기초디스플레이-03장 [호환 모드]š©어/기초... · 2014-03-06 · DOOWON TECH. COLLEGE...

DOOWONTECH. COLLEGE

Display Engineering Division

DOOWONTECH. COLLEGE LC(liquid crystal)란 무엇인가?

- LC란: 고체와 액체의 중간 특성- LCD란: 액정의 상태 변화를 이용해 정보를 표시하는 장치로서, 온도 외에

전기장의 변화에 따라 배열상태가 바뀌는 특성을 이용한 것- 1888년 오스트리아의 생물학자인 Reinitzer가 콜레스테롤과 관련된 유기

물질을 녹이는 과정에서 발견(그림)- 독일의 물리학자인 Lehmann은 이러한 혼탁한 액체가 고체의 규칙적인

분자배열을 가지며 또한 유동성을 가지며 결정구조를 가졌다는 의미로액정(liquid crystal)이라 명명함.


145.5 oC 178.5 oC

- LC란: 고체와 액체의 중간 특성- LCD란: 액정의 상태 변화를 이용해 정보를 표시하는 장치로서, 온도 외에

전기장의 변화에 따라 배열상태가 바뀌는 특성을 이용한 것- 1888년 오스트리아의 생물학자인 Reinitzer가 콜레스테롤과 관련된 유기

물질을 녹이는 과정에서 발견(그림)- 독일의 물리학자인 Lehmann은 이러한 혼탁한 액체가 고체의 규칙적인

분자배열을 가지며 또한 유동성을 가지며 결정구조를 가졌다는 의미로액정(liquid crystal)이라 명명함.

DOOWONTECH. COLLEGE LC의 특징

§ 유기화합물로서 가늘고 긴 막대모양의 분자 구조§ 액정상(고체와 액체의 중간)§ 끈적한 유동성의 액체§ 광학적으로 이방성의 결정

결정의 배열이 변하네!


DOOWONTECH. COLLEGE LC의 종류

분자축방향으로규칙적인층상구조점도높음

스멕틱(smectic)


액정의 3가지 분자배열 구조

분자축방향으로규칙적인층상구조점도높음

비규칙적분자축정렬낮은점도

액정전체에나선형모양

네마틱(nematic)콜레스테릭(cholesteric)

DOOWONTECH. COLLEGE 전계에 의한 액정분자 배열의 변화

q 액정분자§ 막대모양의 액정 분자: 전기 쌍극자§ 액정분자의 무게중심과 방향§ 외부 전계의 영향으로 배열이 변화


DOOWONTECH. COLLEGE 액정 분자배열의 종류

(a) 수평형 (b) 수직형 (c) 경사형


(d) 트위스트형 (e) 혼합형 (f) grandijean형

(g) Focal cone형

어떻게구별하지?

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 역사


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 역사


DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 변천사


§ 1887년 브라운이 전자관(음극선관, 브라운관)을 발명§ 1888년 오스트리아의 라인니쳐가 액정(LC) 발견§ 1934년 영국의 쉔베르크가 CRT를 이용하여 진공관 TV 발명§ 1968년 미국 RCA사가 액정으로 표시장치에 응용§ 1973년 전자계산기와 전자시계에 LCD 적용§ 1986년 STN-LCD와 소형 TFT-LCD 실용화§ 1990년 10인치 TFT-LCD 양산화(노트북 PC에 적용)

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 종류


종류가많군!

DOOWONTECH. COLLEGE LCD 분류(형태에 따른)

광원의 위치지, 뭘!

어떻게구별하나!


DOOWONTECH. COLLEGE LCD 분류(구동방식에 따른)

q 전극구동방식에 따라 구분§ 수동 행렬형(passive matrix)§ 능동 행렬형(active matrix) 이런 차이

구나!


(PM-LCD)

(AM-LCD)

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 기본 개념


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 기본 동작


7곱 색깔무지개!

