TFT-LCD
(Thin Film Transistor- Liquid Crystal Display)
Part 2
LCD 에서의 Active Matrix 구동 방법
AM-LCD는 그림 3.6의 회로기호로 표시할 수 있는 개별 화소가 𝑚𝑚 × 𝑛𝑛 matrix 형태 (XGA 해상도의 경우, 1024 × 768)로 배열되어 있다고 볼 수 있다. 이를 회로기호로 표시한 것이 아래 그림 (a)이 다.
1개의 프레임을 표시하는 데 할당된 시간을 프레임 주기라 부르며, 이는 패널의 해상도와는 무관하다. 프레임 주파수가 60 Hz인 경우 프레임 주기는 16.6 msec 정도로 계산된다.
만약 패널의 해상도가 XGA라면 768개의 게이트 배선에 프레임 주기 내에 한번씩 ON/OFF
전압이 순차적으로 인가되어야 하기 때문에 1개의 게이트 배선에 ON 전압이 인가되는 지속시간 을 1H 시간 이라 부르며, 이는 21.6 µsec (프레임 주기÷ 768)로 계산된다. 이 후 나머지 16.6 msec 대부분의 시간 동안은 OFF 전압이 인가된다.
따라서, 각 게이트 배선에는 ON 전압이 인가되는 시점은 순차적으로 1H 시간만큼 지연된다.
1개의 게이트 배선에 연결된 TFT들은 21.6 µsec 동안 동시에 turn-on되고, 나머지 16.6 msec 대부분의 시간 동안은 turn-off 상태가 된다.
turn-on되어 있는 TFT와 연결된 모든 화소는 해당 프레임에서 정해진 밝기에 따라서 화소 전극이 필요로 하는 전압을 데이터 배선으로 부터 전달받게 된다. 만약 이전 프레임과 다음 프레임 간의 밝기 차이가 없으면 화소 전극의 전압이 달라지지 않을 것으로 생각할 수 있지만 앞서 설명한 반전 구동을 적용해야 할 필요가 있기 때문에 화소의 밝기가 프레임 간 차이가 있든 없든 화소 전극의 전압은 매 프레임이 바뀔 때마다 TFT가 turn-on이 되었을 때 새로운 전압을 인가받아야 한다.
위 그림은 특정 화소가 이전 프레임에 공통 전극 전압 (5 V)에 비해 2 V 낮은 3 V의 화소 전압을 갖고 있었다고 가정하고 다음 프레임에 공통 전극 전압에 비해 3 V 높은 8 V의 화소 전압이 인가 되어야 할 경우의 과정을 보여주고 있다.
그림 (a)에서 이전 프레임에 3 V의 전압을 갖고 있었다면, 이 전압은 커패시터에 저장이 되고 TFT가 turn-off되어 있기 때문에 데이터 배선에 어떤 전압이 인가되더라도 변동이 되지 않는다.
그림 (b)는 게이트 배선에 ON 전압이 인가되어 TFT가 turn-on된 상태로서 데이터 배선에는 이 화소가 필요로 하는 8 V가 인가되어 있다. 화소는 3 V에서 8 V로 변화하기 위해서는 5 V의 변동이 일어나야 하는 데, 이를 위해서는 𝐶𝐶𝑝𝑝 × 5 𝑉𝑉만큼의 전하량의 변화 (∆𝑄𝑄)를 필요로 한다.
따라서 1H 시간 동안 TFT는 ∆𝑄𝑄만큼의 전하량을 공급하기 위해 전류가 흐르게 된다.
TFT의 turn-on 상태에서의 전류구동 능력이 중요한 이유가 정해진 1H 시간 안에 필요한 전하량을 공급할 수 있어야 하기 때문이다.
1H 시간이 경과하면 그림 (c)와 같이 게이트 배선에 OFF 전압이 인가되어 TFT가 turn-off된 상태가 되면 저장된 8 V의 화소 전압은 다음 프레임까지 유지되어 화소는 해당 밝기를 1프레임 동안 유지할 수 있게 된다.
