9. OLED의 구조 (2) - 픽셀구조

Posted by 주인장 남보르
2017.06.01 00:58 OLED 이야기/OLED 알아봅시다

지난 시간에는 OLED의 다층구조에 대해서 이야기를 해보았습니다. 다층구조는 위에서 바라보면 보이지가 않으니 단면적인 구조를 살펴보았습니다. 


하지만 우리가 OLED 디스플레이 제품을 눈으로 볼때 이 단면구조는 평생 볼일이 없습니다. 우리가 보는 디스플레이 화면은 위에서 바라보는 구조로 픽셀이라는 작은 점으로 이루어진 수십 수백만개의 작은 발광소자들이 특정한 패턴을 형성하면 멀리서 바라볼때 이미지로 구현되는 것입니다.


그럼 이번 시간에는 우리가 보는 화면이 어떻게 구성되어 있는지 OLED 디스플레이 화면 구성에 대해 알아보도록 합시다.


디스플레이를 확대시켜 보자!!


지난 시간에 다룬 내용을 간단히 요약해서 보자면 글래스 위에 여러 유기박막들이 각자의 역할들을 분명히 나누어 여러 다층으로 구성되어 있음을 알았습니다. 그런데 이런 수직으로 쌓아지는 각 각의 발광소자들의 구조만 잘 만든다고 해서 우리가 현재 눈으로 보고있는 OLED 디스플레이 제품이 탄생할 수는 없을 겁니다. 


이 발광소자들을 구동시키기 위한 각종 회로와 또 이 회로를 구동시키기 위해 최적화된 전기 신호 알고리즘, 또 우리 눈에 시각적 효과를 주기 위한 다양한 회로 등 너무나도 많은 다양한 분야의 기술들이 축적되어 하나의 OLED 디스플레이 제품이 탄생하게 됩니다. 모든 기술들을 알 수는 없고 이번 시간에는 우리가 눈으로 바라보는 면의 디스플레이 화면 구조에 대해 알아보도록 합시다.




<사진1. 삼성 갤럭시 S7(위)과 E(아래)7의 화소 구조 *출처 : www.gsmarena.com>



사진1.은 대표적인 OLED 디스플레이 제품인 갤럭시S7과 E7의 화소 구성을 보여주는 사진입니다. 갤럭시S7은 삼성의 플래그쉽 제품으로 S시리즈는 출시 될 때마다 최고의 사양을 갖추어 출시되는 제품마다 그 당시의 최신기술들의 집약체라 볼 수 있습니다. 그에 반하여 갤럭시E7은 해외에서만 출시된 제품으로 보급형 제품입니다. 두 제품의 디스플레이의 가장 눈에 띄는 차이는 화소라 불리우는 픽셀들의 크기입니다. 사진1.에서의 위 아래 두 원은 지름이 0.5mm인 디스플레이 위의 같은 크기의 영역을 확대시켜놓은 것입니다.


사진1.의 아래에 나타낸 갤럭시E7의 화소구조의 경우 가로로 배치되어 있는 화소 숫자가 음.. 한개 두개... 6개가 들어가 있는 것을 알 수 있습니다. 그렇다면 갤럭시S7의 경우는?? 음.. 화소 구성도 지그재그로 복잡하게 되어있고 개수도 많아서 숫자를 세기가 어렵습니다. 


화소 구조가 갤럭시S7은 다이아몬드 펜타일로 불리는 구조이고 갤럭시E7은 펜타일과 스트라이프 구조가 섞인 구조라서 직접적인 해상도 비교는 어렵지만(대충보면 월등하게 S7쪽이 높다는것은 알 수 있지만..) 스펙상에서의 해상도는 같은 크기의 화면에 갤럭시S7이 세로로 2배, 가로로 2배정도 즉, 같은 면적에 4배 정도 많은 숫자의 화소로 구성되어 있다는것을 알 수 있습니다.


화소(Pixel)은 디스플레이 화면을 이루는 점 3개 혹은 4개가 한쌍으로 이루어집니다. 그 이유는 적색, 녹색, 청색의 삼원색(primary color)의 서브픽셀이 모여서 1개의 온전한 화소를 구성하게 됩니다. 삼원색이 모이면 우리가 눈으로 볼 수 있는 거의 대다수의 색을 구현할 수 있기 때문에 세가지 색을 묶어서 한개의 화소를 이루게 됩니다. 그런데 여기서 우리는 왜 삼원색인 적색, 녹색, 청색이 어떻게 해서 세가지 기본 색이 되었는지 조금은 궁금하실겁니다.



