우리대학 이승희 교수 연구팀(공대 대학원 나노융합공학과, 공대 고분자나노공학과)의 김민수 연구교수가 최초의 초저전력 Flicker-free 1Hz 구동 FFS-LCD 개발에 성공했다.

액정 디스플레이(LCD)의 경우, 구동 주파수가 낮아질수록 소비전력이 선형적으로 줄어든다. 하지만 소비전력 절감을 위해 30Hz 이하의 저주파로 구동 시 네마틱 액정에서의 변전 효과(Flexoelectric effect)가 발생하게 되고 픽셀 내 구동 전극의 위치 및 시간 별로 밝기가 달라지는 깜빡임(Flicker) 등이 발생하여 화질이 저하되는 단점으로 이 저전력 저주파 구동 방식이 상용화가 되지 못하고 있었다.

이로 인해, 디스플레이에서 절감 가능한 소비전력을 절감하지 못함으로써 전 세계적으로 대두되고 있는 에너지 문제에 대해 근본적인 접근을 못하고 있었다.

이를 해결하기 위해 이 교수팀은 네마틱 LCD에서 변전 효과가 발생하는 메커니즘을 명확하게 규명하고 변전 효과와 무관하게 밝기가 일정하게 유지될 수 있는 분자 구조를 디스플레이 분야 전문 기업인 엘지 디스플레이(LG Display, Co., Ltd.)와 머크 퍼포먼스 메터리얼즈(Merck Performance Materials Ltd.)와 함께 개발하여 시작품을 제조하였다.

개발된 시작품 노트북 디스플레이(13.4-inch WUXGA)는 1Hz에서 정적인 이미지와 10Hz에서 비디오 재생 시 아무런 화질 저하 없이 성공적으로 구동되었다. 60Hz 구동 LCD에 비해 1Hz 일 때 소비전력이 83%, 10Hz 일 때 47% 가량 감소하는 등 에너지 절약형 디스플레이 시스템에 적합한 성능을 나타냈다.

추가적으로 주목할만한 점은 변전 계수를 간접적이지만 기존보다 매우 간단한 방법으로 제안했다는 사실이다. 각 액정 분자마다의 고유한 변전 계수를 예측하는 것이 해당 기술 개발의 매우 핵심적인 요소로 이는 매우 의미 있는 결과이다.

변전 계수는 변전 효과와 밀접한 연관이 있어 기존에도 다양한 측정 방법이 제안되어 왔으나 방법이 어렵고 측정에 오류가 심해, 기존에 발표된 같은 재료의 변전 계수마저도 그 수치가 논문마다 제각각인 경우가 많았고 실제 적용 시의 효용성도 떨어졌다.

이런 점을 극복하기 위해 이 교수팀은 액정 별 변전 계수 차이값에 따른 전기광학 측정치를 분석하고 실험과 시뮬레이션 상에서 값을 일치시켜 변전-광학 효과에 대한 변전 계수 차이값의 기여도를 규명했다.

김민수 연구교수는 “두 가지 변전 계수 차이값의 추론이 가능해져 변전 효과로 인한 화질 성능 저하를 방지할 수 있는 분자 구조를 제안할 수 있는 기초가 마련됐다”며 “이를 통해 LCD의 소비전력 저감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 김민수 연구교수와 이다연 석사(졸업), 박한별 석사(졸업), 정하영 석사과정생이 참여했으며 엘지 디스플레이, 머크 퍼포먼스 메터리얼즈가 공동연구를 진행했다. 연구 성과는 광학재료 분야의 국제학술지인 『Advanced Optical Materials. IF=9.0』최신호에『Ultralow Power Consumption Liquid Crystal Display Retaining Superior Image Qualities』의 제목으로 게재됐다.

한국연구재단(창의도전연구기반지원사업, 중견연구자지원사업)과 교육부의 4단계두뇌한국 21 사업(BK21-FOUR), 엘지 디스플레이와 머크 퍼포먼스 메터리얼즈의 지원을 받아 수행됐다.