Chapter 07

백라이트·미니LED·양자점

액정은 스스로 빛을 내지 못한다. LCD 화면의 밝기와 색, 명암비, 두께와 소비전력은 사실 패널 뒤에 숨은 백라이트 유닛이 상당 부분 결정한다. 이 장에서는 형광등(CCFL)에서 백색 LED로 넘어온 광원의 역사, 점광원을 균일한 면광원으로 바꾸는 도광판과 광학 필름, 영상에 맞춰 백라이트를 지역별로 끄고 켜는 로컬 디밍과 그 부작용인 헤일로, 수천 개의 작은 LED를 촘촘히 까는 미니LED, 그리고 나노 입자의 크기로 색을 고르는 양자점까지 따라가 본다.

LCD의 광효율 사슬을 따라 백라이트 빛의 몇 %가 눈에 닿는지 계산한다.
청색 InGaN + YAG 형광체 백색 LED의 스펙트럼으로 색좌표와 색온도가 정해지는 과정을 이해한다.
도광판의 전반사 조건과 도트 패턴, 프리즘 시트·DBEF의 빛 재활용으로 휘도가 올라가는 원리를 설명한다.
로컬 디밍에서 존 수·디밍 알고리즘·빛 확산이 명암비, 헤일로, 클리핑, 소비전력에 미치는 영향을 정량적으로 비교한다.
미니LED의 광학 거리(OD)와 피치가 균일도와 핫스팟을 정하는 관계를 안다.
양자 구속 효과로 양자점의 발광 파장이 크기에 따라 바뀌는 이유와, 좁은 반치폭이 색역을 넓히는 원리를 이해한다.

LCD에는 왜 백라이트가 필요한가

6장에서 본 것처럼 액정 셀은 편광을 돌리는 전압 제어 셔터다. 빛의 양을 조절할 수는 있어도 빛을 만들지는 못한다. 그래서 LCD는 패널 뒤에 넓고 균일한 면광원을 둔다. 이것이 백라이트 유닛(Backlight Unit, BLU)이다. 스스로 빛을 내는 OLED(8장)·마이크로LED(10장)와 LCD를 가르는 가장 큰 차이가 여기에 있다.

백라이트에서 나온 빛은 여러 층을 지나면서 계속 줄어든다. 하부 편광판이 한쪽 편광만 통과시키므로 절반 이상이 사라지고, TFT·배선·블랙 매트릭스가 가리는 면적(개구율), 액정과 ITO 전극의 손실, 그리고 무엇보다 컬러필터가 세 원색 중 하나만 통과시키면서 약 2/3를 흡수한다. 각 단계의 투과율을 곱하면 패널 전체 투과율이 된다.

$$T_{\text{panel}} = T_{\text{pol,1}}\cdot \text{AR}\cdot T_{\text{LC}}\cdot T_{\text{CF}}\cdot T_{\text{pol,2}} \approx 0.43\times0.6\times0.9\times0.3\times0.9 \approx 6\%$$

$\text{AR}$은 개구율(Aperture Ratio), $T_{\text{CF}}$는 백색광에 대한 컬러필터 평균 투과율. 실제 TV 패널은 4~7%, 고해상도 모바일 패널은 개구율이 낮아 4~6% 수준이다.

그림 7-1. LCD 적층(왼쪽)과 광효율 사슬(오른쪽). 편광판과 컬러필터가 가장 큰 손실원이다. 백라이트가 만든 빛 중 화면 밖으로 나오는 것은 약 6%뿐이라, 같은 화면 밝기를 위해 백라이트는 그 열다섯 배 이상 밝아야 한다.

이 숫자에서 이 장의 두 가지 큰 주제가 나온다. 첫째, 손실이 이렇게 크므로 버려지는 빛을 재활용하는 광학 필름(프리즘 시트, 반사형 편광 필름)이 소비전력을 크게 좌우한다. 둘째, 액정은 완전히 닫혀도 빛이 조금 샌다. 원래 명암비가 1000~5000:1에 그치므로, 진짜 검은색을 만들려면 백라이트 자체를 꺼야 한다. 이것이 로컬 디밍이다.

측광량 복습

화면 밝기는 휘도 $L$(cd/m² = nits), 광원의 출력은 광속 $\Phi$(lm)로 잰다(1장). 백라이트 설계는 "LED 광속 → 도광판·필름 효율 → BLU 휘도 → 패널 투과율 → 화면 휘도"로 이어지는 하나의 예산 계산이다.

광원의 역사: CCFL에서 백색 LED로

2000년대 LCD 모니터와 TV는 지름 2~4 mm의 가는 형광등, 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)를 썼다. 관 안의 수은 증기가 방전으로 254 nm 자외선을 내면, 관 벽에 바른 삼파장 형광체(청색 BAM:Eu²⁺, 녹색 LaPO₄:Ce,Tb, 적색 Y₂O₃:Eu³⁺)가 이를 가시광으로 바꾼다. 스펙트럼은 몇 개의 날카로운 선과 넓은 청색 띠로 이루어진다. 색은 괜찮았지만 수은을 쓰고, 두껍고, 고전압 인버터가 필요하며, 빠르게 켜고 끌 수 없었다.

2010년 무렵 LCD 백라이트는 거의 모두 백색 LED(White LED, WLED)로 바뀌었다. 대부분은 청색 LED에 황색 형광체를 덮은 구조다. 청색 InGaN 칩(피크 445~455 nm)이 낸 빛의 일부가 세륨을 넣은 이트륨 알루미늄 가넷 YAG:Ce³⁺(Y₃Al₅O₁₂:Ce) 형광체에 흡수되고, 형광체는 이를 피크 550~560 nm, 반치폭 100 nm가 넘는 넓은 황록색 빛으로 다시 낸다. 흡수되지 않고 새어 나온 청색과 황색이 섞여 백색으로 보인다.

그림 7-2. 백색 LED 패키지 단면과 대표 스펙트럼. 청색 칩 위의 형광체 입자가 청색 일부를 황색으로 바꾼다. 형광체 양(농도·두께)을 늘리면 청색이 줄고 색좌표가 황색 쪽으로 움직인다. 파장 변환에서 광자 에너지 차이(스토크스 손실, 약 20%)는 열이 된다.

