디스플레이의 발달 역사 _ 브라운관, LCD, OLED, 그리고 마이크로 LED
브라운관(Cathode-ray tube, CRT) _ 1950 ~ 2000
가장 고전적인 디스플레이는 브라운관 TV라 해도 과언이 아닐 정도로 그 엄청난 두께와 무게는 현대의 기술력을 체감하게 만든다. 게다가, 그 해상도는 무척이나 좋아서? 발광 소자가 아주 선명하게 보인다. 이러한 브라운관 TV의 원리는 음극선관을 이용하여 휘어진 전자빔이 발광 스크린에 닿는 것이 그 원리이다. 스크린 상에 나타나는 각각의 발광 픽셀들은 빨강, 초록, 그리고 파랑(RGB) 색으로 광자를 방출하는 것이 가능하게 설계되어있다. 이렇게 RGB 발광을 이용한 최초의 컬러 TV는 1950년에 시작되어 수십 년간 디스플레이의 시장을 지배하였다. 2000년대에 들어서면서부터 액정 디스플레이(liquid-crystal display, LCD)의 등장으로 CRT 디스플레이는 힘을 잃게 되었다. 지금은 역사가 되어버린 브라운관 TV는 1950-2000년대 시대의 감성을 느끼게 만든다. 옛날 그 시대에는 자석을 가지고 브라운관 TV에 갖다 대어 재미있는 현상을 관찰할 수 있었고, 아빠와 엄마에게 혼나는 경험을 할 수 있었다.
액정 디스플레이(Liquid crystal Display) _ 2000 ~ 현재
2000년대에 들어서면서 액정 디스플레이의 급격한 시장 변화는 어린 나를 놀라게 하기에 충분했다. 두꺼운 컴퓨터와 TV는 얇은 LCD로 교체되었고, 얇은 디스플레이는 가정집, 사무실 등의 인테리어에도 큰 변화를 주었다. LCD의 장점은 크기와 무게뿐만이 아니라, 전력 소비 측면에서도 효율적이다. LCD 패널은 스스로 발광하지 않는다. 이를 광학적으로 수동형(passive) 소자라고 부르는데, LCD는 백라이트(backlight)와 같은 조명을 사용하여 디스플레이를 형성한다. LCD는 백라이트를 포함하는 양쪽의 유리 사이에 액정(crystal)을 삽입하고, 유리판 위와 아래의 전압에 따라서 빛이 통과하거나 통과하지 못하게 만드는 것이 그 원리이다. 이 액정은 고체의 규칙성과 액체의 유동성을 모두 갖는 물질로 1854년에 처음 발견되었다고 한다. 이 액정에 걸어주는 전압에 따라서 빛의 방향이 제어되는데, 백라이트에서 발생하는 빛이 액정과 편광판을 통과하고, 최종적으로 컬러필터를 통과하고 나면 원하는 색, 그리고 원하는 양으로 제어하게 만들 수 있다. 이 액정 디스플레이는 CRT보다 수명이 더 길다고 하니, LCD 시장 수요가 증가하게 된 것은 당연한 결과이다. 플라스마 디스플레이란 것도 이 시기에 같이 나왔다고 한다.
플라스마 디스플레이(Plasma display panel, PDP) 2000 ~ 2014
LCD와의 가격경쟁에서 밀려버린 PDP의 원리에 대해서 알아보자. 플라스마란 이온화된 기체 상태를 말한다. 보통 고체, 액체, 그리고 기체 상태로 존재하는 물질의 상태와 다르게 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다니는 상태인 4번째 상태를 플라스마 상태라고 칭한다. 깊이 들어가면 더 복잡해지지만, 아무튼 플라스마의 전기 방전을 원리로 하는 PDP는 LCD와의 가격경쟁에서 밀리고, OLED의 고대비 평면 패널 디스플레이에 밀리게 되어, 2014년에 미국 시장에서 제조가 완전히 끝나게 되었다고 한다.
구조에 대해 간단히 알아보자면, 2개의 유리 패널 사이에 셀이라 불리는 조그마한 칸들 안에 비활성 기체 및 극소량의 다른 기체 혼합물을 포함하고 있다고 한다. PDP는 LCD 보다 싼 값으로 더 크게 만들 수 있고, 시야각이 더 넓다고 하나, 전력 소비가 큰 단점을 가지고 있어 LCD와의 경쟁에서 밀린 것으로 보인다.
유기발광 다이오드 소자(Organic Light-Emitting Diode, OLED)
1950년대 초에 유기 물질의 전기 발광을 처음 발견하였다고 한다. 이 유기 발광 다이오드 소자의 발광 원리는 상당히 복잡한데, 이는 고체 물리에 대한 지식을 필요로 한다. 간단히 설명하자면, 음극과 양극에 전압을 걸고, 각각의 극에 주입된 전자와 양공의 결합에 의한 발광 현상이 그 원리이다. 음극에는 주로 알루미늄, 은-마그네슘 합금, 그리고 칼슘 등의 금속박막을 이용하고, 양극에는 ITO(Indium Tin Oxdide)라 불리는 산화 인듐 주석 등의 금속 박막을 사용한다고 한다.
