물리학과 첨단기술 October 2008 22

저자약력

이경하 수석연구원은 경희대학교 반도체 물리학 박사(1997)로 LG Display 연구소에서 새로운 패널 설계 룰과 new display를 개발 중이다.

(khalee86@lgdisplay.com)

양명수 수석연구원은 한양대학교 전자 공학 석사(1990)로 1991년 이후 LG Display 연구소에서 LTPS, 패널 공정 개발을 해왔고, 최근 패널 재료/공

정/설계를 총괄하는 연구2실장으로 근무 중이다.

(yangms@lgdisplay.com)

강인병 소장은 University of South Australia 전자공학 박사(1998)로 1991

년부터 LG Display 개발 부문에서 근무해왔고, 2007년부터 Display 연구소장으로 재직 중이다. (ibkang@lgdisplay.com)

120 Hz FHD LCD TV의 기술 개발 및 현황

이경하·양명수·강인병

요 약

TFT‐LCD는 90년 ․ 반 시장진입 단계에서 Full Color, 박형 ․경량을 장 으로 Notebook 시장을 창출하 다. 90년

말에는 고 휘도 (250 nit), 시야각 액정 모드의 개발을 통

해 기존 CRT의 아성인 MNT 역을 체하기 시작하 고, 2002년부터는 고휘도(500 nit), 30″ 이상 형화를 통해 CRT TV를 속히 체하 다. 2005년부터는 120 Hz FHD 기술

을 개발, 동 상 화질을 획기 으로 개선하면서 경쟁자인

PDP의 성능을 넘어 형TV 시장에서 독보 인 치를 구축

해 나아가고 있다.본 기고에서는 진화를 거듭하고 있는 TFT‐LCD 기술 에

서 120 Hz FHD 심으로 동화상 련 기술을 요약하고, 업체별 개발 동향, 그리고 동화상의 정량화 부분에 해 논의해

보고자 한다.

