펜타일

PenTile Matrix Family


1 개요

디스플레이 장치에서 사용되는 서브픽셀[1] 배치 체계를 뜻한다. 특허로 보호받는 방식이며 펜타일이라는 명칭 자체는 삼성전자의 등록상표다. 원래는 미국 기업인 클레어보이언트에서 개발했는데 삼성전자에서 사들였다.

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펜타일은 5(Penta)와 타일을 합친 말이다. 처음에는 파란색을 감지하는 원추 세포가 적다는 사실을 가지고 윗 그림과 같이 구획했다. 하나의 정사각형 구획에 5조각의 타일이 있는 형태이다. 원래의 펜타일이라면 1개의 픽셀에 서브픽셀이 5개나 되는 것이므로, RGB 스트라이프보다 화질이 더 좋아야 정상이다. 그런데, 펜타일이 더 화질이 나쁘다고 알려 진것은 아래에 설명하는 바와 같이 3개보다 적은 서브픽셀만으로 1개의 픽셀을 형성하는 구조로 만들었기 때문이다.

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대개 RGB 서브픽셀 방식으로 ppi를 높이기 어려운 상황일 때 사용된다. 이는 RGB 서브픽셀 방식보다 적은 서브픽셀로 동일 해상도를 비슷하게 표현할 수 있기 때문이다. 하지만 바꿔 말하면 RGB 서브픽셀 방식보다 서브픽셀 개수가 필연적으로 적다는 의미이기도 하다. 때문에 완벽히 똑같은 수준으로 표현하기 힘들고 가독성이나 화질이 떨어진다는 단점이 있다. 그래도 고해상도 패널을 생산하는데 좋은 방법 중 하나이기 때문에 증착의 정밀도가 소자의수명과 직결 되는 OLED에서 많이 사용 된다. 한편 LCD에서도 사용 되는에 이때의 상용의 이유는 OLED와는 약간 다르다. LCD에서 펜타일을 사용하는 가장 주된 이유는 RGB스트라이프 방식 보다 개구율을 올릴수 있기 때문이다.

위의 "RGB 서브픽셀 방식보다 적은 서브픽셀로 동일 해상도를 비슷하게 표현할 수 있다"는 표현은 결과적으로, 같은 해상도라고 말 하지만, 서브픽셀은 적다는 말이 된다. 따라서 펜타일과 RGB 방식이 동일 해상도라 할 지라도, 화질의 차이가 날 수 밖에 없는 태생적 한계가 존재한다. 서브픽셀 배열에 따라 다르지만, 픽셀의 정의를 RGB(W) 3원색의 조합을 통해 모든 색을 표현할 수 있는 최소한의 사각형 영역으로 본 다면, 펜타일 방식은 보통 RGB 배열에 비해 화소수가 최대 2/3 수준으로 떨어지게 된다.[2] RG-BG, 혹은 RG-BW의 4개 서브픽셀로 이루어진 직사각형을 픽셀로 보아야 하기 때문이다. 그런데 디스플레이는 픽셀만으로 결정되는 것이 아니다. 입출력 해상도가 2560*1440이고 가로 2칸을 한 픽셀로 묶는다면 필요 서브픽셀은 RGB가 각각 2560개인데 실제로는 RB가 1280, G가 2560[3]이며, 구조가 RG-BG이기 때문에 하나의 색을 내려면 필연적으로 2개의 픽셀을 묶어야 한다. 흑백 해상도는 픽셀의 밝기만 보기 때문에 2560*1440이 될 수 있지만, 컬러 해상도는 RB 서브픽셀이 1280개이기 때문에 해상도는 1280*1440 이상으로 올라가는 것이 불가능하다.. 이렇게 정직하게(?) 픽셀을 이야기하여 단점을 늘어놓는 제조사는 없기 때문에, 보통 RGB(W) 3원색과 상관 없이, 자의적으로 정사각형 영역을 구성하는 최소한의 영역을 (RG, BG → 2개 픽셀?!) 잘라서 픽셀로 정의한다. 이러니 샤프의 Quattron Pro 같은 장난질/사기를 쳐도 할 말이 없는 것이다. 사실 이 배열이 기존 RG-BG 조합을 RGBY 조합으로 약간 변용한 것이기 때문에, 펜타일 특유의 뻥카 해상도 방식을 적용해도 할 말이 없기도 하다. R-G-B가 다 들어있어야 한 픽셀이라 인정한다면, 펜타일에서는 자기가 찾는 해상도보다 한단계씩 높은 해상도를 고르면 된다. (HD>FHD>QHD>UHD)

