삼성전자가 2017년부터 판매하는 QLED TV는 기존 LED TV에 삼성전자 자체의 퀀텀닷 기술을 반영해 만든 새로운 형태의 TV다. 2017년 QLED TV 출시 이후 올해 상반기까지 글로벌 누적 판매량이 500만대를 돌파했으며 올해 말까지 누적 판매량은 800만대를 넘을 것으로 보인다.
QLED TV는 유기발광다이오드(OLED) TV와 함께 프리미엄 TV 시장 양대 축으로 자리잡았다. 시장조사업체 IHS에 따르면 올해 상반기 글로벌 판매량은 QLED TV가 212만대, OLED TV는 122만대가 판매됐다. 최근 QLED와 OLED 기술 논란에도 불구하고 판매 수량에서는 OLED TV를 크게 앞지르고 있다. 그렇다면 QLED TV는 어떤 장점이 있길래 글로벌 소비자 선택을 받은 것일까. 지금부터 QLED TV에 담긴 기술에 대해 살펴보자.
◇퀀텀닷(Quantum Dot)이란
먼저 QLED TV에 적용된 퀀텀닷 기술을 이해하기 위해서는 '퀀텀닷' 이라는 물질에 대한 이해가 필요하다.
퀀텀닷은 한글로 양자점이라고 불린다. 양자점은 반도체 나노입자라고 설명할 수 있다. 나노입자는 나노미터(㎚) 크기 입자다. 나노미터는 10의 -9승 미터, 즉 10억분의 1미터다. 지구를 지름 1m 크기 구라고 가정했을 때 나노미터 크기는 탁구공 1개 크기와 같다.
그럼 양자점이라 불리는 퀀텀닷은 어떤 특징들을 가질까.
물질을 10㎚ 이하로 작게 쪼갤 경우 물질 고유의 성질이 변하고 이 물질에 빛 또는 전기에너지를 가하면 그 크기에 따라 다양한 색깔을 낸다. 퀀텀닷은 10㎚ 이하 사이즈로 만든 반도체 물질로 이해하면 되는데 6㎚ 이상 크기 퀀텀닷은 빨간색, 3~5㎚는 초록색, 이보다 더 작은 2㎚ 이하 퀀텀닷은 파란색을 띈다.
빛은 적외선(빨간색)에서 자외선(파란색)으로 갈수록 에너지를 많이 가지는데, 퀀텀닷은 자기보다 높은 에너지를 받으면 자기가 가지고 있는 색상을 방출한다. 즉, 빨간색 퀀텀닷에 파란색을 쏘이면 빨간색 빛을 방출한다. 이런 원리로 퀀텀닷을 이용한 디스플레이에서는 광원을 백색광(흰색)이 아닌 청색광(파란색)으로 사용한다.
◇삼성 퀀텀닷 기술의 특별함은
퀀텀닷은 1983년 러시아 학자 3명이 스테인드글라스를 연구하는 도중 카드뮴이 포함된 퀀텀닷 물질을 발견했다. 이후 다양한 과학자들이 퀀텀닷 연구개발에 뛰어 들었다. 삼성종합기술원도 2000년 초부터 퀀텀닷 기술을 중장기 개발 과제로 선정하고 연구개발을 시작했다.
2012년 삼성은 퀀텀닷 물질을 OLED를 대체할 수 있는 소자로 평가하고 양산 검토에 들어 갔다. 하지만 당시 카드뮴이 국제적 유해물질로 규정되어 있어서 카드뮴을 사용하지 않는 퀀텀닷 물질을 다시 개발하기로 결정했다.
당시 카드뮴 없는 퀀텀닷 개발은 불가능한 일로 여겨졌었는데 삼성기술원을 중심으로 '카드뮴 프리 퀀텀닷' 개발에 도전해 2015년 개발에 성공했다.
카드뮴 프리 퀀텀닷 기술은 양산화가 매우 어려워 삼성은 수년 동안 카드뮴 프리 퀀텀닷 기술을 채용한 유일한 기업의 지위를 유지해왔다. 또 삼성기술원은 카드뮴 프리 퀀텀닷 기술과 관련된 다양한 특허도 보유했다.
◇QLED란
QLED란 1990~2000년대초 퀀텀닷을 연구하던 일부 학자들이 명명한 학술용어로 빛 또는 전기를 가하면 빛을 내는 반도체 소자를 활용한 '차세대 디스플레이'를 뜻한다.
삼성은 QLED와 관련된 원천 특허 기술들을 다수 확보하고 있으며, 업계 최초로 카드뮴 없는 퀀텀닷 TV 양산화에도 성공했다. 또 2017년에는 카드뮴 없는 퀀텀닷 물질을 사용한 차세대 TV를 QLED TV로 명명했으며, 업계 최초로 컬러볼륨 100%, 5000nit 밝기 등을 구현했다. 2018년에는 8K 초고해상도 제품도 선보였다.
삼성은 QLED에 대해 향후 개발될 수 있는 다양한 퀀텀닷 디스플레이를 아우르는 것이라고 지속적으로 커뮤니케이션하고 있다.
