텔레비전 발명, 불운의 대명사 필로 판즈워스(4)

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<발전하는 TV>

TV가 급격하게 보급된 것은 과학의 발전으로 시청자를 전지구상의 사건들에 즉각 가까이 접하게 함으로써 시청자들의 시야를 넓혀주었기 때문이다. 오늘날의 세계는 전혀 새로운 ‘동시성’의 세계다. 과거의 잣대로 보면 ‘시간’은 정지되었고 ‘공간’은 정지되었다고 마샬 맥루안은 적었다.

TV계에서는 판즈워스와 즈보리킨은 영상을 구현하기 위해 닙코 원판 대신에 브라운관(CRT, Cathoderaytube)을 사용하였다. 브라운관은 영국의 과학자 크룩스(William Crookes)가 고안한 크룩스관을 독일의 칼 브라운이 개량한 것이다. 브라운관에는 ‘전자총’이라고 불리는 필라멘트가 있는데 여기서 발사된 전자가 발광 물질을 바른 영사막에 부딪치게 되면 전류의 세기에 따라 발광 물질은 다양한 밝기의 빛을 발하게 된다.

이것을 사용하면 완전한 화면을 이를 때까지는 30분의 1초밖에 걸리지 않는데 사람 눈의 잔상(殘像: Persistence of vision) 효과는 16분의 1초이므로 우리는 단절감을 느끼지 않고 연속적인 동작과 행동을 볼 수 있는 것이다. 현재 우리들이 매일 접하고 있는 TV는 이와 같은 원리를 보다 기능적으로 개선한 것이다.

1953년 미국에서는 RCA 라디오 회사 방식을 바탕으로 한 새로운 컬러 TV 규격인 NTSC(National Television System Committee)방식이 미국의 TV 방식으로 채택되었다. 이것은 흑백 TV와 컬러 TV가 서로 호환 가능한 시스템이다.

그러나 프랑스에서는 1956년 미국 방식과는 다른 SECAM(Sequental Couleur Memoire Alternance Line)방식을 채택하였고 1962년 독일에서도 PAL(Phase Alternance Line)이라는 방식을 독자적으로 개발하여 자체적으로 보급하였다. 전 세계 TV 시스템은 3개로 분할되어 오늘에 이르고 있다. 그러나 이들 3가지 시스템에는 최소한 13개의 서로 다른 하부 시스템이 있으므로 휴대용 TV를 휴대하고 여행할 때는 주의해야 한다.

또한 미국에서는 가정용 전류의 방향이 1초에 60번씩 바뀐다. TV기술자들은 TV카메라와 수상기의 화면을 교류의 주파수에 맞추어 쓴다. 미국의 TV는 교류 2사이클마다 1화면을 보냄으로써 미국 표준에 맞춘다. 그러나 유럽과 영국의 교류는 50번씩 방향을 바꾼다. 따라서 유럽의 TV는 매초 25장의 화면을 내보낸다. 양측의 TV가 호환성을 갖지 못하는 것은 이런 이유 때문이다.

여기에다 양쪽의 주사선 수 역시 다르다. 미국 TV의 표준 주사선은 525개에 불과하지만 유럽의 TV는 625개의 주사선을 가지고 있다. 미국인들에 비해 유럽인들이 보다 나은 화면을 보고 있는 셈이다.

유럽에서 사용하더 전자제품을 국내로 들여오면 고장이 잘 나는데 미국식 교류 방식을 사용하는 한국의 전류와 주파수가 맞지 않기 때문이다. 그러므로 유럽에서 전자제품을 구입할 때 국내에서 사용하려면 호환성을 갖추고 있는 제품을 구입하는 것이 좋다.

TV에서 전기 신호로 된 영상정보들을 빛의 신호로 변환하는 기기를 현재 디스플레이라고 한다. 디스플레이는 발광 방식에 따라 발광을 직접 이용해 영상신호를 표시하는 방식(발광형 디스플레이)과 광원으로부터 받은 빛을 분산란, 분산, 선광(旋光) 등을 통해 변조시켜 영상신호로 표시하는 방식(수광형 디스플레이)로 나뉘어진다.

앞에서 설명한 브라운관으로 불리며 TV나 PC의 모니터로 쓰이는 CRT(Cathode Ray Tube)와 국내 각 곳의 번화가에서 흔히 볼 수 있는 발광 다이오드(LED, Light Emitted Diode)를 사용한 대형 전광판, 벽걸이 TV로 사용되는 플라스마 디스플레이(PDP, Plasma Display Panel) 등은 발광형 디스플레이에 속한다.

