플라스마 화면의 흥망

1960년, 일리노이 대학교의 한 연구팀은 PLATO라는 ‘컴퓨터화된 교육 시스템’의 첫 버전을 공개했다. 이 시스템은 훗날 수천 대에 이르게 될 컴퓨터 단말기들을 대형 메인프레임 컴퓨터에 연결한 네트워크였다. PLATO 사용자는 화학, 수학, 음악, 외국어 등의 과목을 통해 다양한 주제를 학습할 수 있었다.

PLATO의 첫 버전은 단말기 표시 장치로 단순한 텔레비전 화면을 사용했지만, 이는 기껏해야 임시방편이었다. 텔레비전 화면에는 음극선관(CRT)이 쓰였으며, 이는 자기적으로 편향된 전자 빔을 이용해 유리 화면에 영상을 그리는 방식이었다. 이 빔은 초당 30회 화면 전체를 다시 그렸으므로, 컴퓨터는 CRT 화면에 고대역폭 영상 데이터를 끊임없이 공급해야 했다. 방송 텔레비전에서는 같은 신호가 이를 수신하는 모든 텔레비전에 전송되므로 문제가 없었다. 그러나 PLATO 시스템에서는 사용자가 무엇을 하고 있는지에 따라 각 단말기에 서로 다른 데이터를 보내야 했다. 이는 메인프레임과 PLATO 단말기 사이에 고대역폭 데이터 연결을 요구했을 뿐 아니라, 각 단말기가 영상 데이터를 보관할 대용량 메모리 저장 장치를 갖추도록 만들었는데 당시에는 매우 비쌌다. CRT 기반 화면은 단말기가 몇 대인 소규모 시스템에는 충분히 잘 작동했지만, PLATO 설계자들이 구상한 수천 또는 수백만 대의 단말기로는 확장될 수 없다고 여겨졌다. 필요한 것은 내장된 ‘메모리’를 가진 새로운 종류의 화면이었다. 이런 화면에서는 바뀐 부분만 다시 그리면 되므로 CRT와 비교해 필요한 대역폭과 데이터 저장 용량을 크게 줄일 수 있었다.

PLATO 시스템의 설계자 중 한 명인 도널드 비처는 이러한 디스플레이를 만들 수 있는 방법들을 검토했다. 유력한 선택지 하나는 기체 플라스마였다. 저압 기체에 전류를 흘려보내면 기체가 빛을 내는 현상이다. 과학자들은 1600년대부터 전류로 저압 기체를 발광시켜 왔으며, 이 현상은 20세기 초부터 네온사인에 사용되어 왔다. 그러나 아직 누구도 이 현상을 컴퓨터 디스플레이로 전환하는 방법을 찾아내지 못했다. 그렇게 하려면 화면의 각 화소마다 하나씩, 수천 개 또는 수백만 개의 독립 제어 가능한 미세 기체 플라스마 램프 배열이 필요했다. 비처는 시도해 볼 가치가 있다고 판단했다.

1962년, 비처의 대학원생 로버트 윌슨은 플라스마 디스플레이 화면의 한 칸 모형, 즉 단일 화소에 해당하는 장치를 만들었다. 이 장치는 세 장의 얇은 유리를 ‘샌드위치’처럼 겹친 구조였으며, 가운데 유리판의 구멍에 갇힌 작은 아르곤 기체 주머니 양쪽에 전선이 놓여 있었다. 전선에서 기체를 통과하도록 전류를 흘리면 아르곤은 밝게 빛났다. 윌슨의 모형은 플라스마 화면이 작동할 가능성을 보여 주었지만, 해결해야 할 문제가 많다는 점도 드러냈다. 셀의 밝기는 일정하지 않았고, 부품은 빨리 타버렸으며, 누출은 빈번했고, 시간이 지나면 전기에 의해 들뜬 기체가 전극에 침착되어 전류 흐름을 줄였다. 또한 윌슨의 설계에서는 전극 사이에 전기 아크가 형성되는 것을 막기 위해 각각의 셀에 저항기 하나가 필요했다. 이는 실물 크기 디스플레이 제조에 상당한 어려움을 더할 것으로 예상됐다. 500x500 화소 화면에는 각각 따로 부착한 저항기 250,000개가 필요했을 것이다.

