일본 평면디스플레이 기술 동향

디스플레이는 이용범위가 넓고 종류도 다양하다. 전자적인 것중에는 발광 다이오드 LED 전장발광(EL), CRT, 액정(LC), 플래즈마, 형광표시 (VF) 등이 현재 사용되고 있다.

여기서는대형 평면디스플레이로 사용이 가능하고 하이비전(일본식 HDTV) 용으로도 주목받고 있는 액정, 플래즈마와 전계방출 디스플레이의 현상에 대해 알아보고자 한다.

1, 액정디스플레이(LCD) 액정디스플레이(LCD)는 응답속도가 느리고 사용온도가 한정돼 있으며 전압에 대한 광학적 특성의 변화가 느리고 시야각이 좁다는 점등이 결점으로 지적되고 있다. 이들은 모두 개발역사가 길고 기술적으로도 성숙되어 있기 때문에주로 CRT를 중심으로 논하게 된다.

LCD는평판형 저전압구동, 저소비전력의 특징을 살린 고도정보표시 및 요소 기술의 개발에 따라 대부분의 문제점이 해결됨으로써 CRT수준의 고화질이 이루어진다. 이것은 반도체메모리의 대용량화에 따라 PC, 워드프로세서(WP) 가보급되고 OA시대가 열림과 함께 문자.도형.화상표시용 평판디스플레이로 사용할 수 있게 된 데다 컬러화가 용이하고 저가라는 장점을 갖고 있어 급속도로 보급되어 왔다.

TN(트위스티드네마틱)모드는 시각이 좁다는 특성이 있는데 마이너스의 굴절 율이방성을 지닌 광학상판을 LCD셀과 편광판사이에 삽입, 오프상태에서의 시각특성을 향상시켜 시계, 소형액정TV등에 이용되고 있다.

STN(수퍼트위스티드 네마틱)은 액정전자의 휨각을 TN의 90도에서 1백80~2백 60도이상으로 하고 부거특성을 급경사로 해 엔트러스트가 좋은 표시를 가능하도록 했다. 또한 편광판에서 액정층을 끼운 구조를 채택한 ECB(Electrica lly Controlled Birefringence)모드에서는 오프상태의 시각특성을 향상 시켜 전압에 대한 투과율의 특성이 급경사로 되게 해 콘트라스트를 향상시켰다.

강유전성 모드는 분자에 자발분극에 의한 전기쌍극자를 지닌 스멕틱C액정이 사용돼 응답 속도가 빨라지고 메모리성이 있기 때문에 단순매트릭스형 LCD의 표시 대용량화가 기대되고 있다.

폴리머분산모드는 폴리머속에 P형 네마틱액정의 작은 물방울을 분산 시키면 편광판을 사용하지 않기 때문에 TN모드의 2배이상의 휘도를 얻을 수 있고 투 자형 TV용으로 TFT(박막트랜지스터)와 결합해서 응용할 수도 있게 됐다.

예를들면 PC와 WP처럼 문자나 도형, 화상을 표시함에 있어서는 TN액정을 단순매트릭스동작방식으로 구동하지만 TV등의 동작화상은 액티브 매트릭스방식 에서 구동해 CRT이상의 화질을 얻을 수 있다.

이처럼 93년까지 수년간은 액정산업의 성장기로 사업의 기반 조성이 끝나고올해 부터는 "비약의 시기"에 들어설 것으로 예상된다. 즉 응용시장, 패널기술 신상품, 재료기술이 일변하기 때문이다.

지금까지TFT컬러액정의 중심 탑재제품이었던 랩톱,노트북 PC,소형 휴대TV뿐 아니라 앞으로는 새롭게 모빌컴퓨팅개념의 제품이 시장확대를 강력히 주도할 것으로 보인다. 즉, TFT액정탑재의 캠코더나 휴대게임기, 자동차 길 안내 장치 등이 본격적인 생산체제에 들어갈 것이다. 기업의 업무에너지절약과 환경 위생의 향상을 감안한 "그린PC"의 부상은 TFT컬러액정의 수요를 증대해 휴대 경향은 화면표면의 앤티리플렉션처리기술의 개발을 촉진시켰다.

액정결점의하나인 협시야각은 TN모드액정의 방향이 일정하지 않게 함으로써시야각특성을 개선했다. 액정분자의 방향이 일정하지 않아서 발생하는 전기 광학특성의 장밋빛이 1화소 속에서 시각적으로 평균화되기 때문에 광시야 각 특성을 얻을 수 있는 것이다.

