ITU-R BT. 2100 (HDR 방송 표준)
아래 표는 HD 방송 표준(BT.709)과 UHD 방송 표준(BT.2020), 그리고 HDR 방송 표준(BT.2100)의 주요 파라미터들을 간략히 비교해서 보여주고 있다. 특히, HDR 표준으로 오면서 새로운 개념의 파라마티들이 소개되고 있는데, 간략하게 설명 드리고, HDR 모니터에 대해 논해 보도록 하겠다.
ITU-R BT.709 vs BT.2020 vs BT.2100 파라미터 비교
우선 UHD와 HDR이 만났을 때, 그 화질적 만족도가 극대화될 것이라고 모두 생각한다. 하지만, 해상도는 디스플레이의 크기와 시청거리에 따라 그 효과가 크게 약화될 수도 있기 때문에, HDR 표준에서는 UHD뿐 아니라, HD 해상도 (1920x1080)를 포함하고 있다.
ITU-R BT.2100 표준은 2016년 7월에 발표되었는데, 해상도와 EOTF 등을 제외하면, 대부분 UHD 방송 표준인 ITU-R BT.2020과 동일한 파라미터들을 규정하고 있다. BT.2100의 가장 큰 차이점은 HDR을 구현하기 위해 기존의 ITU-R BT.1886의 EOTF(감마 2.4) 대신에 PQ(Perceptual Quantizer)와 HLG(Hybrid Log-Gamma)를 사용하고 있다는 점이다. PQ는 Dolby Vision이라는 HDR 시스템을 위해 Dolby에서 개발한 EOTF로, 0.0002nit부터 10,000nit까지의 광범위한 휘도 범위를 커버할 수 있는 OETF이다. HLG는 BBC와 NHK가 공동 개발한 상당히 실용적인 OETF인데, 현재의 방송 시스템(SDR)과의 호환성이 좋은 것으로 평가되고 있다. ITU-R BT.2100에 표준화되기에 앞서 2015년도에 일본의 방송 표준인 ARIB STD-B67로 먼저 표준화가 진행되었다.
2012년에 발표된 ITU-R BT.2020(UHDTV 방송 표준)에는 ‘Constant Luminance YCbCr’이라는 새로운 개념의 색공간이 소개되었다. 기존의 YCbCr을 Non-Constant Luminance로 규정하고, 이에 대한 상대적인 개념으로서 Constant Luminance라는 개념이 소개된 것인데, 한 마디로 말해, 카메라로 촬영할 때, 혹은 영상을 만들 때, 인코딩하는 프로세스를 살짝 바꾸기만 해도 보다 일관된 컬러를 유지하는데 큰 도움이 된다는 것이다. 하지만, 이를 지원하는 방송장비가 출현하지는 않았었는데, 2016년 7월에 발표된 HDR 표준인 ITU-R BT.2100에는 결국 Constant Luminance 대신에 ICtCp라는 새로운 개념의 Color Space가 추가되었다. Dolby 등에 따르면, ICtCp 색공간을 사용할 경우(특히, HDR을 구현하는데 있어서) 기존보다 컬러의 처리나 구현에 있어서 상당한 이득이 있다고 한다. 자세한 내용은 아래의 링크를 참조하기 바란다.
https://www.dolby.com/us/en/technologies/dolby-vision/ictcp-white-paper.pdf
SDR과 HDR의 차이는 결국 아래와 같은 간단한 그림으로써 그 개념적 차이를 이해할 수도 있을 것이다. 아래는 SDR, SDR 광색역, SDR 고휘도, 그리고 HDR 광색역을 개념적으로 비교해 주고 있다. UHD도 마찬가지지만, HDR은 단순히 더 밝은 영상을 뜻하는 것이다. 더 넓은 색역(Color Gamut)과 더 높은 휘도와 더 깊은 Black이 자연스럽게 어우러져 높은 명암대비가 재현되도록 하는 향상된 영상 기술이다.
