Liquid crystal flat panel display - 1. FPD 종류 및 TFT-LCD 구조

 

세계적으로 4세대 (4G) 통신이 이슈화 되면서 새로운 IT 서비스 시대가 활짝 열리 것으로 기대를 하는 IT노동자로서 이동통신기기, 가전제품 시장은 물론 임베디드 시장에서 보여주기 위한 데코레이션~ 필수 요소인 LCD는 소비자 측은 고 해상도,  고 사양을 공급자는 고 효율, 저 불량, 편한 생산 테스트를 요구하면서 투자가 점점 활발하게 이루어 지고 있다. 이에 따라 이번 호부터 새롭게 연재 되는 부분은 LCD 관련되어 LCD 종류, 특성 및 관련 제품에 대해서 두루 소개할 예정이다.

 

연재 순서

1.   FPD 종류 및 TFT-LCD 구조

2.     LCD Interface 종류 및 Driver IC 1  (RGB, I80, M68)

3.     LCD Interface 종류 및 Driver IC 2  (MDDI, MIPI, SPI, I2C)

4.     Pxa270 + 2700G 를 이용한 여러 Interface 제어

5.     Luminance 와 Pattern Generate 를 이용한 LCD 테스트

 

FPD(Flat Panel Display)의 종류

 

그림 1-1. 디스플레이 분류 (출처 : 전자정보센터 http://www.eic.re.kr)

 

1. PDP (Plasma Display Panel)

 

  전면과 배면의 유리 및 격벽에 의하여 밀폐된 가스에 anode, cathode 전극에 전압을 인가하여 네온 발광을 발생시켜 표시 화면을 구성하는 표시 장치로 인가 전압의 특성에 따라서 AC 및 DC 구동형으로 나눌 수 있다.

표시 품위가 우수하고 대 용량화, full color화가 가능하며 응답속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 또한 panel의 대형화와 저가격화가 가능하나 고해상도가 어렵고 구동 전압이 높은 단점을 가지고 있다.

2 LCD (Liquid Crystal Display)

 

  액정의 특성인 광학적 이방성을 응용한 표시 방법으로서 전계에 의하여 액정의 배열을 변화시키면서 빛의 통과를 제어하는 광 스위치 소자이다.

  표시 품위가 우수하고 대용량화, full color화가 가능하며 응답 속도가 빠른 장점을 가지고 있지만 비 발광 소자이며, 시야각에 한계가 있고, 제조 단가가 높은 단점이 있다.

 

3 CRT (Cathode Ray Tube)

 

전자총에서 발생된 전자빔은 panel 내면의 양극 전압에 의하여 screen의 발광물질인 삼색 형광체 R,G,B에 부딪쳐서 빛이 발광하는 방식으로, 편향요크의 전위에 의해서 전자빔이 편향되고, 화면 전체에 골고루 주사되어 화면 전체에서 빛을 내는 디스플레이다.

 

4 EL (Electro Luminescence)

 

  EL 소자는 발광층을 절연층으로 둘러싼 이중 절연막 구조로 되어 있으며, 발광층에 전계를 인가하면 발광층의 electron에 의하여 충돌, 여기 되었다가 기저 상태로 떨어지면서 발광층 재료 고유의 빛을 내고, 이러한 발광 요소들을 matrix 형태로 배열하여 EL 표시 장치를 구성한다.

면 전체가 발광하는 소자이고, 화면 품위가 우수하고 대용량화가 가능하며 기계적 강도는 우수한 장점이 있다.  그러나 구동 전압이 높아 구동 IC의 단가가 높은 단점이 있다.

 

5 LED

 

  PN 접합 조의 반도체로서 PN 접합에 순방향 전압을 가하면 전기에너지를 광 에너지로 직접 변환하는 광 반도체로서 기판 위에 LED를 matrix 형태로 배열하여 구성한 표시 장치이다.  고휘도 발광소자인 장점을 가지고 있지만 해상도가 떨어지는 단점이 있다.

 

6 VFD

 

  고진공의 용기에 cathode, grid, anode 전극을 형성하고 봉입한 삼극관의 일종으로 cathode에서 방출하는 열전자가 grid 및 anode에 인가한 정 전압으로 가속되어 anode에 도포한 형광체를 자극하여 발광시킨 소자들로 구성한 표시 장치이다.

  휘도가 높아 표시 품위가 우수하며 응답 속도가 빠른 장점을 가지고 있으나 메모리 기능이 없어 대용량의 matrix 디스플레이에서는 표시가 어둡다.

