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양호 운
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1 IT 기획시리즈 주간기술동향통권 308 호 IT 부품 / 소재 3 Microdisplay 기술및시장 문현찬 전자부품연구원나노메카수석연구원 moonhc@keti.re.kr. 서론 2. Microdisplay Technology 3. 선진기술동향 4. 기술ㆍ특허정보분석 5. 마이크로디스플레이시장조사. 서론급속히발전하고있는정보화시대에다량의정보를전달하기위하여필수적인비디오영상뿐만아니라그래픽, 문자, 숫자및각종데이터를표시하는전자디스플레이의요구가급증하고있다. 디스플레이는가정용 TV, Notebook-PC, 과학용계측기, 산업용제어장치의각종패널및교통, 항공, 우주, 군사분야에이르기까지광범위한분야에서사용되고있으며, 최근사실감과현장감은물론인간의감정까지도생생하게전달할수있는 3 차원입체영상 TV 까지도등장하는등거듭되는신기술시대를맞이하고있다. 무게가가볍고부피가적으면서도해상도가뛰어날뿐만아니라화면크기가수 m 에이르는대화면까지도제공할수있는고품위의새로운표시장치개발에대한요구가급속히증가하고있다. 980 년도초부터위의요건을만족시킬수있는표시장치로서평판디스플레이가개발되었다. 평판디스플레이 (Flat Panel Display: FPD) 는평판형이면서두께가얇고가벼운디스플레이로서이러한특징때문에 2 세기멀티미디어시대의핵심디바이스로기대를모으고있다. FPD 에는여러가지방식이있지만이미 PC 분야에서폭넓게사용되고있는 LCD(Liquid Crystal Display) 를비롯하여양산이시작된플라즈마디스플레이패널 (Plasma Display Panel: PDP), 계측기및산업용등으로전계방출표시장치 (Field Emission Display: FED) 및발광표시장치 (Electro-Luminescent Display: ELD) 등이출시되어사용되고있다. 비약적인정보통신기술의발달로개인용휴대통신기기가보편화되면서소비자들은점차작고가벼우면서도더욱많은정보를수용하는표시장치를원하게되었다. 현재사용되고있는개인용이동통신단말기의표시장치의대부분은 2~3 인치급 * 본컬럼은전자부품연구원에서작성한내용입니다. 본내용과관련된사항은전자부품연구원나노메카문현찬수석연구원 ( ) 에게문의하시기바랍니다. * 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다

2 IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 의 LCD 소자를이용하는형태이므로, 그화면의크기에비하여수용할수있는정보의양이매우작고한정적이며, 화질이크게떨어지고, 문자정보만구현하는정도로그래픽및완전한전면 (Full Page) 을표시하는데는한계가있다. 작은크기의화면에서많은정보와고화질의화면을표시하기위해서는현재까지의방법으로는다소어려워실질적인화상효과를얻을수있는가상화면 (virtual image) 의구현이필요하게되었다. 마이크로디스플레이에응용되는디스플레이의종류로는 Laser Scanning 을이용한방식, MEMS 기술을이용한마이크로-미러를제작하여프로잭션하는방식, LCD 를이용한방식등의많은연구가진행되어왔다. 현재주류를이루는방식은 LCD 를이용한방식이며기술력도가장앞서고있다. LCD 기술이외에도 EL, FED, LED, MOEMS 등의기술을이용한자체발광형의마이크로디스플레이도일부연구되고있으나, LCD 에비해자체발광이라는장점으로빛의효율및전력소비면에서장점을가지고있지만풀컬러의구현, 해상도및가격등에서 LCD 기술에미치지못하고있다. 그러나, 기존의 LCD 를이용한디스플레이방식으로는정보화사회에서요구되는많은양의컨텐츠와다양한정보를제공할수없다. 따라서, 마이크로디스플레이가이러한문제점을해결할수있는해결책으로대두됨에따라세계각국의마이크로디스플레이관련업체에서는이동통신단말기, PDA 등의개인휴대용정보단말기에마이크로디스플레이를응용하기위해많은투자를하고있는추세이다. 2. Microdisplay Technology 작은사이즈의디스플레이는일반적으로소형디스플레이 (Miniature display) 와마이크로디스플레이 (Microdisplay) 로나눈다. 이둘을구분하는데는여러가지방법이있겠지만일반적으로마이크로디스플레이는디스플레이의사이즈가.5 ( 대각 ) 이하로, 화면을보기위해서는확대나프로젝션을필요로한다. 예를들어반사형 (reflective) 혹은투과형 (transmissive) 0.5 LCD 의디스플레이가있다고하면, 이것의화면을보기위해서는확대나또다른광학적요소가필요하다. 반면소형디스플레이는디스플레이의크기가.5 에서 5 정도의범위를갖는것으로, direct-view 시스템이나 magnified 시스템에이용된다. 예를들어, Pocket TV 에사용된.8 의디스플레이가있을때, 이디스플레이는크기가.5 이상이며, direct-view 이므로소형디스플레이로구분된다. 다음은대표적인마이크로디스플레이소자인 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) technology 에대해간단히소개하겠다. LCOS 기술은 SOI 타입의마이크로디스플레이와마찬가지로구동을위한백플레인 (back plane) 제작을위해실리콘웨이퍼를사용하였다. 이백플레인위에액정이채워지고그위에

