1829 년 독일의 물리학자 칼 브라운이 그의 이름을 딴 브라운관 디스플레이를 개발한 이후, 1940년대 미국을 시작으로 TV가 본격 양산되기 시작하면서 디스플레이 기술은 혁신적인 발전을 거듭해 왔습니다. 2000년대에 들어서면서 슬림 브라운관, 프로젝션 디스플레이, PDP, LCD 등 다양한 기술들이 시장에서 경쟁하였으나 생산성, 사이즈 다양성, 가격 경쟁력 등 다양한 면에서 우위를 차지한 LCD는 현재에도 대형 디스플레이 시장의 주류를 이루고 있습니다. 하지만 디스플레이 기술의 발전은 LCD에서 멈추지 않았고, QD(퀀텀닷), OLED, 마이크로 LED 등 다양한 신기술 개발로 이어지면서 다시 새로운 시대로의 전환을 만들어 내고 있습니다.
그 가운데 삼성디스플레이가 차세대 대형 디스플레이 기술로 개발하고 있는 QD디스플레이는 다양한 제품 경쟁력을 가지고 예전에 LCD가 그랬던 것처럼 경쟁 기술들을 누르고 왕좌에 오를 준비를 하고 있습니다. 그럼 지금부터 QD디스플레이(Quantum Dot Display)는 어떤 제품·기술이며 어떤 경쟁력을 갖추고 있는지 소개하겠습니다.
QD디스플레이의 구조 및 발광 원리
QD디스플레이의 구조를 알아보기에 앞서 우리가 흔하게 볼 수 있는 LCD의 구조를 먼저 살펴보겠습니다. LCD의 구조와 비교해 보면서 QD디스플레이의 구조를 더 쉽게 이해할 수 있기 때문입니다.
LCD는 자체발광 방식이 아니기 때문에 반드시 백라이트유닛(BLU; Back Light Unit)이라고 불리는 빛을 내는 광원이 필요하고, 이 광원의 빛을 효율적으로 사용하기 위해 BLU 위에 다양한 시트와 필름들을 사용합니다. 그리고 그 위에 액정(Liquid Crystal)을 조정해 주는 전자 회로 층인 박막트랜지스터(TFT; Thin Film Transistor)층, 픽셀 별로 빛의 양을 조절해주는 액정층, 빛을 RGB(Red, Green, Blue)로 분리해 주는 컬러필터(CF; Color Filter)층 그리고 빛을 한 방향으로 보내주는 편광판까지 다양한 층으로 구성되어 있습니다. 이 복잡한 층을 거치면서 빛의 효율은 현저하게 감소하며 제품은 무거워지고 두꺼워질 수 밖에 없죠.
▲ LCD와 QD디스플레이 단면 및 발광 구조
하지만 자발광 디스플레이인 QD디스플레이는 LCD보다 간단하며 효율적인 구조를 갖고 있습니다. QD디스플레이는 크게 세가지 층으로 구분되는데 첫째, 발광원층을 조정하는 전자회로인 TFT층, 둘째, Blue 빛을 내는 발광원, 셋째, 발광원인 Blue 빛을 Red, Green으로 전환해 빛을 내는 QD발광층으로 구성됩니다.
▲ 가시광선(Visible Light) 영역에서 RGB 중 가장 높은 에너지를 가진 Blue 파장 영역
QD디스플레이는 다른 컬러에 비해 고 에너지 파장대인 Blue를 발광원으로 활용하기 때문에 QD 광변환시 효율이 우수하고 밝은 빛을 만들 수 있습니다. 발광원에서 발생한 빛은 또 다른 자발광층인 QD발광층에 도달하는데, 이때 Blue 빛의 에너지를 받아 QD소자가 스스로 색을 전환해 발광하게 되기 때문에 빛의 활용 효율을 극대화 할 수 있습니다.
특히 삼성디스플레이의 QD디스플레이 기술은 LCD와 달리 구조적으로 간단한 원리로 구현할 뿐만 아니라 빛을 효율적으로 활용하는 전면발광 방식이므로 빛 효율 감소가 최소화 됩니다. 그만큼 빛은 효율적으로 사용되며 제품은 가볍고 얇게 만들 수 있고, 다른 대형 디스플레이 제품들과 비교해 다양한 성능 우위를 보여줍니다.
그럼 지금부터는 QD디스플레이가 가진 뛰어난 화질과 성능에 대해 구체적으로 알아보겠습니다.
QD디스플레이 장점 1 - QD에 의한 장점
QD디스플레이의 장점은 크게 QD에의한 장점, Blue 발광원에 의한 장점, 삼성디스플레이만의 차별화된 기술에 의한 장점 이렇게 세가지로 구분해 설명할 수 있습니다. 먼저 QD에의한 장점으로 꼽히는 네 가지 영역 ① Color Gamut ② Color Volume ③ 시야각 ④ 인지휘도에 대해서 알아보겠습니다.
① Color Gamut
QD디스플레이의 Blue 발광원에서 생성되는 Blue 빛은 색순도가 매우 높으며, 이 빛을 받아 QD소자가 만드는 RG(Red, Green) 또한 색순도가 매우 높아집니다. 색순도가 높다는 것은 RGB 각각의 색상이 빛의 스펙트럼상 주변부의 다른 색과 섞이지 않고 최대한 정확하게 특정 파장의 빛만 생성한다는 의미입니다. 따라서 RGB가 조합해서 표현할 수 있는 색의 정확도가 높아지므로, 색 조합을 통한 색 표현의 영역도 함께 넓어진다는 것을 뜻합니다.