스펙트럼 $S(\lambda)$가 정해지면 색좌표는 2장의 등색 함수로 계산된다. 또 같은 복사 전력이 눈에 얼마나 밝게 보이는지는 복사의 광효율(Luminous Efficacy of Radiation, LER)로 나타낸다.

$$X=\int S\,\bar x\,d\lambda,\quad Y=\int S\,\bar y\,d\lambda,\quad Z=\int S\,\bar z\,d\lambda,\qquad x=\frac{X}{X+Y+Z},\; y=\frac{Y}{X+Y+Z}$$ $$\text{LER} = 683\ \tfrac{\text{lm}}{\text{W}}\cdot\frac{\int S(\lambda)\,V(\lambda)\,d\lambda}{\int S(\lambda)\,d\lambda}$$

$V(\lambda)=\bar y(\lambda)$는 명소시 비시감도. LER은 스펙트럼 모양만으로 정해지는 상한이고, 실제 광원 효율(lm/W 전기)은 여기에 칩의 전력 변환 효율(WPE, 청색 InGaN 약 50~70%)과 형광체 변환 효율이 곱해진다.

SIMULATOR

광원 스펙트럼과 색좌표: CCFL vs 백색 LED

광원

형광체 변환율 청색 칩 피크 YAG 피크 (Gd/Ga 치환) 비시감도 V(λ) 겹쳐 보기

색좌표 (x, y)—

상관 색온도 CCT—

LER—

청색 : 변환광 (전력)—

해볼 것: ① 변환율 0%에서 시작해 올려 보면 색좌표가 청색 점에서 황색 점까지 직선 위를 움직인다(두 빛의 혼합). 흑체 궤적(점선)과 만나는 근처가 '백색'이다. ② 변환율을 높이면 V(λ)와 겹치는 부분이 커져 LER이 오른다 — 따뜻한 백색이 더 효율적인 이유. ③ CCFL을 고르면 선 스펙트럼이 나타난다. (스펙트럼은 교육용 가우시안 근사)

백색 LED는 수은이 없고, 얇게 배치할 수 있으며, 마이크로초 단위로 켜고 끌 수 있다. 마지막 성질 덕분에 로컬 디밍과 11장의 스캐닝 백라이트(흑삽입)가 가능해졌다. 단점은 넓은 황색 스펙트럼이다. 컬러필터가 이 빛을 R·G·B로 나눌 때 녹색과 적색이 겹쳐 원색이 탁해지고, 색역이 sRGB 정도로 좁아진다. 이 문제를 푸는 것이 이 장 후반의 KSF 형광체와 양자점이다.

실제 수치

중출력(mid-power) 백라이트용 백색 LED 패키지는 0.2~0.5 W에서 150~220 lm/W 수준이다. 55형 엣지형 TV에는 이런 LED가 수십~백여 개, 직하형에는 수백 개가 들어간다. 청색 칩의 효율은 전류 밀도가 높아질수록 떨어지는데(효율 저하, Efficiency Droop), 이 때문에 큰 전류를 소수의 LED에 몰기보다 여러 LED에 나누는 쪽이 효율적이다.

엣지형과 직하형, 그리고 도광판

LED는 점광원이다. 백라이트의 임무는 수십~수천 개의 점광원을 화면 전체에서 휘도 편차 20% 이내의 면광원으로 바꾸는 것이다. 방식은 크게 둘이다. 엣지형(Edge-lit)은 LED를 화면 옆면에 줄지어 놓고 투명한 판으로 빛을 안쪽까지 끌고 들어간다. 직하형(Direct-lit)은 LED를 화면 바로 뒤에 바둑판처럼 깔고 일정 거리 위에 확산판을 둔다.

그림 7-3. 엣지형(a)은 옆면 LED의 빛을 도광판 안에 가두어 운반하고, 아래면의 도트로 조금씩 꺼낸다. 멀리 갈수록 도트를 조밀하게 찍어 균일도를 맞춘다. 직하형(b)은 LED 빛이 광학 거리 OD만큼 퍼지며 겹쳐 균일해지고, LED를 영역별로 제어해 2D 로컬 디밍을 할 수 있다.

도광판: 전반사로 빛을 가둔다

도광판(Light Guide Plate, LGP)은 PMMA($n\approx1.49$)나 PC($n\approx1.58$), 최근에는 휘어짐이 적은 유리로 만든 투명 판이다. 옆면으로 들어온 빛은 윗면과 아랫면에서 전반사(Total Internal Reflection, TIR)를 되풀이하며 반대편까지 간다. 전반사가 일어나려면 면에 대한 입사각이 임계각보다 커야 한다.

$$\theta_c = \arcsin\frac{1}{n},\qquad \alpha_{\max} = \arcsin\frac{1}{n}\ \ (\text{옆면 굴절 후 판 안에서 광선이 축과 이루는 최대 각})$$ $$\text{상하면 입사각}\ \ \theta_i = 90^\circ-\alpha \ \ge\ 90^\circ-\theta_c \;>\; \theta_c \iff \theta_c < 45^\circ \iff n>\sqrt2$$

공기에서 옆면으로 들어오는 빛은 아무리 비스듬해도 굴절 후 축에 대해 $\theta_c$ 이내로 모인다. PMMA는 $\theta_c = 42.2^\circ$이므로 위·아래 면 입사각이 최소 $47.8^\circ$ — 모든 빛이 전반사된다. $n<\sqrt2\approx1.414$인 재료라면 일부가 입구 근처에서 새어 나간다.

그림 7-4. 도광판 속 빛은 윗면·아랫면에서 전반사되어 갇힌 채 이동한다. 아랫면에 인쇄(또는 사출·레이저 가공)한 산란 도트에 닿은 빛만 방향이 무작위로 바뀌어, 그중 임계각보다 작은 각으로 윗면에 닿는 빛이 빠져나온다. 도트의 크기와 밀도 분포가 곧 휘도 분포를 결정한다.