3 주간기술동향통권 308 호 액정에전압을가하여구동할수있도록 ITO 글래스가위치하며가장윗부분은 glass substrate 로덮여있다. Reflective LCOS 장치는 single crystal 인 Si-wafer 를기판으로사용하므로 HTPS 방식의디스플레이보다높은운동성의전자를가지는장점이있다. 이로인해 onscreen 과 off-screen 양쪽모두좋은품질을갖는회로를제작할수있게된다. 게다가 LCOS 디스플레이는 on-screen 트랜지스터와어드레스라인을 reflective top electrodes 아래에 숨길수 있다. 이것으로 aperture ratio 와밀도를높게할수있다. 그리고 HTPS 처럼픽셀밀도의증가와패널사이즈의감소로인한불이익은없다. DLP 기술과비교하면 LCOS 는보다단순한제작과정을거치기때문에비용측면에서이익을가져다줄수있지만, 반사형 LCOS 는도입초기고해상도 (SXGA 급이상 ), 우수한화질, 그리고가격이저렴하다는장점을가지고있었으나아직까지화면의균일도와낮은 contrast 생산수율의저하로양산에어려움이있다. LCOS 디스플레이는디스플레이에들어가는 polarized light 의 retardation 의변조에의해동작한다. 이 light 를변조하는데에는많은방법이있다. 간단한 twisted-nematic 구조에서는들어오는 polarized light 를 꼬아서 이를디스플레이의위에서아래로통과시킨다. 이 light 는아래부분의전극에서반사되고다시꼬아서디스플레이를통과한다. 두번째폴러라이저 (polarizer) 는직각으로 twisted light 가폴러라이저를통해지나가게한다. 각픽셀위치에전압을적용하여 꼬인 양을조절할수있다. 최대전압을적용하면 light 의 polarization 은회전하여 analyzing polarizer 에직각으로위치하고어떤 light 도통과할수없게된다. 중간정도의전압을적용하면 light 의한부분만회전하여중간정도의세기의 light 를통과시킬수있게된다. LCOS 는구동방식에따라서아날로그또는디지털로나눌수있다. 3. 선진기술동향가. Kopin 社 KOPIN 은마이크로디스플레이기술을개발한또는개발중인기업중에서가장선두기업이라해도과언이아니다. KOPIN 은 세계에서가장싼, 고성능저가의 AMLCD 를슬로건으로하여 997 년최초로마이크로디스플레이인사이버디스플레이 (CyberDisplayTM) 320 mono 를개발하였다. 현재는그해상도가 QVGA 급에서 SXGA 급까지다양하며컬러제품도 VGA 급까지개발이완료된상태이다. < 표 > 에그세부내역을나타내었다. KOPIN 은컬러 AMLCD 구현을위해서 AMLCD 에서가장일반적으로사용되고있는투

IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 < 표 > CyberDisplay 640 Color 의세부내역 General Power Consumption Display Type Color Sequential AMLCD Display 75 mw Display Mode Transmissive, TN-LCD Backlight 75 mw Number of

4 IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 < 표 > CyberDisplay 640 Color 의세부내역 General Power Consumption Display Type Color Sequential AMLCD Display 75 mw Display Mode Transmissive, TN-LCD Backlight 75 mw Number of Colored Pixels 307,200( ) Display and Backlight Module Contrast ratio 00: Active Display Area 5.7(W) 7.68(L), 9.60(D) mm Brightness 22 foot lamberts Dimensions 4.3(W) 8.5(L) 8.9(D) mm Grayscale Continous(over 256 levels) Weight 3.8 grams Color 6.7 million colors(analog) Backlight R, G, B Solid state LED Driving Scheme Low video voltage Optical Scanning Progressive Number of elements 3 Interface Digital, analog Video Dimensions 30 mm (D) 27.7 mm (Depth) Display Logic 2.7V to 5.0V Field of View 32 degree Operating Temperature 0 to +60 Eye Relief 27 mm Storage Temperature -20 to +80 Video Rate Up to 80 frames per Second 과형기술을사용하였다. 하지만 KOPIN 은몇가지독창적인기술을사용하여일반적인 AMLCD 와는다른디스플레이를양산하고있다. KOPIN 의주요특허는크게 3 가지로구분된다. 하나는공정에관한기술로 ( 그림 ) 과같이구조가 SOI 방식을이용하여투과형 AMLCD ( 그림 2) KOPIN 社의 LV 회로도를제작하고있다. 현재실리콘웨이퍼를이용한디스플레이는 KOPIN 사를제외하면모두반사형 LCOS 방식이다. 다른하나는 ( 그림 2) 와같은구동회로에관한기술로 LV 방식으로특허받은이기술은 KOPIN 의 PANEL 이다른회사에비하 ( 그림 ) KOPIN 社의 PANEL 단면도

주간기술동향통권 308 호 2007. 8. 8. ( 그림 2) KOPIN 社의 LV 회로도 여현격하게적은전력으로구동되는것이가능하게만든다. 마지막하나는액정배향에관한기술로 KOPIN 사는마이크로디스플레이임에도불구하고멀티도메인을형성하여 AMLCD 의문제점으로거론된좁은시야각문제를해결하였다. ( 그림 3) 에 MVA 가적용된시야각을보였다.

5 주간기술동향통권 308 호 ( 그림 2) KOPIN 社의 LV 회로도 여현격하게적은전력으로구동되는것이가능하게만든다. 마지막하나는액정배향에관한기술로 KOPIN 사는마이크로디스플레이임에도불구하고멀티도메인을형성하여 AMLCD 의문제점으로거론된좁은시야각문제를해결하였다. ( 그림 3) 에 MVA 가적용된시야각을보였다. 이러한뛰어난기술에도불구하고 KOPIN 디스플레이는몇가지단점으로인해시장전망이그리좋지는않다. SOI 공정은고온폴리에비하여성능은뛰어나나지나치게고가이고같은실리콘웨이퍼를이용하는 LCOS 에비해서도가격경쟁력이뒤떨어진다. 또한 COLOR FILTER 를사용하는방식은차세대광원의재료로적용하기힘들고광학계를복잡하게하며품질에서도한계가있어군용등특수분야를제외하면폭발적인시장전망을기대하기는힘들어보인다. 현재사이버디스플레이는군용등특수분야의제품과 JVC 나 Mustek 과같은가전제품회사들에서캠코더의뷰파인더, 디지털스틸카메라의뷰파인더, 무선통신장치, 개인용컴퓨터나오락시스템, 휴대용 GPS 장치, 그리고그밖에장치에응용되고있다. ( 그림 3) KOPIN 社의 MVA 기술적용시시야각

IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 나. emagin 社현재유기 EL 을마이크로디스플레이패널에이용하고있는회사로는미국의 emagin 社가독보적이며, 이회사역시 Eastman Kodak 로부터유기 EL 에대한사용권한을받아서기술을발전시키고있다. emagin 社에서실리콘기판에 OLED 를탑재한마이크로디스플레이, OL2C0M 을처음으로상품화하였다.