충전율
TFT는 turn-on 상태에서 정해진 1H 시간 동안 데이터 배선에 인가된 전압을 화소에 정확하게 전달하는 역할을 해야 한다. 이상적인 스위치는 turn-on이 되었을 때 스위치의 자체 저항은 0 Ω
이라고 할 수 있지만 실제로 TFT가 turn-on되었을 때는 드레인과 소오스 사이에 저항 성분이 존재한다.
따라서 TFT가 turn-on이 되었을 때를 회로적으로 간략히 표현하면 아래 그림과 같이 표현할 수 있으며 화소 전극 전압 (𝑉𝑉𝑝𝑝)은 RC delay를 갖고서 데이터 배선에 인가된 전압과 같아지도록 변화한다.
이상적으로 1H 시간 내에 화소 전극 전압은 데이터 배선에 인가된 전압과 같아져야 하며, 이 때 1H 시간 동안 화소 전극 전압의 변화량을 100으로 간주했을 때, 실제 화소 전극 전압의 변화량을 백분율로 표현한 것을 충전율이라 하며 아래 식과 같다.
충전율 % = 실제 변화량(= 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎)
이상적 변화량(= 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎)× 100
충전율이 100%에 가깝도록 TFT를 설계해야 양호한 화질을 구현할 수 있다. 충전율이 부족할
경우에는 화면의 휘도가 불균일해지는 불량(=얼룩)이 나타날 수 있다. 이러한 얼룩은 TFT의 특성, 즉 turn-on 상태의 저항 성분이 화소마다 불균일하기 때문이다. 충전율이 100%에 가까우면 TFT 특성의 불균일성이 화질의 불균일성으로 나타나는 것을 최소화할 수 있으며, 충전율이 낮으면 화질의 불균일성이 심해진다.
그림 (b)는 화소의 충전율을 설명하는 그림이다. 이전 프레임에 화소 전극 전압이 3 V라고
가정하고, 다음 프레임에서 8 V의 화소 전극 전압이 인가되어야 한다고 가정한다. 화소 전압 (1) 의 경우는 TFT의 충전 능력이 우수하여 화소 전압이 8 V가지 도달한 경우이며 (충전율 100%), 화소 전압 (2)의 경우는 TFT의 충전 능력이 부족하여 화소 전압이 7.9 V까지만 도달한 경우이다 (충전율 98%).
TFT가 turn-on된 상태에서 화소 전극의 전압이 변화하는 과정은 화소가 갖고 있는 커패시터 용량 (Cp)에 비례하는 전하량의 변화가 동반되어야 한다.
즉, 1H 시간 동안 화소 전압의 변화량 (𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎)과 전하 변화량 (∆𝑄𝑄)은 다음과 같다.
∆𝑄𝑄 = 𝐶𝐶𝑝𝑝 × 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎 + ∆𝑄𝑄 𝐶𝐶𝑝𝑝
충전율이 100%가 되기 위해 필요한 전하 변화량을 ∆𝑄𝑄𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 = 𝐶𝐶𝑝𝑝 × (𝑉𝑉𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 𝑉𝑉𝑝𝑝,𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎)로 정의하면, 충전율은 아래와 같이 전하 변화량에 관한 식으로도 표현이 가능하다.
충전율 = ∆𝑄𝑄∆𝑄𝑄
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 100
위 식으로부터 충전율이 높아지기 위해서는 화소가 필요로 하는 전하의 변화량을 TFT를 통해 흐르는 전류로써 충분히 공급해주거나 빼주어야 한다는 설명이 가능하다.
TFT를 통해 공급되거나 빼지는 전하량 (∆𝑄𝑄)은 다음과 같이 표현이 가능하다.
