이한배
◇83년 성균관대학교 기계공학과 졸업
◇84∼90년 고려시스템 컴퓨터 개발팀
◇90년 LG전자 입사
◇94년 43인치 CRT 프로젝션TV 광학계 개발
◇95년 46인치 와이드 프로젝션TV 광학계 개발
◇98년 XGA급 LCD프로젝터 개발
◇현재 LG전자 디스플레이연구소 책임연구원
컬러TV를 중심으로 한 영상기기가 반도체·전자기술의 발전과 방송매체의 보급확산에 힘입어 발전을 거듭하고 있다. 특히 지난 80년대 후반부터 반도체 기술의 급격한 성장에 기반을 둔 플랫 패널(Flat Panel)형 화면표시장치(Display Device)가 등장하기 시작했고, 90년대에 들어서도 컴퓨터(PC)의 성능향상과 대중화 추세에 발맞춰 영상기기 분야는 멀티미디어와 디지털 시대의 문턱에 가장 먼저 발을 들여놓고 있다. 역사적으로 투사형 디스플레이는 영사기(필름), 유막방식, CRT를 거쳐 LCLV(Liquid Crystal Light Valve), 다결정형 LCD, DMD(Digital Micromirror Device)를 사용하는 프로젝터(Proj ector)가 상용화된 데 이어 현재 PDLC(Polymer Disperse Liquid Crystal), TMA(Thin-film Micromirror Array Actuated), 반사형 LCD 등의 성능개선을 위한 노력이 경주되고 있다.
투사형 디스플레이는 사용자의 큰 화면에 대한 욕구충족, 고화질과 소형 경량의 편리성, 저렴한 가격과 새로운 영상신호환경에 대한 대응은 물론이고 궁극적으로 새로운 초대형 TV로 활용할 수 있는 기술개발이 진행되는 추세다.
지난 60년대 영상기기 분야의 기반기술인 CRT·광학기술을 바탕으로 개발된 CRT형 프로젝션은 고화질·고휘도의 큰 화면을 제공할 수는 있었으나 크기·소비전력·고가격의 단점으로 넓게 보급화되지 못했다. 이를 극복하고자 플랫 패널형의 디스플레이 기술 개발이 활발하게 전개됐는데, 궁극적으로는 소형·박형의 플랫 패널로 빛의 투과량을 조정할 수 있는 구성·동작특성을 갖는 장치를 만드는 것에 매달려왔다. 그런데 이 과정에서 소형의 자체 발광형으로 큰 화면을 투사할 만큼의 충분한 밝기를 제공하는 휘도를 가진 소자가 없어 별도의 광원을 채택하는 형태가 일반화됐다.
이에 선도적으로 선택한 소재가 LCD였다. 현재 투사용 LCD는 고화질을 제공할 수 있도록 TFT(Thin Film Transistor)의 전극소자와 TN(Twist Nematic) 액정을 사용하는 방법을 지속적으로 채택하고 있다. 또 구동소자 구성에 있어서는 소형 고밀도화와 고개구율(빛의 투과면적), 구동회로의 집적화에 유리한 다결정 Si형(p Si)으로써 정착되는 단계에 있다.
LCD 프로젝터는 지난 89년 10만 화소급(1.3인치급 p Si형 또는 3인치급 a Si형) LCD가 채택된 이후 LCD의 해상도를 증가시키는 제품과 기술에 주안점을 둔 생산기술의 발전이 거듭되고 있다. 이에 따라 최근에는 0.9인치에 XGA급(1024×768화소) 해상도를 달성하기에 이르렀다.
투사형 프로젝터로 큰 화면을 구현할 때 선명한 화질을 제공하려면 밝기가 중요한 요소로 등장하기 때문에 이에 대한 기술개발이 또 하나의 이슈로 등장했다. 이것은 크게 두가지로 분류할 수 있는데, 그 하나는 광원에서 스크린에 이르는 광학계의 광효율을 증대하는 것이고, 다른 하나는 고밀도화(고해상도)에 따른 LCD의 투과율(개구율)을 확보하는 것이다.
특히 LCD의 개구율은 급격한 기술향상으로 p-Si형 LCD에 의해 1.3인치 크기의 XGA급 해상도에 대해 50∼65%를 확보하기에 이르렀다.