SDR vs SDR(광색역) vs SDR(고휘도) vs HDR 개념 비교
EBU Tech. 3320 (유럽방송연맹의 방송용 모니터 규격)
2017년 9월에 발표된 EBU Tech. 3320 - User Requirements for Video Monitors in TV Production(Ver. 4.0) 문서에는 방송용 HDR 모니터에 대한 상세한 요구사항들이 추가되었다. 이 문서의 초반에 나오는 Grade-1, Grade-2, Grade-3에 대한 규격은 지난 2014년 8월에 발표된 Version 3.0과 동일한 내용이다. 이번에 Version 4.0에서 추가된 것은 HDR 모니터에 대한 것인데, Grade 1A HDR, Grade 1B HDR, 그리고 Grade 2 HDR의 3가지로 세분화하였다. 아래의 표(EBU Tech. 3320 v4.0 HDR Monitor)는 이 문서에 규정된 HDR 모니터의 가장 핵심적인 항목들(Key Parameters)을 간략하게 정리한 것이다.
EBU Tech. 3320 Version 4.0(HDR Monitor)
먼저, UHD 방송 표준(ITU-R BT.2020)에 이어 HDR 방송 표준(ITU-R BT.2100)에서도 매우 넓은 BT.2020의 색역이 그대로 정의된 것까지는 어쩔 수 없는 일이라 이해한다. 하지만, EBU의 방송용 HDR 모니터의 규격조차 현실적으로 불가능한 색역을 정의한 것은 다소 안타깝다. 미래를 위한 기술 개발 목표라는 차원에서는 좋다고 할 수 있겠으나, 현실적으로 이런 색역을 재현할 수 있는 디스플레이가 없기 때문에, 현장의 많은 방송 관계자들이 스펙과 현실의 괴리 사이에서 계속 혼란을 겪게 될 것이기 때문이다.
다시 말하자면, Grade 1A HDR 모니터의 경우, 이러한 규격을 만족시키는 상용화된 디스플레이는 없다. 현재 상용화된 디스플레이 기술로 휘도와 관련된 항목들은 어느 정도 만족시킬 수 있지만, ITU-R BT.2020에 정의된 매우 넓은 색역은 불가능하다. OLED와 Laser 디스플레이의 컬러 특성이 혼합된 이 BT.2020의 스펙이 현실화되려면, 최소 3년은 더 기다려야 할 것으로 보인다. 따라서, 현재로서는 ITU-R BT.2020 색역(Color Gamut)의 약 82% 정도를 커버하는(디지털 씨네마를 위해 정의된) DCI-P3 색역이 가장 현실적인 대안으로 사용되고 있다. 아래 그림은 TVLogic LUM-310R의 패널 Native 색역과 DCI-P3를 비교한 것이다. DCI-P3 색역의 약 99%를 커버하고 있다.
TVLogic LUM-310R의 색역 vs DCI-P3
이제 HDR의 핵심 이슈인 휘도 관련된 스펙을 살펴 보자면, Grade 1 HDR PQ 모니터의 경우, 10,000nit로 스펙이 정의되었다. 역시 상용화된 디스플레이로는 불가능한 휘도 레벨이다. 향후 기술 발전이 되더라도 소비 전력 등 여러 가지 요인으로 인해 소비자 TV는 약 4,000nit 정도까지 올릴 수 있을 것으로 생각되며, 방송용 레퍼런스(혹은 프리시젼) 모니터의 경우, 수 년 후에는 약 5,000nit 수준까지 가능해지지 않을까 전망해 본다.
Grade 1A HDR PQ 모니터 이외에 Grade 1B HDR과 Grade 2 HDR 모니터의 경우에는 피크 휘도(Peak Luminance)가 1,000nit 이상이고, Black 휘도는 각각 0.005nit와 0.01nit라 당장 적용이 가능한 현실적인 수준이라 하겠다. 따라서, 향후 몇 년간은 Grade 1B HDR 모니터 혹은 Grade 1 HDR 모니터 스펙에 부합되는 제품만이 방송이나 영화 현장에 보일 것이다.