도트가 없다면 빛은 반대편 끝까지 갇혀 가서 끝면에서 새거나 흡수된다. 도트를 고르게 찍으면 입구 근처에서 빛이 많이 빠져 앞쪽이 밝고 뒤쪽이 어둡다. 남은 빛의 양이 지수적으로 줄어들기 때문이다. 위치 $x$까지 남은 빛을 $P(x)$, 단위 길이당 추출률을 $k(x)$라 하면

$$\frac{dP}{dx} = -k(x)\,P(x)\quad\Rightarrow\quad \text{출광} \propto k(x)\,e^{-\int_0^x k\,dx'}.\qquad \text{균일 출광 조건:}\ k(x)=\frac{1}{L_{\text{eff}}-x}$$

$k$는 도트 면적 밀도에 비례한다. 균일하게 만들려면 도트 밀도를 입구에서 멀어질수록 쌍곡선처럼 키워야 한다. 실제로는 광학 시뮬레이션과 측정을 반복해 도트 맵을 최적화한다.

SIMULATOR

도광판 광선 추적: 전반사와 도트 패턴

굴절률 n

도트 배치

도트 밀도 (평균 피복률) 끝면 반사 테이프

임계각 θc—

입구 갇힘 여부—

윗면 출광 효율—

균일도 (min/max)—

해볼 것: ① 도트 '없음'에서는 빛이 거의 나오지 않는다(갇힌 빛). ② '균일'에서 밀도를 올리면 입구 쪽만 밝아진다. '그라데이션'으로 바꿔 균일도가 얼마나 좋아지는지 비교. ③ n을 1.41 아래로 내리면 입구 근처에서 빛이 바로 새는(빨간 선) 것을 볼 수 있다. 위쪽 막대는 수천 개 광자의 몬테카를로 출광 분포. (판 두께는 그림에서 과장, 계산은 두께/길이 = 0.03, 산란은 람베르시안 근사)

엣지형의 한계

엣지형은 얇고 LED 수가 적어 싸지만, 빛이 판 전체로 퍼진 뒤 나오므로 특정 영역만 어둡게 만들기 어렵다. 위·아래 또는 좌우 LED 바를 몇 구간으로 나눠 "띠 모양" 디밍(8~32존)은 가능하지만, 밤하늘의 별 하나 주변만 밝히는 정밀한 제어는 직하형, 특히 미니LED의 몫이다. 또 판 모서리의 LED 근처에 밝은 반점(핫스팟)이 생기기 쉬워 입광부에 미세 패턴을 넣는다.

광학 필름 스택과 휘도 향상

도광판이나 확산판에서 나온 빛은 아직 두 가지 문제가 있다. 도트·LED 무늬가 보이고, 빛이 모든 방향으로 퍼져 정면 휘도가 낮다. 그 위에 얹는 필름들이 이를 해결한다. 대표적인 TV·모니터 BLU는 아래부터 반사 시트, 도광판(또는 확산판), 확산 시트, 프리즘 시트 두 장, 반사형 편광 필름 순이다.

그림 7-5. 대표적인 BLU 광학 필름 스택 단면(두께 비율은 과장). 확산 시트가 무늬를 지우고, 직교한 두 프리즘 시트가 빛을 정면으로 모으며, DBEF가 편광판에 흡수될 편광을 되돌려 재활용한다. 버려질 빛을 반사 시트와 확산층이 다시 섞어 올려 보내는 광학 공진기처럼 동작한다.

프리즘 시트: 각도를 모은다

프리즘 시트(Brightness Enhancement Film, BEF)는 꼭지각 90°의 미세 프리즘이 줄지어 있는 필름이다. 비스듬히 들어온 빛은 프리즘 경사면에서 굴절되어 정면 쪽으로 꺾이고, 거의 수직으로 들어온 빛은 양쪽 경사면에서 연달아 전반사되어 아래로 되돌아간다. 되돌아간 빛은 반사 시트와 확산층에서 방향이 바뀌어 다시 올라온다. 결과적으로 빛이 ±35° 정도의 원뿔 안으로 몰려 정면 휘도가 한 장당 1.5~1.7배, 직교 두 장이면 2배 안팎으로 오른다. 대신 측면(시야각 밖)은 어두워진다.

반사형 편광 필름: 편광을 재활용한다

LCD 하부 편광판은 들어온 빛의 절반(한쪽 편광)을 흡수해 버린다. 반사형 편광 필름(Dual Brightness Enhancement Film, DBEF / Reflective Polarizer)은 굴절률이 한 방향으로만 다른 두 고분자를 수백 층 번갈아 쌓아, 통과 편광은 투과시키고 직교 편광은 흡수 대신 반사한다. 반사된 빛은 아래 층에서 산란되며 편광이 섞이고, 그중 절반이 다시 통과 편광이 되어 올라온다. 이 과정을 무한 반복하면

$$T_{\text{useful}} = \frac12\sum_{k=0}^{\infty}\left(\frac{\eta}{2}\right)^{k} = \frac{1/2}{1-\eta/2},\qquad G_{\text{DBEF}} = \frac{T_{\text{useful}}}{1/2} = \frac{1}{1-\eta/2}$$

$\eta$는 반사된 빛이 공진기(확산층·반사 시트)를 한 번 돌고 돌아올 확률(흡수 손실 제외). $\eta=0.7$이면 $G=1.54$, $\eta=0.8$이면 1.67. 실제 DBEF 이득은 1.3~1.6배다.

그림 7-6. 두 재활용 메커니즘. (a) 프리즘 시트는 각도가 맞지 않는 빛을 전반사로 되돌려 보내고, (b) DBEF는 편광이 맞지 않는 빛을 반사로 되돌려 보낸다. 되돌아간 빛은 아래의 확산·반사층에서 각도와 편광이 다시 섞여 재도전한다. 공진기 손실이 작을수록 이득이 크다.