서 론

TV 시장에서 지난 몇 년의 패러다임 변화는 시장의 맹주이

던 CRT를 어내고 새로운 강자가 등장하는 혼란의 시 를

창출하고 있다. 패러다임 변화의 첫째는 방송기술의 발 이

다. 방송방식이 아날로그에서 디지털로 바 었다. 이와 동시

에 HD(High Definition) 방송으로 변동되고 있고, 일본에서는

3D 방송도 시범 운 되고 있다. 이는 VGA 아날로그 display에서 HD, FHD digital display를 가 더 잘 만들 수 있

는가에 한 경쟁의 장으로 변화되고 있다.둘째는 Display가 TV only가 아닌 Multi display 역할을

수행하도록 요구받고 있다. TV뿐 아니라 Internet, Network 환경의 속한 발 에 따른 다양한 Contents를 언제 어디서

나 응할 수 있는 Ubiquitous 디스 이로 변화되어야 한

다. 이미 시장에서는 다양한 FHD contents들이 제작 유포되

고 있으며 이를 응하기 해서는 디스 이 해상도가 최

소 FHD 16:9 Format은 되어야 한다. 최근에 IT 부분도

3:4, 16:10 Format을 넘어 16:9로 빠르게 재편되고 있는 상

황도 이러한 변화를 응하는 부분으로 볼 수 있다. 세 번째는 디스 이는 클수록 좋다는 일반 룰에 입각한

화면화이다. 지난 몇 년간 PDP, LCD 제조업체들은 경쟁

으로 TV 화면을 주도하 고 실제 화면을 해본 고객

들은 더 그 매력 속으로 빠져들고 있다. 넷째는 디스 이의 본질인 화질 부분으로 단순히 보여주

는 디스 이는 의미가 없어지고 있다. 동 상 화질을 개선

하여 좀 더 사실감, 웅장감을 부여하고, 다이내믹한 특성을

보여주는 실감 상시 로 나아가고 있다. 정리해 보면 패러다임 변화 응의 Key word는 화면과

FHD 이상의 고 정세 디스 이를 좋은 화질로 가 더 잘

만드는 것이 핵심 경쟁요소로 볼 수 있다. 형화 고 정세 부

분에서는 TFT‐LCD는 큰 강 을 가지고 있다고 볼 수 있다. 자사에서는 이미 3년 에 업계 최 로 100인치 LCD가

기술의 문제가 아닌 사업성의 문제임을 시연한 바 있다. 한

8세 이상의 투자를 통한 50인치 량 양산이 가능하게

되었고 반도체 장비를 활용한 제조 공법은 mobile 응용부분

에서 300 ppi 이상의 고 정세 수 도 가능하게 만들고 있다. 이러한 기술을 바탕으로 화면 FHD 부분에서도 타 경쟁

Display 부분에 우 를 가지고 있다고 볼 수 있다. 다른 하나의 문제는 동 상의 화질 부분인데 특히 액정이 인가

된 압에 의해 물리 으로 반응하는 시간이 걸리고, 압

한 Frame 시간 동안 지속 으로 인가되는 Hold 방식이기 때

문에 동 상 응답 속도가 느린 것이 최 약 이었다. 이는

CRT, PDP 업체로부터 지속 공격을 받아왔으며 최근 3년

동안 LCD hot issue로 부각되었다. 그러나 진화를 거듭하는

LCD 역사는 이를 극복하기 한 노력을 경주하 고 120 Hz

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그림 1. 40인치 이상 FPD Market Trends (디스플레이 서치, ’07.2Q).그림 2. Full HD 지역별 판매 성장률/120 Hz 판매대수 예상 (디스플레

이 뱅크).

참고문헌

[1] C.H. Oh et al., J. Soc. Inf. Display 12, 11 (2004).

[2] Kyung Ha Lee, Nikkei Electronics Asia, 9월호 (2005).

[3] T. Nose et al., SID Symposium Digest 32, 994 (2001).

[4] S.S. Kim et al., J. of the SID 16, 403 (2008).

[5] S.S. Kim et al., SID Symposium Digest 38, 1003 (2007).

[6] 2007년 상반기 보도 자료 요약; Display Search, 아이서플라이.

[7] N. Fisekovic et al., Asia Display/IDW 2001, 1637 (2001).

[8] Y. Kuroki et al., SID 06 Digest, 14 (2006).

[9] S.S. Kim et al., SID 08 Digest, 196 (2008).

라는 성공신화를 시장에 내놓았다.[1‐5]

본론 1에서는 지난 3년간 시도되었던 다양한 동 상 화질

개선기술을 소개할 것이다. 다양한 기술들이 보이지 않는 경

쟁을 거쳐 최종 120 Hz라는 승자를 탄생시켰고, 이 기술은

PDP보다 나은 동 상 화질을 제공함으로서 시장의 강

자로 LCD가 등극할 날이 멀지 않음을 고하고 있다. 그림

1의 40인치 이상 FPD 시장 Market Share에서 볼 수 있듯

이 LCD 성장률이 PDP 비 압도 으로 우 에 있음이 이를

증명해 주고 있다. 2006 이후 격한 성장률은 7/8/10세

공장의 과감한 투자뿐 아니라 이러한 FHD 120 Hz 기술 개

발이 반 된 결과로 해석할 수 있다.[6] FHD 120 Hz는 기존 비 반으로 어든 gate 충 시간과

3‐4배 이상의 해상도 구 에서 오는 투과효율 하, 배선의

신호 달 지연 증가, D‐IC load 증가에 의한 발열 등 많은

난제를 안고 있다. 이를 해결하기 해서 다양한 기술 근

들이 시도되고 있는데, 이는 각 사의 액정모드, 고유공정

장비, 재료특성들이 감안된 unique한 기술로 개되고 있다. 본론 2에서는 이러한 각 사의 노력들을 소개할 것이다. LG Display는 구리(copper, Cu) 배선/S‐IPS 기술을, 삼성 자는

2TFT (1gate/2data)/S‐PVA 기술을 바탕으로 120 Hz 모델

을 개발하 으며, 특히 S‐IPS 120 Hz/FHD 기술은 PDP처럼

빠른 MPRT (8 ms) 동화상 제공으로, S‐PVA는 Black 성능으로 시장의 주목을 받았다. 마지막으로 본론 3에서는 120 Hz를 넘어 최고의 동 상 화질로 가는 길목에서 표 화된 정

량화 방법이 없는 동 상 평가부분에 해 논의하고 몇몇 항

목들을 소개할 것이다.[1,5]

