한 번에 한 픽셀씩, 디지털 세상 구축하기

과학

11월 17일

작성자: 조엘 블레어

2021 년 11 월 17 일
8 분 읽기

디지털 디스플레이는 어떻게 작동할까요? 작은 픽셀의 과학적 작동 원리를 들여다보세요.

글: 타라 얄라가다
그림: 호르헤 페냐

우리는 생활의 모든 측면에 영향을 미치는 디지털 혁명의 한가운데에 있지만, 이 새로운 정보 시대를 이끄는 기술을 실제로 이해하는 소비자는 매우 적습니다.

디지털 디스플레이는 TV의 드론 광고부터 빛나는 컴퓨터 화면에 이르기까지 현대 생활의 거의 모든 측면을 구성하고 있습니다. 스마트폰이나 태블릿과 같은 비교적 최신 기술도 디지털 디스플레이에 의존하여 인터넷에 접속하고 다른 세계와 연결됩니다.

하지만 놀라운 미시적 업적 하나가 없었다면 이 놀라운 기술은 불가능했을 것입니다.

픽셀이란 무엇인가요?

간단히 말해, 컴퓨터, 스마트폰 또는 기타 디지털 디스플레이에서 검색하는 동안 보이는 모든 이미지는 픽셀이라는 작은 점으로 설명할 수 있습니다. 디지털 이미지를 확대하면 이미지를 구성하는 작은 타일, 즉 픽셀을 볼 수 있습니다.

대부분의 표준 픽셀은 폭이 1밀리미터도 되지 않는 1인치 정도에 불과합니다. 하나의 이미지를 구성하는 데는 수천 또는 수백만 개의 픽셀이 필요합니다. 픽셀은 스마트폰에서 태블릿에 이르기까지 모든 디지털 디스플레이의 문자 그대로 구성 요소 역할을 합니다.

픽셀의 역사

"픽셀"은 영어에서 비교적 새로운 용어입니다. 이 단어는 1965년 미국 엔지니어 프레데릭 크로켓 빌링슬리가 쓴 기사에서 처음 등장했습니다.

'픽셀의 아버지'로 알려진 빌링슬리는 칼텍의 제트 추진 연구소에서 일하면서 미국의 신생 우주 탐사 프로그램을 위한 이미지 처리 기술을 연구하고 개발했습니다. 빌링슬리는 1965년 논문에서 픽스(그림)와 엘리먼트(엘)를 결합한 용어를 만들었습니다. 이 논문에서 "그림 요소"의 줄임말인 오늘날의 픽셀 용법이 탄생했습니다.

빌링슬리의 연구 이후 우리는 먼 길을 걸어왔으며, 컴퓨터 과학자와 엔지니어만이 픽셀에 의존하는 것은 아닙니다. 소셜 미디어에서 스크롤하는 모든 광고와 온라인 홀리데이 쇼핑 카트의 모든 상품 뒤에는 수많은 픽셀이 존재하며, 마우스 클릭이나 손가락 스와이프 한 번으로 디지털 세상을 만들어냅니다.

픽셀은 말 그대로 모든 디지털 디스플레이의 빌딩 블록 역할을 합니다..."

빌링슬리의 연구를 보도한 리처드 라이언 연구원은 이 작은 픽셀이 인류에 미친 놀라운 영향력을 이렇게 요약했습니다:

"그 후 픽셀은 컴퓨터 그래픽, 디스플레이, 프린터, 스캐너, 카메라 및 관련 기술 분야에서 다양하고 때로는 상충되는 의미를 지닌 채 어디에나 존재하게 되었습니다."

픽셀은 어떻게 작동하나요?

하지만 픽셀의 개념은 빌링슬리의 20세기 연구보다 훨씬 더 거슬러 올라갑니다. 사실 픽셀은 1800년대 후반 독일의 광화학자 헤르만 보겔이 탐구한 광파와 색상 스펙트럼 간의 상호작용에 그 뿌리를 두고 있습니다.

녹색과 빨간색과 같은 색의 감도에 대한 보겔의 연구는 컬러 사진의 길을 열었습니다. 보겔을 소개하는 중요한 이유는 색상이 상호 작용하는 방식을 이해하는 것이 픽셀이 실제 생활에서 어떻게 작동하는지 이해하는 데 필수적이기 때문입니다.

