백라이트
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1. 개요
백라이트는 노트북 컴퓨터나 모니터의 LCD 패널에 사용되는 부품으로, LCD의 성능에 큰 영향을 미쳐 LCD 시장 성장의 주요 요인 중 하나가 되었다. 백라이트는 LCD-TV의 화질과 색 재현성을 향상시키는 데 중요한 역할을 하며, 고화질 TV 시장의 성장과 함께 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다. 백라이트의 종류는 CCFL, EEFL, LED, ELP 등이 있으며, 광원으로는 LED, ELP, CCFL, HCFL, EEFL, 백열전구 등이 사용된다. 최근에는 LED 백라이트가 주로 사용되며, 특히 엣지릿 방식과 풀 어레이 방식이 있다. LED 백라이트는 흰색 LED와 RGB LED로 나뉘며, 양자점 기술을 통해 색상 영역을 개선하기도 한다. 백라이트 시스템은 광학 필름과 동적 백라이트 제어를 통해 효율성을 높이며, 전력 관리의 중요성이 강조되고 있다.
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백라이트 |
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2. 중요성
백라이트는 패널의 휘도와 소비 전력에 직접 관련되어 있다. 뿐만 아니라 디스플레이 모듈 완성품 가운데 가장 값비싼 부품이기 때문에 백라이트의 비용 절감은 LCD 수요 환기에도 중요한 영향을 미친다.[35]
백라이트는 다양한 종류가 있으며, 주요 광원은 다음과 같다.[3]
한때 백라이트는 노트북 컴퓨터나 모니터에 쓰이는 LCD 부품 가운데 제조가 비교적 쉬워 저기술(low-tech) 제품으로 여겨졌다. 그러나 중요성이 높아져 현재는 LCD 시장의 성장을 좌우하는 주요 요인 가운데 하나가 되었다. 백라이트의 품질이 좋을수록 영상의 품질과 색 재현성을 비약적으로 향상시킬 가능성을 지니고 있으므로 백라이트는 LCD-TV의 발전 열쇠를 쥐고 있는 존재라고 할 수 있다.
에너지 표준의 발전과 전력 소비에 대한 대중의 기대가 높아짐에 따라 백라이트 시스템은 전력 관리가 필요하게 되었다. 다른 소비자 가전 제품(예: 냉장고 또는 전구)과 마찬가지로 텔레비전에도 에너지 소비 등급이 적용된다. TV 세트의 전력 등급에 대한 표준이 미국, 유럽 연합, 호주[36] 및 중국[37] 등에서 도입되었다. 또한 2008년 연구[38]에 따르면, 유럽 국가에서 소비자가 텔레비전을 선택할 때 전력 소비는 화면 크기만큼 중요한 기준 중 하나였다.[39]
3. 종류
ELP는 전체 표면에 걸쳐 균일한 빛을 내지만, 다른 백라이트는 불균일한 광원에서 균일한 조명을 제공하기 위해 종종 확산판을 사용한다. 흑백 LCD는 노란색, 녹색, 파란색, 또는 흰색 백라이트를 사용하며, 컬러 디스플레이는 대부분의 색상 스펙트럼을 커버하는 흰색 백라이트를 사용한다.
CCFL 백라이트는 컴퓨터 모니터와 같은 더 큰 디스플레이에 사용되며, 일반적으로 흰색이고 인버터와 디퓨저가 필요하다. 백열등 백라이트는 초기 LCD 패널에서 높은 밝기를 얻기 위해 사용되었지만,[8][9] 수명 제한과 과도한 열 발생이 심각한 단점이었다.
2010년 무렵까지, 모니터 및 TV와 같은 대형 LCD 패널에 선호되는 백라이트는 냉음극 형광 램프(CCFL)였다. LCD 반대쪽 가장자리에 두 개의 CCFL을 사용하거나 LCD 뒤에 CCFL 배열을 사용했다(40인치 LCD TV용 18개의 CCFL 배열 사진 참조). 그러나 LED 조명에 비해 높은 전압 및 전력 요구, 두꺼운 패널 디자인, 고속 전환 불가, 빠른 노화 등의 단점으로 인해 LED 백라이트가 점점 더 인기를 얻고 있다.