한 가지 유의할 점은 EBU Tech. 3320 문서는 방송용으로 사용하기 적합한 이상적인 비디오 모니터의 화질과 성능 규격을 용도에 따라 정의한 것이지 인증 규격은 아니라는 점이다. 최소한의 화질과 성능 수준을 정의하여 합격과 불합격을 구분하는 인증 규격과는 차이가 있다. 실제로 EBU의 Grade-1 규격의 모든 항목을 100% 만족시킬 수 있는 모니터는 없었고, 앞으로도 그럴 것으로 보인다. 왜냐하면, 기술 발전에 따라 EBU Tech. 3320의 규격도 계속 상향 조정되어 왔기 때문이다.
ITU-R BT.2100의 HDR Reference Viewing Environment
HDR 디스플레이 기술
* OLED(유기EL 디스플레이) 기반의 HDR 모니터
OLED는 HDR에 활용하기 좋은 본연의 특성을 가지고 있다. 매우 깊은 Black을 표현할 수 있기 때문에(백라이트가 항상 켜져 있어 빛이 새는, 그래서 Black 레벨이 높은), 액정 디스플레이에 비해 우수한 명암비를 제공하기 때문이다. 또한, 어두운 계조에서도 색의 채도가 낮아지지 않기 때문에, 보다 선명하고 자연스러운 색을 재현하는데 유리하다. Sony의 BVM-X300과 PVM-X550이 HDR 영상을 보여 줄 수 있는 대표적인 방송용 OLED 모니터이고, TVLogic의 경우에도 2017년 12월에 55인치 OLED 모니터를 출시할 계획이다.
OLED 특장점(이미지 제공: LG Display)
하지만, OLED는 CRT나 PDP와 같은 다른 자발광 디스플레이(Self-Luminous Display)들과 마찬가지로 번인(Burn-In)에 매우 취약하다는 단점이 있다. 제조사들은 이러한 문제를 다양한 방식으로 해결하고는 있는데, 기본적으로는 모두 영상 신호의 평균 화면 밝기(APL)에 따라 전압을 가변 시켜 주고 있다. 즉, 전체적으로 너무 밝은 영상 신호가 들어 올 경우에 일정한 비율로 휘도를 낮춰 준다. 이러한 특성은 특히 고휘도 영역을 많이 표현해야 하는 HDR 디스플레이에서 문제가 된다. 즉, HDR을 위한 높은 휘도가 번인(Burn-In)이나 화소의 불균형한 수명 단축을 촉진시켜 휘도 저하나 변색 문제를 일으킨다는 불만이 나오고 있다. 물론, HDR 표준에서 정의한 실제 휘도가 그대로 재현되지 못하는 상황이 자주 발생하는 문제가 내제되어 있다.
참고로 OLED는 CRT와 마찬가지로 1회의 발광 시간이 매우 짧기 때문에, 액정 디스플레이에서 발생하는 ‘동작 번짐(Motion Blur)' 현상과 같은 문제는 없다. 하지만, 이로 인해 화면 깜박임(Flicker) 문제가 발생한다는 것이 단점이다. 물론, 이러한 특성도 다양한 방법으로 해결하고 있지만, 그에 따른 부작용도 있어서 근본적인 해결책이라 할 수는 없다.
* 로컬 디밍(Local Dimming) 방식의 HDR 모니터
앞서 살펴 본 바와 같이, PQ는 최대 10,000nit까지의 매우 높은 휘도 영역까지 커버하도록 설계되었다. 하지만, 이렇게 높은 휘도는 OLED로는 불가능하고, 고휘도 LCD를 사용하는 경우에 약 5,000nit까지는 가능하지만, 높은 소비 전력과 높은 발열, 그리고 Black 휘도가 함께 뜨는 문제가 발생하게 된다. 따라서 현재로서는 최대 2,000nit 정도의 휘도를 구현할 수 있는 로컬 디밍 방식의 LCD가 고휘도 영역과 깊은 Black을 위한 유일한 대안이라 할 수 있다.
