LCD패널 관련 용어들  >>

 

공통 배선(common bus line)은 TFT 기판에서 게이트(행), 소스와 드레인(이상 열)에 공통으로 접속되는 배선입니다. 즉, 각각의 (부)화소에 전압을 인가하기 위하여 행 또는 열에 해당하는 (부)화소들을 가로와 세로 배선으로 연결하고, 두 개의 배선을 동시에 선택하면 교차하는 지점의 (부)화소가 선택, 작동됩니다. 공통 전극(common electrode)은 일반적으로 TFT 기판의 전극과 마주보도록 컬러 필터 기판에 배치되어 액정을 구동하는 전극입니다. 물론 FFS나 IPS 모드에서는 TFT 기판과 동일 평면상에 형성되기도 합니다만, 이 때는 상대 전극으로 이해하면 될 듯 합니다. 여하튼 TFT 기판에서는 각 (부)화소마다 독립된 전극을 갖지만, 컬러 필터 기판에서는 전체를 하나의 공통 전극으로 연결하며, 항상 일정한 기준 전압을 유지하고 있죠. 즉, 액정은 공통 전극에 일정 전압이 유지된 상태에서, TFT 기판의 (부)화소 전극에 인가되는 전압을 변경하면서 두 전압의 차이로 구동됩니다.

 

러빙(rubbing)은 액정 분자들이 균일한 선경사각(pre-tilt angle)을 가지며 한 방향으로 배열될 수 있도록 배향층의 표면을 부드러운 천(나일론, 면)으로 문질러서 홈 구조를 만드는 공정입니다. 그리고, 배향층 표면의 액정 분자들은 홈의 방향으로 배열이 되죠. 홈의 방향을 러빙 방향, 이 방향이 기판과 이루는 각도를 러빙 각이라고 하며, 배열된 액정 분자들이 표면으로부터 내부 공간 쪽으로 벗어난 각도를 선경사각이라고 합니다. 밀봉층(sealing layer)은 액정을 밀봉하기 위하여 패널의 가장자리를 둘러 형성된 층, 셀 간격(cell gap)은 상판과 하판 간의 간격, 그리고 스페이서(spacer)는 두 기판 간의 간격을 유지하기 위하여 패널 안에 설치되는 구조물입니다. 배향(alignment)은 액정 분자들을 일정 방향으로 배열시키는 행위이며, 이를 위해 배향막(alignment layer)이 필요하죠. 배향을 위해서는 배향막의 러빙 공정도 있지만, 이 외에도 규소 산화물의 사방 증착법, 계면 활성제 처리, 그리고 광학적인 방법 등이 있습니다. 배향막은 LCD 패널의 기본 구조에서 설명한 바가 있죠. 

 

보상 필름(compensation film), 위상차 필름(retardation film)은 액정 셀의 위상 지연값을 감소, 혹은 증가시키기 위하여 셀의 바깥쪽에 위치하는 필름으로써 시야각을 넓히는 목적으로 사용됩니다. 광학적 이방성을 가지는 고분자 막으로써, 복굴절을 제어함으로써 입사 편광을 변환하는 필름입니다. 블록(blocks)은 화소 내에서 화소 전극과 공통 전극 사이의 빛이 통과하면서 계조를 표시할 수 있도록 설계된 영역입니다. 블랙 매트릭스(Black Matrix, BM)는 하판의 TFT 영역을 비정상적으로 통과한 빛을 상판에서 막아주는 역할을 하며, 특히 명암비를 높이기 위하여 RGB 컬러 필터들 사이에 만들어진 띠 구조는 블랙 스트라이프(black stripe)라고도 합니다.

 

쉐브론(Chevron) 전극은 전압 인가시 액정 분자들이 편광자에 대해 45도로 경사 배향이 될 수 있도록 투명 전극을 쉐브론 모양(갈매기, 혹은 V자 모양)으로 형성한 전극 구조입니다. 오버 코트(OverCoat, OC)는 컬러 필터 표면의 평탄화를 위하여 적용되는 막이죠. 이색성 색소(dichroic dye)는 특정한 방향으로 더 많은 빛을 흡수하는 분자로 분자의 장축 방향의 편광을 흡수하는 색소를 양(positive) 이색성 색소, 횡축(수직) 방향의 빛을 흡수하는 것을 음(negative) 이색성 색소라 합니다. 컬러 필터(color filter), 편광자(polarizer), 편광축(polarization axis) 등에 대해서는 앞서 설명한 바가 있습니다.
 

