액정 디스플레이 기술 (1부)

액정 디스플레이(LCD) 기술은 소자 제작 요구 사항이 비교적 낮고 비용 효율성이 높아 디스플레이 패널 판매의 주류 시장을 계속해서 장악하고 있습니다. LCD는 수동형 디스플레이로, 액정 패널과 백라이트 모듈이라는 두 가지 주요 모듈로 구성됩니다. 백라이트 모듈은 백색광을 방출하고, 액정 패널은 이 빛을 각 픽셀에서 색상과 밝기로 변조하여 최종적으로 움직이는 컬러 이미지를 표시합니다.

백라이트 모듈은 LED 비드와 광학 필름으로 구성됩니다. LED에서 나오는 점광원은 광학 필름에 의해 확산 및 균일화되어 액정 패널을 비추는 균일한 표면 광원을 형성합니다. 백색광은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 기본색이 혼합된 것입니다. 액정 패널을 통과한 후, 각 서브픽셀 셀에 해당하는 액정 스위치의 복합적인 작용을 통해 특정한 색상과 밝기가 구현됩니다. 약 2488만 개의 서브픽셀 셀로 구성된 전체 4K 패널이 하나의 프레임을 이룹니다.

아래 그림은 액정 패널의 구조를 보여줍니다. 다양한 기능성 박막이 증착된 유리 기판 외에도 아래에서 위로 하부 편광판, 박막 트랜지스터(TFT) 구동 회로, 액정층, 컬러 필터(CF), 그리고 상부 편광판으로 구성되어 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이 액정은 액체와 같은 성질을 지닌 결정성 물질로, 액체의 흐름 특성과 결정의 벡터 특성을 모두 가지고 있어 독특한 기계적, 광학적, 전기적 특성을 나타냅니다. 아래 사진에서 볼 수 있듯이 액정 패널은 액정과 상하 편광판의 상호 작용을 통해 백라이트에서 들어오는 빛을 스위칭 및 디밍하여 다양한 밝기(회색조)를 구현합니다. 여기에 컬러 필터의 기능을 더하면 다양한 색상과 밝기를 표현할 수 있습니다.

그렇다면 백라이트가 액정 패널에 들어가면 어떤 변화가 일어날까요?

먼저 액정 패널의 상하층에는 서로 직각으로 배치된 편광판이 장착됩니다. 그런 다음, 영역은 픽셀 해상도에 따라 수많은 셀로 나뉩니다. 각 픽셀은 빨강, 초록, 파랑의 서브픽셀 셀로 세분화됩니다. 각 셀은 아래에서 위로 순서대로 독립적인 전극, 액정층, 컬러 필터층으로 구성됩니다. 상하 편광판은 액정층과 함께 "게이트"를 형성하여 해당 셀의 광 투과 온/오프 상태와 투과광의 강도를 제어합니다. 세 개의 서브픽셀 셀을 통과한 서로 다른 강도의 빛은 빨강, 초록, 파랑 ​​컬러 필터를 거친 후 다양한 비율로 혼합되어 픽셀의 표시 색상과 밝기를 형성합니다.

그렇다면 이 결합 게이트는 어떻게 작동하는 걸까요?

자연광과 유사하게 백라이트는 횡방향 전자기파입니다. 입자의 진동 방향은 파동의 진행 방향에 수직이므로, 빛의 진동 방향은 항상 xy 평면 내에 있으며 진행 방향(z축)에 수직입니다. 백라이트 광선이 액정 패널의 하단 편광판에 도달하면 편광판 격자와 같은 방향(y축 방향)으로 진동하는 빛만 통과하여 특정 진동 방향으로 진행하는 선형 편광이 됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, TFT 기판의 픽셀 전극에 전원이 공급되지 않으면 편광된 빛은 진동 방향을 바꾸지 않고 액정층과 CF층을 통과하여 상단 편광판에 도달합니다. 그러나 상단 편광판의 격자 방향은 y축에 수직(x축 방향)입니다. 따라서 y축 방향으로 진동하는 편광된 빛은 상단 편광판을 통과할 수 없으므로 화면 전면에서 어두운 상태로 관찰됩니다.

