개구율(aperture ratio)은 단위 화소에서 실제로 빛이 나올 수 있는 부분의 면적 비율입니다. 빛이 가려지는 부분은 주로 TFT와 회로 어셈블리 영역입니다. 개구율이 높으면 동일 전력에 대해 밝기가 증가하거나 동일 밝기에 대해 소비 전력이 감소합니다. 효율이 높아지며, 특히 OLED와 같이 누적 전류량에 의해 열화 현상을 보이는 디스플레이에서는 개구율의 증가가 수명 연장에 매우 중요하죠. 전면 발광 OLED의 경우, TFT에 의해 빛이 가려지는 부분이 거의 없어서 후면 발광 OLED보다는 높은 개구율을 얻을 수 있습니다.

현재는 개구율에 상대적으로 민감한 모바일 기기용 소형 OLED가 전면 발광 방식을 택하고 있지만, TV 등 대형 OLED에서도 해상도 증가, 화소 크기 감소가 중요한 이슈가 되면 역시, 개구율 확보를 위하여 전면 발광을 고려할 수도 있겠지요. OLED의 경우에 말입니다. 다만, RGB OLED 방식의 경우, 여전히 RGB 화소들 간의 경계가 겹치는 것을 방지하기 위하여 필요 이상의 공정 마진을 두고 있어 개구율이 50% 이하에 머무르고 있으며, 따라서 마스크 정렬이나 증착 등의 공정 개선을 통하여 비발광 지역(deadzone)을 줄이는 것이 중요합니다.

 

성능과 특성 용어와 의미, 다이내믹 레인지와 HDR   >>

디스플레이의 화질을 높이는 데에는 5가지 요소가 있습니다. 이미 설명한 색영역과 함께 색심도, 프레임 속도, 해상도, 그리고 넓은 다이내믹 레인지입니다. 즉, 색영역은 표시할 수 있는 색상의 범위를 나타내며, 색의 선명도, 자연스러움과 관계됩니다. 색심도는 각각의 부화소가 표시할 수 있는 원색의 밝기를 세분화 시키는 정도이며, 화소가 표시할 수 있는 색상의 수와 색상 변화의 섬세함을 결정합니다. 프레임 속도는 1초에 표시될 수 있는 영상의 수입니다. 속도가 증가할수록 영상에서 움직임이 부드러워지죠. 해상도는 화소의 화소의 개수입니다. 동일 크기의 화면에서는 화소의 수가 많을수록, 즉, 해상도가 증가할수록 이미지 디테일이 섬세하여집니다. 그리고 다이내믹 레인지(dynamic range)는 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분의 밝기 차이, 즉 명암의 범위를 표현하는 단위로써, 영상의 밝기의 범위, 세분화와 특히 관계가 있습니다.



과거의 브라운관 TV를 사용하던 시절, 20여전의 기술 표준은 표준 다이내믹 레인지(Standard Dynamic Range, SDR)이었죠. 이는 0 ~ 100니트(nit) 범위의 명암 표현력과 8 비트(bit)의 색 표현력으로 1,600만여개의 색을 표현할 수가 있습니다. 하지만 이는 인간의 눈이 인식할 수 있는 명암과 색의 수에는 미치지 못하죠. 과학자들에 의하면 인간의 눈은 0 ~ 4,000니트의 명암과 백만 개에서 1억 개에 이르는 색을 인식할 수 있다고 합니다. 따라서, 더 넓은 명암 범위와 더 많은 색의 수를 필요로 하게 되며, 이를 구현하는 것이 광범위 다이내믹 레인지(High Dynamic Range, HDR) 기술입니다. 즉, 화면의 밝고 어두운 정도의 범위를 넓혀, 밝은 부분은 더 밝고 세밀하게 보여주고, 어두운 부분은 더 어둡게 표현하되 사물이 또렷하게 보이도록 하는 이미지 표현 기술이죠.

HDR 영상은 콘텐츠와 디스플레이, 두 가지의 요소가 제대로 갖춰져야 합니다. 콘텐츠는 일반적으로 HDR 전용 영상 카메라로 촬영을 하죠. 이는 일반 카메라보다 넓은 범위의 명암을 담을 수 있어서 한 장면 안에 밝기 차이가 심한 경우에도 왜곡되지 않는 영상 데이터를 생성, 보존할 수 있습니다. HDR 규격은 영상 콘텐츠 안에 컬러, 밝기, 명암 정보 등을 담은 별도의 데이터를 저장할 수 있도록 했고, 이 작업은 보통 편집 과정에서 이루어집니다. 그리고 디스플레이에서 재생이 될 때 저장된 데이터들이 화면에 반영됩니다. 또한 HDR 규격에서는 영상을 재생할 때 서로 다른 각각의 디스플레이에서도 최고의 화질을 보여줄 수 있도록 약속된 처리 규약이 있고, 디스플레이에서는 이 규약에 따라 HDR 효과를 살려 콘텐츠를 올바로 재현하는데, 이러한 과정을 톤매핑(tone mapping)이라고 합니다. 따라서 HDR 콘텐츠를 제대로 표현하기 위해서는 디스플레이에서도 이를 표현할 수 있는 성능이 필요하며, 이를 배경으로 디스플레이가 갖춰야 할 일정한 기준이 마련되었습니다.