로컬 디밍(Local Dimming)이란, 수백~수천 개의 LED를 직하형(Direct Type)으로 장착한 백라이트를 모니터에 장착한 후, LED 하나 하나를 개별적으로 제어하는 것을 말한다. 입력되는 영상을 분석하여 어떤 LED는 최대한 밝게 켜기도 하고, 어떤 LED는 완전히 꺼서 매우 깊은 Black이 나오도록 해 주는 기술이다. 아래 그림은 TVLogic의 LUM-310R HDR Reference 모니터에 장착된 로컬 디밍 백라이트(Local Dimming Backlight)의 구조를 보여 주고 있다. 가로로 64개, 세로로 32개의 LED가 집적되어 있어 총 2.048개인데, 이들 LED가 모두 개별적으로 12비트로 제어된다. 이를 통해, 상당히 정밀한 수준으로 화면의 밝기를 영역별로 다르게 조절해 줄 수 있게 되며, 0.002~2,000nit의 휘도 범위를 커버할 수 있어 최대 100만대 1의 명암비를 구현할 수 있다.
로컬 디밍 백라이트(Local Dimming Backlight)(예시)
로컬 디밍을 하게 되면, 아래 첫 번째 그림과 같은 영상을 분석해서 로컬 디밍 백라이트에 아래 두 번째 그림에서와 같은 LED 제어 신호를 보내 준다. 즉, 영상 신호를 분석하여 어두운 영역에는 백라이트 레벨을 약간 더 낮춰 주고, 밝은 영역에는 백라이트 레벨을 올려 줌으로써, 일반적인 글로벌 디밍 백라이트(Global Dimming Backlight, 백라이트가 항상 켜져 있는 방식)에 비해 훨씬 높은 명암 대비를 재현할 수 있게 된다.
원본 영상
로컬 디밍 백라이트 제어
로컬 디밍으로 강화된 휘도와 명암 대비(시뮬레이션)
하지만, 로컬 디밍 백라이트 역시 고유의 단점을 가지고 있다. 2,000여 개의 LED를 장착하여 개별 제어를 하더라도 1개의 LED가 약 4,300개의 화소를 커버해야 하기 때문에, 매우 밝은 영역과 매우 어두운 영역이 인접할 경우, Halo 현상(빛 번짐 현상)이 발생하게 된다. 물론, 제조사들은 이러한 문제를 다양한 알고리즘을 통해 개선하고 있지만, 물리적으로 발생할 수 밖에 없는 것이라 100% 완벽하게 없앨 수는 없다.
그럼에도 불구하고, 로컬 디밍 방식의 액정 디스플레이가 HDR 시대에 각광받을 수 밖에 없는 이유는 소비자용 TV가 점점 더 높은 휘도 범위를 커버할 수 있게 되었기 때문이다. 예를 들어, 삼성전자에서는 1,500nit가 구현되는 Q8C와 Q7F 시리즈에 이어, 2,000nit까지 재현할 수 있는 Q9F 시리즈의 TV를 출시하였다. 이러한 소비자 TV의 트렌드는 1,000nit 이상으로 마스터링된 HDR 컨텐츠에 대한 수요를 자극할 것으로 보인다. 즉, 소비자보다 더 넓은 다이나믹 레인지로 보면서 색보정이나 마스터링을 해야 하는 방송사나 포스트 프로덕션 입장에서는 최소 2,000nit 이상을 있는 그대로 보여 줄 수 있는 레퍼런스 모니터가 필요한 것이다.
최대 2,000nit 휘도의 삼성 Q9F 시리즈(이미지 제공: 삼성전자)
* Dual LCD를 활용한 HDR 모니터
일본의 에이조 나나오(Eizo Nanao)社에서 공개한 CG-3145는 2장의 액정을 겹쳐서 만든 독특한 구조를 가지고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 로컬 디밍 백라이트는 LED 하나당 수천 개의 (액정)화소를 커버해야 하기 때문에, 필연적으로 Halo 현상(빛 번짐 현상)이 어느 정도 발생할 수밖에 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 액정을 2장 사용한 것이다. 첫 번째 액정은 빛의 투과량을 조절하는데, 이는 곧 8백만개의 매우 작은 LED로 로컬 디밍을 해 주는 효과가 있다. 두 번째 액정은 일반적인 모니터와 마찬가지로 색의 표현을 위해 RGB의 계조 제어를 담당한다.
