2.4 그래픽 출력 장치
Reporting Date: October. 18, 2024
그래픽 출력 장치의 일반작동 원리에 대해 다루고자 한다.
목차
01 다이오드 (Diode)
전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 전자 부품.
즉, 전기 신호의 단방향성을 가진 소자로,
주로 정류기로서 교류를 직류로 변환하는 데 사용된다.
두 개의 단자로 구성되어 있으며, 양극과 음극으로 나뉜다.
현대에는 다이오드 기반의 디스플레이가 주류가 되었으며,
대표적으로 LED, LCD, OLED와 같은 기술이 사용된다.
이들 디스플레이는 광원의 방식에서 차이가 있다.
1 . L C D
(액정 디스플레이, Liquid Crystal Display)
평판형 디스플레이의 일종으로,
노트북과 같은 휴대용 디스플레이에 자주 이용된다.
가스를 주입한 상태에서 전기를 이용해 백라이트가 발광하도록 하여,
액정(液晶)이 빛을 통과시키는 방식으로 이미지를 표현한다.
이것의 구조는 다음과 같다:
인점(광원) | 액정 | 형광등
(크리스탈 액정: 액체와 고체의 중간 상태)
빛을 통과시키거나 차단하는 방식으로 색상을 표현한다.
이 과정에서 편광기(Polarizer)는 특정한 방향의 빛만 통과시키며,
액정은 두 개의 편광기 사이에 위치해 빛의 투과를 조절함으로써 화면에 색을 표현한다.
참고로, 이러한 편광기의 역할을 블라인드 커튼(Blind Curtain)으로 부른다.
장점
1. 화면의 밝기를 유지하기 위해 주기적으로 인점을 주사하는
CRT와는 달리 LCD 화면은 항상 켜져 있으므로, CRT처럼 깜박거림이 없다.
2. 컬러 셀에는 인을 사용하지 않으며,
따라서 전자의 가속을 위한 전력 소모 등을 고려할 필요가 없다.
단점
백라이트(LED)가 필요하므로, 자체 발광은 불가능하다.
따라서, 밝기, 명암 대비, 색감 등 CRT보다 낮은 성능을 보인다.
2 . T F T
(박막 트랜지스터, Thin Film Transistor)
LCD의 단점을 보완하기 위한 기술.
픽셀마다 개별적으로 전기적 제어가 가능하게 하며,
액정의 반응 속도를 향상시키고 화면의 선명도와 시야각이 개선된다.
특히, 액정 화면의 픽셀 제어를 더 정밀하게 하여, 더 넓은 시야각에서 화면을 볼 수 있게 해준다.
이는 다양한 각도에서 화면을 봐도 색상 왜곡이 적어짐을 의미한다.
3 . P D P
(Plasma Display Panel)
가스를 이용한 디스플레이 기술로,
과거 LCD와 함께 출시되었던 디스플레이 유형 중 하나.
각 픽셀은 네온(Ne)이나 크세논(Xe) 가스를 포함하는 셀을 사용하며,
가스 방전을 통해 빛을 발생시킨다.
각 픽셀은 적색, 녹색, 청색 형광체로 코팅된 셀이 포함되어 있다.
이 세 가지 색의 형광체를 이용해 컬러 이미지를 생성한다.
원리
단계 1: 전기 에너지가 셀에 공급되면 표면 방전으로 인해 번개가 발생하고,
단계 2: 이로 인해 내부에 채워진 가스가 플라즈마(Plasma) 상태로 변화하여 자외선을 방출한다.
단계 3: 자외선은 형광체(인 표면)를 자극하여 가시광선을 방출하게 된다.
플라즈마는 고체, 액체, 기체와 구별되는 제 4의 상태로,
전자와 이온이 서로 분리되어 자유롭게 움직이는 이온화된 기체이다.
양 이온, 음 이온, 전자, 중성자 등으로 구성되며,
우주에 존재하는 물질의 99%를 차지한다.
장점
1. LCD보다 훨씬 선명한 색상과 깊은 검정색을 표현할 수 있다.
2. 빠른 화면 전환이 요구되는 영상에서 우수한 성능을 발휘하여 잔상이 적다.
단점
1. 작동 과정에서 많은 열을 발생하여 효율성이 떨어졌으며,
열을 식히기 위한 추가적인 조치가 필요했다.
