2019년 9월 24일 (화), 나노종합기술원 - 실리콘 위의 디스플레이

2019-09-16 강연과 논의) 실리콘 디스플레이, 실리콘 웨이퍼에 만들어지는-복사.pdf

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디스플레이의 분류 

 

정보 디스플레이 기술을 여러 특징들을 토대로 하여 분류하는 방법은 실로 다양합니다.  먼저, 보는 방식에 따라 화면을 직접 보는 직시형(direct view type), 크기가 작고 해상도가 높은 마이크로 디스플레이, 혹은 미러 어래이 등으로 영상이나 빛을 확대하여 스크린에서 보는 투사형(projection type), 그리고 디스플레이로부터 나온 영상을 화면도 스크린도 아닌 제3의 공간, 예를 들면 눈으로부터의 일정 거리나 허공 등에 형성하여 보게 되는 가상형(virtual view type)으로 구분할 수 있습니다.  이 중에서도 직시형 디스플레이가 우리가 흔히 이야기 하는 디스플레이 패널과 직접적으로 연관이 되고, 아울러 투사형이든 가상형이든 직시형 디스플레이 패널 기술을 이용하여 완성되는 시스템이므로 주로 직시형 디스플레이를 위주로 설명하여볼까요.. 

 

직시형 디스플레이를 분류하기 위해서는 생김새에 따라 분류하는 방식이 간편하며, 즉, 뚱뚱하고 무거운 브라운관(CRT), 얇고 가벼운 평판 디스플레이(FPD), 둘로 나눌 수 있고, 다시 FPD는 별도의 광원을 필요로 하는 비발광형(non-emissive type)과 스스로 빛을 만들 수 있는 자발광형(self-emissive type, emissive type)으로 분류가 됩니다.  비발광형에서는 LCD가 대표적이며, 이 외에도 초소형 전자기계장치(MicroElectroMechanicalSystem, MEMS) 기술을 이용한 MEMS 디스플레이, 전자 종이에 주로 사용되는 전기 영동 디스플레이(ElectroPhoretic Display, EPD), 그리고 요즘 스마트 윈도우 기술로 관심을 끄는 전기 변색 디스플레이(ElectroChromic Display, ECD) 등이 있습니다.  발광형의 무대는 실로 디스플레이의 전장이라고 할만큼 기술들이 다양한데, 발광 원리별로 구분하는 것이 이론과 동작 원리를 이해하기에 편하죠. 

 

주요 발광 원리들을 살펴보면, 빛을 발생시키기 위해 이용되는 에너지로 특징지을 수 있는데, 음극에서 발생한 전자의 가속 후 충돌 에너지를 이용하는 음극 발광(CathodoLuminescence, CL), 전기장에 의해 이동하는 캐리어, 즉, 전자와 정공들의 여기(excitation) 후 재결합(re-combination)을 이용하는 전계 발광(ElectroLuminescence, EL), 빛 혹은 광자(photon)의 에너지를 이용하는 광 발광(PhotoLuminescence, PL) 등이 대표적입니다.  음극 발광 현상을 이용한 디스플레이로는 FPD는 아니지만 CRT가 대표적이며, 이와 함께 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display, FED), 진공 형광 디스플레이(Vacuum Fluorescent Display, VFD)를 꼽을 수 있습니다.  전계 발광 현상의 경우, 그 메커니즘을 물리적으로 보다 세분화할 수 있지만, 일단 뭉뚱그려서 이야기하면 지금으로는 유기 발광 다이오드(OLED)와 함께 이제는 디스플레이로 분류하여야만 하는 (무기) 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)가 대표적이며, 이와 함께 교류 혹은 직류 구동형 박막/후막 전계 발광 소자(Thin/Thick Film ElectroLuminescent Device, TFELD)를 들 수 있다.  광 발광 현상을 이용한 디스플레이로는 PDP가 대표적입니다. 

