2-1) 디스플레이를 위한 센서, 눈 이야기

두 번째 코너, 두 번째 이야기를 시작합니다.  코너 2)에서는 우리 인체에서 정보 디스플레이와 가장 밀접한 눈(eye), 그리고 빛에 관하여 설명합니다.  무한한 전자기파 영역과 함께 특히, 가시광선 내용을 더 자세히 다루어 보고, 디스플레이가 가시광선을 만들어내면서 어떻게 색과 영상을 구현하는지를 설명합니다.  디스플레이의 세포에 해당하는 화소, 부화소들 각각이 어떻게 색을 만들고, 만들어 낼 수 있는 색의 수는 어떻게 결정이 되는지, 그리고 각각의 화소들이 어떤 방식으로 구동이 되면서 영상을 표현하는지, 실로 흥미진진한 이야기들이 전개됩니다.  한 화소 안에 있는 세개의 부화소들이 각각 빛의 3원색을 담당하며, 이 때 빛의 밝기와 색의 표현력을 정의하는 방법, 색과 온도의 관계인 색온도, 색이 지니고 있는 세개의 속성들, 즉 색상, 채도, 명도에 관한 이야기도 곁들여지죠.  이상이 이론적인 기초 학습이라면 다음으로 공학적, 제조 공정면에서 정리한 용어들의 설명이 더해집니다.  디스플레이가 만들어지는 운동장, 기판부(substrate)에 관한 이야기, 박막 트랜지스터와 저장 커패시터가 연결되는 능동 구동 화소부, 이 위에 더해지는 입력 장치인 터치 스크린부, 즉 디스플레이 패널을 구성하는 세개의 주요 부분이 차례로 설명되죠.  이와 함께 디스플레이의 성능과 규격에 관한 용어들, 즉 개구율, 다이나믹 레인지, 명암비, 색심도와 계조, 시야각, 응답 속도, 주사율과 프레임 속도, 해상도, 화면비 등 디스플레이의 공통 용어들이 가나다~ 순으로 명료하게 정의, 설명이 되었습니다.  생산 공정에 관한 용어로는 다면취 공정, 상판과 하판, 생산량, 세대(generation), 택트 타임 등 생산 현장에서 사용되는 용어들을 풀어보았으며, 끝에는 디스플레이 패널과 모듈, 세트, 그리고 외부 기기와의 연결을 위한 커넥터 부분을 삼성 디스플레이 자료를 인용하여 더하였습니다.

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디스플레이의 영상은 빛이 되어 우리 눈으로 들어옵니다. 그래서 디스플레이의 원리와 작동 기구 등의 이야기를 풀어가기 이전에 눈에 관한 이야기부터 시작을 하려 합니다. 물론 디스플레이, 빛과 관련된 눈 이야기이죠. 눈은 빛에 반응하여 정보로 받아들이는 감각 기관입니다. 화면의 빛이 우리 눈을 향하여 오면, 먼저 각막(cornea)을 만납니다. 각막은 눈의 가장 바깥쪽에 위치하며, 빛을 굴절시킬 뿐만 아니라, 자극에 민감하게 반응하여 눈을 보호하는 역할도 합니다. 그리고 홍채(iris) 중앙에 있는 동공(pupil)의 크기에 의해 눈의 안쪽으로 들어가는 빛의 양을 조절하게 되죠. 동공을 통과한 빛은 수정체(crystalline lens)를 만납니다. 수정체는 볼록 렌즈 역할을 하며, 곡률, 즉 두께가 조절되면서 빛을 모아주는 방향으로 굴절시켜 망막에 초점이 맺히도록 합니다. 굴절된 빛은 유리체(vitreous humour)를 통과하여 망막(retina)에 도달합니다.

 

 

망막

 

망막은 눈의 가장 안쪽을 둘러싸고 있는 신경세포 층으로, 디지털 카메라의 이미지 센서에 비교됩니다. 망막에는 두 종류의 센서, 즉, 광수용 세포(photoreceptor cell)이 있는데, 그 중 하나인 간상 세포(rod cell)는 빛의 밝기에 민감하게 반응을 합니다. 그리고 다른 하나인 원추 세포(cone cell)는 0.1룩스 이상의 밝은 빛에 대해 주로 색깔을 감지하는 역할을 하죠. 간상 세포와 원추 세포는 각각 생긴 모양에 따라 붙여진 이름입니다. 망막에는 대략 1억 3천만개의 간상 세포가 있으며, 이들은 한개의 광자에도 반응할 만큼 민감한데, 그 민감도는 원추 세포의 100배에 이릅니다. 반면에 빛에 반응하는 속도는 0.1초 정도로 원추 세포에 비해 느립니다. 따라서, 매우 약한 빛도 감지하는 대신에 빠르게 변화하는 빛을 쫓아가지는 못하죠. 간상 세포는 498nm 파장의 빛(초록색, 파란색)에 가장 민감하고, 640nm 이상의 파장은 감지하지 못하는 것으로 보고되었습니다.