TFT 회로 전극에 전압이 가해지면 액정 분자가 회전합니다. 하부 편광판에서 나오는 편광된 빛은 액정 분자의 회전에 따라 편광 방향이 반전됩니다. 액정 두께와 회전 각도를 특정 값으로 설정하면 편광된 빛의 진동 방향을 정확히 90°로 반전시킬 수 있습니다. 이 경우 편광된 빛의 진동 방향은 x축과 평행이 되어 상부 편광판의 격자 방향과 일치하게 되므로 빛이 편광판을 통과할 수 있습니다. 만약 진동 방향이 격자 방향과 각도를 이루면, 빛 에너지의 격자 방향 성분이 편광판을 통과하게 되어 원래 빛의 강도가 감쇠됩니다. TFT 전극 전압을 변경하면 액정의 회전 각도를 조절할 수 있으므로 상부 편광판을 통과하는 빛의 강도를 제어할 수 있습니다.

액정의 전기광학적 특성

전기장이 액정을 회전시키는 이유는 무엇일까요? 그리고 액정의 회전이 편광된 빛의 진동 방향을 바꾸는 이유는 무엇일까요?

아래 그림에서 볼 수 있듯이 액정 분자는 막대 모양의 구조를 가지고 있으며 결정의 이방성을 나타냅니다. 즉, 긴 축과 짧은 축을 따라 서로 다른 전기광학적 효과, 유전 상수 및 굴절률을 보입니다. 이러한 특성을 이용하여 각 픽셀 셀에 입사되는 빛의 강도를 조절함으로써 컬러 및 그레이스케일 이미지를 구현할 수 있습니다.

액정의 유전율 이방성

액정 분자의 유전 상수(ε)는 긴 축과 짧은 축을 따라 서로 다릅니다. 긴 축에 평행한 방향의 유전 상수가 긴 축에 수직한 방향의 유전 상수보다 클 때(ε// > ε⊥), 이를 양의 유전 이방성을 갖는 양극성 액정이라고 하며, 평행 배향에 적합합니다. ε// < ε⊥일 때는 음의 유전 이방성을 갖는 음극성 액정이라고 하며, 원하는 전기광학 효과를 얻기 위해서는 수직 배향에만 사용할 수 있습니다. 외부 전기장이 가해지면 액정 분자의 회전 방향(전기장에 평행한 방향 또는 수직인 방향)은 유전 이방성이 양극인지 음극인지에 따라 결정되며, 이는 빛의 투과 여부를 결정합니다. 현재 TFT-LCD에 일반적으로 사용되는 VA형 액정은 대부분 음의 유전 이방성을 갖는 유형입니다. 액정 분자는 외부 전기장에 의해 분극되어 긴 축이 전기장에 수직인 방향으로 기울어집니다. IPS는 일반적으로 포지티브 타입 액정을 사용하는 반면, 일부 ADS Pro 패널은 네거티브 타입 액정을 사용합니다.

액정의 복굴절

액정 분자는 복굴절과 광학 회전을 가지고 있으며, 굴절률(n)은 장축과 단축을 따라 다릅니다. 장축 방향의 굴절률은 nO이고, 단축 방향의 굴절률은 nE입니다.

굴절률이 다르기 때문에 빛의 속도도 다릅니다. 액정이 회전하면 장축과 단축을 따라 빛의 속도가 달라지고, 이로 인해 입사광에 비해 출사광선(O)과 이상광선(E) 사이에 위상차가 발생하여 위상 지연 현상이 나타납니다. 빛이 액정을 빠져나갈 때 O광선과 E광선의 벡터가 재결합하면서 회전된 새로운 진동 방향을 생성합니다. 광경로 길이와 회전 각도를 특수하게 설계하면 출사광선과 이상광선 사이의 위상차를 1/2 파장으로 설정할 수 있습니다. 이렇게 하면 출사광선의 위상이 입사광에 비해 90° 회전하여 상부 편광판을 통과할 수 있습니다. 액정의 회전 각도를 다르게 하면 O광선과 이상광선 사이의 위상차가 달라지므로 투과광의 세기를 제어할 수 있습니다.

액정 패널의 종류

액정의 회전 방식에 따라 TN(Twisted Nematic), IPS(In-Plane Switching), VA(Vertical Alignment)의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 이 중 TN형 LCD 패널은 가장 초기에 사용되었으며 가격이 가장 저렴했습니다. 그러나 6비트 색상(낮은 색재현율)과 매우 좁은 시야각으로 인해 주류 LCD 디스플레이 패널 시장에서 사실상 퇴출되었습니다. 현재 주류 LCD 디스플레이에는 주로 IPS 및 VA 패널이 사용됩니다.

