LG디스플레이 블로그에서는 디스플레이 상식에 대해 알고 싶으신 분들을 위해 ‘디스플레이 상식 사전’ 시리즈를 진행하고 있습니다. 디스플레이에 대한 아주 기본적인 지식부터 심도 있는 단어까지, 이해하기 쉽게 풀어드립니다. 이번 시간에는 흑백 화면에 생생한 색을 구현해주는 컬러필터(Color filter)에 대해 알아보도록 하겠습니다.
컬러필터(Color filter)
백색광에서 화소 단위로 빨강, 초록, 파랑 3가지 색을 추출하여
액정 디스플레이에 컬러를 구현할 수 있도록 하는 광학부품
컬러필터란?
텔레비전을 자세히 들여다보면 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)의 3원색이 보이죠. 컬러필터는 TV 백라이트(BLU, Back Light Unit)에서 나오는 백색광을 빛의 3원색 R,G,B로 분리하는 역할을 하고 있습니다. 백라이트가 컬러필터를 통과하면서 색상이 구분되는 것인데요. 빛은 RGB 삼원색을 통해 모든 색 표현을 할 수 있고 RGB가 모두 섞이면 흰색(White)이 됩니다.
컬러필터는 빛의 파장을 원리로 하여 색을 표현하는데요. 셀로판지를 생각하면 쉽습니다. 빛이 셀로판지를 통과하면 셀로판지와 동일한 색을 띠게 되죠. 셀로판지는 통과되는 빛의 다른 파장을 흡수하고 동일한 파장의 빛만 통과시킵니다. 컬러필터도 이와 같은 원리인데요. Red, Green, Blue의 컬러필터들은 백라이트에서 액정을 통과해 나오는 빛을 각 필터와 동일한 색의 파장만 통과시킵니다. 그렇게 구분된 빛은 사람의 눈에 도달해 정확한 색으로 인식된답니다.
컬러필터의 공정 방법
그럼, 컬러필터의 공정은 어떻게 이루어질까요? TFT-LCD 디스플레이를 기준으로 살펴보겠습니다.
컬러필터 Glass 위에는 먼저 컬러들간의 색을 구분해주기 위한 Black Matrix(BM)가 올라가고 그 위에 컬러필터 역할을 하는 Red, Green, Blue 안료가 올라갑니다. RGB 컬러필터 형성에 사용되는 재료에 따라 Pigment(안료) 방식과 Dye(염료) 방식이 있는데요. 현재 TFT-LCD의 컬러필터 제조에 가장 많이 사용되는 방법은 ‘안료분산법’이랍니다. RGB 패턴이 형성된 후에는 그 위에 컬러필터 층의 평판화를 위해 Over Coat(OC)와 액정을 구동하기 위한 전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)가 올라가죠.
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이렇게 만들어진 컬러 필터는 화상(畫像)의 질, 후공정과의 적합성 그리고 신뢰성 검사가 이루어지는데요. 화상은 투과율과 콘트라스트가 높아야 하며, 균일성과 평탄화를 유지함과 동시에 화면 전체에 어떠한 결점도 없어야 합니다. 빛과 열에 대한 환경에서도 안정적으로 작동하는지에 대한 검사 과정을 거친 후에 액정 Cell 공정으로 투입됩니다.
여기서 잠깐! 컬러필터 공정 관련 용어를 자세히 알아볼까요?
Black Matrix(BM)
BM은 RGB 패턴 사이에 위치하여 R.G.B 사이의 빛을 구분하고 차단하며, LCD의 콘트라스트를 향상시키는 역할을 합니다. 또한 TFT의 누설 전류 증가를 방지하는 역할도 합니다.
RGB 패턴
Color layer로서 백라이트의 빛을 선택 투과하여 Red, Green, Blue 색을 구현합니다. 컬러필터의 형성은 통상적으로 R, G, B순서입니다.
Over Coat(OC)
형성된 RGB 패턴의 높이가 똑같지 않기 때문에 OC로 코팅하여 표면을 평탄화하는 작업이 필요합니다.
