브라운관 TV, LCD, LED, 카메라의 원리 - 영상정보 처리

[브라운관 TV, LCD, LED, 카메라의 원리 - 영상정보 처리]

우리가 매일 접하는 TV, 모니터, 휴대폰에서 화면이 나오는 원리는 크게 두 가지입니다. 첫째는 빛의 충돌에 의한 것으로 CRT 브라운관 TV, PDP TV 등이 있고, 둘째로 빛을 걸러서 통과시키는 것이 LCD, LED, 3D 편광안경, 모니터와 휴대폰 액정이라는 것입니다. 그러므로 역시 설명도 이렇게 두 가지로 나눠서 하겠습니다. 

[글의 순서]

1. 브라운관 TV(CRT TV), PDP TV의 원리

2. LCD TV, LED TV의 원리

3. 디지털 카메라의 원리

[엮인 글]

신호와 정보의 차이, 아날로그와 디지털의 차이

브라운관 TV(CRT TV), PDP TV의 원리

'브라운관 TV(CRT TV)'와 'PDP TV'의 공통점은 빛을 쏘아서 화면에 전자를 충돌시켜 영상을 만든다는 것입니다. CRT의 뜻은 Cathode(캐소드. 음극, 즉 전자)를 Ray(선)으로 쏘는 Tube(관)이 있다는 의미입니다. 

CRT TV는 옛날 방식의 TV에서 볼 수 있는데, 화면 뒤쪽에 전자총이 있어서 앞쪽의 유리로 전자를 쏘는 역할을 합니다. 그래서 브라운관 TV는 두꺼울 수밖에 없습니다. 

(사진: CRT TV라고 불리는 브라운관형 TV의 내부 모습. 오른쪽에 전자총에서 전자가 브라운관으로 발사된다. [브라운관 TV(CRT TV), PDP TV의 원리] / ⓒ Scott A. Miller, Daniel Christensen, 편집 www.kiss7.kr)

쏘아진 전자는 RGB 형광물질이 있는 화면에 충돌합니다. 이때 전자 에너지가 빛 에너지로 변환되며 신호에 따라 화소의 Red, Green, Blue 색을 입고 튀어나옵니다. 브라운관 때문에 두껍고 전기가 많이 들지만, 빛이 걸러지지 않고 모두 튀어나오므로 편광을 사용하는 LCD 등에 비해서 화면이 밝고 화사합니다. 

전자총은 하나 밖에 없지만, 전기장에 의해 전자들이 휘어져 날아가므로 넓은 화면에 골고루 닿을 수가 있다는 것도 기억해 둡시다. 

(사진: 전자총에서 발사된 전자들이 전기장 때문에 골고루 휘어져 날아간다는 것을 알아두자. [브라운관 TV(CRT TV), PDP TV의 원리] / ⓒ techclusterz.com, 편집 www.kiss7.kr)

한 개의 전자총을 가진 CRT와 다르게 PDP TV는 각각의 화소마다 자외선을 쏘는 광원을 가지고 있다는 차이가 있는 것을 알아둬야 합니다. 수많은 화소마다 각각 광원이 필요하기 때문에 작게 만들 수 없습니다. 그래서 대형화면용으로 많이 사용합니다. 

PDP의 뜻은 Plasma(플라즈마. 기체 같은 이온)로 Display(디스플레이. 보여주다)를 하는 Panel(패널. 판)을 가졌다는 의미입니다. 영어 뜻만 알아도 기억하기 쉬우니 영어단어를 외우며 기억하면 편합니다. 

(사진: Red, Blue, Green 색이 들어있는 각 광원에서 자외선이 나와서 방전되는 플라즈마 공간을 가지고 있다. [브라운관 TV(CRT TV), PDP TV의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

PDP TV는 두 장의 유리판에 기체를 넣고 고전압을 걸어서 플라즈마 방전이 일어나게 합니다. 이때 마치 정전기나 번개가 생기듯이 자외선이 발생하는데, 이 빛이 RGB 형광 물질에 충돌하며 영상이 생기는 것입니다. 

정리하자면, CRT TV는 전자를, PDP TV는 플라즈마 자외선을 충돌시키며, CRT TV는 별도 광원을, PDP TV는 각각의 광원을 가집니다. 그래서 CRT TV는 두꺼운 특징을, PDP TV는 대형화면 특징을 가진다고 보면 됩니다. 

LCD TV, LED TV의 원리

설명을 시작하기 전에, 간단히 정리 먼저 하자면, LCD란 "액정을 사용했다는 뜻"이고, LED란 "발광다이오드가 빛을 낸다는 뜻"이라고 생각하면 이해가 쉬울 것입니다. 둘 다 액정을 사용하지만 빛을 내는 광원부분이 더 있는 LCD를 LED라고 부르는 것입니다. 

'액정'은 젤리 같은 것이고, '발광다이오드'는 전구 같은 것이라고 생각하면 더 쉬울 수도 있습니다. 

