그 외의 비자발광- 직시형 디스플레이들>>

전자 종이를 선도하는 EPD와 디스플레이 맹주, LCD 이외에도 스스로 빛을 만들지는 못하지만, 햇빛이나 별도의 광원을 이용해서라도 디스플레이로서의 시장 진입을 시도하거나, 어느 정도 진입 가능성을 보인 비자발광형 디스플레이들은 더 있습니다. 특히, 전자 종이 분야에서, EPD 이외에도 MEMS 기반의 DMS(Digital Micro Shutter), 간섭 변조기 디스플레이(Interferometric Modulator Display, IMoD) 그리고 전기 변색 디스플레이(ElectroChromic Display, ECD), 전기 습윤 디스플레이(ElectroWetting Display, EWD) 등을 들 수 있습니다. MEMS 기반의 디스플레이들에 관해서는 뒤를 이어 별도로 다룰 예정으로, 여기에서는 ECD와 EWD 등, 비자발광 디스플레이들 중에서 MEMS 분야에 속하지 않는 기술들을 설명하겠습니다.

ECD는 지금, 디스플레이보다는 스마트 윈도우에 더 활발히 적용되는 소자로써, 전기적으로 빛의 투과 정도를 조절하는 스마트 윈도우 기능이 정보 디스플레이로까지 확장된다면 역시, 디스플레이의 일종으로 인정이 되겠지요. 즉, 전기 변색 물질에 전압을 인가하여 산화와 환원 반응을 유도하고, 이를 통해 전기화학적 상태를 변화시켜 색을 표현하게 됩니다. 이는 빛의 3원색을 포함한 여러 색을 띄도록 할 수 있으며, 전압을 제거하여도 일정 시간 동안에 색이 남아있는 메모리 효과가 있어, 여러 가지의 색 표현이 가능한 전자 종이 디스플레이의 후보군에도 속하고 있습니다.

EWD는 전기장에 의하여 막의 표면이 소수성(hydrophobic)과 친수성(hydrophilic) 특성을 가지도록 조절할 수 있는 현상, 즉 전기 습윤(Electrowetting) 현상을 이용한 디스플레이입니다. 즉 전압을 인가하여 물과 색깔의 띈 기름, 색 기름(colored oil)이 함께 존재하는 표면의 물 젖음성을 변화시키면서 색 기름이 차지하는 면적을 조절하여 표면, 즉, 화소에 해당하는 면적의 색과 밝기를 표시하는 방식으로 작동합니다. 혹은 막의 표면 아래쪽에 칼라 필터를 두고, 검은색 기름의 면적을 조절하여 개구율을 변화시키기도 합니다. 이 기술은 유럽의 Liquiavista에서 전자 종이용 디스플레이로써 개발되었고, 후에 삼성으로 기술 이전이 된 상태입니다. 지금껏 주로 전자 종이를 대상으로 개발, 혹은 시제품화 되어온 비자발광, 직시형 디스플레이들을 예를 들고 설명하였습니다. 기술도 트랜드도 변해갑니다. 특히, 전자 종이는 복고풍에서 현대 감각에 이르기까지 시대를 넘나들 수 있으며, 유행과 응용 분야가 또 다른 부활을 일으킬 수 있는 기술, 디스플레이일 수도 있습니다. 물론 전자 종이 이외에도 스마트 사이니지나 스마트 윈도우 등이 또 다른 성능과 특징을 갖는 디스플레이로서 발전할 가능성도 큽니다. 또한 그렇게 되기를 기대하여 봅니다. 이러한 경향들에 대해서는 기술이 출현하는 대로 이야기를 더 풀어가 보겠습 니다.
 