저렴한 TN 디스플레이에서 컬러 교정 S-IPS 또는 S-PVA 패널에 이르기까지 많은 LCD 모델은 NTSC 색상 사양의 95% 이상을 나타내는 넓은 색영역 CCFL을 가지고 있다.
소형 액정 디스플레이에서 주류를 이루는 에지 라이트 방식의 창시자는 1985년에 창업한 시가현의 메이타쿠 시스템이며, 발명자는 무라세 신조이다. 액정 백라이트는 액정 산업의 이면에서 액정을 뒷받침하는 숨은 조력자 같은 존재로, 거대 기업이 주도하는 일본 발명의 액정 기술과 더불어, 일본 중소기업의 손으로 발명되어 성장한 또 하나의 오리지널 기술이다. 초기에 이 면 광원 기술은 간판용으로 개발되었지만, 마쓰시타 전기(현 파나소닉)가 당시 처음 등장한 노트북형 워드 프로세서에 채용하여 보급되었다. 이후, 도시바가 다이나북에 채용하면서 에지 라이트 방식이 액정 백라이트의 주류로 인식되는 계기가 되었다. 당시 액정 백라이트는 전계 발광(EL)을 사용해 조도가 낮고 수명이 짧았지만, 냉음극관을 채용하여 장수명화했고, 냉음극관과 도광판을 조합하여 휘도를 향상시켰다. 도광판의 발명과 함께 도광판에 필수적인 냉음극관 산업도 촉진되었다. 이전에는 일본의 제조 회사가 세계 냉음극관 시장을 장악했지만, 최근에는 타이완, 대한민국, 중국이 부상하고 있다.
광원의 종류는 다음과 같다.
3. 1. LED 백라이트
LED 백라이트는 현재 가장 널리 사용되는 백라이트 기술로, 에너지 효율이 높고 수명이 길며 얇고 가벼운 디스플레이를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
컬러 화면의 LED 백라이트는 흰색 LED 백라이트와 RGB LED 백라이트 두 종류로 나뉜다.[10] 흰색 LED는 주로 노트북 컴퓨터와 데스크톱 화면에 사용되며, 사실상 모든 모바일 LCD 화면을 구성한다. 흰색 LED는 일반적으로 넓은 스펙트럼의 노란색 형광체를 가진 청색 LED로, 백색광을 방출한다. 그러나 스펙트럼 곡선이 노란색에서 최고점에 달해 LCD의 적색 및 녹색 컬러 필터의 투과 피크와 일치하지 않아 적색 및 녹색 기본 색상이 노란색으로 이동, 디스플레이의 색상 영역이 감소한다.[11] RGB LED는 적색, 청색 및 녹색 LED로 구성되며, 다양한 색온도의 흰색을 생성하도록 제어할 수 있다. 백라이트용 RGB LED는 HP 엘리트북 노트북이나 델 Studio 시리즈 랩탑과 같은 고급 색상 보정 디스플레이에서 찾아볼 수 있다.
RGB LED는 화면에 넓은 색상 영역을 제공한다.[12] 개별 LED 3개(가산 혼합)를 사용하면 백라이트가 LCD 픽셀 자체의 컬러 필터와 거의 일치하는 색상 스펙트럼을 생성할 수 있다. 필터 통과 대역을 좁혀 각 색상 구성 요소가 LCD를 통과하는 스펙트럼 대역을 좁힐 수 있으며, 흰색 표시 시 차단되는 빛이 줄어들어 디스플레이 효율이 향상된다. 실제 적색, 녹색, 청색 지점을 더 멀리 이동시켜 디스플레이가 더 선명한 색상을 재현할 수 있다.
LED 백라이트는 ''에지형''(edge-lit)과 ''직하형''(direct-lit)으로 나뉜다.