이렇게 RGB + Green 이나 RGB + White 만으로 대충 2 픽셀분의 역할을 시킬 수 있는 원리는 다음과 같다. 우리 눈의 망막의 시각세포 중 에서 흑백 명암을 구분하는 간상세포는 밀도가 높아 흑백 해상능력은 상당히 높지만 색각을 구분하는 원추세포는 밀도가 낮기 때문에 색깔 해상능력은 매우 낮아서 작은 픽셀의 색은 잘 구분하지 못한다. 이런 눈의 약점을 이용해 명암만 고해상도로 표시하고 색깔은 대충 저해상도로 표시해도 우리 눈은 쉽게 속아넘어간다. 이게 펜타일의 기본 원리. 우리 눈의 칼라해상도가 낮다는 걸 이용하는 다른 예로는 CMKY 망판인쇄나 칼라 디더링, NTSC등 아날로그 칼라TV 전송, JPEG이나 MPEG 등 이미지나 동영상 압축기술 등이 있다.

그리고 RGBG 펜타일이 RGB-W를 대신 할 수 있는 것은 우리 눈이 픽셀의 밝기를 인식하는 요소중에서 70% 이상이 Green 녹색 성분 (20%는 Red, 나머지는 Blue)이 차지하므로 백색의 밝기 W 픽셀 대신 대충 녹색 G 픽셀만으로도 우리 눈은 백색 픽셀 비슷하게 밝기로 인식하기 때문이다. 색상이 녹색으로 기울게 되는 건 이웃 픽셀의 R과 B 성분을 디더링으로 보상해 녹색을 상쇄할 수 있다.

하지만 RGBW 나 RGBG 가 RGB-RGB 두 픽셀과 완전히 같은 건 결코 아니고 RGBW의 경우 대충 RGB-RGB 두 픽셀의 2/3 정도의 효과가 있다. 즉 RGB 방식보다는 60%-70% 정도의 실효 해상도 밖에 안된다. 좋게 말하면 비슷한 픽셀 제조 기술로 RGB 방식에 비해 30% 가량 더 해상도가 높아보이게 표시할 수 있다고 긍정적으로 볼 수도 있다. 다만 W나 G 화소를 픽셀 수에 포함시키면 사실상 해상도를 2배로 뻥튀기하는 게 되므로 RGB 와 펜타일 방식의 해상도를 1:1로 맞비교해서는 안된다. 예를 들어 FHD (1920 픽셀 해상도) 해상도의 펜타일 디스플레이는 실제로는 RGB 1280-1340 픽셀 해상도 정도 밖에 안된다.

2 종류

크게 RG-BG 펜타일 서브픽셀방식과 RG-BW 펜타일 서브픽셀방식으로 나뉜다. 전자는 OLED 패널에 주로 사용되고, 후자는 TFT-LCD 패널에 주로 사용된다.


2.1 RG-BG 펜타일 서브픽셀

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녹색 소자에 적색 소자와 청색 소자를 각각 짝을 이루어서 한 픽셀로 포함한다. RGB 서브픽셀 방식이 적색, 녹색, 청색 소자가 한 픽셀 안에 포함된 반면, 이쪽은 적색, 녹색 소자만 한 픽셀로 포함되고 그 옆에 청색, 녹색 소자가 다음 픽셀로 포함되며 이 둘이 번갈아가며 배열된다.

