[색채학] 1. 디스플레이 장치의 기본 원리

사진이나 영상 파일 작업을 전문적으로 하는 데는 영상을 표현하는 하드웨어와 작업하는 소프트웨어에 대한 이해를 바탕으로 목표에 맞게 활용하는 것이 중요하다. 산업, 공학적인 측면에서도 이러한 하드웨어와 소프트웨어, 그리고 그 기반이 되는 이론들에 대한 이해는 더 효율적이고 효과적인 기기나 소프트웨어의 개발을 위해서도 필수적이라고 할 수 있다. 이번 페이지는 영상을 표현하기 위한 디스플레이 장치의 기본 원리를 색 표현 관점에서 살펴보고, 색 표현 관점에서 디스플레이 장치의 한계를 논의해본다.

#색 인지 메커니즘

디스플레이 장치가 색을 표현하는 방법을 이해하기 위해서는, 눈으로 빛이 들어올 때 색이 어떤 메커니즘으로 뇌가 색을 인지하는지 살펴볼 필요가 있다. 보통 빛의 파장이 색을 결정한다고 단순하게 설명하지만, 단일 파장이 아닌 빛의 경우에는 다음과 같이 더 복잡한 메커니즘으로 색을 인지한다.

망막에는 크게 빛의 존재 유무에 따라 반응하는 rod cell(또는 간단히 rod), 그리고 빛의 파장에 따라 반응하는 cone cell(간단히 cone)이 있다. Rod는 빛에 민감하게 반응하는 대신 색을 구분할 수 없기 때문에 흔히 명암을 인지하는 시신경, cone은 빛에 대한 민감성이 떨어지지만 색을 구분할 수 있기 때문에 색상을 인지하는 시신경으로 이해하면 된다. 이 페이지에서는 일단 명암은 제외^[각주:1]하고 디스플레이 장치에서 색을 표현하는 기본적인 원리를 살펴보는 것이 목적이므로 cone에 대해서만 고려하자.

Cone은 다시 반응하는 파장에 따라 3가지 종류로 구분이 된다. 긴 파장에 주로 반응하는 종류를 L(long), 중간 길이의 파장에 주로 반응하는 종류를 M(medium), 짧은 파장에 주로 반응하는 종류를 S(short)라고 부른다. 중요한 것은 같은 빛이라도 L cone과 M cone, S cone에서 발생하는 전기적 자극이 다르다는 것이다. 인간이 색을 인지하는 것은, 이 3가지 세포에서 발생하는 전기적 자극이 뇌에 전달되어 하나의 색으로 인식되는 것이다.

예를 들어, 보라색은 L에서는 3, M에서는 1, S에서는 2의 전기적 자극(이를 앞으로 (3, 1, 2)로 표현하자)^[각주:2]을 만들어 내는 반면, 오렌지색은 L에서는 4, M에서는 3, S에서는 1의 전기적 자극을 만들어(즉, (4, 3, 1)) 뇌에 전달되기 때문에 보라색과 오렌지색은 다른 색으로 인식되는 것이다.

#색 만들기

자연에서 볼 수 있는 색의 종류는 무한히 많기 때문에, 디스플레이 장치에서 자연이 보여주는 빛과 똑같은 빛을 만들기 위해서는 무한한 개수의 파장을 미리 준비하고 있어야 할 것이다. 그러나 이는 불가능하기 때문에, 디스플레이 장치를 만들기 위해서는 유한한 개수의 빛을 이용해 무한한 종류의 색을 만들 수 있어야 한다.

만약 다음과 그림과 같이 정확히 L cone만 자극을 주고 M과 S에는 자극을 전혀 주지 않는 빛(L1)이 존재한다고 하자.

또, M에만 자극을 주고 L과 S에는 자극을 전혀 주지 않는 빛(L2), S에만 자극을 주고 L과 M에는 자극을 전혀 주지 않는 빛(L3)이 존재한다고 하자.

그러면 이 빛들을 이용해 모든 종류의 색을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 보라색이 눈에 들어오면 신경세포들이 (3, 1, 2)의 자극을 만들어 낸다고 가정하자.