∆𝑄𝑄 = ∫01𝐻𝐻𝑖𝑖 𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑡𝑡
𝑖𝑖 𝑡𝑡 : TFT의 channel을 통해 흐르는 전류
1H: TFT의 turn-on 지속시간 (XGA 해상도의 경우: 21.6 μsec)
TFT의 channel을 통해 흐르는 전류 𝑖𝑖(𝑡𝑡)는 TFT의 드레인과 소오스 간의 전압 (𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷)과 게이트와 소오스 간의 전압 (𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷)에 의해 결정되며, 스위치로 사용되는 TFT의 turn-on상태는 linear 동작 상태이므로 (𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 < 𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷 − 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑡) 전압-전류 관계식은 아래와 같다.
𝑖𝑖 𝑡𝑡 = 𝑊𝑊
𝐿𝐿 𝜇𝜇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝐶𝐶𝑖𝑖[𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷 𝑡𝑡 − 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑡 − 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑡𝑡
2 ]𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷(𝑡𝑡)
그림 3.9(a)에 표현된 TFT의 저항 성분 R은 위의 전압-전류 관계식의 괄호 안에서 𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷− 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡에 비해 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷가 많이 작기 때문에 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷항을 무시하면 다음 식과 같다.
𝑅𝑅 𝑡𝑡 = 1
𝑊𝑊𝐿𝐿 𝜇𝜇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝐶𝐶𝑖𝑖 𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷 𝑡𝑡 − 𝑉𝑉𝑎𝑎𝑡
그러므로 𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷와 관계된 TFT의 게이트에 인가되는 전압 (𝑉𝑉𝐺𝐺)가 높을수록 TFT의 저항 성분은 낮아짐을 알 수 있다.
화소 커패시터 용량
충전율을 100%에 가깝게 설계한다는 것은 TFT의 저항 성분을 낮게, 즉 TFT의 전류 구동 능력을 충분히 크게 설계한다는 의미가 된다. 한편 화소 capacitor 용량을 되도록 작게 설계하여 필요로 하는 charge양을 작게 한다는 의미도 될 수 있다.
화소 커패시터 용량 (𝐶𝐶𝑝𝑝)은 기본적으로 화소 전극과 공통 전극 사이에 존재하는 액정을 유전층으로 하는 액정 커패시터 용량 (𝐶𝐶𝐿𝐿𝐿𝐿) 성분이 해당된다.
화소에 데이터 입력이 완료된 후 TFT가 turn-off되면 TFT의 채널을 통해 전류가 흐르지 않는 것이 이상적이나 일반적으로 일정량의 누설 전류 (leakage current)가 존재하기 때문에 한 프레임 동안 화소 커패시터에 저장된 전하의 손실이 발생하여 화소 전압이 변동하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 패널 내에 국부적으로 TFT 누설 전류의 불균일이 있을 경우 얼룩을 유발하게 된다.
한편 누설 전류가 패널 내에서 전반적으로 큰 경우에는 flicker 불량이 시인되기도 한다. 이러한 TFT의 누설 전류에 의한 화소 전압의 변동을 줄여주기 위해서는 화소 capacitor 용량이 크면 클수록 유리하다.
그러나 화소 capacitor 용량은 화소 전극의 면적과 액정층의 두께 (=cell gap)에 의해 결정되는 양 으로서 설계에 의해 인위적으로 크기를 조절할 수 없다.
따라서, 일반적으로 액정 capacitor 용량만으로는 위에 언급한 불량을 해결할 수 없기 때문에 축적 용량 (𝐶𝐶𝑠𝑠, storage capacitor)을 액정 capacitor 용량과 병렬 연결로 추가하는 것이 일반적인 설계 방법이다.
화소 capacitor 용량 (𝐶𝐶𝑝𝑝)는 다음과 같이 정의된다.
𝐶𝐶𝑝𝑝 = 𝐶𝐶𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐶𝐶𝑠𝑠
그림 3.10은 축적 용량을 추가하지 않고 액정 capacitor 용량만 존재하는 경우 화소 capacitor 용량이 정의되는 것을 그림으로 설명한 것이다.
그림 3.11은 액정 capacitor 용량에 축적 용량을 추가한 경우, 화소 capacitor 용량이 정의되는 것을 그림으로 나타낸다.
