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우희 전
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OLED 마이크로디스플레이기술동향 * 이현구한국전자통신연구원선임연구원 가상 / 증강현실구현기기의핵심부품중의하나인마이크로디스플레이에대한정확한의미및중요성에대한인식확산이필요하다. 자발광을특징으로하는 OLED 마이크로디스플레이는가상 / 증강현실기기에서가장유력한차세대디스플레이솔루션으로주목받을정도로그중요성이점점증가하고있다.

특히, 정보통신기술 (Information and Communications Technologies: ICT) 분야에서는 4차산업혁명을선도할수있는기술에대한연구가활발히진행되고있다. 가상 / 증강현실 (Virtual Reality/Augmented Reality: VR/ AR) 기술역시최근에관심도가급격히증가하고있다.

1 OLED 마이크로디스플레이기술동향 * 이현구한국전자통신연구원선임연구원 가상 / 증강현실구현기기의핵심부품중의하나인마이크로디스플레이에대한정확한의미및중요성에대한인식확산이필요하다. 자발광을특징으로하는 OLED 마이크로디스플레이는가상 / 증강현실기기에서가장유력한차세대디스플레이솔루션으로주목받을정도로그중요성이점점증가하고있다. 본고에서는 OLED 마이크로디스플레이기술에대해설명하고, 다양한문헌들을참고하여현재전세계주요마이크로디스플레이기업및연구소의 OLED 마이크로디스플레이기술수준에대해살펴보고자한다. I. 서론 최근여러분야에서 4차산업혁명이가장큰화두로떠오르고있다. 특히, 정보통신기술 (Information and Communications Technologies: ICT) 분야에서는 4차산업혁명을선도할수있는기술에대한연구가활발히진행되고있다. 가상 / 증강현실 (Virtual Reality/Augmented Reality: VR/ AR) 기술역시최근에관심도가급격히증가하고있다. 가상 / 증강현실분야에서리더쉽을잡기위한구글, 마이크로소프트, 애플, 페이스북, 인텔등거대기업들의경쟁이치열하며, 국내에서도삼성전자, LG전자, SK, KT와같은대기업뿐만아니라여러중소기업및벤처기업에서다양한관련기술을선보이고있다. 가상 / 증강현실관련시장조사업체인 Digi-Capital의전망에따르면, 2022 년글로벌가상 / 증강현실분야의예상시장규모는약 1,050억달러인데, 특히증강현실은가상현실보다 6배이상의성장이전망되고있다 [1]. 가상 / 증강현실기술은크게하드웨어분야와소프트웨어분야로나눠질수있다. 우수한품질의가상 / 증강현실구현을위해서는고성능의하드웨어와다양한서비스를제공할수있는소프트웨어 * 본내용은이현구선임연구원 ( , lhk108@etri.re.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 2

2 기획시리즈 차세대디바이스 가필요하다. 특히, 사용자의몰입감을증가시키기위해서는다감각자극경험을제공하고상호작용할수있는기기가필요하다. 여러감각중에시각은가장많은정보를사용자에게제공하므로, 최근에나온대부분의가상 / 증강현실기기는시각정보제공에초점을두고있고, 이를위해기기의형태는두부장착형 (Head-Mounted Display: HMD) 이거나안경형이다. 이러한기기의사용자는디스플레이패널에서나온영상을직접보지않고, 광학계를통해확대하여보게된다. 따라서영상정보를제공하는디스플레이패널의성능이기존의텔레비전이나모바일기기보다훨씬더우수해야한다. 2012년에발표된오큘러스리프트를시작으로현재까지다양한가상 / 증강현실기기가판매되고있으나, 아직까지스마트폰만큼대중화가되지못한이유중하나역시디스플레이의성능이높지않아사용자의피로도를증가시키거나멀미등을유발하기때문이다. 본고에서는가상 / 증강현실을구현할수있는디스플레이디바이스중하나인마이크로디스플레이에대해간단히설명한후, 마이크로디스플레이분야에서현재많은관심을받고있는 Organic Light-Emitting Diodes(OLED) 마이크로디스플레이의국내외기술동향에대해살펴보고자한다. 먼저 II장에서는마이크로디스플레이기술에대해설명하고, III장에서는국내외 OLED 마이크로디스플레이기술동향에대해살펴본다. 마지막으로 IV장에서는본고의결론을제시한다. II. 마이크로디스플레이 1. 마이크로디스플레이기술 마이크로디스플레이는일반적으로화면의대각선길이가 1인치이하인디스플레이를의미한다. 따라서마이크로디스플레이는추가적인광학계가필요하다. [ 그림 1] 에가장널리사용되고있는마이크로디스플레이중하나인 Liquid Crystal on Silicon(LCoS) 를이용한간단한광학계시스템을나타내었다. 그림에서보듯이우리가마이크로디스플레이를통해가상의영상과실제세계를동시에보기위해서는여러광학부품이필요하게된다. 마이크로디스플레이의경우고해상도를매우작은영역에구현해야하기때문에, 기존의유리기반박막트랜지스터 (Thin-Film Transistor: TFT) 백플레인이아닌 Si wafer 기판의 Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) 백플레인을사용하게된다. LCoS도 Si wafer를사용하므로하부기판이투명하지않아백라이트 (Back Light Unit: BLU) 가일반적인 LCD와같이기판뒤에있지않고, 디스플레이모듈바깥에존재하게된다. BLU에서나온적, 녹, 청의빛이 LCoS에서반사되어거울과반투과반사판등을 정보통신기획평가원 3