LED 백라이트는 LED 노후화에 따라 각 LED가 다른 속도로 노후화되어 균일성 유지가 어렵다. RGB LED는 LED 노후화 속도 차이로 디스플레이 백색점이 이동할 수 있다. 흰색 LED도 영향을 받으며, 수백 켈빈의 색온도 변화가 기록된다. 흰색 LED는 온도가 높을수록 청색 이동을 겪으며, 10 °C에서 80 °C로 변할 때 3141K에서 3222K로 변동한다.[19] 초기 LED는 CCFL보다 전력 소비가 높았지만, 2010년 이후 LED 디스플레이는 전력 효율성이 향상되었다. (예: 24인치 벤큐 G2420HDB(LED 미사용) 49W, G2420HDBL(LED 사용) 24W 소비)
'첨단 원격 형광체'[20] LED 기술은 RGB 및 흰색 LED 백라이트의 문제를 극복하기 위해 NDF Special Light Products에서 개발되었다. 조종석 디스플레이,[21] 항공 교통 관제 디스플레이, 의료용 디스플레이 등 고급 및 장수명 LCD 응용 분야에 적합하다. 이 기술은 청색 펌프 LED와 형광 발광 물질이 인쇄된 시트를 결합한다. 양자점과 유사하지만, 형광체는 양자점 나노 입자보다 더 견고하다. 형광체 시트가 LED에서 멀리 떨어져 온도 스트레스가 적고, 백색점이 개별 LED에 덜 의존적이며, 수명 동안 개별 LED 열화가 덜 발생하여 색상 일관성이 개선되고 루멘 감쇠가 감소한다.
소니는 2005년부터 일부 바이오 노트북에, 후지쯔는 2006년에 LED 백라이트를 사용했다. 2007년 에이수스, 델, 애플이 일부 노트북 모델에 도입했고, 2008년 레노버도 발표했다. 2008년 10월, 애플은 모든 노트북과 24인치 애플 시네마 디스플레이에, 1년 후 LED 아이맥을 출시하여 모든 컴퓨터 화면에 LED 백라이트를 사용하게 되었다. 2009년 9월 이후 출시된 16:9 디스플레이 랩탑은 대부분 LED 백라이트 패널을 사용하며, LCD TV도 마찬가지다. (일부 국가에서는 ''LED TV''로 판매되지만, 이미지는 LCD 패널에서 생성된다.)
LED 백라이트는 비디오 정보[22] (동적 백라이트 제어, 동적 "로컬 디밍" LED 백라이트, HDR, 하이 다이내믹 레인지 텔레비전, 필립스 연구원 더글러스 스탠턴, 마티누스 스트루머, 아드리안 드 반 발명[23][24][25])를 사용하여 동적으로 제어 가능하다.
PWM(펄스 폭 변조, LED 밝기는 일정하게 유지, 광원 깜빡임 시간 간격 변경으로 밝기 조절[26])으로 백라이트를 가장 밝은 색상으로 디밍하고 LCD 대비를 최대 수준으로 높인다. 낮은 PWM 주파수나 사용자의 민감도로 인해 CRT 디스플레이의 깜빡임과 유사한 불편함과 눈의 피로가 발생할 수 있다.[27][28] (손이나 물체를 흔들어 테스트 가능: 물체 가장자리가 선명하면 낮은 주파수, 흐릿하면 계속 켜져 있거나 높은 주파수) 깜빡임은 디스플레이를 최대 밝기로 설정하여 줄이거나 없앨 수 있지만, 전력 소비 증가로 이미지 품질과 배터리 수명이 저하될 수 있다.
현재 액정 TV나 PC 디스플레이는 냉음극관 대신 색 재현 범위가 넓은 RGB 3색 발광 다이오드(LED)를 광원으로 사용한다. LED는 고전압 전원이 필요 없어 소형화에 적합하며, 휴대용 기기는 백색 LED 또는 3색 LED를 주로 사용한다.
LED 컬러 표시는 파랑, 녹색, 빨강의 3원색 광원이 필요하다. 단색광 LED는 파란색 LED로 노란색 형광체를 여기시켜 백색 광원으로 사용하는 의사 백색 LED를 사용하기도 하지만, 단색 표시로 제한된다. 의사 백색 LED 광원에 필터를 추가하여 2색으로 분리하는 경우도 있지만, 실용적인 예는 적다. RGB 단색광을 광원으로 사용하는 풀 컬러 방식은 냉음극관보다 색 재현 범위가 넓다.
