우리가 흔히 말하는 디스플레이. 조금 더 정확하게 말해서 ‘전자 디스플레이 장치(electronic display device)’라고 하면 어떤 것들이 떠오르시나요? 디스플레이 장치의 용도에 따라서 구분해 본다면, 아마도 TV, 모니터, 노트북, 태블릿 그리고 스마트폰 등 일상생활에서 자주 접하는 전자 기기들을 떠올리는 분들이 많을 것 같습니다. 디스플레이의 역사를 두고 생각해 본다면, 과거에는 브라운관이라고 불린 배불뚝이 CRT가 대표적인 디스플레이였고, 최근에는 얇고 평평한 LCD나 OLED와 같은 평판 디스플레이들이 떠오르기도 합니다. 이렇듯 너무나 유명해서 설명이 따로 필요 없는 디스플레이 장치들도 있는 반면에 잘 알려져 있지 않은 제품 기술도 있죠. 이들 몇 가지를 소개하면서 다양한 디스플레이 기술들을 어떻게 분류, 정리하여갈지 생각해보겠습니다.
VFD (Vacuum Fluorescent Display); 먼저 발광형 디스플레이인 VFD는 ‘진공 형광 디스플레이’라고도 부릅니다. VFD는 1965년에 오쿠보 마사오 등에 의해 발명돼, 1970년~1980년대에 전자계산기의 왕성한 수요에 따라 급속하게 발전했습니다. 이후 VFD는 오디오 및 카오디오의 표시장치, 전자 게임기의 디스플레이 등으로 활약하게 됩니다. 특히 당시 컬러를 구현하기 어려웠던 LCD에 비해 차별화 포인트가 있었습니다. 그러나 90년대 LCD의 급격한 발전과 저소비전력이라는 트렌드에 밀려 VFD는 사용량이 상당히 감소하게 됩니다. VFD는 양극과 그리드(Grid), 음극의 3종류의 전극으로 구성되며, 사용자가 화면을 보는 측에 투명하게 밀봉된 전자관이 존재하는 형태입니다. 음극에서 전자를 방출하면 그리드에서 이를 조절해 양극에 충돌시키고, 이 때 방출된 전자선에 의해 양극 위에 도포된 형광체가 발광하는 원리입니다. 발광 방식으로 보자면, 전자선을 쏘아 형광체에서 빛이 나도록 하는 CRT와 유사한 방식으로 볼 수 있습니다. 다만 전자선의 전압이 CRT는 수kV이상으로 무척 높지만, VFD는 50V 이하로 낮다는 점이 다릅니다.
LED (Light Emitting Diode); 다음으로 LED, ‘발광다이오드’ 디스플레이에 대해서 살펴보겠습니다. LED는 무척 익숙한 이름인데요. 현재 각종 조명이나 광원으로 널리 사용되고 있기 때문입니다. 기존 전구들에 비해 전력 소모가 상당히 낮았고, 소자의 수명은 반대로 훨씬 길었기 때문에 각종 조명들을 대체하고 있으며, 자동차나 전자기기 등에 없어서는 안될 부품으로 자리잡고 있습니다. LED는 이름 그대로 반도체로 된 다이오드의 일종입니다. 다이오드란 ‘양전극 단자에 전압을 걸면 전류가 한 방향으로만 흐르는’ 이른바 ‘정류 작용’을 하는 소자입니다. 이때 정류 방향으로 전압을 주면 전류가 주입되고, 전자와 정공이 재결합해서 그때 발생하는 에너지의 일부가 빛으로 나타나는 원리입니다. 일반적으로는 ‘빛을 내는 반도체’라고 쉽게 표현되기도 합니다. LED로 디스플레이를 구현하는 가장 일반적인 방법은 LED 한 개를 화소 하나로 매칭하는 방식을 통해, 수백만개의 LED소자를 집약한 형태로 구성하는 것입니다. 대표적인 것이 야외에서 사용되는 거대한 LED 전광판입니다. LED는 상당히 밝은 빛을 낼 수 있으므로 햇볕 아래에서도 시인성이 무척 좋기 때문입니다. 또한 최근에는 이러한 LED의 크기를 아주 작게 만들어 TV 또는 모바일용으로 활용하는 ‘마이크로 LED’ 연구도 진행되고 있습니다. ‘마이크로 LED’란 LED 소자의 크기를 5~10 마이크로미터(㎛)(or 100㎛ 이하)로 줄인 초소형 LED를 말합니다. LED 소자 자체를 화소로 활용할 수 있기 때문에 상용화가 된다면 휘어질 수 있고 전력소모도 무척 낮은 제품을 만들 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
ECD (ElectroChromic Display); ECD는 스스로 발광하지는 않는 비발광형 디스플레이로 고체나 액체에 전압을 주어 색변화를 이용하는 방식입니다. 전기 변색 재료를 사용하기 때문에 일명 ‘전기 변색 디스플레이’라고도 부릅니다. 일반적으로 물질은 한가지의 색만을 내는데, 특수한 경우에는 색 또는 투명도를 바꾸는 현상이 있습니다. 이를 전기를 통하여 구현하는 경우 이것을 전기 변색이라고 부르며, 변색 재료에 전압을 인가하면 산화, 환원 반응에 의해 재료에서 빛을 내는 특성이 변화되기 때문에 투과광이나 반사광의 강도를 조절해 디스플레이로 활용할 수 있습니다. ECD는 LCD와 달리 편광판을 사용하지 않기 때문에 표시가 밝고, 시야각이 넓으며, 눈부심이 없어 보기에 편하다는 장점이 있습니다. 또한 메모리 기능이 있어 계속 전력을 공급하지 않더라도 표시가 지속되는 특성이 있으므로, 사용 방식에 따라 전력을 절감할 수 있습니다. ECD는 빛의 투과도를 조절할 수 있는 특성 때문에 최근 투명 디스플레이 분야에서 주목받는 기술입니다. 특히 투명한 창문에 정보를 표시하는 것은 물론, 햇빛의 투과를 조절하는 커튼의 용도로도 사용할 수 있는 스마트 윈도우에 접목하기에 적합한 기술로 기대되고 있습니다.
