액정 디스플레이(LCD)

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배경

액정 디스플레이(LCD)는 전류에 의해 활성화되는 액정으로 구성됩니다. 팩스, 랩톱 컴퓨터 화면, 자동 응답기 호출 카운터, 과학 기기, 휴대용 컴팩트 디스크 플레이어, 등 다양한 장치에서 한 줄 이상의 영숫자 정보를 표시하는 데 가장 자주 사용됩니다. 시계 등이 있습니다. 가장 비싸고 진보된 유형인 능동 매트릭스 디스플레이는 휴대용 컬러 TV의 화면으로 사용되기도 합니다. 결국에는 대형 화면, 고화질 TV에 널리 사용될 수 있습니다.

LCD 기술의 기본은 복잡한 분자로 이루어진 물질인 액정입니다. 물과 마찬가지로 액정은 저온에서 고체입니다. 또한 물과 마찬가지로 열을 가하면 녹습니다. 그러나 얼음이 녹으면 투명하고 쉽게 흐르는 액체로 바뀝니다. 그러나 액정은 물, 알코올 또는 식용유와 같은 액체와는 매우 다른 탁한 액체로 변합니다. 약간 더 높은 온도에서는 흐림이 사라지고 다른 액체와 매우 흡사합니다.

액정이 고체일 때, 그 분자는 서로 평행하게 정렬됩니다. 중간 탁한 단계(액체)에서 분자는 여전히 이 다소 평행한 방향을 유지합니다. 다른 액체와 마찬가지로 분자는 자유롭게 움직일 수 있지만 한 방향으로 "일렬로 정렬"되어 빛을 반사하고 흐린 모양을 만드는 경향이 있습니다. 더 높은 온도는 분자를 교반하여 액체를 투명하게 만드는 경향이 있습니다.

LCD에서 전류는 액정 세그먼트를 투명 상에서 탁한 상으로 전환하는 데 사용되며 각 세그먼트는 숫자 또는 문자의 일부를 형성합니다. 세그먼트는 작은 점이나 픽셀 모양일 수도 있으며 행과 열로 정렬될 수 있습니다. 편광된 빛이 통과하는 것을 차단하거나 허용하기 위해 개별적으로 켜고 끌 수 있습니다. 빛이 차단되면 반사 화면에 어두운 점이 생깁니다.

LCD에는 패시브 매트릭스와 AMLCD(새로운 능동 매트릭스)의 두 가지 일반적인 유형이 있습니다. 더 밝고 읽기 쉬운 액티브 매트릭스 디스플레이는 각 픽셀 뒤에 있는 트랜지스터를 사용하여 이미지를 향상시킵니다. 그러나 AMLCD의 제조 공정은 수동 매트릭스 LCD의 제조 공정보다 훨씬 까다롭습니다. 이제 만든 것 중 50퍼센트가 불완전하기 때문에 버려야 합니다. 하나의 불완전성만으로도 AMLCD를 망칠 수 있습니다. 이로 인해 제조 비용이 매우 비쌉니다.

원자재

작동하는 LCD는 디스플레이 유리, 구동 전자 장치, 제어 전자 장치, 기계 패키지 및 전원 공급 장치와 같은 여러 구성 요소로 구성됩니다. 디스플레이 유리 - 액정 사이에 있는 - 행 및 열 전극으로 코팅되어 있으며 구동 전자 장치(전류)를 각 행 및 열 전극에 연결하기 위한 접촉 패드가 있습니다. 드라이브 전자 제품 행 및 열 전극을 "구동"하기 위해 전류를 공급하는 집적 회로입니다. 제어 전자 장치 또한 집적 회로입니다. 예를 들어 랩톱 컴퓨터에서 들어오는 신호를 디코딩하고 해석하여 드라이브 전자 장치로 보냅니다. 기계 패키지 드라이브 및 제어 전자 장치용 인쇄 회로 기판을 디스플레이 유리에 장착하는 프레임입니다. 이 패키지 모든 LCD에서 액정은 기판이라고 하는 두 개의 유리 또는 투명 플라스틱 사이에 끼워져 있습니다. 유리를 사용하는 경우 액정 배향성을 향상시키기 위해 이산화규소를 코팅하는 경우가 많습니다. 투명 전극 패턴은 유리에 인듐 주석 산화물 층을 적용하고 포토리소그래피 또는 실크스크린 공정을 사용하여 패턴을 생성함으로써 만들어집니다. 또한 디스플레이 유리를 강화 및 보호하고 랩톱 컴퓨터, 팩스 또는 기타 장치에 관계없이 LCD를 사용하는 장치에 전체 디스플레이를 고정합니다. 마지막으로 전원 공급 장치 LCD에 전류를 공급하는 전자회로입니다. LCD를 사용하는 장비 제조사는 전원을 별도로 구매하는 경우가 많습니다.

