디스플레이(Display)의 종류(feat. CRT, PDP, LCD, OLED)

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세상을 보는 창이라고 불리는 디스플레이는 전자 제품에 있어서 가장 중요한 출력 장치로 사람이 정보를 받아들이는 감각 가운데 시각이 80% 이상이라고 하니 스피커, 프린터 들에 비할 수가 없다. ​

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디스플레이는 시대에 따라 발전해왔다. CRT에서 PDP, LCD 사이의 싸움에서 살아남은 LCD, 그리고 현재 OLED 대중화를 앞두고 있기까지 ​ 각 디스플레이의 작동원리와 장, 단점에 대해서 공부해보려고 한다.

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1. CRT(Cathod Ray Tube)

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어릴적 우리 집에는 앞뒤가 볼록한 TV와 모니터가 있었다. 말을 듣지 않으면 뒷면을 막 두들겼었는데 이제는 유물이 되어 눈에 띄지 않는다.

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Cathode는 음극이라는 뜻으로(양극은 Anode이다) CRT(Cathode Ray Tube)는 말 그대로 음극선관이다.

브라운관이라고도 불린 CRT는 음극선관이라 부르기도 하는데 1897년 독일의 K.F 브라운이 진공 상태에서 음극선에서 나오는 전자가 화면에 발라진 형광체를 때릴 때 빛이 나오는 현상을 발견하고 이를 통해 시각적인 정보를 표현하는 디스플레이를 발명하면서 붙여진 이름으로 발명자의 이름을 따서 브라운관으로 많이 불리고 있다.

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브라운관은 가격이 저렴하고 해상도가 높아 평판디스플레이가 대두되기 전까지는 디스플레이의 대표 주자였으나 디스플레이가 대형화, 슬림화로 그 추세가 빠르게 변화되면서 설 자리를 잃고 이제는 아주 시골 집에나 가야 보이는 귀한 유물이 되었다.

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CRT의 종류

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* CRT (Cathode Ray Tube) 브라운관 중에서도 흑백 브라운관을 CRT라고 구분하고 Color의 구분이 필요 없기 때문에 전자총도 1개로 구성

* CDT (Color Display Tube) 칼라 브라운관을 말하며, 칼라를 재현하기 위해 각 색깔별 형광체를 발광시키기 위한 독립적인 3개의 전자총으로 구성, 컴퓨터 모니터용으로 사용되며, 픽셀의 크기가 작고 해상도가 높아 가독성이 좋습니다.

* CPT(Color picture tube) TV용으로 사용되며 픽셀이 큰 편으로 저해상도로 가까이서 보면 픽셀이 보일 정도입니다.

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CRT의 작동 원리

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브라운관의 기본 구조는 발광하는 물질인 형광체가 덮어진 진공튜브와 빔을 발생시키는 전자총, 그리고 그 전자총에서 나온 빔을 원하는 방향으로 편향시켜주는 편향부(DY, Deflection Yoke)로 크게 나눌 수 있다.

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기본 원리는 전자총에 전원이 인가되면, 전자총의 음극(Cathode)에서 전자가 튀어나오게 되고, 이 전자는 전자총 내부에서 가속되어 전자빔이 되고 이 전자빔은 자기장이 만들어진 편향판에 의해 제어되어 원하는 형광체와 충동하여 형광면을 발광시켜, 화상을 재현하게 된다.

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CRT 구조 [출처 : 삼성 드시플레이]

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CRT의 장단점

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구분	장점	단점
1	저렴한 가격	크고 무거움, 대형화가 힘듦
2	높은 응답속도	고전압 동작(전력 소모가 심함)
3	높은 신뢰성	기계적 강도 제약(진공 유리로 되어 있어 잘 깨진다)
4	높은 시인성(고휘도, 고 Contrast) - 고휘도의 장점은 LCD는 200nit, CRT는 400~500nit의 밝기	전자빔의 궤도이탈 - 편향코일 부분에 외부 자기장이 접근하면 전자빔의 본래의 궤도에서 이탈되어 화면이 왜곡되는 현상이 발생
5	자연색 표시 능력 - 자연에 가까운 색을 표시(LCD보다 우수)	형광 물질 노화로 인한 버닝현상(누렇게 변함)

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2. PDP(Plasma Display Panel)

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2000년 초반 LCD와 자웅을 다투던 TV가 있었다. 바로 PDP!

구동 방식의 차이에 기인해 기술이 발전이 LCD가 개선에 유리해 이제 더 이상 디스플레이 회사들은 PDP 생산을 하지 않지만 한 때는 LCD 보다 판매량 우위에 있었다.

