경제의 사연
삼성전자의 디스플레이 왜 주목받나?
더 크고 더 선명한 기술로 TV·스마트폰 진화 이끌다!
김혜연 기자
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기사입력: 2017/04/21 [13:06]  최종편집:
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▲ 디스플레이의 각 픽셀들은 색과 계조 값을 표현하기 위해 더 작은 서브 픽셀로 구성되어 있다.     © 사건의내막

 

디스플레이란, TV나 컴퓨터, 휴대전화 등 기기의 화면에 데이터 정보를 시각적으로 출력하는 표시장치를 말한다. 디스플레이 기술은 그간 거침없이 진화를 거듭하여 화면 속의 사물을 현실세계에서처럼 선명하고 입체적으로 볼 수 있게 만든다. 디스플레이 기술은 브라운관–2차원 평면 디스플레이–LCD–LED를 OLED까지 진화를 거듭해왔다. 최근에는 OLED 기술 개발로 인해 디스플레이를 종잇장처럼 얇은 두께로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 휘어진 상태에서도 발광이 가능한 디스플레이 제품의 실생활 적용이 가능하게 되었다. 이에 따라 두껍고 무거운 화면은 퇴조하고 크고 얇으면서도 선명한 동영상이 보장되어야만 하는 시대가 도래했다. 그리고 그 중심에는 첨단 디스플레이가 자리 잡고 있다. 최근 삼성전자가 2017년 상반기 전략 스마트폰 ‘갤럭시 S8’ 시리즈를 공개하면서 화면 전면부를 시원스레 키운 ‘인피니티 디스플레이’ 기술을 선보이면서 첨단 디스플레이에 관한 관심이 더욱 증폭되고 있다. 삼성디스플레이 블로그에 소개된 콘텐츠를 바탕으로 미래기술로 주목받는 디스플레이의 모든 것을 소개한다. <편집자 주>

 


 

 

평판 디스플레이 등장 이후 얇고 가벼운 ‘벽걸이 TV’ 생산

PDP TV 한때 인기…LCD와의 기술경쟁 뒤처지며 생산중단

차세대 평판 디스플레이로 가장 각광받는 디스플레이는 OLED

복잡한 구조 사용하지 않아 소비전력 적으며 가볍고 얇은 구조

생생한 ‘플렉서블 디스플레이’ 상용화 안됐지만 미래기술 각광

 

[사건의 내막=김혜연 기자] 디스플레이의 역사는 인간의 보고자 하는 욕망을 충족시키기 위해, 더 선명하고 생생한 화질을 표현하는 방향으로 발전해왔다.

 

그중에서 가장 오래됐고 많이 사용된 전자 디스플레이는 바로 음극선관이다. 1887년 독일의 물리학자인 칼 브라운(Karl Ferdinand Braun)이 발명했기 때문에 흔히 브라운관으로 불리기도 한다. 해상도, 휘도 및 자연색 표시 등의 디스플레이 성능에 있어 다른 디스플레이 장치와 비교해 매우 우수하고, 가격도 저렴한 편이기 때문에 LCD 등 평판 디스플레이가 주류인 아직까지도 사용되고 있다.

 

음극선관은 내부의 전자총(Electron Gun)이 전자를 발사해 화면의 형광체에 부딪혀 빛을 내는 방식이다. 조금 더 구체적으로 들여다보면, 먼저 음극선관 뒤쪽의 전자총에서 전자를 방출시킨다. 그리고 방출된 전자는 종착지인 형광체가 도포된 화면에 도달해 형광체와 충돌하면서 빛을 내게 된다. 이 과정에서 원하는 위치의 화면에서만 빛을 내도록 하기 위해 촘촘하게 많은 구멍을 뚫어 놓은 섀도 마스크(Shawdow Mask)를 통과하는 것이 핵심 작동 원리이다.

 

먼저 개발된 흑백 음극선관은 흰색을 내는 형광체가 화면 뒤쪽에 발라져 있고, 나중에 개발된 컬러 음극선관은 R·G·B의 색을 각각 내는 도료를 픽셀마다 바른 뒤 섀도 마스크에도 R,G,B의 위치에 전자가 정확히 충돌할 수 있게끔 각각의 구멍이 뚫려 있다.

 

음극선관은 해상도, 색 표시능력, 빠른 응답속도와 낮은 가격 등의 뛰어난 장점에도 불구하고, 부피가 크고 무겁다는 큰 단점 때문에 2000년대에 접어들어 평판 디스플레이(FPD, Flat Panel Display)에 시장을 내어주게 된다.

