LED-백라이트 LCD 디스플레이
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1. 개요
LED 백라이트 LCD 디스플레이는 LCD 패널의 백라이트로 발광 다이오드(LED)를 사용하는 기술이다. LED 백라이트 방식은 에지형과 직하형으로 나뉘며, 로컬 디밍 기술을 통해 명암비를 향상시킨다. CCFL 백라이트에 비해 더 넓은 색 영역, 높은 명암비, 얇은 두께, 낮은 전력 소비, 친환경성 등의 장점을 가진다. 퀀텀닷 및 미니 LED 기술 발전으로 색 재현력과 명암비가 더욱 향상되었으며, 펄스 폭 변조(PWM) 방식의 디밍으로 인해 플리커 현상이 발생할 수 있다.
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| LED-백라이트 LCD 디스플레이 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 액정 디스플레이 |
| 약칭 | LED-LCD, LED TV, LED 디스플레이 |
| 기술 | 디스플레이 기술 |
| 백라이트 | 발광 다이오드(LED) 백라이트 |
| 용도 | 텔레비전 컴퓨터 모니터 휴대용 기기 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 액정 셔터와 컬러 필터를 통해 빛을 조절하여 이미지를 표시 |
| 백라이트 방식 | 직접 조명 방식 (Direct-lit) 가장자리 조명 방식 (Edge-lit) |
| 로컬 디밍 | 부분적으로 LED 밝기를 조절하여 명암비를 향상시키는 기술 |
| 장점 | 더 밝은 화면 더 나은 색 재현율 더 나은 전력 효율 더 얇은 디자인 |
| 단점 | 블루밍 또는 헤일로 발생 가능성 LCD 응답 속도에 따른 잔상 |
| 추가 정보 | |
| 마케팅 용어 | LED TV (실제로는 LED 백라이트 LCD TV) |
| 오해 | "진정한 LED 디스플레이"와 혼동될 수 있음 (실제 LED 디스플레이는 자발광) |
2. LED 백라이트 기술의 종류
LED 백라이트는 기존의 CCFL(냉음극 형광 램프) 백라이트를 수십 개에서 수백 개의 백색, RGB 또는 청색 LED로 대체하는 기술이다. LED 백라이트를 사용하는 LCD는 LED의 배치 방식에 따라 크게 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있다.[9]
- 엣지형 (Edge-lit, ELED): LED가 화면의 가장자리를 따라 배치되는 방식이다.
- 직하형 (Direct-lit, DLED) 또는 풀 어레이 (Full-array): LED가 화면 뒤편에 일정한 간격으로 배열되는 방식이다.
이러한 백라이트 방식들은 화면의 특정 영역 밝기를 조절하여 명암비를 향상시키는 로컬 디밍(Local Dimming) 기술을 지원할 수 있다. 또한, 빛을 화면 전체에 고르게 분산시키기 위해 특수한 확산 패널(도광판, LGP)이 사용되기도 한다.
2. 1. 직하형 (Direct)
직하형(Direct LED, DLED) 또는 풀 어레이(Full Array) 방식은 LCD 패널 뒷면에 LED를 화면 전체에 걸쳐 동일한 간격으로 배열하는 방식이다.[9] 이는 화면 가장자리에만 LED를 배치하는 엣지형 방식과 달리 더 많은 LED를 사용하며, 필요에 따라 LED를 부분적으로 켜거나 꺼서 색상 재현력을 높일 수 있다.
직하형 방식은 여러 개의 LED 클러스터(일반적으로 사각형 형태)를 독립적으로 제어하는 로컬 디밍(Local Dimming) 기술을 지원할 수 있다. 이를 흔히 풀 어레이 로컬 디밍(Full-Array Local Dimming, FALD)이라고 부른다.[9] 로컬 디밍 기술은 화면의 특정 어두운 영역의 밝기를 동적으로 조절하여 훨씬 높은 동적 명암비를 구현하는 장점이 있다. 하지만 밤하늘의 별처럼 어두운 배경 속 작고 밝은 대상의 세부적인 표현이 다소 저하될 수 있다는 단점도 있다.[10]
또한, 화면 전체에 빛을 고르게 분산시키기 위해 특수한 확산 패널(도광판, Light Guide Plate, LGP)을 사용하기도 한다.
