액정 디스플레이는 어떻게 작동하나요? LCD란 무엇인가요? - 자세한 기술 설명

1. 액정

1.1. LCD란 무엇인가

우리는 물질이 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다는 것을 알고 있습니다. 이 세 가지 상태는 고체상, 액체상, 기체상이라고도 합니다. 자연의 대부분 물질은 온도 변화에 따라 고체, 액체, 기체 상태로 존재합니다. 물, 소금, 주기율표의 모든 원소로 구성된 물질과 같습니다. 물 분자나 실리콘 원자와 같은 구성 단위는 기본적으로 작은 공과 같습니다. 온도가 낮아지거나 높아짐에 따라 구성 단위의 배열은 이후의 무질서한 배열에서 깔끔하고 질서 있는 배열로 바뀝니다. 즉, 액체상에서 기체상 또는 고체상으로 바뀝니다. 결정에서 구성 단위의 질서 있는 배열은 각 구성 단위가 특정 위치에 있고 흐르기 쉽지 않으며 규칙적으로 배열되어 있음을 의미합니다. 사람들이 배열 규칙을 아는 한 구성 단위에서 시작하여 법칙에 따라 찾을 수 있습니다. 또 다른 단위는 엄격한 공간적 순서입니다. 우리가 알고 있는 고체, 액체, 고체 상태 외에도 고체 상태에서 액체 상태로 변화하는 과정에서 일부 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 직접 변화하지 않고 중간 상태를 제공합니다. 탁한 액체처럼 보이는 중간 상태의 물질입니다. 그러나 광학적 특성과 특정 전기적 특성은 결정과 유사합니다.

이방성, 복굴절 특성과 같은 것입니다. 온도가 상승함에 따라 다양한 탁한 물질은 온도가 상승함에 따라 투명하고 균질한 액체가 됩니다. 반대로 이러한 물질이 액체에서 고체로 변할 때 중간 상태를 거칩니다. 특정 온도 범위에서 액체와 결정을 모두 가질 수 있는 모든 종류의 물질을 액정이라고 하며, 액정상, 메조상 또는 중간상이라고도 하며, 물질의 네 번째 상태라고도 합니다.

1.2. 액정의 기원

액정은 1888년 오스트리아의 식물학자 F. 라이니처가 처음 발견했습니다. 특정 물질의 녹는점을 측정할 때 특정 물질(벤조산과 리포스테롤의 에스테르 에스테르)이 녹은 후 불투명한 흰색 탁한 액체 상태를 통과하여 다채롭고 아름다운 광택을 발산하는 것을 발견했습니다. 맑은 액체가 됩니다. 1889년 독일의 물리학자 O. 레만이 당시 자신이 설계한 가열 장치가 있는 편광 현미경으로 이러한 지질 화합물을 관찰했습니다. 그는 이러한 종류의 흰색 탁한 물질이 외관상 액체처럼 보인다는 것을 발견했습니다. 그러나 그것은 이방성 결정의 복굴절 특성을 나타냅니다. 그래서 레만은 그것을 "액정"이라고 명명했습니다. 이것이 LCD의 유래입니다.

자세한 내용은 다음 기사를 참조하십시오. 액정 디스플레이는 어떻게 발명되었을까요? 화면 표시 기술의 진화 역사

1.3. LCD의 종류:

과학의 발전과 사람들의 이해의 향상으로 액정 물질은 기본적으로 유기 화합물이라는 것을 알게 되었습니다. 기존 유기 화합물 200개 중 20,000개가 액정상을 나타냅니다. 액정은 구성 및 액정상이 나타나는 물리적 조건의 관점에서 열성 액정과 리오트로픽 액정의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 일부 유기 물질을 가열하여 용해하면 가열로 인해 결정 격자가 파괴되어 액정이 형성되며 이를 열성 액정이라고 합니다. 즉, 일부 물질은 앞서 언급한 것처럼 가열로 인해 액정상이 나타납니다. 마찬가지로 일부 유기 물질을 특정 용매에 넣고 용매가 결정 격자를 파괴하여 형성된 액정을 용질 액정이라고 합니다. 용액 농도의 변화로 인해 나타나는 액정상입니다. 가장 흔한 것은 비눗물 등입니다. 현재 대부분의 디스플레이 재료는 열성 액정입니다. 지금까지 XNUMX종 이상의 액정이 발견되었습니다.