EPD (ElectroPhoretic Image Display); EPID는 전하를 띠고 있는 입자를 전기장에 의해 이동시키는 ‘전기 영동(electrophoresis)’이라는 현상을 이용한 디스플레이입니다. 간단히 예를 들면, 양극에 붙는 검은색 입자와 음극에 붙는 흰색 입자를 배치한 후에, 글자나 숫자를 표현하려는 부분에만 양극을 주면 해당 부분에 검은색 입자가 달라붙어 검게 표시가 되고, 나머지 부분에는 흰색이 표시되는 원리입니다. EPID는 높은 명암비와 밝은 표기, 저전력, 낮은 제조 비용, 용이한 대형화, 메모리 기능이 장점으로 꼽히며, EPID를 활용한 대표적인 제품으로 ‘E-Ink’가 있습니다.
TBD (Twisting Ball Display), SPD (Suspended Particle Display); 마지막으로 소개할 디스플레이 장치는 ‘입자 회전 방식’을 활용한 디스플레이들입니다. 이 디스플레이는 각각의 셀 안에 존재하는 입자를 회전시키는 방식으로 색을 구현하거나, 투명성을 드러내기 때문에 그렇게 부릅니다. 먼저 TBD(Twisting Ball Display)는 ‘색 분류 입자 회전형 디스플레이’라고 불리며, 오일로 가득찬 셀 안의 서로 다른 색을 표현하는 입자를 전기를 이용해 반대 방향으로 회전시키는 방법으로 구현합니다. 구형 입자의 반구마다 서로 다른 색을 표시하는 물질로 구성한 후, 각 물질의 전하량이 서로 다른 점을 이용해 입자를 회전시키는 것이죠. EPID가 색이 다른 입자들을 컨트롤 하는 원리라면, TBD는 하나의 입자에 2개의 색을 입힌 후 그 입자의 방향성을 컨트롤 해서 원하는 표시를 하는 원리입니다. 또 다른 입자 회전 방식으로는 ‘분산 입자 회전형 디스플레이’라고 불리는 SPD(Suspended Particle Display)가 있습니다. ‘Suspended Particle’은 ‘부유 입자’라는 의미로, 셀 내부에 둥둥 떠 있는 입자를 회전시킨다는 방식은 TBD와 동일하나 각각의 입자에 두가지 색을 내는 물질을 입히는 것이 아니라, 입자의 방향성을 조절해 빛을 투과하거나 막는 방식으로 정보를 표시합니다. 기본적으로 셀에 전기가 공급되지 않은 상태에서는 입자들이 불규칙한 형태로 떠있어 빛이 셀을 통과하지 못합니다. 하지만 전기를 공급하면 각 입자들이 일관된 방향으로 배열되며, 이때 조절을 통해 입자들이 빛의 투과를 막는 단면적을 최소화하여 많은 빛이 통과할 수 있게 됩니다. 따라서 투명디스플레이로 활용하거나, 반사판을 덧대어 반사광을 활용한 디스플레이 형태로 사용할 수 있습니다. (이상, 출처; 삼성 디스플레이 블로그)
이상과 같이 다양할수록, 종류가 많을수록 명분 있고 체계적인 정리가 필요합니다. 우선 직시형, 자발광 디스플레이에서 발광 원리별로 정리하여 보면, 먼저 음극 발광(CL) 기반의 디스플레이로는 CRT, FED, VFD가 있고, 전계 발광(EL) 기반으로는 LED, OLED, TFELD, 그리고 광 발광(PL) 기반으로는 PDP가 있습니다. 다음으로 비자발광 디스플레이로는 ECD, EPD, LCD, MEMS 디스플레이를 꼽을 수 있으며, 일단, 이들에 대해 간단히 소개하고자 합니다. 각 분류 내에서 소개 순서는 출연 시기나 발전 정도, 시장 등을 고려하지 않고 가급적 '가나다' 순이나 '영어 알파벳' 순으로 합니다. 왜냐하면, 출현 시점의 경우 원리, 시제품, 제품 중에서 어디를 시작으로 보아야 할지 애매하고, 여러 발명자나 회사가 서로 주장하는 바가 다를 수도 있으며, 발전 정도나 시장 규모의 경우, 부활과 소멸은 언제든지 가능하고, 시장 규모는 분기별로도 부침이 있으니 여러모로 불분명하고 변화가 무쌍하기 때문이죠. (이런 식의 서술을 할 때마다, 시오노 나나미의 '십자군 이야기' 서술 방식을 떠올리게 되네요).
