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Nikkei Electronics_2020.10 Emerging Tech (p40~49)

차세대 디스플레이 기술의 등장
AR 글래스와 인쇄판 유기EL이 주축

디스플레이 분야에서 세계 최대 규모의 국제 학회 ‘Display Week 2020(SID 2020)’이 지난 8월 3일~7일에 온라인으로 개최되었다. 그 열기는 코로나19 사태 속에서도 뜨거웠고 주목도가 높은 마이크로 LED 등 차세대 디스플레이 기술의 새로운 제안들이 다수 공개되었다. AR 글래스의 소형화와 잉크젯 인쇄로 제조하는 유기EL 디스플레이 등, 실용화에 근접한 기술의 발표도 눈에 띄었다.

디스플레이 분야에서 세계 최대 규모의 국제 학회 Display Week(SID). 본래는 올해 6월에 미국 산호세에서 개최될 예정이었지만, 코로나19로 연기되어 8월 3일~7일에 온라인으로 실시되었다.

온라인 판 SID 2020에서는 발표 자료 및 강연 영상이 웹에 공개되어 있어 온디맨드 서비스로 시청이 가능하다. 개최 기간 이후에도 올 12월까지 열람할 수 있어 참가자에게는 실제 개최보다 발표 내용을 잘 파악할 수 있다. 하지만 실물 전시가 없기 때문에 동작 등을 직접 확인할 수 없다는 단점도 있다.

이러한 제약이 있음에도 불구하고 SID 2020은 마이크로 LED를 비롯해 차세대 디지털기술 강연들이 줄을 이으며 열기가 뜨거웠다. 예를 들어 마이크로 LED, 미니 LED, QD-OLED, QLED, QNED 등이다. 이 대부분의 기술들은 기술적 성숙도가 아직 낮은 발전 도상 단계이다. “비유하자면 액정 디스플레이의 개발 초기(1970~80년대) 상황에 가깝다”(Tech & Biz의 기타하라(北原) 씨).

-- μLED로 AR 글래스 실현 추진 --
한편, 이들 기술에는 기존의 액정 기술과는 크게 다른 점이 있다. 그것은 실용화까지의 시간이 훨씬 빨라질 것이라는 점이다. 구체적으로는 마이크로 LED가 AR 글래스라는 용도 덕택에 혼전에서 빠져나올 것으로 보인다. ‘포스트 스마트폰은 AR 글래스’라고 확신하는 페이스북은 올해 3월, 마이크로 LED를 개발하는 영국의 Plessey Semiconductors와 제휴. 9월에는 미국 Vuzix가 마이크로 LED를 이용한 AR 글래스를 2021년에 발매한다고 세계 최초로 발표했다.

Vuzix는 AR 글래스에 대한 상세한 정보를 공개하지 않았지만, ‘이 AR 글래스는 소형으로 렌즈 부분이 안경처럼 얇고 넓은 시야각을 가지고 있다’라고 하며 약 20년 추진해온 웨어러블 기기 기술의 ‘집대성’이라고 밝히고 있다.

애플도 AR 글래스 개발에 심혈을 기울이고 있는 중으로, 2022년에 ‘Apple Glass’를 발매할 것이라는 전망도 나오고 있다. 마이크로 LED를 이용할지 여부는 아직 밝혀지지 않았지만 업계가 마이크로 LED에 열중하는 충분한 이유가 되고 있다.

마이크로 LED 베이스의 마이크로 디스플레이 개발에는 샤프 등 일본 제조사들도 참여하고 있다.

-- 성능 면에서 거의 만점 --
마이크로 LED가 이렇게까지 주목 받고 있는 이유 중 하나는 그 영상 표시 성능이 액정 및 유기EL(OLED)에 비해 매우 높다는 점이다.

구체적으로는 우선 휘도 및 정밀도가 높다. 각 화소의 발광부는 무기 LED이기 때문에 수명이 길고 발광 효과도 높다. 높은 화면 재생 빈도와 넓은 시야각 등, 거의 만점이라고 할 수 있다.

휘도가 높다는 점이 안경 형태의 AR 글래스를 실현하는데 있어 중요한 요건을 충족시켰다. AR 글래스는 프레임이 한정된 공간에 영상 표시 소자를 배치할 필요가 있어, 거기에서 복잡한 광학계를 통해 영상의 빛을 눈에 전달하기 때문이다.