(사진: LED TV는 뒤쪽에 발광다이오드를 붙여 놓은 제품이다. LCD TV는 다른 광원을 따로 사용해야 한다는 것과 차이가 있다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

LCD TV도 말의 뜻에서부터 접근해 봅니다. LCD의 뜻은 Liquid(리퀴드. 액체)와 Crystal(크리스탈. 결정)의 중간쯤에서 Display(디스플레이. 보여주다)라는 의미입니다. 

명칭이 이렇게 된 것은 여기에 들어있는 '액정'의 성질이 액체도 고체도 아니기 때문입니다. 흔히 쓰는 "휴대폰 액정이 깨졌다"는 표현은 액정이 담겨 있는 유리가 깨졌다는 뜻입니다. 

(사진: 발광다이오드만 빼면 LCD와 LED의 순서가 같다. 수직-액정-필터-수평의 순서이니 외우면 이해가 쉬워진다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ adeka.co.jp)

LCD의 구조는 2개의 90도 각도의 편광판이 샌드위치처럼 양쪽에 있고 그 사이에 액정과 컬러필터가 있다고 보면 됩니다. 광원은 수직편광판의 바깥쪽에 붙어서 빛을 쏘아 줍니다. 즉 LCD는 "액정과 컬러필터, 편광판"만을 말하는 것이므로 스스로 빛을 내지는 않습니다. 그렇다고

CRT TV처럼 별도의 전자총이 있다는 뜻이 아니라, LCD TV는 LCD 판에 광원을 붙여서 빛을 주는 구조라는 얘기입니다. 그래서 얇게 만들 수 있습니다.

(사진: 액정을 지나면서 일부 빛은 통과하고 일부는 막히게 된다. 이때 통과한 빛만 컬러를 입고 영상으로 나오는 것이 TV의 원리다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

LCD에 빛이 지나가는 순서는 알아둬야 합니다. 광원이 LCD에게 빛을 쏘면 일단 수직편광판을 지나며 빛이 한번 걸러집니다. 이 빛이 액정을 통과하면서 빛의 양이 조절되고, 컬러필터를 지나면서 색을 가지게 됩니다. 마지막으로 수평편광판을 지나며 한 번 더 걸러진 후 비로소 영상이 보이게 됩니다. 

양쪽의 편광판은 서로 90도 방향(직교)이라는 것도 기억해야 합니다. 그래야만 원하지 않는 빛을 막아버릴 수 있습니다. 

(사진: 액정은 전기가 걸리지 않으면 빛이 통과하고, 전기가 걸리면 빛이 막혀버린다는 것을 기억하면 이해가 쉬워진다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

휴대폰에도 액정화면이 있는데, 액정은 빛이 지나가게 하거나 못 지나가게 하는 역할을 할 뿐입니다. 평소의 액정 알갱이들은 비틀어져서 구불구불하게 배열되어 있습니다. 그런데 빛은 횡파이므로 구불구불 거리며 전진합니다. 즉 횡파에 맞게 경로가 구불구불해져 있기 때문에 빛이 통과할 수 있습니다. 

하지만 전압이 들어오면 액정 알갱이들이 일정하게 줄서서 배열됩니다. 즉 직진 밖에 안 되므로 구불거리는 횡파가 부딪혀서 통과하지 못하는 것입니다. 

(사진: 왼쪽 위에 보이는 것이 발광다이오드다. 마치 전구와 같은 역할을 한다. 화면 뒤쪽에 발광다이오드가 있는 것이 LED고, 없으면 LCD다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

그러므로 평소에는 광원이 쏜 빛이 그대로 LCD를 통과하지만, 따로 LCD의 특정부분에 전압이 걸리면 액정의 방향 때문에 그 부분의 빛이 막히게 되고, 막혀서 검게 된 부분이 글자와 도형으로 보이는 것입니다. 

그런데 LCD TV에는 문제가 있습니다. 편광판을 두 개나 통과해야 하므로 빛의 양이 줄어듭니다. 즉 에너지 효율이 떨어지는 것입니다. 이것을 개선하기 위해서 LED TV가 탄생했습니다. 

LED의 뜻은 Light(빛)이 Emitting(이미팅. 방출하는) Diode(다이오드. 전류관)의 의미입니다. 즉 LED의 뜻 자체가 '발광 다이오드'라는 뜻입니다. 

(사진: LCD의 광원은 마치 형광등 같은 것을 따로 부착해야 한다. 그래서 더 두껍고 열효율이 낮다. [LCD TV, LED TV의 원리] / ⓒ OhTT, 편집 www.kiss7.kr)

쉽게 말하면 발광다이오드란 전구처럼 빛을 내는 전자부품이라는 얘기입니다. 이것을 더 간단히 표현하자면, LCD에 발광다이오드를 붙이면 LED라고 부른다고 할 수도 있겠습니다. LCD는 광원으로 형광등을 사용하는데, 이 부분을 LED로 바꾸니 매우 밝으면서도 에너지효율이 좋아져서 인기가 높습니다. 

