[LCD총정리] 구조 , 액정 배열, 액정 특징 , TFT 비교 , 장점, 단점

LCD : Liquid Crystal Display

백라이트가 빛을 내고 전압에 따라 액정 배열이 변화하면 빛이 액정을 통과하면서 빛이 지나가는 양을 제어해서 서브픽셀 각각 다른 밝기를 표현하고 또 컬러필터를 통과하면서 각각 다른 색을 표현한다. 

 

<LCD 구조>

backlight - polarizer - TFT glass - liquid crystal - color filter glass - polarizer 

 

백라이트 광원을 통해서 균일한 빛이 들어오면 맨 처음 polarizer를 통해 intensity가 1/2이 되고, TFT는 전기적 신호를 전달하고 제어하는 역할을 하고, 전압에 의해서 E-field가 생기면 액정의 유전율 이방성 특성에 의해 액정에 dipole이 형성돼서 액정이 움직이고, 가하는 전압에 따라서 액정 배열을 제어해서 빛이 투과하는 양을 제어하고 그렇게 제어된 빛은 컬러필터를 통과하면서 원하는 색으로 나타난다. 

 

 

TFT LCD는 전압을 액정에 전달함으로써 디스플레이하기 때문에 CRT와 달리 전자총이 없기 때문에 두께가 얇은 모니터를 만들 수가 있다. 

 

TFT : Thin Film Transistor

 

왜 TFT LCD?

: LCD는 매트릭스 구동을 하는데 passive 매트릭스 방식으로는 고해상도 대면적 디스플레이를 구현하기에는 소비전력이 크고 수명이 짧기때문에 active 매트릭스 방식으로 구동하기 위해서 각 화소마다 액티브 소자인 TFT를 장착해서 구동한다.

 

스위치 온 되는 시간에 원하는 전압을 화소에 공급하고, 스위치 오프될 때부터 그 다음 스위치 온 되는 시간까지 그 전압을 유지한다. 

 

STN LCD는 액정 분자의 배열방향을 2장의 유리기판 사이에서 180도 틀어서 배열한 액정 셀이다. 200도에서 240도 도 있다. 이것은 전압-투과율 특성이 TN형 액정보다 더 급격하게 돼서 온오프 전압 차를 크게 할 수 없는 픽셀수가 많은 패널에서도 콘트라스트가 확보된다. 

 

TN LCD는 액정 분자의 배열방향을 2장의 유리기판 사이에서 90도 틀어서 배열한 액정 셀이다. 

 

*유전율 permittivity F/m

: 유전체가 외부 전기장에 의해서 만드는 편극의 크기를 나타내는 물질상수이다. 

유전체가 전기장 안에 있을 때 물질 내부의 분자들이 각각 양극과 음극을 가지고 전기쌍극자모멘트(electric dipole moment)를 형성해서 전기장 세기를 줄어들게 하는데 전기장이 줄어드는 비율을 유전율이라고 한다. 

유전율이 클수록 큰 편극을 만든다. 

 

전기쌍극자모멘트는 같은 크기의 양전하와 음전하가 있을 때 음전하로부터 양전하를 가리키는 변위벡터에 전하량을 곱한값으로 정의한다. 

 

액정은 봉모양이므로 굴절률 이방성 특성을 가지는데 광축에 대해서 빛이 들어오는 방향에 따라 ne 굴절률이 달라지고, Optical Path Difference 가 생기며, 위상차가 달라진다. (위상차 = OPD* 2pi/파장)

그래서 편광 방향이 바뀐다. OPD=(ne-no)*d

그 편광 방향과 마지막 polarizer 의 편광축 방향에 의하여 나가는 빛의 세기가 결정된다. (편광축 방향의 빛만 나간다)

 

<Normally white (TN mode)> TN: Twist Nematic

E-field 가 없을 때 (전압을 가하지 않았을 때) 빛이 통과하여 가장 밝은 밝기를 낸다.

LCD에 구동전압을 가했을 때 가장 어두운 색을 낸다.

상판 하판 polarizer(편광판)의 광전달축 방향이 서로 수직이다.

상판 하판의 polarizer의 광전달축과 상판 하판에 접한 액정의 director 방향이 일치한다.

normally black 구조에 비해 contrast ratio 관점에서 유리하다. 블랙을 더 잘 만든다. 

