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LED TV
LED TV는 LCD TV의 백라이트유닛(BLU)으로 LED(Light Emitting Diode)를 사용하는 TV를 말한다. 엘이디 티비라고도 한다.
개요
LED TV는 LCD 화면에 LED의 매우 밝은 조명을 사용한 고화질 TV이다. LCD 방식과 화면은 똑같지만, 화면의 조명이 더욱 밝아졌기 때문에 명암비가 높아지고 더 선명해졌다, 또한, 비교적 두께가 얇고 가벼우며 같은 인치대의 LCD, PDP TV에 비해 전력소모가 적고 화질이 우수하나 가격대가 높다. 소재가 친환경적이며 소비전력이 적고, 화질이 우수하고 백라이트의 위치에 따라 직하형과 에지형으로 구분된다. 직하형은 LED를 LCD 후면에 배치해 정면으로 빛을 보내는 방식이고, 에지형은 TV 화면 장축에 LED를 선상으로 배열해 중앙부로 빛을 보내 도광판을 통해 반사시켜 정면으로 빛을 보낸다.[1][2][3]
LED
LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드)는 전류의 방향이 일정 전극 방향과 일치하면 불빛이 나는 다이오드를 말한다. 1962년 10월 9일, 닉 홀로니악(Nick Holonyak)이 발명하였다. 이후 1970년대 초에 김향수 아남그룹 창업주의 아들 김주진이 보머라는 사람을 만나서 LED를 소개받고 그것을 한국으로 가지고 와서 재소개했다. 지금은 지속된 연구와 개량으로 인해 성능이 이전에 비해 많이 향상되었다. 형광등과 함께 조명의 주요 시장이 되어가고 있다. 즉 네온사인을 넘어선 도시 야경의 상징으로, 실제 사이버펑크 시대가 도래한다면 네온사인보다는 차라리 LED를 사용할 가능성이 높다. 심지어 2020년대 들어서는 형광등도 수은으로 인한 유해성 문제와 저가 LED의 보급으로 사실상 퇴출 수순을 밟고 있다.
LED는 저전력 및 장수명 등의 특징을 가진다. 정격 범위 내에서 사용하는 한 발광 소자 자체는 비교적 긴 수명이며, 열에 의한 열화가 수명 결정 요인이 된다. LED 조명은 수명과 전기 효율이 백열등보다 몇 배 이상 높으며 대부분의 형광등보다 훨씬 효율적이다. LED는 크게 정보 표시용의 저휘도 LED와 조명용의 고휘도 LED로 나뉘어진다. 가격은 저휘도 LED일 경우 개당 100원 이하(도매가 기준), 고휘도 LED는 300원쯤 한다. 조명용 백색 고휘도 LED는 물론 상당히 비싸다.
다른 전자부품들이 그렇듯 낱개로 구매할 때보다 100개 단위로 대량 구매하면 엄청나게 싸다. 20mA 일반 LED의 경우 100개당 1,300원, 1W의 130루멘대 LED는 100개당 3,300원 정도 한다. 여담으로 공구상가 등에서 LED를 대량 구매하면 하나씩 개수를 세는 게 아니라 무게로 달아 파는 모습을 볼 수 있다.[4]
원리
발광 다이오드는 반도체를 이용한 PN 접합이라고 불리는 구조로 만들어져 있다. 발광은 PN 접합에서 전자가 가지는 에너지가 직접 빛 에너지로 변환되기 때문에 거시적으로 열이나 운동에너지를 필요로 하지 않는다. 전극으로부터 반도체에 주입된 전자와 양공은 다른 에너지띠 (전도띠나 원자가띠)를 흘러 PN 접합부 부근에서 띠틈을 넘어 재결합한다. 재결합할 때 띠틈에서 상당한 에너지가 광자, 즉 빛으로 방출된다. p-n 접합에 그 기초를 두고 있으며 작동원리는 전자와 양공이 만나면 가지고 있던 에너지 차이, 즉 에너지 밴드 갭에 해당하는 파장의 빛을 내는 구조이다. 고등학교에서 물리학Ⅰ을 배웠다면 E = hν를 떠올려 보면 고등학교 과정에서는 E = hf라고 배운다.