퀀텀닷 디스플레이 방식은 현재까지 크게 3가지 정도를 구현 가능할 것으로 보고 있다. 현재 QLED TV에 적용한 '퀀텀닷 필름' 방식, '퀀텀닷 컬러필터' 방식, 그리고 퀀텀닷 디스플레이 최종단계인 퀀텀닷 스스로 빛과 색을 내는 '자발광/자발색 퀀텀닷' 방식이다.
첫번째 '퀀텀닷 필름' 방식은 삼성이 현재 판매하는 QLED TV에 적용한 기술이다. 현재 판매되는 퀀텀닷 기술 적용 디스플레이는 이 방식의 QLED TV가 유일하다.
QLED TV는 기존 LED TV 구조에 퀀텀닷 필름을 넣어 디스플레이 특성들을 아주 높게 끌어올린 제품이다. 기존 LED TV 광원에서 파란색 빛이 '퀀텀닷 필름'을 통과하면 빛의 3원색인 R(레드), G(그린), B(블루)가 기존 색 대비 훨씬 또렷해진다. 색재현성이 크게 향상돼 소비자들에게 풍부한 컬러감을 제공한다.
퀀텀닷은 나노 사이즈이기 때문에 외부 충격에 약한 단점이 있다. 그렇기 때문에 메탈로 퀀텀닷을 한번 감싸고 습기와 산소로부터 강한 필름으로 이를 덮어 보호한다. 퀀텀닷 필름을 아무 기술도 없는 저렴한 것이라고 하는 얘기들이 있는데 이것은 기술을 모르는 사람들이 하는 얘기일 뿐이다.
두번째 '퀀텀닷 컬러필터' 방식은 삼성디스플레이가 '퀀텀닷 필름' 방식 이후를 위해 준비하는 기술로 LED TV나 LG전자 wOLED TV에 들어가 있는 컬러필터를 퀀텀닷 기술이 들어 있는 '퀀텀닷 컬러필터'로 바꾸는 것이다. 이 방식은 백라이트도 기존 LED 백라이트에서 OLED 청색광을 백라이트로 쓰기 때문에 퀀텀닷 기술 색재현성과 OLED 기술 슬림화 기술을 하이브리드 형태로 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
마지막으로 QLED 최종 단계는 '자발광/자발색 퀀텀닷' 기술이다.
말 그대로 스스로 빛과 색을 모두 내는 퀀텀닷 기술 끝판왕으로 현재 삼성 갤럭시 스마트폰에 적용한 RGB OLED 기술과 비슷한 형태다. 하지만 퀀텀닷의 경우 OLED와 달리 무기물을 사용하기 때문에 화면이 타들어가는 번인 현상이 없고 수명도 유기물인 OLED보다 더 길다는 장점이 있다.
◇퀀텀닷 디스플레이 장점은
퀀텀닷 디스플레이 장점은 크게 4가지로 볼 수 있다.
첫 번째, 또렷한 색감이다.
빛의 3원색인 R, G, B는 각각의 파장을 가지고 있다. 파란색 쪽으로 갈수록 파장 길이가 더 작고, 빨간색으로 갈수록 파장 길이가 더 커진다. 하늘에 떠 있는 무지개를 보면 빨간색부터 보라색까지 모두 볼 수 있는데 빛을 파장별로 정렬해서 놓고 보면 아래 표와 같이 표현할 수 있다.
표에서 볼 때 오른쪽부터 왼쪽까지 무지개에서 볼 수 있는 다양한 색깔들을 볼 수 있다. 그런데 자세히 살펴보면 오른쪽 wOLED와 왼쪽 퀀텀닷 색 파장 경계가 서로 다름을 알 수 있다.
왼쪽 퀀텀닷 RGB는 경계가 뚜렷하기 때문에 RGB 각각 색을 또렷하게 낼 수 있다. 하지만 오른쪽 wOLED는 RGB 각각 경계가 또렷하지 않아 중간지대 색이 혼색될 수 있다.
퀀텀닷은 색과 색 사이의 빈치폭(Wavelength)이 좁아 RGB 원색 주변에 다른 색이 섞이지 않기 때문에 순도 높은 색 구현이 가능하다.
두 번째, 높은 밝기를 구현할 수 있다.
퀀텀닷은 2000nit가 넘는 휘도 구현이 가능하지만 OLED는 최고 700nit 정도 밝기만을 구현할 수 있다. 물론 OLED도 밝기를 더 늘릴 수 있으나 이럴 경우 색과 색 경계를 허물어뜨려 색감을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또 밝기를 지속적으로 밝게 할 경우 유기물인 OLED 수명에 영향을 미친다.
세 번째, 빛 파장대 조절이 용이하다.
OLED와 같은 유기물은 RGB 색을 이루는 유기물질들 구조가 전부 다르기 때문에 개발이 쉽지 않고 색 파장대를 조절하기도 어렵다. 하지만 퀀텀닷은 물질 자체는 모두 같고, 크기에 따라 파장대가 변하기 때문에 RGB 세 가지 색을 쉽게 조절할 수 있다.
네 번째, 수명이 길다.
현재 OLED는 유기물이기 때문에 전압을 지속적으로 가하면 수명에 한계가 올 수 있다. 하지만 퀀텀닷은 금속인 무기물이기 때문에 유기물인 OLED 보다 수명이 훨씬 길다.