FHD 120 Hz 제품에 한 노력들은 2007년도 하반기 이

후 북미/유럽 시장의 표 고 모델로 자리를 잡았고, 32″ FHD 제품으로 확 되며 확실한 차별화를 선도하 다. 그림

2는 Full HD의 지역별 성장률과 120 Hz 제품의 매 수

상치를 나타내는데, 2008년 이후 10%/년의 선형 인 성

장률을 보여주고 있다. 특히 120 Hz의 경우 2010년도에

2670만 로 상되고 있다.[6]

본 론

1. 동화상 잔상 개선 기술

LCD는 2개의 polarizer 사이에 birefringence(복 굴 )과

anisotropic 특성을 갖는 액정을 이용하여 빛의 진행을

on/off하는 light holding device로써, 편 에 의한 시야각

/color shift와 액정 응답 속도/backlight holding time에

의한 동화 잔상이라는 두 가지 본질 인 제한을 갖게 된다.그림 3은 디스 이 형태 (발 (Impulsive), 수 (Hold))

별로 세기 변화 특성을 나타낸다. 이러한 세기 지연이

을 자극하여 잔상 (tailing, blurring)으로 화질을 하시키

게 된다.[7‐9] 이러한 화질 하를 개선하기 하여 빠른 응답

속도 개선과 Holding 특성의 개선이 필요하다. 디스 이의

동화상 화질을 결정하는 동화 응답속도를 나타내는 MPRT (Motion Picture Response Time)는 기존 응답속도가 화면의

on/off 구간 동안의 휘도 차이를 나타내는 반면, 이동하는

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그림 3. Display type에 따른 광 세기 의존성.

10%

90%

MPRT = Ave.Σ(BEW(on+off))

휘

도

Time (ms)

ODC시 MPRT

그림 4. MPRT 측정법 및 ODC시 휘도 변화.

참고문헌

[10] D.H. Kelly, editor, Visual Science and Engineering (Marcel

Dekker Press).

[11] H. Nakamura et al., Jpn. J Appl. Phys. 40, 6435 (2001).

[12] F. Yamada et al., SID Digest Tech Papers 31, 1180 (2000).

[13] H.J. Coles et al., Nature 436, 997 (2005).

[14] J.U. Kwon et al., IMID 2008, to be published.

•• 액정액정 재료재료 ((점도점도), Cell Design (), Cell Design (갭갭, , 전극전극), new mode), new mode•• 구동구동 전압전압, ODC (Over Driving Circuits), ODC (Over Driving Circuits)

Image TailingImage Tailing

Image Blurring

Holding 특성 개선

응답 속도 개선

Scanning BLU

Black Data Insertion

High Frame Frequency(120Hz, GFI, MEDI)

Blinking BLU

그림 5. 동화상 잔상 개선 기술 요약.

box의 앞과 뒤에서 발생하는 휘도 차이로부터 계산되며, 그림 4에서처럼 on(10%)‐off(90%) 구간 동안의 평균 BEW(blur edge width)로 계산되어 time (ms)으로 표시되고, 사람의 인

지 한도는 5.7 ms로 알려져 있다.[10]

첫 번째로 액정의 응답속도를 사람의 인지 한도인 5.7 ms 이하로 개선을 해 on/off time을 빠르게 해야 한다. 수식

1에서처럼 액정의 회 도를 낮추고 종래 80mPa.s (Gray to Gray~8 ms) < 60 mPa.s (< 5 ms)로 낮추고, 구동

압을 높이는 설계 기술들 (낮은 cell gap, 극 구조 등)이 개

발되고 있다. 그리고 gray to gray 응답 속도를 균일하고 빠

르게 하기 해 ODC(over driving circuit) 기술도 범 하

게 채택되었다.[11] 뿐만 아니라 2 ms 이하의 액정 기술 연구

가 지속되고 있고, 새로운 모드 기술(blue phase 등) 등도 발

표되고 있다.[12,13]

두 번째로 의 holding 특성을 개선하기 해서 black data insertion, high dynamic rate(HDR, high frame frequency) backlight scanning (blinking) 기술 등이 있다.[4‐8] 최근에는

LED backlight를 사용한 local dimming dynamic control

이 연구되고 있어 이상 인 디스 이를 상용화되기 멀지 않

았음을 기 할 수 있다. 그림 5는 동 상 이슈를 개선하기 한 응답속도 홀

딩 특성 개선 방법에 한 잔상 개선 기술들의 요약을 나타

낸다. 동화상의 image tailing 감을 해 액정 재료( 도), 셀 설계 (갭, 극), new mode over driving 기술들이 있

다. Light holding(image blurring) 특성을 개선하기 해, 임마다 블랙 데이터를 입력하거나, 고속 주 수로 구동(120 Hz, interpolated image data 입력), impulsive backlight 등의 방

식이 있다.[3-8]

KdToff 2

21

πγ

∝)( 22

21

coon VV

dT−

∝εεγ

Δ

◆ 고속응답을 위해서 회전점도 γ 1 ↓, 구동전압 V ↑

액정 응답속도

수식 1. LCD on/off의 액정의 응답 속도 관계식.