대표적인 HDR 규격이 ‘HDR10’과 ‘돌비 비전(Dolby Vision)’입니다. HDR10은 1천니트의 밝기와 10비트(약 10억 가지의 색상)의 색심도로 규격을 정하였고, 돌비 비전에서는 1만 니트의 밝기와 12비트(약 68억 가지의 색상)의 색심도로 보다 높은 기준을 제시하고 있습니다. 높은 해상도와 함께 HDR로 색과 명암의 표현력까지 높아지면서, 자연에 가까운 고화질 콘텐츠를 즐길 수 있게 되자, HDR은 TV뿐만 아니라 모바일 기기에서도 채택이 되고 있습니다. 그리고 디스플레이의 발전과 동시에 HDR 콘텐츠도 헐리웃 영화사들을 중심으로 본격적으로 제작되고 있으며, HDR을 통하여 앞으로 보다 다양하고 생생한 영상을 경험할 수 있을 것입니다.

 

성능과 특성 용어와 의미, 명암비  >>

명암비(contrast ratio), 혹은 대조비는 디스플레이가 표현하는 최대 휘도와 최소 휘도의 상대적인 비율입니다. 어떤 디스플레이의 명암비가 10,000:1이라면, 최대 휘도가 최소 휘도의 1만 배라는 뜻입니다. 또한 아주 밝은 색부터 가장 어두운색까지 최대 10,000 단계의 명암을 구분할 수 있다는 의미로, 명암비가 높을수록 우수한 화질을 구현할 수 있습니다. 명암비가 중요한 역할을 하는 이유는 인간의 눈이 밝기를 절대적으로 인지하지 못하기 때문입니다. 즉, 밝고 어두운 것을 상대적으로 느끼게 되죠.

동적 명암비라는 표현도 있는데, 이는 LCD의 경우, 어두운 화면에서는 백라이트의 밝기를 낮춰 어두운 부분의 디테일을 확인할 수 있게 하고, 밝은 화면에서는 백라이트의 밝기를 높여 밝은 부분을 잘 보여주는 기능입니다. 즉, 한 장면이 아닌 여러 장면들에서 가장 밝은 색과 가장 어두운색간의 휘도 비율을 뜻하는 것으로 실제의 명암비보다 큰 값이 얻어집니다.

 

성능과 특성 용어와 의미, 색심도와 계조, 감마 보정  >>

흑백 디스플레이는 블랙과 화이트 2개, 혹은 둘 사이의 밝기를 변화시켜가며 몇 개의 그레이만을 표현하고, 디자이너가 사용하는 디스플레이는 수십억  개의 색을 표현하기도 합니다. 디스플레이가 얼마나 많은 색상을 표현할 수 있는지를 나타내는 수치가 색심도(color depth), 즉 색의 깊이이며, 표현 단위로는 비트(bit)를 사용합니다. 일반적으로 색심도가 낮은 디스플레이는 색과 영상이 자연스럽지 못하고, 색심도가 높은 디스플레이일수록 화면이 다양하고 자연스러운 색과 영상을 표현할 수 있습니다. 색심도의 단위인 비트의 개념부터 보겠습니다.

기본적으로 비트는 0과 1로 이루어진 디지털 정보 단위입니다. 일반적으로 0은 꺼짐(off)을, 1은 켜짐(on)을 뜻하죠. 먼저 흑백 TV를 예로 들어보면, 화소를 표현할 때 검은색을 0, 흰색을 1이라고 가정하면 이 디스플레이는 화소마다 흑과 백, 2가지 색의 선택이 가능해지죠. 비트는 2진법 개념이므로 숫자 2의 제곱수를 비트수로 이해하면 됩니다. 즉, ‘2의 1제곱 = 2’이므로 두 가지 색상을 표현할 수 있다는 뜻이며, 따라서 흑백 TV는 색심도가 1비트인 디스플레이입니다.