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PDP의 작동 원리

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PDP는 말 그대로 플라스마 현상을 이용한 디스플레이로 픽셀별 소형 가스튜브가 촘촘히 박혀있고 가스 튜브에 전기를 통하면 마치 형광등처럼 플라즈마화 된 가스가 빛을 내는 원리로 영상을 표시한다. 2000년대 한 때 LCD와의 자웅 다툼에서 판매량 우위를 보이기도 했으나 기술이 발전하면서 LCD에 밀려 더 이상

플라스마(Plasma)란 이온화되어 있으면서 집단적 거동을 보이는 중성인 기체이다. 화합물이 이온화될 만큼 에너지가 높은 상태이면서 집단적 움직임을 보이고, +,- 전하가 골고루 분포되어 중성을 띄는 기체가 나타나는 현상이다.

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디스플레이 내에 아르곤과 네온이 존재하는데 이들의 역할이 전기를 가해주면 '방전'을 일으킨다.

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방전=전하가 한꺼번에 방출되는 현상

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방전이 일어나면 플라스마가 발생하고 이 플라스마에 의해 자외선이 나온다. 이 자외선이 형광체를 때리고 자외선에 의해 얻어맞은 형광체의 전자는 올라갔다가(여기) 내려오면서(이완) 각각의 색에 해당하는 가시광선을 내뿜으며 우리의 눈에 보이게 된다.

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열을 받으면(에너지가 가해지면) 물체의 상태가 변한다

 

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PDP의 장단점

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구분	장점	단점
1	빠른 응답속도(영화와 스포츠 채널에 유리)	높은 발열, 과도한 전력 소모 (기체방전을 위해 고전압 사용 때문) → 발열이 심하고 전기 사용량이 많음
2	시야각이 좋음(백라이트가 없어 빛샘 현상이 없음)	2만 시간 정도의 짧은 수명 (형광체의 수명이 짧아진다)
3	대형화에 유리	번인현상 (가스 튜브를 오래 쓰면 노화하여 밝기가 떨어지는데 가장 큰 문제는 패널 부분 및 픽셀마다 노화가 다르게 발생하여 전체적으로 보기가 힘들어진다)
4	색상이 부드럽고 색재현 범위가 넓어 자연색에 가까운 화질을 나타냄	​

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3. LCD(Liquid Crystal Displayl)

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현재 휴대폰은 OLED의 대중화로 몇년 전 부터 OLED가 메인 디스플레이로 사용되고 있지만 아직까지 IT 제품(태블릿, 노트북, 모니터), TV는 LCD가 주류를 이루고 있다. 설비 투자 비용, 양산 수율 등에 의해서 수십년간 공정 안정화가 이루어진 LCD에 비해 생산 단가가 높아 대중화가 이루어지지 않았지만 이 또한 얼마지 않아 OLED로 전환될 예정이다. 마지막 OLED에 대해 알아보기 전 LCD에 대해서 공부를 해보려한다.

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액정(Liquid)

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우선 LCD란 Liquid Crystal Display의 약자로 우리말로는 액체 결정 디스플레이다.

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이 의미는 액체와 고체의 성질을 모두 가지고 있는 Liquid Crystal(액정)을 가진 디스플레이라는 뜻으로 이 액정은 액체와 고체결정의 중간적인 성격을 가진 물질로서 고체쪽에 가까운 Smectic Phase와 액체쪽에 가까운 Nematic Phase로 액정의 분자배열에 따라 두 가지 상으로 나뉜다.

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주로 우리 휴대폰 기기에 사용하는 디스플레이의 액정은 Nematic Phase로 액정 분자 배열에 있어서 규칙성이 있으나 위치의 규칙성이 약하고 상호간의 결합이 강하지 않는 액체의 성질에 가까운 상을 사용합니다.

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LCD에서는 이 액정의 역할이 매우 중요한데 액정은 Back Light에서 나오는 빛의 투과를 조절하는 역할, 즉 불을 껐다 키는 스위치 역할을 하며, 마치 햇빛을 투과 조절하는 커텐과 같다.

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액정의 원리

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LCD의 동작원리

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삼성D, LGD에서 OLED를 광고할 때 자발광을 이야기하는데 LCD는 자발광 소자가 없어 BLU(Back Light Unit)이 필요하다. 그래서 그만큼 두껍고 후방에 나오는 백라이트의 빛을 완전히 차단할 수 없어 명암비가 떨어진다.

추가로 LED LCD TV를 이야기하는 것은 이 백라이트 유닛이 LED를 이용한다는 뜻이다. 기존 백라이트가 CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp: 냉음극 형광램프)에서 LED로 바뀐 것 뿐으로 LCD에 사용된 CCFL은 생산 단가가 낮은 장점이 있는 반면, 수명이 짧고 소비 전력이 높은 것이 단점이다. LED 백라이트는 수명이 길고 소비 전력이 낮으며 화면 전체에 균일한 빛을 뿌려 주는 것이 장점이다.