디스플레이가 3가지 삼원색의 서브픽셀로 구성되는 이유는!!??


디스플레이. 즉, 눈으로 시각적 정보를 컬러로 제공하는 거의 대다수의 장치는 삼원색으로 이루어 대다수의 색을 표현합니다. 그러면 왜 두가지 색도 여섯가지 색도 아닌 세가지 색만 있으면 거의 대부분의 색을 표현할 수 있게 되는 것일까요?? 이 이유는 눈의 구조와 연관이 깊습니다. 아니 100% 우리 눈 때문에 삼원색이 삼원색이 될 수 있는 겁니다. 




<사진2. 사람의 눈 구조(왼쪽)과 망막표면의 시신경 구조(오른쪽) *출처 : ZUM학습백과>



사진2.는 다들 너무나도 많이 보시던 눈의 구조입니다. 다들 아시겠지만 한번 눈이 시각적 정보를 어떠한 과정을 거쳐서 이미지화 시키는지 간단히 상기시켜 봅시다. 먼저 동공에서 빛의 양을 조절하면서 받아들이면 수정체에서 망막에 초점이 맞도록 빛의 굴절 정도를 조절해줍니다. 


그리고는 망막에 맺힌 이미지를 시세포들이 인식하게 되는데 이 시세포들에 맺힌 광에너지를 분별하여 시신경으로 신호를 전달해 주는 센서역할을 막대세포라 불리는 간상세포와 원뿔세포라 불리는 원추세포 이 두가지 시세포들이 빛 에너지를 인식하게 됩니다. 막대세포는 빛의 어둡고 밝음만을 구분할 수 있고, 원뿔세포는 색을 인색하게 되는데 이 원뿔세포가 세가지 종류가 있습니다. 아!! 눈치 빠르신 분들은 캐치를 하셧을 수도 있겠습니다만 이 3가지 종류의 원뿔세포가 각 각 적색, 녹색, 청색을 잘 인식하고 구별할 수 있도록 분포되어 있습니다. 


그래서 눈 자체가 모든색을 삼원색에 해당하는 세가지 원뿔세포를 통해 구분하기 때문에 삼원색만 가지고 있으면 모든 색을 구분하게 만들 수 있게 되는 것입니다. 여기서 아래 그림을 한번 살펴보고 가봅시다.




<사진3. 등색함수(Color Matching Function)>



사진3.은 등색함수라는 함수입니다. 함수라는 소리듣고 인터넷 꺼버리지 마시고 그냥 이 그래프가 무엇을 의미하는지 의미파악만하고 넘어가면 됩니다. 그래프를 자세히 보자면 그래프의 x축은 빛의 파장이며, y축은 빛에 대한 민감도의 상대크기를 나타내었습니다. 등색함수는 세가지 함수로 나뉘는데 각 각의 함수는 적색, 녹색, 청색 원뿔세포가 인식하는 민감도를 나타낸 것입니다. 


청색원뿔세포의 경우에는 약 380~525nm의 파장영역을 인식하고 있군요. 그리고 녹색원뿔세포의 경우는 굉장히 넓은 범위를 포함하고 있는데 450~650nm, 그리고 특이하게도 적색원뿔세포는 청색의 영역에 작게 인식하는 구역이 있고 메인으로는 525~700nm 정도의 범위의 파장 빛을 각 각 인식하고 있습니다.


우리가 '빛'이라는 전자기파를 인식할 수 있는 범위가 380~700nm부근으로 고정되는 이유 또한 세가지 원뿔세포의 색인식범위를 모두 합치면 380~700nm가 되기 때문입니다. 가시광선이라 불리는 빛의 파장 영역이 바로 이 원뿔세포의 색인식 범위인 것입니다. 


여기서 특이한 것은 청색원뿔세포는 거의 독립적으로 빛을 인식하는데 반해서 녹색과 적색원뿔세포는 서로의 파장 인식 범위가 상당히 겹치고 있는 것을 알 수 있습니다. 왜 이러한 현상이 있으며, 이 겹쳐진 범위가 넓은 현상에 의해 어떠한 결과가 나타나게 될까요. 이는 진화생물학적인 접근이 필요합니다. 눈이라는 기관이 진화가 되어가며 가장 중요한 임무 중 하나가 식량이 대상이 될만한 이미지를 잘 구분해내는 임무입니다. 숲은 녹색을 반사하는 엽록소가 가득찬 나무들로 가득하며 영양가득한 열매는 붉거나 노랗습니다. 