3. 1. 1. 양자점(QD) 기술
LED 백라이트 LCD 패널의 색 영역을 개선하는 또 다른 방법은 질화 갈륨(GaN) LED와 같은 청색 LED를 기반으로 하며, 이는 양자점(QD)이라는 나노 결정 형광체 층을 조명한다.[13] 양자점은 청색 파장을 LCD 뒤에서 최적으로 조명하기 위해 좁은 대역폭의 녹색 및 적색 색상으로 변환하는, 즉 특정 파장의 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출하는 나노미터 크기의 반도체 결정이다. 나노시스는 나노 결정의 크기를 제어하여 점의 색상 출력을 정밀하게 조정할 수 있다고 주장한다. 이 방법을 연구하는 다른 회사로는 나노코 그룹 PLC (영국), QD 비전, 3M(나노시스의 라이선스 업체) 및 스위스의 Avantama가 있다.[14][15]
소니는 2013년에 QD 비전의 양자점 기술을 채택하여[16] "트릴루미노스"라는 이름으로 판매되는 개선된 ''에지형'' LED 백라이트가 있는 LCD TV를 출시했다. 청색 LED와 그 앞에 녹색 및 적색 색상에 최적화된 나노 결정을 사용하면, 결과적으로 결합된 백색광은 더 비싼 세 개의 RGB LED 세트에서 방출되는 것과 동등하거나 더 나은 색상 영역을 제공한다. 소비자 가전 전시회 2015에서 삼성전자, LG전자, 중국 TCL Corporation을 포함한 여러 회사가 QD로 강화된 LCD TV의 LED 백라이트를 선보였다.[17][18]
4. 방식
백라이트 방식은 크게 엣지형과 직하형으로 나눌 수 있다.
'''엣지형'''은 LED를 라이트가이드 가장자리에 배치하여 빛을 분산시키는 방식으로, 얇고 가벼우며 가격이 저렴하다. 1985년 일본 메이타쿠 시스템에서 개발되어 마쓰시타 전기(현 파나소닉)와 도시바의 제품에 채용되면서 널리 알려졌다.
'''직하형'''은 액정 패널 바로 뒤에 광원을 균등하게 배치하여 화면을 직접 조사하는 방식이다. 주로 대형 액정 텔레비전의 중·고급형 모델에 사용되며, 엣지형에 비해 화면 전체의 균일성이 높고, 조도 및 색 얼룩이 적으며, 발색 및 계조 표현이 뛰어나다. 또한, 백라이트 영역 제어 (로컬 디밍)를 통해 명암비를 높일 수 있다.[10] 그러나 엣지형에 비해 두껍고 무거우며, 더 많은 발광 소자가 필요하여 전력 효율이 낮고, 방열 대책이 필요하다는 단점이 있다.
과거에는 CCFL 백라이트가 컴퓨터 모니터와 같은 더 큰 디스플레이에 사용되었으며, 흰색을 띠고 인버터와 디퓨저를 필요로 했다. 초기 LCD 패널에서는 높은 밝기를 위해 백열등 백라이트가 사용되었지만,[8][9] 수명 제한과 과도한 열 발생으로 인해 문제가 있었다.
균일한 조명을 위해, 빛은 도광판(LGP, Light Guide Plate)을 통과하여 확산된다. 확산된 빛은 디퓨저를 거쳐 LCD 패널 쪽으로 향하고, 뒷면의 반사판은 빛을 다시 LCD 패널 쪽으로 반사시킨다.