<Normally black (TN mode)>

E-field 가 없을 때 (전압을 가하지 않았을 때) 빛이 통과하지 않는다.

상하 편광판의 편광 방향이 서로 평행하다.

 

 

Liquid Crystal (액정)

고체결정과 액체의 중간 상태인 물질이다. 

고체의 특징인 입자들이 배열하는 성질을 가지면서 , 액체의 특징인 움직이는 유동성을 동시에 가진다.

 

온도, 압력에 따라서 액체나 고체가 되므로 디스플레이 할 때 온도와 압력을 일정하게 해야한다.

 

 

<Liquid Crystal Phases (배열구조)>

1. Nematic phase 네마틱

액정분자가 방향성만 가지고 층을 형성하지는 않고 전체적으로 한 방향으로 서있는 모양이다. 

봉모양이다. -> 이방성 성질을 가진다. 빛이 들어오는 방향에 따라서 굴절률이 다르므로 이방성 특성을 가지는 것이다. 

 

 

2. Smetic phase 스메틱

액정분자가 방향성을 가지고 규칙적으로 배열해서 층을 형성하고 있는 모양이다. 

 

 

3. Cholesteric (Chiral) phase 코레스테릭

액정분자가 원판 모양으로 누워서 층을 이루고 그 층이 쌓이면서 360도로 돌아온다.

 

 

 

<액정의 특징 : 1. 유전율 이방성 2. 굴절율 이방성 3. 표면특성>

1. Different dielectric constants (유전율 이방성) -액정의 전기적 성질

 

액정은 유전율 이방성 특성이 있다. e-field를 가하면 액정에 dipole이 생겨서 e-field방향으로 배열된다. 

그래서 전압 세기에 따라서 액정이 배열되는 정도를 제어해서 빛의 편광을 제어한다. 

 

액정의 장축유전율이 단축유전율보다 크면 positive 복굴절 물질이고 lg에서 사용한다. 액정분자들이 e-field방향으로 나란하게 정렬하려는 특성을 가진다.

액정의 단축유전율이 장축유전율보다 크면 negative 복굴절물질이고 삼성에서 사용한다. 액정분자들이 e-field방향에 수직하게 정렬하려는 특성을 가진다. 

 

• 장축 유전율 > 단축 유전율 : positive 복굴절 물질

: 전계를 가하면 dipole이 액정 분자의 장축 방향으로 발생해서 액정 분자들이 E-field 방향으로 정렬하려는 특성을 가진다. 전기장 방향으로 나란히 눕는 모양 (LG에서 사용한다)

 

• 장축 유전율 < 단축 유전율 : negative 복굴절 물질

: 전계를 가하면 dipole이 액정 분자의 단축 방향으로 발생해서 액정 분자들이 E-field에 수직한 방향으로 정렬하려는 특성을 가진다. (삼성에서 사용)

 

 

2. Different refraction index (굴절율 이방성) 

액정은 유전율 이방성 특성에 의해서 전압에 따라 배열 방향을 바꾼다. 그럼 배열 방향을 바꾼다고 해서 빛의 편광방향은 어떻게 바뀌냐?? -> 액정의 굴절률 이방성 특성 때문

 

액정은 봉모양 이므로 굴절률 이방성 특성을 가진다. 빛이 액정에 들어오는 방향에 따라서 굴절률이 다르다.

정확하게는 extra ordinary 굴절률이 다르다. 그러므로 OPD가 생기고 위상차가 발생한다. 

 

*굴절률

: 빛은 매질에 따라 속도 차이가 있는데 빛이 기준 매질에서 다른 매질의 경계를 통과할 때 변화하는 빛의 속도 비를 상대굴절률이라고 하고 기준매질이 진공일 때 줄어드는 속도 비를 절대굴절률이라고 한다.

 

OPD : Optical Path Difference

OPD = (ne-no)d

d는 유리판 사이 거리(일정한 값), no도 일정한 값 즉 ne가 달라지는 것이다.

 

ne는 어떻게 결정되나?

