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디지털 광원 처리

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목차

1. 개요

디지털 광원 처리(DLP)는 미세 거울을 사용하여 이미지를 생성하는 기술로, 주로 프로젝터에 사용된다. DLP는 수백만 개의 작은 거울(DMD)을 통해 빛을 반사하여 화소를 표현하며, 거울의 기울기를 조절하여 밝기를 제어한다. 컬러 이미지를 구현하기 위해 3개의 DMD와 3색 광원을 사용하거나, 컬러 휠을 사용하여 단일 DMD로 시분할 방식을 사용한다. DLP 프로젝터는 장점으로는 잔상이 적고, 명암비가 높으며, 소형화가 용이하다는 점이 있지만, 단점으로는 DMD 가격이 비싸고, 단판식의 경우 무지개 현상이 발생할 수 있다. 최근에는 LED 광원을 사용하여 컬러 휠을 대체하고, 휴대 기기용 소형 프로젝터에도 적용되고 있으며, 공초점 현미경 및 3D 프린터에도 활용된다.

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디지털 광원 처리
기본 정보
디지털 광원 처리 기술을 사용하는 프로젝터
디지털 광원 처리 기술을 사용하는 프로젝터
약자DLP
유형디스플레이 기술
개발텍사스 인스트루먼트
기술 정보
주요 구성 요소DMD 칩
광원 (램프, LED, 레이저 등)
컬러 필터 (컬러 휠 또는 RGB LED)
투사 렌즈
작동 원리DMD 칩의 미세한 거울을 제어하여 빛을 반사시켜 이미지를 생성
장점높은 명암비
빠른 응답 속도
작은 픽셀 간 간격
높은 밝기
단점무지개 효과 (rainbow effect)
컬러 휠 방식의 경우 색 정확도 문제
다른 디스플레이 기술 대비 높은 전력 소비
해상도 지원SVGA (800x600)
XGA (1024x768)
720p (1280x720)
WXGA (1280x800)
1080p (1920x1080)
WUXGA (1920x1200)
4K UHD (3840x2160)
역사
개발1987년, 텍사스 인스트루먼트의 래리 혼벡 (Larry Hornbeck)
최초 상용화1996년, 디지털 프로젝터
초기 적용 분야대형 영화관 디지털 영사 시스템
활용 분야
프로젝터가정용, 업무용, 교육용, 영화관
TV대형 스크린 TV (과거)
기타헤드 마운트 디스플레이 (HMD)
증강 현실 (AR) / 가상 현실 (VR) 장비
3D 프린터
산업용 디스플레이
관련 기술
경쟁 기술LCD (Liquid Crystal Display)
LCoS (Liquid Crystal on Silicon)
PDP (Plasma Display Panel)
OLED (Organic Light Emitting Diode)

2. 구조 및 작동 원리

디지털 광원 처리(DLP)는 디지털 소형 거울 장치(DMD)를 사용하여 이미지를 투사하는 방식이다. DMD는 수백만 개의 작은 거울들로 구성되어 있으며, 각 거울은 하나의 화소를 담당한다. 이 거울들은 미세한 전기 반발력에 의해 움직이며, 약 10~12도의 기울기 변화를 통해 빛을 반사하거나 버리는 방식으로 화소의 밝기를 조절한다. 각 거울의 반응 시간은 매우 빨라(1/1000초 ~ 1/4000초) 펄스 폭 제어 디밍(PWM) 방식을 통해 중간 밝기를 구현할 수 있다. 그러나 이 방식은 밝기 변화가 선형적이지 않아, 어두운 부분은 완전히 어둡게, 밝은 부분은 급격히 밝아지는 현상이 나타날 수 있다. 최근의 DLP 프로젝터는 이러한 문제를 드라이브 칩셋에서 보정한다.

컬러 이미지를 투사하는 방식에 따라 DLP 프로젝터는 크게 3판식과 단판식으로 나뉜다.


