진화하는 플랫 패널 디스플레이 : LCD와 OLED 위주로

2011-08-16 22:00
김태근 前 기자 kod3000@bodnara.co.kr

2. 지속적으로 진화해온 LCD

지난 기사에서 이미 언급한 바와 같이 LCD의 장점은 바로 높은 해상도의 구현이 가능함에 있다.그러나 OLED에 비해 고해상도 구현 및 색감조절이 유리한 LCD는 액정을 바라보는 사람의 눈 각도에 따라 액정의 위상이 달라져 생기는 시야각의 문제와, 액정의 위상 조절을 통해 백라이트유닛의 빛을 100% 차단하지 못해 발생하는 명암비 문제를 갖고 있다.

TN패널의 시야각의 한계

이러한 초기 LCD의 시야각의 한계와 낮은 명암비는 상대적으로 넓은 시야각과 높은 명암비를 제공하는 CRT에 비해 경쟁력이 떨어지는 부분이었고, 비싼 패널의 가격과 함께 LCD의 결정적인 단점으로 인식되어 왔다.

하지만 LCD도 이러한 단점을 극복하고자 지속적으로 진화해 왔으며, 초기 LCD의 액정 구동방식인 TN(Twisted Nematic)방식의 액정소자 구조에 변화를 주어 시야각과 명암비의 문제를 개선한 새로운 액정 구동방식인 VA(Vertical Alignment)와 IPS(In-Plane Switching)방식이 새롭게 등장했으며, 이러한 새로운 액정 구동 방식의 등장으로 초기 TN이 가지고 있던 결정적인 LCD의 단점을 개선하고 있다.

또한 휘도, 두께 등에서도 지속적인 진화가 이루어져 왔으며, 이러한 LCD의 진화는 CRT에 비해 얇은 두께 말고는 크게 메리트가 없었던 초기의 LCD를, CRT를 대체하며 새로운 디스플레이 기준으로 우뚝 서게 한 원동력이었다고도 할 수 있다.

새로운 소자 구동방식의 등장

소자 구동방식에 따라 분류되는 LCD

LCD 패널은 앞서 언급한 TN과 VA, IPS라는 크게 3가지 종류의 LCD 액정소자 구조와 구동방식에 따라서 분류되는데, 소자의 구조가 트위스트, 쉽게 말해 꽈배기와 같은 모양으로 배열 되어있는 방식을 TN 방식이라 하며, 이를 변경하여 수직으로 세워서 정렬시킨 VA방식, 그리고 수평으로 누워서 정렬해있는 방식을 IPS 방식이라 한다.

이러한 구조적 차이로 인해 발생하는 특성들로 인해 각 패널 방식마다의 장단점이 발생하며, 이것은 LCD에 있어서 초기 TN의 한계를 개선하는 중요한 열쇠가 되는데, 기존 TN 방식의 고질적인 문제였던 시야각과 명암비 문제를 개선하기 위해 개발된 VA와 IPS의 TN 대비 상대적인 특징은 다음과 같다.

LCD 패널의 종류별 상대적 특징

	TN	VA	IPS
구동방식	수직 전계 구동	수직 전계 구동	수평 전계 구동
시야각	좁음	넓음	가장 넓음
명암비	낮음	높음	보통
응답속도	불균등	불균등	균등
제조비용	낮음	높음	높음

TN의 경우에는 VA와 IPS에 비해 구동전압과 제조비용이 낮다는 장점이 있으나, 시야각에 따른 색 변화, 또는 휘도의 변화가 커서 왜곡률이 가장 크다는 단점을 가지고 있다. 또한 응답속도에 관해서도 암전 상태(Black, 차단)에서 투과 상태 (White)로 변할 때는 느리고 반대의 경우에는 빠르게 작용해 다소 불균등한 응답속도를 보인다.

VA는 이러한 TN의 낮은 명암비를 개선한 방식으로, TN과 IPS에 비해서 높은 명암비를 제공한다는 장점이 있으나, 역시 TN과 마찬가지로 응답속도의 불균형과 시야각의 문제가 개선되어야 할 과제로 남아있다. 이러한 시야각의 특성을 개선하기 위해 액정 소자의 배선분할기술(멀티도메인)을 적용한 MVA방식으로 진화하며 시야각에 의한 색의 변화를 조절할 수 있도록 했다.