미국 캘리포니아 대학교(버클리)의 2016년 연구에 따르면, 일반적인 영상 콘텐츠 시청 시 약 60개 이상의 로컬 디밍 영역부터는 시청자가 체감하는 시각적 향상 효과는 크지 않다고 한다.[11]
2. 2. 엣지형 (Edge)
엣지형(ELED) 방식은 LCD 패널의 가장자리에 LED 백라이트 유닛을 배치하고, 도광판(LGP, Light Guide Plate)을 이용해 빛을 화면 전체로 반사시키거나 확산시켜 전면으로 보내는 방식이다.[9] 이 방식은 LED가 화면 가장자리를 따라 선 형태로 배열되는 구조를 가진다.[9]
엣지형 방식의 주요 장점은 매우 얇은 패널을 만들 수 있다는 점이다. 이 때문에 두께가 얇은 슬림형 TV나 모니터 디자인에 주로 사용된다.
엣지형 백라이트는 다음과 같은 화면 밝기 조절 기술을 추가적으로 지원할 수 있다:[9]
- 프레임 디밍(Frame Dimming): 화면에 표시되는 콘텐츠에 따라 전체 백라이트의 밝기를 조절하는 방식이다. 화면 전체를 단일 영역으로 간주하여 밝기를 조절한다.
- 로컬 디밍(Local Dimming): 백라이트를 여러 개의 수직 또는 수평 영역으로 나누어, 각 영역의 밝기를 개별적으로 제어하는 방식이다. 이를 통해 명암비를 개선할 수 있다.
2. 3. RGB LED
적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 세 가지 색상 LED를 하나의 블록으로 묶어 백라이트로 사용하는 방식이다. 각 LED 블록은 입력되는 영상 신호의 색상에 맞춰 필요한 색의 LED를 켜거나 밝기를 조절하여 빛을 공급한다. 예를 들어 어두운 부분을 표현할 때는 해당 영역의 LED를 완전히 소등할 수도 있어 더 깊은 검은색 표현과 높은 명암비를 구현하는 데 유리하다.RGB LED 백라이트는 각 색상 LED가 매우 순수한 빛, 즉 날카로운 스펙트럼 피크를 가지기 때문에 LCD 패널의 컬러 필터와 결합했을 때 색상 간의 간섭(누출)이 적다. 이 덕분에 색이 불필요하게 하얗게 보이는 현상이 줄어들어 기존의 CCFL 백라이트나 백색 LED 백라이트 방식보다 훨씬 넓은 색 영역을 표현할 수 있다는 장점이 있다.[12][13][14][15][16]
최초로 풀 어레이(full-array) 방식의 RGB LED 백라이트를 탑재한 상업용 LCD TV는 2004년에 출시된 소니 퀄리아 005 모델이다.[12][13][14][15][16] 이 TV는 당시 일반적인 CCFL 백라이트 LCD TV보다 약 두 배 넓은 색 영역을 구현했다. 소니는 이후에도 브라비아 시리즈 등 일부 고급형 LCD 모델에 RGB LED 기술을 계속 사용하고 있다.
하지만 RGB LED 방식은 백색 LED 방식에 비해 구조가 복잡하고 제조 비용이 더 높다는 단점이 있다. 이 때문에 상대적으로 고가의 전문가용 모니터나 고급형 TV 제품에 주로 적용된다. 백색 LED를 사용하는 백라이트는 RGB LED보다 색 영역 표현은 제한적이지만, 더 낮은 비용으로 제작할 수 있다.