만약 L1, L2, L3를 준비한 후, L1의 밝기를 3배 강하게, L2의 밝기를 1배, L3의 밝기를 2배로 하여 구분되지 않게 작은 영역에서 눈에 들어오면, 뇌에 전달되는 자극은 (3, 1, 2)가 되기 때문에, 뇌는 이 색을 보라색으로 인식하게 된다.^[각주:3]

분명히 물리적으로 보라색과 \(3 \times L1 ~+~ 1 \times L2 ~+~ 2 \times L3\) 는 완전히 다른 종류의 빛이다. 그러나 눈을 통해 뇌에 전달되는 자극은 동일하기 때문에 이 빛을 보라색과 같은 종류의 색상으로 인식하는 것이다.

따라서

• L cone만 자극하는 빛, (1, 0, 0) 자극 생성
  
  
• M cone만 자극하는 빛, (0, 1, 0) 자극 생성
  
  
• S cone만 자극하는 빛, (0, 0, 1) 자극 생성
  

을 준비할 수 있으면, 뇌가 인식하는 모든 종류의 색을 만들어 낼 수 있다. 이것이 디스플레이에서 색을 만들어내는 기본 원리가 된다.

#디스플레이의 한계

각각의 신경 세포만 자극하고 다른 세포는 전혀 자극하지 않는 빛을 만들 수 있으면, 모든 종류의 색을 만들어 낼 수 있다. 따라서 모든 종류의 색을 만들기 위해서는 ① 각각의 뉴런만 정확히 자극하는 빛이 존재하는지, ② 그러한 빛이 존재하더라도, 그 종류의 빛만 정확히 만들어 낼 수 있는지를 생각해보아야 한다. 그리고 디스플레이 제품 관점에서는 비용을 따져보아야 한다.

1. 자연적 한계

신경 의학에 따르면 각각의 cone만 정확히 자극하는 빛은 없다는 것이 밝혀져 있다. 따라서 우리가 할 수 있는 최선의 방법은 목표 cone의 자극은 크면서, 다른 cone의 자극은 비교적 작은 파장의 빛을 찾는 것이다. 과학자들이 연구를 통해 각 파장의 빛에 대하여 다음과 같은 비율로 자극이 생성된다는 것을 밝혀냈다.

BenRG, Public domain, via Wikimedia Commons

주로 L을 자극하는 빛의 파장대는 빨강(R, 700 nm)임을 알 수 있다. 또한 S를 자극하는 빛의 파장대는 파랑(B, 435.8 nm)임을 알 수 있다. 다만 M만 자극하는 빛의 파장대는 따로 있지 않는 것으로 보인다. 대신 초록(G, 약 546.1 nm)은 L과 M을 동시에 자극하는 빛으로 생각할 수 있다. 대략적으로 다음과 같이 생각할 수 있다.

• Red: (1, 0, 0) 자극 생성
  
  
• Green: (0.8, 1, 0) 자극 생성
  
  
• Blue: (0.01, 0.02, 1) 자극 생성

만약 (3, 1, 2) 자극을 만들고 싶으면

\[ 2.212 \times \text{Red} ~+~ 0.96 \times \text{Green} ~+~ 2 \times \text{Blue} \]

즉, 기준 밝기보다 2.212배 밝은 red, 0.96배 밝기의 green, 2배 밝기의 blue를 섞어서 보여주면 뇌는 (3, 1, 2) 자극을 받고 해당 색으로 인지하게 된다. 따라서 디스플레이는 RGB를 이용해 다양한 색을 만들어 내는 장치라고 할 수 있다. 아래 그림은 실제 디스플레이를 확대 했을 때 볼 수 있는 구조들이다. 이 RGB를 빛의 3원색이라고 부른다.

 

Pengo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

2. 기술적 한계

따라서 디스플레이가 만들어 낼 수 있는 색상의 범위는 얼마나 정확한 RGB 파장을 만들어 낼 수 있는가에 달려있다. 위의 RGB에서 빨강이 더 짧은 파장대로 이동하여 다음과 같은 자극을 만들어 낸다고 생각해보자.