    

평판 디스플레이 등장

 

대표적인 평판 디스플레이로는 크게 LCD·PDP·OLED 3가지를 꼽을 수 있다. 평판 디스플레이의 등장으로 ‘벽걸이 TV’로 불리는 얇고 가벼운 디자인의 디스플레이 생산이 가능해졌고, 동시에 음극선관으로는 어려웠던 40인치 이상의 대화면 디스플레이를 위한 연구개발도 빠르게 진행됐다.

 

LCD(Liquid Crystal Display, 액정표시장치)는 ‘액정’을 핵심 소재로 한 평판 디스플레이이다. 액정(液晶, Liquid Crystal)이란 액체와 고체의 성질을 함께 가지고 있는 물질로, 고체의 결정이 갖는 규칙성과 액체의 성질인 유동성을 모두 지닌 물질이라는 뜻에서 액체결정, 줄여서 액정이라고 부른다. 의외로 액정은 상당히 오래 전에 발견되었다. 액정은 1854년 처음 발견되었고, 1888년 오스트리아의 생물학자에 의해 비로소 ‘액정'이라는 이름을 최초로 부여받게 된다.

 

이후, 1920년대에는 많은 연구자들이 약 300여 종의 액정을 합성해 발표했고, 액정에 전기 자극을 주어 상태를 변형하는 연구로 이어진다. 1960년대에는 액정이 광학적 효과를 나타낸다는 사실이 과학잡지 <네이처>에 발표되었고, 이때부터 액정의 실용화 연구는 본격 궤도에 올라 이후 다양한 방식의 LCD가 화질과 성능을 높여 제품화되기에 이fms다.

 

LCD는 정보를 표현하기 위해 외부의 빛(광원)을 필요로 하는 것은 수광형 디스플레이다. 따라서 패널 뒷면에서 백색의 빛을 비추는 백 라이트가 필요하고, 컬러 필터를 통해 색을 구현하게 된다.

 

LCD 개발 초기에는 음극선관과 비교해 화면 크기, 색 재현력과 화질 등이 턱없이 낮은 수준이었으나, 꾸준한 연구개발로 100인치가 넘는 초대형·고해상도 TV를 비롯해 스마트폰과 같은 중소형 기기에 적합한 디자인과 퍼포먼스를 갖춰 현재 가장 보편적으로 사용되는 디스플레이로 발전했다.

 

LCD와 거의 동시대에 평판 디스플레이로 등장한 기술은 바로 PDP이다. PDP는 플라즈마 디스플레이 패널로 기체 방전 시에 생기는 플라즈마로부터 나오는 빛을 이용하여 문자 또는 그래픽을 표시하는 디스플레이를 말한다. 플라즈마를 이용한 디스플레이는 1927년 벨연구소의 그레이(Gray) 등이 처음으로 가스 방전 표시장치를 개발한 것을 시초로 1964년 본격적인 PDP의 기본 구조를 갖춘 연구가 시작되었다.

 

PDP는 상·하 유리기판에 설치되는 전극 사이에 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 제논(Xe) 같은 불활성 가스를 밀봉하고 전압을 인가하면 플라즈마가 생성되는데, 이때 기체 방전으로 발생하는 자외선이 R·G·B로 구성된 형광체를 자극해 색상과 밝기를 나타내는 원리로 구동된다. 이런 방식으로 R·G·B로 빛나는 픽셀 단위의 미세한 형광등을 무수히 배치하여 각각의 형광등을 빠른 속도로 점등시키거나 소등시킴으로써 통합된 영상을 나타내게 된다.

 

PDP는 평판 디스플레이임에도 CRT에 버금가는 뛰어난 밝기와 빠른 응답속도, 광시야각, 대형화면 제작의 유리한 장점을 통해 특히 디지털 TV방송 개시 시점에 큰 인기를 얻었으나, 열이 많이 나고 전력소비가 높아 LCD와의 기술경쟁에서 뒤처지며 최근에는 생산이 중단되는 운명을 맞았다.

 

차세대 평판 디스플레이로 가장 각광받고 있는 디스플레이는 바로 OLED이다. OLED는 유기발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode)의 약칭으로, 전류를 가하면 자체발광하는 물질을 이용한 첨단 디스플레이이다.

 

OLED 발광은 1963년 M. 포프 등이 고체 상태의 유기재료인 안쓰라센(Anthracene) 단결정을 이용해 발광 현상을 관측했고, 1986년 미국 코닥사 연구진이 유기 단분자 정공주입층을 도입해 저전압으로 구동하는 유기 전계발광소자를 개발하면서 획기적으로 계기를 마련했다. 이후 삼성이 2007년에 세계 최초로 본격적인 대량생산을 시작하면서 아몰레드 폰을 비롯해 대중화가 이루어졌다.

