[논문]IPS(In-Plane Switching) / FFS(Fringe-Field Switching) 기술 진화 소개 및 최근 개발 현황

이승희

IPS(In-Plane Switching) / FFS(Fringe-Field Switching) 기술 진화 소개 및 최근 개발 현황 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.14 no.1, 2013년, pp.30 - 37

초록
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지난 20년 동안 TFT-LCD의 화질은 급격하게 발전해 왔다. 특히 IPS와 VA의 기술경쟁을 통해 서로의 단점을 극복하려는 많은 연구가 수행돼왔다. 하지만 이제는 발광디스플레이의 출현으로 이제는 액정기술 간의 경쟁은 의미 없고 TFT-LCD의 화질/기능/비용면에서 발광디스플레이보다 우수해야 하는 당면 과제를 안고 있다. 현재 IPS기술은 FFS기술을 통해 한층 더 발전하였고 이제는 고화질 제품엔 FFS 채용이 기본화되고 있다. FFS 기술개발에 초기부터 참여하고 지금까지 FFS기술을 연구하고 있는 필자의 관점에서 보면 FFS는 1998년 발표이후 매 6년 마다 중대한 변화가 있었고 그 예가 2004년 히타치사 TV패널에 FFS기술 적용, 2010년 애플사 아이패드에 FFS 기술 채용이다. 현재 기술 흐름으로 볼 때 2016년 정도엔 FFS기술 + 산화물 반도체 + 광배향 기술을 적용한 FFS TV가 시장의 한 축이 되길 필자는 기대해본다. 마지막으로 필자의 경험을 바탕으로 평가한 각 기술들에 대해 다른 전문가들과 이견이 있을 수 있음을 인정하니 많은 양해 부탁드립니다.

AI 본문요약
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문제 정의

당시 유전율 이방성이 음인 액정은 상당히 고가 일뿐만 아니라 액정의 응답특성과 아주 밀접하게 관련된 액정의 회전점도 값이 커서 응답특성을 개선시키는 데는 한계가 있었다. 이에 회전점도 값이 낮은 유전율 이방성이 양인 액정을 연구하기 시작하였고 이 액정 적용시 투과율 감소가 발생하는데 이를 극복하기 위한 최적의 셀 및 화소구조까지 같이 개발하여 U-FFS로 명명하고 2001년 SID에 논문을 발표하였다. 필자의 기억에 의하면 많은 전문가들이 이 논문에 대해 호평을 하였고 가장 우수한 논문 중의 하나란 평을 들었다.

가설 설정

Ⅲ. 왜 고해상도 LCD에서 FFS모드가 대세인가?

제안 방법

기술의 가능성이 실제 TFT-LCD 제작을 통하여 검증되었고 더 나아가 15”급 FFS TFT-LCD를 모니터용으로 제작하였다.
당시 이 기술의 검증을 위하여 97-98년에 12.1“ TFT-LCD를 4등분하여 네 종류의 전극구조를 시험하였다.
당시 필자 느낌에는 히타치 엔지니어들이 타사 엔지니어들과 달리 FFS에 대한 충분한 이해를 하고 있었고 사석에서는 본인들도 처음에는 IPS유사 기술로만 생각했었는데 근본적으로 차이가 있는 기술이란 평을 했었다. 당시 히타치는 IPS 투과율 문제를 해결하기 위해 유기절연막을 이용한 고 개구율 구조를 채택하였다([그림 3] AS-IPS기술). 당시 유기절연막 적용은 어려운 기술로 특히 잔상 문제가 심각하였다.
당시만 해도 한국에서 처음 열리는 국제 디스플레이 학회라 한국에서 무언가 새로운 것을 보여준다는 의미로 초청세미나로 FFS기술 소개와 더불어 15“FFS TFT-LCD를 전시하였다.
당시 엔지니어들 표현에 의하면 화편 접촉시 돌덩이를 만지는 느낌이었다고 언급했다. 이러한 특징이 어디에 장점으로 쓰일지 하이디스측에는 예측을 못하였는데 일본의 Pen-based 디스플레이를 만드는 Wacom회사가 자사 응용제품에 하이디스 FFS기술이 적용된 제품을 채용하고 싶다는 의지를 먼저 피력하였다. Wacom사의 경우 미국 헐리우드 영화에 필요한 애니메이션 그림을 그리는데 필요한 Pen-based 디스플레이를 제작하는 회사로 당시에는 TN TFT-LCD를 이용하였다.
이 제품에서 중요하게 요구되는 패널 성능은 Pen 입력기능을 만족해야 하고 화면을 세로방향이나 가로방향으로 선택적으로 볼 수 있어 광시야각이 요구되고 특히 휴대형이기 때문에 소비전력이 적어야 한다. 하이디스는 이러한 성능을 만족시키기 위해 투과율을 극대화한 AFFS 기술을 제안하였고 이 기술로 기존 TN TFT-LCD를 밀어내고 시장점유율 1위를 차지하였다.