2. 시간이 지나면 가스가 누출되는 문제가 발생할 수 있었고,
이로 인해 수명이 짧아질 수 있었다.
3. 전력 소비가 많아 운영 비용이 컸다.
이러한 이유로, PDP는 LCD와 OLED 같은 새로운 기술에 밀려
상용화에 실패했고, 결국 사라지게 되었다.
4 . L E D
(발광 다이오드, Light Emitting Diode)
자체 발광이 가능한 다이오드를 사용한 디스플레이 기술.
LED는 다이오드의 원리를 사용하여, 전류가 흐를 때 빛을 발산하는 특성을 가진다.
이는 전기 에너지 를 광학 에너지 로 변환하는 과정이다.
구체적으로, LED는 반도체 물질에 전류를 흘려, 이 과정에서 빛을 방출한다.
장점
1. 전기 신호로 빛을 직접 내기 때문에,
열 발생이 적고, 더 자연스러운 색상을 표현할 수 있다.
2. 에너지 효율이 뛰어나 전력 소모가 적고,
구조가 간단해 더 얇고 선명한 화면 구현이 가능하다.
3. 컬러 표현에서 깊은 검정색과 높은 명암비를 제공하여 화면 품질이 뛰어나다.
단점
1. 백라이트를 사용하여 화면을 밝히기에 완전한 검은색 구현이 어려우며,
이로 인해 두께를 얇게 만드는 데 한계가 있다.
2. LCD 패널 기반이므로, 시야각이 좁은 편이다.
측면에서 화면을 볼 경우 색상 왜곡이나 밝기 저하가 발생하며,
특히 IPS 패널이 아닌 VA 패널 기반 LED TV에서 이러한 문제가 두드러진다.
3. HDR(High Dynamic Range) 콘텐츠 재생 시,
선명하고 정확한 색상을 표현하는 데 제약이 있다.
4. 백라이트가 화면 전체를 균일하게 밝히지 못해
빛샘 현상(backlight bleeding)이 발생할 수 있다.
이는 화면의 일부 영역이 더 밝아 보이거나, 어두운 장면에서 빛이 새어 나오는 현상이다.
5 . O L E D
(유기 발광 다이오드, Organic Light Emitting Diode)
LED의 특성을 발전시킨 기술로, 각 픽셀이 자체 발광 한다.
원리
단계 1: 화소 위치에 유기 복합물을 발광층 으로 사용한다.
유기 복합물이란, 탄화수소에 산소(O), 질소(N), 황(S) 등을 주입한 물질로,
그 종류에 따라 방출되는 빛의 색상이 달라진다.
단계 2: 전류가 흐르면 유기물을 구성하는 전자의 에너지 레벨이 낮아진다.
단계 3: 이때, 떨어진 레벨만큼 빛을 방출 하므로, 전류 양을 조절하여 밝기를 제어할 수 있다.
장점
1. 화면에 검은색을 표시할 때 해당 픽셀을 완전히 꺼버릴 수 있어 완벽한 블랙을 구현할 수 있다.
2. 픽셀의 켜짐과 꺼짐이 빠르므로, 잔상이 거의 없어 빠른 움직임을 선명하게 표현할 수 있다.
3. 어느 각도에서 보더라도 색상 왜곡이 적어 시야각이 넓다.
4. 백라이트가 필요 없으며, 디스플레이를 더 얇게 만들 수 있다.
단점
1. 생산 과정에서 고급 소재와 복잡한 제조 공정이 필요하므로, 비용이 상대적으로 높다.
2. 시간이 지나면서 유기 물질이 점차적으로 열화(degradation)되며
밝기 저하나 색상 변화가 발생할 수 있다.
특히 청색 OLED의 수명이 상대적으로 짧아, 전체적인 수명이 LCD보다 짧을 수 있다.
02 디스플레이 기술 전략 비교
삼성은 스마트폰과 같은 모바일 기기에서
AMOLED(Active Matrix OLED) 기술을 활용하며,
세계적인 OLED 패널 공급 업체로 자리 잡고 있다.
그러나 대형 TV 시장에서는 QLED(Quantum-dot LED) 기술을 채택하여,
OLED를 중심으로 한 LG와는 차별화된 기술 전략을 추구하고 있다.