 

실로 다양하고 각각의 특징들이 분명한 디스플레이들, 이들이 서로 경쟁을 하고, 또 본의아니게 서로 도우면서 탄생도 하고, 성장도 하고, 중간에 도태와 소멸을 겪기도 하고, 혹은 더욱 크게 발전하거나 일부는 명맥을 유지하면서 백여년의 세월을 장식하여 왔습니다. 물론 주요 기술들은 보다 구체적이고 원리적으로 설명하겠지만, 도태와 소멸을 겪었더라도 학술 연구로 완성되고 기업의 생산라인에서 한번이라도 태어난 만큼 각각의 이름을 불러주고, 짧게라도 인사하는 것이 예의라 생각을 하며, 그들의 소개를 이어갑니다. 

 

MEMS 디스플레이 

 

MEMS 기술은 전자(반도체) 기술, 기계 기술, 그리고 광 기술 등을 융합 하여 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 이용하로 하므로 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 DMD, 그리고 DLP 소자, 회절을 이용한 GLV(Grating Light Valve)가 대표적입니다. 이에 더하여 MEMS 광 셔터 방식을 적용한 DMS, 그리고 3차원 영상 구현을 위한 MEMS 디스플레이 등도 발표된 바가 있습니다. 

 

빛의 간섭을 이용한 IMoD와 반사를 이용하는 DLP(DMD)에 관하여서는 앞서 설명한 바가 있죠.  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. 

 

이 외에, DMS는 앞서 소개한 바가 있으며, EWD(전기 습윤 디스플레이), 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. 

 

전계 방출 디스플레이 

 

전계 방출 디스플레이(FED)는 CRT가 지니고 있는 결정적인 약점들, 즉, 열전자 방출로 인한 온도 상승, 전자들의 포커싱과 가속을 위한 고전압 인가, 그리고 주사 방식으로 영상을 만들어야하기 때문에 갖는 음극과 형광체간의 긴 거리, 즉 큰 부피와 두께 문제 등을 해결하기 위하여 고안되었습니다.  즉, 반도체와 박막, 후막 공정 등을 이용하여 마이크론 크기의 작은 전자총 어래이를 만들고, 이로부터 열이 아닌 전계(electric Field)로 전자들을 방출(Emission), 가속시켜서 형광체를 여기하여 빛을 만들어내는 디스플레이입니다.  전자 방출원으로는 금속이나 실리콘 팁, 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 혹은 표면에 형성된 나노 스케일 구조 등이 다양하게 적용되었고, 이러한 전자 방출원들이 각 화소마다 충분한 갯수로 존재하므로 주사 방식이 필요치 않습니다.   아울러, 전자 방출원이 형성된 음극 기판과 형광체의 양극 기판 간의 간격도 1mm 이내로, 형광체도 고전압이 아닌 저전압으로 여기가 되므로 동작 전압도 매우 낮아짐으로써 음극선관과 같은 수준의 영상을 평판 디스플레이로서 구현할 수 있다는 매력이 있습니다. 

 

시작은 1968년에 미국 SRI(Stanford Research Institute)에서 금속 팁을 이용한 전계 방출 소자 어래이(Field Emitter Array, FEA)의 구조와 제조 공정을 제시함으로써, 반도체 기술로 제작되는 진공관, 즉, 진공 미소전자공학(vacuum microelectronics) 분야의 문을 열었습니다.  이를 발전시켜서 1985년에 프랑스의 LETI(Laboratorie d'Electronique de Technologie et d'Instrumentation)에서 보다 안정성있는 전자 방출원과 형광체 기술을 개발, 이를 적용한 디스플레이 소자를 시연하여 FED의 제품화 가능성을 제시하였습니다.  이 기술을 이어 받아서 1992년에 FED를 생산하기 위한 벤처, PixTech이 설립되었고, 이후 몇몇 업체들이 개발과 생산을 목표로 합류하였으나 금속 팁 FEA가 갖는 한계, 특히 동작 안정성과 재현성, 대면적화, 그리고 생산성에서의 장벽을 넘지 못하고, 답보 상태로 이어졌습니다.  2000년대에 들어서면서 삼성과 캐논 등에서 금속 팁 FEA를 대신하여 CNT 전자 방출원을 적용한 FED와 표면 전도성 전자 방출원 디스플레이(Surface-conduction Electron-emitter Display, SED) 등의 기술로 시제품을 시연하는 등, FED의 제품화를 적극 추진하였으나, LCD와 OLED, 두 기술의 비약적인 발전으로 끝내 상용화 의지가 꺾이고야 말았습니다. 