3 < 자료 > ETRI 자체작성 [ 그림 1] LCoS 를이용한 See-through 광학계 통해사용자는영상을볼수있게된다. 마이크로디스플레이는동작방식에따라반사형 (Reflective), 투사형 (Transmissive), 그리고자체발광형 (Emissive) 으로분류할수있다. 반사형은반사면의특성을변화시켜가면서외부로부터입사되는광을변조시키는방식을이용하는것으로, 광원이마이크로디스플레이패널앞쪽에존재하여이미지를반사시켜서보는형태로 LCoS와 Digital Micromirror Device(DMD) 가대표적이다. 투과형마이크로디스플레이는입사되는광이패널을통과하면서변조되는방식을이용하는것으로, 광원이디스플레이뒤쪽에있게되는형태로기존의 LCD와거의동일한구조를가지고있다. 자체발광형마이크로디스플레이는스스로빛을생성하여별도의광원이불필요한형태로 OLED 마이크로디스플레이가가장대표적이고최근에는마이크로LED를적용한패널도주요전시회에서볼수가있다. Si 기판에제작된 OLED 마이크로디스플레이는 OLED on Si(OLEDoS) 이라고도한다. [ 표 1] 에마이크로디스플레이종류에따른주요특징을나타내었다 [2]. [ 표 1] 과같이 OLED 마이크로디스플레이는다른디스플레이모드에비해많은장점을가지고있다. 예를들어, LCoS에비해우수한화질과빠른응답속도를가지고있고, 백라이트를사용하지않기때문에부피및무게가작고이로인해광학계역시더간단해질수있다. 뿐만아니라, 액정보다사용가능온도범위가넓어대부분의군용마이크로디스플레이에는 LCoS가아닌 OLED 마이크로디스플레이가적용된다. 그래서기존에 LCoS 등을생산하던주요마이크로디스플레이업체들도 OLED 마이크로디스플레이에대한연구를진행하고시제품을선보이고있다. 4

기획시리즈 차세대디바이스 [ 표 1] 마이크로디스플레이종류에따른주요특징종류성숙도화질전력효율최대밝기부피및무게응답속도 HTPS * LCD High Low-Med Med High Med Low LCoS/DMD High Low-Med Low Very High Low Med OLEDoS Med-High High High Med-High High High *