1. 빛이 들어오는 방향과 액정이 누운 각도에 따라 결정됨

2. 빛의 편광 방향과 액정의 광축 방향에 따라 결정됨

 

 

3. Surface preparations (표면특성) - 액정 초기화

유리판 위에 polymer 코팅하고 일정한 방향으로 rubbing해서 홈을 내서 액정을 정렬해서 초기화한다.

(e-field를 가할 때 액정이 어느방향으로 회전할지 모르니까 처음부터 약간 회전시켜놔서 전계를 가했을 때 액정이 어느 방향으로 갈지를 미리 고정시키는 것! pretilt 시켜 놓는 것임)

 

액정 분자 수백개가 쌓여서 유리판 사이를 메워야 하는데, 층층이 쌓여올라가면서 액정이 알아서 Twist 된다. 

즉 Normally White 구조는 상하 유리판의 rubbing 방향이 서로 수직이다. 그러면 전계를 가하지 않은 상태일 때 액정이 Twist 된다. 

 

 

* 유리판 2개가 서로 90도로 rubbing 되어있고, 그 사이에 액정 분자가 90도 Twist 되었는데, 그러면 어떻게 빛이 통과했을 때 액정 분자들을 따라서 빛도 90도로 편광 방향이 바뀔까?

-> wave guiding 현상 때문이다. 어떤 특정한 경우에는(액정이 틀어져있는 각도<<<위상차) 빛이 액정을 따라 편광 방향이 90도 바뀐다. 

 

근데 위상차=2pi*(ne-no)*d/파장 인데 R, G, B 색 마다 파장이 다르므로 실제로는 빛의 편광 방향이 90도로 완전히 바뀌지 않는다. 그래서 색이 원하는대로 나오지 않기 때문에 디스플레이 특성이 떨어지는 것이다. 

 

 

 

<Tilt, Twist angle of TN LC cell>

상하 유리판 가까이에 있는 액정은 누워있으려는 힘이 강하다. 즉 상하 유리판에 가까이에 있는 액정은 느리게 tilt되고 정가운데에 있는 액정이 제일 먼저 tilt 된다. 

twist되는 정도도 정가운데에서 급격하게 twist된다. 

-> 위치별로 tilt, twist 되는 정도가 다르기 때문에 LCD는 완벽하게 작동하지 않는다. 

 

*전계를 아주 조금 가한 경우? (Tilt관점 / Twist관점) (Normally White인 경우)

1. Tilt 관점

-> 유리판 사이 중간에 있는 액정분자가 제일 먼저 Tilt한다. 일어선다.

    유리판 쪽 액정은 완전히 누워있다. 그대로 있으려는 힘이 커서

 

Normally White 구조는 구동 전압을 가했을 때 가장 어두운 밝기 Black을 만드는데, 유리판 쪽 액정은 전계를 가해도 그대로 누워있으려는 힘이 쎄서 액정이 서야 광축을 따라 빛이 나가고 그래야 블랙이 될텐데 실제로는 그러지 않으니까 완전한 블랙을 만들지 못하고 빛이 새는 것이다. 

 

* Normally White 가 블랙을 더 잘만드는 이유?

 

2. Twist 관점

-> 전계를 가하지 않았을 때는 일정한 각도로 90도로 액정이 돌았는데 (정가운데가 45도)

    전계를 아주 조금 가하면 유리판 쪽 액정은 돌지 않고, 유리판 사이 중간에서 확 돈다. 일정한 각도로 돌      지 않는다.

 

 

LCD는 첫번째 편광판에서 이미 1/2로 빛의 세기가 감소하므로 T=0.5일 때 가장 이상적이다. T:Transmission

하지만 빛의 파장에 따라서 같은 전압을 가했을 때 같은 밝기가 나오지 않는다. blue는 T=0.3도 나오지 않는다.

그래서 정상적으로 작동하는 특정 전압 구간만 사용한다. 

똑같은 밝기의 R, G, B를 내려고 한다면 Red는 전압을 덜 걸어주고, Blue는 전압을 더 걸어줘야 똑같은 밝기로 나온다.

구동할 때 맞춰줘야 한다. (Gamma Correction)

 

 

 

 

Driving LC Display

<Static driving>

픽셀 각각을 구동한다. 저해상도 디스플레이에 사용한다.