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 스위칭 소자

q 스위치 소자의 역할§ 화소에 수직으로 교차하는 x(행전극)와 y(열전극) 전극에

선택적으로 전압 인가

화소


PM-LCD 단면과 전극 구조

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 스위칭 소자

q TFT 소자와 capacitor 설치§ 화소의 신호 전압 제어§ 동화상 구현 및 응답속도 개선§ 집적화 공정 필요


AM-LCD 구조와 구동 회로

DOOWONTECH. COLLEGE TFT 특징

q TFT 소자§ 3단자 소자: 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate)§ MOSFET와 유사하게 MOS 구조§ MOS동작 중에 축적모드(accumulation mode)에서 스위치 동작§ 소스와 드레인 사이에 전류를 게이트 전압이 제어하여 스위칭


기본적인 a-Si TFT의 단면도

a-Si 가뭘까!

비정질 실리콘amorphous Si !

DOOWONTECH. COLLEGE AM-LCD의 특징

q 기본 구조§ 전면과 배면 유리 기판 사이에 액정 주입(간격: 5 mm)§ 전면과 배면 기판의 전극에 TFT로 구동 전압을 조절하여 동작§ 디스플레이 기술, 반도체 공정기술 및 액정소재 기술이 종합§ 유리 기판에 비정질 실리콘(a-Si) TFT-LCD 증착(350°C 이하의

저온 증착)§ 다결정 실리콘(poly-Si)을 사용할 경우, TFT와 주변 구동 회로를

일체화 가능 ® 화소 표시부와 구동 회로부 접속이 용이단점: 고온 증착


q 기본 구조§ 전면과 배면 유리 기판 사이에 액정 주입(간격: 5 mm)§ 전면과 배면 기판의 전극에 TFT로 구동 전압을 조절하여 동작§ 디스플레이 기술, 반도체 공정기술 및 액정소재 기술이 종합§ 유리 기판에 비정질 실리콘(a-Si) TFT-LCD 증착(350°C 이하의

저온 증착)§ 다결정 실리콘(poly-Si)을 사용할 경우, TFT와 주변 구동 회로를

일체화 가능 ® 화소 표시부와 구동 회로부 접속이 용이단점: 고온 증착

DOOWONTECH. COLLEGE TFT 동작

q TFT 동작: 선형영역과 포화영역§ 선형 영역: 저항 성분 특성

- 드레인 전압의 증가에 따라 드레인 전류 증가


TFT의 단면도와 I-V 특성 저항성분(오옴의 법칙)

DOOWONTECH. COLLEGE TFT 동작

q TFT 포화영역§ 드레인 전압이 높은 경우, 드레인 전류는 드레인 전압에 관계없이 일

정한 특성§ 게이트 전압 하에서 채널은 드레인 쪽에서 pinch off(핀치오프) 발생§ 드레인 전류가 일정하게 포화


핀치오프

VD >> 0

DOOWONTECH. COLLEGE Si 원자결합

q a-Si:H 박막의 장점§ 대면적 증착 용이§ 저온 증착 가능§ 계면 특성 우수§ 제조공정 유연


q a-Si:H 박막의 장점§ 대면적 증착 용이§ 저온 증착 가능§ 계면 특성 우수§ 제조공정 유연

DOOWONTECH. COLLEGE a-Si TFT-LCD 구조

Staggered type TFT의 구조


Staggered type TFT의 구조

BCE 방식 ES 방식Inverted staggered type TFT의 구조

DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD 화소 구성


DOOWONTECH. COLLEGE a-Si TFT의 제조공정


DOOWONTECH. COLLEGE


DOOWONTECH. COLLEGE poly-Si와 a-Si TFT의 차이


고속회로에 맞지않겠네 ! 비싸겠군!

HW#1: 개구율 이란?

DOOWONTECH. COLLEGE 저온 poly-Si (LTPS) TFT

qTop gate type§ 기존의 MOSFET

구조와 흡사§ 반도체 집적기술

적용 가능

qBottom gate type§ a-Si TFT 구조와

동일§ 다결정 Si층이 게

이트 절연층 위에형성(불순물차단)


(a) Top gate type

(b) Bottom gate type

qTop gate type§ 기존의 MOSFET

구조와 흡사§ 반도체 집적기술

적용 가능

qBottom gate type§ a-Si TFT 구조와

동일§ 다결정 Si층이 게

이트 절연층 위에형성(불순물차단)