4 기획시리즈 차세대디바이스 [ 표 1] 마이크로디스플레이종류에따른주요특징종류성숙도화질전력효율최대밝기부피및무게응답속도 HTPS * LCD High Low-Med Med High Med Low LCoS/DMD High Low-Med Low Very High Low Med OLEDoS Med-High High High Med-High High High * High-Temperature-Poly-Silicon < 자료 > G. Haas, Microdisplays for Augmented and Virtual Reality, SID 2018 DIGEST, 2018, pp OLED 마이크로디스플레이기술 OLED 마이크로디스플레이는기존의 OLED 디스플레이와완전히다른기술이아니다. 하지만, 일부구조및공정측면에서다른점이있다. 먼저, 화소크기가다르다. 텔레비전및핸드폰에사용되는 OLED 패널의화소크기는약 40~300μm인반면, OLED 마이크로디스플레이의화소크기는약 4~20μm로 10배가량작다. 따라서백플레인역시기존 OLED 디스플레이는 glass기판기반의 Low-Temperature-Poly-Silicon(LTPS) 또는 Oxide TFT를사용하는반면, OLED 마이크로디스플레이는 Si-wafer 기반의 CMOS 공정을사용한다. 이로인해 OLED 마이크로디스플레이는상부발광형구조로만제작이가능하다. 그리고하부전극은일반적인 Indium-Tin-Oxide (ITO) 가아닌 CMOS 공정에적용가능한소재만사용이가능하다. 풀칼라표현을위해서는적, 녹, 청의세가지보조화소가필요하다. 현재스마트폰등에널리사용되고있는 OLED 패널은대부분상부발광구조이고, 적, 녹, 청발광층을 Fine Metal Mask (FMM) 를이용하여 OLED 소자에직접적용하므로칼라필터가필요없다. 반면에, OLED 마이크로디스플레이의경우화소의크기가너무작아기존의 FMM 기술로는적, 녹, 청발광층을정교하게형성하기가어렵다. 그래서대부분의풀칼라 OLED 마이크로디스플레이는칼라필터를사용하게된다. 현재판매되고있는 OLED TV도백색 OLED 와칼라필터를적용하여풀칼라를표현하는 데, 이때 OLED 는배면발광구조로기판을 통해빛이나오고, 칼라필터역시 OLED 하 < 자료 > ETRI 자체작성 [ 그림 2] 풀칼라 OLED 마이크로디스플레이의일반적구조 정보통신기획평가원 5

5 부에존재하므로칼라필터공정이 OLED에영향을미치지않는다. 반면에, OLED 마이크로디스플레이는상부발광구조이므로칼라필터도 OLED의상부에형성되어야만한다. 그런데 OLED는수분및산소에취약하고, 칼라필터패턴공정에사용되는용액, 자외선및고온등에도손상을받을수있다. 이에따라 OLED 상부에는 OLED를보호할수있는봉지및보호층이필요하고, 칼라필터공정도 100도이하의저온에서진행되어야한다. [ 그림 2] 에풀칼라 OLED 마이크로디스플레이의일반적구조를나타내었다. III. 국내외의 OLED 마이크로디스플레이기술동향 국외의여러기업및연구소에서빠르게는약 20년이상전부터 OLED 마이크로디스플레이에대한연구를진행해왔고, 일부업체는실제제품을양산및판매하고있다. 본단원에서는세계최대디스플레이학회인 Society for Information Display(SID) 의발표결과를바탕으로주요기관의 OLED 마이크로디스플레이기술동향을살펴보고자한다. 1. MICROOLED MICROOLED 는 2007 년에관련연구를시작한회사로 OLED 마이크로디스플레이를제공하고 있으며, 현재회사는프랑스에위치하고있다. MICROOLED 에서발표한시제품의주요스펙을 [ 표 2] 에정리하였다 [2]. [ 표 2] MICROOLED 사 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 0.38 WVGA-Red Green (+20 extra lines & columns) 10μm 10μm All Colors composed of R and G primary 3,000cd/m 2 10,000:1 25mW 0.19 ultra-low power μm 12μm Monochrome, color under development 20,000cd/m 2 10,000:1 2-3mW 0.61 SXGA (+20 extra lines & columns), (monochrome) 9.4μm 9.4μm (full color), 4.7μm 4.7μm (monochrome) Full color or monochrome 3,000cd/m 2 10,000:1 200mW 6

