LCD(liquid crystal display)의 역사
액정의 연구는 1854년 Virchow에 의한 농도전이형(lyotropic) 액정(liquid crystal)의 발견과 Reinitzer와 Lehmann에 의한 1888∼1889년의 온도전이형(thermotropic) 액정의 발견에서 시작되었다. Lehmann은 액정이 광학적 이방성을 나타내는 것을 확인하고, "액체가 갖는 유동성과 결정이 갖는 광학이방성을 겸비한 액체"의 의미로 Flussige Kristall이라고 부를 것을 제안하였다. Flussige Kristall은 영어로는 liquid crystal, 즉 액정이다. 1920년대의 많은 사람들이 약 300여종의 액정을 합성하였고, 1930년대에는 LCD 개발을 가능하게 한 가장 중요한 요소인 프레데릭츠(Freedericksz) 전이라고 하는, 전계인가에 의한 네마틱상의 변형과 임계값을 발견하였다. 그 후 액정의 윌리암스(Willliams) 도메인 형성과 광산란의 발견, 동적 산란 모드의 발명으로 이어지는 액정의 연구는 전자공업계에 큰 기여를 하였다(표 1.2 참조)
1960년대에는 실온에서 상의 유전 이방성을 갖는 실온 네마틱 액정의 합성으로 DSM(dynamic scattering mode)-LCD를 실현하게 되었다. 하지만 DSM-LCD는 전류전압 효과 때문에 소비전력이 비교적 크고 디스플레이 화질이 나쁘다는 등의 문제가 있었다.
표 1.2 LCD의 역사적 추이
이후 LCD의 역사는 정보표시량의 증대, 표시면적의 증대, 보기 쉬운 정도의 향상, 그리고 full color화에 중점을 두고 연구되어 왔다. LCD의 보기 쉬운 정도에서의 실패 요인은 흑백 표시의 TN-LCD에서 라인의 수가 64 이상으로 늘어나면, 크로스 토크에 의해 화면의 표시가 나쁘다는 점이다. 이는 액정산업에 한계로 나타났고, 이를 해결하기 위한 대응책으로 1972년 P. Brody가 제안했던 능동행렬(active matrix) LCD이다.
1980년대 초에 몇 그룹은 기판 사이의 액정 비틀림 각이 90°이상이 되는 ST(Super Twisted) 효과를 보고하였다. 1985년 SID(Society for Information Display) Symposium에서 super twisted nematic 효과와 birefringence를 이용한 컬러 STN 디스플레이의 특성이 발표되었다. 이후로 STN-LCD에는 대비비(contrast ratio)와 시야각에 있어서 큰 문제가 없었으나, 500 스캐닝 라인 이상에서 광학적 간섭효과에 의해 생기는 형상 착색화가 문제로 나타났다. 이 문제를 해결하기 위해 STN-LCD의 위에 reverse twisted 액정을 겹치는 double-layer STN(DSTN)-LCD가 개발되었다. 하지만 DSTN-LCD는 대비비면에서 많은 문제점을 가지고 있었다. 그래서 단순 매트릭스 LCD의 한계를 극복하기 위해 1970년대 제안된 AMLCD에 대한 연구가 활발히 진행되었다(그림 1.5 참조).
그림 1.5 Break through technology of LCD
1.3.2 TFT의 역사
능동행렬 액정 표시 소자 (AMLCD: Active Matrix Liquid Crystal Display)가 정보 디스플레이 분야에서 점차적으로 주류가 되고 있다. AMLCD에서는 박막트랜지스터 (TFT: Thin Film Transistor) 하나에 의해 화소 하나의 전압을 조절하여 화소의 투과도를 변화시킨다.
