1) 디스플레이(Display)는 무엇인가 ? 제 3 부. 디스플레이 1) 디스플레이(Display)는 무엇인가 ? "디스플레이(display)"는 영한사전을 찾아보면 동사로 “보이다”, “나타내다”의 뜻이며, 명사로는 “표시”, “표명” 및 “(컴퓨터)화면 표시 (출력표시장치)”이다. 따라서 디스플레이는 인간에게 정보를 전달하는 전자 장치 라고 정의할 수 있다. 디스플레이용 전자 장치를 이용하여 전달되는 정보는 우리 인간의 눈을 통하여 전달되는 영상정보 이며 전자산업의 발전에 의하여 다양한 기능을 갖는 정보 표시장치가 개발되고 있다.

예전에 상용화 되었던 CRT(Cathode Ray Tube, 일명 브라운관) 방식은 현재 찾아볼 수 없을 정도로 사라지고 있으며 새로운 방식의 평판 디스플레이가 주종을 이루고 있다. 따라서, 본고에서는 현재 주종을 이루고 있는 PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode)방식 및 OLED(Organic Light Emitting Diode) 방식의 간단한 동작원리 및 응용성에 대한 기초적인 지식을 배양하기 위한 학습을 할 것이다.

2) 디스플레이의 종류 PDP (Plasma Display Panel) ▉ 플라즈마란?   특수한 조건에서 기체가 양이온과 전자로 분리된 전도성 기체로서 전기적으로 중성을 유지하는 물질의 제 4의 상태라고도 한다. 여기서 물질의 3상태는 고체, 액체 및 기체이다. 예를 들면, 열을 가하면 처음에서는 얼음(고체)상태 있던 것이 물(액체)로 변하며, 더 높은 열을 가하면 수증기(기체)상태로 변하고, 그 다음 특수한 조건에서 플라즈마로 변하므로 제 4의 상태라고도 하는 것이다. 진공상태에서 양전극과 음전극에 강한 전압을 걸면 내부의 가스(Ne+Ar, Ne+Xe)가 활성화되었다가 시간의 경과에 따라 다시 안정된 본래의 상태로 돌아가면서 마치 오로라 같은 강하고 아름다운 빛을 발하게 되는 플라즈마 방식을 이용한, 차세대 디스플레이로 각광을 받고 있는 평판표시장치이다.

① AC형 플라즈마 디스플레이 플라즈마 디스플레이는 기본적으로 전면과 배면유리 및 격벽에 의해 투입된 가스와 음극과 양극에 전압을 가해 네온 발광을 일으켜 이 발광을 표시에 이용하는 것이다. 2장의 유리 기판 사이에 네온과 크세논 등의 가스를 채워 많은 격벽으로 구성된 방전공간에 3원색(R,G,B)의 형광체를 도포하여, 유리 기판에 설치한 전극에 전압을 가하면 방전현상이 일어나고 여기서 발생한 진공 자외선이 형광체에 조사되면서 발광되어 색깔이 나타나는 것이다 AC PDP의 구조 (그림 3-15와 3-16)에서는 각 셀이 격벽에 의해 분리 되고 전후면 Panel에 전극이 형성되어 있는 것이 특징이다. 그리고 각 전극에 교류전압 또는 펄스전압을 인가하여 방전을 일으켜 빛이 전면 유리판을 통하여 영상을 볼 수 있다. PDP의 발광휘도는 250~300 cd/㎡ 이며 동작전압은 170 V 정도이며, 평판 디스를레이 고전압을 필요로 하는 디스플레이 방식이다. 소비전력은 동작표시 소자 수나 패널 크기에 따라 다르지만 고전압이므로 저 소비전력화가 앞으로 개선해야 하는 사안이다. 그림. ac형 PDP의 단면구조. 그림 3-16. ac형 PDP의 측면구조.

▉ PDP의 장단점 [장점] 화면의 패널 두께가 얇고 대화면의 표시가 가능함. - 화면이 완전평면이다. - 자체 발광으로 밝고, 시야각이 160도 이상으로 넓다. - 수명이 수 만 시간 이상으로 길다. - 지자계의 영향이 없다.   [단점] - 구동전압이 높으며, 구동 IC단가가 높다. - 제작비가 많이 소요된다.

LCD(Liquid Crystal Display) LCD는 2개의 얇은 유리판 사이에 고체와 액체의 중간물질인 액정을 주입하여 상하 유리판 전극의 전압차로 액정분자의 배열을 변화시킴으로써 명암을 발생시켜 숫자나 영상을 표시하는 일종의 광스위치 현상을 이용한 소자로, 구동방법에 따라 수동 매트릭스 방식과 능동 매트릭스 방식으로 분류하는 데 수동 매트릭스 방식에는 TN(Twisted Nematic)과 STN(Super Twisted Nematic)이 있으며 능동 매트릭스 방식에는 TFT(Thin Film Transistor) 등이 있다.