3. CCFL 백라이트와의 비교
LED 백라이트 기술은 기존의 CCFL 백라이트 기술에 비해 여러 장점을 가지고 있다. 이러한 개선점은 디스플레이의 성능과 사용자 경험에 긍정적인 영향을 미친다.
3. 1. 장점
과거 CCFL 백라이트와 비교하여 LED를 백라이트에 사용하면 다음과 같은 장점이 있다.
4. 기술 발전
LED 백라이트 LCD는 스스로 빛을 내지 않으며(순수 LED 시스템과는 다르다), LED를 사용하여 LCD 패널 뒤에서 빛을 비추는 방식이다. 백라이트 방식에는 패널 뒤에 흰색 또는 RGB(적색, 녹색, 청색) LED 배열을 사용하는 풀 어레이(Full-array) 방식과, TV 프레임 주변에 흰색 LED를 배치하고 확산판을 이용해 빛을 고르게 퍼뜨리는 엣지(Edge-lit) 방식 등이 있다. 각 방식은 서로 다른 장점을 가진다.
최초의 상업용 풀 어레이 LED 백라이트 LCD TV는 2004년 출시된 소니 퀄리아 005였다.[12][13][14][15][16] 이 제품은 RGB LED 배열을 사용하여 기존 CCFL 백라이트 LCD TV보다 약 두 배 넓은 색 영역을 구현했다. 이는 RGB LED가 각각 뚜렷한 스펙트럼 피크를 가져 인접 색상 채널로의 빛샘 현상을 줄였기 때문에 가능했다. 빛샘이 줄어들면 색상이 불필요하게 하얗게 보이는 현상이 감소하여 더 넓은 색 영역 표현이 가능하다. RGB LED 기술은 이후 소니 브라비아 LCD 모델에도 계속 사용되었다. 반면, 백색 LED를 사용하는 백라이트는 CCFL과 유사하게 넓은 스펙트럼의 빛을 LCD 패널 필터에 공급하므로, RGB LED 방식보다 색 영역은 제한적이지만 생산 비용이 더 저렴하다.
"LED TV"로 홍보되는 제품들은 실제로는 LCD 기반이며, 영상 정보에 따라 LED 밝기를 동적으로 조절하는 기술(동적 백라이트 제어 또는 동적 로컬 디밍 LED 백라이트)을 사용한다.[17] 이 기술은 HDR(High Dynamic Range) TV의 핵심 기술 중 하나로, 필립스 연구원 더글러스 스탠튼, 마르티누스 스트루머, 아드리안 드 반에 의해 개발되었다.[26][18][19]
에너지 효율 기준이 강화되고 소비 전력에 대한 관심이 높아지면서 백라이트 시스템의 전력 관리 중요성이 커졌다. 다른 가전제품처럼 TV에도 에너지 소비 등급이 적용되었으며,[20] 미국, EU, 호주,[21] 중국[22] 등 여러 국가에서 관련 표준이 도입되었다. 2008년 유럽 연구[23]에 따르면, 소비자들이 TV를 선택할 때 화면 크기만큼이나 소비 전력을 중요하게 고려하는 것으로 나타났다.[24]
펄스 폭 변조(PWM) 기술은 LED의 밝기를 직접 조절하는 대신, LED가 켜져 있는 시간의 비율을 조절하여 화면 밝기를 제어한다.[25] 이 방식은 화면의 가장 밝은 부분에 맞춰 백라이트 밝기를 조절하면서 LCD 패널 자체의 명암 표현 능력을 최대한 활용하여, 체감 명암비와 다이내믹 레인지를 크게 향상시킨다. 또한, LCD의 시야각 의존성을 개선하고 소비 전력을 줄이는 효과도 있다.