모든 LCD에서 액정은 기판이라고 하는 두 개의 유리 또는 투명 플라스틱 사이에 끼워져 있습니다. 어떤 유리도 할 수 없습니다. 유리에 많은 나트륨 또는 기타 알칼리 이온이 있으면 유리 표면으로 이동하여 거기에 있는 수분과 결합하여 전기장 패턴과 액정 정렬을 변경할 수 있습니다. 이를 없애기 위해 LCD 제조사들은 이온이 적은 붕규산 유리를 사용하거나 유리에 이산화규소 층을 도포한다. 이산화규소는 이온이 수분과 접촉하는 것을 방지합니다. 더 간단한 해결책은 유리 대신 플라스틱을 사용하는 것입니다. 플라스틱을 사용하면 디스플레이도 가벼워집니다. 그러나 값싼 플라스틱은 유리보다 빛을 더 많이 산란시키고 액정 물질과 화학적으로 반응할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 LCD는 형광등과 같이 디스플레이 후면(백라이트)에서 나오는 광원을 사용하여 흐린 상태일 때 액정이 화면에 비해 더 어둡게 보이도록 합니다. LCD 제조업체는 이 효과를 향상시키기 위해 편광판 소재 시트를 사용하기도 합니다.

제조
프로세스

패시브 매트릭스 LCD를 만드는 것은 다단계 프로세스입니다. 디스플레이의 표면과 후면 유리는 먼저 연마, 세척 및 이산화규소(SiO ₂ ). 다음으로, 인듐 주석 산화물 층을 유리 위에 증발시키고 원하는 패턴으로 에칭합니다. 그런 다음 긴 사슬 폴리머 층을 적용하여 액정이 적절하게 정렬되도록 한 다음 밀봉 수지를 적용합니다. 다음으로 스페이서가 제자리에 놓이고 유리 샌드위치가 액정 재료로 채워집니다.

유리 기판 준비

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1 먼저 2장의 유리기판을 적당한 크기로 절단하여 광택을 낸 후 세척해야 합니다. 절단은 다이아몬드 톱이나 스크라이브를 사용하여 수행할 수 있지만 연마에는 래핑, 그 안에 연마 입자가 박혀 있는 회전하는 바퀴에 유리가 고정되어 있습니다. 세척 및 건조 후 기판은 이산화규소 층으로 코팅됩니다.

전극 패턴 만들기

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2 다음으로 기판 위에 투명전극 패턴을 만들어야 한다. 이것은 전면 및 후면 유리 표면을 매우 얇은 산화인듐 주석 층으로 완전히 코팅함으로써 이루어집니다. 그런 다음 제조업체는 실크 스크리닝 또는 포토리소그래피 공정을 사용하여 원하는 패턴의 마스크를 만듭니다. 그들은 완성된 마스크를 완전히 코팅된 유리에 적용하고 필요하지 않은 인듐 주석 산화물 영역을 화학적으로 에칭 제거합니다.