성능/효과

재미있게도 원래는 모니터용도로 이 디스플레이를 개발하였지만 실제 응용은 예상치 못한 분야였다. 당시 Wacom사 98년 LCD/PDP International에 전시된 모든 디스플레이들을 외부 압력을 인가하여 평가하였고 유일하게 하이디스 FFS TFT-LCD만 자사 기준을 만족하였다고 언급했었다.
IPS모드는 다음 장의 동작원리에서 설명하겠지만 근본적으로 광시야각 특성을 보여주지만 투과율이 낮고 구동전압이 높은 약점이 존재한다. 당시 제안되었던 IPS나 VA모드는 화질 부분에서는 TN보다 개선을 보였지만 TN 보다 구동전압이 높고 투과율이 낮아 노트북등 휴대용 디스플레이는 적용이 안 되고 모니터 및 TV에 만 적용되었다. FFS모드는 종래 광시야각 특히 IPS모드의 근본적인 취약점을 이해하고 이를 극복하는 기술로 하이디스에 의해 1996년 최초로 특허를 출원하였다.
하지만 2002년엔 반대로 필자를 히타치사가 초청하여 FFS기술 세미나를 했었다. 세미나 결론 부분에서 IPS글자는 흑백으로 표기했고 FFS글자는 RGB색으로 표기하여 IPS가 흑백 CRT의 시대라면 FFS는 칼라 CRT의 시대이니 무엇을 택하는 것이 바람직한가 하는 마지막 콤멘트를 했었다. 당시 필자 느낌에는 히타치 엔지니어들이 타사 엔지니어들과 달리 FFS에 대한 충분한 이해를 하고 있었고 사석에서는 본인들도 처음에는 IPS유사 기술로만 생각했었는데 근본적으로 차이가 있는 기술이란 평을 했었다.
이러한 개념 검증을 위하여 l/w < 1 인세 구조와 두 전극 사이의 간격은 0으로 하고 공통전극은 패턴이 없는 plane 전극으로 하고 화소 전극끼리 간격(l')만 갖는 구조등 네 구조를 평가한 결과 네 번째 구조가 동일 전압 인가시 가장 밝은 것으로 나타나 고광효율과 저 구동전압을 갖는데 유리함을 알 수 있었다.
당시에는 투과율 극대화를 위해 유전율이방성이 음인 액정을 적용하였다. 제작 후 하나의 놀라운 발견은 종래 TN모드를 적용한 TFT-LCD 경우 화면을 외부에서 터치시 즉 압력을 가할 시 화면이 순간적으로 출렁거림 현상을 보였고 좀 더 강한 외부 압력을 가할시는 수초이상의 눌림자국이 남는 현상을 보여주었다. 하지만 FFS TFT-LCD 경우는 화면에 외부압력을 가할 시 출렁거림 현상이나 자국이 남는 현상이 보이질 않았다.
하부기판 근처에서 강한 수평전기장이 존재하는 전극위치가 있어 이 영역에서는 ψ 개념이 존재치 않고 평균적으로 투과율을 최대값을 줄 수 있는 위상지연값이 λ/2 보다는 크게 가져가야 한다. 즉 결론적으로 말하면 IPS 모드는 전압 인가시 광축이 존재하는 위상지연방식으로 투과율이 발생하는 반변에 FFS모드에서는 전극 위치별로 위상지연방식이나 편광회전방식을 따라 투과율이 발생한다. 이런 자세한 동작원리 부분에서는 필자가 많은 논문을 이미 발표했으니 기 발표된 논문을 참조하기 바란다.
당시 유기절연막 적용은 어려운 기술로 특히 잔상 문제가 심각하였다. 하지만 이 기술로 종래보다 투과율은 30% 향상되고 명암대비율은 2.5배정도 향상되었다. 하지만 유기막을 사용하지 않는 IPS-Pro(FFS)기술로 투과율과 명암대비비가 훨씬 더 향상되어 당시 VA기술과 경쟁관계에서 좀 더 우위적인 성능을 내기 위해서는 결국은 FFS기술을 채택할 수밖에 없지 않았나 생각된다.