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자세히 보지 않으면 눈치를 채기 어려울 수 있으나, 조금만 신경 쓴다면 금방 파악할 수 있다. 이는 이미지나 영상 매체를 주로 이용하는 사람들에게는 큰 차이를 느끼게 하지 않으나, 인터넷 웹 브라우징을 할 때 문자 가독성이 떨어지는 것을 쉽게 파악할 수 있다고 한다. 실제로 글자를 표시할 때 검은색과 녹색만으로 표시하는 경우는 별로 없고 흰색 바탕 또는 흰색 글씨를 쓰는 경우가 많으므로 R과 B를 안 쓸 수가 없고, 이로 인해 글씨 경계면이 울퉁불퉁하게 보이게 된다.

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삼성 디스플레이에서도 이 서브픽셀 방식의 문제점을 인식하고, 갤럭시 S4부터는 과거 CRT 모니터에 사용한 ShadowMask와 비슷한 배열의 펜타일 서브픽셀을 사용하고 있다. 때문에 기존에 단점으로 부각되던 문자 가독성 역시 어느정도 해결이 되었다는 평을 받고 있다. 하지만, 이 것은 Full-HD라는 고해상도의 영향이 크다는 반론도 있다. 실제로 삼성 디스플레이에서는 Full-HD의 하위급 해상도를 가진 AMOLED 패널에는 이 서브픽셀을 적용하지 않고, 갤럭시 노트 II에서 처음으로 선 보인 S-Stripe RGB 서브픽셀배열을 사용하고 있다.

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한 픽셀 안에 적색, 청색, 녹색 소자를 전부 포함하나, 기존 RGB 서브픽셀 배열과 다르게 청색이 세로로 길게 배치되고 그 옆으로 적색과 녹색이 가로로 배치된 모양을 하고 있다. 현재 이 방식을 채택한 기기는 갤럭시 노트 II, 갤럭시 S4 mini, 갤럭시 골든, 모토 X, 드로이드 울트라 등이 있다.

갤럭시 S 1세대 제품군, 갤럭시 S II HD갤럭시 노트, 갤럭시 S III, 모토로라 RAZR 제품군 등이 기존 RG-BG 펜타일 서브픽셀 방식을 사용하고 있으며, 변종 ShadowMask RG-BG 펜타일 서브픽셀 방식(다이아몬드 펜타일)은 갤럭시 S4, 갤럭시 노트3가 사용하고 있다.

다이아몬드 펜타일은 글꼴 가독성이 크게 개선 되었으며 RGB스트라이프와 비교하더라도 상당히 우수한 크게 뒤떨어지지는 않는 수준이다.
동일 화면 크기에 동일 해상도 (즉 동일 PPI)의 다이몬드 펜타일과 RGB 스트라이프의 비교 자료를 보면 곡선 부분은 흐릿하기는 하지만 RGB스트라이프 보다도 더 매끈해 보이는 특이상황을 확인할 수 있다.

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그러나 이게 장점이 아니라 단점에 가깝다는 의견도 가능하다. 윗 그림을 보면 펜타일은 각 색상의 픽셀이 구별 될 정도로 튀어 보이며, 직선 표현이 엉망인 것을 알 수 있다. 즉, 곡선의 경우와 같이 애초에 정사각 픽셀의 조합으로 표현하기 어려운 경우에는 사진처럼 다이아몬드 픽셀 배열이 어느정도 효과를 발휘 하지만, 직선을 표현하기 어렵기 때문에 "텍스트 가독성 문제"는 여전히 존재한다고 볼 수 있으며, 펜타일 논란에 "텍스트 가독성 문제"는 큰 비중을 차지하므로 펜타일 구조가 뛰어나다고 말하기는 상당히 곤란하다.

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전자는 갤럭시 S7의 디스플레이를 확대시킨 것이고 후자는 LG V20의 디스플레이를 확대시킨 것이다.
위의 FHD 해상도를 가진 갤럭시 S4와 비교해 보면 양쪽 모두 굳이 비교가 필요없을 정도로 가독성이 훌륭한 수준이라는걸 알 수 있다.