QD디스플레이는 이러한 높은 색순도 덕분에 현존하는 디스플레이 가운데 색 표현 범위가 가장 넓은 기술 중 하나로 꼽힙니다. 세상에 어떤 디스플레이도 눈으로 보는 색을 모두 표현할 수는 없겠지만, QD디스플레이는 현재 우리가 눈으로 보는 것에 가장 가깝게 색을 보여 줄 수 있습니다.
현재 시장에 출시된 대부분의 TV는 우리 눈이 볼 수 있는 가시광선 영역의 색영역에서 70% 대 정도(BT.2020 기준)를 표현하나 QD디스플레이는 약 80~90% 수준까지 표현이 가능할 것으로 예측됩니다. 이렇게 디스플레이가 표현할 수 있는 색 영역을 표시한 것을 Color Gamut이라고 하며 QD디스플레이는 현재 가장 넓은 Color Gamut을 갖고 있습니다.
② Color Volume
그런데 실제로 디스플레이가 보여주는 화면들은 동일한 밝기가 아니라 다양한 밝기를 표현하죠. 그래서 단순히 몇%의 색영역을 표현하는가 외에도 화면 밝기에 따라 얼마나 많은 색을 표현할 수 있느냐도 상당히 중요합니다. 이렇게 밝기에 따른 색표현력을 Color Volume이라고 합니다.
QD디스플레이는 어두운 색부터 밝은 색까지 어떤 밝기에서도 매우 폭 넓은 색을 표현할 수 있습니다. BT.2020 Color Volume 기준으로 일반적인 대형 디스플레이가 60% 미만 수준을 구현하나 QD디스플레이는 약 80% 이상을 표현할 수 있습니다.
③ 시야각
빛은 직진성을 가지고 있습니다. 디스플레이가 영상을 보여줄 때의 빛도 마찬가지로 직진성을 가지고 있죠. 그래서 디스플레이는 보는 각도에 따라 화면의 밝기가 달라지고 색도 바뀌게 됩니다. 이런 디스플레이의 특성 탓에 여러 명이 같이 볼 때라든가 다른 활동(요리, 운동 등)을 하며 정면이 아닌 곳에서 볼 때와 같이 여러 경우에 화질 저하를 경험하게 됩니다.
하지만 빛을 전방위로 균일하게 발광시키는 QD의 특성으로 인해 QD디스플레이는 시청 각도에 따른 화질 변화를 최소화 시킵니다. 정면에서 60도 되는 지점에서 정면의 밝기와 비교하는 정측면 휘도비가 LCD는 일반적으로 40% 미만인데 비해 QD디스플레이는 약 70% 이상으로 시야각에 따른 휘도 변화가 다른 대형 디스플레이 대비 가장 적습니다.
④ 인지 휘도
사용자가 디스플레이의 밝기를 인지 할 때, 디스플레이의 실제 물리적 밝기 뿐 만 아니라 블랙의 표현력과 색의 채도의 영향을 받게 됩니다. 이렇게 실제로 사용자가 느끼게 되는 인지적 밝기를 인지 휘도라고 합니다.
위 그림과 같이 동일한 휘도의 박스도 배경의 명암에 따라 다르게 보이는 것으로 확인할 수 있습니다. 이런 현상을 동시 대비 효과1)라고 하며, 디스플레이가 블랙을 더 잘 표현할수록 휘도가 더 밝아 보이게 됩니다.
또한 같은 휘도의 색이라고 해도 색의 종류에 따라 밝기가 다르게 느껴지며, 같은 종류의 색도 채도가 높을수록 더 밝게 느껴지는데 이런 현상을 H·K 효과2)(Helmholtz·Kohlrausch effect)라고 합니다.
위 사진을 보면 실제 디스플레이의 측정 휘도는 좌우가 큰 차이가 없습니다. 하지만 우리 눈으로 느끼기에는 오른쪽이 더 밝게 보입니다. 바로 QD디스플레이의 우수한 블랙 표현력과 폭 넓은 색 표현력이 우리로 하여금 실제 디스플레이 자체의 휘도 보다 더 밝게 인지하게 만듭니다.
지금까지 QD디스플레이란 무엇인가에 대한 첫번째 시간으로 QD디스플레이의 구조와 QD 특성으로 구현되는 QD디스플레이의 장점들을 알아보았습니다. 아직도 소개해 드릴 QD디스플레이 장점들이 많이 남아 있으므로 다음 시간에는 Blue 자발광 특성으로 구현되는 장점과 삼성디스플레이만의 차별화 기술로 구현되는 QD디스플레이의 장점을 살펴 보도록 하겠습니다.
[참고 문헌]
1) Bex, Peter J., and Walter Makous. "Spatial frequency, phase, and the contrast of natural images." JOSA A 19.6 (2002): 1096-1106.
2) Donofrio, Robert L. "The Helmholtz‐Kohlrausch effect." Journal of the Society for Information Display 19.10 (2011): 658-664.; Nayatani, Yoshinobu. "Simple estimation methods for the Helmholtz—Kohlrausch effect." Color Research & Application 22.6 (1997): 385-401.
