MEMS 기술은 전자(반도체) 기술, 기계 기술, 그리고 광 기술 등을 융합하여 수~수백 마이크론크기의 작은 부품 및 시스템을 설계, 제작하고 응용하는 기술을 일컫습니다. 이 기술 장점은 소형화를 비롯하여, 집적화, 저전력화, 고신뢰화, 그리고 저가격화를 이룰 수 있다는 데에 있죠. 즉, 반도체 공정을 이용하므로 웨이퍼 상에 일괄 제조할 수 있어 소형화가 가능하고, 한 개의 칩에 복수 개의 기능 소자 및 신호 처리부 등을 집적화 할 수 있어 고성능-고신뢰성을 얻을 수 있으며, 동시-다량 제조에 의해 가격을 낮출 수 있습니다. 소형화, 고성능화, 그리고 저가격화는 대부분의 전자, 기계, 광 부품이나 시스템들이 추구하는 목표인 만큼, MEMS 기술의 응용도는 실로 다양하며, 바이오, 정보 통신, 운송 및 항공, 로봇, 그리고 광학 및 디스플레이 등에 있어서 구조, 부품, 시스템을 제조하기 위한 핵심 기술로서 적용되고 있습니다.
MEMS 기술을 적용한 디스플레이, 즉, MEMS 디스플레이에서는 주로 별도의 광원에서 생성되는 빛을 다양한 물리 광학적 효과, 즉, 간섭(interference), 굴절(refraction), 반사(reflection), 회절 (diffraction), 나아가서는 광 결정(photonic crystal) 효과까지 적용하여 특정 파장의 빛을 선택한 후, 원하는 밝기로 조절하여, 적절한 곳으로 보내는 시퀀스로 작동합니다. 이를 배경으로 1980년대부터 현재에 이르기까지 다양한 디스플레이 소자들이 개발되었거나 출시되어 왔는데, 특히 기업의 시장 출시 시도에까지 이른 (시)제품이나 기술들을 소개합니다. 일단, 작동 원리로 구분하여 보면, 빛의 간섭을 이용한 IMoD 소자, 반사를 이용한 DMD와 DLP 소자, 회절을 이용한 GLV(Grating Light Valve)가 대표적입니다. 이에 더하여 MEMS 광 셔터 방식을 적용한 DMS, 광결정을 이용한 디스플레이 등도 발표된 바가 있습니다.
먼저, IMoD는 초소형 전자 기계 장치(MEMS) 기술에 의한 전자 종이용 디스플레이로써, 움직일 수 있는 마이크로 구조물 어레이, 즉 멤브레인 미러와 기판에서 반사되는 빛의 간섭 효과를 이용합니다. 즉, 두 개의 반사면 간의 거리에서 파장, 즉, 색상이 결정되며, 반사된 두 빛들간의 보강 간섭과 소멸 간섭의 정도에 따라 밝기가 결정됩니다. 그리고, 정지 영상을 표현할 경우에는 소비 전력이 거의 무시할 정도로 작은 쌍안정성을 가지고, 또한 전기-광학 특성 곡선이 히스테리시스 현상을 보여 기억 효과의 덕을 볼 수 있습니다. 미러의 움직임 폭이 수백 나노미터 정도로 작아 스위칭이 짧은 시간에 이루어지는 등의 장점이 있죠. 후에 퀄컴으로 기술이 이전되어서 '미라솔(Mirasol)’이라는 브랜드로 전자 종이를 출시한 바 있습니다.
빛의 반사를 이용하는 DMD, DLP 기술은 프로젝터에 사용되는 미세 거울 기반의 디스플레이 엔진(장치) 기술입니다. 즉, DMD라는 초소형 미세 거울들의 2차원 배열 어래이를 사용하여서 광원으로부터 입사되는 빛을 경로를 변환시키는데, 거울들의 수는 영상의 화소수와 같고, 정전력을 이용하여 두 방향 중의 한쪽 방향을 택하여 움직이므로 디지털 구동이라 합니다. 밝기의 정도, 즉, 계조 변화는 펄스 폭 디밍과 드라이브 칩 셋에서의 보정을 통하여 이루어지죠.
