[LCD vs OLED] 4.1 색표현 원리와 개선방법
4.1 컬러필터 - 색을 통과시키는 원리와 색 범위를 넓히는 방법
이 글은 LG디스플레이 블로그에 2015. 7. 8일 기고된 글입니다. (전체보기)
이전 글에서 비교했듯이 LCD는 OLED와 대비하여 색재현율이 낮습니다. 그리고 OLED도 Blue의 광원 특성으로 인해 색재현율을 더 높이는 데 어려움을 겪고 있죠. 색은 어떻게 표현되는 것일까요? 이번 장에서는 색이 표현되는 원리와 색재현율을 높이는 방법에 대해 더욱 자세히 알아볼까 합니다.
컬러필터의 원리
먼저 LCD에서 컬러필터를 통해 빛이 보이는 부분에 대해 자세히 살펴볼까요?
지난 장에서 말씀드렸듯이 빛은 R,G,B 삼원색을 이용해 모든 색 표현이 가능합니다. R,G,B가 다 섞이면 White가 되는데요. 그래서 White 광원을 가지는 백라이트는 R,G,B의 색 파장을 모두 가지고 있습니다. 따라서 이 광원이 컬러필터를 통과하면 색상이 구분되는 것이죠.
위 그림의 아래 그래프를 보시면 백라이트 광원(White LED)이 가지는 파장대별 출력 빛의 정도를 볼 수 있습니다. 이 빛은 칼라필터의 투과영역에 해당하는 빛만 통과하는데요. 다음 그래프인 R,G,B 색상별 빛 투과율에서 투과되는 정도를 확인할 수 있습니다. 컬러필터를 통과한 빛은 사람 눈에 들어오게 되는데, 우측 그래프인 출력 컬러 스펙트럼과 같은 형태의 빛이 들어오게 되는 것이죠.
컬러필터 파장과 소스원의 상관관계
다음은 컬러필터를 통해 빛이 나가는 부분에 대해 자세히 알아보도록 할게요. 앞에서 말씀드렸듯, 백라이트 광원은 R,G,B의 빛 파장을 모두 포함하고 있습니다. 그리고 컬러필터는 각 색에 맞는 파장을 통과시키죠. 위 그림에서처럼 각 색에 해당하는 파장에 높은 극치를 가지는 컬러필터와 입력 광원이 만나서 출력되는 빛은 컬러필터의 파장에 해당하는 영역과 입력 광원을 곱한 값이 출력됩니다.
이때 출력되는 빛이 색상별로 명확히 구분되고, 극치가 높을수록 색이 섞이지 않고 정확하게 표현됨을 의미하는데요. 이렇게 하기 위해서는 컬러필터가 빛을 다른 색과 섞이지 않고 명확하게 구분되게 통과시켜 주어야 하고, 광원 또한 R,G,B의 출력 파장이 명확히 구분된 광원을 사용해야 합니다.
왜 LCD의 색재현율이 낮을까?
그렇다면 LCD의 색재현율이 떨어지는 원인은 무엇일까요? 출력되는 색에서 R,G,B가 명확하게 구분될수록, 그리고 그래프의 봉우리가 좁을수록 색재현율이 높습니다. 색이 섞이지 않아야 원색을 더 명확히 표현할 수 있기 때문이죠. LCD의 광원은 R,G,B 파장을 모두 가지고 있지만, 각 파장들이 명확하게 구분이 되어 있지는 않습니다. 컬러필터가 영역별로 구분해주기는 하지만 출력되기 위해서는 컬러필터 파장과 입력 광원이 곱해진 값으로 나가기 때문에 광원 자체에서 제대로 구분이 되지 않으면 출력되는 빛 또한 영향을 받을 수밖에 없죠.
위 그림에서 우측 위의 LCD 컬러 스펙트럼을 보면 Blue의 출력은 명확하게 구분되지만, Green과 Red의 출력 극치가 높지 않고 주변 파장과 차이가 적은 것을 볼 수 있습니다. 이로 인해 Blue는 순색에 가까운 색을 표현할 수 있지만, Red와 Green은 순색에는 미치지 못한 빛을 출력하죠. 그래서 위 그림 좌측의 색 좌표계에서 Red와 Green의 표현이 부족한 작은 삼각형을 구성할 수밖에 없답니다.