픽셀을 충분히 가까이 확대하면 "빨강 녹색과 파랑"의 줄임말인 RGB가 혼합되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 각 픽셀에는 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 색상이 번갈아 가며 줄무늬를 이루고 있습니다. 돋보기 아래에서는 이 모든 색상이 보이지만 사람의 눈에는 훨씬 더 많은 한계가 있기 때문에 각 R, G, B 하위 픽셀의 광도를 하나의 합쳐진 색상으로 인식합니다.

이 세 가지 기본 색상의 휘도(빛의 강도 수준)를 변경하고 함께 조합하면 잠재적으로 수십억 가지의 음영을 가진 개별 픽셀을 만들 수 있습니다. 픽셀에 다른 색상 세트가 아닌 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 색상이 포함된 이유가 궁금할 수 있습니다.

그 후 픽셀은 컴퓨터 그래픽, 디스플레이, 프린터, 스캐너, 카메라 및 관련 기술 분야에서 유비쿼터스화되었습니다..."

예를 들어, 대부분의 신문 및 잡지용 프린터는 시안, 마젠타, 노란색, 검은색 등 프린터용 잉크 카트리지를 구입해 본 적이 있다면 알 수 있는 색상을 사용합니다. 하지만 픽셀이 RGB에 의존하는 구체적인 이유는 두 가지가 있으며, 픽셀의 작동 방식을 파악하기 위해서는 이러한 이유를 이해하는 것이 중요합니다.

첫째: 우리 눈의 색에 민감한 원추체는 빨강, 초록, 파랑에 해당하는 파장을 다른 어떤 색보다 더 잘 포착하도록 진화했습니다.

둘째: 빨강, 초록, 파랑의 특정 음영을 함께 섞으면 백색광이 만들어집니다. 이 세 가지 색을 혼합하는 것이 자연계에 존재하는 다른 모든 색과 백색광을 만드는 가장 효율적인 방법입니다.

화면에 표시되는 모든 사물은 이 세 가지 색의 조합으로 요약됩니다. 비디오 게임을 플레이하든 스프레드시트에서 업무용 프로젝트를 편집하든, RGB에서 세분화되어 화면에 나타나도록 재창조된 색상 세트에 의존하고 있습니다.

따라서 RGB는 시각적 디스플레이의 청사진인 픽셀에 대한 자연스러운 설정입니다.

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디스플레이 해상도를 구성하는 픽셀

그렇다면 픽셀에 대한 이 모든 정보를 알아야 하는 이유는 무엇일까요? 픽셀은 모든 최신 디지털 디스플레이의 해상도를 설명할 수 있기 때문입니다.

해상도는 인치당 픽셀 수로 표현할 수 있으며, ppi 또는 dpi라고도 합니다. 예를 들어 500ppi는 인치당 500픽셀을 의미합니다.

사진 작가와 디자이너는 컴퓨터 화면이든 iPhone이든 특정 디스플레이에 맞게 이미지 크기를 조정합니다. 디스플레이에 포함된 픽셀 수가 많을수록 이미지가 더 선명하게 보일 수 있습니다.

논리적으로 이 개념을 이해할 수 있습니다. 1,000픽셀의 고양이 이미지는 5,000픽셀의 이미지보다 선명하지 않으므로 디테일을 더 잘 표현할 수 없습니다. 다시 말해 특정 디스플레이 크기의 픽셀 수가 많을수록 픽셀 밀도 또는 해상도가 높아집니다.

... 픽셀은 모든 최신 디지털 디스플레이의 해상도를 설명할 수 있습니다."

예를 들어, 저렴한 13인치 Windows 노트북의 해상도는 1366 x 768픽셀인 반면, 더 좋은 노트북은 1920 x 1080픽셀의 해상도를 가지고 있을 수 있습니다. 한 단계 더 나아가 2,500만 개의 빨간색, 녹색, 파란색 하위 픽셀을 혼합하면 최신 울트라HD TV에 충분한 총 830만 개의 RGB 픽셀을 얻을 수 있습니다.

여전히 혼란스럽다면 리처드 라이언(Richard Lyon) 연구원이 해상도와 픽셀의 차이점을 다음과 같은 간단한 인용문으로 효과적으로 요약해 놓았습니다: "해상도는 측정해야 하는 것이고, 픽셀은 세는 것입니다."

디스플레이의 종류에는 어떤 것이 있나요?

모든 디지털 디스플레이는 픽셀의 RGB 프레임워크에 의존하여 작동하지만 모든 디스플레이가 같은 방식으로 작동하는 것은 아닙니다. LED, OLED, QLED, CRT, LCD 등 디스플레이에 사용되는 기술에는 수십 가지의 혼란스러운 약어가 있습니다.