ITU-R BT. 2100 (HDR 방송 표준)
아래 표는 HD 방송 표준(BT.709)과 UHD 방송 표준(BT.2020), 그리고 HDR 방송 표준(BT.2100)의 주요 파라미터들을 간략히 비교해서 보여주고 있다. 특히, HDR 표준으로 오면서 새로운 개념의 파라마티들이 소개되고 있는데, 간략하게 설명 드리고, HDR 모니터에 대해 논해 보도록 하겠다.
ITU-R BT.709 vs BT.2020 vs BT.2100 파라미터 비교
우선 UHD와 HDR이 만났을 때, 그 화질적 만족도가 극대화될 것이라고 모두 생각한다. 하지만, 해상도는 디스플레이의 크기와 시청거리에 따라 그 효과가 크게 약화될 수도 있기 때문에, HDR 표준에서는 UHD뿐 아니라, HD 해상도 (1920x1080)를 포함하고 있다.
ITU-R BT.2100 표준은 2016년 7월에 발표되었는데, 해상도와 EOTF 등을 제외하면, 대부분 UHD 방송 표준인 ITU-R BT.2020과 동일한 파라미터들을 규정하고 있다. BT.2100의 가장 큰 차이점은 HDR을 구현하기 위해 기존의 ITU-R BT.1886의 EOTF(감마 2.4) 대신에 PQ(Perceptual Quantizer)와 HLG(Hybrid Log-Gamma)를 사용하고 있다는 점이다. PQ는 Dolby Vision이라는 HDR 시스템을 위해 Dolby에서 개발한 EOTF로, 0.0002nit부터 10,000nit까지의 광범위한 휘도 범위를 커버할 수 있는 OETF이다. HLG는 BBC와 NHK가 공동 개발한 상당히 실용적인 OETF인데, 현재의 방송 시스템(SDR)과의 호환성이 좋은 것으로 평가되고 있다. ITU-R BT.2100에 표준화되기에 앞서 2015년도에 일본의 방송 표준인 ARIB STD-B67로 먼저 표준화가 진행되었다.
2012년에 발표된 ITU-R BT.2020(UHDTV 방송 표준)에는 ‘Constant Luminance YCbCr’이라는 새로운 개념의 색공간이 소개되었다. 기존의 YCbCr을 Non-Constant Luminance로 규정하고, 이에 대한 상대적인 개념으로서 Constant Luminance라는 개념이 소개된 것인데, 한 마디로 말해, 카메라로 촬영할 때, 혹은 영상을 만들 때, 인코딩하는 프로세스를 살짝 바꾸기만 해도 보다 일관된 컬러를 유지하는데 큰 도움이 된다는 것이다. 하지만, 이를 지원하는 방송장비가 출현하지는 않았었는데, 2016년 7월에 발표된 HDR 표준인 ITU-R BT.2100에는 결국 Constant Luminance 대신에 ICtCp라는 새로운 개념의 Color Space가 추가되었다. Dolby 등에 따르면, ICtCp 색공간을 사용할 경우(특히, HDR을 구현하는데 있어서) 기존보다 컬러의 처리나 구현에 있어서 상당한 이득이 있다고 한다. 자세한 내용은 아래의 링크를 참조하기 바란다.
https://www.dolby.com/us/en/technologies/dolby-vision/ictcp-white-paper.pdf
SDR과 HDR의 차이는 결국 아래와 같은 간단한 그림으로써 그 개념적 차이를 이해할 수도 있을 것이다. 아래는 SDR, SDR 광색역, SDR 고휘도, 그리고 HDR 광색역을 개념적으로 비교해 주고 있다. UHD도 마찬가지지만, HDR은 단순히 더 밝은 영상을 뜻하는 것이다. 더 넓은 색역(Color Gamut)과 더 높은 휘도와 더 깊은 Black이 자연스럽게 어우러져 높은 명암대비가 재현되도록 하는 향상된 영상 기술이다.
