LCD 패널, 기본 구조, TFT에 관하여  >>

 

박막 트랜지스터, TFT는 스위칭 소자로써 특정 (부)화소를 정의하고 신호를 전달해주는 역할을 합니다. 화소를 점등하는 스위칭 소자로서 트랜지스터를 사용하는데, 디스플레이에서는 실리콘 기판이 아닌 유리 기판 위에 형성된 실리콘 박막에 만들어지므로 박막 트랜지스터라고 하죠. 즉, TFT는 RGB 부화소들마다 위치하여서 스위칭 역할을 담당하고 있습니다. 

 

사실, TFT의 역사는 LCD의 역사만큼이나 오래 되었는데, 1930과 1940년대에는 CdSe 소재를 이용한 TFT가 고체 촬상 소자용으로 개발되었고, 1972년에야 LCD에 적용하게 되죠. 그리고 1970년대 중 후반에 비정질 실리콘 TFT LCD가 발표되며, 이후로 저온과 고온 다결정 실리콘 TFT로 발전하였고, 최근에는 산화물 TFT, 유기 TFT 등도 활발히 개발되거나 제품에 적용이 되고 있습니다. 다만, 이 노트에서는 주류인 실리콘 TFT에 관하여 설명을 합니다.

실리콘 TFT에서 가장 중요한 부분은 전류가 흐르는 채널 영역이며, 따라서 이 영역에 해당하는 실리콘 반도체층의 결정성이 스위칭 속도와 전류 밀도를 결정합니다. 비정질 실리콘보다는 작은 단결정들의 집합체인 저온 다결정 실리콘의 전자 이동도가 더 높죠. 물론, 단결정 실리콘의 전자 이동도가 가장 높기는 하지만, 유리 기판 위에 형성되는 실리콘층은 비정질이며, 여기에 결정화 공정을 추가함으로써 저온 다결정 실리콘까지만 가능합니다. 여기서 ‘저온’이라는 의미는 유리 기판 위에 증착된 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는데, 공정 온도가 유리 기판이 손상을 입는 온도 이하임을 의미합니다. 물론 다결정 실리콘의 경우 결정립의 크기가 클수록 전자가 결정 입계를 만나서 충돌할 가능성과 횟수가 줄어들어서 이동도가 증가하게 됩니다. 비정질 실리콘 TFT의 전자 이동도는 1cm^2/(V sec) 이하이며, 반면에 저온 다결정 실리콘 TFT의 경우 결정립의 크기에 따라 수십 cm^2/(V sec) 범위의 값을 가집니다.

 

 

다음으로 실리콘 TFT의 구조에 따른 분류입니다. TFT는 먼저 게이트 전극과 소스-드레인 전극이 반도체 층의 한쪽 면에 위치하는 플라나(planar) 구조와 게이트 전극과, 소스-드레인 전극이 반도체 층을 마주보고 위치하는 스태거(staggered) 구조로 구분됩니다. 그리고, 각각의 구조에 있어서 게이트 전극이 반도체 층의 위쪽 혹은 아래쪽에 위치할 수 있으며, 이를 기준으로 상부 게이트(top gate) 구조와 하부 게이트(bottom-gate) 구조로 구분하죠. 이들 구조는 제조 공정과 동작 특성면에서 고유의 장점과 단점들이 있으며, 이와 함께 비정질 실리콘과 다결정 실리콘 등을 고려하여 해당 디스플레이의 스위칭 소자로써 선택이 됩니다. 그리고, 실리콘 TFT 이외에도 산화물 TFT, 유기물 TFT, 나아가서는 2차원 반도체 물질인 전이 금속 디칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)을 이용한 TFT 등이 지속적으로 연구, 개발이 되고 있습니다.
 

 

 

LCD 패널, 기본 구조, 편광판 >>

 

‘편광’이라는 말을 풀이하면 치우칠 편(偏), 빛 광(光)이죠. 편광이 안된 빛, 즉, 산발적으로 쏟아지는 빛을 받아서 특정 방향으로 진동하는 빛만 전달해주는 역할을 하는 것이 편광자, 혹은 편광판입니다. 대표적인 편광자로는 선격자 편광자(wire grid polarizer)와 이색성 편광자(dichroism polarizer, 2색성; 각도나 농도에 따라 색이 달라 보이는 성질)가 있죠. 그리고, 두 편광판을 통과하는 빛의 양을 조절하여 원하는 밝기를 얻을 수 있습니다. 이러한 원리를 이용하여 LCD에서는 BLU를 나온 빛은 가장 먼저 하부 기판에 부착된 편광판을 만나고, 또 액정을 통과하여 나온 빛은 마지막으로 상부 기판에 부착된 편광판을 만납니다. 물론 대부분의 LCD 패널에서 두 편광판은 90도의 각도로 서로 틀어져 있습니다. 현재 사용 중인 편광판의 기본은 1938년경, 폴라로이드의 공동 설립자인 E. H. Land에 의해 고안된 H 필름입니다.