이러한 모든 기술을 자세히 알 필요는 없지만, 대부분의 소비자 제품에 사용되는 두 가지 기본 디스플레이인 투과형 디스플레이(LCD, LED, QLED)와 발광형 디스플레이(플라즈마, OLED, 마이크로LED)를 이해하는 것이 도움이 됩니다.

디스플레이를 구성하는 기술은 다르지만 두 가지 유형의 디스플레이 모두 픽셀에 의존하여 작업을 수행하고 화면에서 이미지를 볼 수 있습니다.

투과형 디스플레이에서 픽셀은 백라이트(픽셀 뒤의 광원)를 변조하여 빛을 차단하고 통과시킬 수 있습니다. 투과형 디스플레이의 픽셀은 집의 셔터처럼 열리고 닫히면서 빛을 차단하고 통과시켜 이미지를 생성하는 기능을 합니다.

해상도는 측정해야 하는 것이고, 픽셀은 계산해야 하는 것입니다."

반면 발광 디스플레이는 백라이트가 필요 없이 자체적으로 빛을 생성합니다.

전등 스위치를 켜고 끄는 것을 상상해보면 발광형 디스플레이에서 픽셀이 작동하는 방식과 매우 유사합니다.

디지털 디스플레이는 어떻게 변화하고 있나요?

투과형 디스플레이는 빛을 100% 차단하지 못하기 때문에 일부 빛이 새어 들어옵니다. 하지만 발광 디스플레이는 픽셀이 꺼지면 완전히 검은색으로 변하기 때문에 화면의 명암비가 향상되어 시각적으로 더 선명하게 표시됩니다.

하지만 MiniLED와 같은 최신 투과형 디스플레이는 필요에 따라 백라이트를 켜고 끌 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 이러한 백라이트의 선택적 디밍을 통해 투과형 디스플레이는 이미시브 디스플레이에서 볼 수 있는 것과 유사한 어두운 대비의 비주얼을 생성할 수 있습니다.

디스플레이 유형에 관계없이 가장 중요한 요소는 빛의 품질입니다. 빛의 품질이 좋지 않으면 이미지가 선명하지 않습니다. TV 화면에서 흐릿한 이미지를 본 적이 있다면 어떤 느낌인지 잘 알 것입니다. RGB를 기반으로 하는 디스플레이는 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 색상의 빛만 생성하는 것이 이상적입니다.

그렇기 때문에 청색 발광 LED는 이상적인 TV 시청 경험에 적합하지 않습니다. LED의 청색광은 물질과 혼합되어 사람의 눈에 흰색으로 보이게 합니다. 결과적으로 백색광은 필터를 통과하여 빨강, 녹색, 파랑으로 분리된 색상을 만들어야 합니다. 결과적으로 주황색-빨간색 또는 황록색-녹색과 같이 덜 정확한 색상이 나타납니다.

투과형 디스플레이의 픽셀은 집의 셔터와 같은 기능을 합니다..."

선명한 RGB 색상으로 더 나은 시청 환경을 원한다면 투과형 LCD 디스플레이를 사용하는 것이 좋습니다. 이 디스플레이의 백라이트는 필터를 거치지 않고 올블루 LED의 빛이 퀀텀닷이라는 기능과 혼합되어 순수한 RGB 백색광을 만들어냅니다. LCD 픽셀의 액정은 빛을 정확하게 제어하는 픽셀의 능력을 더욱 향상시킵니다.

일부 발광 디스플레이는 현대 소비자에게 비교적 좋은 시청 경험을 제공할 수도 있습니다. 2021년형 발광 OLED TV는 처음에 파란색과 노란색 빛을 사용한 후 필터를 통과하여 LED LCD와 마찬가지로 RGB를 생성합니다.

그러나 LED TV와 달리 OLED TV는 흰색 서브픽셀을 추가하여 더 밝은 빛과 더 높은 효율을 제공하지만, 이 과정에서 정확한 색상을 희생하기도 합니다. 이론적으로는 발광형 디스플레이가 더 효율적이고 더 나은 시각적 대비를 보여주지만, 현실에서는 투과형과 발광형 디스플레이 모두 고려해야 할 장단점이 있습니다.

퀀텀닷 기술이 발전함에 따라 디지털 디스플레이도 필연적으로 변화할 수밖에 없습니다. 하지만 이미지 뒤에서 작동하는 픽셀을 이해한다면 변화하는 기술을 따라잡을 수 있습니다.