TFT -LCD 패널의 구조와 동작원리

저온 다결정 실리곤 TFT(LTPS TFT) 두 종류의 저온 poly-Si TFT는 top gate 방식과 bottom gate 방식으로 구분한다. Top gate 방식의 저온 poly-Si TFT는 기존의 MOSFET 소자의 구조와 매우 흡사하며, 따라서 일반적인 반도체 Si의 집적기술을 이용할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 대면적의 유리기판에서는 균일성과 많은 mask가 문제시된다. Bottom gate 방식은 이미 기술한 a-Si TFT와 가는 구조로서, 다결정 Si층이 게이트 절연층 위에 만들어짐으로 유리기판의 불순물 침투를 방지할 수 있다. 저온 poly-Si TFT의 제조공정 순서도를 나타내고 있다. 유리기판을 사용하여 poly Si TFT를 제작하는 과정에서 가장 커다란 공정상의 문제점은 바로 높은 온도와 많은 공정 단계를 거쳐야 한다는 것이다. 고온을 사용하면 소자의 특성은 향상하기 때문이다. 따라서 공정 단계를 줄이고, 수율을 높이는 것은 TFT 공저에 매우 중요하다. 고온 poly Si TFT의 공정은 Quartz를 기판으로 사용하여 실리콘 웨이퍼와 같이 가공하기 때문에 일반 반도체 공정설비를 사용해 poly-Si를 만든다. 즉 Quartz 기판상에 비정질 실리콘을 CVD로 증착하고, 600도로 열처리하여 비정질 실리콘을 결정화한다. 결정성을 높이기 위해 결정화하기 전에 실리콘 이온 주입을 하기도 하며, 다음 공정인 열산화 과정에서보다 고상 결정화를 얻을 수 있다. 게이트 절연막은 실리콘에 열을 가하면서 산화시켜 산화막을 형성하게 되는데, 이러한 과정을 열 산화 과정이라 한다. 실리콘 일부가 산화층으로 변하기 때문에 실리콘층의 두께는 작아지게 되며, 산화층의 두께는 약 1,000 경도이고, 열산화 온도는 1,000도이다. a-Si TFT는 외부에 구성된 구동회로를 TAB(tape automated bonding)로 연결하여야 하는 반면에 고온 poly-Si TFT는 동일기판 상에 구동 회로부를 만들 수 있다는 것이 가장 큰 장점일 것이다. 즉, 화소에 연결되는 gate와 data 구동회로를 기판에 집적하여 내장한다 .고온 poly Si TFT-LCD가 주요 응용인 액정 프로젝터에서는 고휘도를 요구하며, 이를 위해서는 고개구율 기술이 필요하다. 따라서 표시 화면의 휘도는 광원의 휘도를 증가함으로써 얻을 수 있는데 광원의 휘도를 높이면 LCD에 고내광성을 가져야 한다. 광원이 빛을 증가하면 TFT의 트랜지스터에서 광에 의한 누설이 발생할 수 있으므로 TFT의 상하로 차광막을 형성하여 광 차단 구조를 만들어 준다. 또한, 배향막이나 액정 소재도 고내광성의 재료를 사용하여야만 한다. 이와 같은 고휘도화는 LCD 패널의 온도 상승을 초래하게 되며 방열을 개설하기 위해 두꺼운 방진 유리를 패널에 부착하여 온도 상승을 억제하는 효과를 얻을 뿐만 아니라, 부유 먼지가 붙지 않도록 할 수도 있다. TFT-LCD는 PDP나 FED와는 달리 발광형 디스플레이가 아니기 때문에 back-light를 광원으로 사용한다. 따라서 back-light unit 균일한 휘도를 가지는 편명광으로 냉음극관(CCFL ; Cold cathode fluorescent lamp), 도광판(LGP Light guide panel) 및 확산판(diffuser)로 구성한다. TFT-LCD패널이 구조, 구성요소 및 제조공정 등을 기술한다. TFT-LCD 패널의 단면도를 표시한 것으로 구성요소를 살펴보면, 하판은 TFT array 기판이고, 상판은 color filter 기판이다. TFT array 기판은 유리기판에 금속막, 절연막, 실리콘층 및 ITO 등의 박막이 증착되고, 이외에 화소 전극과 정전용량이 형성된다. 그리고 상판의 CF 기판은 TFT array 공정과는 다른 별도의 제조공정으로 만들어지지만, 유리기판을 사용하는 것은 동일하다. 화소와 화소사이에는 빛의 침투를 차단하기 위해 Cr 박막으로 형성된 BM(Black matrix를 설치한다. BM은 RGB의 각 화소 영역을 구분하여 잘 일치해야 하지만, 공통전극으로 사용되는 ITO는 화소 영역에 구분 없이 CF 기판 전면에 균일하게 형성된다. 이와 같이 서로 다른 제조방식으로 만들어진 상판과 하판 사이에는 액정이 삽입되는데 액정분자가 일정한 방향으로 배열할 수 있도록 상하기판에는 배향막이 형성된다. 배향막이 상하기관의 안쪽 표면에 형성된 후에는 두 기판 상에 일정한 GAP을 유지할 수 있도록 산포기가 놓이며, 두 기판이 합착된 후, 그 사이에 액정을 주입하게 된다. 산포기는 Silica, Resin으로 만들어진 구형입자이다. 그리고 제작된 LCD 패널의 TFT array 기판과 CF 기판의 바깥 면에는 편광판이 부착된다. LCD 패널의 기본 동작을 말하자면 평관팡은 특정 방향으로만 진동하는 빛이 투과되는 얇은 판으로 편광판을 통과한 빛을 편광이라고 하며, 빛이 편광판을 통과하는 축을 편광축이라 한다. 배향막은 polymide가 주성분인 얇은 막으로 액정을 배향하기 위해 형성한다. 전압을 가하지 않은 OFF 상태에서는 편광판을 지난 빛이 액정의 배향각에 맞추어 비뚤어지면서 다른 편의 편광판을 통과하게 된다. 그러나 전압을 인가하는 ON 상태에서는 전계의 방향에 따라 액정분자가 수직으로 배열하여 편광판을 통과한 빛이 그대로 하부의 편광판에 전달되면서 차단된다. 그러므로 화소당 연결된 전압을 선택적으로 인가함으로써 빛의 통과와 차단을 제어하여 문자나 도형을 만들게 된다.