▉ 액정(Liquid Crystal) 과 LCD 그림 3-17. 온도의 함수에 의한 고체, 액정 및 액체의 구조 변화

그림. LCD의 구조와 흑색(Black)과 백색(White) 모드의 발생 원리 그림의 (A)에서 백라이트 광원에 의해 빛이 방출되며, 전압이 걸리지 않으면 두 장의 투명전극 사이에 봉입된 액정분자들은 배열방향이 90° 차이가 나도록 헤리컬(Herical) 형태로 배열되어 있으므로 편광자 1을 통과한 빛을 90° 변화 시킨다. 따라서 액정 분자 층을 통과한 빛은 편광자 2를 통과할 수 있으므로 밝은 빛이 방출되는 것이다. 이를 “normally white mode”라 한다. 이와는 반대로, 전압이 걸리면, 액정 분자들은 작은 막대모양 형태로 배열한다. 따라서, 그림 3-18의 (B)에서와 같이 편광자 1을 통과한 빛이 그대로 액정층을 통과하므로 편광자 2를 통과할 수 없다. 따라서, 어두운 상태가 되므로 이를 “normally black mode"라 한다. ▉ 응용 LCD는 전자시계, 전자계산기, TV, 노트북PC, 모니터등 전자제품은 물론 자동, 항공기의 속도표시판 및 운행시스템 등에 폭넓게 사용되고 있다.  

LED(Light Emitting Diode) 발광다이오드인 LED란 빛을 발광하는 반도체소자를 말하며, 발광 색상은 현재 빨강·녹색·노랑·오렌지색 등이 있다. LED 칩을 제작할 시, 첨가하는 불순물의 함량에 따라 발광의 파장이 다르다. 파장은 인간의 가시광선 영역인 400㎚에서 700 ㎚사이이며, 적색은 700 ㎚, 녹색은 565 ㎚, 노랑은 585 ㎚, 오렌지색은 635 ㎚의 파장을 형성하고 있다. 그림에는 대표적인 LED 램프의 구조를 나타내었다. 그림. 대표적인 LED 램프의 구조

LED는 반도체로 이루어져 있기 때문에 고체소자의 형상을 하고 있다 LED는 반도체로 이루어져 있기 때문에 고체소자의 형상을 하고 있다. LED는 전구 등의 다른 열변환발광소자에 비해 안정적이고 신뢰성이 있으며, 그 수명도 연속 10만 시간 이상으로 길다. LED는 다이오드의 일종이므로 소자 하나를 구동하는 데 불과 수 V, 수 ㎃면 된다. 보통 반도체소자와 마찬가지로 LED 소자 그 자체는 칩(chip)이라 불리고, 그 사이즈는 보통 수백 ㎛으로 매우 작다. 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode)란 반도체로 된 다이오드의 일종이다. 다이오드는 그 양전극 단자에 전압을 걸면 한 방향으로만 전류가 주입되고 전자와 정공이 재결합해서 그 일부의 에너지를 빛으로 변환되는 다이오드(Diode)이다. LED는 반도체로 이루어져 있기 때문에 고체소자의 형상을 하고 있다. LED는 전구 등의 다른 열변환 발광 소자에 비해 안정적이고 신뢰성이 있으며, 그 수명도 연속 통전 상태에서 10만 시간 이상으로 길다.

▉ LED 발광원리 LED는 p-n 접합을 위하여 불순물로 도핑된 반도체 물질의 칩으로 구성되어있다. 다른 다이오드와 같이, 전류는 아노드인 p-형으로 부터 캐소드인 n-형으로 흐른다. 전하 이동체인 전자와 정공은 각각 다른 전압을 갖는 전극에서 접합부 쪽으로 흐른다. 하나의 전자가 하나의 정공을 만날 때, 전자는 에너지를 광자의 형태로 방출하고 낮은 에너지 준위로 떨어진다. 이 때 방출하는 빛의 파장( 혹은 색깔)은 p-n 접합을 형성하는 물질들의 밴드 갭에 따라 다르다. 그림. LED의 발광원리

