스위칭소자 개요 및 TFT에 대한 정보

구동방식 따라 LCD를 분류해보면, 크게 전기적 구동과 광학적인 구동으로 나눈다. 전기적 구동방식에는 전극을 구동하기 위해 능동소자를 사용하는지 혹은 아닌지의 여부에 따라 수동 행렬형과 능동 행렬형 LCD로 구분한다. 주로 초기 LCD 제품에 많이 사용하였던 수동 행렬형 LCD는 사용하는 액정의 종류에 따라 브틀림 네마틱, 초비틀림 네마틱, 강유전성 및 고분자 분산형으로 나눠진다. 현재 대부분의 LCD는 TN-LCD를 사용하며, 전기 광학적 효과를 이용한다. 전기 광학적 효과란 액정분자의 배열에 전계를 인가하면 다른 배열상태로 변하여 액정의 광학적 성질이 바뀌는 현상을 의미한다. 그러나 TN-LCD는 시야각이 좁고 응답 속도가 느리다는 결점을 가지고 있다. STN-LCD는 비틀림 각이 240~270도에 이르며, 인가되는 전압에 따라 투과도가 빠르게 변하는 특성을 가짐으로 노트북에 주로 응용되었다. 자발분극을 가진 강유전성 액정을 사용한 F-LCD는 고속 광스위칭이나 메모리 현상을 나타내며 이를 강유전성 전기광학효과라고 부른다. 대용량 LCD나 메모리형 LCD에 응용되며, 가장 빠른 응답속도를 가진 LCD로 알려져 있다. F-LCD는 전계를 인가하지 않은 경우, 초기 액정배열에 의존하여 단안정형과 쌍안정형으로 구분한다. PD-LCD는 네마틱 액정과 고분자로 구성되는데 이러한 복합체의 광산란 효과를 이용한 LCD이다. PD-LCD는 복합체의 구조에 따라 NCAP형과 PN형으로 구분한다. NCAP형은 미소입자의 방울과 같은 액정이 고분자 매트릭스 내에 분산된 구조이며, PN형은 액정 내에 고분자가 3차원의 그물 모양이나 미소 입자 방울로 분산되는 구조이다. PN-LCD는 액정의 함유비율이 매우 높으며, 복합체 중에 70~90%를 액정이 점유한다. PM-LCD와 AM-LCD의 구조는 비교하자면, 능동소자인 트랜지스터의 사용 여부에 따라 쉽게 구분할 수 있다. AM 방식은 PIXEL마다 트랜지스터를 적용함으로써 성능을 개선하게 되며, 이는 트랜지스터의 신호를 조절하여 화면에 나타내고자 하는 색상과 명암을 구현하게 된다. 현재 AM 방식이 LCD에 주류를 이루고 있으며, AM-LCD는 형태에 따라 투과형, 반사형 및 투과 반사형으로 구분할 수 있고, 주로 투과형 AM-LCD가 많이 적용되고 있다. AM-LCD는 다시 단자의 수에 따라 2단자와 3단자 LCD로 구분하는데 2단자 LCD에서는 스위칭 소자로서 MIMI와 Diode를 사용하는 LCD이고, 3단자 LCD에서는 TFT를 사용한다. 그리고 광학적으로는 구동하는 LCD는 광 신호에 의해 LCD를 조절할 수 있다. 스위치 소자의 역할을 살펴보자. LCD의 화상에서 하나의 점을 구현하기 위해 각 화소에 X축과 Y축으로 전극이 분포하게 되며, 이러한 축들이 수직으로 교차하는 위치에서 화소를 표시하는 것이 가능하다. 화면의 무수한 점인 화소는 매트릭스로패턴화된 구성으로 나타나게 된다. 매트릭스 전극의 구성을 살펴보면 ,한쪽 기판에 띠 모양의 행전극이 놓이고, 다른 쪽 기판에 열전극이 수직으로 배열한다. 행전극과 열전극이 교차하는 임의의 화소에 선택적으로 전압이 인가함에 따라 문자나 도형 등이 표시된다. 이와 같은 구동 방식은 가장 일반적으로 사용되어온 방식인 수동 행렬형 PM LCD이다. 능동행렬형 AM LCD에서는 행전극과 신호 전극의 매트릭스가 교차하는 각 화소에 스위치 소자가 필요에 따라 커패시터를 설치하면 화상의 콘트래스트와 응답 속도 등의 성능 개선을 추구할 수 있다. 즉, 각 화소에 위치한 스위치 소자와 커패시터는 비선택기간에는 화소를 격리하지만 선택기간에는 화소에 인가된 전압을 유지하게 되며, 화소의 신호전압을 쉽게 제어함으로써 천연색을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 프레임 응답이 거의 없기 때문에 점도가 낮은 액정을 사용하여 동화상을 용이하게 실현할 수 있다. 하지만 AM-LCD는 화소마다 스위치 소자를 구성하기 위한 집적화 공정이 요구되며, 이를 위한 설비가 추가되기 때문에 PM-LCD보다 비용이 높다는 단점을 가진다. 이러한 스위치 소자의 선정에 의해 여러 종류가 있으며, 2단자 소자로는 MIM과 다이오드가 사용되고 3단자 소자로는 전계효과 트랜지스터가 사용된다. 스위치 소자로 FET를 사용한 AM-LCD의 구조와 구동회로이다. 동작원리는 스캔회로에서 게이트 전극에 차례로 주사하면 FET가 도통하고, 드레인 전극이 주사되면서 FET에 연결된 커패시터에 신호 전하가 공급되며,신호전하는 다음 프레임 주사까지 액정을 여기 시킨다. 스위치 소자로서 3단자 소자인 FET를 구동하는 방식에 따라 분류하며, 먼저 단결정이 Si 기판 위에 집적된 MOSFET형과 유리 기판 위에 구성된 a-Si, poly-Si이나 CdSe등의 박막층에 형성된 박막 트랜지스터형으로 나눠진다. TFT는 3단자 스위치 소자로서 MOSFET와 TFT의 공통점은 기본적으로 MOS 구조를 가진다는 것이다. 그러나 제조 공정상에 많은 차이점 외에 두 소자 사이에 가장 중요한 차이는 동작 모드가 다르다는 점이다. TFT는 MOS의 4가지 동작 모드 중에 축적 모드에서 동작하는데 이는 게이트 전압이 인가되면서 캐리어 밀도가 증가하게 된다. 이와 같은 TFT 동작은 캐리어의 전도를 조절할 수 있는 박막을 사용해야 한다. 반면에 MOSFET는 축적모드에서 채널에 높은 전류가 흐르기 때문에 제어하기 어렵지만, 반전 모드에서는 스위칭 동작이 가능하다. TFT는 유리와 같은 절연 기판상에 증착된 반도체 박막층을 이용하여 트랜지스터를 구성하게 도며, a-Si TFT의 기본적인 구조를 나타낸다.