후속연구

더 나아가서 최근에 TV도 대형화 및 UD급 고해상도로 개발되는 추세에 있고 이럴 경우 화소 크기도 작아져 FFS기술을 적용하여도 충전에 무리가 없을 것으로 판단된다. FFS기술로 TV를 만들 경우 근본적으로 화질이 우수하고 고해상도 적용 시에도 투과율이 우수하여 소비전력 및 제조비용을 최소화 할 수 있는 장점이 있어 향후 TV분야에서도 핵심기술이 될 수 있을 거라 필자는 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IPS기술에서 고화질 제품에 기본적으로 채용되는 것은?	하지만 이제는 발광디스플레이의 출현으로 이제는 액정기술 간의 경쟁은 의미 없고 TFT-LCD의 화질/기능/비용면에서 발광디스플레이보다 우수해야 하는 당면 과제를 안고 있다. 현재 IPS기술은 FFS기술을 통해 한층 더 발전하였고 이제는 고화질 제품엔 FFS 채용이 기본화되고 있다. FFS 기술개발에 초기부터 참여하고 지금까지 FFS기술을 연구하고 있는 필자의 관점에서 보면 FFS는 1998년 발표이후 매 6년 마다 중대한 변화가 있었고 그 예가 2004년 히타치사 TV패널에 FFS기술 적용, 2010년 애플사 아이패드에 FFS 기술 채용이다.
	IPS와 VA의 기술경쟁은 무엇의 출현으로 인해 의미가 사라졌는가?	특히 IPS와 VA의 기술경쟁을 통해 서로의 단점을 극복하려는 많은 연구가 수행돼왔다. 하지만 이제는 발광디스플레이의 출현으로 이제는 액정기술 간의 경쟁은 의미 없고 TFT-LCD의 화질/기능/비용면에서 발광디스플레이보다 우수해야 하는 당면 과제를 안고 있다. 현재 IPS기술은 FFS기술을 통해 한층 더 발전하였고 이제는 고화질 제품엔 FFS 채용이 기본화되고 있다.
	최근 평판디스플레이 시장에서 90%의 점유율을 차지하는 것은?	최근 평판디스플레이 시장에서 TFT-LCD는 시장 점유률 90% 정도를 차지하며 지난 20년 이상 독주를 계속해왔다. 이러한 성장의 배경에는 TFT-LCD 소자/소재/공정 기술의 혁신이 있었고 특히 화질 개선부분에서는 액정 모드 기술의 개발이 큰 기여를 하였다[1]

참고문헌 (17)

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B. -K. Kim, Seminar Lecture Notesin Society for Information Display (May16,2011).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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