제 7 장. 마이크로디스플레이 (Microdisplay) 1
1.1 정보디스플레이환경변화 이미지를광학계를이용하여어느정도거리에떨어진스크린에확대하는 front 프로젝션의프로젝터또한광학계가 TV 하우징의앞또는뒤에위치하고이미지는자체하우징내에있는스크린에표시되는 rear projection TV 등으로구분되어개발되었다. 이와같이작은크기의디스플레이를이미지크기를확대시킬수있는광학계와결합하여큰이미지를볼수있는 microdisplay의기술은초기의대형프로젝션 TV 또는프로젝터와같은제품에적용되었으며, 최근에는 HMD(Head Mounted Display) 와같은제품및대화면에대한요구가커지고있는휴대폰에큰화면에대한욕구를해소시켜줄수있는 micro projector 제품등초소형마이크로디스플레이에많은관심이집중되고있다. 2
1.2 마이크로디스플레이정의및특징 마이크로디스플레이는일반적으로대각 2 인치이하의화면크기를가진소형디스플레이를의미하며, 또한화면크기가아주작아서광학계를통한화면확대가필요한디스플레이로정의된다 0.5 인치화면크기에 800x600 의해상도를가진반사형 LCD 디스플레이 3
마이크로디스플레이방식 마이크로디스플레이를보는방법에따라구분하면일반적으로두가지방식으로나눌수있다. 첫째방식은투사형마이크로디스플레이 (Projection Microdisplay) 이며, 둘째방식은가상형마이크로디스플레이 (Virtual Microdisplay) 이다. 투사형마이크로디스플레이패널은 0.7인치에서 2인치사이의크기를가지며, rear projection TV나프로젝터와같은투사형방식은광학계의정도에따라 100배에서 200배의배율을보여준다. (a) 투사형 4
마이크로디스플레이방식 가상형방식의경우, 개인을대상으로사용자가광학계를통하여확대된이미지또는영상을직접눈으로보는방식으로디스플레이패널의크기가광학계배율정도에따라 50인치까지구현이가능하다. 가상형방식에사용되는패널의크기는보통 0.4인치에서 1인치사이의크기를갖는다. (b) 감사형 5
투사형과가상형마이크로디스플레이방식비교 방식 투사형마이크로디스플레이 (Projection Microdisplay) 가상형마이크로디스플레이 (Virtual Microdisplay) 영상 ( 이미지 ) 크기 ~ 100 인치이상 ~ 50 인치 패널크기 0.7-2 인치 0.4-1 인치 해상도 응용분야 SVGA, XGA, SXGA, UXGA, HD 프로젝션 TV, 프로젝터 QVGA, VGA, SVGA HMD, 디지털카메라, 캠코더, EGD, etc. ⑵ 마이크로디스플레이의특징 마이크로디스플레이는기존의직시형의평판디스플레이개발과정에서생기는문제점들, 특히화면크기, 부피, 가격등의아주민감한요인들을해결하려는노력에서개발이시작되었다 6
마이크로디스플레이의종류와구동원리 2.1 마이크로디스플레이의종류직시형평판디스플레이와마찬가지로마이크로디스플레이의경우에도동작방식에따라반사형 (Reflective), 투사형 (Transmissive), 그리고자체발광형 (Emissive) 으로분류할수있다. 반사형마이크로디스플레이의경우에는반사면의특성을변화시켜가면서외부로부터입사되는광을변조시키는방식으로광원이마이크로디스플레이패널앞쪽에존재하여이미지를반사시켜서보는형태가되며, 투과형마이크로디스플레이의경우에는입사되는광이패널을통과하면서변조되는방식을이용하는것으로광원이디스플레이뒤쪽에있게된다. 자체발광형마이크로디스플레이의경우에는스스로빛을생성하여별도의광원이불필요한형태가된다. 7
마이크로디스플레이의종류와구동원리 (1) 반사형마이크로디스플레이반사형마이크로디스플레이에는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을이용하는방식과실리콘 CMOS chip과 glass plate사이에있는액정박막을특징으로하는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 기술을이용한것이대표적인반사형마이크로디스플레이이다. (1-1) MEMS 마이크로디스플레이초소형의전기및기계적인성분으로제작된 MEMS 소자를기반으로디스플레이를말한다. 현재까지 TI(Texas Instruments) 사의 DMD (Digital Micromirror Device), SLM(Silicon Light Machines) 사의 GLV(Grating Light Valve), 대우전자의 TMA(Thin-film Micromirror) 등의기술을기반으로하는 MEMS 마이크로디스플레이가개발또는상품화되어있다. 8