직시형 다음으로는 투사형과 가상형 디스플레이 기기(디스플레이 패널을 이용하는 경우가 많기 때문에, '기기'라는 표현을 씀)에 사용되는 디스플레이들을 정리하겠습니다. 투사형 기기로는 투사형 TV나 피코 프로젝터가 주종목이며, 가상형 기기로는 웨어러블, 3차원 디스플레이 등, 실로 다양하지만 가상 현실(Virtual Reality, VR)과 증강 현실(Augmented Reality, AR)이 가장 주목을 받고 있는 응용 분야이죠. 이들을 위한 디스플레이들은 크게 마이크로 디스플레이나 MEMS 디스플레이라는 분류로 다룰 수가 있는데, 이 두가지 디스플레이 기술을 먼저 설명하고, 다음으로 개별 디스플레이 기술들을 정리하죠. 즉, MEMS 기반의 디지탈 미소 거울 소자(Digital Micro-mirror Device, DMD)를 적용한 디스플레이 엔진인 DLP(Digital Light Processor), LCD의 패밀리인 고온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 LCD(High-Temperature PolySilicon thin film transistor LCD, HTPS TFT LCD)와 LCoS(Liquid Crystal on Silicon), '실리콘 위의 OLED,' OLEDoS(OLED on Silicon)를 소개합니다. 끝으로 향후 활발하게 적용될 마이크로 디스플레이(micro-display) 이야기까지 더하게 되면, 부족하나마, 현재에 이르기까지 단 한번이라도 사업화, 상용화가 시도된 디스플레이들은 섭렵할 것으로 기대가 됩니다. 즉, 이어지는 디스플레이의 소개는 다음과 같이 진행됩니다.
1) 직시형, 자발광 디스플레이에서 발광 원리에 따라서 음극 발광, 광 발광, 전계 발광, 그리고 원리 내에서는 영어 알파벳 순으로 ~ CRT / FED / VFD, LED / OLED / TFELD, PDP, 그 외의 직시형, 자발광 디스플레이들
2) 직시형, 비자발광 디스플레이에서 영어 알파벳 순으로 ~ EPD, LCD, 그 외의 직시형, 비자발광 디스플레이들
3) 투사형과 가상형 기기에 사용되는 디스플레이에서 마이크로 디스플레이와 MEMS 디스플레이 전반, 그리고 영어 알파벳 순으로 ~ 마이크로 디스플레이, MEMS 디스플레이, DLP, HTPS-LCD / LCoS, OLEDoS, 그 외의 투사형과 가상형 기기의 디스플레이들
조금 더 미래를 바라보는 디스플레이, 즉, 양자점(Quantum Dot, QD) 디스플레이, 마이크로 LED, 홀로그램 등의 신선한 디스플레이들, 그리고 더욱 환상적으로 발전할 생김새(form factor) 위주의 기술들, 즉, 휘고(flexible), 말고(rollable), 접고(foldable), 늘리고 줄일 수 있고(stretchable), 생체친화적이며(biocompatible)투명하기도(transparent) 한 디스플레이, 그로 인하여 입고(wearable), 붙이고(attachable), 인체에 삽입할 수(implantable) 있는 전기 전자 기기들을 가능하게 할 수 있는 디스플레이들에 대해서는 본 연재의 후반부에, '가까운 미래의 디스플레이' 연재로 다루고자 합니다. 지금부터 소개되는 디스플레이들의 등장과 삶의 과정에 경의를 표하면서.
# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.
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# 더! 생각해보기
a. 연구 개발자 측면에서 디스플레이의 분류에 관한 표나 그림은 어떻게 만들어 볼 수 있을까
b. 사용자 측면에서 디스플레이의 분류에 관한 표나 그림은 어떻게 만들어 볼 수 있을까
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