02. TV방송의 기본원리(6)

2.8 컬러 TV(Color Television)방송 수상기

컬러 TV방송의 수상기는 신호방식에 따라 크게 아날로그 방식과 디지털 방식이 있다. 1890년대 음극선관(CRT: Cathode Ray Tube)이 개발된 이후 1953년 컬러 TV방송 수상기가 출현했다.

사람들은 TV방송 수상기의 영상화면을 크게 보기를 원해왔고, 가정용으로 최대 36인치 급의 CRT를 이용한 TV방송 수상기도 등장했으나 40인치 이상의 TV방송 수상기 개발은 기술적 한계를 극복하지 못하고 있을 때 디지털이라는 영상신호체계가 등장하여 디지털 TV방송의 도입으로 다양한 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display) 장치를 이용한 TV방송 수상기가 개발되면서 문제가 해결되기 시작했다.

아날로그 방식에 의한 TV방송 수상기는 수상관인 브라운관(CRT: Cathode Ray Tube)을 사용하였지만 새로운 공법으로 만들어진 TV sets는 PDP, LCD(LED), OLED, OMLED, QLED 방식 등등 여러 새로운 방식이 개발되고 있다.

 

2.8.1 아날로그(Analog Color) TV CRT의 구조

우리는 디지털 시대에 살고 있지만 아날로그 방식을 먼저 이해하여야 TV방송 수상기의 발전과정을 이해할 수 있다.

TV방송 시스템은 전자편향방식을 이용하여 브라운관 목(Tube Neck)에 수평, 수직으로 Coil(Deflection Yoke)을 고정시키고, R, G, B의 전자총에서 각각의 Beam을 발사시켜 주면서 수평으로는 15,750Hz의 톱니파형(Saw-tooth Wave)을 이용해 받아 처리하고, 수직으로는 60Hz의 톱니파를 이용하여 주사선의 위치를 찾아 처리하게 했다.

그림 2-16 델타(Delta)방식과 인라인(In-Line)방식 TV모니터

 

그렇게 되면 플레밍(Fleming)의 왼손법칙에 따라 R, G, B Beam이 편향되어 CRT의 Shadow Mask의 작은 구멍을 통과하고 형광면(CRT Face)에 도포된 인광(燐光)막(Phosphor Screen)의 R, G, B 색 세포에 도달하여 빛을 발하게 되면서 넓은 영상화면이 형성됐다.

이러한 CRT의 구조는 크게 2가지가 있는데 델타 건(Delta Gun) 방식과 인라인 건(In-line Gun) 방식이 있었다. Delta Gun 방식은 Tube Neck에 R, G, B 전자총이 120°의 각도를 유지하여 마치 삼각형과 같은 형태의 R, G, B Beam을 전자총으로 발사하고, 형광면의 인광막 또한 R, G, B, 3색이 삼각형(Delta) 형식으로 배열돼 받아들여 영상을 나타냈다.

이러한 Delta Gun 방식은 영상화면이 커지면서 R, G, B 원형 색 세포 간에 틈새가 생겨 영상화면이 커질수록 해상도가 떨어진다. 한편 In-line Gun 방식은 Tube beck에 R, G, B 전자총이 일렬로 배치되어 Beam을 발사하고 Shadow Mask를 지나 형광면(CRT Face)에 도포된 인광막(Phosphor Screen)에 도달한다.

이때 인광막의 구조가 R, G, B, 3색 줄(Stripe)형식으로 계속돼 빈틈없이 형성되어 있어 영상화면이 커져도 빈 공간이 없다. 이런 방법은 소니 회사의 특허품인 트리니트론(Trinitron)방식이라고 했다.

 

2.8.2 디지털 TV방송 수상기(Digital Television Sets)

TV방송 수상기(TV Sets)는 영상과 음향을 VHF나 UHF 주파수에 변조시킨 캐리어파형(Carrier Wave)에 실어 보내면 각 채널(Channel)의 선택에 의해 수신할 수 있는 장치를 말한다.

디지털 TV방송 수상기로는 SDTV 수상기와 HDTV 수상기가 있다. SDTV방송 수상기는 과거 아날로그 TV방송 수상기와 크기의 비율(4 : 3)은 같지만 해상도(720 × 480)가 다소 개선된 수준이었다.