6 기획시리즈 차세대디바이스 0.98 WUXGA (+20 extra lines & columns), (monochrome) 11μm 11μm (full color), 5.5μm 5.5μm (monochrome) Full color or monochrome 3,500cd/m 2, 20,000cd/m 2 10,000:1 200mW [ 표 2] 와같이 MICROOLED는소비전력이매우작은것부터초고해상도의고휘도제품까지다양한종류의 OLED 마이크로디스플레이를선보였다. 픽셀피치를통해유추할수있는바와같이고해상도구현을위해적, 녹, 청화소구조는전통적인스트라이프타입이아닌펜타일구조를사용한것으로보인다. 2. Fraunhofer Fraunhofer는독일의국가연구소로 OLED 마이크로디스플레이관련연구를꾸준히진행해왔다. 회사가아닌연구소이므로, 제품생산보다는 CMOS설계, OLED 제조공정, 시스템설계, 파일럿공정, 테스트키트개발등과같은 OLED 마이크로디스플레이관련다양한기술서비스를제공하고있다. Fraunhofer 연구소에서발표한시제품의주요스펙을 [ 표 3] 에정리하였다 [3],[4]. [ 표 3] 과같이 Fraunhofer는연구초반에는단색의저소비전력 OLED 마이크로디스플레이를 [ 표 3] Fraunhofer 연구소 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 0.6 Bi-directional μm 16μm 24 bit, Full color (RGBW) 250cd/m ultra-low power μm 12μm 4 bit, Monochrome green 1,000cd/m 2 10,000:1 1-3mW 0.16 ultra-low power μm 12μm 4 bit, Monochrome green 1,000cd/m 2 10,000:1 1-3mW 0.15 ultra-low power μm 5μm 1 bit, Monochrome green 1,000cd/m 2 10,000:1 1-3mW 1 WUXGA (+20 extra lines & columns) 11μm 11μm 24 bit (32 bit incl. white) Full color(rgbw) 300cd/m 2 100,000:1 200mW 정보통신기획평가원 7

7 주로선보였다. 그러나최근에는연구소임에도불구하고풀 HD 급의초고해상도 full color 패널을 선보인것에서알수있듯이 OLED 마이크로디스플레이와관련한다양한기술을축적한것으로 보인다. 3. Sony Sony는세계적인일본의전자회사로 OLED TV를세계최초로출시하는등 OLED에대한연구를꾸준히진행해왔다. OLED 마이크로디스플레이분야에있어서도최근에매우뛰어난성능을자랑하는제품을전시회등에출품하고있다. 소니연구소에서발표한시제품의주요스펙을 [ 표 4] 에정리하였다 [5],[6]. 마이크로디스플레이의크기가커지면시야각 (Field of View: FOV) 이넓어지는장점이있다. 그런데마이크로디스플레이관련기업이나연구소등에서는 1인치이상의대각크기를갖는시제품이나, 관련기술의개발결과를발표하지못하고있다. 이러한문제는 CMOS 백플레인공정에서는초고해상도패턴을위해사용하는스테퍼 (stepper) 라는장비에서유래되는것으로, 이장비로한번에찍을수있는 shot의크기가보통 1인치내외여서이보다큰사이즈의마이크로디스플레이는수율저하등으로구현에많은어려움이따르기때문이다. Sony의경우이러한문제를해결하고, [ 표 4] 와같이 1.25 라는매우큰사이즈의 OLED 마이크로디스플레이를선보였다. 뿐만아니라, 4,000ppi급의초고해상도패널도선보이는등 OLED 마이크로디스플레이관련기술을선도해나가고있는것으로판단된다. [ 표 4] Sony 사 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 0.5 QVGA μm 7.8μm Full color 1,000cd/m 2 100,000:1 310mW (at 60fps 200cd/m 2 ) 1.25 WQXGA μm 10.5μm Full color 200cd/m 2 100,000:1-0.5 UXGA μm Full color 2,000cd/m 2 100,000:1 310mW (at 60fps 200cd/m 2 ) 4. emagin emagin 은 1996 년에설립된회사로, OLED 마이크로디스플레이분야를꾸준히연구해온미 8

