화소들의 모임, 화면에서는 어떻게 영상이 만들어질까? 화소들은 전기적인 신호가 인가되어야 빛과 색을 만들어냅니다. 전기적인 신호는 주로 전압(전기장) 혹은 전류이죠. 전압이 인가되면 빛이 나오고, 그 밝기도 전압의 크기로 조절이 되면 전압 구동형, 전류에 의해 빛이 나오고 밝기가 조절되면 전류 구동형으로 구분하는데, 전압 구동형으로는 LCD, 전류 구동형으로는 OLED가 대표적이죠. 전압이든 전류이든 간에 화소가 작동하려면 두 개의 전극이 필요합니다. 정확히는 단색의 경우에는 화소마다, 칼라의 경우에는 부화소마다 두 개의 전극이 필요하죠. 화면의 (부)화소들을 구동하는 방법은 크게 두가지로 나눕니다.
화소의 두 개 전극에 각각 두 개의 도선이 연결되어서 구동이 되면 직접 구동(direct driving)입니다. 숫자를 표현할 수 있는 7-세그먼트 방식이 이에 해당하죠. 전자 계산기의 숫자, 가전 기기의 온도, 바늘이 아닌 숫자 시계에서의 시간 표시용으로 많이 사용되는 방식으로 7개의 구역(화소에 해당함)으로 구성되어 있어서 7-세그먼트로 불립니다. 보통 접지선은 공통으로 쓰고, 각각의 세그먼트마다 별도의 도선이 연결되고 도트까지 더하면 최소 9개의 도선이 필요하죠. 화소수가 작을 때는 나름 적절한 방법이지만, 화소수가 증가할수록 도선의 수도 증가합니다. 일례로 640 x 480개의 화소에는 최소 614,400개의 도선이 필요하며, 칼라 영상을 위해 각 화소마다 RGB 부화소가 있을 경우에 도선수는 614,400 x 3개, 거의 200만개에 가까워집니다. 여기에서는 화소, 부화소 구분이 없이 화소로 표현하며, 단색의 화소, 혹은 칼라의 RGB 부화소로 이해하면 됩니다.
이와 같이 화소의 수만큼 도선의 수를 필요로 하는 문제점을 해결하고 도선수를 줄이기 위한 방법이 좌표 구동(matrix driving)입니다. 이는 가로 전극과 세로 전극이 교차되어 겹치는 부분에 화소가 존재합니다. 가로선과 세로선, 두 선 사이에 전압이 인가되거나, 두 선을 통하여 전류가 흐르면 교차점에 위치한 화소가 동작을 하죠. 이 때 가로선에는 전압이 반복적으로 지나가면서 일정 시간 간격으로 인가되어 이를 주사선(scan line)이라고 하며, 세로선에서는 각 화소들에 필요한 전압이 대기하고 있다가 주사선 전압이 걸릴 때 두 전압의 차인 신호 전압이 인가되어 신호선(signal line)이라고 명명합니다. 즉, 주사선에 일정 시간 간격을 두고 돌아오는 전압이 걸릴 때, 신호선 전압과의 차이로 인하여 해당 수치만큼의 전압이 인가되거나, 이 전압차로 인해 전류가 흐르게 됩니다. 이 경우, 640 x 480개의 화소가 있는 화면에는 화소와 동일한 수의 도선이 아닌 640 + 480개, 즉, 1,120개의 도선으로 해결이 됩니다.
다만, 화소들이 각각 독립된 도선을 가지지 못하고, 도선에 일렬로 연결이 되어 있어서 개별 화소에 인가되는 전압이나 전류 신호의 일부가 이웃 화소로 넘어가는 간섭(crosstalk) 현상이 발생하는 문제가 생깁니다. 또한, 주사선의 수가 증가할수록 밝기가 감소하는 문제가 생깁니다. 즉, 화면에서 주사선 하나가 빛을 낼 때, 이전의 주사선에서의 빛은 사라지게 되는데, 이러한 문제는 우리 눈이 인지할 수 없을 정도로 주사 속도를 빨리 하여 해결합니다. 그러나, 해상도가 높아지거나 화면이 커지면서 주사선 수가 자꾸 증가하게 되면 하나의 주사선에서 빛이 나오는 시간이 점점 더 줄어들고, 결국 밝기가 감소하는 한계에 부딪칩니다.
이와 같이 화소간 간섭과 밝기 저하 문제를 해결하기 위한 방법이 각 화소마다 스위칭 소자와 전압(전하) 저장 소자를 설치하는 것입니다. 스위칭 소자는 선택된 화소만 작동할 수 있도록 하여 이웃 화소들간의 간섭 문제를 해결하고, 전압 저장 소자는 주사선 전압이 지나간 후에도 다시 돌아올 때까지 신호 전압을 계속 저장, 화소에 공급함으로써 밝기 저하 문제를 해결합니다.
스위칭 소자로는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 사용하고, 전압 저장 소자로는 저장 커패시터(Storage Capacitor, SC)를 사용합니다. 이와 같이 화소, 혹은 부화소마다 각각 박막 트랜지스터와 저장 커패시터를 가지고 화소들을 구동하는 방식을 능동 매트릭스(Active Matrix, AM) 구동, 그리고 앞서 설명한 단순 교차 매트릭스로 구동하는 방식을 수동 매트릭스(Passive Matrix, PM) 구동이라고 합니다. 단순한 문자나 숫자의 표현, 낮은 가격의 디스플레이가 아닌 대부분의 디스플레이들은 능동 매트릭스 구동을 이용합니다. 그래서 능동 구동형 LCD(AM LCD), 능동 구동형 OLED(AM OLED)라 하죠, 아몰레드(Amoled)도 여기서 나온 명칭이네요.
요약하면, 디스플레이에서 영상을 얻기 위해 화소들을 구동하는 방식은 크게 두가지, 직접 구동과 매트릭스 구동으로 분류하고, 매트릭스 구동 방식은 다시 수동과 능동으로 나누어집니다. 직접 구동보다는 수동 매트릭스 구동이 도선의 수와 하드웨어적인 부담을 줄이고 소비 전력도 감소시키는 효과가 있고, 수동 매트릭스 구동보다는 능동 매트릭스 구동이 더 크고 해상도가 높은 화면과 영상, 더 밝은 영상을 만들 수 있죠. 이제 본격적으로 디스플레이를 다루어 봅니다.
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# 더! 생각해보기
a. 직접 구동 방식에서 매트릭스 구동 방식으로 전환이 된 이유는 무엇일까
b. 수동 구동 방식에서의 어떤 불리한 점들을 해결하기 위해 능동 구동 방식이 적용될까
c. 해상도가 높아지고, 화면 크기가 커질수록 능동 구동 방식은 어떻게 발전하여 가야만 할까
# 더! 풀어보기
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