기술자료/기술동향
LCD (Liquid Crystal Display)란?
어린왕자!
2006. 8. 24. 15:13
1. LC(Liquid Crystal)란 ?
LCD에서 LC는 일정 온도 범위에서 유동성을 지닌 액정 상태이며 동시에 광학적으로 복굴절성을 나타내는 결정이다. 분자의 배열이 어떤 방향으로는 불규칙적이며 액체상태인데 다른 방향으로는 규칙적이어서 광학적으로 결정상태를 나타내므로 이방성 액체라고도 한다.
보통 물질은 용융 온도에서 고체로부터 투명한 액체로 변화하지만, 액정물질은 용융 온도에서 우선 불투명하고 혼탁한 액체로 일단 변화하고 그 후 더욱 온도를 올리면 보통의 투명한 액체로 변화한다. 예를 들면, 파라아족시아니솔의 결정을 가열하면 116℃에서 융해하여 액정이 되며, 134℃ 이상에서 액체가 된다. 액정이 되는 물질에는 그 밖에 벤조산콜레스테린·파라아족시페네톨·파라메톡시신남산·올레산나트륨 등이 많이 알려져 있다.
액정이란 명칭은 고체상과 액체상의 중간상태인 액정상을 가리키는 경우와 이러한 액정상을 같는 물질 그 자체를 가리키는 경우의 두 가지 의미로 사용되고 있다.
2. LCD의 역사
CRT는 1887년 브라운이 최초로 전자관(음극선관 또는 브라운관이라고도 한다)을 발명하면서부터, 액정 디스플레이는 이보다 1년 늦은 1888년, 오스트리아의 F. Reinitzer에 의해 액정이 처음 발견되면서부터 시작된다. 액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이상태의 것으로일정 온도범위에서 액정이 되는 서모트로픽 액정(Thermotropic Liquid Crystal)이라 불리는 유기화합물이다.
그러나 제품으로 응용은 발명되고 얼마 지나지 않은 1934년 영국인 쇤베르크가 CRT(Cathode Ray Tube)를 이용하여 진공관 TV를 발명한 것과는 달리, LCD는 1968년 미국 RCA사에 의해 디스플레이에 응용되기까지 오랜 시간이 걸렸다. 하지만 1973년부터 전자 계산기와 시계에 많이 이용되기 시작한 액정은 이 후부터 꾸준한 발전을 거듭해, 1986년에는 STN LCD와 소형 TFT LCD가 실용화되는 단계에 이른다. 1990년대에 들어와서는 10인치 TFT LCD의 양산화가 실현되면서 노트북PC의 대표적인 디스플레이로 자리잡았고, 이제는 CRT를 대체하는 디스플레이 중 하나로 각광받고 있다.
3.LCD의 구조 및 원리
칼라 TFT-LCD의 구조를 보면, 백라이트에서 나온 빛이 반사 및 분산 장치에 의해 액정패널쪽으로 입사된다. 액정 패널은 두 개의 유리판 사이에 비틀림네마틱(TN)액정이 약 5μm 두께로 채워져 있으며, 빛이 입사된 쪽의 유리판 위에 TFT 및 ITO 화소와 액정배향층이 있고, 다른 쪽의 유리판 위에는 컬러필터와 액정배향층(폴리이미드)이 코팅되어 있다. 그리고 두 장의 유리판 밖에는 편광판이 부착되어 있다.
컬러화상은 R(적색), G(녹색), B(청색) 세 종류의 컬러필터를 조합하여 얻어진다. R, G, B 세 개의 화소가 모여서 한 개의 컬러화소를 이루며, TFT는 R, G, B 화소에 각각 연결되어 있기 때문에 SVGA(800×600)
화면 구성의 경우 3×480,000개의 TFT가 필요하다. TFT는 각 화소의 스위치 역할을 하는 소자로서 TFT가 on 되면 픽셀의 양단간 전압이 차에 의하여 액저에 분자 배열이 변화되고, 이러한 분자 재배열에 의한 빛의 변조를 이용하여 디스플레이를 하게 된다.
4.LCD의 특징
LCD는 이러한 액정의 특성을 이용해 만드는 디스플레이로서 특징을 열거하면 다음과 같다.
(1) 저소비 전력(수∼수십μW/cm2)으로 장시간의 전지구동이 가능한 에너지 절약형이다.
(2) 저전압에서 동작(수∼10V)하므로 직접 IC 구동이 가능하고 구동 전자회로의 소형화, 간략화가 가능하다.
(3) 소자가 얇고(수mm), 또한 대형표시(수십 cm대각)에서 부터 소형표시(수 mm대각)까지 가능하다. 특히 휴대형(portable)기기에 적합하다.