6 IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 나. emagin 社현재유기 EL 을마이크로디스플레이패널에이용하고있는회사로는미국의 emagin 社가독보적이며, 이회사역시 Eastman Kodak 로부터유기 EL 에대한사용권한을받아서기술을발전시키고있다. emagin 社에서실리콘기판에 OLED 를탑재한마이크로디스플레이, OL2C0M 을처음으로상품화하였다. ( 그림 4) 와 < 표 2> 에 OLED 의기본구조도및세부내 ( 그림 4) emagin 社의 OLED 회로도 < 표 2> OL2C0M 의세부내역 Physical Characteristics Electrical Interface Famat pixels Data Interface 6-bit Digital(2 pixel/clock) Pixel Aspect Ratio Square Frame Rate 60~06 Hz (SXGA Mode) Pixel Pitch 2 μm Control Interface Digital 3.3 V CMOS Levels Viewing Area mm (D: 9.66 mm ) Power Interface Weight ~8g Logic Supply 3.3 V DC Display Characteristics OLED Supply Variable, -8V to +0V AC Peak Luminance 600 cd / m2 Power Consumption Budgets Gray Levels 256 OLED Pixel Array 450 mw at,000 cd / m2 Contrast Ratio 00:(Intrinsic) 45 mw at 50 cd / m2 Chromaticity Green(535 nm peak) On-Chip Logic 200 mw at 75 Hz Viewing Angle 60 both axes Environmental Characteristics Operating Temperature(ambient) -30 to +55 Storage Temperature -25 to +80 Operating Humidity 90% RH non-condensing

7 주간기술동향통권 308 호 역을나타내었다. 이제품은 인치의 CMOS 실리콘기판위에 의어레이를갖도록설계하였다. 또녹색의단일발광을하는이제품은저전력, 고해상도를요구하는여러분야에응용될수있도록설계되었다. 또한 emagin 에서는 IBM 과함께 OLED-on-silicon 기술을공동개발하고있으며, OLED-on-silicon 을이용한마이크로디스플레이가입는컴퓨터의디스플레이로사용하고있다. 4. 기술ㆍ특허정보분석특허동향분석에사용된특허는미국특허만검색하였으며모두 92 건이다. 이중 KOPIN 사의특허가가장많으며, 출원인별특허의수를살펴보면 ( 그림 5) 와같다. KOPIN 社는마이크로디스플레이의선두주자라할수있으며, 그뒤를 Displaytech 社가잇고있다. 따라서우리가눈여겨볼회사는 KOPIN, Displaytech, Virtual vision, Colorado Microdisplay 社등으로축약된다. ( 그림 6) 에는연도별특허는수를나타내었다. 이그래프에서각년도별특허의수를분석함으로써마이크로디스플레이기술의발전정도를알아볼수있다. 987 년도를시작으로마이크로디스플레이기술이발전하기시작하였다. 기술의발전초기임에도특허의수가많은이유는 KOPIN 社가회사를설립하면서한꺼번에많은수의특허를발표했기때문이다. Virtual Vision The Microoptical Corporation Siliscape Silicon Light Machines Rainbow Displays Pixonics LLC Microvision Optical Microvision Microdisplay Systems MicroDisplay Corporation Micro Display Technology Micro Display Systems Massachusetts Institute of Technology Kopin Corporation Inviso Gregory J. Kintz Displaytech Incorporated Displaytech Colorado MicroDisplay Alfred P Hildebrand ( 그림 5) 출원인별출원특허수