 

이색성 편광판의 경우, PVA 필름 내에 이색성 색소(dichroic dye)를 한쪽 방향으로 정렬하여 빛의 통과 방향을 선택하는데, 이색성 색소의 종류에 따라 요소계와 염료계 편광판으로 구분합니다. 요소계 편광판은 요오드를 함유하는데 편광 기능이 좋고 투과도가 높으나 신뢰성이 일부 취약하며, 염료계 편광판은 반대로 신뢰도가 높으나 편광 기능과 투과도에 약점이 있습니다. 편광판의 두께는 약 300마이크론 정도에 불과하지만, 무려 여섯겹의 필름으로 구성되어 있습니다. 편광판의 가운데에 위치하는 PVA(PolyVinyl Alcohol) 필름은 빛의 투과 및 진동 방향을 조절하는 가장 중요한 부분이며, 이 PVA의 손상을 방지하기 위해 보호 필름이 필요합니다. 보호 필름과 PVA 필름 사이에는 역시 PVA보호와 함께 접착제 역할을 하는 TAC(Tri-Acetyl-cellulose Film) 필름이 삽입됩니다. 그리고 한쪽 면에는 감압 점착제인 PSA(Pressure Sensitive Adhesive) 필름과 제품 보호 및 사용시 쉽게 박리가 가능한 박리(이형, release, off-type) 필름이 있죠.

 

일반적인 제조 과정을 살펴보면, 전처리(세정 등), 연신(PVA와 요오드 처리), 코팅과 라미네이션(보호 필름, 박리 필름 등의 합착), 그리고 재단과 면취 과정을 거쳐 출하됩니다. 연신 과정에서는 PVA 필름을 가열 중에 늘어뜨려서(1축 늘림) 요오드 산 계열의 용액에 담그면 PVC 필름이 요오드 산을 흡수, 함유하면서 요오드 이온들이 한쪽 방향으로 정렬하게 되고 편광 기능을 가지는 필름이 만들어집니다. 이 때 요오드 이온의 정렬 정도에 따라 편광 기능이 달라집니다. 이 외에도 요오드 산이 아닌 염료를 이용하기도 하며, 편광판의 투과율을 개선하기 위하여 표면 처리 등을 행하기도 합니다. 즉, PVA 필름이나 보호 필름 등에 눈부심 방지(Anti-Glare, AG), 반사 방지(Anti-Reflection, AR), 저 반사(Low Reflection, LR) 처리 등을 하여주는 것이죠. 눈부심 방지를 위해서는 난반사, 그리고 반사 방지를 위해서는 상쇄 간섭 현상 등을 이용하죠. 또한 LCD의 두께를 줄이고 적당한 휨을 주기 위하여 편광판을 가능한 얇게 만들려는 노력도 진행 중입니다. 물론 LCD의 작동 모드에 따라서 편광판에도 변화가 있습니다.

 

 

 LCD 패널, 기본 구조, 배향막>>

 

배향막(alignment layer)이란 ‘방향을 배열하는 막’이라는 뜻으로, 액정 분자들이 특정한 위치와 방향으로 정렬되도록 배향하는 층입니다. 배향막으로는 주로 폴리이미드 수지가 사용되며, 이는 내열성과 높은 유리 전이 온도, 액정과의 친화성, 그리고 기판과의 밀착성에서 유리하기 때문입니다. 배향막의 두께는 보통 수십 나노미터 정도입니다. 

 

TFT 기판과 컬러 필터 기판 양쪽 모두에 배향막을 형성한 후 러빙(rubbing)을 하면 배향막에 액정이 들어갈 홈들이 만들어지죠. 두 기판 사이에 액정을 채우면 기판 쪽에 위치한 액정들이 배향막의 홈을 따라 자리를 잡고, 두 기판 사이의 액정 분자들은 이에 준하여 배열이 됩니다.

이러한 러빙 배향은 물리적인 방식이고, 이 외에도 화학적인 방식인 광 배향이 있습니다. 광 배향의 경우, 자외선에 반응하는 소재를 배향막으로 사용하며, 자외선의 조사 방향으로 액정 분자들의 정렬을 제어합니다. 이를 위해서는 배향막 소재와 자외선의 경사 노광 장치 등이 필요하게 되죠. 러빙 배향 방식에 따른 오염, 손상 발생 등을 최소화 할 수 있다는 장점이 있습니다. 이와 함께 배향막을 필요로 하지 않는 광 배향 기술도 있습니다.

 

이와 같은 액정의 배향에 대해 정확한 이론은 아직 완전하게 정립이 되어 있지는 않습니다. 다만, 액정과 기판 표면 사이의 물리화학적인 상호작용, 기판 표면의 기하학적 구조 등에 영향을 받는 쪽으로 접근해서 해석하고 있는 중이죠. 기판 표면의 특성과 구조는 배향막으로 결정되는데, 배향막으로는 고분자 물질(Polyimide)을 러빙하여 사용하고 있습니다.