<Passive Matrix Addressing> - [액정+유리판]

선택한 열과 행에 전압을 가할 때만 빛이 나온다. (row가 선택됐을 때만 빛을 발한다) 즉 100행이라면 1/100 시간만 빛을 발한다. 결과적으로 1의 밝기를 내기위해서는 100의 밝기의 전압을 가해야한다. (사람의 temporal CSF에 의해서 평균값인 1로 인지한다)

 

단점 : 화면해상도가 높아지면 빛을 내는 시간이 줄어들어 백라이트 광원이 세야한다. 발광효율이 좋지 않다. 만드는거 어렵고 에너지 효율, 광효율도 나쁨

또한 row수가 많아질수록 가장 밝고 가장 어두운 밝기를 내는 전압 차이가 줄어든다. 즉 가장 밝고 가장 어두운 밝기 차이가 얼마 나지 않아지므로 contrast가 안좋아진다. 화질도 안좋음

 

장점 : 상대적으로 싼 가격이다.

<Active Matrix Addressing> - Active 소자 사용 [액정+유리판+캐패시터+트랜지스터]

한 frame time 동안 어떤 밝기의 빛을 내라고 assign 받는다. (배터리=캐패시터)

다른 row가 assign 받을 동안, 자기 row가 선택되지 않은 시간에 계속 빛을 낸다.

여기서 스위치 역할을 하는 것이 트랜지스터이다. 게이트에 거는 전압에 따라서 소스, 드레인 사이가 on, off된다.

row=100이라면, 선택되는 시간은 1/100초이고(스위치 on), 그 1/100초 동안 캐패시터가 charging된다.

그 다음 1/100초에는 스위치 off 되고 충전된 캐패시터 값이 액정에 그대로 걸려서 밝기가 결정 된다. 

즉 100행이라면 99/100 시간에 빛을 발한다. 행이 커질수록 1로 근접하므로 발광효율이 좋다. 해상도의 영향을 받지 않는다. 각각의 픽셀에 캐패시터와 스위치가 필요하다. 액정 양단에 거는 전압 때문에 캐패시터가 필요하고, 선택하기 위해 스위치가 필요하다.

 

장점: 발광에 있어서 contrast ratio, power efficient, picture quality 가 좋다.

단점 : 캐패시터, 트랜지스터가 필요하므로 비싸다.

 

 

 

Thin Film Transistor (TFT) 

저온공정으로 유리 기판 위에 공정한다.

 

*모빌리티 이동도

: 전기장 내에서 전자, 정공이 얼마나 빠르게 drift하는지 정도를 뜻한다.

전기장의 크기와 캐리어의 속도vd 는 비례하는데 그 비례상수가 모빌리티이다. 단위는 cm^2/V-sec

 

(그냥 실리콘? : 불투명하고 넓은 면적을 만드는데 어려움이 있고 유리판에 만들어야 하는데 높은 온도에서 못만든다)

1. Amorphous silicon : 비정질실리콘

전자가 움직이는 속도인 electron mobility가 0.5cm^2/V-sec로 안좋다. (그냥 실리콘은 1000정도...) hole mobility는 더 낮아서 PMOS CMOS는 못만든다. NMOS만 만들수있다.

LG TV에 사용.

uniformity가 좋다. 공정이 간단하고 수율이 높다. 하지만 전자 이동도가 낮아서 고해상도 디스플레이에서는 효율이 떨어진다. 

불투명한 전극을 쓴다. 햇빛을 받으면 반응해서 빛이 지나가지 못하게 불투명 전극을 사용한다.

 

[공정과정]

게이트전극 증착 및 패터닝 (마스크1) - 절연막 증착, a-si 증착 - 소스드레인 증착 및 패터닝(마스크2) - 보호막 증착 및 contact hole형성 (마스크3) - 화소전극 증착 및 패터닝(마스크4)

 

외부에서 비정질실리콘에 에너지를 주면 특정 영역 별로 정질실리콘처럼 되고, 영역과 영역 사이는 비정질이 되는데 이것을 낮은 온도에서 처리한 것이 LTPS이다. 

