앞서 톺아보기 ① Part.1에서는 디스플레이의 역사적 기원과 근대적 기술에 대한 소개를 해 드렸습니다. 오늘은 디스플레이 기술의 기원 그 두번째 시간으로, 전자 디스플레이로 일컬어지는 현대적 디스플레이 장치 및 기술에 대해 톺아보겠습니다.

전자 디스플레이의 탄생 : 음극선관(CRT, Cathode Ray Tube)을 발명하다

디스플레이의 역사는 인간의 보고자 하는 욕망을 충족시키기 위해, 더 선명하고 생생한 화질을 표현하는 방향으로 발전해 왔습니다. 그 중에서 가장 오래됐고 많이 사용된 전자 디스플레이는 바로 음극선관입니다. 1897년 독일의 물리학자인 브라운(Karl Ferdinand Braun)이 발명했기 때문에 흔히 브라운관으로 불리기도 합니다. 해상도, 휘도 및 자연색 표시 등의 디스플레이 성능에 있어 다른 디스플레이 장치와 비교해 매우 우수하고, 가격도 저렴한 편이기 때문에 LCD 등 평판디스플레이가 주류인 아직까지도 사용되고 있습니다.

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

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 섀도우 마스크에도 R,G,B의 위치에 전자가 정확히 충돌할 수 있게끔 각각의 구멍이 뚫려 있습니다.

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

하지만 음극선관의 발명은 TV방송이라는 새로운 미디어의 등장과 확산을 일으킨 결정적 계기가 되었습니다.

1931년 미국에서 세계 최초로 흑백TV 시험방송이 개시되면서 음극선관은 곧 텔레비전의 대명사가 되었고, TV방송의 여파는 다시 음극선관의 대중화를 가져오게 됩니다.

디자인을 혁신하다 : 평판 디스플레이의 등장

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

LCD(Liquid Crystal Display, 액정표시장치)는 '액정'을 핵심 소재로 한 평판 디스플레이입니다. 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 부릅니다. 의외로 액정은 상당히 오래 전에 발견되었습니다. 액정은 1854년 처음 발견되었고, 1888년 오스트리아의 생물학자 Reinitzer에 의해 비로소 '액정'이라는 이름을 최초로 부여받게 됩니다.

이후, 1920년대에는 많은 연구자들이 약 300여종의 액정을 합성해 발표했고, 액정에 전기 자극을 주어 상태를 변형하는 연구로 이어집니다. 1960년대에는 액정이 광학적 효과를 나타낸다는 사실이 과학 잡지 네이처(Nature)에 발표되었고, 이때부터 액정의 실용화 연구는 본격 궤도에 올라 이후 다양한 방식의 LCD가 화질과 성능을 높여 제품화되기에 이릅니다.

LCD는 정보를 표현하기 위해 외부의 빛(광원)을 필요로 하는 수광형 디스플레이입니다. 따라서 패널 뒷면에서 백색의 빛을 비추는 백라이트(Back Light)가 필요하고, 컬러필터(Color Filter)를 통해 색을 구현하게 됩니다.

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 발전했습니다.

LCD와 거의 동시대에 평판 디스플레이로 등장한 기술은 바로 PDP입니다. PDP는 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel)로 기체 방전 시에 생기는 플라즈마로부터 나오는 빛을 이용하여 문자 또는 그래픽을 표시하는 디스플레이를 말합니다. 플라즈마를 이용한 디스플레이는 1927년 벨연구소의 Gray 등이 처음으로 가스 방전 표시장치를 개발한 것을 시초로 1964년 일리노이대학의 Bitzer와 Slottow에 의해 본격적인 PDP의 기본 구조를 갖춘 연구가 시작되었습니다.

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

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

차세대 평판 디스플레이로 가장 각광받고 있는 디스플레이는 바로 OLED입니다. OLED는 유기발광다이오드

(Organic Light Emitting Diode)의 약칭으로, 전류를 가하면 자체발광하는 물질을 이용한 첨단 디스플레이입니다.

OLED 발광은 1963년 M. Pope 등이 고체 상태의 유기재료인 안쓰라센(Anthracene) 단결정을 이용해 발광 현상을 관측하였고, 1986년 미국 Kodak사의 C.W. Tang 연구진이 유기 단분자 정공주입층을 도입해 저전압으로 구동하는 유기 전계발광소자를 개발하면서 획기적으로 계기를 마련했습니다. 이후 삼성이 2007년에 세계 최초로 본격적인 대량생산을 시작하면서 아몰레드폰을 비롯해 대중화가 이루어졌습니다.

OLED는 자체발광 물질을 사용하기 때문에 LCD와 달리 백라이트, 액정, 컬러필터 등 복잡한 구조를 사용하지 않아, 소비전력이 적으며 가볍고 얇은 구조를 구현할 수 있습니다. 특히 OLED는 자연색에 가까운 풍부한 색재현력과 빠른 응답속도 때문에 멀티미디어 기기로 변하고 있는 휴대폰을 비롯해 태블릿, VR 등 다양한 IT기기의 디스플레이로 채택이 급속히 확대되고 있습니다.

미래 디스플레이 현실이 되다

영화 '마이너리티 리포트'에는 제스쳐로 컨트롤 되는 홀로그램 디스플레이가 등장합니다. 또 영화 '해리포터'에는 구부리고 접거나 두루마리처럼 둘둘 말아서 들고 다닐 수 있는 '동영상 신문'이 등장해 상상력을 자극했습니다. 현재 미래 디스플레이로 불리는 대표적인 제품은 플렉서블(Flexible) 디스플레이입니다.

플렉서블 디스플레이의 일부는 이미 영화 속에만 머물지 않고 우리의 현실 속에서도 접할 수 있습니다. 플렉서블의 가장 최초의 단계인 Bended 형태는 삼성디스플레이의 플렉서블 OLED를 탑재한 갤럭시 노트 엣지를 통해 2014년에 상용화된 제품으로는 최초로 공개되었고, 그 이후 발전을 거듭해 더욱 아름답고 효율적인 곡률을 갖춘 엣지 디스플레이로 계속 진화하고 있습니다. Bended 형태 이후의 플렉서블 디스플레이로는 접을 수 있는 Foldable과 둘둘 감기는 Rollable이 시장의 큰 관심과 기대를 받고 있고, 더욱 먼 미래에는 늘어나는 형태의 Stretchable 디스플레이의 등장도 예상됩니다.

플렉서블 외에도 영화 '스타워즈'에 등장했던 '홀로그램' 디스플레이도 꾸준한 관심을 받고 있습니다. 삼성디스플레이는 작년에 미국에서 열린 국제 디스플레이 전시회 SID 2016에서 '디지털 홀로그래픽 3D' 제품을 선보이며 홀로그램 기술의 가능성을 보여줬습니다. 홀로그램은 아직 상용화까지는 많은 과제가 있지만, 플렉서블 디스플레이들이 점차 현실화 되고 있듯이, 언젠가는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 대중적인 디스플레이가 될 것으로 기대하고 있습니다.

지금까지 '디스플레이 톺아보기' ①편을 통해 디스플레이 기술의 기원과 역사 그리고 미래에 대한 이야기를 전해드렸습니다. 이어지는 톺아보기 시리즈에서는 디스플레이 기술의 기본 개념과 기초에 대한 이야기를 나누어보겠습니다.