FPD란？

• FPD 종류
• 액정 디스플레이의 기본 구조
• 액정 디스플레이의 원리（빛의 셔터 효과）
• 액정 디스플레이의 명암비

FPD 종류

FPD（평판 디스플레이）란 얇고 평평한 화면（및 본체 케이스）을 가지는 영상표시장치를 총칭하는 것입니다. 오랫동안 주류를 차지했던 CRT（브라운관）디스플레이에 비해서 공간을 절약할 수 있고 화면의 뒤틀림이 적으며, 비교적 대형화가 쉬운 점에서, 2000년대 초기부터 본격적으로 보급되기 시작했습니다. 현재는 TV 외에도 스마트폰이나 컴퓨터, 태블릿 단말 등, 생활에 빼놓을 수 없는 다양한 전자화 제품에 탑재되어 있습니다.

FPD는 영상 표시방식의 차이에 따라서 몇 가지 종류로 나뉘어집니다.대표적으로 액정 디스플레이（LCD）, 유기EL（OLED）디스플레이, 발광 다이오드（LED）디스플레이 등이 있습니다.현재는 FPD의 고성능・다기능화가 진행되고 있지만, 등장 초기에는 소비전력이 크고, 휘도와 발색이 약해서 응답 시간이 늦어지는 등 다양한 기술적인 문제를 안고 있었습니다. 그래서 각 제조업체의 시행착오를 거쳐서 다양한 방식에 의한 FPD 제품이 개발된 것입니다.

디스플레이 기기의 종류

액정 디스플레이의 기본 구조

액정 디스플레이는 액정의 성질을 이용해서 영상을 표시하는 FPD입니다. 액정은 고체(결정)와 액체의 중간 상태의 물질로서, 전압을 걸어서 분자의 배열 방식이 변하는 성질을 가지고 있습니다.

액정 디스플레이의 내부 구조

액정 디스플레이의 단면도

아래는 액정 디스플레이의 단면도입니다. 디스플레이에 비춰지는 영상은 매우 작은 색의 점인 화소(픽셀)의 조합에 의해서 표현됩니다. 게다가 이 화소는 R・G・B（레드・그린・블루） 3개의 서브 픽셀로 구성되어 있습니다. 이 서브 픽셀에는 1개씩 작은 전극이 배치되어 있고, 이에 따라 액정층에 전압을 걸어서 액정의 분자배열을 부분적으로 변화시켜서, 셔터와 같이 백라이트 빛을 차단하거나 통과시킵니다. 이렇게 화면에 비춰지는 빛의 명암을 조절하여 다양한 색채나 계조를 표현합니다.

액정 디스플레이의 원리（빛의 셔터 효과）

화면상에 풍부한 색채를 표현하기 위해서는 컬러 필터로부터 투과하는 빛의 양을 미세하게 조절할 필요가 있습니다. 여기서 매우 중요한 것이 빛의 방향성(편광성)입니다. 액정 디스플레이는 빛의 방향을 조절하기 위한 몇 가지 기능이 갖추어져 있고, 이에 따라서 투과하는 빛의 양을 자유자재로 변화시켜서 선명한 색상의 영상을 표현합니다.

기능1　편광판의 광 셔터 기능

편광판이란 빛에 방향성을 부여하기 위한 판을 말합니다. 울타리와 같은 형태를 하고, 샌드위치의 빵 부분과 같이 디스플레이의 양면에 1장씩 구비되어 있습니다. 통상, 우리들이 자연에서 볼 수 있는 빛에는 방향성이 없고 모든 방향으로 확산됩니다만, 이 편광판에 빛을 통과시킴으로써, 특정 방향 이외의 빛을 차단할 수 있습니다. 예를 들면, 편광판을 옆(수평)을 향하도록 설치한 경우, 울타리 사이를 통과하는 빛 이외는 차단되기 때문에, 결과적으로 빛이 수평의 방향성을 가지게 됩니다.

