[삼성 TV 전격분석] (上)왜 퀀텀닷에 매달리는가

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2018년형 삼성 QLED 8K TV

2017년 1월 미국 라스베이거스 킵 메모리 얼라이브센터. 삼성전자는 2017년형 TV 신제품을 전격 공개했다. 세계 TV시장을 주도하는 삼성전자의 신제품인 만큼 관심을 가질 수밖에 없었다. 삼성은 어떤 신기술을 TV 신제품에 적용했을까. 삼성은 답했다. 그것은 ‘퀀텀닷’ 기술이라고.

당시 삼성은 새로운 퀀텀닷 기술로 화질 기준을 새롭게 정의할 차세대 디스플레이를 ‘QLED’로 명명했다. 퀀텀닷 기술이 전무후무한 것은 아니었다. 2015년 삼성전자는 퀀텀닷 필름을 적용한 SUHD TV를 선보인 바 있다. 그러나 삼성이 차세대 TV 라인업 전면에 배치한 건 이례적이었고 세간의 이목을 집중시켰다. 바야흐로 연구개발 단계의 퀀텀닷 디스플레이가 시장에 던져진 순간이다.



삼성전자는 퀀텀닷 필름이 적용된 SUHD TV를 2015년 공개했다

향후 삼성 QLED TV는 세계 TV시장을 떠들썩하게 했다. 삼성의 프리미엄 라인업의 상징물로 부상했다. 기술의 우수성 뿐만 아니라 기술의 명명법으로도 경쟁사와 끊임없이 다퉜다. 그리고 퀀텀닷을 둘러싼 TV 전쟁은 아직도 현재진행형이다. 이러한 전쟁은 가전 양판점 TV 코너 앞에 선 소비자 마음속에서도 펼쳐진다. 도대체 QLED TV는 무엇이며, 경쟁사보다 어떤 강점을 가지고 있을까. 삼성이 TV시장 주도권을 놓지 않기 위해 적극적으로 밀고 있는 QLED TV의 정체를 알아보자.

퀀텀닷, 양자점의 탄생

퀀텀닷, 우리말로 양자점은 1980년대 처음 세상에 알려졌다. 미국 벨 연구소 연구원이었던 루이스 브루스 박사와 알렉세이 아키모프 박사가 1983년과 1984년 연이어 아주 작은 ‘반도체 결정’을 학술지에 발표했다. 이후 예일대의 마크 리드 교수가 이를 퀀텀닷(QD)라고 이름 붙였다.

퀀텀닷이라 불리는 이 ‘반도체 결정’의 크기는 매우 작아 눈에 보이지도 않는다. 퀀텀닷의 크기는 대부분 10나노미터 이하다. 나노미터는 10억 분의 1미터다. 10 나노미터니까, 1억 분의 1미터보다 작은 반도체 물질을 의미한다.

이 반도체 결정들이 10나노미터 이하로 쪼개질 때 반도체 결정이 가지고 있던 고유한 성질이 변한다. 퀀텀닷이 되어 버린 반도체 물질에 빛이나 전기 에너지를 가하면 크기에 따라 다양한 색을 낼 수 있다. 가령 2나노미터 이하 퀀텀닷에 빛이나 전기 자극을 주면 파란색을 띤다. 3~5나노미터는 녹색이다. 6나노미터보다 큰 퀀텀닷은 빨간색을 띤다. 빨간색과 녹색, 파란색. 대표적인 RGB다.

이러한 광학적 특성 덕분에 많은 연구자와 기업이 퀀텀닷을 주목했다. 차세대 디스플레이 개발의 단초를 발견한 것이다. 문제는 카드뮴이었다. 초기 퀀텀닷은 카드뮴이나 셀레늄 등이 필요했다. 카드뮴 경우 대표적인 독성 물질이다. 국제적으로 유해 물질로 규정된 상태였다. 카드뮴 기반 퀀텀닷 디스플레이를 개발할 경우 환경 이슈가 대두될 가능성이 높다.

퀀텀닷의 매력에 빠졌던 삼성도 2000년대 초부터 퀀텀닷 연구개발에 돌입했다. 아예 삼성종합기술원에서 퀀텀닷 기술을 중장기 연구과제로 선정했다. 차세대 디스플레이 기술을 구현하기 위한 포석이었다. 삼성 역시 카드뮴이 문제였다. 카드뮴 문제가 해결되지 않으면 양산이 힘들기 때문이다.

여기서 삼성이 퀀텀닷 연구에서 한발 앞장서기 시작했다. 당시에는 불가능할 것이라 여겨졌던 ‘카드뮴 프리 퀀텀닷’ 개발에 성공한 것이다. 삼성기술원을 중심으로 막대한 투자를 단행했던 삼성은 2015년 마침내 카드뮴 없는 퀀텀닷을 개발하고 디스플레이 양산 작업에 착수한다.