-- 과제는 가격과 구현 기술 --
하지만 보다 폭넓은 용도의 액정이나 유기EL 패널을 이용한 제품이 곧바로 마이크로 LED로 전환되기까지는 조금 더 시간이 걸릴 것으로 보인다. 그 과제 중 하나는 높은 가격이다. LED 칩 자체가 고가인 점, 그리고 설치 자체에도 비용과 시간이 소요되기 때문에 큰 면적의 패널일 경우, 상당히 고가가 된다. 예를 들어 4K TV에 필요한 약 2,500만개의 칩을 1개씩 정확하게 설치하기 위해서는 한달 이상 소요되던 시기도 있었다.

이 때문에 마이크로 LED의 용도는 당분간 대형 디스플레이보다는 웨어러블 기기나 카메라의 전자식 뷰파인더(EVF), 그리고 앞에서 말한 AR/VR 기기 등, 소형 단말기에 적합하다고 알려져 있었다.

-- 한꺼번에 전사(Transfer)로 대형화 --
하지만 이러한 인식이 바뀌려 하고 있다. 그 동안 숙제였던 구현 기술이 최근 1, 2년 사이에 급속하게 개선되었기 때문이다.

예를 들어 교세라는 SID 2019에서 발표한 1.8형에 이어 새롭게 풀칼라의 3.9형 마이크로 LED 디스플레이를 독일 OSRAM Opto Semiconductors와 공동으로 발표했다. 대형화할 수 있었던 것은 LED 칩을 1개씩 설치하는 것이 아닌, 전사 기술을 이용해 다수의 칩을 일괄적으로 실장하는 ‘Mass Transfer’ 기술이 향상되었기 때문으로 보인다.

교세라는 이번 3.9형 마이크로 LED 디스플레이의 각 LED 뒷면에 반사기를 코팅한 캐비티(Cavity) 구조를 도입, 깊이 5μm의 적절한 각도를 가진 움푹한 홈을 만들어 빛의 추출 효율을 약 4배 향상시켰다. SID 2019의 1.8형이 1,000cd/㎡인데 반해, 이번 3.9형은 최대 3,000cd/㎡의 높은 휘도를 실현. 이 디스플레이를 여러 개 상하좌우로 촘촘히 깐 ‘타일링’을 통해 한층 더 큰 대형 디스플레이로 만들 수 있다. 우선은 전자간판 용도 등을 계획하고 있다.

-- 전사 기술도 급속히 발전 --
매스트랜스퍼(Mass Transfer) 기술은 짧은 기간 동안 급속히 향상되고 있다. 예를 들어 대만의 AU Optronics (AUO)와 PlayNitride는 올해 4월, 플렉시블 기판 상에 마이크로 LED 디스플레이를 실장하는 전사 기술을 공동으로 개발했다고 발표했다.

또한 미국 Northwestern University의 로저 교수는 “Pixel Engines’라는 개념을 SID 2019에서 발표했다. 이에 대해 Tech & Biz의 기타하라(北原) 씨는 “최근 수 년 간 업계에서 논의되고 있는 마이크로 LED의 매스　트랜스퍼 보다 한층 더 앞서있다“라고 평가한다.

Pixel Engines는 대량 전사 기술을 여러 번 이용해 마이크로 LED 칩과 구동용 IC 및 배선을 화소 단위의 모듈로서 조립해가는 방법이다. 최종적으로는 저밀도의 배선을 깐 디스플레이 기판에 이 모듈을 설치한다. 이는 복수 기종의 미세한 부품의 웨이퍼를 통해 기판에 전사하는 것보다도 전사 회수를 크게 줄일 수 있다고 한다. “최근 1, 2년 동안 전자간판용 LED 패널용으로 보급되기 시작한 ‘4 in 1 패키지’의 사고방식과 비슷하며 조립과 수율 관리가 쉽다는 것이 특징이다”(기타하라 씨).

이러한 개발 속에서 액정 디스플레이 기술의 대가로 알려져 있는 미국 UCF(University of Central Florida)의 우(Wu) 교수는 SID 2020의 세미나에서 “마이크로 LED의 실용화는 AR/VR뿐만 아니라 대형 TV나 전자간판에서도 상상 이상으로 빨라질 것이다”라고 말했다.

