<테마특강> LCD용 백라이트 기술 현황과 전망

◆정보처리기술은 정보의 관리, 전달 그리고 표시기술 등으로 분류된다. 이러한 기술은 관련산업의 확대와 더불어 급속히 발전하고 있다.

정보표시기술에서 표시장치는 지난 반세기 이상 브라운관(CRT)이 독보적인 위치를 점했다. 그러나 급속히 발전하는 정보시대를 맞아 다양한 방식의 디스플레이기술이 요구되고 있다. 이 가운데 평판디스플레이는 가까운 장래에 CRT를 능가하는 기술로 자리잡을 것으로 전망된다. 이미 소형 계측기기뿐만 아니라 노트북 PC가 대중화되며 각종 모니터와 TV에 이르기까지 기존 CRT방식이 평판화로 대처되고 있다. ◆

평판디스플레이기술은 이미 시장을 확보한 액정디스플레이(LCD)와 플라즈마디스플레이(PDP)가 주류를 이룰 것이다.

또 전계방출디스플레이(FED)와 전계발광디스플레이(ELD) 등이 관련기술의 향상과 더불어 각 특성에 따른 분야를 점유할 것이다.

LCD는 유리판 두 장 사이에 액정을 주입해 상하 유리판에 설치된 전극에 전원을 인가, 각 화소에서 액정 분자배열이 변화, 영상을 표시하는 장치다.

현재 노트북, PC모니터, 액정TV, 자동차, 항공기 등 사용범위가 확대되고 있으며 평판시장의 80% 가량을 차지하고 있고 지난 98년 하반기 이후 세계적으로 LCD의 수요가 급증해 현재까지 호황을 누리고 있다.

LCD는 LCD패널부, 구동부 그리고 백라이트부로 구성된다.

LCD패널은 자체로 발광하지 않고 패널 배면에 부착된 백라이트를 광원으로 한다.

국내 백라이트유닛시장은 지난 98년 1억9000달러, 99년 3억7000달러에 이르고 있으나 대부분 일본에서 수입하고 있다.

기존의 업체들이 생산시설을 늘리고 있고 신규 업체들이 가세하고 있으나 아직까지 월 170만장의 수요에 못 미치는 100만장 정도를 공급할 것으로 예상된다.

LCD시장은 용도와 패널의 크기에 따라 소형 패널은 차량 기기와 중소형 기기용으로, 대형 패널은 모니터 및 TV용 시장으로 분류된다.

차량 및 노트북 같은 소형의 14인치 이하는 한 개의 냉음극 형광관을 도광판 외곽에 설치해 조립하는 「사이드라이트(side light)」 방식이 일반적이다.

모니터와 TV용으로 사용되는 15∼18인치 백라이트유닛은 밝기를 높이기 위해 도광판 외곽에 각 2, 3개의 램프가 설치된다. 19인치 이상은 도광판 방식으로는 충분한 밝기를 낼 수 없기 때문에 다수의 램프를 확산판 아래에 일정한 간격으로 배열한 직하형 방식이 사용된다.

따라서 램프 및 도광판기술이 중요하다. 이는 백라이트의 박형화와 밝기 및 소모전력을 낮게 하는 기술이 요구되기 때문이다. 이를 위해 램프의 세관화와 발광휘도의 향상이 시도되고 있다.

백라이트기술은 무엇보다 냉음극형광관(CCFL)이 중요하다.

박형화에 따라 10인치 패널은 직경 1.8㎜가 사용되며 8인치 이하 소형은 직경 1.6㎜가 사용는데 장래에는 1.4㎜까지 세관화될 것으로 예상된다. 일반적으로 관경이 작을수록 휘도가 증가한다. 그러나 세관화에 따른 문제점으로는 점등의 지연과 고주파 점등시의 휘도저하 그리고 축방향에 대한 밝기의 불균일성 등 문제가 있다.

CCFL은 수은의 자외선 방사를 이용하는데 이때 수은 증기압의 온도에 따라서 큰 영향을 받는 관 외벽의 온도는 중요한 변수가 된다.