수많은 액정 중에서 가장 많이 연구된 액정은 간단한 막대 모양의 유기 분자로 구성된 단위 액정으로, 디스플레이 기술에 가장 널리 사용됩니다. 모든 종류의 분자는 일반적으로 그림(1)에 표시된 구조를 갖습니다. 분자 단단한 코어는 두 개의 벤젠 고리와 중간에 있는 작용기로 구성되며 코어의 양쪽 끝에는 더 부드러운 알킬기 또는 기타 더 부드러운 유기 분자 사슬이 있습니다. 그림(1)과 같이 용융 사슬에 에폭시가 있습니다. 수지 구조는 분자를 키랄 분자로 만듭니다.

액정 분자의 다양한 배열에 따라 네마틱 액정, 콜레스테릭 액정, 스멕틱 액정의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

그림 (1)

1.3.1 네마틱 액정:

네마틱 액정의 분자종의 중심은 혼돈적이고 무질서하여 일반 액체와 같이 흐를 수 있으나 분자막대의 방향자는 그림(2)과 같이 거의 동일하다.

1.3.2 콜레스테릭 액정:

콜레스테릭 액정에서는 분자의 중심 배열이 무질서하지만 분자의 방향은

벡터는 평면에서 대략 한 방향을 가리킨다. 이 평면에 수직인 방향이다. 분자의 디렉터는 그림(3)에 표시된 것처럼 나선형 구조를 형성하기 위해 회전한다.

1.3.3 스멕틱 액정:

스멕틱 액정에서 분자는 층상 구조를 형성합니다. 분자층의 두께는 분자 한 개의 길이와 거의 같습니다. 분자는 분자층의 평면에 수직으로 배열되고 분자의 중심은 분자층에서 무질서하여 층상 4차원 유체를 형성합니다. 그림(XNUMX)에서 보듯이

그림(2)(3)(4)

요약하면, 액정은 대략 위의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 다양한 유형의 액정은 구조가 다르기 때문에 물리적 특성이 다릅니다. 실온 이상의 열방성 이방성을 가진 액정 재료의 특수한 안정된 온도 범위로 인해 이러한 유형의 액정만이 디스플레이 재료로 사용될 수 있습니다. 결정 구조가 너무 강해서 전기장, 자기장, 온도 응력 및 흡착된 불순물과 같은 외부 영향의 영향을 쉽게 받습니다. 따라서 광학적 특성을 변경하기 쉽습니다. 액정의 이러한 약한 분자 배열은 오늘날 액정이 광범위한 시장을 갖기 위한 핵심 조건입니다.

2. LCD 모니터

액정은 고정된 쌍극자 모멘트를 가지고 있으므로 전기장을 인가하면 액정 분자의 축을 움직일 수 있으며, 그러면 액정 분자의 배열이 변하여 광학적 특성을 변화시켜 디스플레이 효과를 얻을 수 있습니다. 이것이 디스플레이로서의 액정의 기본 원리입니다.

2.1. LCD 디스플레이란 무엇인가:

액정의 다양한 전기광학 효과를 이용하여 전기장, 자기장, 빛, 온도 등의 경계 조건의 변화를 특정 조건 하에서 시각적 신호로 변환할 수 있다. 이를 액정 디스플레이라고 하며, 일반적으로 LCD로 표현된다. 액정은 1968년 XNUMX월 미국의 RCA Corporation에서 디스플레이 제조에 처음 사용되었으며, 시계, 계산기, 계측기, 노트북, 휴대전화, 호출기, 전자 애완동물, 포켓 컬러 텔레비전, 대형 평판 디스플레이, 프로젝션 텔레비전 등 가정, 산업, 군용 디스플레이 분야에서 널리 사용되어 왔다.

2.2. 액정 디스플레이의 장단점:

정보 표시 기술은 정보 사회화의 발전에 따라 점점 더 중요해지고 있으며, 액정 디스플레이는 다른 디스플레이에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다. 평평한 디스플레이, 작은 크기, 가벼운 무게, 휴대하기 편리함; 낮은 전력 소모 및 낮은 구동 전압; 긴 사용 수명, 일반적으로 50,000시간 이상; 유해한 광선을 포함하지 않으며 인체에 무해함; 수동 디스플레이, 강한 빛에 의해 쉽게 씻겨지지 않음; 구동하기 쉽고, 대규모 집적 회로로 직접 구동할 수 있음; 간단한 구조, 복잡한 기계 부품 없음; 낮은 건설 비용.

