[디지털비즈온 김맹근 기자] 마이크로디스플레이는 일반적으로 화면의 대각선 길이가 1인치 이하인 디스플레이를 의미한다. 마이크로디스플레이는 TV와 달리 직시형(直示型)이 아닌 추가적인 광학계를 사용하는 방식으로, 가상의 영상과 실제 세계를 동시에 보기 위해서는 여러 광학 부품을 사용한다.

마이크로디스플레이의 경우 고해상도를 매우 작은 영역에 구현해야 하므로 기존의 유리 기판 박막트랜지스터 (Thin-Film Transistor) 백플레인이 아닌 Si 웨이퍼 기판의 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 백플레인을 사용한다. 마이크로디스플레이에 사용되는 백플레인 공정은 일반적인 반도체 CMOS 공정을 사용하지만, 디스플레이에 최적화시킨 공정 등이 추가로 개발된 전문적인 파운더리 서비스(Foundry Service)가 필요하다.

메타버스 디바이스에 적용되리라 예상되는 마이크로디스플레이 종류에는 액정기반의 LCoS(Liquid Crystal on Silicon), OLED 기반의 OLEDoS(Organic Light Emitting Diodes on Silicon), LED 기반의 LEDoS(Light Emitting Diodes on Silicon) 등이 있다.

LCoS의 특징은 LCoS는 액정기반의 마이크로디스플레이로서 백플레인을 실리콘 웨이퍼를 사용하여 CMOS IC 공정을 통한 화소와 구동회로를 함께 집적하여 초소형, 고해상도를 구현한 디스플레이이다.

LCoS에 사용되는 반도체 공정은 일반적인 CMOS 공정 이외에 추가로 반사형 미러로 사용되는 메탈 전극과 광학적 반사율을 적용한 Passivation Layer, Inter-pixel Gap-fill 및 평탄화 공정 등이 필요하다. FSC(Field Sequential Color) 방식의 사용으로 화소 크기를 작게 만들 수 있는 장점과 높은 개구율로 인해 부드럽고 자연스러운 영상을 얻을 수 있다.

LCoS의 장점은 액정기반의 디스플레이로서 이미 개발된 안정적인 공정장비와 재료를 통한 양산화 기술을 갖추고 있다. 신뢰성과 수명 측면에서 검증된 재료들을 사용하기에 우수한 신뢰성을 확보할 수 있으며, 별도의 광원을 활용한 반사형 디스플레이이기에 고휘도의 광원을 적용하여 메타버스 디바이스에서 요구하는 높은 휘도 특성을 만족할 수 있다.

대량 양산을 위한 인프라 구축이 용이하며, 오랫동안 축적되어 있는 제조기술 know-how를 통해 높은 수율의 패널 생산이 가능하여 경쟁력 있는 가격으로 시장을 선점할 수 있다. 위상변조 방식의 공간광변조기(SLM, Spatial Light Modulator)로도 개발할 수 있기에 홀로그래피 기반의 제품군에도 확대 적용할 수 있다.

OLEDoS의 특징은 OLEDoS는 OLED on Silicon의 줄임말로, OLED를 기존의 유리 기판이 아닌 실리콘 기판 위에 증착시켜 유리 기판 대비 큰 화소밀도의 픽셀을 형성할 수 있는 마이크로디스플레이 이다. 백플레인을 실리콘 웨이퍼를 사용함으로 인해 OLEDoS는 상부 발광형 구조로만 제작이 가능하다. 풀칼라 표현을 위해서는 적, 녹, 청의 세 가지 보조화소(sub-pixel)가 필요하다.

OLEDoS는 픽셀 피치가 수 ㎛로 기존 OLED 디스플레이에 비해 매우 작아 적(Red), 녹(Green), 청(Blue) 보조화소를 형성하는 것이 매우 어렵다. OLEDoS에서 색상 형성 방법은 크게 두 가지 방법이 있다. 백색 OLED와 CF(Colorfilter)를 결합하는 방식과 FMM(Fine Metal Mask)을 사용한 적, 녹, 청 OLED 보조화소를 각각 따로 형성하는 방법이 있다.

OLEDoS의 휘도를 증가시키기 위해서 Tandom 구조를 사용하는 경우 OLED unit을 2개 내지 3개 적층한 것으로 그만큼 구동전압이 증가하게 된다. 이처럼 구동 전압이 높은 소자를 OLEDoS에 적용하기 위해서는 이를 위한 고전압 CMOS 회로가 필요하다.

OLEDoS의 경우 OLED의 휘도가 LED보다 일반적으로 낮고, 높은 휘도를 낼 경우 소자의 수명이 단축되는 문제가 있으며 Tandem 구조 등을 활용하여 소자의 휘도를 높일 수 있으나 구동 전압이 상승하게 되는 문제가 있다. 휘도 개선을 위한 궁극적인 방법인 FMM 적용한 적, 녹, 청 직접 증착 방식에 대한 개발이 진행되고 있으며, 고 화소밀도의 공정이 가능한 증착 Align accuracy를 확보를 위하여 OLEDoS용 증착기 개발이 중요하다.

OLEDoS의 장점은 명암비가 높고 응답속도가 빨라 우수한 화질의 영상을 제공할 수 있다. 자체 발광형이기 때문에 반사형인 LCoS 대비 광학계가 단순해져서 VR 및 AR 기기의 부피 및 무게를 줄일 수 있다. 동작 온도 범위가 LCoS 대비 훨씬 넓어 군용의 경우 대부분 OLEDoS를 활용하고 있다. 또한 자발광으로 인한 광학 구조 간단하다.

결과적으로 메타버스 시장에 대응하는 글로벌 빅테크 기업들은 공통적으로 디바이스 개발에 집중하며 생태계 주도권 확보 경쟁을 시작하였고, 이에 대응 가능한 초실감형 마이크로디스플레이를 개발하여 기술적 초격차를 달성하고 시장 선점을 주도할 수 있다. 초고해상도 및 실감 영상 지원이 구현할 수 있는 기술로 메타버스에 응용하면 의료, 교육, 국방, 로봇, 공장자동화, 바이오 분석 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.