8 기획시리즈 차세대디바이스 [ 표 5] emagin사 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 종류 해상도 픽셀피치 색상 휘도 명암비 소비전력 0.47 VGA μm Full color cd/m 2 10,000:1 125mW 0.61 SVGA μm Full color 200cd/m 2 300:1 200mW 0.77 SXGA μm Full color 150cd/m 2 10,000:1 180mW 0.86 WUXGA μm Full color 150cd/m 2 10,000:1 350mW K 2K μm Full color 500cd/m 2 10,000:1 - 국의회사이다. 역사가오래된만큼다양한제품군을가지고있고, 주로군용으로관련제품을판매하고있다. emagin의 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙을 [ 표 5] 에정리하였다 [7],[8]. emagin은최근에기존의 OLED 마이크로디스플레이와다르게적, 녹, 청 OLED 발광층을직접패터닝하여칼라필터없는 Full color를구현하였다. 칼라필터가없기때문에더높은휘도를낼수있고, 효율도증가시킬수있다. 따라서 OLED 마이크로디스플레이의가장큰문제중하나인휘도문제를개선할수있는중요한결과로판단된다. 이와관련하여 emagin은초미세패턴을할수있는마스크및증착관련특허도다수출원하였다. 5. Kopin Kopin은웨어러블헤드셋관련다양한제품및기술을개발하는미국업체로, 마이크로디스플레이의경우백플레인설계에강점을가지고있다. 기존에 LCoS 관련사업을하였고, 최근에는 OLED 마이크로디스플레이관련연구도진행하고있다. Kopin의 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙을 [ 표 6] 에정리하였다 [9]. Kopin은최근 OLiGHTEK, BOE, Goertek와협력협정을맺었다. OLiGHTEK는 OLED 패널메이커이며, BOE는중국에서가장큰 TV, 핸드폰용 OLED 및 LCD 패널메이커이고, Goertek는 VR 헤드셋공급업체이다. 이들업체들은 OLED 마이크로디스플레이용 FAB을위해중국쿤밍 (Kunming) 에 2억달러를투자할계획이다. Kopin은 2019년에 2.6K 2.6K(2,800ppi), 2020년에는 3K 3K 패널을개발할예정이다. [ 표 6] Kopin 사 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 K 2K μm 8.64μm Full color 150cd/m 2 3,000:1 500mW 정보통신기획평가원 9

6. 국내 국내에는마이크로디스플레이관련업체가많지않다. 라온텍이국내에서거의유일하게 LCoS 관련사업을진행하고있고, OLED 마이크로디스플레이관련사업을진행하는기업은국내에없는실정이다. 삼성에서는 2011년도에 IDW학회에서 full color OLED 마이크로디스플레이를발표하기도하였으나양산으로연결되지는않았다.

9 6. 국내 국내에는마이크로디스플레이관련업체가많지않다. 라온텍이국내에서거의유일하게 LCoS 관련사업을진행하고있고, OLED 마이크로디스플레이관련사업을진행하는기업은국내에없는실정이다. 삼성에서는 2011년도에 IDW학회에서 full color OLED 마이크로디스플레이를발표하기도하였으나양산으로연결되지는않았다. 한양대학교에서도마이크로디스플레이관련연구를 1990년대후반부터지속적으로해오고있다. ETRI는정부출연연구소로서 OLED 관련연구를 1994년부터꾸준히진행해오고있다. 2016년하반기부터군용 OLED 마이크로디스플레이개발관련과제를수행하면서 2018년에국내최초로 SXGA급단색 OLED 마이크로디스플레이를 SID2018 및 IMID2018 전시회에전시하였다. 국내 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙을 [ 표 7] 에정리하였다 [10],[11]. [ 표 7] 국내 OLED 마이크로디스플레이의주요스펙 0.6 XGA (Samsung) μm Full color 235cd/m 2-500mW 0.7 SXGA (ETRI) μm 0.8μm Monochrome green 460cd/m :1 232mW (at 400cd/m 2, 60Hz) [ 그림 3] 은 ETRI 에서개발한실제 OLED 마이크로디스플레이의구동이미지이다. 현재 ETRI 는 백색및 full color OLED 마이크로디스플레이를개발중에있다. [ 그림 3] ETRI 에서개발한 OLED 마이크로디스플레이구동이미지 10