  • '''3판식 DLP''': 3개의 DMD 칩을 사용하여 각각 빨강, 초록, 파랑(RGB) 색상을 처리한다. 빛의 삼원색을 각각 처리하기 위해 3개의 DMD 칩을 사용한다. 각 DMD 칩은 빨강, 초록, 파랑(RGB) 중 하나의 색을 담당하여 해당 색상의 빛을 반사하는 방식으로 작동한다. 이렇게 분리된 세 가지 색상의 빛은 프리즘을 통해 하나의 이미지로 합쳐져서 완전한 색상의 영상을 만들어낸다.
  • '''단판식 DLP''': 1개의 DMD 칩을 사용하며, 컬러 휠을 통해 빛을 시분할하여 컬러 이미지를 만든다. 단판식 DLP 프로젝터는 DMD 칩 하나로 컬러 이미지를 만든다. 백색 램프에서 나온 빛을 렌즈로 모아 DMD에 쏘면, DMD의 각 미러가 켜지거나 꺼지면서 빛을 반사하거나 버린다. 켜진 미러의 빛은 다른 렌즈를 통해 확대되어 스크린에 투사되고, 꺼진 미러의 빛은 버려진다.


DLP의 원리도(흑백 이미지)

2. 1. 3판식 DLP

3판식 프로젝터는 빛의 삼원색을 각각 처리하기 위해 3개의 DMD 칩을 사용한다. 각 DMD 칩은 빨강, 초록, 파랑(RGB) 중 하나의 색을 담당하여 해당 색상의 빛을 반사하는 방식으로 작동한다. 이렇게 분리된 세 가지 색상의 빛은 프리즘을 통해 하나의 이미지로 합쳐져서 완전한 색상의 영상을 만들어낸다.

2. 1. 1. RGB 분리 광원

3판식 프로젝터에는 3개의 DMD가 있다. 이 DMD는 각각의 원색을 담당하며, 3색이 분리되어 입력 광원으로 들어오면 각 DMD에서 화상을 만들어 프리즘으로 보내고, 이어 프리즘에서 따로 들어오는 3개의 빛을 하나로 합쳐 완전한 영상을 구현한다. 구조가 많이 복잡하지 않으면서 밝은 밝기를 구현할 수 있으나, DMD 모듈은 아주 값이 비싸기 때문에 쉽게 적용되기 힘들다.

특정 색을 가진 광원일 경우, R 채널, G 채널, B 채널 각각에 대해 별도의 광원을 사용하여 DMD 별로 광 회로를 따로 설계한다. 별도의 광 분할 시스템이 없어 크기가 작아지는 이점이 있다. 초기에 메탈 할라이드 램프가 R, G, B 색상별로 벌브가 생산되어 RGB 채널별로 3개의 HQI 램프를 실장하였으나, 지금은 RGB 채널별로 3개의 파워 LED를 실장한다. 이 덕분에 크기가 많이 작아지게 되었다.

2. 1. 2. 흰색 광원

3판식 프로젝터에는 DMD 3개가 있다. 이 DMD는 각각의 원색을 담당하며, 3색이 분리되어 입력 광원으로 들어오면 각 DMD에서 화상을 만들어 프리즘으로 보내고, 이어 프리즘에서 따로 들어오는 빛 3개를 하나로 합쳐 완전한 영상을 구현한다. 구조가 복잡하지 않으면서 밝은 밝기를 구현할 수 있지만, DMD 모듈은 매우 비싸서 쉽게 적용되기 힘들다.

흰색 광원 중 연색성이 매우 높은 광원을 사용하여, 프리즘에 빛을 투과하여 나온 스펙트럼 중 RGB만 골라내어 별도의 광회로로 보낸 다음 나머지는 버린다. 광원이 삼파장인 경우 다이크로익 거울을 이용하여 RGB로 분리한다.

2. 2. 단판식 DLP



단판식 DLP 프로젝터는 DMD 칩 하나로 컬러 이미지를 만든다. 백색 램프에서 나온 빛을 렌즈로 모아 DMD에 쏘면, DMD의 각 미러가 켜지거나 꺼지면서 빛을 반사하거나 버린다. 켜진 미러의 빛은 다른 렌즈를 통해 확대되어 스크린에 투사되고, 꺼진 미러의 빛은 버려진다.[5]

미러를 켜고 끄는 시간 비율에 따라 점의 밝기가 조절된다. 미러가 100% 켜져 있으면 최대 밝기, 50% 켜지고 50% 꺼져 있으면 절반 밝기가 된다.