TFT어레이공정은 10인치급의 액정패널에 대략 1백만개의 트랜지스터를 만들어넣는 공정 이지만 LSI의 프로세스설비에 비해 대폭 생략되어 있는 실정이 다. 이미 세계시장에 나와 있는 CRT를 성능과 경비면에서 추월하고 있는 만큼 TFT컬러액정의 전망은 확실히 밝다. 이에 따라 일본 업체들은 생산을 확대하고 10인치급의 패널가격을 5만엔수준으로 낮출 수 있는 관련 기술개발에 박차를 가하고 있다.

우선유리기판의 무연마화에 의한 공정단축,효율성향상 등에 의해 가격을 낮추고 백라이트의 일등화, 필터제조에 인쇄법 도입, 생산경비 40% 절감 등에힘을 기울이고 있다. 또한 반사방지를 위해서는 진공증착에 의해 다른 굴절 률을 지닌 물질을 필름표면에 층상으로 형성한다.

이상과같이 새로운 양산기술이 속속 개발되면서 액정평면디스플레이는 새로운 시대를 맞고 있다.

2.플레즈마디스플레이(PDP) 네온관이나 니보원판의 광학, 니키시관을 문자.숫자.그래픽 표시용으로 사용한 것이 플래즈마디스플레이(PDP)의 시작이다. 표시용 셀은 작은 방전관을 여러개의 매트릭스상으로 나열하고 이들 표시셀의 밝기를 제어해 화상을 표시한다. 이것은 AC형과 DC형 으로 대별되고 AC형은 전극은 유전체로 덮여 있고 방전 공간에는 노출되어 있지 않다. 이 유전체의 작용으로 메모리 기능을 갖게 되는 것이다. 유전체를 보호하는 Mgo막은 방전개시전압을 낮춰 회로의에너지 소비저하 , 방전의 안정화, 방전전압의 균일성, 오랜 수명 등 PDP의 기본동작특성에 직접적인 영향을 미치고 있다.

한편DC형은 전극이 방전공간에 노출되어 있어 전압을 가한 시간에만 방전을 일으킨다. 하이비전에는 대형디스플레이가 가장 적합하다. 현재 하이비 전수 상기는 32인치형 CRT수상기가 주류를 이루고 있는데 하이비전이 제공하는 현 장감이나 생동감을 충분히 실현하는 데는 50인치형이상의 대화면이 이상적이 다. LCD의 직시형에서는 20인치이상의 경우 TFT의 유효비율의 문제가 있고FEA 에서도 반도체미세가공의 문제, CRT에서는 대용적과 중량의 문제가 있어여기에서는 대화면을 실현하기가 어려운 것으로 지적되고 있다.

PDP는 대형화가 비교적 용이하고 응답속도나 계조표시등의 기본적인 성능을 얻을 수 있기 때문에 하이비전으로 유망시되고 있다. 앞으로의 과제는 패널 의 대형화, 수명과 발광률의 개선, 화소의 미세화등이다. 최근의 연구에 따르면 수명문제는 해결될 것으로 보인다.

DC형 패널 DC형 에서는 전극이 방전공간에 노출되어 있기 때문에 스포터링에 의해 단기간에 형광면이 더럽혀져 휘도가 저하되고 패널의 수명도 짧게 해준다. 그 대책으로 패널에 넣는 개스압을 낮추고 또 방전전류을 낮추기 위해 각 셀에 저항을 삽입했다. DC형에서는 기계가공과 인쇄기술에 의한 후막을 작성하기 위해 패널제조경비가 저렴하다는 것과 중간조표시를 하기 쉽고 TV동작화상표시 에 독특한 장점을 지니고 있다는 점때문에 PC와 단말기의 디스플레이로서 널리 이용되어 왔다.

그러나메모리작용이 없기 때문에 펄스메모리방식이라는 특수한 구동 방식을 도입, 각 표시셀의 발광시간을 길게 해 화면을 밝게 하고 있다. 이 방식은 구동 회로에 의한 메모리방식이기 때문에 패널자체에는 메모리작용을 지니게할 필요가 없다. 따라서 LCD처럼 트랜지스터나 컨덴서는 필요없으며 패널의 구조도 간단하기때문에 대형화가 용이하다. 반사형광면구조의 고콘 트라스트 패널구조에서는 밝은 방에서도 선명한 화질을 얻을 수 있다. 형광체를 측면과 뒷면에 도포해 화면을 2~3배 밝게 할 수 있다.