마이크로 디스플레이 이야기 >>

마이크로 디스플레이는 투사형이나 가상형으로 이용하기 위한 화면의 크기 1인치 이하, 고성능, 고해상도의 디스플레이입니다. 이는 수십에서 수백 배에 이르기까지 확대된 영상을 표시하여야 하므로, 화소의 크기가 매우 작아야 하고, 또한 화소 내에서 빛이 나오는 부분의 비, 즉, 개구율(aperture ratio)이 커야 하므로 미세한 피치와 고성능 스위칭 소자를 필요로 합니다. 마이크로 디스플레이로써 다양한 기술들이 등장한 바 있지만, 지금, 그리고 앞으로도 활용될 디스플레이는 MEMS 디스플레이 계열인 디지털 광원 처리기(Digital Light Processor, DLP), LCD 계열인 고온 다결정 실리콘 TFT LCD(High-Temperature Poly-Silicon TFT-LCD, HTPS TFT-LCD)와 LCoS(Liquid Crystal on Silicon), 그리고 OLED 계열인 OLEDoS(OLED on Silicon) 등을 꼽을 수 있습니다.

DLP는 미국의 TI(Texas Instrument)에서 개발되었으며, 20세기 후반부터 디지털 시네마용으로 극장에서 사용되었고, 최근에 이르기까지 다양한 목적의 프로젝션 시스템에 적용되고 있죠. 이는 TI가 자체적으로 개발한 디지털 미소 거울 소자(Digital Micro-mirror Device, DMD)를 광원과 그리고 광학계와 함께 모듈화한 디스플레이 엔진입니다. 즉, 레이저 다이오드나 LED 광원에서 발생된 빛이 DMD에 도달하고, 각각의 미러들이 디지털 방식으로 구동되면서 빛을 선택적으로 스크린으로 보내어 영상을 띄우게 됩니다. 하나의 광원을 사용하고, RGB 3원색 칼라 필터가 있는 원반을 회전하여 칼라 영상을 투사하는 방식과 3개의 DMD와 3개의 칼라 필터들을 이용하여 RGB 각각의 영상들을 만들어 함께 투사하는 방식이 있습니다.

HTPS TFT-LCD는 스위칭 소자인 TFT를 만드는 과정 중에 섭씨 1000도 이상의 높은 온도에서 비정질(amorphous) 실리콘을 재결정화(recrystallization)하여 큰 결정립(crystal grain)들을 갖는 다결정 실리콘을 형성, 전자 이동도를 증가시킨 소자입니다. 따라서 TFT의 크기는 작으면서도 빠른 스위칭 속도를 얻을 수 있어, 마이크로 디스플레이의 구현에 유리하죠. 또한 구동 회로 등 별도의 칩에 만들어지는 주변 회로들까지 디스플레이 기판 위에 집적화할 수가 있어, 소위 SoD(System on Display)를 실현할 수 있습니다. HTPS TFT-LCD는 공정 온도가 기존 디스플레이 유리의 용융점보다 높아서 유리가 아닌 석영을 이용하여야만 하므로 크기에 제한이 있으며, 또한 가격이 올라갑니다.

LCoS, ‘실리콘 위의 액정’, 용어 그대로 실리콘 웨이퍼에 백플래인(backplane)을 만들고, 이 위에 LCD를 구성한 디스플레이입니다. HTPS보다도 더 성능이 좋은 높은 이동도의 단결정 실리콘 트랜지스터를 사용할 수가 있고, SoD의 구현에도 더 유리합니다. 더 작은 화소, 더 높은 이동도, 더 빠른 응답 속도를 얻을 수가 있죠. 다만, 실리콘 웨이퍼가 불투명하므로 광원으로부터의 빛이 후면 기판(TFT 기판) 쪽에서 들어와서 전면 기판(칼라 필터 기판) 쪽으로 나오는, 즉, LCD를 통과하는 투과형 방식은 불가능하고, 빛이 전면 기판으로 들어와서 후면 기판 쪽에서 반사되어 다시 전면 기판 쪽으로 나오는 반사형 방식으로만 구성할 수가 있습니다. 물론 실리콘 반도체 공정이 수반되어야 한다는 부담도 있지만, 차라리 실리콘 백플래인을 파운드리 업체에서 만들고 이를 가져다가 LCoS를 완성하는 제작 과정은 대규모 투자의 여력이 없는 디스플레이 회사들에게 기회를 주기도 합니다.