최근까지 이런 논란이 지속되었지만, 해상도가 깡패라고(...) 사람의 눈으로 픽셀을 구별할 수 없을 300ppi 이상으로 디스플레이들이 출시되자 배열 논란의 중요성은 많이 수그러진 상태다. 하드웨어 스펙 덕후 삼성전자의 경우만 봐도 실제로 펜타일임을 감안해서 SPPI로 비교를 해도 갤럭시 S6의 QHD 디스플레이의 sppi는 Red 408 sppi Green 577 sppi Blue 408 sppi로, 어마어마한 해상도를 보여주기 시작했으며, 육안 인식 기준으로 잡은 레티나 디스플레이의 기준이 보통 300ppi이고 실제 아이폰 시리즈에는 약 320ppi의 디스플레이가 들어가고 ppi가 픽셀수를 제곱근 시킨 수치라는걸 생각하면 말 그대로 어마어마한 해상도로 밀어 붙인 셈이 된다(...)

만약 해상도가 조금 더 높아져 남들이 1R1G1B로 한 구역을 발광할 때, 2R4G2B(RG-BG-RG-BG)로 비슷한 면적을 발광한다면 오히려 발색이 한쪽으로 치우치지 않는 장점을 취할 수 있다.


한편, RGB도 픽셀 구조에 따라서 오히려 다이아몬드 픽셀 배열이 직선표현에 우위를 차지할 수도 있다. 위의 두 사진은 4K RGB인 엑스페리아 Z5 프리미엄과 WQHD 펜타일인 갤럭시 S6의 화면을 동일한 축적으로 확대시킨건데 괴상한 픽셀 배열 때문에 후자가 오히려 직선 표현이 좋은 모습을 볼수있다... 사실 엑스페리아 Z5 프리미엄은 픽셀 배열 문제로 RGB 4K 해상도인데도 4K 영상 표시를 제대로 못 하는 문제가 있기는 하다.[#] 원래는 선이 붙어서 표시되면 안 된다. 다만 실제 이용 시에는 각 픽셀마다 서브픽셀 배열을 다르게 해서 픽셀 위치를 맞추기 때문에 직선이 저런 식으로 픽셀 단위로 왔다갔다하게 그려지는 것은 아니다.

픽셀구조 문제와 유사한 문제로 화면을 90도 회전시켰을 때, 펜타일(RG-BG펜타일)은 픽셀 배열이 변하지 않지만, LCD의 stripe 방식은 (수직) 서브픽셀 렌더링이 불가능해지는 문제가 있다. 서브픽셀들이 가로로 길어지기 때문이다.

2.2 RG-BW 펜타일 서브픽셀

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RGB 서브픽셀 방식에 흰색 소자를 추가한 방식이다. 기존에는 RGB 모두를 발광시켜 흰색을 구현하여 전력 소모가 많고 전반적인 소자 수명을 떨어뜨렸지만, 처음부터 흰색 자체를 전용 소자로 발광시키는 방식으로 컬러 필터에 의한 밝기 손실을 피함으로써 전력 소모를 줄여 전체적인 밝기를 개선시켰다. 하지만 서브픽셀이 1픽셀당 2개에 불과하므로 전체적인 화질 저하는 피할 수 없다.

모토로라 아트릭스가 이 배열을 사용했다가 품질이 떨어지는 TFT-LCD를 사용하는 바람에 RG-BW 펜타일 서브픽셀 자체의 이미지를 추락시켜버렸다.(...) 삼성 디스플레이에서도 넥서스 10이나 아이패드 시리즈를 제외한 웬만한 고해상도 패널에는 이 배열을 사용하고 있다. 갤럭시 노트 10.1 2014 에디션아티브 Q[4]에 사용되었다.


2.3 M+ 펜타일 서브픽셀

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LG전자에서 만든 펜타일 방식으로 기존의 RG-BW의 1픽셀당 서브픽셀 2개에 비해 3개로 픽셀피치가 많아졌으나 TV에서니까 티가 덜나지 모바일에서는 여전히 치명적인 픽셀배치이다. LGD에서는 고해상도에서 기존 RGB 구조의 디스플레이는 가로, 세로 선 표현에는 문제가 없지만, 대각선 표현에 약점이 있어서 LG디스플레이가 개발한 M+ 알고리즘으로 대각선 정보의 손실을 최소화하여 대각선의 표현력도 향상시켰다고 설명되어 있으나 그래봤자 펜타일인 이상 자기합리화에 불과하다.

