벽화와 종이, 사진, 그리고 영화를 거치면서 정보 디스플레이는 진화를 거듭하여 왔으며, 마침내 현재의 전자 공학을 기반으로 하는 디스플레이에 이릅니다. 여기에서는 이러한 전자 디스플레이(electronic display)로 설명을 이어갑니다.
1) 전자 디스플레이의 탄생, 음극선관(Cathode Ray Tube, CRT)을 발명하다; 디스플레이의 역사는 인간의 보고자 하는 욕망을 충족시키기 위해, 더 선명하고 생생한 화질을 표현하는 방향으로 발전해 왔습니다. 그 중에서 가장 오래되었고 많이 사용된 전자 디스플레이는 바로 음극선관입니다. 1897년 독일의 물리학자인 브라운(Karl Ferdinand Braun) 교수가 발명했기 때문에 흔히 브라운관으로 불리기도 합니다. 해상도, 휘도 및 자연색 표시 등의 디스플레이 성능에 있어 매우 무난하고, 가격도 저렴한 편이기 때문에 LCD 등 평판디스플레이가 주류인 아직까지도 일부는 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 섀도우 마스크(shadow 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(Flat Panel Display, FPD)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.
2) 디자인을 혁신하다, 평판 디스플레이의 등장; 대표적인 평판 디스플레이로는 크게 PDP, LCD, OLED 세가지를 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.
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 화소 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.
LCD(Liquid Crystal Display, 액정표시장치)는 PDP와 거의 동시대에 평판 디스플레이로 ‘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. (이상, 출처; 삼성 디스플레이 블로그)
전자 디스플레이의 변천 과정과 현재를 요약, 분석해보면 다음과 같습니다. 즉, 1987년, 독일의 스트라스부르크 대학의 칼 브라운 교수에 의해 발명된 음극선관, 소위 브라운관은 그 후 100여년동안 디스플레이의 대명사가 되어 왔습니다. 물론, 액정 디스플레이가 1960년대부터 새로운 개념의 디스플레이로 등장하게 되었지만, 특히 TV와 모니터 영역은 20세기 중, 후반 동안에는 범접할 수 없는 CRT만의 영역이었죠. 이후로 숱한 디스플레이들이 출현, 발전 과정을 거치면서 명멸하여 갔습니다.
그러다가 1970~1980년대부터 플라즈마 디스플레이가 얇은 모니터 등으로 등장을 하고, 특히 1980년대부터 일본 업체들에 의하여 화면을 키울 수 있는 대체 디스플레이로서 발전함과 동시에, 또한 LCD의 화질과 화면의 크기가 급격히 향상되어 가면서 CRT 고유의 결점들이 공공연히 드러나고 강조되기 시작하였습니다. 즉, 전자들의 속도를 증가시키고 전자선을 주사(scanning)하여야만 하는 고유의 동작 원리로 인하여 두께와 무게를 줄이는 데에 한계가 있었고, 이와 함께 높은 에너지의 전자들이 형광체에 충돌함으로써 발생하는 x-ray에 대한 우려도 커져만 갔습니다.
결국은 1980~1990년대에 이르러 CRT의 두꺼운 외관에 대응하는 얇은 두께, 즉 평판 디스플레이에 대한 기대와 이를 실현하기 위한 야망이 불타오르고, 21세기를 앞두고 PDP를 이용한 TV가 선을 보이게 됩니다. 즉, 1966년부터 국내에 보급된 CRT TV가 1999년에 마침내 CRT가 넘볼 수 없는 크기인 40인치급 PDP TV의 선재 공격을 받으며 타격을 받기 시작하고, 2004년부터는 역시 40인치급 LCD TV가 경쟁에 합류하게 되죠. 이로써 모니터와 TV를 독점하다시피 한 CRT의 시장은 급격히 무너지고, 향후 약 10년간은 PDP와 LCD간의 치열한 경쟁, 궁극적으로는 LCD가 승자로서 올라서는 시기가 됩니다.. PDP가 패배한 원인은 여러가지로 분석되고 있으나, LCD 기술의 비약적인 발전과 가격 경쟁력 상승이 가장 큰 위협 요인이었겠지요. 결국 2014년을 계기로 PDP의 생산은 중단이 됩니다. 그리고 LCD는 수 인치급의 소형부터 100인치급에 가까운 대형 디스플레이로서 모바일, 태블릿, 모니터, 그리고 TV까지 대부분의 영역을 점하게 되죠.
기술은 도전과 경쟁을 통하여 발전하며, LCD의 독주는 그리 오래가지를 못합니다. 유기 발광 다이오드라는 신선하고 강력한 도전자가 등장을 하죠. LCD가 스스로 빛을 내지 못하여 별도의 광원을 써야만 하는 반면에 OLED는 스스로 빛을 냅니다. 그래서, 색이 더 선명하고 번짐이 없는 영상을 만들어 내고, 또한 딱딱한 유리 기판이 아닌 유연하고 휠 수 있는 플라스틱 기판 위에도 만들 수 있습니다. 모바일 기기, 즉, 소형부터 시작한 OLED의 도전은 이제 대형, 80인치대의 TV 시장까지 진입하였습니다. 중소형 시장에서는 이미 LCD가 한발을 빼고 있는 수순이며, TV 시장에서의 격돌은 치열합니다. LCD는 양자점 기술을 도입함으로써 QLED(Quantum-dot LED) 기술로 진화하여가면서 체력을 유지하고, OLED는 영상의 선명도, 완전한 블랙, 그리고 휨과 두루마리처럼 말 수 있다는 무기를 적극 활용합니다. 지금은 거의 완성된 OLED 기술과 LCD에서 더욱 진화하여야만 하는 QLED의 치열한 경쟁 시기입니다. 실로 흥미진진합니다. 다음으로 100여년전부터 오늘에 이르기까지 등장하고, 발전하고, 혹은 소멸한 디스플레이들, 먼저 그들을 분류하고 묶어보기로 하죠.
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# 더! 생각해보기
a. 브라운관(CRT)은 왜 사라져야만 하였을까? 만일, 살아남으려면 어떤 노력을 하여야 했을까
b. PDP는 왜 사라져야만 하였을까? 만일, 살아남으려면 어떤 노력을 하여야 했을까
c. LCD는 OLED의 강력한 도전에 비티려면 어떤 전략이 필요할까
d. OLED는 LCD의 강력한 저항을 극복하려면 어떤 전략을 필요로 할까
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