8 IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 ( 그림 6) 연도별출원특허수 993 년부터 995 년까지특허의수로보아이시기에마이크로디스플레이가활발하게연 구되었음을알수있다. 여기서 2000 년도의특허수가적은이유는자료수집이 2000 년초반 에이루어졌기때문이다. 5. 마이크로디스플레이시장조사가. 국내외업체동향마이크로디스플레이에대한기술및인지도가거의없는국내동향과는달리국외의경우마이크로디스플레이구현을위한새로운개념의디스플레이방식에대한연구가미국과일본을중심으로활발히진행중이다일본의세계적인게임메이커인 Nintento 사와손잡고현재 Virtual boy 라는 3D 게임기를시장에내놓고있고새로운 potable 게임기와 3D 게임기에적용하기위해개발에박차를가하고있다. Microvision 사와 Washington 대학은저출력반도체레이어를이용하여망막에직접화상을비추는방식인 Virtual Retinal Display(VRD) 디스플레이방식을개발하였고, Silicon Light Machine 사는회절격자들을이용하여입사광을특정방향으로회절시켜확대된 image 를구현하는방식인 Grating Light Valve(GLV) 디스플레이방식을연구, 개발하여소니에특허권을넘긴바있다. 또한 Kopin, Microdisplay, Displaytech 등미국의여러벤처기업과 Hitachi, Sony, Sanyo, Seiko-Epson 등의일본의대기업을중심으로 AMLCD, FLCD 를이용한마이크로디스플레이방식이연구, 개발중이고일부는상품화되고있다. 이와같이현재마이크로디스플레이는미국, 일본모두다양한디스플레이방식의연구가진행되고있으며현재까지는각각의디스플레이방식이경합중이다. ( 그림 7) 은앞서언급한여러가지마이크로디스플레이방식에대한개략도를나타낸다. < 표 3> 은마이크로디스플레이에적용되는각종디스플레이방식에따른대표적인마이크로디스플레이관련업체를나타낸다

Application Colorado Microdisplay Displaytech NLC reflective FLC reflective Seiko-Epson Sony TN transmissive TN transmissive Kopin TN transmissive Hitachi TN transmissive Microdisplay Micropix

9 주간기술동향통권 308 호 SLA(RTI) FLC(Displaytech) TN_LCD(Kopin) GLV(Silicon Light Machine) VRD(Microvision) ( 그림 7) 마이크로디스플레이의원리도 < 표 3> 대표적인마이크로디스플레이관련업체 Company Display Type Application Company Display Type Application Colorado Microdisplay Displaytech NLC reflective FLC reflective Seiko-Epson Sony TN transmissive TN transmissive Kopin TN transmissive Hitachi TN transmissive Microdisplay Micropix Three-Five system S-Vision Misubishi TN reflective FLC, TN TN reflective TN reflective TN reflective Microvision Microdisplay technology Reflection Technology Silicon Light Michinne Microelectromechanical system Field emission GaAs LED array Diffraction Micromechanical Virtualdisplay Motorola GaAs LED matrix 나. 국내외시장전망 마이크로디스플레이의시장접근으로서기존의휴대단말기에서는누릴수없는다양하고,

IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 ( 그림 8) 마이크로디스플레이의응용분야 방대한양의정보를주고받을수있어야하기때문에현재의 2, 3 인치의 LCD 로는만족할만한서비스를받기가곤란해진다. 따라서, PDA 와같이 5 인치이상의대화면을필요로하게되는데, 패널자체를단순히크게만든다는것은전력소모를감당할수가없을뿐만아니라휴대가용이한크기와무게라고하기에는무리가따른다.

10 IT 기획시리즈 - IT 부품 / 소재 3 ( 그림 8) 마이크로디스플레이의응용분야 방대한양의정보를주고받을수있어야하기때문에현재의 2, 3 인치의 LCD 로는만족할만한서비스를받기가곤란해진다. 따라서, PDA 와같이 5 인치이상의대화면을필요로하게되는데, 패널자체를단순히크게만든다는것은전력소모를감당할수가없을뿐만아니라휴대가용이한크기와무게라고하기에는무리가따른다. 마이크로디스플레이야말로이러한문제를근본적으로해결할수있는방법이라생각된다. 또한 ( 그림 8) 과같이다양한분야로적용이예상된다 < 참고문헌 > [] James E. Melzer, Kirk Moffitt, Head-Mounted Displays, McGraw-Hill, New York, chap.3, 997. [2] H. C. Moon and J. K. Chung, Development of the Scanned Linear Array, chap.,2 Annual Report, KETI, Jan

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