-- 무게 49g의 경량 AR 글래스 --
AR 글래스 기술의 진화는 마이크로 LED 등 마이크로 디스플레이뿐만이 아니다. 광학계를 연구함으로써 시야각을 넓혀 크게 경량화된 AR 글래스도 등장했다.

리코는 무게가 40g으로 경량의 안경형 AR 글래스의 프로토타입(Prototype, 시제품)을 발표했다. AR 글래스로서는 시야각도 대각 35.9°로 비교적 넓다. 마이크로 디스플레이에는 소니의 0.23형 유기EL 디스플레이를 이용했다. 2017년에 개발을 시작해 약 3년 정도 만에 실제 기기 제작에 이르렀다고 한다.

경량화의 포인트는 2개. 하나는 안경 렌즈를 대신하는 도광판을 유리가 아닌 수지로 만들었다는 것. 또한 도광판의 표면에 미세한 반사 마이크로 밀러 구조를 도입. 도광판이 얇아도 일정한 시야각을 확보할 수 있으며 눈까지 광 영상을 충분하게 전달될 수 있도록 했다. “사출 성형 시 10μm 레벨의 정밀도가 필요하지만, 겨우 실현할 수 있었다”(리코)라고 한다.

-- 광학계에서 노하우 활용 --
또 하나의 포인트는 안경테 부분에 광학계를 추가하고 마이크로 디스플레이를 후방에 배치함으로써 앞뒤의 중량 밸런스를 잡아 가볍다는 느낌을 주는 구조로 한 점이다.

기존의 안경형 AR 글래스는 대부분 도광판에 아주 가까운 관자놀이 부근에 디스플레이가 있기 때문에 전방에 중심이 쏠려 무겁게 느낄 수 있는 경우가 많다.

리코는 안경다리 중간부분에 새로운 광학계를 설치해 디스플레이를 후방에 배치했다. 또한 자사의 노하우를 활용해 빛의 이용 효율을 높여 휘도가 낮은 유기EL도 이용할 수 있도록 했다. 앞으로는 표시 영상의 휘도 불균형과 도광판 양산 등의 과제를 추진해나갈 계획이다.

-- 렌즈 어레이로 초(超)광시야각 실현 --
VR에 비해 AR은 시야각이 좁다는 것이 단점 중 하나였다. 이 때문에 AR 글래스 기술 개발에서는 소형화∙경량화와 함께 넓은 시야각도 중요한 테마이다.

예를 들어 UCF는 도파관 디스플레이에 렌즈 어레이를 이용해 AR 글래스의 시야각을 대각(對角) 100°로 넓혔다고 발표했다.

현재의 주요 AR 글래스 제품의 시야각은 최대 50° 정도이다. 예를 들어 마이크로소프트의 ‘HoloLens 2’ 등 복잡한 광학계를 이용해 무게가 566g에 달하는 무거운 제품의 경우에도 예외는 아니다. 각도 100°가 되면 주요 VR용 HMD와 비슷한 수준의 넓은 시야각을 갖게 된다.

지금까지의 도파관 디스플레이에서는 입사(入射)한 후의 광 영상이 평행하고 반사각도가 변하지 않아 시야각의 이론 한계가 대각 80°(수평 60°) 정도였다. UFC는 렌즈 어레이로 반사 각도를 변화시킴으로써 눈에 도달시키는 범위를 넓혀 시야각을 확대했다. 향후, 화질 및 해상도를 향상시켜 AR용 디스플레이를 위한 구조의 최적화를 추진할 계획이다.

-- 옆으로 긴 OLED로 시야각 넓혀 --
디스플레이 개선을 통해 AR 글래스의 시야각을 넓힌 사례로 있다. 한국 숙명여자대학과 한국전자통신연구원(ETRI)은 색이 하얗고 가로세로비가 32: 9인 0.8형 유기EL 디스플레이를 발표했다.

이 유기EL 디스플레이는 한국의 LetinAR이 개발한 AR 글래스용 렌즈 ‘PinMR’에 이용되고 있다. PinMR은 렌즈 상부 테두리에 배치된 마이크로 디스플레이의 영상을 렌즈 중앙에 있는 핀밀러로 반사시켜 보이도록 하는 시스템이다.