SIMULATOR

필름을 한 장씩 쌓아 보기: 휘도의 각도 분포

단계

공진기 재활용 효율 η

그래프

정면 휘도 (확산 시트 기준)—

반휘도각 (수평)—

하부 편광판 통과 후—

해볼 것: '다음'을 눌러 필름을 하나씩 추가하며 정면 휘도와 반휘도각을 기록해 보자. 프리즘 1장은 한 축(수평)만 좁히고, 2장째가 수직 축도 좁힌다. DBEF는 각도 분포를 거의 바꾸지 않고 전체를 끌어올린다. η를 낮추면(흡수가 많은 저가 반사 시트) 재활용 이득이 줄어든다. (곡선은 측정 경향을 흉내 낸 해석적 근사)

휘도 보존과 에텐듀

수동 광학 소자는 휘도를 높일 수 없다(에텐듀 보존, 13장). 그런데 프리즘이 정면 휘도를 두 배로 만드는 것은 모순 아닌가? 비밀은 재활용이다. 프리즘은 빛을 좁은 원뿔로 "모으는" 것이 아니라 원뿔 밖의 빛을 거절해 돌려보내고, 공진기가 그 빛을 다시 섞어 원뿔 안으로 들어올 기회를 준다. 총 광속은 늘지 않고, 측면으로 가던 빛이 정면으로 옮겨질 뿐이다. 그래서 공진기 손실(η)이 이득의 한계를 정한다.

로컬 디밍: 백라이트를 영상에 맞춰 끈다

액정은 완전히 닫혀도 $1/\text{CR}$만큼 빛이 샌다. IPS 패널의 원래 명암비가 1000~1500:1, VA가 3000~6000:1이므로 1000 nits 백색을 낼 때 검정은 0.2~1 nits로 떠 보인다. 어두운 방에서 영화의 검은 여백이 회색으로 빛나는 이유다. 해결책은 영상이 어두운 영역의 백라이트를 실제로 낮추는 로컬 디밍(Local Dimming)이다. 화면을 여러 디밍 존(Dimming Zone)으로 나누고, 각 존의 LED 밝기를 그 영역 영상에 맞게 정한 다음, 남은 차이를 액정 투과율로 보정한다.

그림 7-7. 1차원으로 본 로컬 디밍. 별이 있는 존의 LED만 켜지만(②), LED 빛은 확산판을 지나며 이웃 존까지 번진다. 액정은 별 위치만 열고 나머지를 닫지만(③) 완전히 닫히지 않으므로, 번진 백라이트의 1/CR이 별 주위에 희미한 빛무리로 남는다(④). 이것이 헤일로(블루밍)다.

수식으로 쓰면 존 $k$의 LED 구동값 $b_k$, 그 LED가 화면 위치 $\mathbf r$에 만드는 빛 분포(점 확산 함수, PSF) $h$로 백라이트 휘도가 정해지고, 그 위에서 액정 투과율 $T$를 계산한다.

$$B(\mathbf r) = \sum_k b_k\,h(\mathbf r-\mathbf r_k),\qquad T(\mathbf r) = \operatorname{clip}\!\left(\frac{Y_{\text{target}}(\mathbf r)}{B(\mathbf r)},\ \frac{1}{\text{CR}},\ 1\right),\qquad Y_{\text{out}} = B\cdot T$$

$Y_{\text{target}}$는 선형 휘도로 표현한 목표 영상(최대 1). 어두운 곳은 $T=1/\text{CR}$에 걸려 $Y_{\text{out}}=B/\text{CR} > Y_{\text{target}}$ — 헤일로. 밝은 곳에서 $B<Y_{\text{target}}$이면 $T=1$로도 모자라 클리핑(하이라이트가 어두워짐)이 생긴다. LCD 보정을 정확히 하려면 $B$를 PSF까지 포함해 계산해야 한다(블록 단위로 근사하면 존 경계가 보인다).

SIMULATOR

로컬 디밍 시뮬레이터: 백라이트 맵, LCD 보정, 헤일로

장면

디밍 존 수

디밍 알고리즘

LCD 원래 명암비 빛 번짐 σ / 존 피치

보기

암부 강조 (×40 표시) 존 경계 표시

존 배열—

백라이트 전력—

헤일로 면적—

클리핑 픽셀—

실효 명암비—

선택 지점—

해볼 것: ① 알고리즘 '없음'(전면 점등)과 '최대값'을 비교하면 검정이 얼마나 내려가는지 보인다. ② 존 수를 1에서 수천까지 올리며 '오차' 보기에서 헤일로(주황)가 별에 달라붙는 모습을 관찰. ③ '평균'은 전력이 크게 줄지만 작은 별이 어두워진다(클리핑, 파랑). ④ 빛 번짐을 키우면 균일해지지만 헤일로가 퍼진다. ⑤ 화면을 누르면 그 지점의 목표→실제 휘도가 표시된다. 피크 1000 nits 가정, 헤일로는 목표보다 0.1 nits 이상 밝은 픽셀, 클리핑은 목표의 90% 미만인 픽셀. (192×108 해상도의 교육용 모델)

헤일로를 줄이는 세 가지 길

① 존을 잘게 쪼갠다(미니LED). ② 액정 원래 명암비를 높인다 — 같은 백라이트 번짐도 $1/\text{CR}$로 줄어들어 보인다. VA가 IPS보다 로컬 디밍에서 유리한 이유다. ③ 알고리즘으로 숨긴다 — 밝은 물체 주변 존을 일부러 덜 켜서 헤일로 대신 약간의 클리핑을 허용하거나, 사람 눈이 밝은 물체 근처 어두움에 둔감한 성질(공간 마스킹)을 이용한다. 극단적인 해법은 픽셀 하나하나가 존인 자발광(OLED, 마이크로LED)이다.

디밍 알고리즘과 존 수의 트레이드오프

존 하나에 들어 있는 수천~수만 픽셀의 휘도로부터 LED 값 하나를 정하는 것이 디밍 알고리즘(Backlight Dimming Algorithm)이다. 가장 단순한 세 가지는 다음과 같다.

$$b_k^{\max} = \max_{\mathbf r\in k} Y,\qquad b_k^{\text{avg}} = \frac{1}{N_k}\sum_{\mathbf r\in k} Y,\qquad b_k^{\text{mix}} = b_k^{\text{avg}} + \alpha\,(b_k^{\max}-b_k^{\text{avg}})$$

$\alpha\in[0,1]$는 혼합 계수(시뮬레이터는 0.5). 실제 제품은 히스토그램 상위 몇 % 값, 이웃 존과의 공간 필터, 프레임 간 시간 필터(깜빡임 방지), 장면 전환 감지, 전체 전력 한도(ABL과 같은 개념, 12장)를 함께 쓴다.