 

OLED는 자체발광 물질을 사용하기 때문에 LCD와 달리 백 라이트, 액정, 컬러 필터 등 복잡한 구조를 사용하지 않아, 소비전력이 적으며 가볍고 얇은 구조를 구현할 수 있다. 특히 OLED는 자연색에 가까운 풍부한 색 재현력과 빠른 응답속도 때문에 멀티미디어 기기로 변하고 있는 휴대폰을 비롯해 태블릿, VR 등 다양한 IT기기의 디스플레이로 채택이 급속히 확대되고 있다.

 

▲ 삼성디스플레이는 전용 설계공정을 적용해 32:9에 최적화된 울트라 와이드 패널을 ‘스트레치’ 디스플레이로 고객에게 제공하고 있다.    © 사건의내막

    

미래 디스플레이 현실 되다

 

영화 ‘마이너리티 리포트’에는 제스처로 컨트롤 되는 홀로그램 디스플레이가 등장한다. 또 영화 ‘해리포터’에는 구부리고 접거나 두루마리처럼 둘둘 말아서 들고 다닐 수 있는 ‘동영상  신문’이 등장해 상상력을 자극했다. 현재 미래 디스플레이로 불리는 대표적인 제품은 플렉서블(Flexible) 디스플레이다.

 

플렉서블 디스플레이의 일부는 이미 영화 속에만 머물지 않고 우리의 현실 속에서도 접할 수 있다. 플렉서블의 가장 최초의 단계인 밴디드(Bended, 휨 결합) 형태는 삼성디스플레이의 플렉서블 OLED를 탑재한 ‘갤럭시 노트 엣지’를 통해 2014년에 상용화된 제품으로는 최초로 공개되었다. 그 이후 발전을 거듭해 더욱 아름답고 효율적인 곡률을 갖춘 엣지 디스플레이로 계속 진화하고 있다. 밴디드 형태 이후의 플렉서블 디스플레이로는 접을 수 있는 폴더블(Foldable)과 둘둘 감기는 롤러블(Rollable)이 시장의 큰 관심과 기대를 받고 있고, 더욱 먼 미래에는 늘어나는 형태의 스트렉처블(Stretchable, 길이나 폭을 잡아당겨 늘임) 디스플레이의 등장도 예상된다.

 

플렉서블 외에도 영화 ‘스타워즈’에 등장했던 ‘홀로그램’ 디스플레이도 꾸준한 관심을 받고 있다. 삼성디스플레이는 지난해 미국에서 열린 ‘국제 디스플레이 전시회 SID 2016’에서 ‘디지털 홀로그래픽 3D’ 제품을 선보이며 홀로그램 기술의 가능성을 보여줬다. 홀로그램은 아직 상용화 하기에는 많은 과제가 남아 있지만, 플렉서블 디스플레이들이 점차 현실화되고 있듯이, 언젠가는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 대중적인 디스플레이가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

    

다양한 전자 디스플레이 기술

 

1980~1990년대 DOS 기반의 운영체제를 사용하던 시절에는 컴퓨터 그래픽이 지금처럼 발달하지 않아, 화면에서 보는 이미지는 매끄럽지 않고 격자무늬 같은 픽셀(Pixel)이 잘 보일 수밖에 없었다. 당시 게임 그래픽이 거친 이유 중 하나는 모니터의 낮은 해상도 때문이다. 깨끗하고 선명한 이미지를 감상하기 위해서는 화질이 매우 중요하다.

 

픽셀(Pixel)은 픽처(Picutre, 그림)와 엘리먼트(Element, 원소)를 줄인 말로 ‘화소’라고 불리며 컴퓨터, TV, 모바일 기기 화면의 이미지를 구성하는 최소 단위이다. 디지털 이미지들을 크게 확대해보면, 그림의 경계선마다 부드러운 곡선이 아닌 계단같이 연결된 작은 사각형들이 모여서 이미지를 형성하고 있는 것을 볼 수 있다. 이 작은 사각형이 바로 픽셀이며, 픽셀수가 많을수록 좀 더 정교하고 매끄러운 이미지 표현이 가능하다.

 

디스플레이의 각 픽셀들은 색(Color)과 계조(Grayscale) 값을 표현하기 위해서 더 작은 서브픽셀(Sub Pixel)로 구성되어 있다. 인접해 있는 서브 픽셀들은 우리 눈에서 서로 다른 점으로 인지하지 않고 하나의 점으로 인식한다. 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 각각의 서브 픽셀들이 나타내는 빛의 조합을 통해 색을 표현한다.