OLEDoS는 역시 말 그대로 ‘실리콘 위의 OLED’입니다. 역시 단결정 실리콘 백플래인으로 큰 개구율과 높은 해상도, 빠른 동작 속도, 그리고 SoD의 구현이 가능합니다. 다만, OLED 회사들은 지금, 모바일 기기와 TV 등 대규모 시장 확보가 가능한 제품들을 위한 디스플레이를 대량 생산하는 중이라 아직은 소량 다품종에 해당하는 OLEDoS에 전력을 쏟을 겨를이 없습니다. 그러나, OLED 고유의 자발광 특성, 높은 화질과 밝기를 감안하면 후일 마이크로 디스플레이 분야에서의 다크 호스가 될 것임은 자명합니다. 이와 함께 마이크로 LED 역시 마이크로 디스플레이의 유력한 후보임을 언급하며, 추후 보다 상세히 살펴보기로 하겠습니다. 이러한 마이크로 디스플레이들은 투사형 디스플레이로는 물론 가상형 디스플레이로써, 가상 현실과 증강 현실 등에 이용될 수 있으며, 관련 응용도와 시장은 급격히 확장되고 있습니다.

MEMS 디스플레이  이야기 >>

MEMS 기술은 전자(반도체) 기술, 기계 기술, 그리고 광 기술 등을 융합하여 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 이용하므로 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(refrac-tion), 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 DMD와 DLP 소자, 회절을 이용한 GLV(Grating Light Valve)가 대표적입니다. 이에 더하여 MEMS 광 셔터 방식을 적용한 DMS, 광결정을 이용한 디스플레이 등도 발표된 바가 있습니다.

먼저, IMoD는 초소형 전자 기계 장치(MEMS) 기술에 의한 전자 종이용 디스플레이로써, 움직일 수 있는 마이크로 구조물 어레이, 즉 멤브레인 미러와 기판에서 반사되는 빛의 간섭 효과를 이용합니다. 즉, 두 개의 반사면 간의 거리에서 파장, 즉, 색상이 결정되며, 반사된 두 빛들간의 보강 간섭과 소멸 간섭의 정도에 따라 밝기가 결정됩니다. 그리고, 정지 영상을 표현할 경우에는 소비 전력이 거의 무시할 정도로 작은 쌍안정성을 가지고, 또한 전기-광학 특성 곡선이 히스테리시스 현상을 보여 기억 효과의 덕을 볼 수 있습니다. 미러의 움직임 폭이 수백 나노미터 정도로 작아 스위칭이 짧은 시간에 이루어지는 등의 장점이 있죠. 후에 퀄컴으로 기술이 이전되어서 '미라솔(Mirasol)’이라는 브랜드로 전자 종이를 출시한 바 있습니다.
빛의 반사를 이용하는 DMD, DLP 기술은 프로젝터에 사용되는 미세 거울 기반의 디스플레이 엔진(장치) 기술입니다. 즉, DMD라는 초소형 미세 거울들의 2차원 배열 어래이를 사용하여서 광원으로부터 입사되는 빛을 경로를 변환시키는데, 거울들의 수는 영상의 화소수와 같고, 정전력을 이용하여 두 방향 중의 한쪽 방향을 택하여 움직이므로 디지털 구동이라 합니다. 밝기의 정도, 즉, 계조 변화는 펄스 폭 디밍과 드라이브 칩 셋에서의 보정을 통하여 이루어지죠.

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.