컬러 이미지를 만들기 위해, 광원과 DMD 사이에 고속 회전하는 컬러 휠을 넣어 적색, 녹색, 청색 빛을 시간 순서대로 DMD에 쏜다. 적색을 투사할 때는 적색 빛이 DMD에 닿는 순간에만 미러를 켠다.[5]

DMD 미러는 마이크로초 단위로 매우 빠르게 켜고 끌 수 있어 이 방식이 가능하다. 초당 60프레임 영상을 투사할 때 1프레임당 투사 시간은 1/60초(16667마이크로초)이다. 이를 적색, 녹색, 청색으로 나누면 각 색상당 5556마이크로초가 할당되며, 이 시간 내에 256단계 밝기를 표현하려면 21.7마이크로초마다 미러를 켜고 꺼야 한다. 액정은 밀리초 단위 시간이 걸려 단판식 컬러 이미지 재생이 어렵다.

2. 2. 1. RGB 분리 광원

단판식 프로젝터에는 1개의 DMD가 있는데, DMD의 동작 속도가 매우 빠르기 때문에 1개의 DMD만으로도 영상을 구현할 수 있다. 시간적으로 RGB 순서로 나누거나, RGBAlpha, RGBYAlpha, CYMK 등으로 나누기도 한다. 컬러휠은 모든 분할 방식을 지원하지만, 광원 효율이 낮아지는 단점이 있다. RGB 광원은 밝기가 1/3 정도로 떨어지며, 흰색 광원은 제조사에 따라 밝기가 달라진다.[1]

제어 기판(컨트롤 보드)은 광원을 제어하여 1프레임을 3개로 쪼개어 RGB 채널을 투사한다. R채널 화상을 DMD로 보내고 R채널 광원을 켜는 방식으로 작동한다. 최근의 '단판식' 피코 프로젝터나 LED 프로젝터는 모두 이러한 방식을 사용하며, 컬러 휠이 없어 조용하고 크기가 작다.[1]

2. 2. 2. 흰색 광원

단판식 프로젝터에는 1개의 DMD가 사용된다. DMD는 동작 속도가 매우 빨라 1개의 DMD만으로도 영상을 구현할 수 있다. 시간적으로 RGB 순서로 색을 나누는 방식이 있으며, RGBAlpha, RGBYAlpha, CYMK 등으로 나누기도 한다. 컬러 휠은 모든 분할 방식을 지원한다. 그러나 광원 효율이 많이 떨어지는 단점이 있다. RGB 광원을 사용하면 밝기가 1/3 정도로 떨어지며, 흰색 광원의 밝기는 제조사의 역량에 따라 달라진다.[1]

컬러 휠은 RGB 또는 제조사마다 다른 색 분리 기법으로 제작된 회전형 필터를 사용한다. 이 필터는 BLDC 서보 모터에 의해 매우 고속(초당 최소 60회)으로 회전하며, 광원에서 오는 빛을 시간에 따라 나누어 색을 분리한다. 이렇게 나뉜 빛은 DMD에 비춰지며, 이때 DMD에도 해당 분할된 영상에 대한 이미지 데이터가 전달되어 투사된다. 색을 나누는 방식은 제조사의 역량에 따라 달라진다. 일반적으로 RGB로만 나누지만, 더 좋은 밝기와 색상 표현력을 위해 컬러 휠의 색상 영역을 더 세분화하기도 한다.[1]

3. 무지개 현상

무지개 현상


프로젝터 앞에서 고개를 좌우로 흔들거나 손바닥을 프로젝터 앞에 비추어 보면 무지개 빛깔로 영상이 나뉘는 것을 볼 수 있다. 이는 단판식 DLP 프로젝터가 시분할로 영상을 출력하기 때문이다. 광학적 수광부의 위치가 시간에 따라 이동하면서 다른 지점에 빛이 비추어져 영상이 분리되어 보이는 것이다. 이 현상은 단판식 DLP 프로젝터에서 필연적으로 발생한다. 컬러 휠의 동작 속도를 높여서 이 문제를 해결할 수 있지만, 이 경우 DMD 소자가 계조를 표현하는 속도 또한 더 빠르게 해야 하므로 한계점이 명확하다.