• Red 2(630 nm): (1,0.2,0) 자극 생성

이 파장을 이용해 디스플레이를 만들면, (1,0.1,0) 과 같은 자극은 만들어 낼 수 없게 된다. 따라서 최적의 RGB 파장을 정확히 만들어 낼 수 있는지가 디스플레이의 성능에 핵심이 된다. 또한 필연적으로 빛을 만들 때는 목표 파장을 중심으로 정규분포와 같이 연속적인 파장대의 빛을 만들어 낸다. 예를 들어, Red를 620~640 nm 의 파장대로 만들어 내는 A사의 디스플레이와 625~635 nm의 파장대로 만들어 내는 B 사의 디스플레이가 만들 수 있는 색의 범위는 B사의 디스플레이가 훨씬 더 넓다. 따라서 디스플레이가 만들어 낼 수 있는 색상의 범위는 ① 얼마나 최적 RGB 파장에 근접한 파장의 빛을 만들 수 있는지 ② 얼마나 좁은 파장 영역대의 빛을 만들어 낼 수 있는지에 따라서 결정된다.^[각주:4]

3. 경제적 한계

최적의 RGB 파장에 아주 좁은 영역대의 빛을 만들 수 있는 것과 이를 양산하여 시장에 공급하는 것은 또 다른 이야기이다. 아무리 가능한 제품이라도 시장에서 받아들일 수 있는 비용을 벗어나는 경우에는 제품화되지 못한다. 현실에서는 위에서 설명한 2개의 기술적 한계와 비용을 적절히 조정하여 제품화 된다.

#디스플레이의 필수 구조

디스플레이가 움직이는 영상을 보여주기 위해서는, 다음과 같은 구조가 필수적으로 요구된다.

1. 패널(Panel)^[각주:5]: 픽셀(pixel)에서 명암과 색상을 표현하도록 RGB 빛의 세기를 조절하는 장치들을 모아놓은 구성 요소
   
   

2. 회로(Circuit): 디스플레이 외부(CPU, 그래픽카드, TV 업체의 셋톱박스 등)으로부터 RGB 시그널을 전달받아 각 픽셀에 전달하여 RGB 빛의 세기를 조절하도록 명령하는 구성 요소
   
   

3. 프레임(Frame): 패널과 회로를 고정하기 위한 구성요소^[각주:6]

#색 이론

결국 색에 대해서 이해하고 활용하기 위해서는 색의 원천이 되는 빛과 색을 인지하는 뇌에 대하여 분석해야 한다. 이어지는 페이지에서는 다음과 같은 흐름으로 색 이론에 대한 논의를 전개할 것이다.

1. 현실 세계에서 빛과 색 → 2. 색 인지의 수학적 구조 → 3. 색 표현 → 4. 색의 특정화

1. 명암 역시 색 인지에 있어 중요한 역할을 한다. 대표적인 예가 디스플레이의 성능 지표 중 하나인 명암비(contrast ratio, CR)이다. [본문으로]
2. 이 값들은 정확한 값이 아니라 가정값이다. [본문으로]
3. 인간의 뇌는 아주 좁은 공간에서 발생하는 빛을 구분하지 못하는 것처럼, 아주 짧은 시간에서 발생하는 빛도 구분하지 못한다. 이러한 성질을 이용하여 색을 만들어 내는 것도 가능하지만, 기본 원리는 같다. 자세한 내용은 --display,classify-- 참고. [본문으로]
4. 이 2가지 내용은 디스플레이가 발전해온 과정과도 밀접한 연관이 있다. 디스플레이의 변화 과정을 이 2가지 관점에서 살펴보면, 각 변화 단계에서의 이점을 알 수 있다. [본문으로]
5. 패널이라는 말이 CRT의 뭉툭한 모양에 대응되어 얇은 모양이라는 뜻에서 도입된 개념이므로 CRT에 적용하기엔 적합하지 않지만, 기능상으로 구성 요소들을 구분할 수는 있다. [본문으로]
6. 잘 드러나지는 않지만 프레임은 디스플레이의 안정성에 아주 중요한 역할을 한다. 모든 전자제품에 프레임이 들어가기 때문에 특별하지 않게 취급하지만, 분명히 필수적인 요소 중 하나이다. [본문으로]