 

눈, 간상 세포와 원추 세포, 우측 그림, cone과 rod가 바뀜

 

간상 세포와 원추 세포, 빛 센서

 

한편, 역시 망막에 있는 원추 세포는 색깔을 감지하는데, 7백만개 정도가 있습니다. 원추 세포는 세종류로 나뉘는데, R 세포의 경우 564nm의 파장을 중심으로 노랑과 초록 사이의 빛에 민감합니다. 그리고 G 세포는 534nm의 중심 파장으로 청록과 파랑 사이의 빛에 민감하며, B 세포는 420nm의 중심 파장으로 파랑과 보라 사이의 빛에 민감합니다. 그리고, R 원추 세포가 감지할 수 있는 가장 긴 파장은 750nm이며, 이보다 긴 파장인 적외선은 눈으로 볼 수 없습니다. 또한 B 원추 세포가 감지할 수 있는 가장 짧은 파장은 380nm이며, 이보다 짧은 파장인 자외선 역시 눈으로 볼 수 없습니다. 이와 같이 눈으로 감지할 수 있는 대략 750nm ~ 380nm 파장 범위의 전자기파를 가시광선으로 부르고 있습니다. 세 종류의 원추 세포들의 감지 영역에서 두 종류가 초록 부근에서 겹쳐서 인간의 눈은 초록을 가장 잘 감지할 수 있죠. 또한 RGB 원추 세포의 비율은 40 : 20 : 1로 R 원추 세포가 G 원추 세포보다는 두배, B 원추 세포보다는 무려 40배가 많습니다. 그래서, 우리 눈은 빨간색을 가장 잘, 명확히 인식합니다. 간상 세포는 주로 야간 시각을 담당하며 명암의 차이에 민감하여 무채색을 감지합니다. 간상 세포가 손상되면 야맹증이 되죠. 반면에 원추 세포는 주로 주간 시각을 담당하며 색깔의 차이에 민감하여 유채색을 감지합니다. 원추 세포가 손상되면 법적인 맹인이 됩니다.

 

원추 세포들의 빛의 감도

 

그런데, 참 신기합니다. 우리가 750nm부터 380nm까지의 파장을 볼 수 있다면, 각 파장들을 구분하여서 인지하는 센서들이 많이 있어야 합니다. 0.1nm 단위로까지 인지할 수 있다면, 더 좋겠죠. 그렇지만 센서, 즉 원추 세포는 세종류뿐입니다. 연속적인 색은 커녕 무지개색보다도 적은 숫자이죠. 어떻게 세개의 센서로 가시광선의 모든 파장, 그렇게 다양한 색들을 구분할 수 있을까요. 세종류의 원추 세포들은 각각 주로 반응하는 영역들을 가지고 있지만, 임의의 파장에 대해서 최소 2개 이상의 원추 세포들이 함께 반응을 합니다. 예를 들어 500nm의 파장에 대해서는 R, G, B 원추 세포들이 모두 반응하며, 550nm의 파장에는 R과 G 원추 세포가 반응합니다. 이렇게 세종류의 원추 세포들의 반응 신호를 조합하면, 구분할 수 있는 색들이 보다 다양해집니다. 이런 방식으로 사람은 성장하여가면서 점점 더 많은 색들을 분별하게 됩니다. 서로 떨어져 있는 별개의 색은 수십종을 구분하게 되고, 색 감각이 아주 뛰어난 화가는 1500종까지도 구분을 합니다. 색들을 나란히 배열하고 그 차이를 분별하는 능력은 아주 뛰어나서 750만종까지도 가능하다고 합니다. 이런 경우, 각각에 이름을 붙이는 것이 불가능하여, 색을 수치로 표현하지요. 더 상세한 설명은 빛과 색이라는 주제로 준비를 하겠습니다.

 

 

광수용 세포들인 간상 세포와 원추 세포가 받은 빛의 자극은 전기적인 펄스 신호, 즉 전류 펄스로 변환되고, 양극 세포(bipolar cell)와 시신경 세포, 즉, 시신경 섬유 다발들에 의해 모아진 후 뇌로 전달됩니다. 이와 같이 뉴런으로 불리는 신경 세포들은 끊임없이 점멸하는 전기적 신호를 뇌로 운반하며, 뇌에 전달된 전기적인 시각 정보는 뇌의 뒤쪽 영역인 후두엽에서 처리되고 영상으로 전환됩니다. 이제 인간의 눈을 고려한 빛 이야기로 이어져야겠지요.

 

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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# 더! 생각해보기

a. 빛은 어떤 경로로 망막에 이르고, 영상은 어떤 원리로 인식되어질까

b. 망막에 배열된 빛 센서들은 영상 인식을 위해 어떤 역할을 할까

c. 눈과 카메라, 어떻게 닮았을까

 

 

강의 교안 1) 디스플레이 알아가기 노트 1~2-복사.pdf

2.34MB

 

2-1. 디스플레이를 위한 센서, 눈 이야기-복사.pdf

1.68MB