SDR vs SDR(광색역) vs SDR(고휘도) vs HDR 개념 비교
EBU Tech. 3320 (유럽방송연맹의 방송용 모니터 규격)
2017년 9월에 발표된 EBU Tech. 3320 - User Requirements for Video Monitors in TV Production(Ver. 4.0) 문서에는 방송용 HDR 모니터에 대한 상세한 요구사항들이 추가되었다. 이 문서의 초반에 나오는 Grade-1, Grade-2, Grade-3에 대한 규격은 지난 2014년 8월에 발표된 Version 3.0과 동일한 내용이다. 이번에 Version 4.0에서 추가된 것은 HDR 모니터에 대한 것인데, Grade 1A HDR, Grade 1B HDR, 그리고 Grade 2 HDR의 3가지로 세분화하였다. 아래의 표(EBU Tech. 3320 v4.0 HDR Monitor)는 이 문서에 규정된 HDR 모니터의 가장 핵심적인 항목들(Key Parameters)을 간략하게 정리한 것이다.
EBU Tech. 3320 Version 4.0(HDR Monitor)
먼저, UHD 방송 표준(ITU-R BT.2020)에 이어 HDR 방송 표준(ITU-R BT.2100)에서도 매우 넓은 BT.2020의 색역이 그대로 정의된 것까지는 어쩔 수 없는 일이라 이해한다. 하지만, EBU의 방송용 HDR 모니터의 규격조차 현실적으로 불가능한 색역을 정의한 것은 다소 안타깝다. 미래를 위한 기술 개발 목표라는 차원에서는 좋다고 할 수 있겠으나, 현실적으로 이런 색역을 재현할 수 있는 디스플레이가 없기 때문에, 현장의 많은 방송 관계자들이 스펙과 현실의 괴리 사이에서 계속 혼란을 겪게 될 것이기 때문이다.
다시 말하자면, Grade 1A HDR 모니터의 경우, 이러한 규격을 만족시키는 상용화된 디스플레이는 없다. 현재 상용화된 디스플레이 기술로 휘도와 관련된 항목들은 어느 정도 만족시킬 수 있지만, ITU-R BT.2020에 정의된 매우 넓은 색역은 불가능하다. OLED와 Laser 디스플레이의 컬러 특성이 혼합된 이 BT.2020의 스펙이 현실화되려면, 최소 3년은 더 기다려야 할 것으로 보인다. 따라서, 현재로서는 ITU-R BT.2020 색역(Color Gamut)의 약 82% 정도를 커버하는(디지털 씨네마를 위해 정의된) DCI-P3 색역이 가장 현실적인 대안으로 사용되고 있다. 아래 그림은 TVLogic LUM-310R의 패널 Native 색역과 DCI-P3를 비교한 것이다. DCI-P3 색역의 약 99%를 커버하고 있다.
TVLogic LUM-310R의 색역 vs DCI-P3
이제 HDR의 핵심 이슈인 휘도 관련된 스펙을 살펴 보자면, Grade 1 HDR PQ 모니터의 경우, 10,000nit로 스펙이 정의되었다. 역시 상용화된 디스플레이로는 불가능한 휘도 레벨이다. 향후 기술 발전이 되더라도 소비 전력 등 여러 가지 요인으로 인해 소비자 TV는 약 4,000nit 정도까지 올릴 수 있을 것으로 생각되며, 방송용 레퍼런스(혹은 프리시젼) 모니터의 경우, 수 년 후에는 약 5,000nit 수준까지 가능해지지 않을까 전망해 본다.
Grade 1A HDR PQ 모니터 이외에 Grade 1B HDR과 Grade 2 HDR 모니터의 경우에는 피크 휘도(Peak Luminance)가 1,000nit 이상이고, Black 휘도는 각각 0.005nit와 0.01nit라 당장 적용이 가능한 현실적인 수준이라 하겠다. 따라서, 향후 몇 년간은 Grade 1B HDR 모니터 혹은 Grade 1 HDR 모니터 스펙에 부합되는 제품만이 방송이나 영화 현장에 보일 것이다.