 

빛의 3원색인 R·G·B를 혼합하여 원하는 색을 만드는 가색 방식이다. 픽셀은 R·G·B의 조합으로 이루어진다. 예를 들어 Red+Green=Yellow, Red+Blue=Magenta, Blue+Green=Cyan , 그리고 Red+Green+Blue=White, R·G·B가 모두 섞이지 않은 경우는 블랙(Black)이 되는 것이다.  따라서 흰색은 R·G·B 서브 픽셀이 모두 켜져 있는 상태이고, 반대로 검정은 모두 꺼져 있는 상태가 된다.

 

또 각 서브 픽셀을 통과하는 빛의 양에 따라 계조표시가 가능하여 표현 가능한 색의 수가 다양해진다. 디스플레이에는 이런 픽셀이 많게는 한 화면에 수백 만 개가 존재하며 각 픽셀이 전달받은 신호값에 따라 색을 표현하고 이미지를 형상화할 수 있는 것이다.

 

TV, 모니터, 스마트폰의 화질을 이야기할 때 가장 많이 거론되는 해상도는 한 화면에 픽셀이 몇 개나 포함되는지를 의미한다. 보통 가로 픽셀 수와 세로 픽셀 수를 곱한 형태로 표현한다. 픽셀이 많을수록 고해상도의 선명한 이미지 표현이 가능하다.

    

TV 기술은 해상도 따라 발전

 

SD(Stanadard Definition)는 480개의 주사선을 지원하는 브라운관 TV의 대표적인 사양으로 4:3 화면 비율인 640×480해상도다. 가로에 640개의 픽셀이 위치하고 세로에는 480개를 배열하여 총 30만7200개의 픽셀로 구성된다. HD(High Definition) TV는 720개의 주사선을 지원하며 16:9 화면비가 일반적이다. 1280×720 해상도로 92만1600개의 픽셀로 SD TV보다 픽셀수가 3배 이상 늘어났다.

 

풀HD(FHD) TV는 1080 주사선을 지원하며 HD와 마찬가지로 16:9의 화면 비율이다. HD보다 2배 이상의 화질을 구현하는 1920×1080 해상도로 최근 몇년간 가장 많이 적용된 해상도이다. 2014년에 UHD (3840 x 2160) TV가 출시되기 시작했다. UHD 해상도를 4K라고도 부르는데 이는 가로 주사선이 약 4000개(1K=1000)이기 때문에 붙여진 이름이다.

 

시장조사기관 IHS마킷은 UHD TV 출하량이 2016년 24.9%에서 34.3%로 증가할 것으로 전망했다. 지난해 가장 많은 비중을 차지했던 FHD TV의 판매량이 41.5%서 올해 33.3%로 낮아질 것이 예상되면서 UHD 해상도 제품은 올해 FHD를 추월할 것으로 전망되고 있다. 선명하고, 큰 화면을 원하는 시장 수요가 증가하면서 최근 고해상도 TV가 시장을 이끌어 가고 있다.

 

그런데 픽셀 수가 많아도 디스플레이 사이즈에 따라서 표현할 수 있는 이미지의 디테일도 달라진다. 동일한 면적에 얼마나 많은 픽셀이 포함되느냐가 고해상도의 중요한 척도가 되는 것이다. 이는 PPI(Pixels Per Inch)로 확인이 가능하다.

 

PPI는 1인치 안에 들어오는 픽셀수를 의미한다.  PPI가 높을수록 표현할 수 있는 픽셀 수가 많아지고 더 세밀한 이미지 표현이 가능해진다. 동일한 5.1형의 스마트폰을 비교해보면 FHD(1920×1080) 해상도 제품의 PPI는 432로, WQHD (2560×1440)는 577PPI다. 같은 면적에서 PPI가 높은 WQHD가 FHD보다 더 화질이 높은 이미지를 표현할 수 있게 되는 것이다. 동일한 WQHD라 하더라도 6.0형의 스마트폰은 490PPI이다. 해상도가 같아도 면적이 더 작은 디스플레이에서의 이미지가 더 선명하고 디테일하게 보인다.

 

최근에는 고해상도 콘텐츠가 꾸준히 증가하면서 4K를 넘어 8K(7680×4320) 해상도를 갖춘 모니터, TV, 콘텐츠 및 제반 인프라가 지속적으로 개발되고 있는 상황이다. 일본에서는 2020년 도쿄 올림픽을 8K 해상도로 중계할 예정으로 8K 시대를 위해 전자업체에서 기술 공동개발에 나서기도 했다. 소비자들이 더 생생하고 선명한 화질의 영상과 이미지를 체험할 날도 머지않았다.

 

penfree1@hanmail.net

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