수광형 디스플레이로 대표적인 것은 액정화면으로 잘 알려진 LCD(Liquid Crystal Dsiplay)로 이는 광원에서 들어온 빛을 액정 소자에서 변조시켜 원하는 영상을 표시한다.

CRT로 화면 가장자리까지 빔이 퍼지지 않게 하려면 전자총의 입시지점을 중심으로 하는 원주상에 형광체면이 있어야 한다. 그러므로 CRT면을 평면에 가깝게 만들기 위해 곡률 반경을 크게 하려면 전자총과 스크린 사이의 거리가 멀어져 전체 크기가 커져버린다. 이것은 CRT의 크기가 커지려면 그만큼 TV의 두께가 커지는 뚱보가 되지 않을 수 없다. 고화질 TV(HD TV)와 같은 섬세한 화면을 구현하려면 최소한 화면의 크기가 33인치 이상이 돼야 하는데 33인치짜리 브라운관을 사용한다면 거실은 온통 브라운관이 차지해야 한다. 또한 브라운관은 화면 각 지점과 전자총 사이의 거리를 같게 하기 위해 화면을 둥그렇게 만드는데 이 때문에 화면 주변이 일그러진다. 이 같은 화상 왜곡은 화면이 클수록 심하게 일어난다.

이런 문제점을 시정하기 위해 화면의 상하좌우 위치별로 전자렌즈의 초점거리를 조절해 어느 위치에서나 초점이 맞는 전자총 제어방식이 개발됐다. 그 결과 대화면 평판 TV도 가능해지고 브라운관의 두께도 상당히 줄어들었다. 그러나 아쉽게도 CRT는 어느 한계이상으로 아주 얇게 만들수는 없다. 전자를 가속하는데 어느 정도 이상의 거리가 반드시 필요하기 때문이다.

이러한 CRT의 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 평판 디스플레이다.

이는 전자빔으로 화상을 만드는 것이 아니라 전체화면을 작은 소자로 나누고 화면상의 X, Y축의 교차점에 있는 특정화소가 발광을 할 수 있도록 만든 것으로 이런 방식의 대표 주자가 액정화면LCD(Liquid Crystal Display)이다.

액정은 전기를 걸어주면 분자들의 배열이 바뀌어서 입사된 빛의 방향을 바꾸어주는 성질이 있다. 따라서 편광판을 사용해 한쪽 방향으로 진동하는 빛만 걸러내고 이 빛의 방향을 액정으로 바꾸어 다른 한쪽의 편광판으로 보내주면 빛의 방향에 따라 광의 투과량을 제어할 수 있다. 근래 많이 보급되고 있는 개인용정보단말기(PDA), 노트북, 자동차의 항법장치용 디스플레이 등에 사용되는 것이 LCD다. 브라운관 TV에 비해 장점이 많은 이런 평판 디스플레이의 등장으로 오랫동안 시장을 주도해 온 CRT는 결국 LCD, PDP(플라스마 표시장치), OLED(유기전기발광 표시장치) 등의 평판 디스플레이에 자리를 내주고 뒷전으로 밀려나는 신세가 되었다.

LCD의 시초는 1888년으로 거슬러 올라갈 정도로 원리는 매우 오래 전에 알려진 것이다.

오스트리아의 생물학자 라이니처가 액체와 고체의 특징을 모두 가질 수 있는 액정을 발견했다. LCD는 고체와 액체의 중간 단계인 액정 물질에 전기를 가해 화면을 나타낸다. 액정의 형태는 고체와 액체의 중간 형태로 성질 또한 분자가 일정하게 배열된 고체와 무질서하게 흩어진 액체의 중간성질을 갖는다. 생물의 세포막, 오징어의 먹물, 콜레스테롤이 이에 속한다. 현재는 전기나 열에 따라 일정한 배열을 갖는 벤조산콜레스테린, 올레산나트륨, 파라메톡시신남산 같은 유기고분자를 합성해 액정의 재료로 많이 사용한다.

분자는 고체 상태에서는 정확히 배열되어 있지만 액체에서는 아무 배열 없이 제멋대로 존재한다. 따라서 그 중간 상태의 액정에서는 고체만큼은 아니더라도 얼마간의 규칙성, 예를 들어 한 방향으로만 배열되어 있다든지 하는 성질을 가진다.

액정을 이루는 분자는 가늘고 긴 막대 모양이다. 그런데 여기에 전압을 걸면 분자들의 배열 방향이 바뀐다. 예를 들어 외부에서 액정에 전기장이나 자기장 등 일정한 전압을 걸면 분자들의 배열이 바뀌면서 빛이 통과하는 정도(투과율)가 달라진다. 때문에 편광판을 사용해 한쪽 방향으로 진동하는 빛만 걸러 내고 이 빛의 방향을 액정으로 바꾸어 다른 한쪽의 편광판으로 보내면 빛의 방향에 따라 그 투과량을 제어할 수 있다.