알고리즘	하이라이트	헤일로	소비전력	적합한 장면
전면 점등 (디밍 없음)	완벽	없음, 대신 검정이 뜸 (1/CR)	최대 (100%)	밝은 일반 영상
최대값	클리핑 없음	가장 큼	높음	작은 하이라이트가 중요한 HDR
평균	작은 점광원이 크게 어두워짐	작음	가장 낮음	균일한 밝은 영역
혼합/백분위	약간 손실	중간	중간	일반 제품의 기본값
최적화 기반 (PSF 역문제)	지각 오차 최소화	지각 기준 최소	제약 조건으로 설정	고급 TV 칩 (연산량 큼)

존 수는 얼마나 많아야 할까? 존 하나의 크기가 작아질수록 밝은 물체와 함께 켜지는 "억울한" 어두운 면적이 줄어든다. 다만 확산 거리(광학 거리)가 존 피치와 함께 줄지 않으면 PSF가 여러 존에 걸쳐 번져 실제 해상도는 늘지 않는다. 아래 시뮬레이터는 위의 디밍 모델을 존 수 1~10,000에 대해 반복 실행해 결과를 그린다.

SIMULATOR

존 수 스윕: 명암비·헤일로·전력

장면

알고리즘

LCD 원래 명암비 빛 번짐 σ / 존 피치 확산 거리 고정 (σ를 존 수와 무관하게)

16존 헤일로—

500존 헤일로—

5000존 헤일로—

헤일로 10% 이하 필요 존 수—

해볼 것: ① IPS(1200:1)와 VA(5000:1)에서 헤일로 10% 이하에 필요한 존 수를 비교. 별 장면은 헤일로의 최악 조건이다. ② '확산 거리 고정'을 켜면 존을 아무리 늘려도 헤일로가 어느 수준 아래로 줄지 않는다 — 미니LED가 광학 거리도 함께 줄여야 하는 이유. ③ '평균'을 고르면 전력 곡선은 낮아지지만 클리핑 곡선이 올라간다. 위: 헤일로·클리핑 면적(%), 아래: 실효 명암비(로그)와 백라이트 전력(%).

실제 제품의 존 수

엣지형 TV: 8~32존(띠). 일반 직하형 LED TV: 30~500존. 미니LED TV: 500~5000존 이상(2020년대 중반 고급형은 수천 존, LED 1만~3만 개). 12.9형 태블릿 미니LED: 2,596존(LED 10,384개). 4K 화면이 830만 픽셀이므로 2,000존이라도 존 하나가 약 4,000픽셀(약 64×64)을 담당한다.

미니LED와 광학 거리

미니LED(Mini LED)는 칩 크기가 대략 100~500 µm인 LED를 백라이트 기판(PCB 또는 유리)에 촘촘히 실장한 직하형 백라이트다. 일반 LED(1 mm 이상, 패키지 3 mm 이상)보다 작은 칩을 수천~수만 개 깔아 존 수를 늘리고, 동시에 백라이트 두께를 줄인다. 칩 크기가 50~100 µm 이하로 더 작아져 픽셀 자체가 되면 마이크로LED(10장)다.

핵심 설계 변수는 LED 피치 $P$와, LED에서 확산판까지의 광학 거리(Optical Distance, OD)다. 람베르시안 LED가 높이 $H$(=OD) 아래에서 확산판에 만드는 조도는

$$E(\rho) = \frac{I_0\cos\theta}{r^2}\cos\theta = \frac{I_0}{H^2}\cos^4\theta = \frac{I_0}{H^2}\left(1+\frac{\rho^2}{H^2}\right)^{-2},\qquad \text{FWHM} = 2H\sqrt{\sqrt2-1}\approx1.29\,H$$

$\rho$는 LED 바로 위에서의 수평 거리. 여러 LED의 분포가 겹쳐 합이 평평해지려면 대략 $P \lesssim H$여야 한다($P/H$ 비가 작을수록 균일). 반대로 존 하나만 켰을 때 빛이 번지는 폭도 $\sim1.3H$이므로, OD를 키우면 균일도는 좋아지지만 디밍 해상도는 나빠진다.

그림 7-8. 같은 LED 피치에서 광학 거리에 따른 차이. OD가 작으면 LED 바로 위가 밝은 핫스팟이 생기고, OD가 크면 고르지만 모듈이 두꺼워지고 한 존의 빛이 넓게 번진다. 미니LED는 피치를 줄여(P↓) 작은 OD에서도 균일도를 얻는다. 렌즈·반사 패턴으로 LED 빛을 옆으로 보내는 배트윙 배광도 같은 목적이다.

SIMULATOR

미니LED PSF 겹침: 피치·광학 거리·배광

LED 피치 P 광학 거리 OD

LED 배광

가운데 LED 하나만 켜기 (PSF) 확산판 산란 추가

P / OD—

균일도 (min/max)—

PSF 반치폭—

55형 4K LED 수 (근사)—

해볼 것: ① 피치 4 mm에서 OD를 줄이며 균일도가 80% 밑으로 떨어지는 지점을 찾자. ② 배트윙 배광으로 바꾸면 같은 OD에서 균일도가 크게 좋아진다. ③ 'LED 하나만'을 켜면 PSF 폭이 OD에 비례해 커지는 것 — 로컬 디밍 해상도와의 트레이드오프. 위: 1D 휘도 프로필(점선은 개별 LED), 아래: 확산판 위에서 본 2D 휘도.

미니LED는 실장 방식에 따라 COB(Chip on Board: 칩을 PCB에 직접 붙이고 봉지), POB(Package on Board: 소형 패키지를 실장), COG(Chip on Glass: 유리 기판에 TFT 배선과 함께) 등으로 나뉜다. 존 수가 수천이 되면 존마다 전류를 정밀하게 공급하는 구동이 문제가 된다. 수동 매트릭스(PM) 방식의 스캔 구동이나, 존마다 작은 트랜지스터를 두는 능동 매트릭스(AM) 구동이 쓰인다(5장). 밝기 제어는 전류를 바꾸는 아날로그 디밍과 켜는 시간 비율을 바꾸는 PWM 디밍을 섞는데, 저주파 PWM은 플리커 문제가 있다(11장).