3 또는 에칭 저항성, 감광성 물질( 포토레지스트라고 함) 층이 있는 유리를 사용하여 더 미세한 정의를 얻을 수 있습니다. 인듐 주석 산화물 필름 위. 원하는 패턴의 마스크를 유리 위에 놓고 유리에 자외선을 조사합니다. 이 빛은 그것이 비추는 저항 층이 에칭에 대한 저항을 잃게 하여 화학 물질이 노출된 포토레지스트와 그 아래에 있는 인듐 주석 산화물을 모두 먹어 치우도록 하여 패턴을 형성합니다. 남은 불필요한 포토레지스트는 다른 화학 물질로 제거할 수 있습니다. 두 번째 종류의 저항성 필름은 후에 에칭을 방지합니다. 자외선에 노출됩니다. 이 경우 패턴의 네거티브 마스크를 사용해야 합니다. 어떤 방법을 사용하든지 두 기판의 패턴은 특정 위치에서만 겹치도록 설계되었으며, 각 요소에 전압을 전달하는 인듐 주석 산화물의 얇은 스트립에 전극이 직접적으로 위치하는 동안 나타날 수 있는 전극이 없도록 하는 설계입니다. 세포가 작동합니다.

폴리머 적용

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4 전극 패턴을 배치한 후 기판을 폴리머로 코팅해야 합니다. 폴리머는 액정이 유리 표면과 적절하게 정렬되도록 합니다. 폴리비닐알코올, 폴리아미드 및 일부 실란을 사용할 수 있습니다. 폴리아미드는 가장 널리 사용되는 약제입니다. 폴리비닐 알코올은 습기 문제가 있고 실란은 얇고 신뢰할 수 없는 코팅을 생성하기 때문입니다.

5 유리를 코팅한 후, 제조사는 폴리머 코팅을 부드러운 재질로 한 방향으로 칠합니다. 이로 인해 작은 평행 홈이 폴리머에 에칭되거나 폴리머 코트가 단순히 늘어날 수 있습니다. 어쨌든 이 프로세스는 액정이 스트로크 방향과 평행하게 놓이도록 합니다. 결정은 비스듬한 각도로 유리 표면에 산화규소를 증발시켜 다른 방식으로 정렬될 수 있습니다. 이 절차는 대부분의 디지털 시계 를 만드는 데 사용됩니다. 그러나 대형 디스플레이를 만들기에는 편리하지 않습니다. 또한 이전 방법으로 가능한 낮은 기울기 각도를 생성하지 않습니다.

6 LCD 제조업체가 액정을 유리 표면에 수직으로 정렬하려는 경우 또 다른 기술이 사용됩니다. 즉, 유리를 양쪽성 물질로 코팅하는 것입니다. 이것은 분자가 분자의 한쪽 끝에서 물에 대한 친화력을 나타내고 다른 쪽 끝에서 물에 대한 반발력을 나타내는 물질입니다. 한쪽 끝(친화성 끝)은 유리 표면에 부착되고 다른 끝( 반발 끝)은 액정 영역을 가리키며 액정을 밀어내고 유리 표면에 수직인 배향으로 형성합니다.

실런트 도포 및
액정 주입

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7 다음으로 기판에 밀봉 수지를 도포한 다음 액정 셀에 적절한 두께를 제공하는 플라스틱 스페이서를 도포합니다. 다음으로 두 개의 유리 기판 사이의 적절한 영역에 액정 물질을 주입합니다. LCD 셀의 두께는 일반적으로 5-25마이크로미터로 제한됩니다. 적절한 두께는 셀 작동에 중요하고 스페이서가 항상 균일한 두께를 달성하지 않기 때문에 LCD 제조업체는 때때로 적절한 크기의 유리 섬유 또는 비드를 액정 재료에 넣습니다. 구슬이나 섬유는 육안으로 볼 수 없습니다. 실런트 재료가 설정되는 동안 셀을 적절한 두께로 유지하는 데 도움이 됩니다.