한 가지 유의할 점은 EBU Tech. 3320 문서는 방송용으로 사용하기 적합한 이상적인 비디오 모니터의 화질과 성능 규격을 용도에 따라 정의한 것이지 인증 규격은 아니라는 점이다. 최소한의 화질과 성능 수준을 정의하여 합격과 불합격을 구분하는 인증 규격과는 차이가 있다. 실제로 EBU의 Grade-1 규격의 모든 항목을 100% 만족시킬 수 있는 모니터는 없었고, 앞으로도 그럴 것으로 보인다. 왜냐하면, 기술 발전에 따라 EBU Tech. 3320의 규격도 계속 상향 조정되어 왔기 때문이다.
ITU-R BT.2100의 HDR Reference Viewing Environment
HDR 디스플레이 기술
* OLED(유기EL 디스플레이) 기반의 HDR 모니터
OLED는 HDR에 활용하기 좋은 본연의 특성을 가지고 있다. 매우 깊은 Black을 표현할 수 있기 때문에(백라이트가 항상 켜져 있어 빛이 새는, 그래서 Black 레벨이 높은), 액정 디스플레이에 비해 우수한 명암비를 제공하기 때문이다. 또한, 어두운 계조에서도 색의 채도가 낮아지지 않기 때문에, 보다 선명하고 자연스러운 색을 재현하는데 유리하다. Sony의 BVM-X300과 PVM-X550이 HDR 영상을 보여 줄 수 있는 대표적인 방송용 OLED 모니터이고, TVLogic의 경우에도 2017년 12월에 55인치 OLED 모니터를 출시할 계획이다.
OLED 특장점(이미지 제공: LG Display)
하지만, OLED는 CRT나 PDP와 같은 다른 자발광 디스플레이(Self-Luminous Display)들과 마찬가지로 번인(Burn-In)에 매우 취약하다는 단점이 있다. 제조사들은 이러한 문제를 다양한 방식으로 해결하고는 있는데, 기본적으로는 모두 영상 신호의 평균 화면 밝기(APL)에 따라 전압을 가변 시켜 주고 있다. 즉, 전체적으로 너무 밝은 영상 신호가 들어 올 경우에 일정한 비율로 휘도를 낮춰 준다. 이러한 특성은 특히 고휘도 영역을 많이 표현해야 하는 HDR 디스플레이에서 문제가 된다. 즉, HDR을 위한 높은 휘도가 번인(Burn-In)이나 화소의 불균형한 수명 단축을 촉진시켜 휘도 저하나 변색 문제를 일으킨다는 불만이 나오고 있다. 물론, HDR 표준에서 정의한 실제 휘도가 그대로 재현되지 못하는 상황이 자주 발생하는 문제가 내제되어 있다.
참고로 OLED는 CRT와 마찬가지로 1회의 발광 시간이 매우 짧기 때문에, 액정 디스플레이에서 발생하는 ‘동작 번짐(Motion Blur)' 현상과 같은 문제는 없다. 하지만, 이로 인해 화면 깜박임(Flicker) 문제가 발생한다는 것이 단점이다. 물론, 이러한 특성도 다양한 방법으로 해결하고 있지만, 그에 따른 부작용도 있어서 근본적인 해결책이라 할 수는 없다.
* 로컬 디밍(Local Dimming) 방식의 HDR 모니터
앞서 살펴 본 바와 같이, PQ는 최대 10,000nit까지의 매우 높은 휘도 영역까지 커버하도록 설계되었다. 하지만, 이렇게 높은 휘도는 OLED로는 불가능하고, 고휘도 LCD를 사용하는 경우에 약 5,000nit까지는 가능하지만, 높은 소비 전력과 높은 발열, 그리고 Black 휘도가 함께 뜨는 문제가 발생하게 된다. 따라서 현재로서는 최대 2,000nit 정도의 휘도를 구현할 수 있는 로컬 디밍 방식의 LCD가 고휘도 영역과 깊은 Black을 위한 유일한 대안이라 할 수 있다.
