마이크로 디스플레이는 투사형이나 가상형으로 이용하기 위한 화면의 크기 1인치 이하, 고성능, 고해상도의 디스플레이입니다. 이는 수십에서 수백 배에 이르기까지 확대된 영상을 표시하여야 하므로, 화소의 크기가 매우 작아야 하고, 또한 화소 내에서 빛이 나오는 부분의 비, 즉, 개구율(aperture ratio)이 커야 하므로 미세한 피치와 고성능 스위칭 소자를 필요로 합니다. 마이크로 디스플레이로써 다양한 기술들이 등장한 바 있지만, 지금, 그리고 앞으로도 활용될 디스플레이는 MEMS 디스플레이 계열인 디지털 광원 처리기(Digital Light Processor, DLP), LCD 계열인 고온 다결정 실리콘 TFT LCD(High-Temperature Poly-Silicon TFT-LCD, HTPS TFT-LCD)와 LCoS(Liquid Crystal on Silicon), 그리고 OLED 계열인 OLEDoS(OLED on Silicon) 등을 꼽을 수 있습니다.
HTPS TFT-LCD는 스위칭 소자인 TFT를 만드는 과정 중에 섭씨 1000도 이상의 높은 온도에서 비정질(amorphous) 실리콘을 재결정화(recrystallization)하여 큰 결정립(crystal grain)들을 갖는 다결정 실리콘을 형성, 전자 이동도를 증가시킨 소자입니다. 따라서 TFT의 크기는 작으면서도 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있어, 마이크로 디스플레이의 구현에 유리하죠. 또한 구동 회로 등 별도의 칩에 만들어지는 주변 회로들까지 디스플레이 기판 위에 집적화할 수가 있어, 소위 SoD(System on Display)를 실현할 수 있습니다. HTPS TFT-LCD는 공정 온도가 기존 디스플레이 유리의 용융점보다 높아서 유리가 아닌 석영을 이용하여야만 하므로 크기에 제한이 있으며, 또한 가격이 올라갑니다.
LCoS, ‘실리콘 위의 액정’, 용어 그대로 실리콘 웨이퍼에 백플래인(backplane)을 만들고, 이 위에 LCD를 구성한 디스플레이입니다. HTPS보다도 더 성능이 좋은 높은 이동도의 단결정 실리콘 트랜지스터를 사용할 수가 있고, SoD의 구현에도 더 유리합니다. 더 작은 화소, 더 높은 이동도, 더 빠른 응답 속도를 얻을 수가 있죠. 다만, 실리콘 웨이퍼가 불투명하므로 광원으로부터의 빛이 후면 기판(TFT 기판) 쪽에서 들어와서 전면 기판(칼라 필터 기판) 쪽으로 나오는, 즉, LCD를 통과하는 투과형 방식은 불가능하고, 빛이 전면 기판으로 들어와서 후면 기판 쪽에서 반사되어 다시 전면 기판 쪽으로 나오는 반사형 방식으로만 구성할 수가 있습니다. 물론 실리콘 반도체 공정이 수반되어야 한다는 부담도 있지만, 차라리 실리콘 백플래인을 파운드리 업체에서 만들고 이를 가져다가 LCoS를 완성하는 제작 과정은 대규모 투자의 여력이 없는 디스플레이 회사들에게 기회를 주기도 합니다.
DLP는 미국의 TI(Texas Instrument)에서 개발되었으며, 20세기 후반부터 디지털 시네마용으로 극장에서 사용되었고, 최근에 이르기까지 다양한 목적의 프로젝션 시스템에 적용되고 있죠. 이는 TI가 자체적으로 개발한 디지털 미소 거울 소자(Digital Micro-mirror Device, DMD)를 광원과 그리고 광학계와 함께 모듈화한 디스플레이 엔진입니다. 즉, 레이저 다이오드나 LED 광원에서 발생된 빛이 DMD에 도달하고, 각각의 미러들이 디지털 방식으로 구동되면서 빛을 선택적으로 스크린으로 보내어 영상을 띄우게 됩니다. 하나의 광원을 사용하고, RGB 3원색 칼라 필터가 있는 원반을 회전하여 칼라 영상을 투사하는 방식과 3개의 DMD와 3개의 칼라 필터들을 이용하여 RGB 각각의 영상들을 만들어 함께 투사하는 방식이 있습니다.