 

2. LTPS (Low temperature polysilicon)

삼성에서 액정 디스플레이 만들 때 사용한다. 휴대폰용 LCD, 휴대폰용 OLED를 구동하는 트렌지스터. 

mobility가 100cm^2/V-sec으로 p-type, n-type, c-type 다 만들 수 있고 작은 사이즈의 트렌지스터를 만들 수 있다. 

그리고 개구율이 좋다. 개구율 크기를 결정하는 것이 모빌리티

개구율이 좋아서 적은 빛으로도 원하는 밝기를 낼 수 있다.

전류를 빨리 흘리기 때문에 스위치 on off 시간이 짧다. 그래서 높은 frame rate에 좋다.

단점은 레이저를 이용하는 ELA(Excimer Laser Annealing) 공정을 통해서 결정을 성장시키다 보니 레이저 빔의 크기를 키우는데 한계가 있어 대형화가 어렵고 공정 비용이 비싸다. 장점은 빠른 전자이동도로 집적화가 가능하고 고해상도를 제작할 수 있다.

 

Aspect-ratio = 빛이 지나가는 면적/ 화소면적

하나의 화소에서 gate line, source line이 차지하는 폭이 크면 개구율이 낮아진다. LPTS로 만들면 트랜지스터를 얇게 하고도 원하는 특성을 내니까 aspect ratio가 좋고 high resolution을 만들 수 있다.

 

LCD는 frame rate가 120이나 240인데, 그래서 한 row를 charging하는데 허용된 시간이 굉장히 짧다. 1/120*1/row수(초)

그러므로 그만큼 전류가 빨리 흘러야하고, 그러기 위해서 모빌리티가 높아야한다.

: a-si 대비 LTPS 전기적 장점 response time이 빠름

 

ppi (단위 인치 당 화소) 가 300~500개인 스마트폰은 mobility가 높은 LTPS를 사용하고, ppi가 30~50인 TV는 Amorphous silicon을 사용한다.

 

[공정과정]

a-si증착 - 탈수소화 - LPTS공정 - 폴리실리콘 패터닝(마스크1) - 게이트 절연막 증착, 게이트전극 증착 및 패터닝 (마스크2) - pmos이온주입(마스크3)-nmos 이온주입(마스크4)- 이온활성화(RTA) - 층간 절연막 증착 및 contact hole형성 (마스크5) - 소스드레인 전극 증착 및 패터닝 (마스크6) - 보호막 증착 - 컨택 홀 형성 (마스크7) - 화소전극 증착 및 패터닝(마스크8)

 

3. InGaZO (산화물반도체)

mobility는 10정도. LG OLED TV에 사용함.

Oxide TFT는 산화물반도체를 이용한 트랜지스터이다. 주로 투명 디스플레이를 제작하는데 적합하다.?

금속 산화물은 주로 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 이용한다. Oxide TFT는 마스크 공정 개수가 LTPS보다 훨씬 적고 레이저빔이 필요없기 때문에 가격 저렴하고 대형화가 가능하고 LTPS 대비 누설전류가 훨씬 적다는 장점이 있다. 

단점은 전자이동도가 낮다. 또한 스퍼터링으로 이그조를 물리적으로 증착시키므로 결함이 생겨 신뢰도에 문제가 있다.

 

[공정과정]

게이트전극 증착 및 패터닝 (마스크1) - 절연막 증착, 이그조 증착 - 열처리 - 이그조 패터닝(마스크2) - ESL 증착 - ESL 패터닝(마스크3) -  소스드레인 증착 및 패터닝(마스크4) - 보호막 증착 및 contact hole형성 (마스크5) - 화소전극 증착 및 패터닝(마스크6)

 

AMOLED Panel	Poly-Si TFT	a-Si TFT	Oxide TFT
Semiconductor	Poly-crystalline Si	Amorphous Si	Amorphous IGZO
TFT uniformity	Poor	Good	Good
Pixel circuit	Complex(5T+2C)	Complex(4T+2C,5T+2C)	Simple/Complex (2T+1C,6T+2C)
Channel mobility	100cm^2/V-sec	1cm^2/V-sec	10cm^2/V-sec
TFT type	PMOS(CMOS)	NMOS	NMOS
TFT mask steps	5~11	4~5	5~7
Cost	High	Low	Low

 

* LCD 한 개 화소 간단히 요약

트랜지스터의 드레인은 액정의 polarizer와 붙고, 캐패시터의 한 쪽 전극과도 붙는다. 전극재질은 ITO 투명전극이다.