반면에 OLED의 컬러 스펙트럼을 보면 R,G,B가 색상별로 명확하게 구분되어 있는 것을 볼 수 있는데요. 이는 섞이지 않는 색을 표현할 수 있다는 의미입니다. 그리고 이렇게 단색상에 가까운 색은 색 좌표계의 가장자리에 위치하는데요. 이는 위 그림 좌측의 색 좌표계에서 더 큰 삼각형을 그릴 수 있다는 것을 뜻합니다. 삼각형 면적의 빛은 모두 디스플레이에서 표현할 수 있다는 의미이니, 표현해 낼 수 있는 색 반경 또한 더 넓어지겠죠?
색재현율을 높이는 방법
그렇다면 색재현율을 높이기 위해서는 어떤 노력이 필요할까요?
먼저 컬러필터에서 통과하는 빛의 파장을 더 좁게 하고, 다른 영역을 완전히 통과하지 못하도록 하면 됩니다. 이러한 컬러필터 특성 개선을 위한 노력은 계속되고 있습니다. 하지만 컬러필터를 아무리 잘 만들어도 광원과 매칭이 되지 않으면, 빛의 통과량이 너무 적어 소비전력에 문제가 되기도 합니다. 그만큼 컬러필터의 특성 개선에 맞는 광원의 매칭도 중요하죠.
다른 방법으로, 광원의 특성을 개선하는 방법이 있습니다. White 광원에서의 R,G,B 출력 파장이 섞이지 않고 명확하게 구분되게 만들어 주는 거죠. 이렇게 되면 컬러필터에서 매칭되는 높은 출력의 고순도 색을 구현할 수가 있습니다.
기본적인 LED 백라이트의 White 광원은 청색 LED에 황색 형광체를 조합하여 만드는데요. 앞서 말씀드렸듯이 Red와 Green의 특성이 좋지 않다는 문제가 있습니다. 이 광원의 특성을 개선하기 위해 먼저 LED 및 형광체 자체의 특성을 개선하는 방법이 있습니다. 그리고 R,G,B 개별 LED를 사용하여 White 광원을 만들어 색재현율을 높이는 방법도 있죠. 또 Blue LED 광원 위에 빛의 파장을 변경하는 양자점을 사용하여 특성이 좋은 White 광원을 만드는 ‘퀀텀닷 디스플레이’와 같은 방법도 있답니다.
아래 그림은 색 재현율을 올리는 두 방법 중, 광원의 특성변화로 색재현율을 높아지는 것을 예로 보여줍니다. 기존 광원보다 R,G,B 파장별로 더 명확하게 구분되는 광원을 사용하니, 같은 컬러필터를 사용해도 출력되는 빛이 색상별로 더 뚜렷하게 구분되는 것을 볼 수 있으실 거예요.
OLED에서 색재현율을 높이는 방법은?
컬러필터에 대해 설명하다 보니 너무 LCD 쪽 이야기만 했나요? OLED는 컬러필터 없이 색상별로 색을 바로 내는 자발광 디스플레이입니다. 그래서 OLED의 색재현율은 OLED 재료에 의존적이죠. OLED의 재료 중 Red와 Green은 특성이 좋아 색기준(NTSC) 100%가 넘는 색 영역을 표현할 수 있지만, Blue부분은 더 다양한 색을 표현하기 위해 개선할 필요가 있습니다. 그래서 Blue의 광원 특성 개선을 위해 OLED에서는 여러 가지 방법을 사용하는데요. 그중에서 ‘미세공동효과 (Micro Cavity Effect)’을 이용하는 방법에 대해 설명해드리고자 합니다.