액정 디스플레이가 널리 사용되면서 사람들은 몇 가지 단점도 발견합니다. 수동 부품이고 빛을 방출하지 않기 때문에 어둠 속에서 보이기 위해 다른 광원에 의존해야 합니다. 시야각이 제한적입니다. 응답 속도(30ms~120ms)가 다른 부품만큼 좋지 않습니다. 수명이 반영구적인 부품이 되지 못했습니다.

3. LCD 분류

3.1 액정 디스플레이에는 여러 유형이 있으며, 디스플레이 방식에 따라 투과형과 반사형 직시형 및 투사형 디스플레이로 나눌 수 있습니다.

3.1.1 투과형 LCD의 북쪽에는 형광등, 전기 발광 전극 및 기타 광원이 장착되어 있으므로 희미한 주변광에서도 사용할 수 있습니다.

3.1.2 반사형은 LCD 뒷면의 유리 기판 외부에 부착된 일종의 알루미늄 호일 광 반사 시트로 LCD의 입사광을 반사하여 디스플레이합니다. TN 및 STN 모드에서는 편광판과 주름진 반사판이 후면 유리 기판에 부착됩니다. 이 반사형은 비발광 LCD의 낮은 전력 소모를 최대한 활용합니다.

3.2 광전효과에 의해 생산되는 LCD는 대략 다음과 같은 유형으로 구분됩니다: TN-LCD, STN-LCD, HTN-LCD, FSTN-LCD, TFT-LCD.

 3.2.1 TN-LCD는 트위스트 네마틱 액정 디스플레이입니다. 우리는 모두 액정 분자가 기본적으로 베이스 플레이트 배열과 평행하지만, 위와 아래 액정 분자의 방향은 트위스트되어 있으며, 전체 트위스트는 900입니다. TN-LCD는 가장 오래되고, 가장 널리 사용되고, 가장 크고, 가장 저렴한 디스플레이입니다. TN-LCD의 제조 공정은 기본적으로 성숙되었으며, 현재 주로 싱가포르, 대만, 중국 본토 및 기타 지역에서 생산됩니다. 현재 중국은 TN-LCD의 주요 생산 기지입니다. 우리가 일반적으로 전자 시계, 계산기, 게임 콘솔 등에서 보는 LCD는 대부분 TN-LCD입니다.

3.2.2 STN-LCD는 Super Twist Liquid Crystal Display의 약자입니다. 즉, 슈퍼 트위스트 네마틱 LCD입니다. 구조는 TN-LCD와 유사하지만, 트위스트 각도가 90°가 아니라 180~270° 사이입니다. 트위스트 각도일 뿐이지만 작동 원리는 TN-LCD와 완전히 다릅니다. STN-LCD는 현재 LCD 생산에서 중간 범위의 제품입니다. TN-LCD보다 더 많은 정보를 표시하는 특징이 있으며, 주로 다양한 기기, 중국 디스플레이 기계, 노트패드, 노트북 컴퓨터 등에 사용됩니다. STN-LCD의 제조 공정은 기본적으로 성숙되었지만 주요 기술은 일본, 한국 등 일부 국가가 보유하고 있습니다. 중국에는 XNUMX개가 넘는 STN-LCD 제조 회사가 있습니다.

3.2.3 HTN-LCD는 Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display의 약자입니다. 즉, 고트위스트 네마틱 액정 디스플레이입니다. HTN-LCD는 구조가 TN-LCD 및 STN-LCD와 유사합니다. 다만 HTN-LCD의 트위스트 각도가 100°~120°로 TN-LCD와 STN-LCD 사이입니다. 현재 HTN-LCD는 많지 않으며 성능은 TN-LCD와 STN-LCD 사이입니다.

3.2.4 FSTN-LCD는 Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display의 약자입니다. 이 Film은 보상 필름 또는 지연 필름을 의미하므로 FSTN-LCD는 보상 필름 슈퍼 트위스트 네마틱 액정 디스플레이라고 합니다. STN-LCD의 단점은 특수 처리된 보상 필름으로 극복할 수 있습니다.

3.2.5 TFT-LCD는 박막 트랜지스터를 사용한 액티브 매트릭스 LCD로 현재 LCD 시장에서 가장 고급 제품입니다. 주로 노트북 컴퓨터, LCD TV 등에 사용됩니다. TFT-LCD의 제조 공정은 비교적 복잡하고 가격도 비교적 높습니다. 현재 일본과 한국은 TFT-LCD 생산에 있어 세계에서 비교적 성숙한 국가입니다. 우리나라에서는 길림성만이 TFT-LCD 생산 라인에 투자할 계획입니다.