이 과정에서 사용하는 원소를 다르게 하면 방출되는 에너지의 양이 달라지는데 이러한 에너지의 양의 차이에 따라 빛의 파장의 길이가 결정되고 다른 색을 낼 수 있게 된다. 빨간색은 주로 GaAs를, 초록색과 파란색은 주로 GaN(Ga, N)를 기반으로 한다. 밴드위스상 초록색은 GaP로 만들지만 실제로는 GaN에 Al이나 In 등의 도핑을 다르게 해서 사용하는 경우가 많다. 셋 다 인듐 등의 원소 첨가량을 바꾸며 밴드 갭을 조절한다. 적외선이나 자외선을 내는 LED도 있는데, 적외선은 AlGaAs, 자외선은 다이아몬드로 만들 수 있다. RGB를 모두 소화하는 단일 LED도 있다.
양자점 LED라는 방식도 있는데, 이는 물질의 크기가 작아지면 양자역학에서 말하는 양자제한효과가 일어나 유효 밴드갭(띠틈)이 변화하는 것을 이용한다. 따라서 동일한 물질을 가지고 입자의 크기만 달리해서 발광하는 색을 달라지게 할 수 있는데, 이를 이용하면 고효율 단색 LED로 품질 높은 백색 LED를 만들 수도 있다. OLED보다 색 순도가 매우 높고 무기물인 데다가 OLED처럼 작게 만들 수도 있고, LED보다 싸므로 차세대 광원 및 디스플레이용으로 각광받는 연구분야이다. 기존에는 CdS가 주로 사용되었으나 최근에는 이를 InP로 대체하여 유해성을 제거하는 연구가 진행되고 있다.
흰색 LED는 일반적인 디스플레이의 구현법과 같이 R, G, B 3원색의 LED[6]로 묶거나, 파란색 LED에 노란색 빛을 내는 형광 물질을 도포하여 제작하는데 단가가 싸므로 저성능 LED부터 고성능 LED까지 가장 많이 사용되는 방법이다. 눈에 편한 흰색을 구현하기 위해 UV LED에 R, G, B 형광물질을 이용하는 방법도 있다. 실리콘으로도 만들 수 있지만 간접천이형이라 직접천이형인 위 물질들에 비해 효율이 극히 떨어진다. 덕분에 실리콘 기반 LED는 거의 사장되었고 이렇게 효율이 떨어지는 건 태양전지도 마찬가지이다. 다만 태양 전지의 경우 CIGS 등 직접천이면서 흡수 파장대가 넓은 물질이 비싸서 실리콘 기반 태양 전지가 쓰이고 있다.
여기에 사용되는 에너지 띠 그래프의 x축은 브릴루앙 영역인데 전도대역이 최소값을 가지는 x값과 가전자대역이 최대값을 가지는 x값이 같으면 직접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지만 x값이 다르면 간접천이형으로 밴드 갭에 해당하는 에너지가 모두 빛으로 나오지 않고 일부가 포논이 되므로 격자 진동을 일으켜 열로 소모된다. 더 자세히 알고 싶다면 고체물리를 공부하면 된다. LED 조명의 여명기에는 청색 LED의 복잡한 생산 공정 때문에, 그에 기반한 백색 LED의 가격이 굉장히 비쌌다. 그러나, 그마저도 중국의 힘으로 기존 조명에 쓰일 만한 정도의 저성능 LED는 대량 생산에 성공해 매우 싼 가격에 구할 수 있게 되었다. 고성능 LED는 예전에는 Cree 사나 오스람사, 니치아 사 정도에서만 생산되어 수요에 비해 공급이 따라가지 못하지만, 지금은 LG이노텍, 삼성전자, 서울반도체 같이 고성능 LED를 생산하는 회사가 늘어났다.[4]
장점
민간에 있어서는 대개 조명계의 혁명 정도로 받아들여진다. 특히 LED를 이용한 손전등 방면에서는 일대 혁명을 일으켰다. 휴대성을 중시한 소형 손전등이 이전까지 아무리 날고 기어봤자 20루멘의 영역을 못 벗어났다면 LED 도입 이후의 손전등은 새끼손가락만한 게 100루멘, 엄지손가락 만한 게 350루멘, 한손에 여유있게 잡고 쓸만한 건 손쉽게 1000루멘을 넘고 2000루멘~4000루멘까지도 넘보는 경지에 이르렀다. 또한, 고효율이라 건물 내에서 태양 없이 식물을 경작하기도 한다. 여기에는 적색과 청색 LED를 사용하는데 식물이 이 파장대의 빛을 광합성에 가장 많이 사용하는 원리를 이용한다.