2. 120 Hz LCD‐TV의 주요 핵심 기술

액정의 학 이슈인 시야각 고속 응답 속도를 하여

S‐IPS, S‐PVA, OCB 등이 제안 발 되어 왔다.[14] 그림 6은

LG Display의 S‐IPS 모드 용 TV의 120 Hz 응 설계

구동 요약을 나타낸다. Aluminum 비 1/2의 항을 갖

물리학과 첨단기술 October 2008 25

≪ Data-Inversion Driving ≫

≪ Gray별 투과 특성 ≫

Gray Scale1 256

Lum

inan

ce

0

외삽data

Copper gate

Gn+1

Gn

Gn-1

그림 6. S‐IPS TV의 120 Hz 설계 및 구동 요약.

≪ Gray 별 투과 특성 ≫

≪ 1G 2D Pixel Modeling ≫

Ra Rb Ga Gb Ba Bb

Gn

Gn+1

그림 7. S‐PVA 120 Hz 설계 및 구동 요약.

참고문헌

[15] S.J. Kim et al., SID 08 Digest, 200 (2008).

는 Copper gate 배선 기술을 용하고 panel 내 load (TFT 기 상의 finger 극간 액정 cap)가 어 one TFT와 data inversion, interpolated image data 용으로 120 Hz FHD를 실 할 수 있었고 동화 화질의 척도가 되는 MPRT도 PDP에 필 하는 8 ms를 달성하 다.[1,14,15] 구동원리는 동일한

Gn‐1 gate on시 Data에 2번의 refresh를 통하여 interpolated image를 입력하여 TFT‐LCD 각 pixel에 인가함으로써 real 120 Hz를 구 하게 된다. 그림 6의 gray별 투과 특성에 이

를 설명하는 모식도가 나와 있다. S‐IPS의 동화상 화질의 차

별화 장 에 해 SID 2008에서 발표되었고, 최근 fine pattern 극 기술을 용한 advanced S‐IPS 기술에 련하

여 IMID 2008, IDW 2008에서 발표할 정이다.[14,18]

그림 7은 삼성 자의 S‐PVA 모드 용 TV의 120 Hz 응 설계 구동(Gray frame insertion)을 나타내고 있다. S‐PVA의 경우 2개의 TFT를 용하여 1 frame 동안 gray frame을 인가하여 고속 구동을 하게 된다.[15] VA의 경우 CF와 TFT 기 사이의 기생 capacitance로 인한 load의 증가

로 높은 구동 압과 2개의 TFT를 필요로 하게 되었고, 최근

에는 CC(capacitance coupling) 방식의 고속 주 수 용

연구도 활발하게 진행되고 있다.[15] 구동 frame 동안 pixel A, B 한 개를 on/off 시키며 120 Hz를 구 하게 된다. S‐PVA의 시야각 color shift 특성과 고속 구동을 동시에 만족

하기 해 small pixel 구동과 다양한 Dynamic control이

용된다. 특히, 최근 미국에서 개최된 SID 2008에서 삼성

자는 세계 최 로 60 Hz 82″ UHD TV와 240 Hz 구동이

가능한 Blue Phase 기술을 용한 15″ LCD를 선보 다.[9,13] 이러한 신기술은 CRT를 뛰어넘을 빠른 응답속도 특성으로

미래에도 새로운 액정 소자 제품들이 시장을 선도해 나갈

수 있는 새로운 가능성을 보여 것이다.120 Hz 구동을 해 용한 여러 기술들은 사람의 동 상

인식 메커니즘에 입각하여 보다 더 생생한 화상을 재 하는

데 목 이 있고, 향후 기술의 신과 새로운 모드의 개발

등으로 AMOLED 기술 진보에 응할 수 있는 기를 마련

할 수 있다고 생각된다.[10,13,14]