LG의 LCD UHD TV 및 LG가 패널을 공급하는 중국 제조사 등에서 사용하며 LG는 전력소비 감소라는 이점을 강조했으나 미국이랑 유럽에선 이걸 UHD TV 인증을 하지 않다가[기사] 결국 ICDM에서 '선명도 수치'라는 별도의 수치를 병기할 것을 권고하는 무책임한 방향으로 인증에 통과하였다.[기사] 이에 의하면 RGB가 선명도 95%이고 RGBW는 60%이다.[5] 그리고 이를 이용한 제품의 리뷰 결과, 픽셀 구성에 의한 표현 한계인지 내부 영상 처리 문제인지는 알 수 없지만 색상 표현에 문제가 있다고 한다. 서브픽셀이 줄어든 만큼 PC 연결 시 문자 표시가 흐릿한 것은 덤.[#]

현재 삼성전자가 공격적으로 비판하는 방식이기도 하다. [유효화소가 부족하기 때문에 4k가 아니라 3k나 마찬가지라는 논리] 말은 맞는 말이지만 남 일처럼 얘기한다

참고로 배열을 보자면

R G BW R G
B W RG B W

이다.


2.4 RG-BY 펜타일 서브픽셀

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샤프에서 Quattron Pro라는 픽셀배열로 FHD해상도를 4K처럼 볼 수 있는 디스플레이를 발표했다. 그래서 초기반응은 좋았는데 알고보니 보급형 4K TV패널로 사용중이다.어디서 뻥치고 있어? 발표당시의 말로는 4K보다 저렴하면서도 FHD를 4K처럼 표현하는거였으니 말다했다. 보면 알겠지만 RGB 3서브픽셀을 콰트론 프로로 Y를 넣어서 8등분을 하였다. 저 의미는 1픽셀짜리를 4픽셀로 의도한 것인데 그리고 그것은 계획대로 되었다.

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그리고 이건 AUO에서 개발한 변칙RGBY펜타일이다. 서브픽셀을 틀어서 펜타일의 단점을 완화시키자인데 어찌보면 다이아몬드구조를 응용한것같기도 하다.


또다른 문제로는 노란색을 추가했지만 기대와는 달리 색 표현이 좋아지거나 하지는 않는다고 한다. 애초에 영상 데이터가 RGB이고 이를 통해 Y를 뽑아내는 것이라 그럴 수도 있지만.
  1. 컬러 픽셀을 구성는 R, G, B 각각의 픽셀.
  2. ppi가 [math]{2 \over 3}[/math](약 0.66)라고 착각하지 말자! 펜타일 서브픽셀 방식은 1픽셀당 2개의 서브픽셀을 가지므로 서브픽셀 밀도는 RGB 서브픽셀 방식을 사용했을 때의 밀도의 [math]{2 \over 3}[/math]인 것은 맞다. 따라서 ppi와 관련된 한 변의 픽셀수는 [math]\sqrt{2 \over 3}[/math](약 0.82)를 곱한 것이 적절하다. 그리고 그 이전에 ppi라는 개념 자체가 픽셀수를 나타내는 것이고 서브픽셀은 따로 sppi라는 용어가 있으므로 아몰레드를 까는 주장에서 실질 ppi니 뭐니 하면서 [math]{2 \over 3}[/math]을 곱하는건 매우 잘못된 계산이다. 차라리 sppi를 각 색별로 따로 계산하자.
  3. 또는 GW가 각각 1280개씩
  4. 현재 출시 보류 상태.
  5. 다만 여기서 말하는 기사에 나오는 RGBW 방식의 선명도가 60%라는 것이 LG UHD TV에서 이용한 M+ 방식을 기준으로 했는지 위에 나오는 RG-BW 방식을 기준으로 했는지는 불확실하다.