돌파구는 1964년에 나왔다. 비처의 연구팀은 전극을 유리 샌드위치의 바깥쪽으로 옮기자는 아이디어를 냈고, 이로써 별도 저항기가 필요 없어졌다. 새 모형의 시험용 디스플레이를 만들던 중 연구팀은 우연한 발견을 했다. 실수로 셀에 들어간 소량의 공기가 디스플레이에 그토록 원하던 메모리 효과를 부여한 것이다. 전극의 전압을 낮춰도 기체는 계속 빛났다. 1967년까지 연구팀은 단일 화소 디스플레이를 16 x 16 화소 배열로 확장했지만(weber 2006), 이는 여전히 깨지기 쉬운 원형에 지나지 않았다. 누출과 오염은 계속 흔했고, 처음에는 현미경 슬라이드용으로 쓰였던 극도로 얇은 유리판은 쉽게 깨졌다.

1967년 유리 제조업체 Owens-Illinois는 플라스마 디스플레이라 불리는 이 기술의 라이선스를 얻어, 이를 실제로 실용적인 제품으로 만들기 시작했다. Owens-Illinois는 가운데 유리판과 그 안의 개별 기체 주머니를 없애고, 바깥쪽 유리판 두 장 사이의 전체 공간을 기체로 채웠다. 패널 내부의 기체는 연속되어 있었지만, 전하가 걸린 전극이 교차하는 지점에서만 빛났으므로 개별 화소를 제어할 수 있었다. 1968년 Owens-Illinois는 일리노이 대학교 원형보다 훨씬 튼튼하고 신뢰성이 높은 128 x 128 화소 플라스마 디스플레이를 선보였다. 이어 1971년에는 ‘Digivue’라는 이름의 512 x 512 화면을 세계 최초의 상업용 플라스마 디스플레이 패널로 출하했다. 곧 전 세계 수천 대의 단말기로 확대될 PLATO 시스템이 첫 고객이었다.

그러나 새로 출시된 플라스마 화면만이 전자 디스플레이 시장에 있었던 것은 아니었다. 플라스마 화면은 본래 CRT 화면과, 그것이 필요로 하는 크고 비싼 외부 메모리의 대안으로 고안됐다. 하지만 메모리 기술도 가만히 있지 않았다. 1960년대 후반, 일리노이 연구진이 플라스마 화면 원형을 만들고 있을 때 IBM 연구진은 트랜지스터와 축전기를 이용해 데이터를 저장하는 컴퓨터 메모리인 DRAM을 개발했다. 컴퓨터 메모리는 곧 무어의 법칙을 따라 세대마다 더 작고, 빠르고, 저렴해졌으며, 얼마 지나지 않아 CRT 화면의 메모리 요구량은 사소한 문제가 되었다.

플라스마 화면에는 물리적 특성이 일종의 ‘메모리’를 가능하게 한다는 점 외에도 다른 장점이 있었다. 부피가 큰 유리관이 필요한 CRT와 달리 플라스마 디스플레이는 매우 얇게 만들 수 있었다. 또한 조절이 까다롭고 쉽게 교란되는 전자총을 가진 CRT보다 훨씬 견고하게 만들 가능성도 있었다.

그러나 플라스마 화면에도 단점이 있었다. CRT와 비교하면 전력 소모가 매우 컸고, 밝기가 낮았으며, 가격도 훨씬 비쌌다. 또 일리노이 연구진은 1960년대 후반에 컬러 플라스마 화면을 시험했지만, 상용화할 만큼 견고한 컬러 플라스마 화면이 개발되기까지는 여러 해가 더 걸렸다.

더구나 1970년대 초에 등장한 새로운 디스플레이 기술은 플라스마만이 아니었다. 1960년대에 Westinghouse와 RCA의 과학자들은 액정 기반 디스플레이를 실험했다. 액정은 액체이면서도 결정처럼 규칙적이고 반복적인 구조를 나타내는 물질이다. 액정 분자는 전기장이 가해지면 방향을 바꾸는 것으로 밝혀졌고, 편광된 빛, 즉 단일 평면 안에서 진동하는 빛이 액정을 통과하면 편광면이 회전했다. 1960년대 후반이 되자 연구자들은 이 현상들을 이용해 디스플레이를 만들었다. 최초의 액정 디스플레이(LCD) 화면은 1970년대 계산기와 기타 소형 전자기기에 등장했고, 1980년대에는 휴대용 텔레비전에 사용되고 있었다.

플라스마도 속도를 늦추지 않았다. 이후 수십 년에 걸쳐 플라스마 디스플레이 기술은 꾸준히 개선됐다. 엔지니어들은 더 나은 전극을 개발하고 전력 소비를 줄였으며, 화소를 빠르게 껐다 켜서 회색조를 만드는 방법을 발명했다. 화소가 ‘꺼져’ 있는 시간이 길수록 화소는 더 어두워졌다. 회색조는 다시 완전한 컬러 플라스마 디스플레이의 길을 열었고, 이러한 제품은 1970년대 후반부터 등장하기 시작했다.