(4) 수광형 표시이므로 밝은 장소에서도 표시가 선명하다.
(5) 표시의 컬러화가 쉽기 때문에 표시기능의 확대, 다양화가 이루어질 수 있다.
(6) 투사확대 표시나 집적표시가 가능하여 대화면 표시 (수 m대각)가 용이하다.
그러나 이러한 LCD의 경우 다음과 같은 단점도 가지고 있다.
(1) 비발광형이므로 반사형 표시인 경우 어두운 곳에서 표시의 선명함이 떨어진다.
(2) 선명한 표시가 요구되는 경우 또는 컬러 표시의 경우 후광(back light)을 필요로한다.
(3) 표시 콘트라스트가 보는 방향에 의존하는 경우가 많아서 시각에 제약을 받는다.
(4) 응답시간이 주위 온도에 의존하기 때문에 저온동작(-30∼-40℃)에 어려움이 있다.
5. LCD의 용도 및 분류
LCD는 크게 디스플레이 형태와 구동방식에 따라 분류될 수 있다. 디스플레이 형태에 따라서 투사형 LCD와 직시형 LCD로 나눌 수 있다. 주로 대면적의 화상 디스플레이를 구현하기 위해 사용되며, 광원을 2차원의 화상 정보를 이용하여 제어하여 공간상에 배치된 스크린에 투사하거나, 고휘도의 영상이나 데이터 화면을 광학 장치를 이용하여 스크린에 확대 투사함으로써 대화면의 화상을 얻는 디스플레이 장치이다. 주로 40″(인치) 이상 수백 인치의 화상을 얻을 수 있다. 이러한 투사형 LCD는 스크린(screen)과 투사광원의 위치에 따라 배면 투사형(rear projection)과 전면 투사형(front projection)으로 구분된다.
투사형 LCD는 라이트 밸브, 광학계, 회로계 및 기구계로 구성되어 있다. LCD에서 나오는 빛을 직접 보는 직시형 LCD는 투과형(transmissive)과 반사형(reflective)으로 나뉜다. 투과형은 백라이트를 이용하여 나온 빛의 세기를 LCD 패널에서 조절하고 반사형은 주로 자연광 및 주변의 빛이 LCD 패널에서 반사되어 화상이 형성된다.
구동방식에 따라 전기적 구동(electrically addressed) LCD와 광학적 구동(optically addressed) LCD로 나눌 수 있다. 광학적 구동 LCD는 spatial light modulator가 한가지 예이며 광신호에 의해 LCD를 제어하는 것이다. 전기적 구동방식은 화소전극의 구동시 능동소자의 유무에 따라 수동행렬(passive matrix) LCD와 능동행렬(active matrix) LCD로 구분될 수 있다. 수동행렬방식은 주로 초기의 LCD 제품(시계, 계산기 등)에 많이 이용되었고 LCD에 쓰이는 액정의 종류에 따라 Twisted Nematic(TN)-LCD, Super Twisted Nematic(STN)-LCD, Ferroelectric(F)-LCD와 Polymer Dispersed(PD)-LCD 등으로 분류된다. TN-LCD는 현재 LCD제품에서 가장 많이 쓰이고 있으나 느린 응답속도, 좁은 시야각과 사용온도 범위 등의 문제점을 안고 있다. STN-LCD는 twist 각이 240°∼270°로 인가전압에 따른 투과도가 매우 급격히 변화되는 점을 이용하여 초기의 LCD-TV 및 노트북에 사용되었다. F-LCD는 강유전성 액정을 사용한 디스플레이로서 현재사용되는 LCD중 가장 빠른 응답속도를 나타낸다. PD-LCD는, 현재 주로 사용되고 있는 TN 모드방식의 경우 편광판을 필요로 하며 편광판에 의해 입사광의 1/2 정도가 흡수되어 열로 바뀌기 때문에 광이용 효율이 낮아지는 문제점을 개선하기 위하여 제안된 방식이다. PDLC는 액정의 유동성과 고분자 물질의 구조 및 복굴절성 등을 활용하는 것으로 고분자 재료와 액정을 혼합하는 경우, 액정의 유동성으로 액정 방울들이 polymer와의 경계에서 분자력 및 경계 조건 등에 의하여 분자 배열을 하게 되는데, 거시적으로는 각 방울들은 임의의 분자 배열을 하게 된다. 이 상태에서 평행한 빛이 입사되면 액정의 복굴절성에 의하여 액정 방울을 지나가면서 전계인가에 따라 굴절 방향이 바뀌게 된다.
LCD의 용도로는 TV, e-paper, IMT-200 등 민생분야로부터 PDA, Note book, sub notebook, monitor, OA 등의 산업 분야에 이르기까지 넓은 범위로 확대되고 있다.