DMD pixel 의구조 (a) TI 사의 DMD 기술 TI 사는 DMD 기술과디지털영상을색이있는아날로그이미지로인식하도록 digital light pulse 로변환시키는 DLP(Digital Light Processing) 을결합하여고화질의대화면디스플레이를구현하였다. DMD pixel 은초미세반도체공정에의해메모리셀 (CMOS SRAM) 부위에제작된미세한 4 단의구조로제작된다. York 및 hinge 층은, SRAM 로부터의신호를거울의기울기에변환하는역할을하며, SRAM 로부터의전압 (ON/OFF) 에의해정전기적인토크를일으켜, torsion hinge 부분을비틀수있어, 이기우는동안의동작속도는불과 15μsec 초고속이다. 9
2 개의 DMD pixels viewer 의눈이인지하도록만드는기술을 binary pulsewidth modulation 이라고하며일반적으로디스플레이에서많이사용되는계조표시기술중의하나이다. DMD 를기반으로한 DLP 프로젝션시스템을구현하는위해서는 single-chip, two-chip, 그리고 three-chip 을이용하는세가지방식이있으며, 이는가격, 광효율, 전력소비량, 시스템의무게와부피에아주밀접하게관계가있어서용도에따라서선택적으로결정된다. 10
Single-chip DLP 프로젝션시스템 11
삼성전자에서출시한세계최대사이즈의 71 인치 1080p DLP TV 1 개의칩을사용하는 DMD 기반의프로젝션디스플레이는작고가볍지만, 화질적인측면에서는 3 개의칩을사용하는 DLP 프로젝션시스템이가장우수하다. 공정기술의개발에따라 mirror pitch 가 13.6 μm인것을현재에는 10.8 μm으로줄여 1080p 의 HD 급제품을생산하는수준에이르렀다. [ 그림 7-6] 에나타낸사진은삼성전자에서출시한세계에서가장큰사이즈인 71 인치 1080p DLP TV 이다. 12
SLM 사의 GLV 기술 GLV(Grating Light Valve) 기술은 1990 년대초에스탠포드대학에서고안되어, 1994 년 SLM(Silicon Light Machines) 사가설립되는계기가되었다. SLM 사는 2000 년에 Cypress Semiconductor 사의자사로편입되어 GLV 기술을기반으로하는다양한소자기술개발을해오고있다. GLV 기술은 [ 그림 7-7] 에표시한것과같이 6 개의리본으로구성된하나의픽셀에서부터시작된다. GLV 프로젝션디스플레이의원리및화소구조 13
GLV 프로젝션디스플레이의원리및화소구조 실리콘질화막위에반사도가우수한알루미늄막을코팅하여리본을만들며, 리본의크기는폭 3μm, 길이 100μm, 그리고두께 100nm이다. 리본의양쪽끝부분을지지한상태로 650nm의 air gap을만들어준다. 이렇게만들어진 6개의리본을병렬로배치하면 [ 그림 7-7] 의윗그림과같이한개의 pixel이완성된다. 픽셀을구동하는원리는리본과 air gap하부에있는전극간에전기장을가하면정전기력에의하여리본이아래쪽부분으로 20nsec 정도의아주빠른속도로당겨지게된다. 14
LCoS 마이크로디스플레이 LCoS 마이크로디스플레이의구조 Canon 사와 Kopin 사의투과형 LCoS 방식을제외하고는대부분의 LCoS microdisplay 는반사형방식이다. LCoS microdisplay 의기본적인구조는 [ 그림 7-8] 과나타낸것과같다. LCoS 마이크로디스플레이는액정의광변조특성을이용한다는측면에서직시형디스플레이인 TFT-LCD 와비슷하다. LCoS 마이크로디스플레이의경우에는, TFT 가형성된한쪽의유리기판대신에실리콘기판을대체한것으로화소제어를위하여단결정 TFT 소자가형성된 CMoS chip 이구동소자의역할을한다. CMOS chip 위에반사막, 액정, 배향막, 투명전극, 유리판, 그리고편광판등이위치하게된다. 15