또 광학계의 광효율 향상에 있어 가장 중요한 것은 광원이다. 점광원에 가깝고 발광효율(가시광속출력효율)이 높아야 하며 색의 분포가 태양광에 가까운 고온의 색온도를 가져야 한다. 이러한 광원으로 메탈 할라이드(Metal Halide) 및 고압 수은 램프(Lamp)의 고압 방전램프가 개발됐다. 투사용 광원으로서의 기술개발도 향상돼 현재 100∼250W의 저전력 램프로도 성능을 어느 정도 만족시킬 수 있게 됐다.
그러나 최근의 소비자 욕구와 필요를 충족시키기 위해서는 한 단계 더 향상된 기술을 필요로 하고 있다. 특히 액정 프로젝터가 가정용 TV와 PC모니터로까지 활용되기 위해서는 최소 1만∼2만시간대의 수명을 확보하는 것이 최대 관건이 되고 있다.
LCD는 빛의 편광특성을 이용해 입사된 빛을 영상신호(전압)에 따른 액정의 재배열로 화면을 출력하고, 이것을 또 다른 선편광소자를 이용해 투과하는 빛의 양을 조절하는 구동특성에 따라 디스플레이되기 때문에 광원에서 출력되는 편광에 대해서는 편광선택에 따른 30∼40% 정도의 투과율밖에 갖지 못하는 단점이 있다. 이를 극복하고자 광학계 구성기술도 향상돼 최근에는 편광 변환소자를 사용하는 광학계 구성으로 기존에 비해 1.5배 이상의 광효율을 갖게 됐다.
이와 함께 LCD에 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)를 부착함으로써 LCD의 실광 투과율을 70∼80%로 향상시켰고, 광학소자의 투과율 증대에 의한 효율향상이 보완적으로 진행되고 있다. 또한 LCD는 플라이 아이 렌즈 어레이(Fly Eye Lens Array) 구성으로 80% 이상의 밝기 균질성을 달성함으로써 화질의 선명성을 더욱 우수하게 제공할 수 있고, 격자소자에 의한 탈화소화(Depixelization) 화면을 구현함으로써 해상도의 저하 없이 부드러운 영상을 제공하는 노력도 견주되고 있어 큰 화면 디스플레이로서 위치를 다지고 있다.
LCD 외에 최근 2∼3년 전부터 투사형 디스플레이 소재로 부각되는 것이 TI사의 반사형 디바이스인 DMD(Digital Micromirror Device)다.
DMD는 먼저 상용화된 투과형 LCD에 비해 반사형이라는 특징을 갖는다. 실리콘 웨이퍼(Si Wafer)상에 상보성금속산화막(CMOS)의 구동소자를 둘 수 있는 반도체 공정에 의해 이뤄짐으로써 프로젝터의 소형화·고밀도화·저가격화가 가능하고, 해상도 증가와 무관하게 개구율을 90%대로 할 수 있다. 또한 편광과는 무관하게 작동함으로써 광효율이 일반적으로 3배 이상 높아진다는 강력한 장점이 있어 10여년 넘게 기술개발과 상용화가 추진되고 있다.
DMD는 특성상 디지털 구동을 하기 때문에 고주파의 회로 대응력을 갖출 경우 앞으로 디지털 환경에서의 응용성이 더욱 높아질 것으로 예상된다.
그러나 최근 LCD 타입이 SXGA급(1280×1024화소)의 고해상도 구현시에도 밝기가 향상되므로 DMD가 LCD보다 우월한 방식이라는 벽을 허물고 있다. 때문에 앞으로 가격과 소형·경량화 여부가 두 디스플레이 소재에 대해 상대적인 우위를 구분할 것으로 생각된다.
최근 프로젝터로 제품화된 디스플레이 소재로 LCLV형이 관심거리다. LCLV의 기본원리는 반사형 LCD와 유사하지만 소자의 뒷면에 있는 비가시광 발광형 CRT에 의해 출력된 빛이 소자에 있는 포토 컨덕티비티(Photo conductivity) 물질의 저항을 바꿈으로써 액정에 가해지는 전압을 변화시키는 신호전압 인가 방법이 다르다. 원리적으로는 화소의 구분이 없는 그림같은 영상을 제공할 수 있다는 특징이 있지만 결국에는 CRT에 의한 해상력과 인접된 영상신호 전압에 대한 액정의 독립성 확보 여부가 관건이다.
이 방식은 앞으로 특수용도의 대형 화면 디스플레이로서 제품을 차별화하는 길을 선택할 것으로 보인다.