OLED는 백라이트가 필요 없이 스스로 빛을 내고, 빛의 스펙트럼이 LCD 보다 넓은 것으로 알려져 있다. 무엇보다도 이 OLED 디스플레이가 각광받는 이유는 Flexible 한 특성 때문이다. 몇 년 전 서부터 휘어진 모니터, 휘어진 스마트폰이 등장하는 것을 보면 현재 디스플레이 발전 상황을 보다 생생히 체감 가능하다.
마이크로 LED(Micro Light-Emitting Diode)
현재에도 개발 중인 차세대 디스플레이 소자로써 모든 디스플레이보다 우수한 장점들을 갖추고 있는 소자가 바로 마이크로 LED이다. 사실 이 글의 진짜 목적도 이 마이크로 LED까지 발전한 디스플레이 기술의 역사를 알기 위함이다. 이 마이크로 LED는 비-유기 물질의 퀀텀 우물 구조에 걸어준 전압에 의해 발생하는 빛으로 디스플레이를 구현한다. 보통 LED의 사이즈가 100 ~ 200 마이크로미터이면, Mini-LED라 불리고 이것이 바로 LCD의 백라이트에 사용되는 소자이다. 그리고 LED 사이즈가 100 마이크로미터 이하이면, 이 마이크로 LED 소자를 이용하여 자체발광 LED 디스플레이를 구현하게 되는 것이다. 이 마이크로 LED의 시장은 2025년까지 점점 치솓을 전망으로 예측되는데, 차세대 디스플레이 기술로 이 마이크로 LED 소자가 이용되는 이유는 다른 소자들보다 여러 가지 장점을 갖추고 있다는 점에 기인한다. 대표적으로 디스플레이에 있어서 중요한 여러 가지 요소를 기준으로 OLED와 LCD 보다 우수한 마이크로 LED의 특성을 하나하나 살펴보기로 하자.
A. 풀컬러 기준 _ 밝기(Luminance)와 명암비(contrast ratio)
휘도(Luminance)라 불리는 이 루미넌스 특성은 어떤 광원의 단위 면적에서 단위 입체각으로 발산하는 빛의 양을 나타내는 용어이다. 보통 칸델라(cd)라는 밝기 단위를 사용한다. 보통 디스플레이는 니트(nit)라는 용어를 사용하여 단위를 지칭하기도 한다. 또 디스플레이는 RGB를 이용하여 풀컬러를 나타내는데, 이 풀컬러 기준으로 밝기를 비교해보면, LCD는 최대 7000 nits의 밝기를 가진다. OLED 경우, 5000 nits 보다 작은 밝기를 갖는다. 반면에, 마이크로 LED 경우 500,000 nits 이상의 밝기를 가질 수 있다고 한다.
디스플레이에서 중요한 요소 중 하나로 명암비(contrast ratio)가 있는데, 이 특성 또한 마이크로 LED에서 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 먼저, 용어에 대해 자세히 알아보자. 명암비는 디스플레이에서 가장 밝고 어두운 정도의 차이를 나타낸다. 이것이 디스플레이의 선명도를 결정하는데, 블랙과 화이트의 최대 밝기를 비율로 나타내어 지표로 사용한다. 예를 들어 디스플레이의 검은색과 흰색을 나타내는 최대 밝기가 동일하게 1 nit 라면, 이 디스플레이의 명암비는 1:1이 된다.
LCD, OLED 그리고 마이크로 LED 디스플레이의 명암비가 각각 5000:1, 10,000:1(이상), 1000,000:1 (이상)인 것을 보면, 마이크로 LED의 선명도가 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
B. 화소 밀도 _ PPI (Pixels per Inch)
일반적으로 디스플레이의 해상도를 나타내는 지표로 화소밀도 또는 픽셀 퍼 인치(PPI)를 사용한다. 간단히 말해서 이 PPI는 1 제곱 인치 안에 들어가는 픽셀 수 를 나타낸다. 예를 들어, 1 PPI 디스플레이는 1인치 안에 1(가로) X 1(세로)의 픽셀로 이루어진 디스플레이라고 보면 된다. 따라서 높은 PPI는 높은 해상도를 갖는다.
LCD와 OLED는 각각 최대 806 PPI, 1433 PPI를 갖는 것으로 알려져 있다. 반면에 마이크로 LED의 경우 최대 30,000 PPI를 가질 수 있다.
C. 시야각 (View angle)
TV와 같은 대형 디스플레이에서 중요한 요소 중 하나인, 이 시야각은 어느 각도에서 보더라도 동일한 이미지를 제공한다는 점에서 중요하다. 기존의 OLED와 LCD 경우 최대 시야각이 89 도 정도였다. 하지만 마이크로 디스플레이는 최대 시야각이 180 도이다.
이 외에도 다양한 항목들이 존재하지만, 대부분 마이크로 LED 디스플레이에서 LCD와 OLED에 비교하여 더 우수학 특성을 갖는다. 마이크로 LED 디스플레이 구현에 있어, 아직 보완되어야 할 문제점이 있지만, 개인적으로 지금까지의 기술력의 발전으로 볼 때 조만간 해결되고 상용화 시기가 얼마 남지 않을 것으로 보고 있다.