우거진 수풀이나 밀림, 정글안에서 식량을 잘 찾을 수 있게하거나 그 수풀사이의 천적에게서 잘 벗어나려면 녹색, 적색을 아주 세밀하게 구분해 낼 필요가 있습니다. 그렇기 때문에 특히 우리 눈은 녹색을 중점적으로 세밀하게 구분할 수 있도록 진화해 왔고 결과적으로 녹색과 옅은 적색들을 잘 구분합니다. (이 적색, 녹색 시세포들의 분포가 정상적이지 않으면 적녹색맹이 됩니다.)


*등색함수를 이용한 색좌표이론에 대해 배우고 싶다면 [4. 색좌표란?? (1)]을 참고해주세요.


위와같은 이유로 디스플레이 뿐만 아니라 색표현을 해야하는 인쇄물(물론 RGB가 아닌 Cyan, Magenta, Yellow의 세가지 색이지만) 또한 세가지 색으로 이루어져 눈에서 인식할 수 있는 대다수의 색을 표현하게 되는 것입니다. 그래서 이 사실들을 가지고 OLED 다이아몬드 픽셀 구조를 한번 보면 신기하실 겁니다.


다이아몬드 펜타일 구조의 비밀은??



<사진4. 갤럭시 시리즈에 적용되는 다이아몬드 펜타일 구조>


우리는 삼원색과 그리고 이 세가지 색 중에 눈에서 더 미세하게 구분할 수 있는 녹색의 원리에 대해 알아보았습니다. 그러면 왜 갤럭시는 다이아몬드 픽셀 구조를 사용하며 어떠한 장점이 있는가 살펴보도록 합시다. 사실 펜타일 구조는 갤럭시 초창기에 귀가 닳도록 들어먹은 욕들 중 하나입니다. 발매초기에는 RGB가 이쁘게 구성되어 있는 아이폰의 스프라이트 RGB 구조와 비교당하며 욕을 많이 먹은게 사실 입니다. 


당시에는 해상도가 충분히 높지 않아서 펜타일로 구성된 디스플레이는 직선표현이 매끄럽지 못하였고 여러모로 단점이 많았던 것도 사실입니다. 그러나 해상도가 화소를 구분하기 어려운 현재에 이르러서는 펜타일이 가독성 면에서 단점이 되기에 어려운 상태가 되었습니다. 


그러면 이 다이아몬드 펜타일 구조가 갖는 장점은 무엇일까요? 먼저 구조에 대해 살펴봅시다. 다이아몬드 펜타일은 기본적으로 녹색이 2개 그리고 크기가 큰 청색, 적색 서브픽셀로 한개씩 총 4개의 서브픽셀로 이루어져 있습니다. 여기서 이미지에 따라 한개의 화소 경계가 애매해져서 해상도가 더 높게 보이는 효과를 줄 수 있는 장점이 있습니다. 


또한 우리 눈은 녹색을 민감하고 잘 구분할 수 있다고 했는데 작은 크기의 녹색 픽셀이 많이 배치됨에 따라 미세한 녹색 표현도 가능하게 됩니다. 우거진 수풀을 표현하거나 미묘하게 다른 녹색의 표현에 더 좋은 효과를 낼 수 있는 것입니다. 그리고 상대적으로 눈의 민감도가 낮은 청색과 적색의 서브픽셀 크기를 크게 함으로써 휘도를 쉽게 높여서 상대적으로 수명특성이 좋지 못한 청색의 수명 특성에도 도움을 줄 수 있도록 각 각의 색 면적을 전략적으로 배치해서 디스플레이 화질을 높일 수 있는 구조가 되는 것입니다.


다음시간에는 화소를 이루고 있는 서브픽셀의 간단한 회로구성을 알아보고 어떻게 이 작은 점한개에 전기에너지를 공급하는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.


다음글도 기대해주세요!! 







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    • 2017.06.05 16:47
    비밀댓글입니다
    • 안녕하세요 답글이 늦었습니다. 저는 재료파트에 종사하고 있어서 현재 공정스펙에 대한 세세한 사정은 잘 모르겠네요.. 도움이 못되어 죄송합니다.
    • 디스플레이
    • 2017.06.08 18:05
    정말 대단하시네요... 요즘 정말 궁금한게 있는데 남보르님은 어떻게 생각하시는지 여쭤보고 싶네요. 사람들마다 의견이 다 갈려서 혼란스러워요. LG display에서 나오는 White OLED TV는 LCD TV인데 Back Light만 OLED를 쓰는 건가요? 아니면 sub-pixel마다 White OLED가 각각 할당되어서 액정층 없이 TFT로 개별적으로 ON/OFF할 수 있는 TV인가요?
    • LG WOLED TV는 OLED를 백라이트로 사용하고 그 위에 컬러필터를 붙여놓은 TV입니다. 액정을 사용하지 않으니 LCD는 아닙니다.