4. 칩셋

텍사스 인스트루먼트는 DLP 시스템 전용 IC를 개발하여 판매하고 있다. 여기에는 ARM 아키텍처 기반 CPU에 DSP 기능을 더한 DDP 칩, DMD 미러의 전압을 제어하는 DAD 칩, 안정화 전원 및 컬러 휠 모터 제어 기능을 하는 PMD 칩이 있다. 현재 시판되는 대부분의 DLP 프로젝터는 DDP 칩과 DAD 칩을 사용한다.[1]

텍사스 인스트루먼트는 이러한 칩을 활용한 소프트웨어 개발을 돕기 위해 DLP Composer라는 개발 도구를 제공한다. CodeWarrior용 DDP FP 라이브러리 세트도 함께 제공되어, DLP 프로젝터 개발은 주로 이 도구들을 통해 이루어진다.[1]

DLP의 핵심인 DMD는 다양한 화소수를 가진다. 800x600, 1024x768, 1280x1024, 1280x768, 1280x720, 1920x1080 등 여러 종류가 있으며, 개인용 컴퓨터 이미지, 텔레비전 이미지, 영화 등 용도에 따라 적합한 것을 선택한다.[1]

5. 장점 및 단점

디지털 광원 처리(DLP) 프로젝터의 장점은 다음과 같다.


  • 잔상이 거의 남지 않는다.
  • 액정 방식에 비해 노화가 느리다.
  • 명암비가 높다.
  • 화소 밀도가 높아 보인다.
  • 동영상 잔상이 적다.
  • 소형화가 쉽다.
  • 화소나 색 얼룩이 없다.


DLP 프로젝터의 단점은 대부분 DMD 칩 가격이 비싸다는 데서 비롯된다. 3판식은 비싸 일반 시장에서 쓰이기 어렵고, 주로 단판식이 사용된다.

단판식 DLP 프로젝터는 짧은 시간 동안 빨강, 녹색, 파랑 단색이 번갈아 나타나, 물체를 빠르게 움직이면 원래 이미지에 없는 색이 보이기도 한다. (무지개 현상) 초기에는 이 현상이 두드러졌으나, 최근 기술 발전으로 거의 눈에 띄지 않는다.

단판식은 광원 밝기의 약 3분의 2를 버리게 되어, 3판식 액정 프로젝터보다 어둡다. (렌즈, 분광 필터 성능 등도 밝기에 영향을 주므로 단순 비교는 어렵다.)

컬러 휠 회전으로 인한 기계적 내구성과 소음 문제가 있을 수 있지만, 램프 냉각 팬보다는 덜하다. LED 광원을 쓰면 컬러 휠이 필요 없다.

6. 기술 혁신

단판식 DLP 프로젝터는 빛의 2/3를 버리는 문제를 개선하기 위해 컬러 휠에 빨강, 녹색, 파랑 외에 흰색(투명) 영역을 추가하여 빛 손실을 줄였다. 그러나 컬러 휠의 색 경계에서 발생하는 난반사로 인해 올바른 색을 표현하기 어려워 스포크(spoke) 광을 버려야 했다.[6]

초기 DLP 프로젝터는 스포크 광을 모두 버려 어두웠지만, 색 정확도를 희생하여 스포크 광을 활용하는 기술이 개발되었다. 텍사스 인스트루먼트는 혼색에 스포크 광을 사용하는 알고리즘을 "서브 컬러 부스트(Sub Color Boost : SCB)", 흰색에 스포크 광을 사용하는 알고리즘을 "스포크 라이트 리캡처(Spoke Light Recapture : SLR)"라고 명명했다. 컬러 휠의 흰색 부분과 스포크 라이트 리캡처를 함께 사용하여 흰색 휘도를 높이는 방법을 "화이트 피킹(White Peaking)"이라고 하며, 텍사스 인스트루먼트는 이를 개선한 기술을 "브릴리언트 컬러(BrilliantColor)"로 상표 등록했다.[6]

최근에는 LED 광원을 사용한 프로젝터가 등장하여 컬러 휠이 불필요해졌다. LED는 고속 점멸이 가능하고 3색 광원을 쉽게 사용할 수 있어 단판식에서도 정확한 색 표현이 가능하다. 그러나 3색 LED 광원이 물리적으로 떨어져 있어 광학계 보정에도 불구하고 투영 이미지에 색 어긋남이 발생하고, 밝기가 낮아 큰 화면 투영에는 어려움이 있다. 하지만 소형화가 가능하여 모바일 프로젝터나 토이 프로젝터에 활용되며, LED의 긴 수명과 낮은 유지비용 덕분에 비디오 카메라, 노트북 등에 내장되기도 한다.