미니LED의 숙제

LED 수가 많아질수록 개별 LED의 밝기·색 편차(빈닝), 실장 불량, 기판 휨, 열 집중이 문제가 된다. 특히 HDR 피크에서 작은 영역에 전류가 몰리면 국부 발열로 LCD가 노랗게 변하거나 응답 속도가 바뀔 수 있어, 존별 전류 한도와 열 모델을 함께 쓴다. 또한 청색 미니LED + 색 변환 필름 구조에서는 존 가장자리에서 청색과 변환광의 비율이 달라져 생기는 색 번짐(블루/옐로 링)도 보정해야 한다.

양자점: 크기가 색을 정한다

양자점(Quantum Dot, QD)은 지름 2~10 nm의 반도체 나노 결정이다. 원자 수백~수천 개로 이루어져, 그 안의 전자와 정공은 상자에 갇힌 입자처럼 행동한다. 벌크 반도체에서는 밴드갭 $E_g$가 재료로 정해지지만, 입자가 전자의 드브로이 파장(엑시톤 보어 반지름, CdSe ≈ 5.6 nm, InP ≈ 10 nm)보다 작아지면 에너지 준위가 띄엄띄엄해지고 바닥 상태 에너지가 올라간다. 이것이 양자 구속 효과(Quantum Confinement)다.

반지름 $R$인 구형 우물 속 입자의 바닥 상태 에너지는 $\hbar^2\pi^2/(2m^*R^2)$이다. 전자와 정공 두 입자에 대해 더하고 둘 사이의 쿨롱 인력을 빼면 Brus 식이 된다.

$$E_{\text{QD}}(R) \approx E_g^{\text{bulk}} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}\left(\frac{1}{m_e^*}+\frac{1}{m_h^*}\right) - \frac{1.8\,e^2}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r R},\qquad \lambda_{\text{em}} \approx \frac{1240\ \text{nm}\cdot\text{eV}}{E_{\text{QD}}}$$

CdSe: $E_g=1.74$ eV, $m_e^*=0.13$, $m_h^*=0.45$, $\varepsilon_r=10.6$. InP: $E_g=1.34$ eV, $m_e^*=0.08$, $m_h^*=0.6$, $\varepsilon_r=12.5$. 구속 항이 $1/R^2$로 커지므로 작을수록 파랗고, 클수록 빨갛다. 단순 Brus 식은 작은 입자에서 에너지를 과대평가하므로(유한한 우물 깊이·비포물선 밴드 무시) 시뮬레이터는 실험 경향에 맞춘 경험식도 함께 보여 준다.

그림 7-9. 같은 재료라도 지름이 작을수록 구속 에너지가 커져 밴드갭이 넓어지고 발광이 파란 쪽으로 이동한다(왼쪽). 실제 양자점은 발광 코어(CdSe, InP)를 밴드갭이 넓은 셸(ZnS, ZnSe)로 감싸 표면 결함을 없애고, 바깥에 유기 리간드를 붙여 용매·수지에 분산시킨다(오른쪽). 셸 덕분에 발광 양자 효율(PLQY)이 90% 이상으로 오른다.

SIMULATOR

양자점 크기 → 밴드갭 → 발광색

코어 재료

코어 지름 d 크기 분포 (표준편차) 단순 Brus 식 곡선 표시

밴드갭 (경험식)—

발광 피크—

앙상블 반치폭—

원자 수 (근사)—

해볼 것: ① CdSe로 녹색(530 nm)과 적색(630 nm)을 만드는 지름을 찾아보자. ② InP는 같은 색을 더 작은 입자로 만든다(벌크 밴드갭이 작고 유효 질량이 가벼움). ③ 크기 분포를 넓히면 반치폭이 커진다 — 입자 하나의 선폭(~15~20 nm)보다 크기 불균일이 앙상블 반치폭을 지배한다. 왼쪽 그림은 실제 크기 비율(격자 상수 기준 원자 배열 근사).

카드뮴 문제와 InP

초기 QD TV(2013~)는 반치폭이 좁은 CdSe를 썼지만, 카드뮴은 EU RoHS에서 균질 물질 기준 100 ppm으로 제한되는 유해 물질이다. 그래서 업계는 무카드뮴 InP/ZnSe/ZnS 코어-셸로 옮겨 갔다. InP는 결정 성장 제어가 어려워 초기에는 반치폭이 45 nm 이상이었으나, 현재 녹색 35~40 nm, 적색 35 nm 안팎까지 좁혀졌다. 페로브스카이트(CsPbBr₃) 양자점은 반치폭 ~20 nm로 매우 좁지만 납과 안정성 문제가 남아 있다.

양자점 색 변환과 색역 확장

LCD의 원색은 "광원 스펙트럼 × 컬러필터 투과율"로 정해진다. YAG 백색 LED처럼 넓은 스펙트럼을 컬러필터로 잘라 내면 녹색 필터를 통과한 빛에 노랑·청록이 섞이고, 적색 필터를 통과한 빛에 주황이 섞여 원색이 색도도 안쪽(탁한 쪽)으로 밀린다. 필터를 두껍게 해 좁게 자르면 색은 맑아지지만 빛을 더 버린다. 반대로 광원 자체가 처음부터 좁은 R·G·B 세 봉우리를 가지면 필터가 거의 손실 없이 맑은 원색을 얻는다.

현재 쓰이는 넓은 색역 방식은 두 가지다. 하나는 청색 LED + 녹색 β-SiAlON:Eu²⁺(피크 ~535 nm, 반치폭 ~55 nm) + 적색 KSF(K₂SiF₆:Mn⁴⁺) 형광체다. KSF는 631 nm 근처에 반치폭 수 nm의 날카로운 선을 내지만 발광 수명이 약 8~10 ms로 길어 빠른 디밍·스캐닝 시 적색 잔상이 남을 수 있다. 다른 하나는 청색 LED + 녹·적 양자점이다.

