액정이 수평으로 구동되는 원리를 바탕으로 뛰어난 광시야각과 화질을 구현해낸 IPS(In-Plane Switching)는 LG디스플레이를 업계 1위로 만든, 대표 기술 중 하나입니다. 하지만 세계 최초로 대량 양산에 성공하기까지, 과정은 결코 쉽지 않았는데요. 대다수 패널 메이커들이 기존 장비를 그대로 활용할 수 있어 별도의 추가 투자 없이도 양산이 용이한 VA방식을 택할 때, LG디스플레이만은 고집스럽게 IPS를 선택했습니다. 그 이유는 무엇일까요? 5월의 Future Talk에서, ‘액정재료개발팀 이준호 연구위원’의 강연으로 들어보겠습니다.
강연에 들어가며….
지금, IPS에 대해 돌아보는 것은 어떤 의미가 있을까요? 1990년대 말에서 2000년 초 사이, LG디스플레이는 VA냐, IPS냐 하는 선택의 기로에 서 있었습니다. 그리고 모두 아시다시피 IPS를 선택했는데요. 왜 그런 결정을 했는지, 그리고 그 선택을 어떻게 책임져 왔는지…… 이야기를 해볼까 합니다. 기술 결정의 순간, 어떤 기준을 고민해야 하는지, 성공의 경험을 공유하고, 이를 바탕으로 앞으로 우리가 무엇을 더 고민하고 어떤 선택을 해 나갈 것인지 생각해 보길 바랍니다.
최초의 액정은 1888년 오스트리아의 식물학자인 라이니처(Reinitzer)가 발견했습니다. 그는 우연히, 콜레스테롤 유도체가 145도에서는 반투명했다가 178도가 되면 물처럼 맑은 상태가 되는 현상을 발견하게 됩니다. 물질은 기체, 액체, 고체 종류만 있다고 생각했던 당시에, 이 같은 비등방성(anisotropic) 액체 발견은 획기적인 것이었습니다. 이후 새로운 물질 합성과 기초과학 현상을 발견하고, 많은 과학자들이 끊임없는 연구를 거친 후에야, 지금의 LCD 산업이 출현하게 됐습니다.
TN 패널 LCD의 좁은 시야각을 해결하라
LCD는 액정의 구동방식에 따라 선광모드(TN) 와 복굴절모드(VA, IPS) 로 크게 분류할 수 있습니다. 가장 먼저 상용화된 TN(Twisted Nematic)방식은 가장 단순한 구조를 갖고 있어 디스플레이 시장을 키운 중요한 기술 중의 하나이지만, 액정 배열이 시야각에 따라 비대칭적으로 보이기 때문에 시야각 제한 등의 단점이 있었습니다. 특히 상하 방향에서 볼 때 계조가 뭉개져 보이고 뿌옇고 회색으로 보이는데, 이것이 디스플레이의 큰 단점으로 부각되었습니다.
‘어디에서 보더라도 동일한 화질을 볼 수는 없을까?’ 이를 개선하기 위해 VA(Vertical Alignment)와 IPS(In-Plane Switching)방식이 등장했습니다. VA는 액정 분자를 수직 방향으로 정렬한 다음 시야각을 보정해 줄 수 있는 필름을 덧붙인 방식이며, IPS는 수평으로 누워있는 액정들이 제자리에서 회전만 하는 방식으로, 어느 각도에서나 깨끗한 화면을 볼 수 있습니다.
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액정 구동방식의 장단점 비교
LG디스플레이 는 IPS와 VA방식 둘 다 연구하였으나, VA의 화질적인 약점 (시야각에서 계조가 무너지면서 color shift 현상이 크게 발생하는데, 이는 광시야각 모드로서 최대 단점) 및 동화상에서의 잔상 그리고 어두운 화면에서 번개무늬가 발생하는 것 등 신뢰성을 이유로 IPS에 집중했습니다. 고객이 원하는 수준의 광시야각을 확보하면서도 ‘선명한 화질’이라는 기본을 놓치지 않는 기술, 바로 IPS 방식을 선택한 것이죠.