DOOWONTECH. COLLEGE

q poly-Si 제조공정의 문제점§ 고온 처리:

소자 특성은 우수해지지만, 유리기판에 문제

§ 많은 공정 단계: 공정 단계를 줄이고 수율 향상이 중요

LTPS-TFT의

공정순서도


q poly-Si 제조공정의 문제점§ 고온 처리:

소자 특성은 우수해지지만, 유리기판에 문제

§ 많은 공정 단계: 공정 단계를 줄이고 수율 향상이 중요

쟝, 복잡한공정이네 !Top

gatetype

Bottom gatetype

DOOWONTECH. COLLEGE 고온 poly-Si (HTPS) TFT

q고온 다결정 실리콘 TFT 제조공정§ 유리 대신 석영(quartz) 기판에 CVD로 a-Si 증착하고

열처리(600°C)하여 poly-Si로 결정화§ 반도체 공정설비로 poly-Si 제조§ 주변 구동 회로부를 동일 기판상에 구성 가능

즉, 화소로 연결되는 gate와 data 구동회로를 기판에 집적- a-Si TFT에서는 외부에 구성된 구동회로에 연결


q고온 다결정 실리콘 TFT 제조공정§ 유리 대신 석영(quartz) 기판에 CVD로 a-Si 증착하고

열처리(600°C)하여 poly-Si로 결정화§ 반도체 공정설비로 poly-Si 제조§ 주변 구동 회로부를 동일 기판상에 구성 가능

즉, 화소로 연결되는 gate와 data 구동회로를 기판에 집적- a-Si TFT에서는 외부에 구성된 구동회로에 연결

DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD 패널의 구조

qTFT-LCD 특징§ 비발광형 디스플레이 Þ 후면광(back-light) 필요§ 평면광: 냉음극관(CCFL), 도광판, 확산판 등으로 구성


직시형 LCD module 구조

DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 단면도


DOOWONTECH. COLLEGE

v LCD PanelBacklight Unit에서 입사된 백색광을 구동 회로 unit로부터 입력된개개 화소의 신호전압에 따라 화소에 투과되는 빛을 조절하여 color 영상을 표현하는 역할

TFT-LCD의 기본 용어

Glass Substrate

Liquid Crystal LayersBlack Matrix

Color FilterCommon Electrode

Alignment FilmPolarizing FilmSpacer

LCD의 투명기판으로 낮은 표면 거칠기를 갖는 non-alkaline glass로 0.05 mm보다 작은 peak-to-valley distortion를 갖는다. (TFT-Array 기판, Color Filter 기판)액정층의 두께는 보통 4 mm 정도이다.Color Filter의 Pixel 사이에 형성되는 빛 차광막(Cr, CrOx/Cr, Black Photoresist)3가지 기본색(RGB)의 염료나 안료를 포함하는 수지 Film투명한 전기 전도체인 ITO로 만들어진 전극으로 액정 Cell에 전압을 인가Polymide로 구성된 얇은 유기막으로 액정을 배향하기 위해 형성편광된 빛의 특정 성분을 투과 혹은 흡수LCD Panel의 액정층 두께를 일정하게 유지하기 위해 설계된 Silica 혹은 염료 알갱이


Glass Substrate

Liquid Crystal LayersBlack Matrix

Color FilterCommon Electrode

Alignment FilmPolarizing FilmSpacer

LCD의 투명기판으로 낮은 표면 거칠기를 갖는 non-alkaline glass로 0.05 mm보다 작은 peak-to-valley distortion를 갖는다. (TFT-Array 기판, Color Filter 기판)액정층의 두께는 보통 4 mm 정도이다.Color Filter의 Pixel 사이에 형성되는 빛 차광막(Cr, CrOx/Cr, Black Photoresist)3가지 기본색(RGB)의 염료나 안료를 포함하는 수지 Film투명한 전기 전도체인 ITO로 만들어진 전극으로 액정 Cell에 전압을 인가Polymide로 구성된 얇은 유기막으로 액정을 배향하기 위해 형성편광된 빛의 특정 성분을 투과 혹은 흡수LCD Panel의 액정층 두께를 일정하게 유지하기 위해 설계된 Silica 혹은 염료 알갱이