광 셔터 방식인 DMS의 경우, 2000년대 초반 미국의 Pixtronics에서 개발된 MEMS 기반의 디스플레이 기술로써, 후면 광원에서 나오는 빛을 기계적으로 구동되는 초소형 셔터로 조절하여 색과 밝기를 표시하였습니다. 이는 LCD와 유사한 방식으로 액정 셔터 대신에 MEMS 셔터를 이용하는 점이 특징이며, 특히 빛을 재활용함으로써 효율을 60% 이상으로 끌어올린 점, 비교적 고속의 스위칭 속도인 0.1 msec를 구현하였다는 점이 특징이었습니다. 이 기술은 2011년에 퀄컴으로 이전되었으나, 이후로는 추가 정보가 발표되지 않고 있습니다.

이 외에, 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.

디지털 광원 처리기(DLP) 소개 >>

DLP 기술은 프로젝터에 사용되는 디스플레이 엔진(장치) 기술입니다. 즉, DMD라는 초소형 미세 거울들의 2차원 배열 어래이를 사용하여서 광원으로부터 입사되는 빛의 경로를 변환시키는데, 거울들의 수는 영상의 화소수와 같고, 정전력을 이용하여 두 방향 중의 한쪽 방향을 택하여 움직이므로 디지털 구동이라 합니다. 밝기의 정도, 즉, 계조 변화는 펄스 폭 디밍과 드라이브 칩셋에서의 보정을 통하여 이루어지죠. DMD의 거울 이동 속도가 충분히 빠르므로, 1개의 DMD로도 칼라 영상을 구현할 수가 있는데, 이때는 원반 모양의 칼라 필터를 사용하여 시간적으로 RGB를 분할합니다. 다만, 이 경우에는 밝기가 1/3로 떨어짐을 감수하여야 하죠. 만일, 3개의 DMD와 RGB 칼라 필터를 쓰는 경우에는 각각 독립된 RGB 영상을 만들고 이를 합쳐서 칼라 영상을 구현하게 됩니다. 밝기의 손실이 없는 반면에 크기와 가격에서의 부담을 감안하여야 하죠. 이 외에도 DMD 1개와 광원 RGB 3개를 사용하는 방법, 혹은 반대로 DMD 3개에 백색 광원 1개, 그리고 RGB 칼라 필터 3개를 사용하는 방법 등 나름 장단점을 지닌 여러 방법, 엔진들이 있습니다. DMD는 실리콘 MEMS 기술을 이용하여 만들어지며, 구동 회로부 위에 기계 장치와 거울들이 제작됩니다. 거울은 +/- 10~12도의 범위에서 고정 각도를 가지고 한 쪽을 택하여 기울어지는데, 빛이 외부로 나와서 스크린을 향하거나 혹은 내부에서 흡수되는 방향이 됩니다. 거울은 15 마이크론 정도의 정사각형 모양으로 알루미늄 재질이며, 1조회 정도 반복 동작에도 견딜 정도의 내구성을 가집니다. 거울의 아래쪽에는 기계적인 지지, 구동부가 있고, 그 아래에는 메모리와 회로 등으로 구성되는 구동 회로부가 있습니다.

역사를 살펴보면, 1987년에 미국 TI에서 개발되었고, 이후 TI에서 보급되는 DMD와 DLP를 받아서, 여러 회사가 다양한 응용 제품을 시도하고, 출시하였습니다. 대표적인 응응 분야는 디지털 시네마, 레이저 프로젝터, 반도체나 디스플레이 제조용 리소그래피 툴, 투사형 TV, 홀로그래픽용 부품, HMD(Head Mounted Display)나 HUD(Head Up Display) 등이 있으며, 특히 빠른 응답 속도로 인하여 3차원 디스플레이에도 적용할 수 있습니다. MEMS 기술의 결정판, 대표적인 사업화 아이템으로 고유의 영역을 확보하였고, 광 부품과 디스플레이 분야에서 새로운 응용 전략들이 만들어 질 것으로 기대가 됩니다.

<다음호에 이어서 계속> “본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”