고객이 원하는 수준을 위해 IPS를 선택하다
LCD 에서 시야각은 액정 분자 배열이 어느 각도에서나 유사하게 보이도록 해주어야 우수한 특성을 가지게 됩니다. IPS 방식은 LCD 패널 내부에 액정 분자를 눕혀두고, 이 액정들이 제자리에서 회전 하는 방식으로, 어느 각도에서나 깨끗한 화면을 볼 수 있는 기술입니다. 무엇보다 TN과 달리 178도의 넓은 시야각은 상하좌우 어떤 방향에서 보아도 선명하고 균일하게 색을 재현해냅니다. 최근 트렌드 중의 하나인 고해상도 구현 관점에서도 VA 대비 보다 수월하게 구현할 수 있는 구조적인 장점을 지니고 있습니다.
TN, VA, IPS 구동원리 비교
이렇게 확실한 장점에도 광시야각 디스플레이 시장이 처음으로 열리던 90년말 ~ 2000년 초 IPS는 VA에 비해 환영 받지 못했습니다. 설계가 어렵고 공정 난이도가 높아 양산 수율이 턱없이 낮았기 때문입니다. LG디스플레이 역시 저 수율을 극복하기 위해서 전극 구조, 액정, 배향막 등을 바꾸는 작업에서부터 수많은 난관에 부닥쳐야 했습니다. 또 초기에 개발된 IPS 패널은 반응속도가 떨어지고 명암비와 투과율도 낮아 비난을 면치 못했습니다.
계속된 도전, 세계 최초 IPS 양산에 성공하다
IPS와 일반 패널의 액정 배열 차이
LG디스플레이는 무려 4년에 걸친 긴 시간을 IPS에 매달렸습니다. 그리고 2000년 4월, 드디어 세계 최초로 IPS 대량 양산에 성공합니다. 이후 IPS의 최대 단점인 투과율과 명암비를 보완해가며, 화소 반응속도가 향상되고 시야각 특성을 향상시킨 S-IPS(Super IPS), 기존의 명암비를 향상시킨 AS-IPS(Advanced Super IPS)를 개발하는데 성공했고, TW(True Wide) 편광판을 도입하여 전방위 시야각을 완벽하게 구현한 A-TW-IPS(Advanced True Wide IPS)와 기존 S-IPS 패널을 개선한 H-IPS를 내놓으며 IPS의 진가를 입증해냅니다. 터치 시 하얗게 번지는 현상이 없고 초고해상도 구현이 가능한 AH-IPS는 작은 스마트폰 디스플레이 안에, 더 많은 정보를, 더욱 선명하게 표현해주는 최적의 패널로 인정받았습니다.
IPS와 LCD의 미래는?
IPS의 업그레이드는 아직도 진행형입니다. 최근 UV배향과 n-type 액정 기술을 통해 소비전력을 12%나 떨어뜨렸고, 명암비는 30%, 밝기는 20%를 끌어올렸습니다. 현재 TV에서 사용하는 Super IPS는 IPS패널의 약점이라던 개구율이나 투과율에서도 이미 VA를 넘어섰습니다.
앞으로 UV 배향, A-TW 편광판, 그리고 HDR 기술을 접목하면 ‘누운 액정 패널 IPS’의 마지막 단점이라고 하는 명암비 또한 비약적으로 향상될 것이며, 단순한 스펙 경쟁이 아닌 진정한 화질로 승부할 수 있는 장이 열릴 것입니다. 덧붙여 IT/Mobile 시장에서도 IPS는 고해상도와 In-cell touch와의 조합이 좋기 때문에 발전 가능성은 무한하다고 할 수 있습니다.
IPS의 성공은 LGD인에게 특별한 자부심으로 남아있습니다. 단순히 ‘어려운 기술에 도전해 성공한 사례’가 아닌, 남다른 가치를 추구하고자 과감히 선택한 ‘도전의 기록’이기 때문입니다. 어렵고 힘들더라도, 반드시 고객이 원하는 최적의 기술을 구현하겠다는 LGD인의 의지가 있기에 LG디스플레이는 업계 1위와 함께 차별화된 기술을 가지게 됐습니다. 완벽에 완벽을 더한, 이상적인 디스플레이! 더 나은 미래를 위한 LG디스플레이의 노력은 계속 될 것입니다.