위 그림은 Blue OLED가 빛을 출력하는 과정을 그린 그림입니다. 전면발광(Top) 구조에서 OLED의 빛이 출력되는 가장 바깥쪽에는 음극(Cathode)이 있고, 양극(Anode)과 음극 사이에 걸리는 전위에 따라 OLED는 빛을 내보내죠. 이때 빛은 그냥 위로 나가는 것이 아니라 사방으로 퍼지게 되는데요. 동일한 빛의 세기가 출력이 된다면, 빛이 전면으로 갈수록 사용자는 더 밝게 빛을 볼 수 있겠죠? 이러한 이유로 OLED의 후면인 양극은 반사물질로 구성되어 있습니다. 그래서 뒤로 출력되는 빛은 반사해서 앞으로 보내주게 되지요.
여기서 OLED의 전면인 음극이 투과막이 아닌 반투과막으로 구성되어 있으면 어떻게 될까요? 빛은 반사막과 반투과막 사이에 갇혀 특정 파장을 가지며 갇혀 있다가 반투과막 사이로 증폭되어 방출됩니다. 이렇게 미세한 공동(반투과막과 반사막 사이)에서 빛의 간섭 효과를 이용하면 발광 스펙트럼을 변화시킬 수 있는데요. 이를 ‘미세공동효과’라고 합니다.
이러한 효과를 이용하면 출력되는 빛을 정면으로 모을 수도 있고, 빛의 파장도 조절할 수 있답니다. 특정 파장에서 방출되는 빛의 세기를 조절하여 효율 및 색감을 향상 시킬 수 있죠. 여기서 중요한 것은 공동(cavity)의 두께, 반투과막의 정도, 그리고 OLED Layer 두께에 따라 파장조절이 가능하다는 것입니다. 이런 공동현상을 이용해 위 그림의 좌측처럼 Blue의 빛 출력이 파장별로 넓게 분포된 것을 개선하여, 우측 그림처럼 고순도의 Blue를 출력할 수 있는 것이죠.
그런데 색재현율이 높다고 무조건 좋은 것일까요?
사실 무작정 색재현율이 높다고 좋은 것은 아닙니다. 그 이유는 입력되는 영상과는 다른 색 왜곡이 발생할 수 있기 때문이죠. 하지만 색재현율이 높은 디스플레이는 많은 장점이 있습니다.
먼저 색재현율이 높은 디스플레이는 더 좁은 색 반경을 표현할 수 있도록 조율을 할 수 있지만, 색재현율이 낮은 디스플레이가 더 넓은 색 반경을 표현하는 것은 불가능합니다. 그리고 카메라를 통해 촬영되는 영상도 더 많은 색을 표현할 수 있도록 발전하고 있으므로, 디스플레이에서도 이에 맞춰 영상의 더 높은 색재현율이 필요해졌습니다. UHD의 색재현율 기준은 BT.2020으로 기존 HDTV의 sRGB보다 훨씬 넓은(172%) 색 공간을 담고 있습니다. 앞으로 영상 콘텐츠도 이 규격으로 만들어진다는 뜻이죠.
정리하자면, 입력 영상보다 과도한 색 표현은 왜곡이 될 수 있어 색재현율이 높다고 무조건 좋은 것은 아닙니다. 하지만 색재현율이 높은 디스플레이는 이에 맞춰 조율이 가능하고, 사용자의 기호와 다양한 입력 영상에 맞게 표현할 수 있어 많은 장점이 있다고 볼 수 있습니다.
지금까지 색을 통과시키는 원리와 색 반경을 넓히는 방법에 대해 알아보았습니다. 색재현율을 결정짓는 요소로 컬러필터와 광원의 특성이 매우 중요했는데요. 다음 장에서는 광원의 특성을 올리는 방법으로 양자점을 사용하는 ‘퀀텀닷 디스플레이’에 대해 알아볼까 합니다. 이번 장에서 언급한 색 반경을 넓히는 방법과 그대로 이어지는 내용이라, 이번 장 내용을 이해하신다면 더욱 흥미로운 내용이 될 거라 생각되네요. 그럼 다음 장에서 만나요!