퀀텀닷 디스플레이, 무엇이 뛰어난가

퀀텀닷 디스플레이는 기존 디스플레이와 비교해 어떤 강점이 있을까. 삼성전자가 퀀텀닷을 미래 디스플레이 핵심 기술로 지목한 이유는 크게 4가지다.

우선 유기발광다이오드(OLED) 대비 수명이 길다. 삼성이 처음 QLED TV를 선보였을 때 강조한 것이 ‘메탈 소재’다. 즉 무기물이다. 유기물은 전기 에너지 등 외부 자극이 강하거나 지속되면 수명에 영향을 받는다. 하지만 메탈 소재 무기물은 수명이 유기물보다는 길다는 게 정설이다. 교체 주기가 긴 TV시장에서 디스플레이 수명은 매우 중요한 요소기도 하다.

높은 밝기를 구현할 수 있는 것도 퀀텀닷 디스플레이의 강점이다. 퀀텀닷 디스플레이는 2000 nit가 넘는 휘도를 구현할 수 있다. 휘도는 어떤 표면에서 쏜, 혹은 반사된 빛이 우리 눈에 들어오는 양(광원의 단위 면적당 밝기 정도)을 의미한다. OLED는 700 nit 수준이다. OLED도 그 이상으로 밝기를 높일 수 있다. 이 경우 색 간 경계가 허물어져 색감이 떨어질 수 있다. 높은 밝기를 지속적으로 유지하는 것도 유기물인 OLED 수명을 떨어트리는 요인이 된다.

퀀텀닷 우수성을 강조하는 때 빠지지 않는 것이 색감이다. 기본적으로 빛의 삼원색인 RGB는 각각 파장이 있다. 파장 길이로 보면, 파란색이 파장이 짧고 빨간색이 길다. 퀀텀닷 색감의 우수성은 색 간 경계에 기인한다. 퀀텀닷 디스플레이의 RGB 경우 경계가 매우 뚜렷하다. 색과 색 사이의 빈치폭(Wavelength)이 좁기 때문이다. 덕분에 RGB 원색 주변에 다른 색이 섞이지 않아 순도 높은 색을 구현할 수 있다.

색의 파장대를 조절하기 쉬운 것도 퀀텀닷의 장점이다. 유기 물질은 구조가 모두 다르기 때문에 색 파장대를 조절하기 어렵다. RGB 색을 이루는 특정 파장대를 바꾸는 게 쉽지 않다는 의미다. 반면, 메탈 소재의 무기물인 퀀텀닷은 물질 자체는 같다. 크기(2나노미터 이하, 3~5나노미터, 6나노미터 이상)만 다르다. 크기에 따라 파장대가 변하기 때문에 RGB 색을 쉽게 조절할 수 있다.

이제 시작 단계인 삼성의 퀀텀닷 디스플레이

삼성은 퀀텀닷 디스플레이의 우수성을 앞세워 TV시장을 호령하고 있다. 화질 기술 측면에서는 8K에 최대 5000 nit 밝기를 구현했다. 판매량도 압도적이다. 시장조사업체 IHS에 따르면 2019년 상반기 QLED TV는 212만대 팔렸다. 프리미엄 TV시장의 양대산맥이자 경쟁 모델인 OLED TV 판매량 122만대를 크게 앞질렀다. 하반기에는 이 격차가 좀 더 벌어질 것이란 관측도 나온다.

그러나 파죽지세의 QLED TV도 넘어야 할 산이 있다. 바로 기술 진화다. OLED 진영에서는 삼성의 QLED TV를 진정한 퀀텀닷 디스플레이로 인정하지 않는데, 이는 단순히 경쟁자를 의식한 결과는 아니다. 삼성조차도 아직 자사 QLED TV를 퀀텀닷 디스플레이의 완성형이라고 소개하지 않는다. 갈 길이 남아 있다는 의미다.

현재 삼성의 QLED TV는 퀀텀닷 기술이 적용된 건 분명하다. 하지만 스스로 빛을 내는 발광소자 덕분에 백라이트유닛(BLU)이 필요 없는 OLED와 달리, 광원으로서 BLU가 필요하다. 아직까지는 퀀텀닷 스스로가 빛을 내지는 못하는 수준이라는 이야기다. 이 때문에 OLED 진영에서는 QLED TV와 OLED TV를 동일선상에서 비교할 수 없다고 반박하고 있다.

그렇다면, 삼성전자는 QLED TV에 어떤 방식으로 퀀텀닷 기술을 적용했을까. 또 OLED와의 차이는 무엇이길래 기술 논란이 끊이질 않는 걸까. 최종적으로 삼성 TV가 가야 할 방향은 무엇인지에 대해 다음 편에서 파헤쳐 보자.

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테크플러스 에디터 권동준

tech-plus@naver.com

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