성능이 향상되면서 플라스마 디스플레이는 전자 디스플레이 시장에서 작은 틈새를 개척하기 시작했다. IBM은 1973년 플라스마 디스플레이를 탑재한 은행용 전자 장비 제품군을 내놓았고, 1970년대 중반에는 견고하고 유지보수가 적게 필요한 설계 덕분에 플라스마 디스플레이가 여러 군사 용도에 쓰이기 시작했다. 1980년대에는 단색 플라스마 화면을 탑재한 노트북과 휴대용 컴퓨터가 등장하기 시작했다. 하지만 1990년대에는 LCD 기술이 발전해 노트북용 고품질 컬러 화면을 만들 수 있게 되었고, 플라스마는 그 시장에서 완전히 밀려났다.

플라스마 디스플레이를 탑재한 Toshiba T3100 노트북. 출처: Wikipedia.

노트북 디스플레이 시장에서 밀려나던 플라스마는 새로운 시장, 즉 대형 고화질 텔레비전에서 성공을 거두고 있었다. 1990년대까지 CRT는 텔레비전 제작에 쓰이는 표준 기술이었지만, 필요한 관의 크기 때문에 CRT를 40인치 이상의 매우 큰 화면으로 확장하기는 어려웠다. Sony가 1988년에 45인치 CRT 텔레비전을 선보였을 때 그 무게는 400파운드를 넘었다. 반면 더 얇은 플라스마 화면은 매우 큰 화면으로 훨씬 쉽게 확장할 수 있었다. 일본 전자제품 제조업체 Fujitsu는 1990년에 31인치 플라스마 텔레비전을 시연했고, 1995년에는 42인치 플라스마 제품을 선보였다. 미국 디스플레이 신생 기업 Plasmaco는 1999년에 60인치 플라스마 화면을 공개했으며, Samsung은 2005년에 거대한 102인치 플라스마 화면을 전시했다.

하지만 LCD도 동시에 대형 화면 텔레비전 시장에 진입했고, 2000년대 초반에는 LCD 제조업체들이 플라스마 화면과 비슷한 크기의 화면을 만들고 있었다. 플라스마는 LCD 텔레비전에 비해 더 풍부한 색상과 더 높은 주사율을 제공할 수 있다는 장점이 있었지만, 단점도 있었다. 플라스마 화면은 전력을 더 많이 소비하고, 더 많은 열을 내며, LCD 화면보다 밝기가 낮았다. 또한 화면 크기가 같다면 LCD 화면을 플라스마 화면보다 훨씬 높은 해상도로 만들 수 있었다.

그러나 가장 중요한 문제는 제조였을 가능성이 크다. 플라스마 화면은 LCD 화면보다 높은 수율과 낮은 제조비를 달성하기가 더 어려운 것으로 드러났다. 이는 제조업체들이 플라스마보다 LCD 제조에 훨씬 더 많이 투자했기 때문일 수도 있다.

2000년대 중반이 되자 플라스마의 화면 품질상 장점은 점차 잠식됐거나, 대다수 소비자에게는 그저 눈에 띄지 않았다. 2006년 평론가들은 양쪽의 품질이 대략 동등하다고 평가했고, LCD는 플라스마 화면보다 훨씬 많이 팔리고 있었다. 플라스마와 LCD는 2010년대 초반까지 텔레비전 시장을 두고 경쟁했지만, 2013년이 되자 플라스마는 시장 점유율의 거의 전부를 잃었다. 2010년대 말에는 플라스마 화면 제조가 사실상 중단됐고, 오늘날 이 기술은 거의 사라졌다.

새 기술 채택의 전형적인 양상은 S자 곡선과 같다. 처음에는 그 기술 특성의 특정한 조합을 필요로 하는 사용자를 위한 틈새 용도에 쓰이지만, 기술의 성능이 높아지고 가격이 낮아지면서 더 널리 채택되다가 어느 특정한 정점에 도달한다. 반대로 한 기술이 대체되면, 점점 더 많은 용도에서 퇴출되지만 그 특성의 특정한 조합을 중시하는 사용자들에게는 계속 쓰이는 경향이 있다. 때로는 이 조합 덕분에 ‘구식’ 기술이 아주 먼 미래까지 살아남는다. 진공관은 수십 년 전 대부분의 용도에서 트랜지스터로 대체됐지만, 특정 오디오 장비에 사용하기 위해 오늘날에도 여전히 제조된다. 그러나 때로는 이것만으로 기술을 구할 수 없다. 일부 사람들은 플라스마 화면의 모습을 선호하지만, 이러한 선호만으로는 그 생산을 유지하기에 충분하지 않았음이 분명하다.