Indium Tin Oxide(ITO)
액정 Cell의 동작에 필요한 픽셀 전극 형성을 위한 투명 전극 재료로, ITO를 이용합니다.
LCD와 OLED에는 컬러필터가 있다? 없다?
LCD에는 컬러필터가 있습니다. 위의 그림과 같이 LCD는 색을 표현하기 위해 컬러필터가 필요합니다. LCD에서 빛을 내는 부분은 백라이트인데요. 이 빛은 항상 켜져 있고, LCD 전체에 비춰집니다. 항상 들어오는 이 빛을 보내줄지 말지 결정하는 부분이 TFT와 액정이고, 마지막 통과된 빛의 색을 표현해주는 것이 ‘컬러필터’인 것이죠.
반면에 OLED에는 컬러필터가 없습니다. OLED는 모든 색이 스스로 빛을 내는 자발광(自發光)을 하고 있습니다. 백라이트(광원)가 픽셀의 숫자만큼 있는 거라고 생각하시면 되는데요. 그렇기 때문에 픽셀 자체의 빛을 TFT에서 공급되는 전압, 전류만으로 개별적으로 제어할 수 있습니다. 그래서 OLED를 사용하는 경우, 컬러필터가 필요 없게 되지요.
광원에 컬러 리파이너가 더해진 WRGB OLED
그렇다면, 모든 OLED가 컬러필터를 사용하지 않을까요? 꼭 그렇지만은 않습니다! 소형 디스플레이에서 주로 사용하는 것이 RGB 방식의 OLED, 즉 앞서 설명한 컬러필터가 없는 OLED입니다. 그런데 대형 디스플레이에서 이 방식을 사용하면 여러 가지 한계가 발생합니다. 얇은 두께에 대면적으로 만들다 보면 Red, Green, Blue 유기물 재료를 증착할 때 사용하는 FMM(Fine Metal Mask)가 휘어질 수 있죠. 또한 RGB OLED의 경우 Blue 소자의 수명이 짧기 때문에 장기간 사용할 경우에 초기 화질 유지에 대한 문제점이 제기되기도 하고요.
이러한 문제를 해결하고자 LG디스플레이는 기존의 RGB OLED와 차별화된 WRGB OLED를 개발했습니다. WRGB OLED는 White OLED를 FMM 없이 통으로 증착함으로써 대면적 OLED 구현을 가능하게 했습니다. W,R,G,B 4개가 모여 하나의 픽셀을 구성하는 이 방식은 White OLED에서 나오는 빛이 컬러 리파이너(Color Refiner)를 거쳐 R, G, B로 색을 구분하죠. 여기서 소비전력 최적화를 위해 백색광을 표현할 때는 White OLED를 바로 사용하기도 한답니다.
여기서 R,G,B를 컬러 리파이너로 표현한다고 해서 LCD와 똑같다고 오해하실 수도 있는데요. WRGB OLED는 모든 서브 픽셀을 개별적으로 제어할 수 있어 OLED의 강점인 세밀한 표현과 깊은 블랙을 그대로 구현할 수 있답니다. 거기다 광원 및 필터를 최적화하여 높은 색재현율을 구현했죠. LG디스플레이는 이러한 기술력을 바탕으로 2013년 세계 최초로 55인치 대형 OLED TV를 시장에 출시하게 된 것입니다.
2016년에는 이 차별화된 기술력으로 선보인 77인치 UHD OLED TV가 ‘SID(Society for Information Display, 국제 정보디스플레이 학회) 2016’에서 ‘Best In Show 2016’을 수상하기도 했는데요. 이렇듯 LG디스플레이는 WRGB OLED 기술을 기반으로 대형 OLED TV의 대중화 시대를 열어가고 있답니다.
지금까지 컬러필터에 대해 자세히 알아보았는데요. 컬러필터를 어디에 어떻게 사용하느냐에 따라 기존에 없었던 기술이 새롭게 탄생할 수도 있는 것이겠죠. 앞으로도 컬러필터의 잠재된 가능성을 끄집어낼 새로운 디스플레이 기술이 등장하기를 바랍니다! 😀