그리고 형 TV를 한 Impulsive light control 기술로

개발된 scanning blinking 기술은 MPRT의 특성을 30%

max luminance

Gray Scale1 2560

half luminance

Mixed

Pixel-A

Pixel-B

Luminance

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1/60Hz

60Hz와 120Hz의 MPRT 비교

1/120Hz

Box 이동

Tim

e

2

4

8

12

16

4 6 8

MP

RT

(ms)

10

CRT level (≤4ms)

인지한계

~5.7ms

PDP~8.8ms10.8ms

11.5ms

15.4ms240Hz120Hz

60Hz

G to G ~5ms

~8ms

120Hz+S/B

액정 응답속도 (ms) vs Hz

그림 8. TV 구동 주파수에 따른 MPRT 개선 모식도 및 액정 응답속도

의존성 (측정, 계산).

Gra

y Leve

l (0

~255)

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200 LPL 120Hz SS 120Hz Sharp 120Hz

S-IPS

MVAS-IPS

S-PVA

MVAS-IPS

S-PVA

Gra

y L

evel

(0~2

55)

Measure Cond. : Moving Speed 300本L0 line / L144 Back ground

S-PVA MVA

그림 9. 광 시야각 모드 별 동화 해상력 비교.

참고문헌

[16] S.H. Park et al., SID 08 Digest, 81 (2008).

[17] K.H. Lee et al., SID Symp. Digest, Vol. 36, 1742 (2005).

[18] S.H. park et al., IDW 2008 to be published.

정도 개선할 수 있어 최근 제품화가 진행되고 있다.[7] 일본

Hitachi사는 blinking 기술을 탑재한 32″ HD 을 2006년에

출시하 다. 다음 세션에서 고속 구동 impulsive BLU 기술 등의 용에 따른 동화상 화질 특성과 정량화를 알아보기

로 한다.

동화상 화질 정량화 (MPRT, 동화 해상력)

형 LCD TV 시장에서 폭발 인 성장 배경엔 경쟁 디스

이보다 차별화된 고 정세 (Full HD화), 고 계조 표 (10 bits)과 고속 상 처리 (120 Hz) 특성으로 볼 수 있다. 그림

8은 디스 이 별로 측정된 MPRT로 S‐IPS 모드 FHD TV에서 액정 응답 속도와 구동 주 수 (60 Hz, 120 Hz, 120 Hz+S/B(scanning backlight))에 선형 으로 의존한다. PDP의 8.8 ms 비 120 Hz S‐IPS는 ~8 ms, scanning backlight 기술이 용된 S‐IPS는 ~5.7 ms 이하의 TV를 제작할 수 있

어 인지 한도 ~5.7 ms를 넘어 향후 이상 인 디지털 정보

매체로써 강자가 될 수 있으리라 생각한다.LCD에서 빠른 동화상을 구동할 경우 색의 번짐 왜곡

상을 볼 수 있는데, 시야각 모드와 측정 조건 별로 정리

분석할 수 있다.[16‐18] 동화 해상력 패턴을 사용하여 좌‐우 이

동시 blurring edge 역에서 휘도와 color shift 변화를 측

정 평가하여 재 화질 (동화 해상력 휘도/CR/Color shift 등)을 평가할 수 있음을 SID 2008에서 발표하 다.[16] 그림

9는 동화 해상력 패턴에서 바탕 gray L144에서 300 bon으로 측정한 디지털 이미지로써 각 모드 별로 해상력과 변별

특성에서 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이러한 동화 해상력

차이는 cell 내 액정 수직 배열 상태에 따른 굴 특성의 차

이에 기인하고 있고 최근 깊은 연구를 통한 새로운 결과들이

발표되고 있다.[16‐18]

결 론

LCD의 동화상 특성을 획기 으로 개선할 수 있는 액정 재

료/설계 기술 120 Hz/FHD 기술은 시장의 핵심 성장 동

력으로써 디지털 정보화 사회를 선도하고 있다고 요약할 수

있다. 향후 경쟁 디스 이와의 차별화 도구로써 고속 주

수 Impulsive 구동 기술은 LCD 핵심 기술로서 소비자의

까다로운 요구를 충족시키면서 full HD 시장에서 유율을

증가시켜 갈 것으로 상된다. 그리고 240 Hz 이상의 고속

구동 UHD 의 생산이 가시화되면 떠오르는 public display 시장과 함께 LCD 산업의 새로운 성기가 올 것으

로 기 해본다.