DOOWONTECH. COLLEGE Thin Film Transistor의 구조


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 구조


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 주변부


DOOWONTECH. COLLEGE Color filter의 구조


DOOWONTECH. COLLEGE B/L unit의 기본 구조

은 코팅


DOOWONTECH. COLLEGE Color TFT-LCD의 동작


DOOWONTECH. COLLEGE 8 단계의 gray scale


구동 IC가 n개의 bit를 가지면, 색의 개수(N)

DOOWONTECH. COLLEGE 디스플레이의 해상도

q LCD 화면의 해상도: pixel의 수§ Color의 종류: 구동 IC에서 bit의 수로 결정§ TFT-LCD의 설계: 화면의 크기와 해상도로 결정


DOOWONTECH. COLLEGE 해상도에 따른 요소

q TFT-LCD의 해상도 증가§ Gate 신호배선의 수는 증가하지만, 선택시간은 짧아짐§ 선택시간 동안 TFT on 동작으로 전류 흐르면, 액정 cell과 축적용량에

data 전압 인가로 충방전§ 해상도 증가로 on 동작시간이 짧아짐으로 부하용량을 충분히 충전시

키기 위해서는 TFT성능 향상이 필요


q TFT-LCD의 해상도 증가§ Gate 신호배선의 수는 증가하지만, 선택시간은 짧아짐§ 선택시간 동안 TFT on 동작으로 전류 흐르면, 액정 cell과 축적용량에

data 전압 인가로 충방전§ 해상도 증가로 on 동작시간이 짧아짐으로 부하용량을 충분히 충전시

키기 위해서는 TFT성능 향상이 필요

DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 설계요소 제한


개구율이뭘까?

W/L이 뭐지!

DOOWONTECH. COLLEGE TFT의 active addressing 동작


• 3´3 pixel의 addressing 동작은 교재 134쪽을 참조

DOOWONTECH. COLLEGE LCD의 color 구현


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 구동 시스템


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD의 제조공정


v TFT-LCD의 제조공정 분류• TFT-array 공정• color filter 공정• 액정 공정• 모듈 공정• 검사 공정

DOOWONTECH. COLLEGE TFT 공정 순서도


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-array 공정


DOOWONTECH. COLLEGE TFT 공정에서 사용하는 세정기술


DOOWONTECH. COLLEGE 건식 및 습식 식각의 비교


DOOWONTECH. COLLEGE Color filter 공정


DOOWONTECH. COLLEGE

액정 공정

- 셀(Cell) 공정CF 공정과 TFT 공정에서준비된 2개의 글라스를하나로 합치고 절단하는공정


- 셀(Cell) 공정CF 공정과 TFT 공정에서준비된 2개의 글라스를하나로 합치고 절단하는공정

DOOWONTECH. COLLEGE


액정 공정의 흐름도

DOOWONTECH. COLLEGE 배향막 공정

q유리 기판(상판과 하판)에 배향막을 형성하는 공정§ 액정분자가 일정한 방향으로 정렬할 수 있도록 가공§ 배향막을 인쇄하고 rubbing 공정으로 표면처리§ 배향막: 200°C 이하에서 약 1,000A 정도의 균일한 박막

ITO 표면과 우수한 접촉(polyimide)§ 액정과 화학적으로 반응하지 않는 소재


q유리 기판(상판과 하판)에 배향막을 형성하는 공정§ 액정분자가 일정한 방향으로 정렬할 수 있도록 가공§ 배향막을 인쇄하고 rubbing 공정으로 표면처리§ 배향막: 200°C 이하에서 약 1,000A 정도의 균일한 박막

ITO 표면과 우수한 접촉(polyimide)§ 액정과 화학적으로 반응하지 않는 소재

DOOWONTECH. COLLEGE Spacer 공정

q유리 상판과 하판의 간격을 균일하게 유지§ Spacer의 직경: 4~5 mm§ Spacer의 산포 밀도: 100~200개/cm2

§ 액정 cell에서 spacer는 배열을 방해하는 불순물이므로 산포 밀도가높아서는 않 된다. (빛의 산란이나 액정의 흐트러짐 야기)

