Fringe-Field Switching (FFS) 액정 소자의 전기광학 특성, 응용 현황 및 향후 이슈 Electro-optic Characteristics of the Fringe-Field Switching Liquid Crystal Mode, Status of Applications, and Future Issues (Invited Paper)원문보기
현재 Fringe-field switching(FFS) 액정 모드는 고화질 및 고정세 액정 디스플레이에 주로 적용되고 있다. 본 총설에서는 FFS모드의 어떠한 동작원리가 기존에 다른 액정모드 보다 왜 우수한 전기광학 특성을 갖는지에 대한 상세 한 설명과 더불어 FFS모드의 역사적 발전 현황, 기술의 현 주 이슈 및 향후 발전방향을 기술한다.
현재 Fringe-field switching(FFS) 액정 모드는 고화질 및 고정세 액정 디스플레이에 주로 적용되고 있다. 본 총설에서는 FFS모드의 어떠한 동작원리가 기존에 다른 액정모드 보다 왜 우수한 전기광학 특성을 갖는지에 대한 상세 한 설명과 더불어 FFS모드의 역사적 발전 현황, 기술의 현 주 이슈 및 향후 발전방향을 기술한다.
Recently, the fringe-field switching (FFS) mode in liquid crystal displays has been used mainly for high image quality and high-resolution liquid crystal displays (LCDs). In this review paper, the fundamental switching principle of the FFS mode, with its excellence over other LC modes in electro-opt...
Recently, the fringe-field switching (FFS) mode in liquid crystal displays has been used mainly for high image quality and high-resolution liquid crystal displays (LCDs). In this review paper, the fundamental switching principle of the FFS mode, with its excellence over other LC modes in electro-optic performance, will be described. In addition, the development history, present technical issues, and future of the FFS LCD will be discussed.
Recently, the fringe-field switching (FFS) mode in liquid crystal displays has been used mainly for high image quality and high-resolution liquid crystal displays (LCDs). In this review paper, the fundamental switching principle of the FFS mode, with its excellence over other LC modes in electro-optic performance, will be described. In addition, the development history, present technical issues, and future of the FFS LCD will be discussed.
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제안 방법
, Japan)이다. 두 액정의 유전율 이방성 부호에 따라서만 전기광학 특성 차이를 이해하기 위해 전극 구조, 유전율 이방성 부호를 제외한 액정 물성(탄성상수 K, 회전점도), 셀 조건을 같게 설정하고 전압인가에 따른 투과율(V-T)곡선과 전극 위치에 따른 투과율 차이를 비교해 보았다(Fig. 4 참고). 일반적으로 액정소자에서 문턱전압이나 구동전압은 (K/Δε)1/2에 비례한다.
이러한 단점을 극복하는 방안으로 다중 도메인 수직배향(MVA: Multidomain Vertical Alignment) LCD가 제안되었고 기판에 유전율 이방성(Δε)이 음인 액정이 수직으로 배열되어 있고 경사전기장이나 고분자 돌기를 이용 하여 전압 인가시 교차된 편광자의 투과축과 45도 어긋나게 4방향으로 액정을 눕히는 광시야각을 구현하였다[8,9].
이후 12.1” TFT-LCD를 통해 기술의 실현 가능성을 검증하였다.
대상 데이터
다음은 하나의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 유전율 이방성 부호에 따른 FFS모드의 전기 광학 특성을 설명한다. 이때 사용한 시뮬레이터는 LCD Master(Shintech Co., Japan)이다. 두 액정의 유전율 이방성 부호에 따라서만 전기광학 특성 차이를 이해하기 위해 전극 구조, 유전율 이방성 부호를 제외한 액정 물성(탄성상수 K, 회전점도), 셀 조건을 같게 설정하고 전압인가에 따른 투과율(V-T)곡선과 전극 위치에 따른 투과율 차이를 비교해 보았다(Fig.