드레인에 ITO랑 붙고, 캐패시터 나머지 한 쪽 전극은 게이트 라인에 붙이거나 별로 라인을 뽑아쓴다.

게이트에 전압을 걸면 채널이 형성되고 소스와 드레인이 연결된다.

캐패시터에 걸리는 전압은 영상 신호에 의하여 결정된다. 

여기서 트랜지스터를 유리판 위에 저온공정하는것을 TFT공정이라고 한다.

 

*TFT 구조

-bottom gate TFT : LCD

-top gate TFT : AMOLED

 

 

 

<LCD 광효율>

backlight - polarizer - TFT glass - liquid crystal - color filter glass - polarizer 

 60~75%      50%         60%           90%                 30%             90%

 

설계할 때 높은 광효율을 위해 조절할 수 있는 부분 : back light, TFT glass

조절 못하는 부분 : polarizer, LC, color filter

 

Direct LED BLU : 75%

Edge LED BLU : 60%

 

LCD광효율 = ~5%

 

 

[컬러를 디스플레이 하는 방법]

backlight - polarizer - TFT glass - liquid crystal - color filter glass - polarizer 

 

LCD구조에서 liquid crystal까지는 흰색 빛 양이 조절돼서 통과된다.

그 다음 R, G, B color filter 를 통과하면서 특정 밝기의 색을 표현한다.  

즉 하나의 픽셀에 R, G, B 각각의 서브 픽셀이 있는 것이다. 

 

 

[Issues on LCD]

1. Luminance : 흰색으로 maximum 했을 때의 밝기

단위는 nit or cd/m^2 , BLU와 연관됨. 

2. Contrast ratio : 선명함 결정

최대밝기/최소밝기 , 최대밝기는 BLU와 연관되기 때문에 최소밝기를 줄여야한다. 

3. Spatial resolution : 해상도 결정

FHD : 1920*1080

4. Bit resolution

픽셀 당 몇 bit인지 , Weber's law

5. Temporal resolution

초 당 몇 장을 디스플레이 하는지. 120 frames/sec

5. Viewing angle

center 대비 색과 밝기가 얼마나 죽는지? 1/2까지 죽는게 시청가능

6. Response time 

 

 

Viewing angle

어디서 보냐에 따라 액정 특성 때문에 나한테 들어오는 빛의 방향이 달라서 시야각 문제가 생긴다.

 

시야각 문제 해결방법

1. Multi-mode 

2. In Plane Switching (IPS) : LG Display

3. Vertically Aligned (VA) : Samsung Display

4. Optical Compensation

 

 

[CRT 대비 LCD 장단점]

장점	단점
고화질 (화소 개수 때문에)	Motion Blur 발생 (끌림현상)
경량, 박형	시야각에 따른 화질 저하
다양한 면적 구현 가능	타발광소자
장수명
다양한 Application 적용 가능
대량 생산 infra

 

* LCD가 모션블러 (끌림현상)이 나타나는 이유?

1. hold type display 때문

LCD, OLED는 matrix구동을 한다. matrix구동은 한 frame 동안 같은 값이 계속 있다. 그리고 사람 눈은 평균 내서 본다. 그래서 뿌옇게 보인다. (CRT는 전자빔이 형광체를 때릴때만 빛을 낸다는 것과 차이가 있다.)

2. 액정의 response time 때문

액정이 움직이는 속도가 느려서 제대로 밝기가 표현이 안돼서 모션 블러 현상이 발생한다.

 

화면을 디스플레이 할 때 한 개의 프레임을 디스플레이 하는 시간보다 액정이 움직이는 시간이 더 길어서 발생한다.

화면이 빠르게 바뀔 때 (ex 야구 경기에서 야구 공이 움직이는 경우) 한 개 프레임도 제대로 디스플레이하지 못하고 그 다음 프레임을 디스플레이 하려니까 영상 끌림 현상이 발생한다.

-> 픽셀 구동 전압을 크게해서 액정 응답 속도를 더 빠르게 하거나, 프레임 주파수를 높혀 새로운 프레임을 추가하여 모션블러를 방지한다.