 

FEA와 FED가 활발히 연구되었던 1990년대부터 10여년간의 시기는 국내외 연구자들이 진공 미소전자공학의 매력에 한껏 취해있던 시기였습니다.  FED의 연구에는 반도체 기술을 비롯하여, 마이크로 나노 미세 가공 기술, 전자기 시뮬레이션, 물리 화학적 이론과 소재, 회로와 시스템 기술이 복합적으로 적용되었으며, 비록 평판 디스플레이로써의 꿈은 좌절되었을지라도, 이를 이용한 파생 기술과 소자, 즉, 진공 터널링 소자, 센서와 마이크로 진공관, 휴대용 x-ray 발생기, 그리고 이오나이저 등이 지금까지도 그 꿈을 이어가며 제품화와 실용화를 이루고 있습니다.  최초의 기술에 대한 과감한 도전은 실패하더라도 값진 경험과 이로부터 얻어진 산물들, 결국은 그 가치를 발휘한다는 점은 명확합니다. 

 

실리콘 위의 액정 

 

LCoS는 ‘실리콘 위의 액정,’이라는 용어 그대로, 실리콘 웨이퍼에 만들어진 백플레인 위에 액정을 설치하여 LCD를 구성한 것입니다.  실리콘 웨이퍼에 만들어진 트랜지스터는 스위칭 소자로서 최고의 성능을 가지며 이와 함께 상보 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 집적 회로(Integrated Circuit, IC)를 구성하여 디스플레이 구동 회로까지 함께 집적화할 수 있어서 초소형, 고성능 LCD의 구현이 가능합니다.  디스플레이 패널의 크기는 1인치 이하, 두께는 1~2mm, 그리고 해상도를 결정하는 피치는 2마이크론 이하까지도 가능합니다.  패널 크기로 미루어 짐작할 수 있지만, 마이크로 디스플레이로써 투사형이나 가상형 디스플레이로 사용하게 되죠.  물론 패널 자체는 실리콘의 불투명 요인으로 인하여 반사형으로 동작합니다. 

 

LCoS는 1970년대 말에 미국의 GE(General Electric)에 의해서 최초로 시연됩니다.  정체기를 거쳐 1990년대에 이르러서야 비로소 투사형 및 가상형 디스플레이의 필요성이 커지면서 여러 회사들이 개발, 생산에 참여하게 되죠.  2005년 겨울, 일본의 소니가 높은 해상도와 대조비(contrast ratio)를 갖는 LCoS로 프로젝터 시장에 불꽃을 당깁니다.  연이어 일본의 JVC(Japan Victor Co.), 캐논 등이 프로젝션 TV 등으로 응용 분야를 확장하였고, 뒤를 이어 미국의 인텔, 네덜란드의 필립스 등도 합류하였지만 경쟁 기술들과의 가격과 성능 싸움, 응용 분야의 새로운 발굴 과정 등에서 부침을 겪으면서 명맥을 유지하여 오고 있습니다. 

 

2010년 이후는 LCoS의 재도약 시기로써, 소니는 여전히 의지를 가지고 가고, 이에 더하여 대만의 하이맥스, 미국의 오로라 시스템즈와 Syndiant, 중국의 Splendid Optronics Technology 등에서 피코 프로젝터, 데이터 보드, 그리고 AR과 VR 제품 등을 겨냥하여 제품화 및 시장 개척 속도를 높이고 있습니다.  이에 더하여 JDC는 미국 eLCOS의 특허 등을 라이센싱하여 새로운 도약을 시작하였습니다.  LCoS에 대해서는 지속적인 관찰과 분석의 묘미가 충분합니다.  HTPS TFT LCD, 그리고 뒤를 이어서 기술한 ‘실리콘 위의 OLED,’ 마이크로 LED와의 경쟁 구도 또한 기대가 큽니다. 