디지털 카메라의 원리 

디지털카메라는 먼저 순서를 기억한 후 설명을 보는 것이 쉽습니다. 빛은 '렌즈'를 통해 카메라로 들어갑니다. 수동카메라는 그 빛이 필름에 닿지만, 디지털카메라는 'CCD'에 닿는 것이 가장 큰 차이입니다. 여기서 빛은 전류로 바뀌며 정보가 임시로 '플래시칩'에 저장됩니다. 이 정보는 'ADC'를 통해서 디지털숫자가 되고, 이것을 '마이크로 프로세서'가 받아서 사진으로 메모리카드에 저장해 줍니다. 

그런데, 'LCD창'을 통해 바로 사진을 볼 때는 'DAC'로 보내서 다시 아날로그 신호로 바꾸게 됩니다. 

(사진: 디지털카메라도 LCD TV나 LED TV처럼 디지털로 저장하고 표현하는 방식이 필요하다. [디지털 카메라의 원리] / ⓒ beear)

렌즈 → →CCD → 플래시칩 → ADC → 마이크로 프로세서 → 메모리카드의 순서임을 기억해 둡시다. DAC는 액정화면으로 볼 때만 사용됩니다. 화면의 빛은 아날로그이기 때문입니다. 

(사진: 여기서 가장 중요한 것은 어디 쯤에서 디지털로 바꾸고, 어디쯤에서 다시 아날로그로 바꾸는 것이냐는 것이다. 액정화면이 아날로그라는 말이 아니라, 정보를 눈에 보이게 하는 것이기 때문에 LCD전송을 아날로그라고 부르는 것이다. [디지털 카메라의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)

디지털카메라의 핵심은 CCD입니다. CCD의 뜻은 Charge(차지. 충전하다)하며 Coupled(커플. 결합하다)하는 Device(디바이스. 장치)라는 말입니다. 그러니까 빛의 받아서 정보로 결합시키는 역할을 하는 건데, '전하 결합 소자'라고도 합니다. 

CCD에는 수백만 개의 화소가 들어있는데, CCD 화소가 많아야 고화질의 사진이 됩니다. 휴대폰카메라가 아무리 좋아져도 일반카메라보다 못한 이유는 결정적으로 CCD의 크기가 작기 때문입니다. 

(사진: 디지털 카메라에서 가장 중요한 CCD. 이 센서가 크면 클수록 좋은 사진을 얻을 수 있다. CCD는 광다이오드 덕분에 가능한 센서다. [디지털 카메라의 원리] / ⓒ Ahmed2IQ Radovan Blažek)

CCD는 오로지 빛을 느껴서 임시로 저장하는 것이 역할입니다. 빛을 느끼기 위해서 '광다이오드'라는 센서를 사용하며, 실제 저장이 아닌 임시 저장을 플래시칩에 합니다. 실제 사진의 저장은 ADC로 디지털신호로 바꾼 후 마이크로 프로세서에서 합니다. 

CCD 위에는 색필터가 덮여 있어서 색을 인식할 수 있습니다. 또한, 빛이 많으면 전류의 세기도 커지기 때문에 사진은 최대한 밝은 곳에서 찍는 것이 좋습니다. 전류가 커진다는 말은 정보가 많아진다는 뜻이고 사진이 선명해진다는 의미입니다. 

(사진: ADC와 DAC가 어려우면 단어의 뜻으로 기억한다. A날로그에서 D지털로 바꾸는 것이 ADC이고, D지털에서 A날로그로 바꾸는 것이 DAC다. [디지털 카메라의 원리] / ⓒ ThomasWolter. 편집 www.kiss7.kr)

CCD는 메모리칩에 "임시 저장"하기만 하므로 전원을 꺼버리면 바로 지워집니다. 실제 저장은 프로세서가 메모리카드에 따로 하는 것이므로 반드시 ADC가 필요합니다. CCD 다음에 ADC가 있고 LCD 전에 DAC가 있다는 것도 중요합니다. CCD와 ADC, DAC와 LCD창은 한 쌍으로 같이 있어야 합니다. 왜냐면 빛은 아날로그이기 때문에 디지털로 바꿔야 하고, LCD는 빛 보는 화면이기 때문에 다시 아날로그로 바꿔야 하기 때문입니다. 즉 "A-D면 아날로그→디지털", "D-A면 디지털→아날로그"라고 기억하면 편합니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)

(사진: 어떻게 자연을 기계에 저장하고, 다시 보려면 어떻게 해야 하는지를 알기 위한 기초지식이 TV와 디지털카메라 안에 있다. [디지털 카메라의 원리] / ⓒ Marcocarli, dansamu)

결과적으로, 저장을 위해서는 아날로그인 빛이 저장정보인 디지털로 바뀌고(저장하기), 우리가 눈으로 확인하기 위해서는 다시 아날로그로 바꿔야(화면으로 확인하기) 한다는 것을 배울 수 있습니다.

[엮인 글]

신호와 정보의 차이, 아날로그와 디지털의 차이