LCD와 OLED의 작동 원리 및 장단점 ​​비교

01. LCD 및 OLED의 작동 원리

1.1. LCD 작동 원리

LCD의 단면도는 다음과 같으며, 아래에서 위로 백라이트 층, 수직 편광판, 양극 회로, 액정 층, 음극 회로, 수평 편광판, 컬러 필터의 7개 층 으로 구성됩니다.

• 가장 아래쪽의 백라이트 레이어는 백색광을 방출하며, 이 빛은 컬러 필터를 통과하여 해당 색상의 빛으로 변환됩니다. 참고: 백라이트는 각 픽셀 아래에 있는 독립적인 LED 램프가 아니라, 화면 전체가 하나의 큰 백라이트 레이어를 공유하는 방식입니다.

• 양극 회로 에 전압이 가해지면, 전압은 액정층을 통과하여 음극 회로 와 연결되어 고리를 형성합니다. 이 전압은 액정 분자를 비틀어 회전시킵니다. 이때 액정층은 셔터처럼 빛의 일부를 차단합니다. 전압의 크기를 조절함으로써 액정 분자의 비틀림 각도를 제어할 수 있고, 이를 통해 빨강, 초록, 파랑 ​​서브픽셀의 밝기를 조절할 수 있습니다. 밝기 비율을 변경하면 원하는 색상을 혼합할 수도 있습니다.

1.2. OLED 작동 원리

OLED는 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode) 의 약자입니다. LED 스크린과 마찬가지로 3개의 서브픽셀로 구성되어 있지만, 액정층과 백라이트층이 없다는 점이 다릅니다. OLED는 자체적으로 발광하는 특수 설계된 다이오드입니다. 다이오드에 전압, 즉 흐르는 전류를 조절하여 밝기를 변화시킴으로써 각 서브픽셀의 색상 비율을 제어하고, 최종적으로 원하는 색상을 구현할 수 있습니다.

• OLED는 백라이트 레이어가 없습니다. 각 픽셀을 독립적으로 켜고 끌 수 있습니다. 따라서 LCD 화면처럼 전체 백라이트 레이어를 동시에 켜야 하는 것과 달리, OLED 화면에서는 각 픽셀이 독립적으로 제어되는 램프처럼 작동합니다. 이러한 특징 덕분에 Always-On Display(AOD) 와 같은 기능을 구현할 수 있습니다. AOD는 휴대전화가 잠금 상태일 때 일부 픽셀만 낮은 밝기와 낮은 주사율로 켜서 시간, 알림, 기타 중요한 정보를 표시하는 기능입니다.

02. LCD와 OLED의 장단점 비교

2.1. OLED는 전력 소비량이 더 낮습니다.

• LCD 화면은 일단 켜지면 백라이트 전체가 켜지면서 지속적으로 전력을 소모합니다.

• OLED 화면은 순수한 흰색 이미지를 표시할 때만 LCD보다 전력을 더 많이 소모합니다. 하지만 각 OLED 픽셀의 밝기와 켜짐/꺼짐 상태를 독립적으로 제어할 수 있어 픽셀별로 밝기를 조절하거나 아예 끌 수도 있습니다. 따라서 흰색 화면을 장시간 사용하지 않는 한, OLED는 일반적으로 더 긴 배터리 수명을 제공합니다.

2.2. OLED는 명암비가 더 높습니다.

• 명암비는 가장 밝은 흰색과 가장 어두운 검은색 사이의 밝기 비율을 나타냅니다. 명암비가 높을수록 색상이 더 생생하고 채도가 높아집니다.

• LCD가 완벽한 검은색을 표현하려면 액정 분자들이 완전히 닫혀 방출되는 백라이트를 완전히 차단해야 합니다. 하지만 실제로는 분자 간 완전한 닫힘이 불가능합니다. 검은색을 표시할 때 미량의 흰색 빛이 새어 나오기 때문에 순수한 검은색이 아니라 상당히 흐릿한 회색으로 보이게 됩니다. 이러한 특성 때문에 LCD는 진정한 검은색을 표현할 수 없습니다.

• OLED는 백라이트가 없고 각 픽셀이 독립적으로 제어됩니다. 검은색을 표현하기 위해 해당 픽셀에 대한 전원을 완전히 차단할 수 있어 빛이 전혀 발생하지 않으므로 진정한 검은색을 구현할 수 있습니다. 따라서 OLED 화면은 명암비가 더 높습니다.

2.3. OLED는 응답 속도가 빨라 역동적인 디스플레이에 유리합니다.

• 동적 콘텐츠를 표시할 때 각 픽셀은 색상을 빠르게 전환해야 합니다. 이 전환에 필요한 시간을 화면의 응답 시간이라고 합니다. 응답 시간이 너무 길면 픽셀이 제때 색상을 변경하지 못하여 이전 프레임이 완전히 사라지기 전에 다음 프레임이 나타나 잔상이 발생합니다.

• LCD는 액정 분자의 비틀림을 제어하여 색상을 전환합니다. 이 비틀림 속도는 LCD의 회색에서 회색(GtG) 응답 시간을 직접적으로 결정합니다. 이 비틀림 속도는 온도에 따라 달라지는데, 온도가 낮아지면 느려지기 때문에 추운 환경에서 LCD 화면에 잔상이 나타나는 현상이 발생합니다.

• OLED 화면은 액정층이 없기 때문에 액정의 제약을 받지 않습니다. OLED 화면도 응답 시간이 있지만, 색상 전환 속도가 매우 빨라 잔상이 거의 나타나지 않습니다. 순수한 검정색과 순수한 흰색 사이의 전환은 약간 더 오래 걸리지만, 대부분의 LCD보다 일반적으로 빠릅니다. 따라서 OLED는 동적인 콘텐츠를 표시하는 데 있어 본질적인 장점을 가지고 있습니다.