 

 

LCD모듈, 기본구조, BLU >>

LCD 모듈(LCD Module, LCM)은 LCD 패널에 BLU, 구동부, 그리고 외관인 샤시를 연결, 조립한 것입니다. 여기서 구동부는 구동 IC, PCB와 FPC(Flexible Printed Circuit) 등 LCD의 구동에 필요한 칩과 회로, 커넥터 등을 포함하죠. 여기서는 BLU에 관하여 설명하겠습니다. BLU는 용어 그대로 뒤(Back)에서 비추어주는 빛(Light)을 만드는 장치(Unit)입니다. 따라서 광원이 있어야 하며, 광원으로부터 나온 빛을 LCD 패널 쪽으로 가이딩하여 올바른 방향으로 잘 퍼지게 하는 기구물들이 필요합니다. 광원의 경우, 초기에는 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)을 사용하였으나, 이후로 효율과 휘도가 높고, 수명이 길며 친환경적인 강점이 있는 LED(Light Emitting Diode)로 바뀌었습니다.

 

그리고, LED 광원들이 설치, 배열되는 위치에 따라 직하형(direct type)과 가장자리형(edge type)으로 분류되는데, 직하형은 광원들이 LCD 패널의 아래에 2차원 어래이로 설치되고, 가장자리형은 옆에 일렬로 설치됩니다. 직하형의 경우, 한층 밝은 화면을 만들 수 있고 밝기를 국부적으로 조절하는 분할 구동, 즉 로컬 디밍(local dimming)에 유리하나, 두께와 무게, 그리고 가격이 올라간다는 단점이 있으며, 가장자리형은 밝기와 로컬 디밍에 일부 불리한 점이 있습니다.

 

그러나 LED 기술의 발전으로 서로의 장점을 충분히 흡수하고 있는데, 직하형도 1mm 이하의 두께가 가능하며, 가장자리형으로도 로컬 디밍이 잘 이루어지고 있죠. 물론 두 방식의 장점을 결합은 하이브리드형도 있습니다. 여하튼 직하형은 밝기, 가장자리형은 디자인에 강점이 있습니다. 

 

특히 가장자리형에서는 LED 광원과 함께 기구물들, 특히 다양한 시트류들이 설치되어 있는데, 패널 영역으로 빛을 전달하는 도광판(Light Guiding Plate, LGP), 뒤로 빠져나가는 빛의 손실을 막는 반사 시트(reflection sheet), 빛을 산란시켜서 골고루 퍼지게 하는 확산 시트(diffusion sheet), 그리고 빛의 방향을 패널 쪽으로 향하도록 하는 프리즘 시트 등이 있습니다.
 

도광판은 주로 투명한 아크릴(Poly Methyl MethAcrylate, PMMA)을 이용하며, 표면에 일정 모양의 패턴을 형성하여서 빛이 반사와 산란을 통하여 전달되도록 합니다. 반사 시트는 BLU의 아래쪽에 위치하여 광원이나 도광판에서 오는 빛을 패널 쪽으로 반사하는 역할을 하는데, 작은 돌기들로 이루어지기도 합니다. 돌기들은 광원에서 멀어질수록 크게 만들어서 반사량을 조절하죠. 주로 폴리에스터(Poly Ethylen Terephthalate, PET) 필름에 반사율과 내열성이 높은 금속이 코팅된 구조입니다. 확산 시트는 도광판 위에 위치하며, 점이나 선 모양의 빛을 산란시켜 고르게 퍼지도록 하여 균일도를 높입니다. 또한, 도광판의 패턴을 은폐하고, 비드(bead)의 굴절 효과로 정면 방향으로의 휘도를 높이는 역할도 하죠. 주로 폴리에스터 필름에 아크릴이나 규소 혹은 티타늄 산화물 비드를 사용합니다. 프리즘 시트는 수직 방향으로 집광에 필요하며, 수십 마이크로 크기의 프리즘 형상을 필름 위에 배열시킨 구조입니다. 입사광의 절반 정도가 전반사를 하며, 휘도 증가에 기여를 하죠. 역시 폴리에스터 필름을 기재로 하며 프리즘 패턴 소재로는 높은 굴절률과 투과도를 갖는 자외선 경화 아크릴 수지 등을 사용합니다. 소재와 함께 다양한 패턴이나 모양, 굴절률, 내구성과 내마모성 등의 물리, 광학적 특성 변수들이 다양하여 BLU 적용 시트류에서는 연구가 많이 필요한 부분입니다. 이 외에도 확산 시트와 프리즘 시트를 보강할 수 있는 마이크로 랜즈 어래이, 여러 시트들의 효과를 결합하는 적층형 하이브리드 복합 시트, 그리고 액정의 동작 모드나 특별한 용도에 따라 채택할 수 있는 다양한 편광 시트류 등이 있습니다.