최근에 BOE는 세계 최대의 110” UD TFT-LCD를 발표하였다[39]. 제품사양은 밝기 = 1000 nits, 명암대비율 = 1200:1, 응답속도 = 6 ms (G to G), 프레임율 = 120 Hz. 특이점은 이 제품에 전자이동도가 낮은 a-Si TFT와 비저항이 구리에 비해 상대적으로 큰 알루미늄 배선을 사용하였다.
제품사양은 밝기 = 1000 nits, 명암대비율 = 1200:1, 응답속도 = 6 ms (G to G), 프레임율 = 120 Hz. 특이점은 이 제품에 전자이동도가 낮은 a-Si TFT와 비저항이 구리에 비해 상대적으로 큰 알루미늄 배선을 사용하였다. 앞서 FFS모드는 자동으로 Cs가 형성되어 별도의 공간이 필요 없다고 했는데 만약 화소 크기가 아주 클 시는 Cs값도 같이 커져 TFT를 통한 전하 충전 이슈 문제가 발생하고 이러한 문제를 해결하긴 위해선 전자이동도가 높은 TFT를 쓰는 게 바람직하다는 개념이 일반적인 상식인데 FFS가 대면적 UD급에서 a-Si로 구동가능성을 BOE 사가 보여주었다.
성능/효과
FFS기술이 1998년 처음 공개된 이후 약 6년 만에 히타치 사가 FFS기술을 자사 TV에 채용하였고 이 후 세이코엡슨사는 자사 모바일제품에 이 기술을 채용하였음에도 불구하고 세계시장 1, 2위 기업인 엘지디스플레이와 삼성디스플레이는 이 기술을 채용하지 않아 FFS기술도 성능이 우수한 하나의 액정기술 정도로 인식되었었다.
이러한 문제점을 IPS모드의 근본적 약점으로 인식하고 2004년 FFS모드를 채용한 신제품 IPS-Pro를 발표 하였다. IPS-Pro에서는 고개구율 공정을 적용하지 않고도 투과율이 종래 대비 56% 향상 되었고 더불어 명암대비율도 향상되었다.
결론적으로 말하면 FFS모드는 현재 소형에서 30”이하의 거의 모든 고해상도 및 고화질 LCD에 적용되고 있고 대부 분의 LCD회사들이 이름은 IPS-Pro, Photo Fine Vistarich, AH-IPS, PLS, ADS등 달리하여 FFS LCD를 양산하고 있다.
이러한 이유로 A, D지점에 있는 액정들은 주변 액정들이 충분히 회전을 해 주어야만 탄성토크에 의해 원하는 수준의 회전을 할 수 있다. 결론적으로 말하면 FFS모드에서 액정 재배열은 유전토크와 탄성토크가 중요하게 관여하는 것을 알 수 있다.
7을 보면 고개구율 공정을 적용하여 화소 크기가 1/4로 줄었어도 개구율이 유사함을 알 수 있다. 논문에 의하면 개구율 67%가 해상도가 4배로 증가하여도 이 기술을 통해 66%정도로 유지 될 수 있었고 제품의 소비전력도 63 W에서 65 W로 단지 2 W증가했을 뿐이다. 이러한 결과는 종래 디스플레이 설계 개념을 완전히 뒤집는 결과로 FFS기술을 통해 TFT-LCD제품 성능에 혁명을 이루었 다고 해도 과언이 아니다.
이러한 단점을 극복하는 방안으로 다중 도메인 수직배향(MVA: Multidomain Vertical Alignment) LCD가 제안되었고 기판에 유전율 이방성(Δε)이 음인 액정이 수직으로 배열되어 있고 경사전기장이나 고분자 돌기를 이용 하여 전압 인가시 교차된 편광자의 투과축과 45도 어긋나게 4방향으로 액정을 눕히는 광시야각을 구현하였다[8,9]. 하지만 IPS와 MVA방식 모두 공통되는 두 가지 약점을 가지고 있었는데 종래 TN에 비해 화질은 개선되었지만 구동전압이 높아지고 액정의 광효율이 떨어졌다. 이는 소비전력의 증대를 가져오기 때문에 두 액정 모두 휴대용 디스플레이보다는 전력 소모가 상대적으로 이슈가 적은 모니터나 액정 텔레비전 (TV)에 적용만 가능하다는 결론이 나오고 실제로 이 두 모드는 현재 액정 TV에 주로 적용되고 있다.