 

Display 성능 비교

 

구분	CRT	Flat CRT	LCD	PDP	EL	VFD
대화면화(40”급)	O	O	∆	★	∆	∆
고해상도화	★	★	★	O	★	∆
Color화	★	★	★	O	∆	O
구동 전압	X	X	★	∆	∆	O
응답 속도	★	★	O	★	★	★
소비 전력	X	∆	O	∆	∆	∆
중량	X	X	★	O	O	∆
두께	X	X	★	★	★	O
Cost	★	∆	∆	O	∆	O

 

★ : excellent       O : good             ∆ : acceptable         X: bad      

ㄴ[표 1. 디스플레이 성능 비교]

 

TFT-LCD 특징

우리가 가장많이 접하는 LCD 종류가 TFT-LCD 이다 그럼 이런 LCD는 어떻게 구성되어 있고 작동되는지 살펴보도록 합시다.

 

1 TFT-LCD의 구조

 

그림 2-4는 일반적인 TFT-LCD의 구조를 나타낸다.  TFT-LCD는 크게 TFT array가 있는 유리 기판과 color filter가 있는 유리 기판, 그리고 두 유리 기판 사이에 존재하는 액정으로 이루어져 있다.  하부 기판 아래 백라이트 유닛에서 빛을 공급하면 빛은 액정의 배열을 따라 지나가 상부 기판의 color filter를 통해 나가면서 색을 표현하게 된다.  각각의 유리 기판에는 ITO 전극이 있어 하판의 픽셀 전극과 상판의 공통 전극 사이에 전압을 인가하여 액정의 상태를 변화시킬 수 있다.  이 때 두 전극 사이의 전압은 하부 기판에 존재하는 TFT를 통해 전압을 조절한다.

 

 

그림 2-4. TFT-LCD의 구조

 

2 단위 픽셀 및 등가 회로

 

그림 2-5는 단위 픽셀의 단면도 및 등가 회로를 나타내는 그림이다.  하나의 단위 픽셀에 존재하는 TFT의 on/off 스위칭은 gate bus line으로부터 인가되는 gate 전압으로 하며, data bus line은 TFT의 source쪽에 인가된다.  이 때, TFT가 turn-on이 되면 data 전압이 TFT를 통해 액정 capacitor에 전압이 인가되고 인가된 전압에 따라 액정의 상태를 변화시켜 실제 화상을 변화시킨다.  또한 TFT가 off일 때는 Cst에 의해 픽셀 전압이 유지된다.  등가회로를 나타내면 그림 2-5와 같이 TFT와 Cs, Clc의 capacitance로 나타낼 수 있다.

 

 

그림 2-5. 단위 픽셀의 단면도 및 등가 회로

 

3. TFT의 구조

 

그림 2-6은 TFT-LCD에서 일반적으로 사용하는 a-Si TFT의 구조를 나타낸다.  TFT의 반도체 층으로서 비정질 실리콘(a-Si)을 많이 사용하고 있으며 gate가 source와 drain 밑에 있는 역 stagger형이 많이 쓰이고 있다.

 

 

 

액정에는 단순하게 사람이 볼 수 있는 화면을 보여주지만 이 화면을 밝게 보여 주기 위해서는 Backlight 를 켜주어야 하는데 LED를 켜주는 것도 다양한 방법이 있다. Serial LED 방식과 Parallel LED 방식으로 LED신호를 인가 할 수 있으며 LED를 SPI, I2C, clock 신호 등으로 Backlight를 조절 할 수 있도록 구성 된다. 참고로 요즘 뜨고 있는 OLED패널은 자체 발광 소자를 이용하여 Backlight를 따로 사용하지 않고 Data가 LCD에 인가 되면 스스로 색감을 나타낸다. 이로서 더 얇은 패널을 만들 수 있게 되었다.

 

마치며

이번 호 에서는 LCD 종류와 개론을 간략하게 알아 보았다. 다음 호부터는 조금 더 심화 있게 들어가 LCD의 구동신호 방식에 따른 LCD Interface 종류 및 Driver IC를 함께 소개할 예정이다. 눈으로 보기에는 얇은 유리에서 화면이 나오는 것처럼 보이지만 이런 LCD에도 많은 종류와 구현 방식이 있으며 많은 사람들이 어떻게 하면 눈에 잘 보이고, 깨끗하고 선명하면서 편하게 테스트 할 수 있는 방법을 찾고 있는지 조금 이나마 느낄 수 있을 것이다.

 

출처 : http://blog.naver.com/hybusnet/40051763223