7. 휴대 기기용 프로젝터

텍사스 인스트루먼트(TI)는 2008년부터 휴대 기기에 사용되는 DLP 프로젝터용 새로운 제품군을 양산 출하하기 시작했다.[7]

"DLP Pico 칩셋"이라고 불리는 소형 표시용 부품은 LED 광원과 함께 사용되며, 아이팟 정도 크기의 소형 프로젝터의 핵심 부품이다. 옵티마 테크놀로지사와 사이프로 옵틱스사는 2008년 말과 2009년 1분기 제품 출하를 목표로 개발 중이었다. 이러한 기기는 휴대용 미디어 플레이어와 연결하여 기존의 수 인치 단위 액정 화면의 정지 화상이나 동영상을 대형 화면에 투영하는 방식으로 사용될 것으로 예상되었다. 첫 번째 세대에서는 배터리 구동으로 10 루멘, 2시간 정도의 사용이 예상되며, 480x320 픽셀, 2W-4W 정도의 소비 전력으로, 초기 가격은 400USD 이하, 양산 시에는 200USD 이하로 예상되었다. TI사의 DLP Pico 외에도 몇몇 DMD 및 MEMS 소형 표시용 부품의 제조 계획이 발표되었으며, 2008년 말부터 이러한 표시용 부품을 내장한 단품 휴대형 프로젝터가, 2009년 말부터는 휴대형 정보 기기에 내장된 형태로 휴대 프로젝터 기능 탑재 제품이 시장에 등장할 가능성이 있었다.

노트북 컴퓨터에 탑재하는 것은 이미 개발된 기술로 전망이 밝지만, 휴대 전화에 내장을 고려하면 프로젝터 기능 부품 용적이 0.7cm3 이하, 소비 전력은 1W 이하로 해야 하며, 부품 가격도 50USD-60USD 이하가 요구되는 등, 실현까지의 난관이 높았다. 휴대 전화보다 비교적 큰 디지털 카메라에 탑재하는 것이 조기에 실현될 가능성이 더 높았다.

집광 부품을 생략할 수 있는 레이저 소자가 LED보다 소형화에 유리하지만, 가격이 비싸고, 녹색 레이저 발광 소자가 없기 때문에 1,064nm 정도의 적외선 발광 레이저를 SHG 소자를 통해 532nm 정도로 파장 변환해야 했다. 하지만 이 방식은 효율이 좋지 않아, 앞으로 직접 발광이 가능한 녹색 레이저 소자의 등장이 기대된다.[8]

TI사는 이 DLP Pico를 더욱 발전시킨 "DLP Pico HD"를 발표, CES 2011에서 에이서(Acer), 델(Dell), LG, 뷰소닉(ViewSonic), HP, LG, NTT 도코모, 삼성 등 30개 회사에서 이를 탑재한 제품의 프로토타입을 전시했다.[9] 또한 이듬해 CES2012에서는 Pico 칩셋의 누적 출하 대수가 200만 대를 넘어섰다고 발표했다.[10]

8. 기타 응용 분야

프로젝터를 제외하고는 공간 광 변조 소자가 공초점 현미경[11]과 광조형 방식의 3D 프린터에 사용된다.

9. 주요 제조사

DLP 프로젝터를 제조하는 주요 제조사는 다음과 같다.

제조사
크리스티 디지털 시스템즈
NEC
카가 전자
카시오 계산기
샤프
델
도시바
BenQ
마쓰시타 전기 산업
미쓰비시 전기
레노버
뷰소닉
라이트스피드 디자인
아스트로 디자인


참조

[1] 웹사이트 Texas Business http://www.texasbusi[...]
[2] 문서
[3] 뉴스 日本TI プレスリリース 2005年2月15日 http://www.tij.co.jp[...]
[4] 뉴스 2011/12/7 TIニュースリリース http://www.dlpcinema[...]
[5] 웹사이트 アリの足先より小さな鏡”が生み出す映像美——DLPの魅力 https://www.itmedia.[...]
[6] 뉴스 TI PRESS RELEASE 6/8/2005 http://dlp.com/about[...]
[7] 뉴스 TI、プロジェクター携帯電話を実現する「DLP Pico」チップセットの量産化を発表 http://japan.interne[...]
[8] 간행물 プロジェクターが携帯機器に載る 2008-08-11
[9] 뉴스 2011/01/05 TIニュースリリース http://www.dlp.com/j[...]
[10] 뉴스 2012/01/11 TIニュースリリース http://www.dlp.com/j[...]
[11] 웹사이트 DLP 共焦点顕微鏡 http://www.tij.co.jp[...] 2016-09-13
[12] 웹인용 Texas Business http://www.texasbusi[...] 2012-01-26


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