편광은 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 가리킨다. 특정한 광물질을 입힌 편광판이나 광학필터를 사용하면 편광된 상태의 빛을 얻을 수 있다. 이처럼 분자배열이 변화되는 성질을 이용하여 만든 디스플레이가 바로 LCD다.

LCD는 빛을 발하지 않는 대표적인 비발광형 표시장치다. 따라서 LCD로 화면을 만들려면 형광등으로 제작된 백라이트(back-right)라는 외부광원이 반드시 필요하다. 백라이트로 빛을 보내면 LCD 두n 장의 유리 기판 사이에 주입된 액정이 가해지는 전기장의 세기에 따라 회전하면서 빛의 투과량을 조절한다. 빛을 통과하거나 통과하지 않게 하는 이른바 ‘셔터 기능’을 이용하여 문자, 도형, 화상 등의 화면을 구성하여 영상을 표시하는 것이다.

디스플레이에서 다양한 색깔을 생생하게 표현하려면 빛을 내는 발광부분(화소)을 전기적으로 ON-OFF 해야한다. 화소는 화면의 최소 단위로 여기서 ON-OFF 스위치 역할을 하면서 원하는 색과 영상을 재현하는 것이 박막트랜지스터(TFT)이며 화소 하나에 트랜지스터 하나를 붙여 화면을 만드는 장치가 TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display : 초박막트랜지스터 액정표시장치)이다. 즉 액정 화면의 화소 하나하나의 색을 제어하는 트랜지스터의 스위치 역할로 각 화소가 ON-OFF됨에 따라 정보가 표현되면서 화면이 나타나는 것이다. 이 경우 하나의 화소마다 전자소자가 있어 제어속도가 빠르므로 동영상을 처리하는 데 유리하다.

그러나 지금과 같은 개념의 디스플레이가 탄생하기 위해서는 그만큼 과학이 발전해야 했으므로 1968년에야 비로소 미국의 RCA사가 액정을 이용한 디스플레이를 처음으로 내놓았고 1973년부터 시계와 전자계산기, 1990년대에 들어와 노트북 화면으로 이용되면서 폭발적으로 보급되고 있다.

LCD는 낮은 전압으로도 분자배열을 쉽게 조절할 수 있으므로 소비전력이 적고 브라운관처럼 전자총을 이용하지 않으므로 전자파가 없다는 장점이 있다. 그러나 LCD는 편광판을 사용하기 때문에 보는 각도에 따라 광의 투과량이 달라져, 정면에서 볼 때는 화면의 색상이나 화상이 제대로 보이지만, 옆에서 보면 색상이 엉망이 돼 화질이 나빠진다. LCD로 CRT와 같은 고화질을 얻기 위해 시각을 넓히는 연구가 계속되고 있음은 물론이다.

인간의 욕심은 한이 없어 LCD의 단점을 그대로 둘 리 만무다. 이런 용도로 개발된 것이 플라스마라는 기체의 방전 현상을 이용해 만드는 PDP(Plasama Display Panel)다. 전자제품 전시장에 가면 엄청난 화면이 있는데 두께가 얇고 무게가 가벼운 것은 물론 TFT-LCD처럼 비스듬하게 보았을 때 시각 문제가 일어나지 않는다.

PDP 디스플레이의 구현은 매우 단순하다. PDP는 LCD와는 달리 저온플라스마를 통해 자체에서 빛을 내는 ‘발광형’이다. 즉 형광등처럼 기체를 방전시켜 형광물질에서 빛을 발산하는 것이다. PDP는 두 장의 유리 기판 사이에 액정 대신 아르곤이나 크세논, 네온을 혼합한 기체를 넣고 전압을 걸면 플라스마와 함께 자외선이 방출된다. 그리고 자외선은 다시 적색, 청색, 녹색의 특정 파장을 가는 형광 물질에 부딪혀 빛을 낸다. 간단하게 말해 PDP는 플라스마에서 자외선을 발생시키고 이것이 색을 입힌 형광체를 자극해 자연색에 가까운 컬러 화면을 구현하는 것으로 수백만 개의 아주 작은 형광등을 화소마다 집어넣은 구조로 생각하면 이해가 쉽다.

PDP는 스스로 빛을 내면서 영상을 만들므로 LCD보다 화면 응답속도가 빠른 것이 장점이다. 따라서 재빠른 움직임이 많은 스포츠 중계나 액션영화를 보는 데 적격이다. 그런데 PDP는 LCD보다 전력 소모가 많다. LCD는 1시간 당 소비전력이 200W이지만 PDP는 270W 정도이다. 이것은 PDP에서 플라스마 상태를 만드는 전압이 높기 때문이다. 현재 이런 문제점을 해결하기 위해 과학자들이 총력을 기우리고 있음은 물론이다.