 

 

 

LCD모듈, 기본구조, 구동부 >>

 

컴퓨터의 graphic controller에서 출력되는 디지털 화상 데이터가 LCD timing control(TCON) ASIC으로 입력되고 TCON ASIC에서는 입력된 데이터를 드라이버 IC가 처리 가능한 형태의 디지털 신호로 변환하고 column과 row드라이버 IC 구동에 필요한 각종 timing control 신호 등 제어신호를 함께 발생시킵니다. 또 시각 특성을 고려한 gray scale별 투과율의 직선성 조절을 위해 감마 보정(gamma correction)을 수행하며 gamma reference voltage에서 이것의 기준을 제공합니다.

 

LCD 모듈에서 구동부는 영상 신호를 신호를 받아서 화면의 화소까지 이르는 경로입니다. 이 경로를 따라가며 구동부를 설명하여 보겠습니다. 외부 입력으로는 패널을 동작시키기 위한 직류 전압이 필요하고, 계조를 표현할 수 있는 RGB 영상 신호, 그리고 시스템 동기를 위한 클럭이 있습니다. 제어 IC에서는 영상 신호와 클럭을 받아서 시스템의 타이밍에 맞추어 각 부화소들에 영상 신호가 인가될 수 있도록 주사 구동 회로부와 데이터 구동 회로부를 제어하는 역할을 하죠. 

 

LCD 모듈의 인터페이스 커넥터로는 두 개의 포트를 통하여 신호가 들어오는데, 하나의 포트에서는 전원 신호가 들어오며, 이는 DC/DC 컨버터를 통하여 시스템이 필요로 하는 전압을 만들어 줍니다. 즉, T-CON부와 주사 및 신호 구동 IC부, 감마 보정부, 그리고 BLU부에 이르기까지 적절한 전력을 공급합니다. 그리고 다른 하나의 포트에서는 RGB 각각에 대한 영상 신호와 함께 동기 신호와 제어 신호가 들어옵니다. 이 신호들은 타이밍 컨트롤러(Timing-CONtroller, T-CON)로 전달이 되며, 이로부터 주사(scan, gate) 구동 회로부와 데이터(data, source) 구동 회로부로 신호들이 분기되어 전달됩니다. 신호 구동 회로부로는 감마 보정 신호가 함께 인가되지요. 이렇게 하여, 패널의 행(row) 구동 라인의 TFT 게이트 전극들에는 주사 전압, 열(column) 구동 라인의 TFT 소스 전극들에는 데이터 전압이 인가됩니다.

 

 

주사 구동 회로부는 타이밍에 따라 차례대로 각각의 행 라인에 전압을 인가합니다. 상단부터 하단의 라인까지 순차적으로 신호를 보내기 위한 시프트 레지스터(shift register), 화소를 온 상태로 하기 위한 전압을 제공하는 레벨 시프터(level shifter), 그리고 만들어진 전압을 지연이 없이 빠르게 신호선으로 인가하는 출력 버퍼(output buffer)로 구성되어 있죠. 데이터 구동 회로부는 기본적으로 RGB 영상 신호를 받아서 각각의 RGB 부화소에 전달하는 역할을 합니다. 영상 신호는 주로 디지털 신호(2진 신호)로 입력되죠. 구성을 살펴보면, 먼저 외부로부터 오는 각 열의 영상 정보를 수평 클럭과 동기하여 샘플링하는 샘플링 래치(sampling latch)가 있고, 역시 클럭에 따라 샘플링 래치의 각 셀들을 순차적으로 동작시키는 시프트 레지스터, 그리고 한 행 시간(1 horizontal time)동안 샘플링이 완료된 신호를 전달받는 홀딩 래치(holding latch)가 있습니다. 그리고, 홀딩 래치로부터의 디지털 영상 정보를 아날로그로 바꾸어주는 DA 컨버터(DA converter), 아날로그 신호를 각 부화소들로 인가하여 액정을 구동하도록 하는 출력 버퍼가 있죠. 이상이 LCD 구동부의 기본적인 설명이며, 이러한 구동부와 BLU, 그리고 LCD 패널이 상호 연결이 되어서 LCD 모듈을 구성합니다.