삼성 - QLED TV
삼성은 대형 TV 시장에서 주로 QLED 기술을 사용한다.
QLED는 퀀텀닷(Quantum Dot) 기술을 통해 색 재현율을 향상시킨 LCD 기반의 디스플레이이다.
이 기술은 LED 백라이트를 사용하므로 여전히 백라이트 의존형 디스플레이이다.
아래 두 가지 방식 중 삼성은 주로 엣지 방식을 사용한다.
1. 엣지 방식 (Edge-Lit)
화면 테두리 주변에 광원이 배치되어 있어, 패널 두께가 얇아지는 장점이 있다.
그러나 이 방식은 균일한 밝기를 제공하기 어려울 수 있다.
2. 직하 방식 (Direct-Lit 또는 Full Array)
화면 전체에 백라이트가 균일하게 배치되어 있어 더 고른 밝기와 좋은 명암비를 제공한다.
그러나 두께가 다소 두꺼울 수 있는 단점이 있다.
QLED는 밝기와 색 표현력에서 뛰어난 성능을 발휘하지만,
명암비나 검은색 표현에서 OLED에 비해 부족하다.
그럼에도 불구하고 QLED는 밝기 성능이 뛰어나고,
번인(burn-in) 문제가 없다는 장점이 있다.
LG - OLED TV
픽셀 단위로 자체 발광하는 방식은 명암비가 뛰어나며, 완벽한 검은색 표현이 가능하다.
백라이트가 필요 없어 더 얇고 가벼운 디자인이 가능하며,
시야각이 넓고 화면의 밝기나 색상 왜곡이 적다.
03 3D 영상의 원리
1 . 눈의 시야
사람의 각 눈은 약 130도의 시야각을 가진다.
겹치는 시야와 겹치지 않는 시야를 결합하여 3차원 시각을 형성한다.
2 . 스테레오 시각 (Stereoscopic Vision)
시야가 겹치는 부분에서 발생하는 현상.
두 눈의 겹치는 시야 영역에서 약간 다른 각도로 사물을 관찰한다.
이 차이를 기반으로 뇌는 사물의 깊이와 입체감을 인식한다.
3 . 양안 시차 (binocular disparity)
두 눈이 보는 이미지 간의 미세한 차이를 의미한다.
사람의 두 눈은 약간 떨어져 있어 같은 사물을 서로 다른 각도에서 바라본다.
뇌는 이 차이를 분석해 깊이 정보를 생성하며, 이를 통해 사물을 3차원으로 인식한다.
이 원리는 우리가 세상을 입체적으로 보는 데 기여하며, 3D 영상 생성 기술에도 활용된다.
4 . 편광 방식 (Polarized 3D Glasses)
3D 영상을 보기 위해 편광 기술을 활용한 안경을 사용한다.
이 안경은 각각의 눈에 다른 각도로 영상을 전달하여
두 눈으로 보이는 영상이 겹치지 않도록 조절한다.
이를 통해 입체감을 구현하지만, 기술적 제약으로 인해
일부 영상 품질이나 시청 환경에 영향을 받을 수 있다.
5 . 어지럼증
사람의 시야는 두 가지 조절 포인트를 기반으로 한다.
- 눈의 움직임
- 목의 회전
반면, 카메라는 단일 조절 포인트인 목의 회전만을 사용한다.
이러한 조절 포인트 간의 불일치로 인해 장시간 3D 영상을 시청하면 어지러움을 느낄 수 있다.
이 문제를 상당 부분 개선한 사례로 2009년에 개봉한 영화 ⟨아바타⟩ (AVATAR) 를 들 수 있다.
이 영화는 두 개의 카메라를 각각 배치하여 실제 두 눈의 시각처럼 입체적인 영상을 구현해
관객들에게 자연스러운 3D 경험을 제공하였다.
6 . 홀로그래픽
모든 방향에서 3차원 뷰를 제공하는 기술.
레이저와 육각 렌즈를 결합해 빛을
6개의 면으로 반사시켜 3D 이미지를 구현하는 방식이다.
스타워즈의 리아 공주 장면처럼,
어느 방향에서나 입체적으로 보이는 3D 영상을 구현할 수 있다.