후속연구
이러한 이슈와 더불어 FFS모드에서는 저 Hz로 구동 시 +frame과 -frame 사이의 투과율 차이가 발생해 이런 문제를 해결하는 연구가 수행되고 있다[43-45]. 이러한 문제를 극복하는 기술이 지속적으로 연구되고 있고 현재 일부 제품에선 30Hz 구동 기술이 적용될 예정이고 향후 소비전력을 최소화하기 위해 좀 더 낮은 주파수로 구동되는 FFS LCD가 개발될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TN모드를 적용한 디스플레이에서 시야각이 좁은 이유는?
이 TN모드는 편광회전 방식의 광변조 덕택에 액정의 편광효율이 우수 하고 구동전압이 5 V 이내여서 초기 10”대의 노트북용 TFT-LCD 에 100% 사용되었다. 하지만 이 액정모드는 계조를 표현하기 위해 전압 인가시 90도 꼬인 상태로 누어있던 액정이 기판에 수직으로 수직전기장을 따라 일어서고 액정층의 중간 방향자가 약 90도 근처로 일어서게 되면 정면에서 입사한 선평광 상태를 흩트리지 않아 어둠상태를 표현한다. 하지만 액정방향자가 한 방향으로만 일어서기 때문에 일어서는 방향과 그 반대방향에서 입사광이 느끼는 유효 위상지연값의 차이가 크게 나고 이는 보는 각도에 따라 휘도 차이가 크게 나면서 화질이 달라진다. 이런 개념이 현재 일반 소비자들이 사용하고 있는 TN모드를 적용한 노트북 디스플레이에서 정면에서의 화질이 상하시야각에 따라 크게 달라지는 것으로 나타난다.
IPS 와 MVA방식의 공통적인 약점은?
이러한 단점을 극복하는 방안으로 다중 도메인 수직배향(MVA: Multidomain Vertical Alignment) LCD가 제안되었고 기판에 유전율 이방성(Δε)이 음인 액정이 수직으로 배열되어 있고 경사전기장이나 고분자 돌기를 이용 하여 전압 인가시 교차된 편광자의 투과축과 45도 어긋나게 4방향으로 액정을 눕히는 광시야각을 구현하였다[8,9]. 하지만 IPS 와 MVA방식 모두 공통되는 두 가지 약점을 가지고 있었는데 종래 TN에 비해 화질은 개선되었지만 구동전압이 높아지고 액정의 광효율이 떨어졌다. 이는 소비전력의 증대를 가져오기 때문에 두 액정 모두 휴대용 디스플레이보다는 전력 소모가 상대적으로 이슈가 적은 모니터나 액정 텔레비전 (TV)에 적용만 가능하다는 결론이 나오고 실제로 이 두 모드는 현재 액정 TV에 주로 적용되고 있다.
1980년 액정디스플레이의 단점을 극복하기 위해 무엇이 개발되었는가?
1960년대에 액정디스플레이(LCD: Liquid Crystal Display)가 처음 나온 이래 액정디스플레이는 직접 구동이나 수동형(passive matrix) 방법으로 구동되어 정보 표현량에 한계가 있었다. 1980년에 이를 극복하는 thin-film-transistor(TFT)를이용한 능동형(active matrix) LCD가 개발되었고, 그 이후로 능동형 LCD 즉 TFT-LCD에 대한 기술 발전과 더불어 1990년 초부터 TFT-LCD가 양산되었다. 이때 적용되었던 액정 모드는 딱 한가지로 상하판에 액정이 90도 꼬여있는 twisted nematic(TN)이었다[1-3].
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