축적 용량은 화소 전극인 ITO와 이와 상대되는 전극으로 형성되며 두 전극 사이에는 SiNx 절연막 이 존재한다. ITO의 상대 전극은 게이트 배선 형성 시 동시에 형성된다.
축적 용량의 크기를 증가시킴으로써 화소 capacitor 용량의 크기를 증가시키는 것은 TFT 누설 전류에 의한 불량을 억제하는 관점에서는 유리하지만, 충전율 관점에서는 불리해진다.
따라서 이들 간의 trade-off 관계를 고려해서 최적의 크기를 갖도록 설계해야 한다. 또한 축적 용량 이 증가하게 되면 다음과 같은 추가적인 단점도 있다.
1. 축적 용량은 게이트 배선 금속으로 형성하므로 화소에서 차지하는 면적이 커지므로 화소에서 빛이 투과되는 절대 면적 (개구율)이 작아지게 되어 패널의 밝기가 감소한다.
2. 화소 capacitor 용량의 크기가 증가함에 따라 충전 시 공급되어야 하는 전하량이 더 많아지게 되므로 충전 불량을 해소하기 위해 TFT의 전류 공급 능력을 증가시켜야 된다.
따라서, TFT의 채널 폭(W)을 증가시켜야 하는데, TFT의 W가 증가되면 화소에서 빛이 투과되는 절대 면적이 작아지는 효과도 나타나고 이 후에 설명하게 될 kickback 전압의 크기도 증가하게 되어 화질을 저하시키게 된다.
TFT 채널 사이즈 (W/L)
화소 capacitor 용량 (𝐶𝐶𝑝𝑝)의 크기가 결정되면 충전율을 고려하여 TFT의 채널 폭 (W)과 길이 (L)를 변수로 설계한다.
TFT의 turn-on 상태의 전압-전류 관계식은 다음과 같다. (선형 영역)
𝐼𝐼𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝑊𝑊
𝐿𝐿 𝜇𝜇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝐶𝐶𝑖𝑖(𝑉𝑉𝐺𝐺𝐷𝐷 − 𝑉𝑉𝑇𝑇 −𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 2 )𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷
TFT의 turn-on 전류를 결정하는 변수는 여러가지가 있다. 우선 게이트에 인가될 전압은 구동 회로 에서 결정되지만 가변 범위가 그리 넓지 않다 (+20 ~ -5 V). 또한 𝜇𝜇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎와 𝐶𝐶𝑖𝑖는 비정질 실리콘의 물성과 공정에 의해 결정되기 때문에 설계에서 가변할 수 있는 변수는 아니다.
따라서, 설계에서는 가변할 수 있는 변수는 TFT 채널의 W와 L이다. 아래 그림에서 TFT의 W와 L 의 정의를 나타내고 있다.
TFT의 전류는 W에 비례하고 L에는 반비례한다. L은 photolithography 및 etch 공정에서 문제가 없는 한 최소로 설계하는 것이 TFT 전류 관점에서 유리하며, 보통 TFT-LCD 공정에서는 4~6 µm 정도로 정의된다.
L이 결정되면 충전율 simulation을 수행해서 100%에 가까운 값을 가질 수 있도록 W를 설계한다.
W가 커질수록 TFT 전류가 증가하나 이에 따른 side effect인 kickback 전압이 증가하는 단점이 있다.
Kickback 전압
Kickback 전압 (∆𝑉𝑉𝑘𝑘)이란 충전이 완료되는 시점에서 TFT의 gate 단자 전압이 turn-on 전압에서 turn-off 전압으로 상당히 크게 변동 (예: ∆𝑉𝑉𝐺𝐺 = 𝑉𝑉𝐺𝐺,𝑂𝑂𝑂𝑂 20 𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝐺𝐺,𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 −5 𝑉𝑉 = 25 𝑉𝑉)함에 의해 화소 전압이 기생 capacitor에 의한 coupling 현상에 의해 일정량 변동하는 값을 일컫는다.