 

실리콘 위의 OLED 

 

OLED는 현재, 직시형 디스플레이로써 모바일 기기, 테블릿, 그리고 TV 등의 제품에 폭발적으로적용되고 있으며, 이를 감당하기에 여념이 없습니다.  이러한 상황에서도 OLED를 실리콘 웨이퍼상에 제작하여서 특히, 가상형으로써 근안용 디스플레이(Near-to-Eye Display, NED)로 이용하고자 하는 시도는 진행이 되고 있습니다.  실리콘 웨이퍼에 만들어지는 백플레인과 구동 회로부를 사용하고자 하는 의도는 LCoS의 경우와 같습니다.  즉, 고속의 응답 시간과 높은 개구율에 따른 고해상도, 그리고 컴팩트한 마이크로 디스플레이를 구현하기 위해서이죠.  물론 회로는 높은 집적도, 낮은 전력 소비의 CMOS 위주로 하고, 이 위에 올라가는 OLED는 투명 전극을 위로 배치한 상부 발광(top emission) 구조입니다. 

 

2011년에 일본의 소니는 CMOS 실리콘 백플레인 위에 빛을 위로 반사하는 양극, 그리고 투명한음극을 갖는 백색 OLED, 그 위에 RGB 칼라 필터를 설치한 OLEDoS를 발표한 바 있습니다.  제작 과정은 아래에서 위로 적층하는 순서를 따르고 있죠.  즉, 반도체 파운드리에서 제작된 실리콘 백플레인 위에 웨이퍼 레벨로 OLED 박막들을 증착하고, 박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE)을 한 후, 칼라 필터를 설치하고, 커버 글라스를 덮은 뒤 마지막으로 패널들을 하나씩 잘라내는 과정(singulation)을 거쳐 완성됩니다.  물론 백색 OLED 대신에 칼라 화소들이 별도로 형성된 RGB OLED를 넣는 것도 가능합니다.  2013년 무렵에 독일의 프라운 호퍼에서 FMTL(Flash-Mask-Transfer-Lithography)라는 전사 공정을 발표한 바 있죠. 독일의 드레스덴 디스플레이에서는 2016년에 안경형 QVGA(Quarter Video Graphics Array)급 마이크로 OLED를 발표하였으며, 2017년에 미국의 eMagin은 이를 2K x 2K 수준의 해상도를 갖는 헤드셑용으로 끌어올렸습니다.  비슷한 시기에 미국의 코핀은 유사한 수준, 약 3,000 ppi(pixels per inch) 해상도의 OLEDoS와 이를 이용한 스마트 글래스를 시연하였습니다.  2017년 이후로 보고되는 바에 의하면, 소니는 OLEDoS를 적용한 스마트 안경(eyegrlass)이 부착된 헤드셑을 개발 중으로 이를 CES 2017에 발표한 바 있으며, eMagin은 VR/AR용으로 화소의 피치가 10 마이크론 이하로 내려가는 초고해상도의 마이크로 디스플레이를 제작하고 있습니다. 

 

OLED가 OLEDoS를 통하여 마이크로 디스플레이 시장으로 들어오는 날, 완성된 기술을 통한 강력한 힘은 응용 분야와 시장의 판도를 흔들 수 있습니다. 이미 화소 크기는 10 마이크론 이하로 내려왔으며 3,000 ppi를 넘어서 5,000 ppi의 해상도를 향하고 있는 수준, 아직은 미래 디스플레이로써 구분되는 마이크로 LED와 함께 초고해상도, 기판 자유도를 갖춘 고급형 마이크로 디스플레이로써, 무섭게 확장되고 있는 VR/AR용 NED의 현장에서 멋진 경쟁을 펼칠 날을 기대합니다. 

 

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