패널의가스압과 종류(페닝가스)를 변경하고 또한 각 셀에 직렬 저항을 붙여각 셀에 흐르는 전류를 억제하고 스포터링을 제어해 1만시간의 수명을 확보 할 수 있다는 전망이 나왔다.

이들 기술을 이용한 40종의 패널이 개발, 공개됐다. 방전 공간에 He와 Xe의혼합가스를 주입, 방전전압을 가하면 셀내의 음극과 양극간에 방전이 일어난다. 이 때 발생 하는 자외선 에서 R.G.B형광체를 통해서 컬러의 발광을 얻을수 있는 것이다. 전류 제한저항은 후막인쇄로 형성할 수 있을 것으로 보인다. 이것은 대형화에 필요한 기술이다. 저항은 표시셀마다 개별적으로 설정 하기 때문에 수정도 가능하다. 또한 후막저항을 소영역에 분할해 인쇄로 형성 할 수 있기 때문에 높은 효율성을 기대할 수 있다. 26인치형 이상의 패널에 서는 DC형패널의 제조경비는 AC형패널의 80%정도가 될 것으로 보고 있다.

AC형패널 AC형에는 대향형과 면방전형이 있다. 초기의 패널은 대향형에서 형광체가 없어 Ne가스를 사용한 패널로 등광색이 실용화됐다. 도트매트릭스 방식의 가스 방전디스플레이는 대형화면디스플레이가 될 가능성은 있으나 방전 현상의 성질때문에 하나의 셀을 선택해서 방전을 발생시키면 그 라인의 전위가 낮아져같은 라인에 있는 다른 셀의 점화방전이 불가능하게 된다. 그래서 모든 방전 셀에 저항을 가해 방전전류를 억제, 방전의 발생에 따른 전위 강하를 선택한 각 셀에 국재화할 필요가 있다. 모든 셀에 고저항을 가하는 것은 어려운 기술이지만 비처(Bitzer)와 슬로타우(Slottow)등에 의해 AC플래즈마디스플레이는 비약적인 발전을 이룩하게 됐다. 금속전극의 상부를 유전체 (저융점유리) 에서처럼 덮어 각 셀에 용량성저항을 부가할 수 있게 했다. 이에 따라 방 전의 개선은 물론 메모리기능이 좌우된다는 것을 알 수 있다. 초기에 유전체는 방전공간에 노출된 구조였기 때문에 이온충격에 의한 PbO의 분해에 의해 방 전개 시전압이 30V나 상승했다. PbO를 입힘에 따라 안정된 방전특성을 얻게된 것이다. 유전체를 MgO로 덮음으로써 35만시간이상의 수명을 유지할 수 있는 것으로 보인다.

MgO는방전 전압의 저하, 스포터링에 강하고 장시간에 걸친 동작안정성등 보 호층으로서 뛰어난 특성을 가지고 있는 재료로 AC형디스플레이는 다른 디스 플레이에 비해 극히 뛰어난 점이 인정되고 있다.

면방전형 PDP 의 컬러화는 형광 등과 마찬가지로 방전에 의해 발생하는 자외선으로 그 전극부근에 도포한 R.G.B 발광의 형광체를 여기해서 발광시킨다. 형광체는 1주기에 1회는 반드시 스포터링을 받게된다. 그래서 방전전극과 형광체도포면 을 별도로 해 형광체에 이온 충격을 받지 않은 구조로 했기 때문에 상용화를위한 기술개발이 급진전됐다. 그 특징은, 실용에 견디는 수명(1만시간이상) 을 지니고 있다는 점, 형광면을 홈속에 균일하게 형성해 1백50cd/㎡의 휘도 와 발광효율(0.6lm/W)을 향상시켰다는 점. AC형에 의해 비로소 2백57단계 표시가 가능해졌다는 점, 구동 방식의 개선에 의해 선택전압을 내려 회로의 저경비화를 꾀했다는 점이다.

향후의 과제 DC형과 AC형 모두 기초기술은 어느정도 확립되어 있으나 컬러CRT의 수명은 2만~3만시간인데 비해 PDP의 수명이 1만시간밖에 안되는 것은 풀어야 할 과제이다. 더욱이 하이비전용벽걸이TV의 대형화를 위해서는 고선명패널 제작기술이 개발되어야 한다.