LCoS projection 시스템구성도 액정을포함하는 LCoS 구조에서액정은반사막표면에도달하는빛의양을조절하는밸브의역할을한다. 따라서특정한화소의액정이더많은전압이가해지면더많은양의빛이통과하도록하게한다. 컬러 LCos 마이크로디스플레이를구현하는방법으로는 3 개의 LCoS chip 과 mirror 들을이용하여 Red, Green, Blue 를만들어내는방식 ([ 그림 7-9] 참조 ) 과 1 개의 LCoS chip 과 color filter wheel 응이용하여연속적으로색상을구현하는방식이있다. 16
LCoS 기술의일종으로 Sony 는최근에 SXRD(Silicon X-tal Reflective Display) 를개발하였다. 주요특징은콘트라스트비가 3000:1 로높다는것과고온다결정 Si 액정패널과비교하여약 2.4 배의화소밀도를갖는다는것이다. 이외에도실리콘구동소자의평탄화기술, 균일한배향막성막기술을개발하여 2 μm이하라는액정셀두께구현등이중요한기술의개선이다. SXRD 기술의자세한구조와특징을 [ 그림 7-10] 에표시하였다. Sony 의 SXED 단면도및주요특징 17
SXRD 기술이적용된 chip 과 70 인치 SXRD rear projection TV 의한예를 [ 그림 7-11] 에나타내었다 Sony 의 (a) 0.78 인치 SXRD chip (b) 70 인치 SXRD 1080p rear projection TV 18
JVC 의 1.75 인치 8kx4k D-ILA 소자 또한 JVC( 일본빅터 ) 는 D-ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier) 라는 LCoS 기술을개발하였다. 동사는 D-ILA 기술을이용하여해상도 8192 4320 의프론트프로젝터를위한반사형액정디바이스 1.75 인치 8kx4k D-ILA 디바이스를개발하였다 ([ 그림 7-12] 참조 ). 화면비는 17:9, 화소피치는 4.8 μm, 화소간갭은 0.24 μm, 개구율은 90% 이상. 액정의배향에의한혼란저감화기술을채용하여반사면에있어서의빛의산란이나회절등을억제하여콘트라스트 20000:1 을실현했으며, 응답속도는 4.5ms 정도이다. 19
(2) 투과형마이크로디스플레이 TFT(Thin Film Transistor) 를이용한 AM(Active Matrix) 의 LCD 가가장많이 사용되고있으며, 이러한 TFT 는다결정폴리실리콘또는단결정실리콘위에제작된다. (2-1) 다결정실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이 고온공정을통하여 TFT 를제작하기때문에고온에서견딜수있는 quartz 를 기판으로사용한다. 투과형 LCD 마이크로디스플레이에서는광원이디스플레 이뒤쪽에위치한다. 생산하는업체는 Seiko-Epson, Sony 등주로일본프로 젝터업체이다. 프로젝터인경우디스플레이크기는 1 인치이상이며, 가상형 의경우 0.5 인치에서 1 인치사이의크기를갖는다. 20
다결정실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이 [ 그림 7-13] 에다결정실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이를 이용한프로젝터의구조를나타 내었다. LCD 마이크로디스플레 이는광원으로부터 R, G, B 로분 리되어입사되는빛을통과또는 차단함으로빛을변조시켜스크 린에이미지또는영상을만들게 되는것이다. <LCD 마이크로디스플레이를이용한프로젝터의구조 > 21
단결정실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이 <Kopin 사의 Cyberdisplay LCD 단면도 > 단결정실리콘 TFT 는다결정실리콘 TFT 에비하여상대적으로높은이동도와화소밀도를갖기때문에양질의집적회로를패널위에쉽게구성할수있다. 리콘과같은불투명한기판위에회로들을만들기때문에주로반사형방식으로디스플레이를구현하는것이일반적이다. 단결정실리콘회로를투명한유리기판위로전사시킴으로투과형의마이크로디스플레이가가능하게되는것이다. Color filter 를사용하는 Cyberdisplay LCD 의단면도를 [ 그림 7-14] 에나타내었다. 기본적인구성은기존의 TFT-LCD 와유사하다 22