즉 전구나 형광등에 비해 LED는 작고 견고하고 등기구가 제대로 만들어진 경우 수명도 길며, 밝기도 더 밝고 전력 소모량도 훨씬 낮다. 괜히 조명계의 혁명이라 불리는 게 아니다. 백열등의 단점으로 인해 대한민국에서는 2010년대 초중반에 백열전구가 절판되었고, 대부분 LED로 옮겨가는 추세이다. 현재로는 전구형 LED로는 100 lm/W 에서 215 lm/W (840lm/4W 4000K, 10 유로)의 초고효율 제품도 나오고 있다.
크기로는 쌀알만큼 작아질 수 있어서(그리고 더 나아가 먼지만큼 작아질 수도 있다.) 이미 얇은 핸드폰 LCD 백라이트로 일찌감치 들어갈 수 있었으며, 쉽게 필라멘트가 타버리는 백열구나 유리가 깨질 위험이 있는 형광등에 비해 조그마한 플라스틱 덩어리로 이루어진 구조라 비교할 수 없이 내구성이 높다. 애초에 속이 빈 형광등이나 백열전구와는 달리 속이 전부 메워져 있기 때문에 잘 깨지지도 않는다. 어쩌다 강한 충격이나 압력이 가해져도 LED가 아닌 기판이 망가지는데 그치고 잘해야 플라스틱 쪼가리가 떨어져 나오는 정도니 안전상으로 봐도 날카로운 유리 파편을 흩뿌리는 백열전구나 형광등에 비할 바가 아니다. 그리고 적절한 환경에서 사용할 경우 백열구(수백 시간)나 형광등(수천 시간)에 비해 천배 만배 (수십만 시간) 가까운 수명을 자랑한다. 또한 일반적으로 동일하고 작은 LED 여러 개를 묶은 집적형태로 조명기구가 만들어지기 때문에 LED 한두 개가 나가버린다고 조명이 한꺼번에 없어지지 않으며 고칠 때도 고장난 부분 한두 개만 갈아주면 되므로 유지관리 측면에서 경제적이다. 또한 형광등은 수은이 들어가는지라 환경 문제가 있지만 LED는 환경 문제가 없다.
텔레비전의 적외선 리모컨 수신부가 형광등의 전자식 안정기에서 나오는 전자기파의 간섭을 받아 오동작 하는 경우가 있는데, LED 등은 그런 점이 없다는 부수적인 장점이 있다. 기술의 발전과 LED등의 개량에 힘입어 연색성은 다른 조명에 필적할 정도로 개선하는데 성공했고 회로도 계속해서 상향평준화가 이루어지고 있기 때문에 저가 제품군도 평균적인 질이 좋아지고 있다. 가격 역시 2009년 이후 중국제 LED 조명의 약진으로 품질을 유지하면서 계속 단가를 떨어트리는 데 성공해서, 민간시장에 있어 LED는 더이상 비싼 조명기구가 아니다. 오히려 휴대용 조명분야에서 LED가 아닌 다른 조명들은 HID 정도를 제외하면 다 사장되어가는 분위기다.
사진이나 영화 촬영 현장에서도 조금씩 도입되고 있는 추세라고 한다. 표면 한정으로 발열이 거의 없다. 전구를 오래 켜두면 표면온도가 많게는 100°C까지도 오른다는 것을 생각해보면 화상 위험과 불필요한 에너지 손실이 없다.[4]
단점
연색성이 다른 조명에 비해 상대적으로 떨어지고 조명으로 사용할 경우 점광원이라 눈이 부시므로 광확산 PC나 광확산필름 같은, 빛을 분산시키기 위한 부품이 필요하다. 문제는 싸구려 LED기구의 경우 이런 빛 분산 부품 또한 반투명 플라스틱 쪼가리가 전부이므로 밝기 효율이 떨어지는 문제가 벌어진다.