LED 동적 백라이트 제어 기술[26]과 반사 편광판 및 프리즘 필름(필립스 연구원 아드리안 드 반, 파울루스 스하레만 발명)[27]의 조합은 LED 백라이트 LCD TV의 효율을 크게 높였다. 이 기술들은 2017년 기준으로 전 세계적으로 연간 600TWh의 에너지를 절약하는 데 기여했으며, 이는 전 세계 가정 전력 소비의 10% 또는 전 세계 태양광 발전량의 두 배에 해당하는 양이다.[28][29] 이러한 반사 편광 필름은 주로 3M에서 제조하는 DBEF(Dual Brightness Enhancement Film) 필름을 통해 구현되며,[30][31] 단축 배향된 액정 고분자(복굴절 고분자 또는 복굴절 접착제)를 사용하는 기술은 1989년 필립스 연구원 더크 브로어, 아드리안 드 반, 외르크 브람빙에 의해 발명되었다.[32]
최초의 동적 로컬 디밍 LED 백라이트는 2003년 브라이트사이드 테크놀로지스(BrightSide Technologies)에 의해 시연되었고,[33] 이후 전문가용 시장에 상용화되었다.[34] 엣지 LED 조명 방식은 2008년 9월 소니가 약 101.60cm 브라비아 KLV-40ZX1M(유럽 모델명 ZX1)에 처음 도입했다. 엣지 LED 방식은 TV 두께를 획기적으로 줄일 수 있게 해주었으며, 해당 소니 모델은 두께가 1cm에 불과했다.
LED 백라이트 LCD는 플라즈마 디스플레이나 CCFL 백라이트 LCD 텔레비전보다 수명이 길고 전기 효율(energy efficiency)이 좋다.[35] 또한 CCFL과 달리 제조 과정에서 환경 오염 물질인 수은을 사용하지 않는다는 장점이 있다. 하지만 LED 제조에는 갈륨이나 비소와 같은 다른 원소가 사용되는데, 이들 물질이 폐기 시 환경에 미치는 장기적인 영향에 대해서는 논의가 필요하다.
LED는 CCFL보다 빠르게 켜고 끌 수 있으며 더 높은 밝기를 낼 수 있어 이론적으로 매우 높은 명암비(깊은 검은색과 밝은 흰색 표현)를 구현할 수 있다. 그러나 엣지 LED 방식의 경우, 화면 전체에서 동시에 완벽한 검은색과 흰색을 표현하는 데에는 한계가 있다.
LED 백라이트에 사용되는 백색 LED는 특수 규산염 형광체를 사용하는데, 이 형광체는 밝지만 성능 저하가 비교적 빠르게 일어날 수 있다.[37] 또한, 사용되는 LED의 크기는 TV 베젤(테두리) 크기를 결정하는 요인 중 하나이다.[38]
4. 1. 퀀텀닷 (Quantum Dot) 기술
퀀텀닷(양자점)은 광발광성을 가지며 특정하고 좁은 정규 분포의 파장으로 빛을 방출하는 특성 때문에 디스플레이 기술에 유용하게 사용된다. LCD 백라이트에서 최적의 백색광을 만들기 위해 청색 LED에서 나오는 빛의 일부를 퀀텀닷이 좁은 대역폭의 녹색 및 적색광으로 변환한다. 이렇게 합쳐진 백색광은 LCD 패널의 RGB 컬러 필터를 통과하면서 거의 이상적인 색 재현 범위를 구현한다.퀀텀닷은 양자점 강화 필름(QDEF, Quantum Dot Enhancement Film)이라는 별도의 층 형태로 적용되거나 기존 LCD 컬러 필터에 사용되던 안료 기반의 녹색 및 적색 레지스트를 대체하는 방식으로 사용될 수 있다. 이 기술은 중간 색상이 더 이상 존재하지 않고 LCD 화면의 컬러 필터에 의해 걸러질 필요가 없어 빛의 효율성을 높인다. 결과적으로 가시 스펙트럼 내의 색상을 더욱 정확하게 표현하는 디스플레이를 만든다.