2.4. OLED는 더 얇을 수 있고 접을 수 있습니다.

• OLED 스크린은 백라이트와 액정층이 없어 훨씬 얇게 만들 수 있고 종이처럼 상당히 구부릴 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 곡면 스크린을 쉽게 구현할 수 있어 기기의 체감 품질을 크게 향상시킵니다.

• LCD 화면은 백라이트와 액정층 외에도 편광판을 포함하고 있어 훨씬 두껍습니다. 백라이트와 액정층은 단단한 기판을 사용하기 때문에 아주 약간의 휘어짐만 허용되며, 이러한 휘어짐은 일반적으로 데스크톱 모니터와 같은 대형 패널에서만 볼 수 있습니다.

2.5. OLED는 수명이 더 짧습니다.

• LCD에서 백라이트 층은 빛을 방출합니다. 액정 층은 빛을 차단하는 역할만 하고, 필터는 빛의 색만 바꿀 뿐, 둘 다 빛을 방출하지는 않습니다. 전압은 빛을 방출하지 않는 액정 층에 인가됩니다.

• OLED에서는 전압이 자발광 다이오드에 직접 인가되어 OLED 발광층 내부에서 빈번한 전자 이동이 발생합니다. 발광층 자체가 유기 재료(무기 재료보다 노화가 빠름)로 구성되어 있고 자발광 특성이 있다는 점과 이러한 현상이 결합되어 OLED 화면의 수명이 LCD에 비해 현저히 짧아지는 직접적인 원인이 됩니다.

2.6. LCD에서 빛샘 현상이 발생합니다

• LCD 화면에는 백라이트 층이 존재하고, 화면 패널을 기기에 조립해야 하기 때문에 백라이트에서 나오는 빛이 화면과 기기 프레임 사이의 이음새를 통해 쉽게 새어 나올 수 있습니다. 순수한 검은색 이미지를 표시할 때, 테두리 부분에 커다란 빛 번짐 현상이 나타날 수 있는데, 이를 "빛샘 현상"이라고 합니다.

2.7. OLED는 "번인" 현상이 발생하기 쉽습니다.

• LCD에서는 백라이트가 단일 유닛이며 모든 픽셀이 균일하게 노화됩니다.

OLED에서는 각 픽셀이 독립적으로 빛을 발산하기 때문에 화면의 각 영역이 사용량에 따라 서로 다른 속도로 노화됩니다. 예를 들어, 영역 A가 지속적으로 파란색을 표시한다면 해당 영역의 파란색 서브픽셀이 더 빨리 열화됩니다. 나중에 균일한 색상을 표시할 때, 해당 영역의 파란색이 약간 흐려져 마치 이미지가 화면에 "타버린" 것처럼 잔상이 남게 됩니다. 이러한 현상을 "번인(burn-in)"이라고 합니다(실제로 타는 것이 아니라 픽셀의 불균일한 노화로 인해 색상 차이가 발생하는 현상).

2.8. LCD와 OLED 모두 눈의 피로를 유발할 수 있지만, 그 원인은 다릅니다.

• 화면 밝기는 주변 조명에 맞춰 조절할 수 있어야 합니다. 이를 위해 주로 PWM(펄스 폭 변조) 과 DC(직류) 디밍 두 가지 방식이 사용됩니다.

• DC 디밍은 간단합니다. 전압을 직접 제어하여 밝기를 조절합니다. 전압이 높을수록 빛이 밝아집니다. 광원이 계속 켜져 있기 때문에 깜빡임으로 인한 눈의 피로를 유발하지 않습니다.

• PWM 디밍은 빛의 듀티 사이클(켜짐/꺼짐 시간 비율)을 변화시켜 밝기를 조절합니다. 듀티 사이클이 클수록 빛이 밝아집니다. 이 방식은 빛을 켜고 끄는 것을 반복하여 밝기를 조절하는데, 이 과정에서 깜빡임이 발생합니다. 단점으로는 눈의 피로를 유발할 수 있다는 점입니다. 깜빡임 빈도가 높을수록 이러한 현상이 덜 두드러집니다.

• 고유 특성상, OLED 화면은 매우 낮은 밝기에서 DC 디밍을 사용할 경우, 지나치게 낮은 전압으로 인해 화면이 고르지 않고 탁해지는 현상이 발생하여 화질에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 OLED 화면은 DC 디밍을 효과적으로 사용할 수 없으며, 주로 다른 방식에 의존합니다.PWM .

• 또한, OLED의 유기 소재는 노화되기 쉽기 때문에 (인지하기 어려운) 고주파 PWM을 사용할 수 없고, 대개 저주파 PWM 디밍 (일반적으로 최대 약 250Hz)으로 제한됩니다. 시각에 민감한 사람들은 이러한 깜빡임을 인지할 수 있어 시각적 피로를 유발할 가능성이 더 높습니다.

• 화면에서 방출되는 빛 중 눈에 가장 해로운 부분은 420~440nm 파장대의 고에너지 청색광으로, 망막에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있습니다. 기존 LCD 화면 백라이트는 광도파판이 있는 여러 개의 밝은 LED 램프를 사용합니다. 이 LED에서 방출되는 고에너지 청색광의 상당 부분이 이 파장대에 속합니다.

• 요약하자면, LCD는 유해한 청색광을 강하게 방출하고 , OLED는 유해한 PWM 디밍 방식을 사용합니다 . 일부 저가형 모니터는 비용 절감을 위해 LCD에도 PWM 디밍을 적용하기도 합니다. 어느 쪽이 더 유해한지는 명확하게 밝혀지지 않았습니다.