싸구려 저가형 LED 조명 중에서는 회로가 시원찮아서 60 Hz(교류) 주파수에 따라 옛날 형광등처럼 깜빡거리는 LED도 있다. 눈이 쉽게 피로해지고 카메라에서는 플리커링 현상이 일어나서 매우 안 좋은데도 은근히 시중에 함정같이 많이 깔려 있으므로 주의. 대부분의 저가형 LED등이 싸구려 커패시터와 브릿지다이오드 하나(요즘은 다이오드에 몇가지 기능을 추가해 스마트 드라이버IC라고 칭한다), 저항기 2개로 구성된 아주 단순한 회로를 사용하기 때문에 플리커링이 매우 심하고 전원환경에 민감해 잘 고장난다. 이 중에서 콘덴서가 전압을 평활화시켜주어 어느 정도 플리커링 현상을 완화할 수 있는데, 진짜 싸구려 등기구는 안그래도 저품질이라 저렴한 RCD 방식의 회로에서 또 원가를 절감하겠다고 콘덴서마저 빼버린다.
또한 이런 회로가 장착된 LED등은 보통 1년이 안 되어 빛이 약해지거나 고장난다. 거기다가 LED가 직렬로 연결되어 있어 LED 하나가 고장나면 회로가 끊어져 모든 LED가 다 꺼진다. 플리커링은 직접 켜보고 테스트한 후 사면 되는데, 플리커링이 있는 램프에 핸드폰 카메라를 갖다대면 세로줄이 생긴다. 스마트폰의 셔터 닫히는 주기와 LED가 깜빡거리는 주기가 달라서 생기는 현상으로, 집에서 동영상 촬영을 자주 한다면 절대 사지말아야 한다. 요즘은 플리커링 없는 고품질 회로도 제품 경쟁력 중 하나라 보는지 잘 알려지지 않은 제조사에서는 플리커링 없는 제품은 알아서 "플리커링 현상이 없다" 또는 "SMPS 전원부를 사용했다"며 홍보를 한다. 다만 필립스나 국내 대기업 LED 등기구에는 고품질 회로를 사용함에도 이런 말이 없으며 질에 자신이 있다는 뜻이다. 문제는 고품질 회로를 사용한 기구들은 그에 걸맞게 가격도 높아 가성비를 떨어뜨리며, 어떤 제품이 어떤 회로를 채용했는지는 분해해 보기 전에는 모른다는 것이다.
유럽에서는 법적으로 플리커링이 있는 싸구려 등기구는 판매가 금지되어있는데, 우리나라에서는 플리커링이 시력에 악영향을 주는데도 통 관심이 없다. 상식적으로 1초에 120번씩 깜빡깜빡 거리는 전구가 시력에 좋을 리는 만무하며, 연구결과로도 그 악영향이 검증되었다. 저가제품은 방열처리가 제대로 되어있지 않거나 전원부가 부실해서 기존에 쓰던 형광등에 비해 더 빨리 고장나는 경우가 많다. 다른 전자제품도 마찬가지지만 저가의 제품은 폭발할 수도 있다. 천장에 다는 형태의 등기구 대부분은 방열판이 없이 오로지 회로기판이 LED에서 나오는 모든 열을 소화하는 구조로 되어있다. 구입할 때 직접 등기구 뒤를 확인해보는 것도 좋다.[4]
LCD TV와 LED TV
우리 주변에서 없어서는 안 될 필수품으로 바로 TV이다. 흔히 TV를 구입할 경우, 따져보고 골라야 하는 조건들이 많아 헷갈리는 점이 많다. 그렇다면 그 중에서도 LED TV와 LCD TV는 헷갈리고 복잡하게만 느껴지는 기술들의 차이는 다음과 같다.