      모든 서브픽셀은 전부 WOLED가 발광하며, RGB의 컬러필터로 색을 조절합니다.

      말씀하신대로 액정층이 없고 각 서브픽셀은 개별적으로 ON/OFF 할 수 있습니다.

      결론적으로는 OLED와 LCD의 하이브리드 개념이라고 보시면 됩니다. 발광은 OLED가 발색은 컬러필터가 담당하고 있기 때문에 자꾸 인터넷에서는 반쪽짜리 OLED TV라고 하는 것입니다.
      • 디스플레이
      • 2017.06.08 23:34
      감사합니다. 속이 다 시원하네요
    • 도움이 되셧다니 다행입니다 종종 들려주세용
      • 디스플레이
      • 2017.06.23 13:14
      안녕하세요. 다시 궁금한 점이 생겨서 질문드립니다.
      전 LG WOLED가 각 sub-pixel마다 하나의 유기층이 할당된 줄 알았습니다. 오늘 어떤 사진을 봤는데 WOLED는 open mask로 증착해서 마치 back light같은 것이더라구요.

      그렇다면, White 유기층은 항상 켜져있는데 어떻게 액정층 없이 TFT로 각 sub-pixel의 ON/OFF가 가능한건가요??
    • 유기층은 open mask로 올리는 것이 맞습니다.

      잘못이해하시고 계신 부분은 유기층들을 open mask로 증착해도 이 면적이 전부 한 픽셀처럼 온오프되는 것이 아닙니다.

      유기층 하부에 전극패턴을 형성하고 그 위에 유기층이 공통으로 올라가기 때문에 실제로 발광되는 서브픽셀들은 이 전극패턴 모양대로 발광하게 됩니다.

      그래서 공정이 간단해지는 장점이 있기 때문에 대형패널에서는 WOLED가 큰 메리트가 있는 것입니다.
      • 디스플레이
      • 2017.06.23 15:45
      음.. 그러니까 유기물층은 sub-pixel에 구분없이 공통인데 음극, 양극 패턴으로 인해 각 sub-pixel마다 On/Off 할 수 있다는 말씀이시죠?
      감사합니다!!
    • OLED 입문자
    • 2018.05.09 10:09
    자세한 설명 감사드리며, 정말 대단한 지식을 소유하시네요 대단하십니다.
    펜타일 구조가 궁금하여 S9도 확인을 해보니 같은 다이아몬드 펜타일 구조네요.
    제가 가지고 있는 폰으로 테스트 해보았습니다.
    위에서 언급하신대로면 하나의 픽셀이 총 4개의 sub-pixel로 구성이 된다면
    하나의 pixel을 white로 킬경우 실제 발광되는 픽셀이 4개가 되어야 하는데
    전혀 켜지지 않네요.
    그리고 가로로 1line pixel 폭으로 선으로 끄어보면 RG/BG/RG/BG/RG가 켜지게 되네요.
    외각 R과G는 흐릿하게 켜지긴 합니다.
    ㄱ ㄴ 글자를 써보면 글자가 전혀 ㄱ ㄴ 자 처럼 보이지 않고 ㅁ처럼 둥글하게 표현이 되네요
    왜 이런 현상이 발생이 되는걸까요?
    • 오 직접 확인해보시다니 대단하십니다ㅋㅋ
      그런데 백색으로 ON했는데 전혀 켜지지 않는다는 부분이 이해가 되지 않네요..

      OLED는 켜지지 않으면 블랙입니다. 몽땅 다 켜져있어서 잘못보신게 아닐까 싶습니다.

      두번째 질문하신 사항이 펜타일이 최초에 겁나게 까였던 이유 중 하나입니다. 직선을 표현할때 그런 방식으로 표현할 수 밖에 없습니다. 에초에 말씀하신 대로가 아니면 직선을 표현할 방법이 없기 때문입니다.

      초창기에는 픽셀 사이즈도 지금에 비해 훨씬 컷기 때문에 확실히 눈에 거슬리는 픽셀 방식임에는 분명했으나 ppi가 높아질 수록 이러한 논란이 사그러 들었으나 현미경으로 그렇게 보시면 이상해 보이는것은 당연한 듯합니다 ^^;

      펜타일이 아닌 스트라이프 픽셀구조인 디스플레이를 보시면 원하시는대로 딱딱 이쁘게 켜지는 것을 보실 수 있을 겁니다.