PDP원리도 매우 오래전부터 알려진 것이다. 그러므로 1927년 벨시스템사가 개발한 가스방전 현상을 TV에 적용할 정도이다. 그러나 처음에 개발된 제품은 기술적인 문제들이 해결되지 않아 답보상태에 있다가 1964년 미국 일리노이대에서 현재와 같은 개념의 PDP를 처음 화면으로 나타내는데 성공했다. 이후 PDP 역시 보급되기 시작하여 1994년에 이미 40인치급 대형 TV용 PDP가 개발되어 시청자들을 즐겁게 한다. 물론 아직까지 PDP는 ‘전기 먹는 하마’이지만 매사가 그렇듯 단숨에 배부를 수는 없는 일이다.

전압을 가하면 스스로 발광하는 유기발광소자를 이용한 ‘유기EL’도 등장했다, 1987년 미국의 이스트먼코닥사가 처음으로 발표했고 일본, 한국 등이 뛰어들어 전 세계적으로 개발 경쟁이 가속화되고 있다. 유기EL이 주목을 받는 것은 가지고 다니면서 읽을 수 있는 두루마리 디스플레이의 가능성을 높여주기 때문이다.

유기EL 소자는 양극과 음극 사이에 두께가 100～200nm 정도인 유기박막층이 있는 구조로 돼 있다. 유기박막층은 단일 물질로 제작할 수도 있고 복합 유기물질의 다층구조로 사용하기도 한다. 또한 발광효율을 높이기 위해 발광층에 발광효율이 우수한 유기색소를 약 0.1～10퍼센트 정도 도핑한다. 이 박막층은 CRT에서의 형광체와 같은 역할을 하기 때문에 이를 이용해 만든 소자에 전류를 흘려주면 빛이 발생하는 것이다.

2014년 청색LED 발현에 성공하여 노벨상을 수상한 LED기술이 TV에 접목되었다.

LED 백라이트 LCD 텔레비전이라 부르는데 CCFL 대신 LED를 백라이트로 사용하는 LCD TV다. LCD는 그 자체로 빛을 내지 않으므로 백라이트를 사용하는데 일부 업체에서 LED TV라고 칭하고 있으나 엄밀한 의미에서 대부분은 LED 백라이트 LCD 텔레비전이다. LED 자체에서 색상을 표현해야 LED TV라 부를 수 있다는 뜻이다.

LED 백라이트 LCD 텔레비전이 각광을 받는 것은 CCFL을 사용하는 LCD TV에 비해 더 얇은 패널, 적은 전력 소모, 더 밝은 특징을 가지기 때문이다.

LED 백라이팅 기술은 세가지로 설명된다.

① RGB 다이내믹 LEDs

각각의 LED 블록이 적색(R), 녹색(G), 청색(B)으로 이루어진 형태로 입력되는 신호의 색상에 맞는 LED를 밝혀 필요한 부분에 선택적으로 빛을 공급하는 방식으로 어두운 색 표현의 경우 LED가 완전 소등될 수도 있다.

 

② 엣지방식

패널의 가장자리에 LED 백라이트 유닛을 배치하는 방식으로 도광판을 통해 빛을 반사/확산시켜 전면으로 보내는 방식. 매우 얇은 패널을 만들 수 있다.

 

③ 직하방식

LCD 뒷면에 LED 백라이트 유닛을 배치하는 방식으로 엣지방식에 비해 더 많은 LED를 사용한다. 필요에 따라 점등, 소등하여 색상 재현력을 높이기도 한다.

 

참고문헌 :

 

「꿈을 표현하는 디스플레이」, 염정덕, 과학동아, 1999년 1월

「텔레비전의 등장」, 홍대길, 과학동아, 1999년 4월

「종이처럼 얇고 입체화면이 가능한 디스플레이」, 박희동, 과학과기술, 2005년 7월

「LED-백라이트 LCD 디스플레이」, 위키백과

『20세기 대 사건들』, 리더스다이제스트, 1985

『문화와 유행상품의 역사(2)』, 찰스 패너티, 자작나무, 1997

『사이언스 오딧세이』, 찰스 플라워스, 가람기획, 1998

『유레카』, 레슬리 앨런 호비츠, 생각의 나무, 2003

『과학에 둘러싸인 하루』, 김형자, 살림, 2008

『내가 가장 닮고 싶은 과학자』, 이세용, 유아이북스, 2017