4. LCD의 구조, 작동 원리 및 주요 기술 지표(TN-LCD를 예로 들어 설명).

4.1 LCD 구조  

① 편광판; ② 기판 유리; ③ SIO2 배리어층; ④ 전극; ⑤ 배향막; ⑥ 밀봉 프레임; ⑦ 전이 전극; ⑧ 액정;

4.2 LCD의 작동 원리:

LCD가 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 빛을 이해해야 합니다. 이것은 전자기파입니다. 즉, 전자기장은 파동의 형태로 전파됩니다. 인간의 눈에 보이는 빛의 파장 범위는 대략 380나노미터에서 780나노미터 사이입니다.

일반적으로 빛은 직선으로 전파되고, 빛파의 진동 방향은 빛 전파 방향에 수직입니다. 자연광(예: 햇빛)의 경우, 빛 전파 방향에 수직인 각 평면에서 빛파의 진동 방향은 무작위적이고 균일하게 분포됩니다.

빛파의 진동 방향이 한 방향일 경우, 그러한 빛을 편광광이라고 하며, 이 진동 방향을 편광 방향이라고 합니다. 편광 방향과 빛파의 전파 방향에 의해 형성된 평면을 진동 평면이라고 합니다.

편광판은 고정된 편광축을 갖는다. 편광판의 기능은 진동 방향이 편광축 방향과 일치하는 빛만 통과시키는 것이다. 진동 방향이 편광축에 수직인 빛은 편광판에 의해 흡수된다. 이런 식으로 자연광이 액정 셀의 입사 편광판(편광판이라고 함)을 통과할 때 편광판의 편광축과 같은 진동 방향을 가진 빛만 남는다.

즉, 선형 편광광입니다. 편광광은 액정 셀을 통과한 후 편광판(분석기라고 함)을 통해 빠져나갑니다. 이런 식으로, 빛이 분석기를 통과하느냐는 것은 액정 셀을 통과한 후 선형 편광광의 편광 상태에 따라 달라집니다. 이를 통해 분석기를 통과하는 빛의 상태를 제어하여 디스플레이를 실현합니다.

구체적으로, TN형 액정 셀의 액정 분자는 꼬인 구조를 형성합니다. 특정 조건 하에서 입사광의 편광은 액정 분자의 꼬인 방향을 따라 회전합니다. 액정 분자의 장축은 90°로 꼬여 90°의 광학 회전이 발생합니다. 두 유리판의 전극에 특정 전압을 인가하면 액정 분자는 상하 유리판에 수직인 배열로 변환되고 꼬인 구조가 사라지고 광학 회전이 사라지며 이러한 전기 광학 효과를 꼬인 전계 효과라고 합니다.

흑백 액정 디스플레이의 경우, 상하 편광판은 직교하여 배치됩니다. 즉, 편광축은 서로 수직이며, 입사하는 자연광은 편광판을 통과한 후 평면 편광광이 됩니다. 액정 셀에 전기장을 인가하지 않으면 편광광은 분자의 꼬인 구조를 따라 90°로 꼬이고 진동 방향은 분석기의 편광축과 일치하므로 분석기를 원활하게 통과할 수 있으며, 이때 디스플레이는 투명 상태이고 비표시 상태이며, 구동 회로는 표시해야 하는 관련 전극에 구동 신호 전압을 추가하고, 이 액정 분자 부분의 꼬인 구조는 사라집니다. 손실된 광전력. 편광판에서 나온 편광광은 변화 없이 직접 분석기로 이동합니다. 편광 방향이 분석기의 축과 수직이기 때문입니다. 편광된 빛은 분석기를 통과할 수 없으므로 신호 전압을 통과하는 전극 부분은 디스플레이 상태에서 검은색으로 나타납니다.

4.3 LCD의 주요 기술 지표:

4.3.1 전기광학적 응답 특성:

액정디스플레이의 상대적인 빛투과율은 외부 신호 전압의 변화에 ​​따라 변화하는데, 이것을 전기광학적 응답 특성이라고 하며 가장 중요한 특성 중 하나입니다.

4.3.2 대조:

액정 디스플레이의 콘트라스트는 디스플레이 상태와 비디스플레이 상태의 상대적인 광 투과율의 비율입니다. 콘트라스트가 ≥5일 때, 이미지는 선명합니다.