최근 산업계에서는 비정질 실리콘을 능동층으로 사용한 TFT가 대면적 AMLCD의 스윗칭 소자로 사용되며, 이러한 비정질 실리콘 박막은 기판 온도 350 ℃ 이하에서 증착이 가능하기 때문에 저가의 대면적 유리 기판을 사용할 수 있는 잇점이 있다. 또한 비정질 실리콘 TFT는 scan line의 수가 1000 이상인 디스플레이에서도 전하를 공급할 수 있을 정도로 드레인 전류가 크고, 한 프레임(frame) 동안에 전하의 방전이 거의 없을 정도로 off 전류가 낮다. 따라서 대비비 100:1 이상을 가질 수 있다.
여러가지 능동행렬 기술들이 개발되었음에도 불구하고, 오늘날 가장 많이 사용되고 유력시되는 디스플레이는 비정질 실리콘 TFT와 저온 다결정 실리콘 TFT를 이용한 LCD이다. 그런데 AMLCD가 매우 일찍 제안되었음에도 불구하고 최초의 상업제품은 1982년에 생산된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (poly-Si TFT)를 이용한 poket TV였다.
각 화소에 스윗칭 소자를 연결하여 전체의 화면을 형성하는 것이 AMLCD인데, 스위칭은 diode가 주류인 two terminal device 혹은 transistor (three terminal device)로 할 수 있다. AMLCD에는 디스플레이 기술, 반도체 기술 및 액정 기술이 종합적으로 이용되고 대면적 유리기판을 사용한다는 특징을 갖는다.
1935년에 영국의 O. Heil이 TFT의 구조 특허를 취득하고, 1961년에 박막 트랜지스터의 기본 개념이 나온 이래, 1970년대에 기본적인 연구가 진행되었다. 1971년에 Lechner가 행렬 디스플레이의 각 화소를 독립적으로 스위칭하면 100:1 혹은 그 이상의 고대비비를 얻을 수 있을 것이라고 제안하는 등의 AMLCD의 기본 개념을 발표하였다. 1971년에 최초의 AMLCD가 Brody 등에 의해서 발표되었으나, 이때의 박막 트랜지스터는 CdSe TFT였다.
그 이후로 1972년에 Spear와 LeComber가 글로우 방전 방법으로 수소화된 비정질 실리콘을 제작한 후에 1979년에 LeComber에 의해 비정질 실리콘 TFT가 개발되었다. 또한 그는 이의 AMLCD로의 적용을 제안하였다.
1970년대 말부터 1981년에 걸쳐 Geis 등과 Rief 등이 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 발전 계기를 마련하였다. Self-implantation에 의한 다결정 실리콘 박막의 그레인 (grain) 크기를 증가시키는 방법을 제안하여, 1980년대 초에는 다결정 실리콘과 비정질 실리콘 디바이스를 사용한 TFT-LCD가 일본의 여러회사에서 개발되었다. 이때에 일본에서 주로 생산한 비정질 실리콘 TFT-LCD는 pocket TV (3∼5″)용이었다. T. Matsumoto 등에 의해 1982년에는 엑시머 레이져 아닐링 (Excimer laser annealing) 방법에 의한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 발표되었으며, 1984년에는 T. P. Brody 등에 의해 직접 증착 다결정 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 그후 1985년에 Morozumi에 의해 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 드라이버 IC (Integrated Circuit)가 제안되었으며, 1980년대 후반에 다결정 실리콘 박막 트랜지스터에 대한 활발한 연구가 진행되어 다결정 실리콘 박막 트랜지터의 누설전류를 줄이려는 많은 시도가 진행되었다. 또한 1996년에는 J. Jang 등에 의해 누설전류가 작고 안정성이 높은, Cl이 함유된 비정질 실리콘 박막 트랜지스터가 보고되었다. 표 1.4에 TFT의 개발 역사가 요약되어 있다.