이번에는 컬러 TV로 설명해보죠. 컬러 TV는 일반적으로 R, G, B, 3가지 원색을 부화소로 두고 이들의 조합을 통해 색을 표현합니다. 그러므로 기본적으로는 R이 켜지면 1, 꺼지면 0으로 놓는 2가지 옵션이 있다면 G와 B 또한 각각 2가지 옵션을 가질 수 있습니다. 이렇게 되면 ‘2의 3제곱 = 8’이 되면서 8가지 색상의 조합을 만들 수 있죠. 부화소의 비트로는 1비트이며, 화소의 비트로는 3비트가 되는 것입니다. 이때 색이 표현되는 방식을 2진법으로 설명해보면 부화소 R=1(켜짐), G=0(꺼짐), B=0(꺼짐)으로 놓으면, 이 픽셀은 빨간색이 됩니다. R=1, G=1, B=1로 놓으면 하얀색이 되고, R=1, G=1, B=0으로 놓으면 R과 G가 섞인 노란색이 됩니다. 모든 부화소를 0으로 놓으면 검은색이 되겠죠. 단순히 원색만 존재할 경우에는 위와 같이 화소당 3비트, 곧 8가지 색으로만 표현하겠지만, 부화소들은 각각의 원색들마다 여러 단계로 ‘짙음’과 ‘연함’을 나눌 수 있습니다. 이를 계조(gradation)라 합니다. ‘계조’란 사전적 의미로 ‘이미지에서 농도가 가장 짙은 부분에서 가장 옅은 농도까지의 농도 이행 단계’인데, 쉽게 설명하면 가장 어두운(짙은) 부분과 가장 밝은(연한) 부분을 동일 간격으로 나누어 표현하는 정도를 의미합니다. 즉, 계조가 클수록 많은 색을 표현할 수 있으므로 색이 더 자연스럽게 표현됩니다. 예를 들어 3개의 부화소들, 즉 각각의 RGB 3원색에 대해 3비트의 색심도를 적용하면, 각각의 계조는 ‘2의 3제곱 = 8’이 되고, 화소가 표현할 수 있는 색의 수는 ‘2의 3제곱 x 2의 3제곱 x ‘의 3제곱 = 2의 9제곱 = 512개’가 됩니다. 같은 계산으로 부화소의 색심도가 8일 경우에는 부화소의 계조는 256이 되고, 화소가 만들 수 있는 색은 16,777,216개가 되죠. 즉, 화소가 만들 수 있는 색의 수는 ‘2의 R 비트수 제곱 x 2의 G 비트수 제곱 x 2의 B 비트수 제곱’으로 계산됩니다. 제품을 예로 들어보면 S사의 ‘HDR10’은 색심도로 부화소 기준 10비트, ‘돌비 비전’은 부화소 기준 12비트의 규격입니다. 이때, ‘HDR10’은 1,073,741,824, 약 10억 가지의 색을 표현하고, ‘돌비 비전’은 68,719,476,735, 약 68억 가지 색을 표현할 수 있습니다. 참고로, 현재 대부분의 TV, 모니터, 스마트폰 등의 디스플레이들은 부화소 8비트, 화소 24비트의 색심도를 가지며, 256계조로 약 1,677만 컬러를 표현합니다.

색심도에 따라 계조를 구현하는 방식, 즉, 밝기를 등분하는 방법은 디스플레이마다 다르나 크게는 전압이나 전류 변화로 화소의 밝기를 조절하며, 이로써 구동 방식이 결정되죠. LCD는 전압 구동형으로 전압을 변화시키면서 부화소들의 밝기를 조절하며, OLED는 전류 구동형으로 전류 변화로 밝기를 조절합니다. 이와 같이 부화소들의 밝기가 조절이 되고, 따라서 화소들의 밝기와 색이 독립적으로 조절되면서 디스플레이의 화면에는 다양한 영상들이 표현됩니다.

계조와 함께 ‘감마(gamma)’를 짚고 넘어가죠. 감마는 디스플레이에 입력되는 신호의 밝기(gray level), 즉 계조와 화면상에 나타나는 영상의 휘도 간의 상관관계를 결정하는 수치입니다. 감마값에 따라 같은 화면이라도 표현되는 밝기 톤의 차이가 달라집니다. 감마값이 1인 경우는 계조 입력과 휘도 출력의 밝기가 같지만, 1보다 크면 중, 저계조 영역에서 화면이 더 어둡게 표현이 되고, 반대로 1보다 작으면 밝게 표현이 됩니다. 예를 들어 0부터 255까지 계조수가 증가할수록 밝기도 증가하는데, 감마가 1이라면 계조에 따른 휘도가 직선적, 즉 정비례 관계로 그려집니다. 하지만, 인간의 눈은 어두운 곳에서의 휘도 차이는 잘 구분하지만 밝은 곳에서는 휘도 구분에 둔감하므로 계조수가 높아질수록 밝은 색의 구분이 어려워지죠. 이를 보완하기 위하여 인간의 눈에 최적화된 감마값 보정이 필요하며, NTSC에서는 표준 감마값을 2.2로 규정합니다. 이는 중, 저계조 영역에서는 계조 변화에 따른 휘도의 변화가 작지만 고계조로 갈수록 휘도의 변화, 즉 계조 - 휘도간의 기울기가 커지도록 보정한 것입니다. 즉, 고계조 영역에서 밝기의 구분이 보다 수월해집니다. 

 

<다음호에 이어서 계속>

 

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