그림 7-10. 양자점 색 변환 층의 위치. 칩에 가까울수록 QD 사용량이 줄지만 온도와 광속 밀도가 높아 열화가 빠르다. 현재 LCD TV는 대부분 (b) QDEF 필름 방식이다. 같은 원리로 컬러필터 자리에 QD를 패터닝하면(QD 컬러필터) 흡수 대신 변환으로 효율을 높일 수 있으며, QD-OLED가 이 방식이다(10장).

SIMULATOR

광원 × 컬러필터 → 원색과 색역: YAG vs KSF vs QD

광원

컬러필터

QD 녹색 피크 QD 반치폭 배율 CIE 1976 u′v′로 보기

DCI-P3 커버리지—

BT.2020 커버리지—

CF 광 이용률 (Y)—

백색점 (x, y)—

해볼 것: ① YAG → KSF → QD 순으로 바꾸며 DCI-P3 커버리지를 비교. ② YAG에서 '고색순도' 필터를 고르면 색역은 넓어지지만 광 이용률이 떨어진다 — 광원을 바꾸지 않고 필터로 색을 사는 비용. ③ QD 반치폭 배율을 2로 키우면 InP 초기 수준, 0.6이면 페로브스카이트 수준. 색역 삼각형(실선)과 점선 DCI-P3, 회색 BT.2020 비교. (스펙트럼·필터는 교육용 근사, 커버리지는 xy 또는 u′v′ 면적 기준)

QDEF는 청색 LED 위에 놓이므로 백라이트의 청색 성분, 녹·적 변환광 비율이 QD 농도·필름 두께와 BLU 내 재활용 횟수에 따라 달라진다. 프리즘·DBEF에서 되돌아온 청색 빛이 QD 필름을 여러 번 지나며 추가로 변환되기 때문에, 실제 필름은 단일 통과 기준보다 QD를 적게 넣는다. 녹색 QD의 발광을 적색 QD가 다시 흡수하는 재흡수, 장시간 고온·고휘도에서의 열화(산화·광표백)도 설계 변수다.

광원	녹색 반치폭	적색 반치폭	DCI-P3 (xy 커버리지)	BT.2020	비고
CCFL	선 스펙트럼 + 부선	선 + 부선	75~85%	55~62%	수은, 두꺼움
청색 LED + YAG	단일 넓은 띠 (~110 nm)		75~80%	55~60%	최고 효율, 최저가
β-SiAlON + KSF	~55 nm	<10 nm (선)	88~95%	70~78%	모니터·노트북 다수, 적색 잔상
QD (InP)	35~40 nm	35~40 nm	93~97%	75~82%	현재 QD TV 주류
QD (CdSe)	20~30 nm	25~30 nm	95~99%	80~88%	Cd 규제

커버리지와 면적비를 혼동하지 말 것

"DCI-P3 120%"처럼 100%를 넘는 숫자는 기준 색역 대비 면적비이고, "DCI-P3 95%"는 기준 삼각형 중 덮은 부분의 비율인 커버리지다. 면적비는 기준 밖으로 삐져나간 부분도 세므로 커버리지보다 크게 나온다. 또 xy 색도도는 녹색 영역을 과장하므로 u′v′ 기준 값이 더 공정하다(2장).

효율·열·소비전력, 그리고 HDR

LCD TV 소비전력의 60~80%는 백라이트가 쓴다. 따라서 LED 효율, 광학 필름의 재활용 이득, 컬러필터·편광판의 투과율이 곧 소비전력이다. 화면 휘도 $L$을 얻는 데 필요한 LED 전력은 대략

$$P_{\text{LED}} \approx \frac{\pi\,L\,A}{\eta_{\text{LED}}\;\eta_{\text{BLU}}\;T_{\text{panel}}}\cdot \text{APL}_{\text{BL}}$$

$A$는 화면 면적(m²), $\pi L A$는 람베르시안 근사의 화면 출사 광속(lm), $\eta_{\text{LED}}$는 LED 효율(lm/W), $\eta_{\text{BLU}}$는 도광판·필름의 광 이용률(재활용 이득 포함, 0.6~0.9), $T_{\text{panel}}$은 패널 투과율, $\text{APL}_{\text{BL}}$은 로컬 디밍 후 평균 백라이트 레벨(전면 점등 = 1). 실제로는 프리즘으로 각도 분포가 좁아지므로 $\pi$ 대신 더 작은 값이 들어간다.

예: 55형(면적 0.83 m²), 화면 400 nits, LED 150 lm/W, $\eta_{\text{BLU}}=0.8$, $T_{\text{panel}}=0.055$이면 $P \approx \pi\cdot400\cdot0.83/(150\cdot0.8\cdot0.055)\approx 158$ W이다. 프리즘에 의한 각도 집중(유효 계수 ~0.5)을 고려하면 약 80 W로, 실제 55형 TV의 SDR 소비전력과 비슷하다. 같은 TV가 HDR 영상에서 1500 nits 하이라이트를 내더라도 로컬 디밍으로 평균 백라이트 레벨이 0.2라면 전력은 크게 늘지 않는다. HDR의 피크 휘도, 명암비, 톤 매핑은 12장에서 다룬다.

항목 (55형급)	CCFL (2008)	엣지형 WLED	직하형 LED	미니LED + QD	OLED (참고)
광원 효율	60~80 lm/W	150~200 lm/W	150~200 lm/W	120~180 lm/W (QD 변환 손실 포함)	자발광, 원편광판 손실 ~55%
모듈 두께	25~40 mm	3~10 mm	15~30 mm	2~10 mm	<5 mm
디밍 존	불가(전체)	8~32 (띠)	30~500	500~5000+	픽셀 단위 (830만)
피크 휘도	400~500 nits	400~1000 nits	600~1500 nits	1500~4000 nits	1000~3000 nits (소면적)
SDR 소비전력	150~200 W	60~100 W	80~130 W	90~150 W	90~150 W
열 관리	관 + 인버터 발열	LED 바 집중 → 금속 프레임	후면 분산	고밀도 실장, 존별 전류 한도	패널 발열 → 방열 시트, ABL

LED 효율의 손실분은 모두 열이다. 청색 칩 전력의 30~50%는 칩 안에서, 변환광 에너지 차이(스토크스 손실)는 형광체·QD 층에서 열이 된다. LED 접합 온도가 오르면 광속이 줄고 색이 변하며 형광체·QD 열화가 빨라진다. 엣지형은 LED가 한 변에 몰려 있어 금속 섀시로 열을 퍼뜨려야 하고, 미니LED는 열이 고르게 분산되는 대신 HDR 하이라이트 순간 국부 전류가 커진다.