IPS는 이러한 TN과 VA방식의 시야각 문제를 획기적으로 개선한 방식으로 현재 89도 (수평 178도)의 시야각을 제공하는 IPS방식 LCD 패널이 시중에 판매되고 있으며, 응답속도 역시 TN과 VA에 비해 빠르다는 장점이 있다. 하지만 IPS는 단점도 존재하는데 VA에 비해서 명암비가 다소 떨어진다는 점과, TN방식과 비교해 제조비용이 비싸 보급률이 높지 못하다는 단점도 있다.

그렇다면 현재 VA와 IPS가 어떠한 구조적 특성으로 인해 기존의 시야각의 한계와 낮은 명암비를 개선하였는지 각 패널 종류에 따른 액정소자의 구조 및 구동방법을 통해 알아보도록 하자.

낮은 명암비 문제를 개선한 VA 방식

TN의 액정 소자 구조와 구동방법

VA의 액정 소자 구조와 구동방법

VA(Vertical Alignment)방식의 LCD 패널은 기존 TN방식이 가지고 있던 트위스터 구조의 액정 소자를 수직(Vertical)으로 직립시켜 배치한 것이 TN과 다른 가장 큰 특징이다. 역시 TN방식과 마찬가지로 백라이트에서 쏘아올린 빛이 편광판(Polarizer)을 거쳐서 선택적으로 투과되며, 이를 수직 구조의 액정 소자와 컬러필터를 거쳐서 반대편의 편광판을 투과시킨다.

이 때 TN과의 차이점은 소자의 구동 방식인데, 수직으로 서있는 소자는 일정한 전압 이상에서 수평으로 눕는 형태의 위상으로 변하게 되며, 이를 통해 백라이트의 빛을 굴절시켜 투과되는 빛의 양을 조절하여 픽셀을 구현하게 된다.

이러한 수직 구조의 액정 구동방식으로 인해, VA는 전압을 가할 시 TN에 비해 액정 소자의 위상차가 커지므로 Black 픽셀과 White 픽셀의 휘도 차이가 극명하게 나타난다. 따라서 소자의 On-Off시 위상차가 작은 TN에 비해 VA가 명암비면에서 더 뛰어난 성능을 제공할 수 있는 것이다.

하지만 반대로 위상차가 크기 때문에 응답속도 면에서는 TN에 비해서도 다소 느린 편에 속하며, 수직 전계 구동을 하는 소자의 특성상 TN과 같이 Black → White와 White → Black의 응답속도가 균등하지 못하다는 단점이 있다.

멀티 도메인 기술을 적용한 MVA 방식의 구조

또한 VA방식는 TN방식과 마찬가지로 수직 전계 구동방식으로 소자를 움직이기 때문에, TN방식보다는 덜하나 패널을 보는 각도에 따라 휘도가 현저히 떨어지거나 필요치 이상으로 상승하는 백화현상이 발생하게 된다.

VA방식은 이러한 점을 개선하여 패널의 액정 소자가 위치하는 도메인(Domain)을 두 부분으로 나눠 한쪽 소자의 위상을 임의로 제어하여 두 개의 도메인을 생성하는 방식으로 진화했다. 이러한 멀티도메인 MVA방식은 각 도메인이 광학적으로 서로 보상을 하기 때문에 시야각이 달라져도 균등하게 빛을 투사할 수 있어 TN보다 더 뛰어난 시야각을 제공할 수 있다.

좁은 시야각의 문제를 개선한 IPS 방식

IPS의 액정 소자 구조 및 구동방법

IPS(In-Plane Switching) 역시 LCD의 기본 원리인 백라이트를 통해 빛을 투사하는 것은 TN, VA와 마찬가지이다. 이 빛이 편광판을 거쳐서 선택적으로 투과되고 이를 수평 구조의 액정 소자와 컬러필터를 거쳐서 반대편의 편광판을 투과시킨다.

하지만 액정소자들이 트위스터 구조로 꼬여있거나 수직으로 서있는 TN이나 VA방식과 달리, IPS방식은 액정소자들이 수평으로 누워있는 형태로 배치되어 있으며, 수평 전계 구조에 의하여 일정 수준 이상의 전압을 가하게 되면 액정 소자들이 수평을 유지한 상태에서 마치 프로펠러 돌듯 회전 하는 형태로 액정 소자가 구동된다.

IPS의 가장 큰 장점은 넓은 시야각이다.