특히, 빛의 반사를 이용하는 경우에는 DLP와 같이 2차원 미러 어래이인 DMD를 사용하여 스캐닝이 불필요한 방식도 있지만, 낮은 소비 전력, 그리고 소형 경량화를 위하여 단일 미러로 2차원 스캐닝을 하는 방식, 일례로 LSD(Laser Scanning Display), 혹은 RSD(Raster/Retinal Scanning Display) 방식들, 혹은 라인으로 배열된 미러들로 1차원 스캐닝을 하는 방식들도 있습니다. RSD는 망막에 직접 영상을 투사하기도 합니다.
빛의 회절을 이용한 GLV의 경우, 1994년에 미국의 스탠포드 대학교에서 고안된 기술로, 광원으로부터 입사된 빛을 물리적으로 구동이 가능한 회절 격자를 통하여 선택적으로 스크린으로 보내는 원리로 작동합니다. 광원으로는 레이저 다이오드를 사용하였고, 회절 격자로는 미세하게 아래 위로 움직일 수 있는 실리콘 리본 구조를 실리콘 MEMS 기술로 웨이퍼 위에 제작하였습니다. 이후 이 기술을 기반으로 스타트 업 벤처인 SLM(Silight Light Machine)이 설립되어 개발을 이어갔으며, 2000년에 일본의 소니가 초대형 레이저 프로젝터에 이 기술의 적용을 시도하였으나 4년쯤 후에 LCoS 적용으로 방향을 틀었습니다. 이후 SLM은 E&S(Evans & Sutherland)와 제휴하는 등, 행보를 이어갔으며, 현재, SLM은 일본 스크린(Dainippon Screen Manufacturing Co.)에 귀속된 것으로 알려져 있습니다.
광 셔터 방식인 DMS의 경우, 2000년대 초반 미국의 Pixtronics에서 개발된 MEMS 기반의 디스플레이 기술로써, 후면 광원에서 나오는 빛을 기계적으로 구동되는 초소형 셔터로 조절하여 색과 밝기를 표시하였습니다. 이는 LCD와 유사한 방식으로 액정 셔터대신에 MEMS 셔터를 이용하는 점이 특징이며, 특히 빛을 재활용함으로써 효율을 60% 이상으로 끌어올린 점, 비교적 고속의 스위칭 속도인 0.1 msec를 구현하였다는 점이 특징이었습니다. 이 기술은 2011년에 퀄컴으로 이전되었으나, 이후로는 추가 정보가 발표되지 않고 있습니다.
이 외에, 3차원 스펙트로스코피, 광 결정 디스플레이, 홀로그램 등에서도 MEMS 광 소자나 디스플레이 기술이 적용되고 있으며, 이는 기회가 닿는 대로 더 세밀하게 다룰 예정입니다. 일단 여기까지의 맺음말로, MEMS 광 소자와 디스플레이는 비자발광형 디스플레이로 구분될 수 있으며, 전자 종이와 같은 직시형 디스플레이, 밝고 해상도가 좋은 투사형 디스플레이, 가상 현실과 증강 현실로 대표되는 가상형 디스플레이, 그리고 빛을 필터링하거나 처리하는 다양한 목적들로 큰 잠재력이 있음을 강조하고 싶습니다.
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# 더! 생각해보기
a. MEMS란 무엇일까. 어떤 특징이 있을까
b. MEMS 디스플레이에 적용될 수 있는 광학적 효과들에는 어떤 것들이 있을까. 어떤 내용일까
c. 자연에서 볼 수 있는 빛의 행동과 풍경, 어떻게 디스플레이에 적용할 수 있을까
# 수식과 이론, 퀴즈
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