[해외기술동향] "3차원 광학보상" OCB방식 LCD 눈길

현재 액정디스플레이(LCD)에서 가장 표시품위가 높은 것은 0.2mm 각정도의 화소를 종횡으로 약 3천×1천개 나열, 그 하나 하나에 박막트랜지스터(TFT) 를 부가한 것으로 음극선관 모니터(CRT)에 손색없는 깨끗한 컬러화상을 표시 할 수 있다.

그러나 여기에는 다음과 같은 문제점이 있다.

*정면에서 관찰하면 정상적인 화상을 볼 수 있지만 시점을 상하로 이동하면 한편에서는 화상의 명암이 반전하고 다른 방향에서는 화상이 하얗게 콘트라스트가 낮아짐) 돼 버린다. 이 때문에 양호한 화상을 얻을 수 있는 각도범위 는 정면을 중심으로 상하 10~15도 정도.

*응답속도가 빠르지 않기 때문에 고속으로 이동하는 화상은 깔끔하게 처리되지 않거나 때로는 사라져 버리는 경우가 있다.

이런 상황에서 최근 일본 도호쿠(동북)대 공학부 전자공학과 연구팀이 이같은 문제점들을 해결한 새로운 LCD 개발에 성공, 눈길을 끌고 있다. 도호쿠대 연구팀은 지난 91년부터 OCB(optically compensated bend)방식이라는 새로운LCD 개발에 착수했다. 2~3년에 걸친 이론적 해석을 마친 후 지난해는 거의 설계조건을 확립했으며 동시에 실험적으로 그 타당성을 검증했다. 이후 지난해 가을에는 일본의 관련업체에 설계조건을 제시, 액티브 매트릭스LCD를 시작하는 데 성공했으며 실제 표시화상을 관찰, OCB방식의 우수성을확인했다.

일본"전파신문"에 실린 관련 내용을 소개한다.

OCB방식의 원리와 특성종래의 LCD에서는 트위스티드 네마틱(TN)방식이 이용돼 왔다. 이것은 액정 분자를 2장의 글라스기판 사이에서 90도 비튼 구조이다. 이 때문에 입사편관은 분자의 비틀림에 따라서 90도 회전하고 우측의 편광판을 통과해 밝은 상태가 된다.

또 이 액정 셀에 충분히 높은 전압을 가하면 분자가 비틀림을 풀고 기판에 수직으로 향하기 때문에 입사광의 회전이 없어지고 편광판에서 차단돼 어두 운 상태가 된다. 실제로 가해진 전압은 몇V이하이고, 특히 중간조표시의 상태에서 분자는 비스듬히 일어나 있는 상태가 된다. 이 상태에서는 보는 방향 에 따라 서있는 모습이 달라져 보이기 때문에 투과율이 대폭 변화하게 된다.

이의 해결책으로 지금까지 TN방식에 의한 화소전극분할(하프톤법)이나 멀티도메인법 듀얼 도메인법) 등이 제안돼 일부 실용화되고 있다. 화소전극분할 법은 2개의 분할전극중 한편의 화속전극을 주로 흑표시-중간조표시, 또 한쪽의 화속전극를 주로 중간조표시-백표시로 해 화소전극 전체에서 중간조를 분할평균화해 표시하는 방식이다. 멀티 도메인법은 각 화소를 2개의 영역으로 분할해 각각 프레틸트각(기판에 대한 액정분자의 미소한 경사각)을 역전시키는 방식이다. 이 두 방식 모두 화상의 명암이 반전되는 일은 없다. 그러나 시각의 확대와 함께 콘트라스트가 감소한다는 문제는 여전히 남아 있다.

이에 따라 도호쿠대 연구소에서는 비스듬히 일어난 상태의 광학적 특성이 보는 방향에 따라서 변화하지 않도록 하기 위해 3차원의 광학보상을 시도했다.

즉3차원방향으로 굴절률을 균등하게 한다.

원리적으로는 광축이 상호 직교하는 3장의 일축성 광학매체를 상정하는데 실제는 이중 2장을 벤드배향의 액정 셀로, 나머지 1장은 일축성 위상차필름으 로 한다. 여기서 액정에 안정된 벤드배향을 얻기 위해서는 프레틸트각을 몇도이상으로 한 후에 전압을 가해야 한다. 이 때문에 수직배향성분이 증가하고 광학보상하기 위해서는 일축성 위상차필름은 이축성 위상차필름으로 할 필요가 있다.

따라서 OCB셀은 2장의 편광판간에 벤드배향셀과 이축성 위상차필름을 삽입한 구도가 된다. 이 벤드배향셀은 전압을 가하지 않은 상태에서는 보다 안정된 스프레이배향을 취하기 때문에 최초로 6V정도의 전압을 수초간 가해 벤드배 향으로 전이시킬 필요가 있다. 그 후 화소마다에 화상의 명암에 응해 2~6V의 전압을 가한다.

또 여기서 액정분자를 벤드배향시키고 또 3차원의 광학보상을 하기 위해서는액정재료의 물성정수, 액정분자의 프레틸트각, 바이어스전압, 2축성 위상차 필름의 각 굴절률과 두께 등을 정밀히 최적설계할 필요가 있다.

또한 이 OCB셀은 응답속도가 종래의 TN셀과 비교, 훨씬 빠르다는 것이 확인됐다. TN셀은 비교적 높은 전압에서는 10ms정도로 빠른 응답을 나타내지만 저전압에서는 1백ms정도로 늦다. 이에 대해 OCB셀에서는 1~10ms의 응답속도 를 얻을 수 있어 모든 영역의 디스플레이로서 그 요구를 만족시킨다. 이에따라 액정TV에서 야구나 테니스경기를 관전할 때 공의 궤도가 분명하지않다든지 PC의 마우스를 빠르게 움직일 때 카솔이 일시 사라지는 문제는 해결된 다. OCB방식 시작도호쿠대 연구소는 이같은 OCB방식의 설계조건을 확립하고 이를토대로 한 컬러LCD의 시작에 나섰다.

이 방식에서는 2축성 위상차필름의 개발과 종래와는 다른 성질을 지닌 액정 재료를 개발할 필요가 있다. 때문에 우선 닛토전공과 치소사의 협력을 얻어설계치에 맞는 재료를 시작했다. 이어 이들 재료와 액정셀의 설계조건에 근거해 일본IBM, 도시바, 호시덴, 세이코엡슨, 마쓰시타전기, 샤프, 히타치 등 액정업체들의 협력을 얻어 컬러LCD의 시험제작에 착수했다. 그 결과 몇개의업체들이 시작에 성공했다.

여기서 시각과 응답속도에서 우수한 표시성능이 확인됐다. 또 아직 액정재료 의 물이정수가 최적화된 것은 아니지만 수평.수직 양쪽에서 상하 40~50도 정도의 시각까지 높은 콘트라스트를 얻을 수 있다는 점도 확인됐다. 이 수치는 앞으로 재료나 디바이스의 제작기술 등에 따라 더욱 개선될 전망이다.

<신기성기자>