정보통신공학부

송장근 조교수연구분야 :Display Devices & Materials E-mail : jk.song@skku.eduhttp://wiz.skku.edu/wiz/displays

비가 매우 높고 선명한 화질을 보이지만 측면에서는 색이 엷어지는 현상이 나타난다. 이러한 문제는 VA-LCD 제품이 출시되었던 2000년대 초부터 문제가 되었다. VA-LCD에서 측면의 색 엷어짐 문제는 액정이 기판에 수직방향으로 움직이는 VA-LCD의 특징 때문에 나타난다. 액정 층이 가지는 광학적 이방성이 액정의 배열방향에 의존하여 나타나는데, 액정이 기판에 기울어진 상태로 서 있을 경우에 보는 방향에 따라 빛이 느끼는이방성의크기가현저히달라지기때문이다.

이를 보상하기 위하여 현재는 각 화소를 8-domain으로 분할한 SPVA액정 모드가 적용이 되어 초기 VA-LCD 제품보다 월등히 우수한 측면화질을 보여주고 있지만, IPS-LCD 제품과 비교하면 여전히 화질의 차이가느껴지고OLED 제품과비교하면상당히화질의열세가인지된다.

이 문제는 VA-LCD 액정모드에서 나타나는 원리적인 문제이므로 극복이 쉽지 않다고 할 수 있지만, 향후 OLED 제품과의 경쟁을 고려한다면VA-LCD는 측면 색 엷어짐 문제를 완벽히 극복할 필요가 있다고 보인다. 현재, 이문제를극복하기위하여 12-domain 기술등이고려되고있다. 12-domain 기술은 화소를 3개의 sub pixel로 분할하고 각각 다른전압이인가될수있도록pixel을고안한구조이다.

이때 각 sub pixel은 4개의 domain으로 구성되어 있어 각 pixel은 모두12-domain을 가지게 된다. VA-LCD 기술이 2000년대 초반에 4-domain에서 8-domain으로발전하면서측면색엷어짐문제는매우큰개선이 이루어졌었다 (그림1의 현미경 사진 참조). 이처럼 12-domainVA-LCD 기술이 개발되면 한 단계 더 발전한 화질 특성을 보여줄 것으로예측된다.

그림4. 12-domain VA-LCD 기술이 적용된 LCD panel의 화소 현미경사진(proto-type sample-삼성전자)

그림4는 삼성전자에서 개발 중인 12-domain VA-LCD 기술을 적용한LCD의 현미경 사진이다. 반면 IPS-LCD 기술은 VA-LCD와 같은 측면색 엷어짐 문제는 발생하지 않는다. 하지만, IPS-LCD는 정면 흑백 대비비가 VA-LCD의 1/5수준으로 낮은 수치를 보이고 있고, 대각 측면방향에서흑백대비비저하가크게발생한다.

IPS-LCD의 정면 흑백 대비비 문제는 VA-LCD와 달리 기판표면을 물리적으로 문지르는 러빙공정이 필요하다는 점과 black 상태에서 수평 배열된액정분자들에의한빛의scattering 현상에의하여발생하기때문에이문제또한극복이쉽지않다고할수있다. TV 제품의특성상영화면에서

어두운화면이자주등장하기때문에대비비의저하는화질상의문제가된다. 따라서, 이를 극복하기 위한 기술 개발은 IPS-LCD가 개발되었던1990년대 후반부터 계속됐다. 이를 위하여 고 대비비 편광판, 저 산란color filter 재료등이개발되어적용되고있고, 현재에는액정층의산란현상을줄이기위하여탄성계수가큰액정재료의개발이이루어지고있다.

액정층에 의한 빛의 산란현상은 액정층의 탄성계수에 반비례하여 그 수준이 낮아진다. 이러한 다양한 재료적인 개선을 하였지만, 여전히 대비비2000:1에도 미치지 못하는 수준이다. 반면 VA-LCD는 대비비 7000:1수준을 보인다. IPS-LCD 개발자들은 이 문제를 극복하기 위하여 재료적인개선을계속하는동시에LED back-light unit을이용한고대비비제품을개발하고있다.

이는 LCD 패널 자체의 대비비가 낮은 문제를 극복하기 위하여 back-light에 격자형태로 LED 소자를 배치해 각각의 LED의 휘도를 조절함으로써 디스플레이의 대비비를 극대화 시키는 기술이다. 이를 이용한 제품은 높은 대비비를 확보할 수 있으나 다량의 LED lamp 사용으로 말미암아원가상승이될수있다.

맺음말LCD는 초기에 가지고 있던 여러 가지 단점에도 장점을 효과적으로 활

용하였고 단점들을 단기간 내에 상당 부분 극복함으로써 디스플레이시장의 최고 기술로 인정받고 있다. 하지만, 최근 OLED 기술의 부상과 3D기술의보급으로새로운전환점을맞고있다. LCD 기술의지속적인성장을 위해서는 몇 가지 개선이 필요한 부분이 있다. 그 중 3D 기술의 부상으로 amorphous silicon의 전자이동도의 개선과 액정의 늦은 응답속도를극복할필요가있다.

이를 위하여 양산성과 신뢰성이 확보된 poly silicon 박막기술이나 산화물 반도체 기술이 필요하고, 액정의 응답속도를 향상시킬 수 있는 재료,공정, 구동기술이 필요하다. 또한, VA-LCD의 경우에는 측면 색 엷어짐을 개선하기 위한 혁신 기술개발이 요구되고 있고, IPS-LCD의 경우에는정면과 대각방향 측면의 흑백 대비비를 향상시킬 혁신 기술 개발이 시급하다. 이러한약점들을향후수년동안얼마만큼해결하느냐에따라미래디스플레이시장의판도가결정될것으로예측된다.

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Reference[1] K. H. Kim and J. K. Song, NPG Asia Mat. 1(1) 29-36 (2009).

[2] S. S. Kim, B. H. Berkeley, K. H. Kim, and J. K. Song, J. Soc.

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[3] M. Oh-e, K. Kondo, Appl. Phys. Lett. 67, 3895 (1995).