이 편광판을 2장 조합하여 투과하는 빛의 양을 어느 정도 조절할 수 있게 됩니다. 예를 들면, 광원에 대해서 직전의 편광판을 수평으로, 안쪽 편광판을 수직으로（90도 기울여서） 놓은 경우, 첫 번째 편광판을 통과한 빛은 수평의 방향성을 가지기 때문에, 2번째 편광판을 통과하지 못하고, 화면상에는 검게(발광하지 않는 상태) 표시됩니다. 이와 같이 2장의 편광판의 기울기를 바꾸어 줌으로써 (원리적으로는) 화면의 밝기를 조절할 수 있습니다.

편광판의 조합에 따른 화면 밝기의 차이

기능2　배향막에 의한 액정 분자의 정렬

단, 실제 액정 디스플레이에서는 편광판의 기울기는 고정되어 있어서 움직일 수 없습니다. 그래서 디스플레이의 중간에 위치하는 액정층을 조절하여 빛의 방향성을 조절합니다.

앞서 설명한 바와 같이, 액정은 고체(결정)과 액체의 중간상태의 물질입니다. 이 액정의 분자는 통상 완만한 규칙성을 가지고 나란히 배열되어 있지만, 홈을 만든 판이 근처에 있으면, 그 홈의 방향을 따라서 분자가 규칙적으로 정렬하는 성질이 있습니다(아래 그림). 이러한 홈이 파여진 판을 「배향막」이라고 하고, 배향막은 액정층을 사이에 끼우듯이 설치되어 있습니다.

기능3　전압에 의한 액정 분자 조절

액정 디스플레이에서는 편광판과 배향막을 조합하고, 거기에 더해서 전압에 따라 액정 분자의 방향을 조절함으로써 디스플레이를 투과하는 빛의 양을 조절합니다. 무슨 말인지 순서대로 살펴봅시다（※여기에서 소개하는 것은 예들 중에 하나입니다）.

먼저, 디스플레이 양면에 설치된 2장의 편광판은 편광면이 직행하는 상태（90도 기울어진 상태）가 됩니다. 그래서 백라이트(광원)에 대해서 그 앞의 편광판을 통과한 빛은 안쪽(2번째) 편광판에 의해 차단되어 디스플레이를 투과할 수 없습니다. 여기서 빛의 방향을 바꾸기 위해서 배향막이 이용됩니다. 액정층 양면에 붙여진 2장의 배향막은 편광판과 마찬가지로 직행 상태입니다. 이때 배향막 사이에 끼워진 액정 분자는 광원 앞(1번째 배향막)에서부터 안쪽(2번째 배향막)으로 진행되면서, 홈의 방향을 따라 몸체를 일으키듯이 90도 비틀리는 상태가 됩니다. 이에 따라서 액정층을 통과하는 빛도 90도 비틀리고, 안쪽 편광판을 통과할 수 있게 됩니다.

광 셔터의 원리

단, 이것뿐이라면 일부러 사이에 액정층을 끼울 필요가 없습니다. 여기서 중요한 것이 전압에 따른 액정 분자의 조절입니다. 액정 분자는 전류가 흐르는 방향을 따라서 평행하게 정렬하는 성질을 가지고 있습니다. 이로 인해 액정 분자에 전압이 걸리면 배향막에 의한 분자의 비틀림이 없어지기 때문에, 빛은 편광판을 통과할 수 없게 됩니다. 따라서, 빛을 통과시키고 싶을 때는 전압을 Off로 하고, 빛을 차단하고 싶을 때는 전압을 On으로 하면 되며, 이에 따라서 디스플레이의 빛의 명암을 세세하게 표현할 수 있게 됩니다. 게다가 전압의 높고 낮음에 따라서, 미묘한 분자의 기울임도 조작할 수 있기 때문에, 서브 픽셀별로 색의 농담을 표현할 수도 있습니다.

액정 분자의 배열 변화 이미지 그림

액정 디스플레이의 명암비

영상을 아름답게 보여주기 위한 또 다른 중요한 요소가 「명암비」입니다. 명암비란, 가장 밝은 부분(백색 표시)와 가장 어두운부분(흑색 표시)의 휘도 차이를 나타내는 것입니다.

이를 개선하기 위해서는 높은 명암 타입의 컬러 레지스트를 이용하는 방법을 권장합니다. 컬러 필터의 휘도가 향상하는 한편, 새어 나오는 빛도 적어지기 때문에, 명암비가 높아져서 선명하게 잘 보이는 화면이 됩니다.