최근에는 수천에서 1만 개 이상의 미니 LED를 백라이트에 사용하여 1000니트를 넘는 휘도를 실현하는 액정 디스플레이가 등장하고 있다.[10]
4. 1. 엣지형 (Edge-lit)
엣지형(Edge-lit) 방식은 LCD에 사용되는 LED 백라이트의 한 종류로, 라이트가이드 가장자리에 LED를 배치하여 LC 패널 뒤에 빛을 분산시키는 방식이다. 이 방식은 매우 얇은 패널을 제조할 수 있고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.[40]1985년 시가현의 메이타쿠 시스템(메이타쿠 시스템)에서 개발되었으며, 발명자는 무라세 신조이다. 초기에는 간판용으로 개발되었으나, 마쓰시타 전기(현 파나소닉)가 노트북형 워드 프로세서에 채용하면서 보급되었다. 이후 도시바가 다이나북에 채용하면서 엣지형 방식이 액정 백라이트의 주류로 인식되는 계기가 되었다.
광원 배치는 소형 기기에서는 패널의 한쪽에만 배치하는 경우가 많지만, PC 모니터, 아케이드 게임, 중·소형 액정 TV 등은 양쪽에 배치하고, 대형 액정 TV나 디지털 사이니지에서는 상하좌우 모두에 배치하기도 한다.
엣지형 방식은 직하형 방식에 비해 얇고 가벼우며, 광원 소자를 적게 배치할 수 있어 전력 효율이 좋고 방열이 용이하다. 그러나 직하형 방식에 비해 전체를 균일하고 안정적으로 조사하기 어렵고, 섬세한 부분 제어가 어렵다는 단점이 있다.
4. 1. 1. 엣지형의 원리

광원에는 냉음극관(Cold-Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)이 사용된다. 발광 다이오드(LED)는 휴대 전화용 등의 소형 액정에 사용되어 왔지만, 데스크톱 컴퓨터용의 대형 액정에도 채용되기 시작했다.[40] 엣지형 백라이트는 이러한 발광원에 반사판과 도광판이 조합된 것이다. 도광판은 아크릴판에 흰색 잉크로 반사 도트를 인쇄한 실크 인쇄 방식, 스탬퍼나 인젝션으로 아크릴면에 요철을 낸 성형 방식, 아크릴판과 반사판을 도트 모양의 접착제로 붙인 접착 도트 방식, 홈 가공 방식이 있다. 홈 가공 방식에는 기계적으로 파는 홈 가공 방식, 비접촉 레이저 가공에 의한 방식 등이 있다.
냉음극관이나 LED 등의 광원에서 나온 빛은 도광판의 측면에서 입사하지만, 이때 표면 반사하는 빛(대개 7%)을 제외한 거의 모든 빛이 도광판 내에 입사한다. 도광판에 입사한 빛은 표면 반사를 반복하여 도광판의 넓은 면적에 퍼진다. 이때 반사 도트가 있으면, 거기서 빛이 산란되어 도광판의 표면에서 밖으로 빛이 나간다. 도광판에서는 광원 근방의 반사 도트의 면적을 작게, 광원에서 멀어질수록 반사 도트의 면적을 크게 함으로써 도광판 전체가 균일하게 빛나도록 고안되어 있다.
4. 1. 2. 엣지형의 구조
엣지형 백라이트는 광원, 도광판, 반사판, 확산판 등으로 구성된다.[40] 광원은 주로 발광 다이오드(LED)가 사용되며, 휴대 전화와 같은 소형 액정뿐만 아니라 데스크톱 컴퓨터용 대형 액정에도 채택되고 있다.[40] 도광판은 아크릴판으로 만들어지며, 흰색 잉크로 반사 도트를 인쇄하는 실크 인쇄 방식, 스탬퍼나 인젝션으로 요철을 만드는 성형 방식, 아크릴판과 반사판을 도트 모양 접착제로 붙이는 방식, 홈 가공 방식 등이 있다.
광원은 패널의 한쪽에만 배치되기도 하지만, PC 모니터나 액정 TV 등에서는 양쪽에 배치되기도 하고, 대형 액정 TV에서는 상하좌우 모두에 배치되기도 한다. 엣지형 방식은 직하형 방식에 비해 얇고 가벼우며, 전력 효율이 좋고 방열이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 전체를 균일하고 안정적으로 비추기 어렵고, 섬세한 부분 제어가 어렵다는 단점도 있다.