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액정에 빛을 비췄을 때 빛은 통과한다.

그러나 액정에 전기를 가하면 액정의 배열이 변하여 빛을 차단시키고 이 액정을 Normal White Twisted Nematic Liquid Crystal Cell이라고 말한다. 즉 노말 화이트, 정상일때(=평상시에, 전압을 인가하지 않았을때) 빛을 화이트하게 통과시킴을 의미한다. 반대는 NB(normal black) TN LC Cell 노말 블랙, 정상일때(=평상시에, 전압을 인가하지 않았을때) 빛이 차단되어 블랙함을 의미한다.

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LCD 구조 [출처 : 삼성 디스플레이] ​

 

전체적으로 보면 백라이트에서 나온 빛이 TFT와 전극에 의해 움직이는 액정에 의해 투과 또는 차단되고, 만약 빛이 투과되면 컬러감광재를 거쳐 빛에 색이 입히게 되어 우리 눈에 컬러풀하게 보이게 된다.

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LCD의 구조

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아래 사진을 보면 복잡한 구조로 되어있는데, 앞에서 부터 순서대로 보면

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출처 :  https://aoi-display.com/AOI/products/tft/

 

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1. Cover Glass : 가장 겉면의 유리이며, 액정을 보호하는 역할을 한다. 스마트폰에 들어가는 고릴라 글래스와 같은 것이 여기에 속한다.

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2. Polarized Filter (편광 필터) : 6번의 편광판과 함께 원하는 빛만을 통과시키는 역할을 하며 편광필터의 원리는 아래와 같다.

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위의 그림을 보면 무질서하게 뻦어나가던 빛을 특정 빛만 수직 편광판에 의해 통과 되고 그 후 수평편광판에서는 막히는 모습을 보여주는데, 이 사이에 액정이 존재하게 된다면 위와 같이 막혀야 할 빛이 다음과 같이 액정에 의해 회전하여 통과하게 된다.

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편광판 사이에 액정이 위치하며 액정이 수직 편광판을 통과한 빛을 수평 편광판을 통과 혹은 통과하지 못하도록 조절한다.

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3. RGB Color Filter (색상 필터)

앞서 본 편광필터사이의 액정을 통해 빛의 통과 여부를 정하게 되는 구조 하나에 색상필터 하나가 존재하게 되는데 LCD에는 R, G, B 세가지 컬러를 이용하여 색을 표현하게 되며 이 세가지의 색상필터 구조가 하나로 뭉쳐 모니터 1픽셀을 담당하게 된다.

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4. Liquid Crystal

액정으로 안에 있는 소자가 편광판에 의해 걸러진 빛을 트는 역할을 한다.

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5. Thin Film Transitor

앞서 RGB 필터의 종류는 R, G, B 총 세종류이며 이 세가지가 모여서 한 픽셀을 담당하게 된다고 했는데 이렇게 한 픽셀을 구분짓도록 도와주는 역할을 하는 것이 Thin Flim Transitor다. 박막 트랜지스터라고도 하는 이것은 액정에 전압을 공급할지 말지를 결정하는 역할을 한다.

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6. Polarizer : 편광판이며 2번의 편광필터에 설명된 역할을 한다.

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7. LED Backlight : 실제로 빛을 내는 장치로 LCD에서 이 백라이트는 백색광을 내보낸다.

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8. Backlight Housing : 전체 틀이라고 생각하면 된다.

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LCD의 종류

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LCD는 1971년 개발된 TN부터 그 단점을 보완하기 위해 개발된 VA, IPS와 여기에서 또 파생된 여러 것들이 존재한다. 현재의 LCD 패널은 성능이 상향 평준화가 되어서 점점 서로 간의 차이가 줄어들고, 여러 문제점들이 해결되고 있지만 그럼에도 아직 고유 특성은 남아있는데 일반적으로 액정(Liquid Crystal)의 배열에 따라 종류가 크게 3가지로 나뉜다.

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TN(Twisted Nematic)

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- 장점: 빠른 반응속도, 높은 재생 빈도수, 낮은 전력 소비량, 저렴한 가격

- 단점: 낮은 색재현율, 좁은 시야각

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TN 패널은 IPS, VA, TN 중 가장 오래된 패널로 1971년 스위스에서 개발되었으며, 'Twist Neumatic' 란 이름의 약자이다.

TN은 전압을 주지 않았을 때 액정 분자가 수평으로 배열되며 백라이트의 빛을 통과시키며, 최대 전압을 줬을 때 액정 분자가 수직 방향으로 배열되며 빛을 차단하게 된다. TN의 문제점은 액정이 원하는 방향이나 각도로 배열되지 않으면 화면이 잘 보이지 않거나 색이 이상하게 변하는 색 반전 현상 등의 문제점 등의 문제가 있다.