디스플레이용 퀀텀닷 솔루션을 개발하는 주요 회사로는 나노시스(Nanosys), 3M(나노시스 라이선스 업체), QD 비전(미국 매사추세츠주 렉싱턴 소재), 아반타마(Avantama, 스위스 소재) 등이 있다.[39][40] 이러한 퀀텀닷 기술을 적용한 백라이트는 2015년 국제전자제품박람회(CES)에서 여러 TV 제조사들에 의해 시연되었다.[41] 삼성전자는 2017년 CES에서 'QLED'라는 이름의 양자점 디스플레이 TV를 처음 선보였고 이후 이 기술을 마케팅하기 위해 중국의 하이센스 및 TCL(TCL Corporation)과 함께 'QLED 연합'을 결성했다.[42][43]
4. 2. 미니 LED (Mini LED) 기술
미니 LED 디스플레이는 미니 LED를 기반으로 한 백라이트를 사용하는 LED 백라이트 LCD이다. 이 기술은 1,000개 이상의 풀 어레이 로컬 디밍(FALD) 구역을 지원하여, 기존 LCD보다 더 깊은 검은색 표현과 높은 명암비를 제공하는 것이 특징이다.[44] 대표적인 예로 애플이 2021년에 출시한 12.9인치 아이패드 프로에 이 미니 LED 백라이트 기술이 적용되었다.[45]5. 백라이트 디밍 플리커 (Flicker)
LED 백라이트는 공급 전류에 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 적용하여 밝기를 조절하는 경우가 많다. 이 방식은 백라이트를 사람의 눈으로 인지하기 어려운 속도로 빠르게 껐다 켜는 원리로 작동한다. 하지만 디밍을 위한 펄스 주파수가 너무 낮거나 사용자가 화면 깜빡임(플리커)에 민감한 경우, 낮은 재생률을 가진 CRT 디스플레이의 플리커와 유사하게 불편함과 눈의 피로를 유발할 수 있다.[46]
이러한 플리커 현상은 화면 앞에서 손을 흔들어보는 간단한 방법으로 테스트해 볼 수 있다. 손을 흔들었을 때 손의 가장자리가 명확하게 여러 개로 보인다면, 백라이트가 비교적 낮은 주파수로 깜빡이고 있다는 의미이다. 반면 손의 움직임이 부드럽게 잔상처럼 보인다면, 디스플레이 백라이트가 지속적으로 켜져 있거나 사람이 인지하기 어려울 정도로 매우 높은 주파수로 작동하고 있는 것이다.
플리커 현상은 디스플레이 밝기를 최대로 설정하면 줄어들거나 사라질 수 있다. 하지만 이 경우 화면의 명암비 등 화질이 저하될 수 있으며, 전력 소비량이 증가하는 단점이 있다.
6. 대한민국 현황 및 전망
삼성전자와 LG전자는 LED, 퀀텀닷, 미니 LED 등 차세대 디스플레이 기술 개발을 주도하며 세계 시장을 선도하고 있다. 특히 LG전자는 초기 LED 백라이트 TV 시장 공략에 적극적이었다. 더불어민주당을 중심으로 한 정치권에서도 디스플레이 산업을 국가 핵심 산업으로 인식하고, 관련 기술 개발 및 생산 시설 투자를 지원하기 위한 정책 마련에 힘쓰고 있다.
4차 산업혁명 시대를 맞이하여 디스플레이 기술은 더욱 중요해질 것으로 예상된다. 특히 인공지능(AI) 기술과의 융합을 통해 사용자 경험을 혁신하는 스마트 디스플레이의 등장이 기대된다. 하지만 기술 발전의 이면에는 사용 후 버려지는 디스플레이 패널로 인한 환경 문제도 존재한다. 이에 대한 사회적 논의와 함께, 기업과 정부 차원에서 친환경적인 디스플레이 소재 개발 및 폐기물 처리 기술 연구에 대한 노력이 요구된다.
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