측정에서 확인할 것

백라이트의 품질은 휘도 균일도(9점·25점), 무라, 색 균일도, 헤일로(ANSI 체커보드·별 패턴), 로컬 디밍 시간 응답으로 평가한다. 측정 방법은 18장에서 다룬다.

핵심 정리

LCD는 비발광 셔터라 백라이트가 필요하며, 편광판·개구율·컬러필터 손실 때문에 백라이트 빛의 약 4~7%만 화면 밖으로 나온다.
백색 LED는 청색 InGaN 칩 + YAG:Ce 황색 형광체로 만든다. 색좌표는 청색과 변환광의 비율로 두 점을 잇는 직선 위를 움직이고, LER은 스펙트럼과 V(λ)의 겹침으로 정해진다.
도광판은 $n>\sqrt2$이면 옆면으로 들어온 모든 빛을 전반사로 가두고, 아랫면 도트가 빛을 꺼낸다. 균일 출광을 위해 도트 밀도는 입구에서 멀수록 커져야 한다($k\propto1/(L-x)$).
프리즘 시트는 각도를, DBEF는 편광을 기준으로 맞지 않는 빛을 되돌려 재활용한다. 이득은 공진기 효율 η로 정해지며($G=1/(1-\eta/2)$), 총 광속이 아니라 정면 휘도를 높인다.
로컬 디밍은 $Y_{\text{out}}=B\cdot T$에서 어두운 영역의 $B$를 낮춰 명암비를 올리지만, PSF 번짐과 $1/\text{CR}$ 누설 때문에 밝은 물체 주위에 헤일로가 생긴다.
최대값 알고리즘은 클리핑이 없지만 헤일로·전력이 크고, 평균은 반대다. 실제 제품은 혼합·백분위·공간/시간 필터와 PSF 기반 LCD 보정을 쓴다.
미니LED는 100~500 µm 칩 수천~수만 개로 존 수를 늘린다. 균일도는 $P/\text{OD}$가 작을수록 좋고, PSF 폭(≈1.3·OD)은 디밍 해상도를 제한한다 — 피치와 OD를 함께 줄여야 한다.
양자점은 양자 구속으로 $E\approx E_g+\hbar^2\pi^2/(2\mu R^2)$처럼 크기가 작을수록 밴드갭이 넓어진다. CdSe·InP 코어-셸 QD는 반치폭 20~40 nm의 순수한 녹·적색을 내 DCI-P3 95% 이상을 가능하게 한다.
KSF 형광체는 적색 선폭이 매우 좁지만 발광 수명이 ms 단위로 길다. 커버리지와 면적비, xy와 u′v′ 기준을 구분해 색역 수치를 읽어야 한다.

확인 퀴즈

Q1. 패널 투과율이 5%인 LCD로 화면 휘도 800 nits를 내려면 백라이트 휘도는 얼마여야 할까?

$800/0.05 = 16{,}000$ nits. 손실의 대부분은 하부 편광판(절반 이상)과 컬러필터(약 2/3)에서 생긴다.

Q2. 백색 LED에서 YAG 형광체의 양을 늘리면 색좌표는 어떻게 움직일까?

두 빛의 가법 혼합은 xy 색도도에서 두 색좌표를 잇는 직선 위에 놓인다. 청색 비율이 줄수록 황색 쪽으로 이동해 따뜻한 백색(낮은 CCT)이 된다.

Q3. 굴절률 1.49인 PMMA 도광판 옆면으로 공기 중의 빛이 들어올 때, 위·아래 면에서 일어나는 일로 옳은 것은?

$\theta_c=\arcsin(1/1.49)=42.2^\circ$. 굴절된 빛의 축 기준 최대 각도 42.2°이므로 면 입사각은 최소 47.8° > θc. $n>\sqrt2$이면 항상 성립한다. 그래서 빛을 꺼내려면 도트가 필요하다.

Q4. 반사형 편광 필름에서 반사된 빛의 공진기 재활용 효율이 η = 0.6일 때 휘도 이득은?

$G=1/(1-\eta/2)=1/0.7\approx1.43$. η가 1이어도 이득은 최대 2배 — 버려지던 편광 절반을 전부 되살리는 경우다.

Q5. 로컬 디밍에서 밤하늘의 별 주위에 희미한 빛무리(헤일로)가 생기는 직접적인 이유는?

어두운 픽셀은 $T=1/\text{CR}$에 걸려 $Y=B/\text{CR}$이 된다. 존 수를 늘리고(B가 번지는 면적 축소), 원래 명암비를 높이면(1/CR 축소) 헤일로가 준다. 평균 알고리즘은 오히려 헤일로를 줄이는 대신 클리핑을 만든다.

Q6. 미니LED 백라이트에서 LED 피치는 그대로 두고 광학 거리(OD)를 절반으로 줄이면?

람베르시안 PSF 반치폭 ≈ 1.29·OD. OD가 줄면 P/OD가 커져 겹침이 부족해진다. 그래서 OD를 줄이려면 피치도 함께 줄이거나(LED 수 증가), 배트윙 렌즈·반사 패턴으로 빛을 옆으로 보내야 한다.

Q7. 같은 CdSe 양자점에서 지름을 3 nm에서 6 nm로 키우면 발광은?

구속 에너지는 $1/R^2$에 비례하므로 입자가 커질수록 밴드갭이 벌크 값(1.74 eV, 713 nm)에 가까워진다. 실험적으로 CdSe 약 3 nm는 녹색, 6 nm는 적색(~630 nm) 근처다.

Q8. "DCI-P3 커버리지 97%, 면적비 115%"인 디스플레이에 대한 설명으로 옳은 것은?

면적비는 기준 밖 영역도 포함하므로 커버리지보다 클 수 있다. 실제 콘텐츠 재현 능력은 커버리지가 더 잘 나타낸다.