보통 ∆𝑉𝑉𝐺𝐺는 구동 조건에 따라 달라지지만 일반적으로 25 V 이상의 값을 갖게 되며 이에 따른 ∆𝑉𝑉𝑘𝑘 는 보통 0.7 ~ 1 V 정도가 된다.
Kickback 전압 발생 원인은 다음과 같다. 아래 그림과 같이 TFT의 게이트에 turn-on 전압이 인가된 상태로 부터 게이트 전압이 turn-off 전압으로 변화하면, 게이트 전극과 소오스 전극이 중첩됨으로 인해 형성되는 기생 capacitor (𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠)의 전하량에 변화가 발생해야 한다.
이때 기생 capacitor의 전하량 변화는 화소 capacitor에 저장된 전하를 끌어와서 충족하게 되므로 화소가 잃어버린 전하량 만큼의 화소 전압의 변동(∆𝑉𝑉𝑘𝑘)이 발생한다.
상기 설명에 의해 ∆𝑉𝑉𝑘𝑘크기를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
∆𝑉𝑉𝐺𝐺에 의해 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠에서 필요로 하는 전하량 변화 ∆𝑄𝑄𝑔𝑔𝑠𝑠 = 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠 × ∆𝑉𝑉𝑔𝑔𝑠𝑠 화소 전압의 변동 ∆𝑉𝑉𝑘𝑘 = ∆𝑄𝑄𝐿𝐿𝑔𝑔𝑔𝑔
𝑝𝑝 = 𝐿𝐿𝑔𝑔𝑔𝑔×∆𝑉𝑉𝐿𝐿 𝑔𝑔𝑔𝑔
𝑝𝑝
𝐶𝐶𝑝𝑝의 크기는 𝐶𝐶𝐿𝐿𝐿𝐿, 𝐶𝐶𝑠𝑠와 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠의 합으로 표현이 가능하다. 𝐶𝐶𝐿𝐿𝐿𝐿와 𝐶𝐶𝑠𝑠의 합은 화소 크기에 따라 달라지지만 보통 1 pF내외가 되며, 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠는 보통 0.05 pF 이하이다.
∆𝑉𝑉𝑘𝑘의 표현식을 다시 쓰면 다음과 같다.
∆𝑉𝑉𝑘𝑘 = 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠
𝐶𝐶𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝐶𝐶𝑠𝑠 + 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠 × ∆𝑉𝑉𝐺𝐺
Kickback 현상을 고려하여 시간 경과에 따른 화소 전압의 변화를 도식화하면 다음 그림과 같다.
앞의 그림에서 1H 시간이 완료되는 시점에 화소 전압이 kickback 전압만큼 하강하는 것을 볼 수 있다.
매 프레임에서 화소의 밝기가 변하지 않더라도 화소 전압은 위의 그림처럼 반전 구동을 위해 공통 전극 전압을 중심으로 프레임마다 반전이 되어야 한다.
앞서 설명한 바와 같이 화소 전압은 kickback 전압만큼 하강을 하므로 공통 전극 전압은 데이터 전압의 중심치에서 kickback 전압만큼 낮게 인가해야 화소 전압의 중심치과 같아진다.
만약 공통 전극 전압이 화소 전압의 중심에서 벗어나게 되면 장시간 구동했을 경우, 액정에 인가 되는 전기장에 DC 성분이 생길 것이고 반전 구동의 효과를 저하시키는 결과를 초래한다. 따라서 앞서 설명한 것처럼 액정에 포함된 이온성 불순물에 의한 열화가 발생할 수 있게 되고,
또한 일정한 밝기의 화면을 표현하는 데 있어서 매 프레임에서 액정에 인가되는 전기장의 크기가 주기적으로 변하게 되어 flicker 불량 (깜빡거림)이 인식되기도 한다.
Kickback 전압은 게이트 전극과 소오스 전극의 겹쳐진 면적에 비례해서 증가하게 된다. 따라서 화소의 충전율을 높이기 위해 TFT의 채널폭(W)을 증가시키면 𝐶𝐶𝑔𝑔𝑠𝑠가 증가하여 kickback 전압이 증가하는 단점이 있다.