그림에서 보는 바와 같이, IPS 디스플레이 패널은 액정 분자가 수평으로 배열되어 있습니다. 양극 및 음극 픽셀 전극은 TFT 기판 상의 동일한 수평면에 위치합니다. 전원이 공급되지 않은 상태에서는 편광된 빛이 하부 편광판을 통과할 때 편광 방향이 변하지 않습니다. 이때 편광된 빛의 진동 방향은 상부 편광판의 격자 방향에 수직이므로 빛이 통과할 수 없습니다. 전원이 공급되면 전기장의 존재로 인해 액정 분자가 수평면 내에서 회전합니다(평면 내 스위칭). 복굴절 현상으로 인해 편광된 빛은 속도가 다른 두 개의 광선으로 분리됩니다. 액정을 통과한 후, 이 두 편광된 빛은 위상차를 가지며 새로운 형태의 편광으로 재결합합니다. 이 편광된 빛은 컬러 필터를 통과하며, 각 서브픽셀 셀에서 나오는 빛은 빨강, 초록, 파랑의 색상을 나타냅니다. 컬러 필터를 통과한 편광된 빛은 상부 편광판에 도달합니다. 액정에 의해 새로운 각도로 회전된 빛은 각 서브픽셀에서 서로 다른 회전 각도를 갖게 됩니다. 상단 편광판의 격자에 대해 서로 다른 각도를 가진 편광 성분들이 통과하면서 각 서브픽셀 셀에서 서로 다른 강도의 빨강, 초록, 파랑색이 생성됩니다. 이렇게 강도가 다른 세 가지 색상이 혼합되어 원하는 색상의 픽셀을 형성합니다. 24,883,200개의 서브픽셀 셀(3840 * 2160 * 3)에서 생성된 색상이 결합되어 8,294,400개의 픽셀(3840 * 2160)의 색상이 만들어지고, 이것이 4K 해상도 이미지의 한 프레임을 구성합니다. 특정 주파수의 전기장에 따라 변화하는 액정은 편광의 진동 각도를 지속적으로 변화시켜 프레임을 연속적으로 생성하고, 최종적으로 비디오 디스플레이를 구현합니다.

VA 디스플레이의 작동 원리는 IPS 패널과 동일합니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 액정 분자의 배열은 IPS 패널과 다릅니다. VA 디스플레이에서는 액정 분자가 수직으로 배열되어 있으며, 양극 및 음극 픽셀 전극이 상하 평면에 분포되어 수직 방향으로 전기장을 생성합니다.

전극에 전압이 가해지지 않으면 액정 분자는 상하 기판에 수직으로 정렬됩니다. 하부 편광판을 통과하는 선형 편광된 빛은 액정 분자의 긴 축과 평행하게 진행하므로 편광 상태가 변하지 않고 상부 편광판을 통과할 수 없습니다. 따라서 사람의 눈으로 관찰되는 패널은 어두운 상태입니다. 전압이 없거나 낮은 경우, 편광된 빛은 액정 분자의 긴 축을 따라 진행합니다. 액정의 복굴절 특성으로 인해 긴 축을 따라 진행하는 편광된 빛은 거의 굴절되지 않으므로 상부 편광판을 통과할 수 없어 매우 어두운 암상태, 높은 명암비, 뛰어난 이미지 선명도를 구현합니다. 전극에 전압이 가해지면 액정 분자는 수직 전기장의 작용으로 회전하며, 긴 축은 전기장에 수직인 방향으로 기울어집니다. 액정에 입사하는 선형 편광된 빛의 성분들은 액정층 내부에서 위상 지연을 겪게 됩니다. 액정층을 통과한 후, 편광된 빛의 구성 요소들이 재결합하면서 빛의 편광 상태가 변화합니다. 각 서브픽셀 셀에서 나오는 편광된 빛의 진동 방향은 설정된 전압에 따라 최종적으로 서로 다른 각도로 회전합니다. 컬러 필터와 상부 편광판을 통과한 후, 각기 다른 강도의 서브픽셀 색상들이 얻어집니다. 서로 다른 강도 비율을 가진 빨강, 초록, 파랑 ​​서브픽셀 색상들이 혼합되어 설정된 픽셀 색상을 형성하고, 최종적으로 디스플레이를 위한 완전한 프레임을 생성합니다.