이러한 IPS 액정소자의 구조와 구동 방식으로 인해 어느 각도에서 봐도 액정소자는 수평 형태의 위상을 유지하게 된다. 이로써 TN이나 VA방식에 비해 넓은 시야각을 제공하며, 현재 약 89도 (수평 178도)의 시야각까지 제공하는 수준에 이르렀다.

또한 이와 함께 수평 전계 구동을 하는 IPS방식은 TN이나 VA방식과 달리 Black → White와 White → Black의 응답속도가 균등한 편으로 잔상 또는 부자연스러운 화면전환이 덜함은 물론, 응답속도의 평균적인 빠르기 역시 TN과 VA보다 빠른 편이다.

하지만 IPS는 TN과 VA에 비해 명암비가 떨어지는 단점이 존재한다. 이는 빛을 투과 시킬 때와 빛을 차단 시킬 때의 액정 소자의 위상차가 TN이나 VA에 비해 크지 않기 때문이다. 이러한 IPS의 단점은 현재 S-IPS, H-IPS등 보다 향상된 패널들이 개발되면서 명암비와 개구율이 향상돼, 기존 IPS의 낮은 명암비의 문제를 개선해 가고 있다.

새로운 백라이트의 등장

LCD는 VA, IPS 등의 새로운 소자 구동방식의 등장과 더불어 백라이트에 있어서도 변화의 바람을 맞이하게 되었는데, 그것이 바로 기존 CCFL 백라이트를 대체하는 LED 백라이트의 등장이다.

LCD 백라이트에 사용되는 CCFL(좌)과 LED(우)

LED 백라이트를 사용한 패널은 전력 소모면에서 기존 CCFL 백라이트를 사용한 LCD 패널에 비해 약 1/2 수준의 소비전력 절감효과를 제공한다. 또한 CCFL의 경우 LED에 비해 높은 전압을 요구하기 때문에 CCFL 백라이트 적용 패널은 별도의 DC 파워서플라이 및 파워 인버터가 필요하지만, LED를 백라이트로 채용한 패널은 이러한 파워서플라이 및 인버터가 필요 없다는 점도 특징이다.

또한 무게와 두께 면에서도LED 백라이트는 CCFL보다 유리하며 이에따라 뛰어난 휴대성의 제공이 가능해져 디스플레이의 두께가 더욱 중요시되는 노트북이나 태블릿 PC, 스마트폰 등의 디스플레이 패널로서 유리한 장점을 가지고 있으며, 이에따라 요즘 출시되는 모든 모바일 기기의 LCD는 LED 백라이트가 적용된 LCD 제품이 사용되고 있다.

그러나 LED 백라이트는 실내에서 사용하는 형광등과 같이 확산형 광원을 제공하는 CCFL과 달리 방향성을 가진 빛이기 때문에 LED의 빛을 확산시켜주는 별도의 광 도판관이 필요하다는 다른 점이 있다. 이러한 도판관을 통해 백라이트의 빛을 효과적으로 골고루 투사하는 효과를 제공한다.

공정의 미세화, 진화하는 LCD

지난 기사를 통해 현재 LCD는 이미 사람의 망막이 인식을 할 수 있는 수준 이상의 ppi 해상도를 구현한다고 언급한 바 있듯이, LCD의 해상도는 초기의 제품들에 비해 비약적인 발전을 이루었다.

이러한 LCD의 해상도 상승에는 픽셀의 미세화를 결정짓는 TFT(Thin Film Transistor)와 컬러필터 제조에 보다 미세화된 공정이 적용된 것에서 기인하며, OLED와 비교해 LCD가 현재 고해상도 구현에 보다 유리한 점은 OLED가 6~7개의 TFT와 1~2개의 캐퍼시터를 사용하는데 반해 LCD는 1개의 TFT 소자만을 사용해 회로가 상대적으로 단순하기 때문이다.

컬러필터의 공정이 미세화로 높은 ppi 구현이 수월해졌다.

그림과 같이 R/G/B의 서브픽셀을 각각 담당하는 컬러필터의 컬러 영역을 미세화 공정으로 더욱 미세화 제작하여 더 작은 크기의 픽셀을 구현 할 수 있음은 물론, 픽셀 구분 영역(검은색 부분)을 더 얇게 제작하고 이를 통해 투과율을 높임으로서, 컬러필터를 통과하는 백라이트 빛의 양을 증가시켜, 휘도의 상승 및 효율을 상승시킬 수 있게 되었다.