먼저 LCD란, liquid crystal display의 약자로 액정 디스플레이를 의미한다. 쉽게 말해 액체와 같은 유동성을 가지는 물질인 액정을 이용해 문자나 도형을 표시하는 장치이다. 현재 TV를 비롯하여 손목시계, 전자계산기 등의 디스플레이로 이용되고 있다. 다음으로 LED란, light emitting diode의 약자로 빛을 내는 발광 다이오드를 의미한다. 빠른 처리속도와, 전력소모, 수명 등의 제반 사항에서 큰 장점을 보이는 LED는 각종 전자제품의 전자표시 부품으로 각광받고 있다.
먼저 LCD와 LED TV의 원리를 알아보기 전에 '백라이트'라는 개념이 필요한데, 백라이트란 LCD 뒤에서 빛을 내는 발광체 부분을 의미한다. LED TV와 LCD TV 모두 LCD를 통해 빛을 굴절한다는 공통점을 가지고는 있지만 백라이트를 쓰는 발광체가 CCFL와 LED로 다른 차이점을 가지고 있다. (LCD TV: CCFL 발광체 이용, LED TV: LED 발광체 이용)이러한 차이점으로 인해 LED TV에서는 LED 소자가 하나의 LCD 픽셀을 비춰 형광등을 쓸 필요가 없어져 더욱 더 얇아지고 화질도 더욱 선명해 졌다.
즉, LCD TV는 백라이트를 CCFL로 쓰고 LCD(디스플레이 액정패널)로 빛을 굴절시키는 원리이다. 이렇게 빛을 굴절시키게 되면서 컬러 필터를 통해 색상을 표현하는 것이다. 반면 LED TV는 백라이트를 LED(자체 발광 다이오드)로 쓰고 LCD로 빛의 굴절을 하며 컬러 필터를 통해 색상을 표현한다. 즉 LED TV는 LCD TV와 전혀 다른 것이 아닌, LCD TV의 일종이지만 LED를 이용한 기술의 제품인 것이다. LCD TV는 CCFL(냉음극형광램프) 대신 LED를 사용하게 되면서 더 얇은 패널, 저전력, 친환경, 고화질 등의 장점을 지니게 되었다. 여기서 CCFL란 형광램프의 일종으로 필라멘트의 가열 없이 저온에서 점등되기 때문에 열 발생률이 매우 낮다. 유리관 내벽에 형광물질이 도포돼 있으며 관 양단에 전극이 부착돼 있다. 휴대폰, 모니터, LCD TV 등에서 사용되고 있다.
사실 LCD TV와 LED TV가 전혀 다른 것은 아니다. 단지 위에서 알아보았듯이 사용하는 발광체가 CCFL에서 LED로 바뀐 것뿐이다. 하지만 이렇게 발광체를 바꿔 사용하는 신기술이 등장하게 되면서 나아진 점들이 많은데, 다음과 같은 점들이 좋아졌다.
- 더 얇아진 패널 두께 : 발광체를 위한 공간 확보가 필요 없기 때문에 굉장히 얇게 제작 가능하다.
- 줄어든 전력 소비 : 발광체가 CCFL에서 LED로 바뀌면서 소비전력이 크게 줄게 되어 전기요금이 그만큼 줄어들게 된다.
- 친환경 TV로 한 걸음 : 대기 전력 소모의 감소와 더불어 절전기능으로 친환경 TV로 한 걸음 나아가고 있다. 또한 환경 규제 물질로 지정된 수은을 사용하는 형광등과 다르게 LED는 수은을 전혀 함유하지 않아 더욱 더 친환경 기술로 각광받고 있다.
- 적은 교체비용 : LED TV의 발광체인 CCFL의 기준 수명은 42인치 기준으로 3~5만 시간으로 수명이 다하면 약 15~20만 원의 교체비용이 들게 된다. 반면 LED는 최소 수명이 10만 시간 이상으로 반영구적이기 때문에 교체 비용이 적게 들 수 있다.[5]
동영상
각주
참고자료
- 〈엘이디〉, 《네이버 국어사전》
- "LED TV", 《쇼핑용어사전》
- "LED TV", 《지식경제용어사전》
- "LED TV", 《쇼핑용어사전》
- "LED", 《나무위키》
- ICT, 〈LCD TV와 LED TV는 무엇이 다를까?!〉, 《네이버 블로그》, 2014-12-03
같이 보기