4.3.3 관점:

LCD의 대비율은 시야각(즉, 인간의 눈의 시야각)과 관련이 있습니다. 대비율이 시야각에 따라 변하는 특성을 시야각 특성이라고 합니다. 시야각 특성 지표. 일반적으로 대비율이 이 값보다 큰 시야각 범위를 조사하기 위해 대비율의 최소 허용 값이 결정되며, 이 범위를 시야각 원뿔이라고 합니다. 예를 들어, LCD의 대비율 = 3 시야각 값입니다. 상단 시야각은 10°, 하단 시야각은 40°, 좌우 시야각은 30°입니다.

시야각은 시야 방향과 디스플레이 장치의 법선 사이의 각도입니다. 시야 방향(최상의 시야각 사분면): 트위스트 네마틱 액정 디스플레이는 최적의 시야 방향을 가지고 있으며, 일반적인 정면 시야각(양의 시야각)은 이 방향의 θ 각도에서 결정됩니다.

LCD의 단점 중 하나는 다른 디스플레이에 비해 시야각 범위가 좁다는 것입니다. 셀 두께와 액정 굴절률 이방성의 곱이 0.5마이크론 정도라면 장치의 시야각 특성이 크게 향상됩니다. 그러나 제조 환경이 더 까다롭습니다.

4.3.4 응답 시간:

LCD는 종종 변화하는 이미지를 표시합니다. 인간의 눈의 반응 시간은 수 밀리초 정도입니다. 따라서 표시된 이미지의 변화와 신호 전압의 변화에 ​​대한 응답은 이 속도보다 낮아서는 안 됩니다. 액정 디스플레이의 동적 특성을 설명하는 응답 시간은 일반적으로 지연 시간, 상승 시간 및 하강 시간과 같은 세 가지 상수로 표현됩니다.

4.3.5 전력 소비 :

전력 소모는 LCD 작업에 의해 소모되는 에너지로 일반적으로 마이크로와트/제곱 센티미터 순서이며, 낮은 전력 소모는 LCD의 가장 큰 장점 중 하나입니다. LCD의 전력 소모는 디스플레이 영역, 구동 전압 및 주파수, 액정의 저항률, 유전율 및 셀 두께 등에 따라 달라집니다. 그 중 액정의 양의 저항률은 액정이 오염됨에 따라 급격히 떨어지기 쉽습니다. 따라서 액정의 적절한 보존이 매우 중요합니다.

4.3.6 온도 특성:

우리는 액정 물질이 특정 온도 범위 내에서만 액정 상태를 나타내고, 액정 상태의 온도 범위 내에서도 온도 변화가 액정 물질의 물리적 매개변수에 영향을 미친다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어 점도, 유전율, 탄성 상수 등입니다.

5. LCD 제조에 사용되는 원자재와 LCD 제조 공정.

5.1 LCD 제조에 사용되는 원자재는 LCD가 생산된 후 제품에 유지되는 원자재를 말합니다. 주로 ITO 유리 액정, 편광판, PI 액체, 스크린 인쇄 접착제(인쇄 프레임 접착제, 전도성 접착제), 밀봉 접착제, Ni 분말, 플라스틱 개스킷 등이 있습니다. 일반적으로 LCD의 세 가지 주요 원자재는 액정, ITO 유리 및 편광판입니다. LCD 제조용 보조 재료는 생산 공정에서 사용되고 최종 제품에 존재하지 않는 원자재를 말합니다. 예를 들어 포토레지스트 및 희석제, NMP, PI 희석제, BC 액체, SiO2 희석제, 연마 천, 이소프로판올, 에탄올, 아세톤, 세척제, 산, 알칼리 등입니다.

5.2 위의 내용은 우리가 LCD 사용에 대해 알고 있는 원자재입니다. 사실 LCD 제조 공정과 LCD 생산 공정은 이러한 원자재의 가공 및 조합 공정입니다. 구체적인 공정 흐름도는 다음과 같습니다. 재료 준비; 세척 및 건조; 접착; 전면 베이킹; 노출; 현상; 경화증; 에칭; 필름 제거; 코팅 정렬 필름; 사전 건조 및 경화; 배향; 실크 스크린 인쇄; 확산; 피팅(조합); 경화; 절단; LC 충전; 밀봉(분사 및 시멘팅); 세척; 작은 균열, 세척; 방향 전환(베이킹); 시각 검사; 전기 검사; 절단 및 붙여넣기; 최종 검사; 포장; 창고