그러나 HDTV방송 수상기는 2가지 형태의 2차원(2-D) 평면수상기로 1920 × 1080의 해상도와 1280 × 720 해상도를 수용할 수 있는 두 가지 형태가 있다. 그리고 새롭게 개발되었던 3차원(입체) 영상화면을 볼 수 있는 3-D HDTV 수상기도 있다.

3-D HDTV 수상기는 입체영상 화면을 볼 수 있다는 훌륭한 장점도 있지만 영상 콘텐츠 부족과 아직은 공중파 전송이 없고, 볼 때마다 특수한 안경을 써야 한다는 불편한 점이 있어 특별한 경우를 제외하고 발달되지 못하고 있다.

디지털 TV방송 수상기는 CRT를 이용한 방법은 사라졌지만 디지털 프로젝션(projection), PDP(Plasma Display Panel)TV, LCD(Liquid Crystal Display)TV, LED(Light Emitting Diode)TV, OLED TV수상기 등이 출현해 사용되고 있다.

 

1. DLP(Digital Light Processing)형 TV방송 수상기

TV방송 수상기의 원리는 인가한 전압에 따른 액정의 투과도 변화를 이용하여 여러 가지 전기적 정보를 시각정보로 변화시켜 전달하는 전자소자이다. 좀 더 자세히 말한다면 액체와 같은 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정체와 같이 규칙적으로 배열된 상태에서 외부의 전계에 의해 변화하는 성질을 이용해 표시소자로 만든 것이다.

DLP(Digital Light Processing)형 TV방송 수상기는 택사스 인스트루먼트(TI)회사가 개발한 것으로 수십만 개의 미세한 구동거울을 집적시켜 만든 것으로 외부로부터 입력된 영상신호를 확대해 투사하는 형태로 동작된다.

매초 50만회 이상의 절체(Switching)로 수십만 개의 거울이 모여진 빛을 각각 디지털 방식으로 제어함으로써 아날로그 방식의 LCD형과 같이 감마신호 등을 변환하거나 디지털 영상신호를 아날로그로 변환하는 DAC가 필요 없이 마지막에 아날로그 빛으로 변환된다.

DLP형은 빛의 이용효율이 높을 뿐만 아니라 완전한 디지털 방식으로 아날로그 방식보다 색 재현성이 뛰어나다. DLP는 표면에 투명전극을 형성한 2장의 유리판을 수 (1㎛는 1000분의 1mm)로 유지하고 그 사이에 액정을 삽입하여 외부로부터 투명전극을 통해 전계를 만들어 가해져 액정이 회전되고 빛을 통과시키거나 통과하지 못하게 하는 셔터기능을 이용해서 영상화면을 구성한다. 즉 편광판을 이용하는 방법이다.

 

2. PDP(Plasma Display Panel)형 TV방송 수상기

PDP(Plasma Display Panel)는 기체의 방전에 의해서 생성되는 플라스마를 이용하여 TV 영상화면으로 표시해 주는 장치다. PDP는 두 장의 얇은 유리 기판에 혼합된 가스를 유입시켜 고압을 가하면 여기서 발생되는 이온가스로 방전시켜 컬러 영상화면을 만들어 내는 방식이다.

CRT는 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래로 전자빔을 주사하여 영상화면을 만들어 내지만 PDP는 전면을 동시에 발광시켜 1초 동안 60회 또는 그 이상 위에서 아래로 영상화면을 조금씩 밀어내리면서 동시에 발광된다.

PDP는 각 Pixel에서 자체 발광하는 구조로 돼 있기 때문에 자장(磁場)의 영향을 받지 않고 어디서나 고화질로 영상화면을 볼 수 있다.

 

3. LCD(Liquid Crystal Display)형 TV방송 수상기

LCD(Liquid Crystal Display)형 TV 수상기는 액체와 같은 유동성을 갖고 있는 유기분자인 액정이 결정과 같이 규칙적으로 배열돼 있어 분자배열이 외부전계의 변화에 의해서 변하는 성질을 이용한 표시소자로 만들어진 것이 LCD TV 수상기의 원리이다.

LCD는 표면에 투명전극을 형성한 2장의 유리기판을 수 로 유지시키고 그 사이에 액정을 삽입시켜 외부로부터 투명전극을 통해 전계를 가해 액정을 회전시켜 빛을 통과시키거나 통과시키지 못하게 하는 셔터기능을 이용하여 영상화면을 구성하게 한다.