 

LCD, 액정(상) 관련 용어들(1)   >>

액정 및 액정상들과 관련된 용어, 액정 셀을 작동시키는 모드와 관련된 용어, 그리고 LCD의 동작 특성, 성능과 관련된 용어들을 정리하고, 설명하고자 합니다. 먼저, 액정 및 액정상들과 관련된 용어입니다. 가급적 ‘가나다 순’을 따릅니다.

강유전성 액정(ferroelectric LC)은 액정 분자가 내부에 영구 쌍극자를 가지고 있어서 자발적인 전기 분극을 가지고 있는 액정상입니다. 따라서 외부 전기장과 직접 상호 작용을 하므로 응답 속도가 빠릅니다. 다만, 쌍안정성으로 인하여 계조 구현이 어렵고, 배향이 균일하지 못하며, 외부 충격에 의해 쉽게 깨지는 단점도 있습니다. 반강유전성 액정(anti-Ferroelectric LC, AFLC)의 경우, 스멕틱 액정상의 한 종류로 영구 쌍극자들의 극성이 각 층들 간의 반전이 되어있는 상태입니다. 전기장이 인가되면 쌍극자들의 극성이 한쪽 방향으로 균일하게 정렬되면서 강유전성 액정 상태로 전이되죠. 즉, 전기장에 의해 광축이 정렬되면서 어두운 상태에서 밝은 상태로 전환됩니다. 고속 응답 특성을 가지고, 계조 구현이 가능하며, 멀티 도메인에 의해 넓은 시야각을 확보할 수 있으나, 역시 배향에 관한 어려움으로 인하여 상용화는 되지 못하고 있습니다.

 

경사 결함, 혹은 전경선(disclination line)은 액정의 결함 중에서 선형 결함(line defect)에 해당하며, 도메인의 경계를 말합니다. 꼬임각(twisted angle)은 꼬인 네마틱 셀의 위쪽 방향자(director)와 아래쪽 방향자를 평면에 투영시켰을 경우에 두 방향자가 틀어진 각도이며, TN LC는 90도, STN LC는 180도에서 270도의 범위를 가집니다. 광축, 혹은 광학축(optic axis, optical axis)은 빛이 액정과 같은 이방성 매질을 투과할 때 편광 상태가 변하지 않는 진행 방향을 의미합니다. 나선 피치 혹은 카이랄 피치(helical pitch, chiral pitch)는 콜레스테릭 액정과 같이 액정 분자들이 꼬여있는 나선 구조에서 방향자가 360도의 회전을 하기 위한 최소 거리를 말합니다. 네마틱 액정에 카이랄 첨가제를 넣으면 액정 분자들이 나선 구조를 가지게 되며, 이 때 나선 피치는 첨가제의 농도에 따라 변하게 되죠.

 

 

 

네마틱 상(nematic phase)은 액정 분자들 간의 방향 질서는 있고 위치 질서는 없는 액정 상입니다. 위치가 고정되어 있지는 않지만, 분자들 간의 상호 작용으로 방향성을 가지므로 방향자가 존재하며, 따라서 굴절률, 유전율, 자화율 등의 전기광학적 특성에서도 이방성을 가집니다. 이를 이용한 것이 네마틱 LCD이며, 외부에서 전기장을 인가하여 액정 분자들을 전기장의 방향에 수직, 혹은 평행하게 배열시키면서 통과하는 빛의 편광을 조절합니다. 스멕틱 상(smectic phase)에서는 액정 분자들이 장거리 방향 질서와 함께 부분적으로 위치 질서를 가지며 층을 형성합니다. 층 간의 분자 이동에는 속박이 있지만 층 안에서는 자유로이 움직일 수 있는 상태로써, 1차원 분자 중심의 위치 질서도를 가지고 있으며, 2차원 평면에서는 분자 중심의 이동이 자유롭죠. 위치 질서도에 따라 더욱 세분화되는데 발견된 순서로 이름에 A, B, C가 붙여집니다. 카이랄 상(chiral phase)은 자발적으로 꼬임 상태를 갖는 액정 상이며, 콜레스테릭 상(cholesteric phase)의 경우, 액정의 방향자가 평면에서는 네마틱 질서도, 평면에 수직한 방향으로는 나선 구조를 가집니다. 

 

<다음호에 이어서 계속>