(3) 자체발광형마이크로디스플레이 자발광의특성을가지는디스플레이는무기 EL, OLED, FED, VFD, 그리고 LED 등이있다. 마이크로디스플레이에가장많이접목하고있는디스플레이는저분자와고분자기반 OLED 디스플레이라고할수있다. 미국의 emagin 사와영국의 MED(MicroEmissive Displays) 사는각각저분자와고분자기반으로하는 OLED microdisplay 를개발하여상품화를진행하고있다. MED 사의 P(Polymer)-OLED 마이크로디스플레이의주요부분은 [ 그림 7-15] 에보이는 P-OLED 구조이다. P-OLED 의기본구조 23
MED 사의 P-OLED microdisplay 인 "eyescreen" ME3024 마이크로디스플레이를제작하기위해서는반도체공정에의해회로가내장된 CMOS chip 위에 [ 그림 7-15] 와같은 500nm 정도의두께로 anode 전극과고분자 EL 층, 그리고투명한 cathode 전극을증착한다. 그후에보호용무기박막봉지공정을전면에실시하고 color filter 가있는유리기판과합착하면, [ 그림 7-16] 과같은 P-OLED 마이크로디스플레이가만들어진다. [ 그림 7-16] 은 MED 사의 "eyescreen" ME3024 는 0.24 인치의 QVGA 해상도를판매가되고있는상용제품의사진이다. 이제품과렌즈를포함하는광학계와결합하면 HMD 와같은가상형마이크로디스플레이가완성되게된다. 24
emagin 사의저분자 OLED 구조 저분자유기 EL 을마이크로디스프레이패널에이용하고있는 emagin 사는 Eastman Kodak 사로부터저분자유기 EL 에대한특허사용권한을받아서마이크로디스플레이패널제작기술을개발하고있다. 제작공정은우선단결정실리콘 CMOS 회로기판위에 [ 그림 7-17] 과같은평탄화된절연막, anode 전극, 백색의저분자 EL 층, 투명 cathode, 투명 seal layer, black matrix, color filter, 투명보호막, 반사방지막등의순서로증착또는성막하는것이다. 25
Microdisplay 의한예 만들어진 OLED 마이크로디스플레이패널은 [ 그림 7-18] 에서와같이비선형렌즈를포함하는광학계와결합되어 HMD 또는 NTE display와같은가상형의마이크로디스플레이로제품화된다. emagin 사는 0.59 인치 SVGA(800x600), 0.61 인치 SVGA+(852x600) 급의저분자 OLED 마이크로디스프레이패널을제조및판매하고있다. 0.5 인치화면크기에 800x600 의해상도를가진반사형 LCD 디스플레이 26
마이크로디스플레이의응용분야 첫째는투사형 (projection) 방식에따른응용, 둘째는가상형 (Virtual Image) 방식에따른응용이다. 투사형마이크로디스플레이는현재의평판디스플레이와경쟁을해야하는시점에이르게되었고시장을점유하는데어려움이커질것으로예상된다. [ 그림 7-19] 에다양한기술에의한프로젝션 TV 제품을나타내었다. Projection TV (a) LCD 방식 (b) DLP 방식 (c) LCoS 방식 27
가상형마이크로디스플레이의다양한응용분야 가상형마이크로디스플레이의응용분야로는 HMD(Head Mounted Display) 및 EGD(Eye Glass mounted Display) 등이정보통신의급속한발전과더불어다양한정보제공의매체로부각되기시작하고있다. 여러가지가상형마이크로디스플레이의다양한응용예들을 [ 그림 7-20] 에나타내었다. 점차미래디스플레이의하나인 wearble display 에사용된다는면에서측면에서보면더욱다양한응용분야가생겨날것으로예상된다. 특히, moble phone, portable game console, PMP, DVD 등의 entertainment 분야에우선적인응용이발생할것이며, 군사, 교육, 산업, 의료등의분야에서도실시간으로정보를전달, 표현함으로효과적인업무수행에많은도움을줄것이다. 28