두 유리 기판 안에 분포된 액정에 전압이 가해지는 강도에 따라서 편광판의 역할이 발생하고 형광물질이 발광하여 영상화면을 형성한다. 액정의 분자에 전압의 강도에 따라 배열된 Pixel에 R, G, B의 강도가 제어된다. 강한 유전성의 액정은 분자 자체가 플러스와 마이너스의 분극을 갖고 있어 전기에 대한 반응이 빠르고 양방향성에서 안정된 상태가 유지된다.

LCD형은 인가된 전압에 따라 액정의 투과도가 변화하는 상태를 이용하여 각종 장치에서 발생하는 전기적 정보를 시각적으로 전달하는 방법이다. 요즈음 LED(Light Emitting Diode)TV 수상기는 기존의 형광물질 대신 LED Back Light를 사용하는 LCD TV의 일종이다.

저전력, 친환경, 고화질 등의 장점을 지녔다. 이는 광원 위치에 따라 후면형과 측면형으로 나누어진다. 후면형은 밝기와 색상 조절이 유리하며, 측면형은 더 적은 수의 LED를 채용해 일반적으로 두께가 더 얇고 가격도 저렴하게 생산할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

 

4. OLED형 TV방송 수상기

LCD는 액정의 비틀어짐으로 백라이트 빛의 투과율을 조정하기 때문에 비틀어지는 속도의 영향을 받지만 유기LED는 자체 발광 소자이기 때문에 응답속도가 LCD의 몇 만 배 이상의 속도를 갖는다고 한다. 따라서 차세대 TV 수상기가 됐다.

 

5. 3D형 TV방송 수상기

3차원적인 입체 카메라가 등장하고 그 영상화면을 받아보기 위한 3DTV가 등장했지만 지금은 대중화 되지 못하고 특수한 경우만 활용된다. 우리가 물체를 인식하는 눈이 2개인 것처럼 2개의 렌즈를 통해 영상화면을 형성하고 그 영상화면을 재현할 수 있는 3차원 TV방송 수상기다.

 

2.8.3 디지털 TV방송 수상기 구조

디지털 TV방송 수상기의 구조는 브라운관 방식과 크게 달리 카메라에서 광학적인 빛을 받아 아날로그인 R, G, B 3개의 영상을 3 CCD(또는 CMOS)에서 받아 Y, B-y, R-y 신호로 표본화하여 디지털신호로 대체한 후 영상처리(Processing)과정을 거쳐 디지털수상기에서 Y, B-y, R-y 디지털신호는 최종적으로 아날로그 R, G, B신호로 전환되어 영상을 재현한다.

좀 더 자세히 보면 공중파에서 수신된 Y, B-y, R-y 디지털신호는 R, G, B로 바뀌어 각각 기억소자(Register)에서 저장된 후 그 디지털 영상신호는 D/A 변환기에서 아날로그로 전환되고, 아날로그 R, G, B 신호가 합성되어 영상화(Display)된다.

여기서 8bit의 예를 들어 설명한다면 그림 2-17과 같이 Red, Green, Blue 각각에서 8평면판(Plate)을 사용한다. R, G, B 각각에서 1개의 Pixel은 2의 8승, 즉 256(0∼255)단계의 컬러를 표현할 수 있어 컬러 모니터는 각 Pixel마다 R, G, B에서 조합된 256 × 256 × 256 = 16,777,216가지 색상을 표현할 수 있다.

그리고 R, G, B 각각 영상화면의 구성은 HDTV에서 수평주사선수가 1125 Line이지만 유효주사선수는 1080 Line이다. 전체 화면 구성이 16 : 9이기 때문에 pixel의 크기를 1 : 1로 보면 수직으로는 1080 × 16 ÷ 9＝1920 Line이 된다. R, G, B 화면에서 각각 이루고 있는 bit 수를 계산한다면 1920 × 1080 × 8(Plate) ＝ 16,588,800bit가 된다.

그림 2-17 digital TV monitor 구조

 

(1) HDTV에서 유효주사선 수가 1,080Line인 1장(Frame)의 영상화면이 형성하고 있는 용량은 16,588,800 × 3(R, G, B)÷8(bit)＝6,220,800byte＝약 6.2MB가 된다.

<참고> 8bit = 1 byte. 100 bit = 1K Byte. 100만 byte = 1MB(Megabyte)