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TN(Twisted Nematic)

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VA(Vertical Alignment)

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- 장점: 높은 명암비와 색재현율

- 단점: 좁은 시야각(Black Crush), 느린 응답속도, 잔상, 낮은 내구성, 낮은 화질 선명도(CM)

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VA는 IPS와 마찬가지로, TN의 좁은 시야각, 저품질의 색 재현력 문제를 개선하기 위해 나온 패널이다.

VA은 전압을 주지 않았을 때, 액정 분자가 수직 방향으로 배열되며, 최대 전압을 주었을 때 액정 분자가 수평 방향으로 배열된다. 전압을 주지 않았을 때 액정 분자가 수직으로 배열되며 백라이트에 빛을 차단하기 때문에 IPS, TN이 명암비가 1000:1인 반면, VA 패널은 명암비가 3000:1 정도로 높다는 장점이 있다.

이 명암비가 높으면 검은색은 더 검은색처럼, 흰색은 더 흰색처럼 색들이 명확하게 보이게 된다. VA 패널의 단점으로는 응답속도가 TN, IPS 패널에 비해 느리다.

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VA(Vertical Alignment)

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IPS(In-Plane Switching)

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- 장점: 넓은 시야각, 높은 색재현율, 높은 화질 선명도(CM)

- 단점: 빛샘(IPS Glow / Backlight Bleed), 낮은 응답속도, 높은 전력 소모량

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IPS(In-Plane Switching)

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TN에는 좁은 시야각, 저품질의 색 재현력 문제가 있다. IPS는 ‘어디에서 보더라도 동일한 화질을 볼 수는 없을까?’ 란 생각을 통해 이를 개선하기 위해 1996년 일본의 히타치에 의해 개발된 것이며, 현재 가장 많이 사용되는 모니터 패널입니다. IPS는 수평으로 눕힌 액정 분자를 수평방향으로 회전시켜 백라이트 광량을 제어한다. 액정 분자가 수직 방향으로 회전하지 않기에, 어느 각도에서나 깨끗한 화면을 볼 수 있고, 시야각이 170도 이상이다. 참고로 In-Plane Switching란 이름은 패널과 평행하고 액정 분자를 수평방향으로 회전하는 것에서 유래됐고 이 시야각이 좁으면 모니터의 오른쪽, 왼쪽, 위, 아래 등 정면이 아닌 곳에서 봤을 때 정면에서 보는 것과 다르게 된다. 시야각이 넓은 모니터를 사용하면 이런 정면이 아닌 곳에서 봐도 색상이 같게 난다.

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LCD의 장단점

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구분	장점	단점
1	얇은 부피	시야각 문제- 정면이 아닌 옆에서 보았을 때 정면과의 화질차이가 심하다 (현재는 많이 개선됨)
2	낮은 소비 전력	제한적인 휘도- 500~1000nit의 제한적인 백라이트의 빛
3	선명한 화질	느린 응답속도- 응답속도가 느리면 잔상이 남아 화질이 깨지는 현상이 발생(스포츠나 영화볼 때 불리)
4	​	Contrast 의 한계 - 빛샘으로 인해 완벽한 검정을 표현 불가

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4. OLED(Organic Light Emitting Diode)

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이제는 차세대 디스플레이라고도 할 수 없이 우리 일상 생활 속에 꽤 많이 자리한 OLED는 Organic Light Emitting Diode로 유기발광다이오라는 말이다. LCD가 태생적으로 자발광이 불가하여 백라이트를 사용하여야 하는데 그로 인하여 생기는 단점들을 보완할 수 있는 것이 OLLED이다.

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OLED의 구조

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OLED는 스위치 버튼 역할을 하는 TFT 기판 위에 빛을 내는 소자를 증착하여 Back Light, C/F(Color Filter), 액정, 1개의 편광판이 필요없게 된다.

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OLED은 편광판의 숫자가 전면에 하나만 붙고, LCD는 액정 전 후면에 각각 하나씩 붙어 두 개입니다. 이런 차이는 서로 다른 발광원리에서 찾을 수 있는데요. LCD는 빛을 투과해서 내는 투과형으로 백라이트가 빛을 내주어 필요한 양만큼 빛을 통과시킵니다. 하지만 OLED는 소자 하나하나가 빛을 내는 발광형으로, 각 소자에 흐르는 전류를 달리 주어 빛을 조절할 수 있기 때문에 백라이트가 필요없다.

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LCD와 비교를 통해 본 OLED의 간단한 구조