8 LCD를 더 잘 보이게 하기 위해 편광판이 추가되었습니다. 이들은 일반적으로 요오드를 함유하고 셀룰로오스 아세테이트 층 사이에 끼워진 폴리비닐 알코올 필름으로 만들어집니다. 요오드 대신 염료를 사용하여 만든 유색 편광판도 있습니다. 제조업체는 아크릴 접착제를 사용하여 편광판을 유리에 붙이고 플라스틱 보호 필름으로 덮습니다. 그들은 간단한 금속박 반사판을 통합하여 LCD에도 사용되는 반사형 편광판을 만들 수 있습니다.

일반적인 LCD 시계 어셈블리에서 음영 영역은 전극 패턴을 형성하기 위해 화학적으로 식각됩니다. 세그먼트는 편광된 빛이 통과하는 것을 차단하거나 허용하기 위해 개별적으로 켜지고 꺼집니다. 세그먼트에 전류를 인가하면 빛이 차단되어 반사면에 흑점이 생긴다.

최종 조립

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9 편광자 필름을 부착한 후 장치를 숙성시킵니다. 마지막으로 완성된 유리 디스플레이 어셈블리가 제어 및 구동 전자 장치를 포함하는 회로 기판에 장착됩니다. 그러면 노트북, 팩스, 시계 등 LCD를 사용하여 전체 패키지를 장치에 장착할 수 있습니다.

액티브 매트릭스 LCD 제조

능동 매트릭스 LCD(AMLCD)를 만드는 데 사용되는 공정은 수동 매트릭스 LCD에 사용되는 공정과 매우 유사하지만 더 복잡하고 어렵습니다. 일반적으로 SiO ₂ 단계 코팅, 인듐 주석 산화물 도포 및 포토레지스트 에칭은 다수의 다른 단계로 대체됩니다.

AMLCD의 경우 LCD 이미지를 향상하고 선명하게 하는 데 사용되는 전자 장치 및 박막 트랜지스터와 제대로 작동하도록 각 LCD 구성 요소를 변경해야 합니다. 패시브 매트릭스 형제와 마찬가지로 액티브 매트릭스 디스플레이는 여러 층으로 구성된 샌드위치입니다. 편광 필름; 나트륨 배리어 필름(SiO ₂ ), 블랙 매트릭스, 및 제2 나트륨 배리어 필름을 포함하는 유리 기판; 아크릴/우레탄 재질의 컬러필터 및 컬러필터 오버코트; 투명전극; 폴리아미드로 이루어진 배향 필름; 적절한 LCD 셀 두께를 유지하기 위해 플라스틱/유리 스페이서를 포함하는 실제 액정 재료.

품질 관리

LCD(특히 노트북 디스플레이용)는 수율을 극대화하기 위해 클린룸 환경에서 고도로 통제된 조건에서 만들어집니다. "클린 룸"에는 모든 먼지 입자를 실내 밖으로 내보내도록 설계된 특수 공기 여과 장치가 있으며, 실내 작업자는 특수 의복을 착용해야 합니다. 그럼에도 불구하고 많은 LCD가 불완전성 때문에 폐기되어야 합니다. 이는 현재 약 50%의 거부율을 보이는 AMLCD에 특히 해당됩니다. 불량률을 최소화하기 위해 각 활성 장치를 검사하고 최대한 많은 장치를 수리합니다. 또한 활성 매트릭스 어셈블리는 포토레지스트 에칭 단계 직후와 액정 재료가 주입된 후 다시 검사됩니다.

미래

현재의 거부율이 매우 높고 제조 공정이 너무 비싸더라도 능동 매트릭스 LCD의 미래는 분명합니다. AMLCD의 제조 과정에서 점진적인 개선이 예상되며 실제로 기업에서는 이미 현재 불량률을 50%에서 약 35%로 낮출 수 있는 검사 및 수리 장비를 제공하기 시작했습니다.

그러나 LCD 제조 기술의 진정한 향상은 기업들이 대망의 고화질 텔레비전 기술을 위한 대형 스크린, AMLCD 디스플레이의 연구 개발 프로세스에 쏟아붓고 있는 모든 돈에서 비롯될 수 있습니다.