표 1.4 TFT 개발 역사의 요약
1.3.3 TFT(thin film transistor)-LCD의 역사
AMLCD는 단순 매트릭스 LCD에 비해 응답시간과 계조를 포함하는 화질 특성이 우수하다. AMLCD는 큰 화면크기와 많은 화소수가 필요한 TV 수신기, 포터블 컴퓨터에 이용되는 직시형과, 프로젝션 TV와 비디오 카메라의 모니터용에 이용되는 작은 LCD 모듈의 두 분야를 중심으로 연구, 발전되어 디스플레이 산업에서의 현재 위치를 점하게 되었다. 1976년에 AMLCD 평면 TV가 제안되었고 1978년 Lipton 등에 의한 MOSFET 1.75형, 30625화소 LCD와 Brody와 Luo에 의한 CdSe TFT LCD가 개발되었다. 1979년에 LeComber 등이 비정질 실리콘(a-Si:H) TFT의 LCD에의 응용에 대해 연구하기 시작한 후, TFT-LCD는 급속히 발전하여 현재의 위치에 이르게 되었다(표 1.5 참조).
표 1.5 TFT-LCD의 역사[2]
1.3.4 TFT-LCD의 현재
90년대 이후 TFT-LCD에 대한 연구는 대면적화, 광시야각화, 고개구율화 등에 중점을 두고 진행되었다. 이때에 사용된 스위칭 소자는 모두 a-Si:H TFT이다. 현재 TFT-LCD는 노트북 PC 시장을 석권했으며, 데스크 탑용 모니터로의 채용이 점차적으로 증대되고 있다. TFT-LCD의 가장 큰 문제로 지적되고 있는 좁은 시야각에 대한 해결방안으로 1) 멀티 도메인, 2) 필름 보상, 3) In Plane Switching(IPS) mode, 4) Optically Compensated Birefringence(OCB)와 같은 방법들이 제안되어 연구되고 있다. 이중 IPS 모드는 모니터 등의 대면적용 TFT-LCD에 적합하고 시야각은 상하좌우 모두 140°정도를 갖는 장점을 가지고 있다. 하지만 개구율이 낮다는 점 등이 아직 문제로 남아 있다. TFT-LCD는 CRT에 비해 부피가 작고, 소비전력이 낮으며 건강에 유해한 전자파와 같은 문제가 없다는 장점을 가지고 있다. 따라서 반응 속도, 시야각, 동작온도 범위, 완제품의 가격 등의 문제가 점차적으로 해결되고 있기 때문에 TFT-LCD가 CRT를 대체하여 데스크 탑용 모니터 및 TV로 사용이 점차 증대될 것이다(표 1.6참조)
표 1.6 90년대의 TFT-LCD
표 1.7 모니터에 응용하기 위한 대화면 LCD
1996년에 Sharp에서는 29인치의 TFT-LCD를 두 장 접합하는 방식으로 40인치 SVGA급 TFT-LCD를 발표하였다. 이것이 1998년 2월 현재까지 개발된 직시형의 가장 대화면 TFT-LCD이다. 또한 Fujitsu에서는 좌우 140°, 상하 110°시야각의 XGA 13.8″TFT-LCD, Hitachi에서는 좌우 140°, 상하 140° 시야각의 13.3″XGA TFT-LCD의 상품화에 성공하였다. 또한 NEC와 Hosiden에서는 9.5″반사형 color TFT-LCD 개발에 성공하였고, Toshiba와 LG에서는 12.1″급 저온 poly-Si TFT-LCD를 개발하였다. 국내에서는 세계 최초로 삼성에서 1600×1200의 화소수를 갖는 30″UXGA(Ultra Extended Graphic Array) TFT-LCD를, LG에서는 노트북용 14.1″XGA TFT-LCD를 개발하였다(표 1.7 참조). 최근에는 비정질 실리콘을 결정화하는 많은 새로운 방법들이 제안되고 있으며, 한 예가 일본의 Sharp와 SEL에서 개발한 super lateral grain growth 방법이며 이러한 방법에 의하여 300 cm2/Vs이상의 전계효과 이동도를 얻었다. | |
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