(출처:한국디스플레이연구조합)
LCD에서 LC는 일정 온도 범위에서 유동성을 지닌 액정 상태이며 동시에 광학적으로 복굴절성을 나타내는 결정이다. 분자의 배열이 어떤 방향으로는 불규칙적이며 액체상태인데 다른 방향으로는 규칙적이어서 광학적으로 결정상태를 나타내므로 이방성 액체라고도 한다.
보통 물질은 용융 온도에서 고체로부터 투명한 액체로 변화하지만, 액정물질은 용융 온도에서 우선 불투명하고 혼탁한 액체로 일단 변화하고 그 후 더욱 온도를 올리면 보통의 투명한 액체로 변화한다. 예를 들면, 파라아족시아니솔의 결정을 가열하면 116℃에서 융해하여 액정이 되며, 134℃ 이상에서 액체가 된다. 액정이 되는 물질에는 그 밖에 벤조산콜레스테린·파라아족시페네톨·파라메톡시신남산·올레산나트륨 등이 많이 알려져 있다.
액정이란 명칭은 고체상과 액체상의 중간상태인 액정상을 가리키는 경우와 이러한 액정상을 같는 물질 그 자체를 가리키는 경우의 두 가지 의미로 사용되고 있다.
2. LCD의 역사
CRT는 1887년 브라운이 최초로 전자관(음극선관 또는 브라운관이라고도 한다)을 발명하면서부터, 액정 디스플레이는 이보다 1년 늦은 1888년, 오스트리아의 F. Reinitzer에 의해 액정이 처음 발견되면서부터 시작된다. 액정은 언뜻 보기에는 액체이지만 광학적으로는 결정체와 같은 이방성을 나타내는 특이상태의 것으로일정 온도범위에서 액정이 되는 서모트로픽 액정(Thermotropic Liquid Crystal)이라 불리는 유기화합물이다.
그러나 제품으로 응용은 발명되고 얼마 지나지 않은 1934년 영국인 쇤베르크가 CRT(Cathode Ray Tube)를 이용하여 진공관 TV를 발명한 것과는 달리, LCD는 1968년 미국 RCA사에 의해 디스플레이에 응용되기까지 오랜 시간이 걸렸다. 하지만 1973년부터 전자 계산기와 시계에 많이 이용되기 시작한 액정은 이 후부터 꾸준한 발전을 거듭해, 1986년에는 STN LCD와 소형 TFT LCD가 실용화되는 단계에 이른다. 1990년대에 들어와서는 10인치 TFT LCD의 양산화가 실현되면서 노트북PC의 대표적인 디스플레이로 자리잡았고, 이제는 CRT를 대체하는 디스플레이 중 하나로 각광받고 있다.
3.LCD의 구조 및 원리
칼라 TFT-LCD의 구조를 보면, 백라이트에서 나온 빛이 반사 및 분산 장치에 의해 액정패널쪽으로 입사된다. 액정 패널은 두 개의 유리판 사이에 비틀림네마틱(TN)액정이 약 5μm 두께로 채워져 있으며, 빛이 입사된 쪽의 유리판 위에 TFT 및 ITO 화소와 액정배향층이 있고, 다른 쪽의 유리판 위에는 컬러필터와 액정배향층(폴리이미드)이 코팅되어 있다. 그리고 두 장의 유리판 밖에는 편광판이 부착되어 있다.
컬러화상은 R(적색), G(녹색), B(청색) 세 종류의 컬러필터를 조합하여 얻어진다. R, G, B 세 개의 화소가 모여서 한 개의 컬러화소를 이루며, TFT는 R, G, B 화소에 각각 연결되어 있기 때문에 SVGA(800×600)
화면 구성의 경우 3×480,000개의 TFT가 필요하다. TFT는 각 화소의 스위치 역할을 하는 소자로서 TFT가 on 되면 픽셀의 양단간 전압이 차에 의하여 액저에 분자 배열이 변화되고, 이러한 분자 재배열에 의한 빛의 변조를 이용하여 디스플레이를 하게 된다.
4.LCD의 특징
LCD는 이러한 액정의 특성을 이용해 만드는 디스플레이로서 특징을 열거하면 다음과 같다.
(1) 저소비 전력(수∼수십μW/cm2)으로 장시간의 전지구동이 가능한 에너지 절약형이다.
(2) 저전압에서 동작(수∼10V)하므로 직접 IC 구동이 가능하고 구동 전자회로의 소형화, 간략화가 가능하다.
(3) 소자가 얇고(수mm), 또한 대형표시(수십 cm대각)에서 부터 소형표시(수 mm대각)까지 가능하다. 특히 휴대형(portable)기기에 적합하다.
(4) 수광형 표시이므로 밝은 장소에서도 표시가 선명하다.