§ Spacer 소재: plastic spacer나 glass spacer 사용


q유리 상판과 하판의 간격을 균일하게 유지§ Spacer의 직경: 4~5 mm§ Spacer의 산포 밀도: 100~200개/cm2

§ 액정 cell에서 spacer는 배열을 방해하는 불순물이므로 산포 밀도가높아서는 않 된다. (빛의 산란이나 액정의 흐트러짐 야기)

§ Spacer 소재: plastic spacer나 glass spacer 사용

DOOWONTECH. COLLEGE 액정 주입

q 유리 상판과 하판을 합착하고 패널을 구성한 후, 액정 주입§ Spacer의 직경에 의해 상판과 하판 사이의 간격은 약 5 mm 정도§ 액정 주입을 위해 seal pattern 형성§ 진공주입법: LCD 패널을 진공처리하고 모세관 현상과 압력차로 액정

주입. 즉, cell 내부를 10-3 torr로 유지하고 액정 용기에 넣으면액정이 모세관의 원리로 빨려 들어가고, 이후에 대기압으로 바꾸면 압력차에 의해 빈 공간이 채워짐.액정주입의 소요 시간이 약 2일 정도 소모

§ 최근에는 seal 인쇄 후에 액정을 떨어뜨리는 ODF(one drop filling)법을 사용한 후에 상판과 하판을 합착하는 방식.


q 유리 상판과 하판을 합착하고 패널을 구성한 후, 액정 주입§ Spacer의 직경에 의해 상판과 하판 사이의 간격은 약 5 mm 정도§ 액정 주입을 위해 seal pattern 형성§ 진공주입법: LCD 패널을 진공처리하고 모세관 현상과 압력차로 액정

주입. 즉, cell 내부를 10-3 torr로 유지하고 액정 용기에 넣으면액정이 모세관의 원리로 빨려 들어가고, 이후에 대기압으로 바꾸면 압력차에 의해 빈 공간이 채워짐.액정주입의 소요 시간이 약 2일 정도 소모

§ 최근에는 seal 인쇄 후에 액정을 떨어뜨리는 ODF(one drop filling)법을 사용한 후에 상판과 하판을 합착하는 방식.

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모듈 공정

완제품 패널을 만들기 위한 마지막 공정으로 Cell 공정으로 만들어진 패널에 편광판과 PCB, 백라이트 유닛 등을 부착하는최종 단계


완제품 패널을 만들기 위한 마지막 공정으로 Cell 공정으로 만들어진 패널에 편광판과 PCB, 백라이트 유닛 등을 부착하는최종 단계

DOOWONTECH. COLLEGE LCD 모듈 공정의 흐름도


DOOWONTECH. COLLEGE LCD 패널의 내부 구조


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD 응용 제품군


DOOWONTECH. COLLEGE TFT-LCD 응용과 전망

§ 1920년까지 약 300여종의 액정 개발§ 평판 디스플레이의 강점인 저소비전력, 경량화 및 양산성 등의 성

능 만족§ LCD의 크기, 수량 및 수율 등의 생산성으로 기판의 크기가 지속적

으로 커져감(향후 8세대 라인 투자 계획).§ 현재 유리 기판의 두께는 0.7mm 사용, 향후 0.5mm 이하 요구§ 또한, 유리 기판 대신에 flexible 기판에 대한 연구 개발 중§ TFT-LCD의 전체 소비전력의 약 60-70%가 BL(back light) 광원

에 사용.


§ 1920년까지 약 300여종의 액정 개발§ 평판 디스플레이의 강점인 저소비전력, 경량화 및 양산성 등의 성

능 만족§ LCD의 크기, 수량 및 수율 등의 생산성으로 기판의 크기가 지속적

으로 커져감(향후 8세대 라인 투자 계획).§ 현재 유리 기판의 두께는 0.7mm 사용, 향후 0.5mm 이하 요구§ 또한, 유리 기판 대신에 flexible 기판에 대한 연구 개발 중§ TFT-LCD의 전체 소비전력의 약 60-70%가 BL(back light) 광원

에 사용.

DOOWONTECH. COLLEGE LCD 소재의 개발 현황


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