이를 위해 이중관의 단열구조나 추가적인 가열 등이 제안되고 있다. 이러한 이중관 단열구조는 저온에서 고휘도를 실현할 수 있다.

또 세관화에 따라서 유리관의 직경은 되도록 크게 하고 관의 두께는 최소화해야 한다. 유리관의 두께가 작을수록 도광판으로의 광입사 효율이 향상된다. 현재 직경 2.0㎜ 미만 램프에서는 유리관의 두께 0.2∼0.25㎜를 주로 사용하고 있다. 노트북은 저전류 영역(2∼5㎃)에서 저소모전력으로 최적화한다.

반면 모니터나 TV용 대화면의 경우는 노트북 3배 이상의 휘도가 요구돼 램프도 고전류 영역(6∼9㎃)에서 작동해 휘도가 증가한다. 그러나 직경 1.6㎜인 세관의 경우 고전류에서 작동하면 관내의 수은 증기압이 상승, 휘도가 쉽게 포화되는 경향이 있다. 따라서 관경의 직경이 2.0㎜ 이상의 램프에서 봉입기체 등을 최적화해야 한다.

램프의 수명문제도 중요한 변수다. 일반적으로 고휘도를 요구하는 모니터용은 최저 5만시간의 보증이 요구된다. CCFL의 수명은 주로 두 가지 요인에 관계되는 것으로 분석된다.

이는 수은의 감소에 의한 가스조성의 변화와 형광체의 열화다.

특히 수은 합금을 전극으로 사용하는 경우는 수은 주입량의 제한과 함께 전극 표면적이 적기 때문에 문제가 된다. 상대적으로 전극 표면적이 큰 실린더형 전극에서는 수은의 감소가 비교적 적다. 원통형의 니켈 전극에서는 1만시간 이후의 수은 감소량은 0.3㎎ 정도로 추정된다. 따라서 5만시간의 수명을 위해 수은의 최저량이 1.5∼1.7㎎이 돼야 한다.

백라이트는 CCFL의 휘도 저하뿐만 아니라 반사판, 도광판 그리고 확산필름 등의 열화에 의한 휘도 감소가 수명에 영향을 미친다.

최근에는 종래 수은량의 절반 이하로 억제한 램프가 실용화됐다. 또 수은을 사용하지 않거나 수은을 최소화하는 제논 등의 혼합 기체의 연구도 진행되고 있다. 램프 이외에 도광판을 비롯한 각종 필름과 관련된 연구도 백라이트의 기술에서 중요한 분야다. 도광판의 경우 광반사 패턴의 설계기술과 반사필름, 확산필름 그리고 프리즘필름 등 새로운 소재의 개발이 필요하다.

향후 백라이트기술 개발의 내용을 보면 다음과 같다.

현행 백라이트는 냉음극 형광관과 도광판의 조립 방식이다. 국내 업계의 백라이트 생산은 대부분의 부품을 도입해 조립생산하는 형태다. 특히 냉음극 형광관의 경우 거의 전량을 해외에서 수입하고 있다.

최근에는 국내외에서 이러한 형광관과 도광판을 사용하는 방식이외에 평판램프의 기술개발이 진행되고 있다. 백라이트 신기술 개발을 위한 목표와 사양은 표2 참조.

이러한 기술은 평판표시장치로서 박형화와 소모전력을 최소화하고 높은 휘도가 기본적으로 요구되는 사양이다.

최근까지 발표되고 있는 평판형광램프는 상판과 하판의 유리에 각각 형광층을 도포하고 상하판 사이에 방전기체를 주입해 봉입된 구조들이 주류를 이룬다.

상하판의 방전공간 내부에 전극을 설치하고 전극을 유전층으로 덮어서 방전하는 교류형 방전을 채용하는 방식에 대한 연구가 많이 발표되고 있다. 최근까지 연구돼온 평판형광램프의 여러 형태에 대한 기술현황과 장단점은 다음과 같다.