표. 발광색상과 LED 칩의 구성물질 색 상 파 장 (nm) 반도체 물질 Infrared λ >760 GaAs, AlGaAs Red 610 <λ <760 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP Orange 590 <λ <610 GaAsP, AlGaInP, GaP Yellow 570 <λ <590 Green 500 <λ <570 InGaN / GaN, GaP, AlGaInP, AlGaP Blue 450 <λ <500 ZnSe, InGaN, SiC Violet 400 <λ <450 InGaN White 넓은 파장의 스펙트럼 황색 형광체 + Blue/UV diode

▉ LED의 장점 ⅰ) LED는 고효율 광원이다. 수명 : 수만 시간(백열등의 10배) ⅱ) LED는 친환경 광원이다. 형광등 : 관 내부에 수은 함유 ⅲ) LED는 소비자 친화적 조명이다. 점조명 형태로 다양한 크기와 형태로 제조 가능 안전사고가 발생하지 않음(구동전압이 낮고 유리 사용하지 않음.). ⅳ) LED는 디지털 광원이다. 반응속도 : 백열등의 10만분의 1 통합적 시스템 기능과 감성 조명 구현이 가능함.

표. LED 응용분야 분 류 기 능 응용분야 LED 조명 밝게 비추는 기능 실내등, 사무실등, 가로등, 전조등, 등대등, 백라이트유니트, 전기스탠드등 RGB LED 색상 칼러 색상 표현 기능 LED TV, 전광판, 집어등, 식물 성장등, 무드등, 판매대등, 전시등, 색상 유도등 LED 무선통신 무선통신 기능 무선통신, 무선보안통신, 자동차 간 통신, 광식별번호 통신 네트워크 조명 제어 네트워크제어 조명 센서조명, 경관조명, 테마조명, 그린스마트 빌딩 조명

OLED(Organic light emitting diode) 투명 유리 기판에 근접한 순으로 살펴보면, 양극(ITO막), 정공 주입층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 전자 주입층, 음극(금속)으로 이루어져 있다. 발광층은 전도성 유기 고분자 화합물이 다층막 형태로 양 전극 사이에 샌드위치 구조로 형성되어 있다. 기판으로는 일반적으로 투명한 유리가 쓰이고 있으나 투명한 플라스틱 기판을 사용할 수도 있으므로 투명한 잘 휘어지는(flexible) 표시장치로도 응용이 가능하다. 두 전극에 전원이 공급되면 음극에서는 전자(-)가 전자 수송층을 통하여 유기물질이 도포된 발광층으로 이동하고, 상대적으로 양극에서는 정공(전자가 비어 있는 기상태)이 정공 수송층을 통하여 발광층으로 이동하면, 발광층에서 만난 전자와 정공이 재결합하면서 여기자(exciton)가 형성된 후 여기자가 에너지를 내어 놓고 낮은 에너지 상태로 떨어진다. 이때 내어 놓는 에너지는 복사선의 형태로 빛을 방출한다. 그림. OLED의 구조 및 발광원리

방출하는 복사선, 즉 빛의 색깔은 발광층을 구성하는 유기물질인 단분자/저분자/고분자의 구성 물질에 따라 달라지며, R, G, B를 내는 각각의 유기물질을 이용하여 모든 색깔을 만들어낼 수가 있으며, OLED(유기 발광 다이오드)는 빛을 내는 발광층이 유기 화합물로 되어 있는 박막 발광 다이오드이므로 발광층을 구성하는 유기물질에 따라 빛의 색깔이 달라지며, OLED 픽셀은 직접 빛을 내기 때문에 빛의 표현 범위가 LCD보다 더 크며 백라이트도 필요 없을 뿐만 아니라 LCD에 비교하여 빠른 응답 속도를 가지고 있어 잔상문제가 없다.

▉ 디스플레이로서의 OLED 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있는 OLED는 완벽한 명암비와 빠른 응답속도로 잔상이 없으며, 색상의 재현력도 우수하여 기존의 LCD보다 성능면에서 우월하다는 평가를 받고 있다. 특히 OLED는 휘어지는 디스플레이(Flexible display), 투명한 디스플레이(Transparent display)로 구현이 가능하므로 그 잠재적 가치를 높이 평가받고 있다. 플렉시블 디스플레이는 종이처럼 접거나 휘거나 둥글게 말 수도 있는 디스플레이로 얇고 깨지지 않는 내구성을 갖는 모바일 디스플레이로서 다양하게 활용할 수 있는 차세대 디스플레이로 각광을 받을 수 있을 것으로 예상된다.

표 3-7. 디스플레이 종류별 특징 특성 및 종류 OLED(예상) LCD LED PDP 밝 기 매우 우수 우수 시야각 보통 명암비 나쁨 응답시간 전력효율

OLED TV 시제품 : 상단(삼성전자), 하단(LG전자)