마이크로디스플레이의기술개발동향 ⑴ 마이크로디스플레이의국내개발현황 회사제품특징비고 삼성전자 삼성전기 LG 전자 Mini Projector Mini Projector Mini Projector SVGA 급 DMD panel, 3 color LED MEMS 방식의 SOM 광변조소자개발 DMD 및 LCoS panel 적용 일진디스플레이 Nano Projector 1-LCD 방식의프로젝션디바이스 휴대폰용 29
마이크로디스플레이의국외개발현황 마이크로디스플레이관련일본의연구개발동향 회사응용분야내용비고 Canon Sony Epson Mitsubishi NEC JVC Mini Projector GLV TV Mini Projector Mini Projector Mini Projector Projection Display 해상도 SVGA 급소형사이즈소자개발 MEMS scanner 개발 레이저광을광원사용 3000:1dml 높은색대조비 투과형 LCD panel 적용 고휘도 LED 사용 SVGA 급 DMD panel 사용 Lumileds LED 사용 Mini projector 와 computer 가연결되는미래사무환경시연 D-ILA 기술개발 30
마이크로디스플레이관련미국의연구개발동향 회사응용분야내용비고 Texas Instruments DMD MEMS 기반 DMD/DLP system 개발 Feature size 12μm pixel Symbol Microvision emagin Displaytech Mini projector Mini Projector Engine HMD Picoprojector Barcode scanner 를 mini projector 에적용 MEMS scanner 개발 HMD/HUD 상용화 PicoP: full color 시제품전시 (2008 SID) SVGA 급및 SVGA+ 급저분자 OLED 마이크로디스플레이패널대발 FLCoS(Ferroelectric Liquid Crystal on Silicon) 기술개발 VGA, WVGA, and SVGA FLCoS 패널개발 31
마이크로디스플레이관련유럽의연구개발동향 회사응용분야내용비고 Fraunhofer Institute Simens MicroEmissive Displays Fourth Dimension Displays Holoeye Photonics AG Visitech Mini projector Mini projector HMD NTE Hologram projector Microprojector MEMS scanner 개발 OLED projector 개발 OLED on CMOS microdisplay 개발 Photosensor 내장 OLED microdisplay 개발 Cyan monochrome 사용 UV LD 와 phosphor scrren 적용 고분자 OLED 마이크로디스플레이패널개발 0.6 인치 QVGA 급 OLED 패널개발및상용화 FLCoS 기반 0.88 인치 XGA 급패널개발및상용화 Fast switching liquid crystal (40µsec) 24-bit Native (8-bit per colour) High fill factor >93% 실시간 hologram projector 개발 LCoS panel + laser 광원 + hologram S/W 결합 LCoS microdisplay size from 0.55 to 0.7 해상도 :1280x768(WXGA),1920x1200(WUXGA) Frame rate: 60 Hz to 180 Hz DLP 기반의 micro projector 개발 32
마이크로디스플레이의향후전망 차별성이있는제품분야는첫째로초소형의 nano 또는 pico projector이며, 두번째로초대형의고해상도프로젝션디스플레이가될것으로보인다. 기존의디스플레이로기술로는구현하기어려운초소형과초대형의프로젝션디스플레이가마이크로디스플레이의기술발전과더불어가까운미래에우리의주변에서볼수있을것으로보인다. 33