첫째, 상판의 전면에 투명전극을 도포하고 하판 전체에 면전극을 도포, 각각 형광층을 형성한다. 그리고 상하판 사이의 방전에 의한 플라즈마로부터 형광체를 발광하는 방식이 있다.

이러한 상하판 전극구조는 방전효율이 매우 낮기 때문에 고열이 발생해 백라이트로서 실용가능성이 없다.

둘째, 하판에 다수의 전극을 일정한 간격으로 설치하고 그 위에 유전층을 도포한 전극구조다. 최근 독일의 오스람사는 이러한 구조를 채용해 18인치급의 백라이트를 선보였다.

이는 하판에 다수의 선 전극을 수㎝ 간격으로 배치해 짝수 번과 홀수 번의 전극을 각각 연결해 구동한다. 따라서 전극 사이에서 교류형 방전에 의해 상하판에 도포된 형광체를 발광하는 방식의 면램프다. 이러한 구조도 마찬가지로 고열의 발생이 문제가 된다. 일반적으로 패널의 열 발생은 전극 사이의 간격이 좁을수록 고열이 발생한다. 이는 방전효율과 관계된다. 반면에 전극 사이의 간격이 클수록 양광주 형태의 플라즈마가 생성돼 방전효율이 높다. 즉 방전효율이 낮을수록 열이 많이 발생한다.

따라서 첫째와 두 번째의 전극구조에서는 저효율에 의한 열 발생을 피할 수 없다. 오스람사의 구조는 열의 발생문제뿐만 아니라 패널의 중량도 문제가 된다. 패널내부가 저진공이기 때문에 패널의 파손을 방지하기 위해 상하판 유리가 두꺼워지는 것을 피할 수 없다.

셋째, 전극 사이의 간격을 충분히 확보한 구조로서 패널의 양쪽 가장자리에 전극을 설치한 구조다. 이런 경우 냉음극이나 열음극 형태의 기다란 선형전극을 설치한다.

이때 직류형 방전을 시도하면 플라즈마가 전체 패널에 균일하게 발생하지 않는다. 플라즈마가 어느 곳으로 집중해 패널 전체에 균일한 휘도를 낼 수 없다.

이 구조는 휘도와 효율이 좋은 반면 대면적화가 어렵다.

대면적을 위해 상하판을 지지하기 위한 스페이서나 격벽의 설치가 불가피하다. 그러나 이러한 스페이서나 격벽으로 인해 휘도의 균일도가 문제가 된다.

이와 같이 평판형광램프는 대면적화가 불가능하며 가까운 장래에 백라이트로서 실용화되기 위해 대면적화의 문제는 해결과제로 남는다.

결론적으로 국내 백라이트산업 발전을 위해 단순한 부품의 조립 생산에서 벗어나야 한다. 냉음극 형광관의 국내 생산기술의 확보와 도광판 및 각종 필름의 국내 생산기술의 확보가 시급하다. 특히 LCD의 PC모니터와 TV시장의 급격한 성장을 대비해 새로운 개념의 면광원기술 개발이 시급하다.

향후 관련업계와 학계의 유기적인 컨소시엄을 형성, 보다 적극적인 의지로 백라이트기술의 선진화와 세계 시장 주도권 확보의 노력이 있어야 한다.

<조광섭 교수 약력>

81년 서울대 물리학과 졸업

87년 한국과학기술원 물리학과 이학박사

93년 미국 MIT 전자연구소 객원 연구원

88년∼현재 광운대 전자물리학과 교수

2000년∼현재 광운디스플레이기술 대표이사

★표1:백라이트유닛

·=소형=대형

용도= 차량탑재용·중소형기기=모니터·TV

패널크기(대각선)=14인치 이하=15인치 이상

휘도 = 2000㏅/㎡=6000㏅/㎡

균일도=85%=85%

수명=1만시간=5만시간

시야각=프리즘 필름 사용=프리즘 필름 사용않음