OLEDoS는 역시 말 그대로 ‘실리콘 위의 OLED’입니다. 역시 단결정 실리콘 백플래인으로 큰 개구율과 높은 해상도, 빠른 동작 속도, 그리고 SoD의 구현이 가능합니다. 다만, OLED 회사들은 지금, 모바일 기기와 TV 등 대규모 시장 확보가 가능한 제품들을 위한 디스플레이를 대량 생산하는 중이라 아직은 소량 다품종에 해당하는 OLEDoS에 전력을 쏟을 겨를이 없습니다. 그러나, OLED 교유의 자발광 특성, 높은 화질과 밝기를 감안하면 후일 마이크로 디스플레이 분야에서의 다크 호스가 될 것임은 자명합니다. 이와 함께 마이크로 LED 역시 마이크로 디스플레이의 유력한 후보임을 언급하며, 추후 보다 상세히 살펴보기로 하겠습니다. 이러한 마이크로 디스플레이들은 투사형 디스플레이로는 물론 가상형 디스플레이로써, 가상 현실과 증강 현실 등에 이용될 수 있으며, 관련 응용도와 시장은 급격히 확장되고 있습니다.
그리고, 마이크로 LED는 기존의 LED 칩들을 100~50마이크론 이하의 크기로 더욱 작게 만들어서 기판 위에 옮겨 조립한 형태의 디스플레이입니다. 종래의 LED 칩들은 크기가 1mm 내외로 커서 영상이 확대될 경우 화소 역할을 하기가 어려워 마이크로 디스플레이나 디스플레이로 사용할 수가 없었죠. 이제 칩의 크기가 줄어들면서 TV나 사이니지에 적용되고 있으며, 나아가서는 웨어러블 기기용이나 마이크로 디스플레이로의 활용 가능성이 높아지고 있습니다.
이러한 디스플레이들이 프로젝터나 웨어러블 기기, 혹은 HMD와 HUD(Helmet-Mounted, Head-Up Display) 용으로 발전, 적용되고 있죠. 사물 인터넷 시대로 접어들면서 웨어러블 기기나 증강 및 가상 현실용 다스플레이로서 앞으로 경쟁을 하며, 자리를 굳혀갈 것으로 예측됩니다.
이어서 마이크로 디스플레이용 디스플레이 기술들을 설명합니다. 제품이 출현한 순서는 HTPS-TFT LCD, LCoS, DMD 및 DLP, OLEDoS, 그리고 마이크로 LED 순서이나, DLP를 포함한 MEMS 디스플레이의 개요부터 소개하고 다음으로 HTPS-TFT LCD, LCoS, 그리고 OLEDoS로 이어갑니다. 마이크로 LED의 경우, 최근에 보다 활성화되고 있는 디스플레이, 칩에서 디스플레이로 진화되어가는 기술로 뒷부분에 별도의 노트를 마련할 생각입니다.
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#더! 생각해보기
a. 화소의 크기가 점점 더 작아질수록, 성능에서 더 큰 문제가 되는 파라미터는 무엇일까. 어떻게 해결할까
b. 마이크로 디스플레이의 응용 분야는 어떻게 확장되어갈까
# 수식과 이론, 퀴즈
blog.daum.net/jbkist/5130?category=855181
마이크로 디스플레이
이 글을 쓴 스리 페루벰바(Sri Peruvemba)는 SID의 위원회 위원이자 마케팅 담당 의장입니다. 스탠디시 인더스트리즈(Standish Industries), 플라나(Planar), 샤프(Sharp), E-잉크(E-Ink), 클리어링크(CLEARink)..
blog.daum.net
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