4. 2. 직하형 (Direct-lit)
직하형 방식은 액정 패널 바로 뒤에 광원을 균등하게 배치하여 화면을 직접 조사하는 방식이다. 주로 액정 텔레비전의 중·고급형, 비교적 대형 화면에 사용된다. 엣지형에 비해 화면 전체의 균일성이 높고, 조도 및 색 얼룩이 적으며, 발색 및 계조 표현이 뛰어나다. 또한, 백라이트 영역 제어 (로컬 디밍)를 통해 명암비를 높일 수 있다.[10]하지만, 구조상 엣지형에 비해 두껍고 무거우며, LED를 사용하는 경우 많은 발광 소자가 필요하기 때문에 전력 효율이 낮고, 방열 대책이 필요하다. 이러한 이유로 일반적인 모니터나 휴대 기기에서는 잘 사용되지 않으며, 얇은 디자인을 선호하는 기기에서는 대형 화면·고급형 액정 텔레비전에서도 엣지형 LED 방식을 사용하는 경우도 있다.
보급형 액정 텔레비전에도 직하형 방식을 채용하는 제조사도 있지만, 고급기에 비해 발광 소자를 적게 사용하는 경우가 많아 화면의 네 모퉁이가 어두워지는 케라레 현상이 나타나기 쉽다.
4. 2. 1. 미니 LED
최근에는 수천에서 1만 개 이상의 미니 LED를 백라이트에 사용하여 1000니트를 넘는 휘도를 실현하는 직하형 방식의 액정 디스플레이가 등장하고 있다.[10]5. 기타
LCD 백라이트 시스템은 프리즘 구조와 같은 광학 필름을 적용하여 빛을 원하는 시청자 방향으로 유도하고, LCD의 첫 번째 편광판에 의해 이전에 흡수되었던 편광된 빛을 재활용하는 반사 편광 필름(필립스 연구원 Adrianus de Vaan과 Paulus Schaareman이 발명)을 적용하여[29] 효율성을 높인다. 이는 일반적으로 3M에서 제조 및 공급하는 DBEF 필름을 사용하여 달성된다.[30] 이러한 편광판은 빛의 이전에 흡수된 편광 모드를 반사하는 일련의 단축 배향 이중 굴절 필름으로 구성된다.[31] 단축 배향된 중합 액정(이중 굴절 고분자 또는 이중 굴절 접착제)을 사용하는 이러한 반사 편광판은 1989년 필립스 연구원 Dirk Broer, Adrianus de Vaan 및 Joerg Brambring에 의해 발명되었다.[32] 이러한 반사 편광판과 LED 동적 백라이트 제어[23]의 조합은 오늘날의 LCD 텔레비전을 CRT 기반 세트보다 훨씬 더 효율적으로 만들었으며, 전 세계적으로 600 TWh(2017년)의 에너지 절약을 가져왔다. 이는 전 세계 모든 가구의 전력 소비량의 10% 또는 전 세계 모든 태양 전지의 에너지 생산량의 2배에 해당한다.[33][34]
에너지 표준의 발전과 전력 소비에 대한 대중의 기대가 높아짐에 따라 백라이트 시스템은 전력 관리가 필요하게 되었다. 다른 소비자 가전 제품(예: 냉장고 또는 전구)과 마찬가지로 텔레비전에도 에너지 소비 등급이 적용된다.[35] TV 세트의 전력 등급에 대한 표준은 미국, 유럽 연합, 호주[36] 및 중국[37] 등에서 도입되었다. 2008년 연구[38]에 따르면, 유럽 국가에서 소비자가 텔레비전을 선택할 때 전력 소비는 화면 크기만큼 중요한 기준 중 하나였다.[39]
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最近よく聞く「ミニLED」と「マイクロLED」はどうすごいのか?(西田 宗千佳)
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ミニLEDで"液晶モンスターAQUOS”誕生!? シャープ次世代ディスプレイを見た
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【Hothotレビュー】 買って後悔なし!ミニLED搭載「12.9インチiPad Pro」。現時点で最高峰のタブレット
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アップル、ミニLEDディスプレイの「MacBook Pro」。HDMI復活
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2021-10-19
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