(5) 표시의 컬러화가 쉽기 때문에 표시기능의 확대, 다양화가 이루어질 수 있다.
(6) 투사확대 표시나 집적표시가 가능하여 대화면 표시 (수 m대각)가 용이하다.
그러나 이러한 LCD의 경우 다음과 같은 단점도 가지고 있다.
(1) 비발광형이므로 반사형 표시인 경우 어두운 곳에서 표시의 선명함이 떨어진다.
(2) 선명한 표시가 요구되는 경우 또는 컬러 표시의 경우 후광(back light)을 필요로한다.
(3) 표시 콘트라스트가 보는 방향에 의존하는 경우가 많아서 시각에 제약을 받는다.
(4) 응답시간이 주위 온도에 의존하기 때문에 저온동작(-30∼-40℃)에 어려움이 있다.
5. LCD의 용도 및 분류
LCD는 크게 디스플레이 형태와 구동방식에 따라 분류될 수 있다. 디스플레이 형태에 따라서 투사형 LCD와 직시형 LCD로 나눌 수 있다. 주로 대면적의 화상 디스플레이를 구현하기 위해 사용되며, 광원을 2차원의 화상 정보를 이용하여 제어하여 공간상에 배치된 스크린에 투사하거나, 고휘도의 영상이나 데이터 화면을 광학 장치를 이용하여 스크린에 확대 투사함으로써 대화면의 화상을 얻는 디스플레이 장치이다. 주로 40″(인치) 이상 수백 인치의 화상을 얻을 수 있다. 이러한 투사형 LCD는 스크린(screen)과 투사광원의 위치에 따라 배면 투사형(rear projection)과 전면 투사형(front projection)으로 구분된다.
투사형 LCD는 라이트 밸브, 광학계, 회로계 및 기구계로 구성되어 있다. LCD에서 나오는 빛을 직접 보는 직시형 LCD는 투과형(transmissive)과 반사형(reflective)으로 나뉜다. 투과형은 백라이트를 이용하여 나온 빛의 세기를 LCD 패널에서 조절하고 반사형은 주로 자연광 및 주변의 빛이 LCD 패널에서 반사되어 화상이 형성된다.
구동방식에 따라 전기적 구동(electrically addressed) LCD와 광학적 구동(optically addressed) LCD로 나눌 수 있다. 광학적 구동 LCD는 spatial light modulator가 한가지 예이며 광신호에 의해 LCD를 제어하는 것이다. 전기적 구동방식은 화소전극의 구동시 능동소자의 유무에 따라 수동행렬(passive matrix) LCD와 능동행렬(active matrix) LCD로 구분될 수 있다. 수동행렬방식은 주로 초기의 LCD 제품(시계, 계산기 등)에 많이 이용되었고 LCD에 쓰이는 액정의 종류에 따라 Twisted Nematic(TN)-LCD, Super Twisted Nematic(STN)-LCD, Ferroelectric(F)-LCD와 Polymer Dispersed(PD)-LCD 등으로 분류된다. TN-LCD는 현재 LCD제품에서 가장 많이 쓰이고 있으나 느린 응답속도, 좁은 시야각과 사용온도 범위 등의 문제점을 안고 있다. STN-LCD는 twist 각이 240°∼270°로 인가전압에 따른 투과도가 매우 급격히 변화되는 점을 이용하여 초기의 LCD-TV 및 노트북에 사용되었다. F-LCD는 강유전성 액정을 사용한 디스플레이로서 현재사용되는 LCD중 가장 빠른 응답속도를 나타낸다. PD-LCD는, 현재 주로 사용되고 있는 TN 모드방식의 경우 편광판을 필요로 하며 편광판에 의해 입사광의 1/2 정도가 흡수되어 열로 바뀌기 때문에 광이용 효율이 낮아지는 문제점을 개선하기 위하여 제안된 방식이다. PDLC는 액정의 유동성과 고분자 물질의 구조 및 복굴절성 등을 활용하는 것으로 고분자 재료와 액정을 혼합하는 경우, 액정의 유동성으로 액정 방울들이 polymer와의 경계에서 분자력 및 경계 조건 등에 의하여 분자 배열을 하게 되는데, 거시적으로는 각 방울들은 임의의 분자 배열을 하게 된다. 이 상태에서 평행한 빛이 입사되면 액정의 복굴절성에 의하여 액정 방울을 지나가면서 전계인가에 따라 굴절 방향이 바뀌게 된다.
LCD의 용도로는 TV, e-paper, IMT-200 등 민생분야로부터 PDA, Note book, sub notebook, monitor, OA 등의 산업 분야에 이르기까지 넓은 범위로 확대되고 있다.
(출처:한국디스플레이연구조합)