향후시장은 20인치이상에서는 CRT와 PDP가 시장을 지배하겠지만 50인치이상 에서는 PDP의 독무대가 될 것으로 예상된다.

3. 필드이미터어레이(Field Emitter Array) 전계 방출은 현존하는 음극중에서 전류밀도가 가장 높기 때문에 여러 가지의전자원으로서 유망시되고 있으며 많은 실험이 실시됐다. 고분해능전자현미경 의 음극으로써 이미 실용화되고 있고 최근에는 STM(주사터널현미경) 의 음극 으로도 사용되고 있다. 그러나 필드이미터의 작동에는 초고진공을 필요로 하기 때문에 실용화에는 한계가 있었다. 전류밀도는 높지만, 음극의 표면적이 작기때문에 전전유는 작다. 때문에 60년 R K 솔더즈가 다수의 이미터 집합체 를 음극으로 하려는 연구를 시작했고 68년 C A 스프린트는 필드이미터어레이 FEA 의 원리를 정립했다. 이 어레이는 직경 1미크론의 게이트 개구부를 통해 Mo(몰리덴)를 진공증착함으로써 형성된다. 2.8미크론피치로 형성된 16개 (4×4)어레이의 경우 게이트전압 2백12V를 인가하면 1.45㎀의 방사전류를 얻을 수 있다.

한편H F 그레이 등은 Si를 사용해서 이미터어레이를 만들었다. 이것은 Si( 100)기판상에 디스크상태의 마스크를 형성해 KOH와 알콜 및 물의 혼합액으로 이방성에칭하는 방법으로 만들어 진다. 이밖에 Si단결기판에서 드라이에칭과 열산화를 조합시킨 방법으로 Si이미터어레이를 만든다. 직경 1미크론의 열산 화마스크를 사용해 반응성이온에칭에 의해 Si를 콘형상으로 개약가공한후 열 산화를 해 마지막으로 완충불산에 의해 열산화층을 에칭해 이미터의 끝을 첨예화한다. 이것은 Si단결정을 사용하기때문에 재료특성의 차이가 없는 등의 특징을 가지고 있어 최근 많은 업체들이 시험제작하고 있다. 이 방법으로는이미터 끝을 직경 1나노m이하까지 작게할 수 있으며 주사형원자간역 현미경( AFM)용의 칸티레버의 작성에 응용되고 있다.

스핀트형은진공증착에 의해 이미터를 형성하기때문에 막질이나 재료가 한정 되어 있다. 그러나 반도체의 경우는 단결정을 사용하기 때문에 문제가 없다.

현재6인치대각의 흑백플랫패널이 시험제작되고 있다. 저항층을 이미터와 일체화해서 각 이미터에서 나오는 방출전류를 균일화하고 있다. 화소수 2백 56×2백56, 게이트구동전압 80V, 형광체전압 4백V로 최대 3백cd/㎡ 의 휘도 를 얻을 수 있으며 수명은 5천시간으로 됐다. 실용제품이 되기 위해서는 고 효율 형광체의 개발, 새로운 제어전극, 음극재료의 개발 등의 과제가 많이남아있다. 반도체 공정이 들어가기 때문에 하이비전용 50인치 평면패널은 제작이 어려울 것이다. 이미터칩의 밀도를 높이기 위해서는 칩간의 상호작용이 없도록 시뮬레이션으로 확인해야 한다.

일반적으로반도체는 금속에 비해 흡착확률이 현저히 낮기 때문에 높은 진공 상태에서 사용가능하지만 높은 전계에서는 전류밀도가 포화되기 때문에 전류 밀도에 제한이 있다. 한편 금속은 가스에 민감하기 때문에 초고진공에서 사용해야 한다. 따라서 반도체와 금속혼합형, 금속피복반도체, 저사사관수재요 의 이온 주입형을 생각할 수 있다. 반도체-금속공정 Si-TaSi⁴는 1~5×10-?Torr속에서도 안정된 전류를 얻을 수 있으며 제작법도 통상의 Si기술을 이용할 수 있기 때문에 FEA로서도 유망하다. FEA음극은 사사관수가 낮고 통상의 고진공상태에서 작동하는것이 바람직하다. 저사사관수재요, Cs, Ba, Th등 을 금속이나 반도체에 이온주입한 재료는 금속반도체의 특성을 모두 가질 가능성이 있기 때문에 앞으로 더 연구해야 할 것이다.