10 기획시리즈 차세대디바이스 IV. 결론 가상 / 증강현실기술은향후 ICT 시장을혁신할수있는 4차산업혁명시대의핵심기술분야로기존 ICT 시장을크게변화시키고신규시장을창출할수있는파괴적인기술이다 [1]. 가트너가발표한 Top 10 Strategic Technology For 2018 에서도차세대디지털비즈니스생태계구축을위한핵심미래기술로서가상 / 증강현실기술을선정하였다. 가상 / 증강현실기술은미래를위해매우중요한기술이고, 전세계의주요 IT 기업들이관련연구에집중하고있다. 가상 / 증강현실을구현하기위한디스플레이부품중하나로마이크로디스플레이역시지속적인기술발전이필요하다. 특히, 보다우수한성능을위해전세계의마이크로디스플레이업체들은 OLED 마이크로디스플레이에대한기술개발을진행하고있다. 안타깝게도국내에서는아직까지 OLED 마이크로디스플레이를사업화한사례가없다. 우리나라는세계최고의 OLED 및반도체기술을가지고있다. 따라서 4차산업혁명시대의핵심영역및핵심동력인가상 / 증강현실의핵심부품인 OLED 마이크로디스플레이에대한관심과투자가조금만더이루어진다면, 이분야에서도우리나라가독보적인위치에오를수있을것이며, 이를통해신규시장및일자리창출에기여할수있을것으로기대된다. [ 참고문헌 ] [1] 임상우, 서경원, AR/VR 기술, KISTEP 기술동향브리프, [2] G. Haas, Microdisplays for Augmented and Virtual Reality, SID 2018 DIGEST, 2018, pp [3] Fraunhofer FEP 홈페이지, Sensorik.html#tabpanel-1. [4] P. Wartenberg, M. Buljan, B. Richter, G. Haas, S. Brenner, M. Thieme, U. Vogel, P. Benitez, High Frame-Rate 1 WUXGA OLED Microdisplay and Advanced Free-Form Optics for Ultra-Compact VR Headsets, SID 2018 DIGEST, 2018, pp [5] K. Kimura, Y. Onoyama, T. Tanaka, N. Toyomura, H. Kitagawa, New Pixel Driving Circuit Using Self-discharging Compensation Method for High-Resolution OLED Microdisplays on a Silicon Backplane, SID 2017 DIGEST, 2017, pp [6] T. Fujii, C. Kon, Y. Motoyama, K. Shimizu, T. Shimayama, T. Yamazaki, T. Kato, S. Sakai, K. Hashikaki, K. Tanaka, Y. Nakano, 4032ppi High-Resolutino OLED Microdisplay, SID 2018 DIGEST, 2018, pp [7] emagin 홈페이지, [8] A. Ghosh, E. P. Donoghue, I. Khayrullin, T. Ali, I. Wacyk, K. Tice, F. Vazan, O. Prache, Q. Wang, L. Sziklas, D. Fellowes, R. Draper, Ultra-High-Brightness 2K 2K Full-Color OLED Microdisplay Using Direct Patterning of OLED Emitters, SID 2017 DIGEST, 2017, pp 정보통신기획평가원 11

11 [9] C. Chinnock, Understanding Trade-offs in Microdisplay and Direct-View VR Headset Designs, Insight Media, [10] C. Y. Park, C.-H. Hyun, S. K. Kang, B.-C. Kwak, O.-K. Kwon, XGA OLED Microdisplay for Personal Display Application, IDW 11 Proceeding, 2011, pp [11] H. Lee, H. Cho, C.-W. Byun, C.-M. Kang, J.-H. Han, J.-I. Lee, H. Kim, J. H. Lee, M. Kim, N. S. Cho, Device Characteristics of Top-Emitting Organic Light-Emitting Diodes Depending on Anode Materials for CMOS-Based OLED Microdisplays, IEEE Photonics Journal, Vol.10, No.6, ,

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Microsoft PowerPoint - OLED_vs_LCD.ppt [호환 모드] 디스플레이기술비교 : OLED 와 LCD 구조및동작원리, 특징비교 박기찬 명암비 (Contrast Ratio) 응답속도 (Response Time) 시야각 (Viewing Angle) Black Image OLED 는매우낮고균일한 black level 구현이가능하고, 시야각에따른빛샘도없음. AMOLED Black 휘도 구분 CR (Static) F.W.