로컬 디밍(Local Dimming)이란, 수백~수천 개의 LED를 직하형(Direct Type)으로 장착한 백라이트를 모니터에 장착한 후, LED 하나 하나를 개별적으로 제어하는 것을 말한다. 입력되는 영상을 분석하여 어떤 LED는 최대한 밝게 켜기도 하고, 어떤 LED는 완전히 꺼서 매우 깊은 Black이 나오도록 해 주는 기술이다. 아래 그림은 TVLogic의 LUM-310R HDR Reference 모니터에 장착된 로컬 디밍 백라이트(Local Dimming Backlight)의 구조를 보여 주고 있다. 가로로 64개, 세로로 32개의 LED가 집적되어 있어 총 2.048개인데, 이들 LED가 모두 개별적으로 12비트로 제어된다. 이를 통해, 상당히 정밀한 수준으로 화면의 밝기를 영역별로 다르게 조절해 줄 수 있게 되며, 0.002~2,000nit의 휘도 범위를 커버할 수 있어 최대 100만대 1의 명암비를 구현할 수 있다.
로컬 디밍 백라이트(Local Dimming Backlight)(예시)
로컬 디밍을 하게 되면, 아래 첫 번째 그림과 같은 영상을 분석해서 로컬 디밍 백라이트에 아래 두 번째 그림에서와 같은 LED 제어 신호를 보내 준다. 즉, 영상 신호를 분석하여 어두운 영역에는 백라이트 레벨을 약간 더 낮춰 주고, 밝은 영역에는 백라이트 레벨을 올려 줌으로써, 일반적인 글로벌 디밍 백라이트(Global Dimming Backlight, 백라이트가 항상 켜져 있는 방식)에 비해 훨씬 높은 명암 대비를 재현할 수 있게 된다.
원본 영상
로컬 디밍 백라이트 제어
로컬 디밍으로 강화된 휘도와 명암 대비(시뮬레이션)
하지만, 로컬 디밍 백라이트 역시 고유의 단점을 가지고 있다. 2,000여 개의 LED를 장착하여 개별 제어를 하더라도 1개의 LED가 약 4,300개의 화소를 커버해야 하기 때문에, 매우 밝은 영역과 매우 어두운 영역이 인접할 경우, Halo 현상(빛 번짐 현상)이 발생하게 된다. 물론, 제조사들은 이러한 문제를 다양한 알고리즘을 통해 개선하고 있지만, 물리적으로 발생할 수 밖에 없는 것이라 100% 완벽하게 없앨 수는 없다.
그럼에도 불구하고, 로컬 디밍 방식의 액정 디스플레이가 HDR 시대에 각광받을 수 밖에 없는 이유는 소비자용 TV가 점점 더 높은 휘도 범위를 커버할 수 있게 되었기 때문이다. 예를 들어, 삼성전자에서는 1,500nit가 구현되는 Q8C와 Q7F 시리즈에 이어, 2,000nit까지 재현할 수 있는 Q9F 시리즈의 TV를 출시하였다. 이러한 소비자 TV의 트렌드는 1,000nit 이상으로 마스터링된 HDR 컨텐츠에 대한 수요를 자극할 것으로 보인다. 즉, 소비자보다 더 넓은 다이나믹 레인지로 보면서 색보정이나 마스터링을 해야 하는 방송사나 포스트 프로덕션 입장에서는 최소 2,000nit 이상을 있는 그대로 보여 줄 수 있는 레퍼런스 모니터가 필요한 것이다.
최대 2,000nit 휘도의 삼성 Q9F 시리즈(이미지 제공: 삼성전자)
* Dual LCD를 활용한 HDR 모니터
일본의 에이조 나나오(Eizo Nanao)社에서 공개한 CG-3145는 2장의 액정을 겹쳐서 만든 독특한 구조를 가지고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 로컬 디밍 백라이트는 LED 하나당 수천 개의 (액정)화소를 커버해야 하기 때문에, 필연적으로 Halo 현상(빛 번짐 현상)이 어느 정도 발생할 수밖에 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 액정을 2장 사용한 것이다. 첫 번째 액정은 빛의 투과량을 조절하는데, 이는 곧 8백만개의 매우 작은 LED로 로컬 디밍을 해 주는 효과가 있다. 두 번째 액정은 일반적인 모니터와 마찬가지로 색의 표현을 위해 RGB의 계조 제어를 담당한다.