지금까지 PinMR을 이용한 안경형 AR 글래스는 가로세로비가 16: 9의 디스플레이를 이용, 시야각은 수평 23°로 HoloLens 2 등에 비해 좁았다. 이를 해결하기 위해 디스플레이 자체를 옆으로 길게 만들어 수평 시야각이 HoloLens2 수준인 43°로 확대했다.

-- 학회의 주류는 유기 EL --
-- 10월에 삼성도 양산? --
-- 청색 발광 효율이 낮다 --

-- 리플레시 레이트 (갱신률)가 가변적으로 --
마이크로LED와 유기EL 등에 공통되는 중요 기술인 TFT 백플랜 기술. 여기에도 새로운 기술의 파도가 밀려들고 있다. 그 기술이 바로 ‘LTPO(Low-Temperature Polycrystalline Oxide)’이다.

지금까지 TFT 백플랜 기술에는 디스플레이의 크기로 대략적인 공존이 있었다. 20형 정도까지의 소형 디스플레이에서는 주로 LTPS. 중형 디스플레이에서는 비결정성 실리콘(a-Si), 대형 TV 등에서는 IGZO(In-Ga-Zn-O) 등 산화물 반도체와 같은 형태이다.

여기에는 각 기술의 장단점이 관계되어 있다. 구체적으로 LTPS는 캐리어 이동도가 높고, 높은 휘도 및 높은 갱신률에 적합한 한편, 전류 차단 시의 누설 전류가 크다. 또한 낮은 갱신률의 이용에서는 이 누설 전류로 인해 소비전력이 증가한다는 단점도 있다. 반면, IGZO는 누설 전류가 매우 적지만, 고주파 구동에 약하고 전류가 흐를 때 전하량을 충분히 크게 할 수 없다는 단점이 있었다. a-Si는 성능 면에서 단점이 많지만, 제조 비용이 낮으며 대 면적화도 용이하기 때문에 살아남았다.

LTPO는 P형 LTPS TFT와 n형 IGZO 등의 산화물 반도체 TFT를 백플랜 안의 TFT 별로 요구되는 특성에 따라 마치 CMOS처럼 상보적으로 나눠 사용할 수 있는 기술이다. 이를 통해 스마트워치 등 소형 디스플레이 단말기에서 용도에 따라 화면 재생 빈도를 크게 낮출 수 있어 큰 폭의 저소비전력을 실현할 수 있게 된다. LIPO를 최초로 채택한 것도 애플이 2018년에 발매한 ‘애플워치 시리즈4’였다. 중~대형 디스플레이에서는 LTPS를 일부 이용해 화면 테두리를 슬림화를 도모할 수 있다는 장점이 있다.

-- IGZO의 온 전류를 LTPS급으로 --
-- 플렉시블에서도 마이크로 LED가 맹추격, 유기EL은 살아남을 수 있을까? --
마이크로 LED는 AR/VR용 마이크로 디스플레이를 시작으로 기존 디스플레이 기술을 차례로 석권하고 있다. 하지만 그 가운데 중형~대형으로 플렉시블한 디스플레이의 마이크로 LED 실현은 가장 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있었다. 바꿔 말하면 그것이 유기EL 디스플레이의 ‘마지막 보루’였다.

하지만 이 마지막 보루도 풍전등화라고 할 수 있다. 대만 AU Optronics와 PlayNitride가 플렉시블 기판 위에 마이크로 LED 디스플레이를 설치하는데 성공했기 때문이다. 크기는 9.4형으로 비교적 소형이지만, 해상도는 228ppi로 잉크젯 인쇄 방식의 유기EL 디스플레이의 수준에 도달했다.

유기EL에 아직 강점이 남아있다고 한다면, 보다 큰 면적의 디스플레이 시트를 잉크젯 인쇄를 통해 매우 낮은 비용으로 양산할 수 있다는 점이다. 하지만 PlayNitride는 마이크로 LED의 제조 비용이 5~6년 후에는 현재의 1/20이 될 것이라고 밝히고 있다. 유기EL이 이에 대항하는 것은 쉽지 않을 것으로 보인다.

 -- 끝 --

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