 

 

LCD 패널, 기본 구조, 컬러 필터 기판   >>

 

컬러 필터(color filter)는 액정을 통과하여 상부 기판 쪽으로 올라오는 흰색의 빛에서 부화소 단위로 빛의 3원색, 빨강(R)과 초록(G), 그리고 파랑(B)을 추출하여 컬러를 구현할 수 있도록 하는 얇은 층입니다. 빛이 셀로판지를 통과하면서 색이 변하는 현상과 같은 원리입니다. 그리고, 컬러 필터 기판은 컬러 필터가 형성되어 있는 상부 기판입니다.

컬러 필터 기판 위에는 RGB 컬러들간의 색을 구분해주기 위한 블랙 매트릭스(Black Matrix, BM)가 있으며, 이를 사이에 두고 컬러 필터 역할을 하는 RGB 패턴이 배열됩니다. 즉, 블랙 매트릭스는 RGB 부화소들을 각각 격리시킴으로써, 경계면에서 불필요한 간섭(crosstalk)이 일어나는 것을 방지하고, 내부로부터의 빛이 새는 것을 막아 명암비를 증가시키며, 또한 외부로부터 TFT로 빛이 입사되는 것을 막아주는 역할도 합니다. 주로 스퍼터링 공정을 이용한 다공성 크롬으로 만들어지며, 이 외에도 카본 블랙이나 다른 금속 산화물을 사용하기도 하죠. 부화소들의 배열은 델타(delta) 배열, 모자이크(mosaic) 배열, 그리고 스트라이프(stripe) 배열 등으로 구분되며, 각각 어레이 설계, 컬러 필터 제작, 구동 회로 등의 측면에서의 난이도와 색 혼합 성능에서의 장단점들이 있습니다.

그리고, 컬러 필터는 먼저 원하는 파장 대역의 빛을 정확히 통과시켜서 색 순도를 높여야 하며, 투과율이 높아 소비 전력 절감에 기여하여야 합니다. 색 재현성은 NTSC 규격을 충분히 만족시켜야 하며, 이 외에도 외부의 빛에 의해 변색이나 퇴색이 일어나지 않아야 하고, 화학적으로 안정하며 액정에 영향을 주지 않아야 합니다. 이울러, 컬러 필터를 형성한 후에 진행되는 공정인 투명 전극 공정에 친화성이 있어야 하며, 가격과 생산성도 고려되어야 하죠.
 

 

 

 

컬러 필터 재료에 따라 안료(pigment)형과 염료(dye)형이 있는데, 현재 많이 사용되는 제조 방법은 ‘안료 분산법’, 공정 중심으로는 사진 식각 공정(photolithography)입니다. 즉, 감광성 컬러 레지스트를 도포하고 포토 마스크를 이용하여 노광 후 현상 과정으로 이어지는 공정으로, RGB 각각의 컬러 레지스트에 대해 동일 과정을 반복합니다. 컬러 레지스트를 도포하는 방식으로는 액상을 뿌린 후 판을 회전시키는 스핀 코팅, 프린터처럼 노즐을 이용해 전체 면에 고르게 도포하는 슬릿(slit) 코팅, 그리고 스프레이 코팅 등이 있습니다. 전착(electrodeposition) 공정의 경우, 고분자 수지와 착색 안료 등을 전해질 용매에 분산 혹은 용해시키고 전류를 흘려 양극에 해당하는 투명 전극의 표면에 석출, 건조시키는 방식입니다. 인쇄 공정의 경우, RGB 잉크를 유기 기판 위에 인쇄하는데, 그라비아 인쇄, 스크린 인쇄, 오프셋 인쇄, 잉크젯 인쇄 등을 사용합니다. 제조 공정이 간단하여 생산성이 높으며 소재 선택이 비교적 자유로운 이점들이 있으나, 기포에 의한 버블이나 핀 홀, 잉크의 번짐, 변색, 패턴 정밀도의 한계 등이 문제입니다. 

 

 

컬러 필터 위에는 OC(Over Coat) 막이 있는데, 이는 액정과의 상호 화학적 오염을 방지하고, 후속 스퍼터링 공정 등으로부터 컬러 필터를 보호하는 역할을 하며, 이에 더하여 표면을 평탄화(planarization)하는 작용도 합니다. 주로 투명 아크릴 레진, 폴리이미드 레진 혹은 폴리우레탄 레진 등의 소재가 이용됩니다. OC 막 위에는 투명 전극인 ITO 박막이 코팅되어 있으며, TFT 기판과 합착할 경우에 두 기판간의 간격을 일정하게 유지해주는 CS(Column Spacer)가 설치되어 있습니다. LCD 셀, 혹은 패널은 상판인 컬러 필터 기판과 하판인 TFT 기판이 접착제(sealant)에 의해 서로 합착이 된 구조입니다. 물론 두 기판 사이에는 액정이 채워져 있죠. 다음으로 LCD 패널에 BLU와 구동회로부가 연결된 구조, 즉, LCD 모듈로 넘어갑니다. 

 

<다음호에 이어서 계속>

 

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