XR시대의 초고해상도 디스플레이 및 양자점 응용
최수경 | 한국전자통신연구원 실감디스플레이연구실, skchoi915@etri.re.kr
서 론
최근 애플에서는 최초의 공간 컴퓨터 Vision Pro를 공개하였다. Vision Pro는 애플이 개발 기간만 7년 넘게 소요되었다고 하며, 2014년 애플워치 이후 처음 내놓은 새로운 유형의 신제품으로 2024년 상용화를 앞두고 있다. 애플은 Vision Pro를 사용자가 현실 세계 및 주변 사람들과의 연결성을 유지하도록 지원하면서 디지털 컨텐츠와 물리적인 세계를 매끄럽게 어우러지게 하는 혁신적인 공간 컴퓨터로 정의하고 있다. 애플 Vision Pro는 확장현실(Extended reality, XR)기기로, XR은 증강현실(Augmented reality, AR)과 가상현실(Virtual reality, VR), 즉 AR과 VR을 모두 아우르는 개념이다. 별도의 공간 운영체제인 visionOS 를 기반으로 작동되는 고글 형태의 기기로, 사용자의 눈(시선), 손 동작, 음성을 통해 가장 자연스럽고 직관적으로 제어 가능하고, 최대 30 m 화면 크기와 첨단 공간 음향 시스템을 통해 맞춤형 개인 엔터테인먼트 경험을 제공한다 [그림 1]. Vision Pro는 사용자에게 실감나는 몰입형 영상을 제공하기 위해 두 개의 디스플레이를 합쳐서 2300만 픽셀 을 밀집시킨 초고해상도 디스플레이를 도입하였다. Vision Pro의 출시가는 3,499달러로, 그중 디스플레이가 가장 높은 가격 비중을 차지한다고 알려져 있다. 본 총설에서는 XR장비에서 중요한 핵심 부품인 초고해상도 디스플레이와 양자점 응용에 대해 소개하고자 한다.
본 론
1.XR 디바이스 요소기술 및 성능지표
XR 기술을 구현하기 위한 디바이스는 현재까지 헬멧형, 고글형, 안경형으로 출시되고 있다. XR 디바이스를 구성하는 요소 기술을 살펴보면 마이크로디스플레이, 광학, 센서, 메모리/시스템 반도체, 통신, 배터리 그리고 소프트웨어와 같은 기술들로 구성되어 있다 [그림 2]. 초실감 이미지를 전달하기 위해 XR 디바이스는 고해상도와 높은 화면 재생률을 가지는 마이크로디스플레이, 사용자의 손과 몸을 트래킹하고 주변을 감지하여 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 입력장치인 센서, 휴대성이 뛰어나고 장시간 사용 가능한 배터리 기술, 소형 광시야각 광학 구조 설계 기술, 대용량의 가상 정보를 빠르게 처리하기 위한 메모리/시스템 기술, 사용자에게 콘텐츠를 빠르게 전달하기 위한 초고속, 초저지연 통신 기술, 그리고 가상 세상을 구성하고 사회, 경제, 문화 활동의 촉진을 위한 소프트웨어 기술이 요구된다.[참고문헌 1, 2]
이러한 XR 디바이스의 요소 기술에서 몰입감 있는 확장 현실 경험 및 사용자 편의성을 위해 요구되는 성능들이 있는데, XR 디바이스의 주요 성능 지표의 요구사항은 다음과 같다. 가상의 이미지를 실제와 유사하게 보여주기 위해서는 넓은 시야각과 높은 해상도가 요구된다. 시야각은 field of view (FOV)로 어떤 사물이나 생물이 관찰할 수 있는 범위를 뜻하며, 시야가 닿는 영역을 각으로 표시한 것이다. 인간의 총 시야각은 단안 기준 수평 120º, 양안 200º이며 수직 130º를 가진다. 용도에 따라 요구되는 시야각이 다르며 AR 기기에 비해 VR 기기의 경우 더 넓은 시야각을 요구한다. XR 장비에서 사용하는 해상도 표현은 PPD로 pixel per degree를 의미한다. 기존 디스플레이에서 pixel per inch (PPI)를 사용하는 것과는 다르게 XR 장비에서는 FOV를 고려한 PPD를 사용한다. PPD는 FOV각도 당 픽셀수로, 인간의 눈은 약 60 PPD를 볼 수 있는 것으로 알려져 있다. XR 장치가 이 수준이 될 경우 가상 이미지와 현실이미지가 잘 혼합될 수 있을 것이다. 정면에만 정보를 표시해도 되는 AR 기기의 경우 FOV가 낮아 일반적으로 50 PPD 수준을 만족하는 반면, 높은 몰입감을 위해 FOV가 크게 설계된 VR 기기의 경우 아직 20 PPD 수준밖에 되지 않아 현재 보다 더 높은 해상도의 디스플레이가 요구된다. 명암비는 디스플레이가 표현하는 최대휘도와 최소휘도의 상대적인 비율로, 명암비가 높을수록 우수한 화질 표현이 가능하여 XR 디바이스에서는 높은 명암비가 요구된다. 이에 따라 명암비 특성이 우수한 OLED 디스플레이가 활용되거나 LCD에 mini LED를 함께 활용하여 명암비를 높이는 기술이 도입되고 있는 추세다. 화면 재생률(refresh rate)은 120 Hz 이상이 요구되며, 빠를수록 이미지 입력 조절 속도를 빠르게 할 수 있어 화면 지연시간을 줄여 어지러움을 줄일 수 있다. 지연속도(motion-to-photon latency)는 20msec 이하가 요구되며, 지연속도를 줄이면 사용자 움직임이 화면 위치에 더 빨리 반영되어 어지러움이 감소된다.
2. 마이크로디스플레이
XR 장치에서 가장 중요한 요소 중 하나는 디바이스에 삽입되어 이미지를 투사하는 마이크로디스플레이이다. 마이크로디스플레이는 일반적으로 대각선 기준 1인치 이내의 크기를 가지는 디스플레이를 의미한다. TV처럼 직시형이 아닌 추가적인 광학계를 사용하는 방식이다. 높은 해상도를 가질수록 가상의 이미지를 더욱 리얼하게 보여주기 때문에 XR 디바이스 제작을 위해 고해상도 디스플레이 개발이 필수적이다. 고해상도를 구현하기 위해 10 um 이내의 크기에 적, 녹, 청 화소 회로를 넣어야 하기 때문에 초미세공정이 필요하며, 작은 면적에서 높은 전류 구동 능력을 가져야 하므로 일반 디스플레이보다 훨씬 높은 성능의 트렌지스터가 필요하여 Si 웨이퍼 기판의 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 백플레인을 사용한다.
마이크로디스플레이의 종류는 동작 방식에 따라 반사형(Reflective)과 자체발광형(Emissive)으로 분류할 수 있다[그림 3]. 반사형 마이크로디스플레이는 반사면의 특성을 변화시켜가며 외부로부터 입사되는 광을 변조시키는 방식이다. 마이크로디스플레이 패널 앞쪽에 광원이 존재하여 이미지를 반사시켜서 보는 형태이다. 대표적인 예로 DLP(Digital light processing)와 LCoS(LCD on silicon) 가 있다. DLP는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)를 활용하는 기술로 미국의 텍사스인스트루먼트(Texas Instruments)에서 기술을 소유하고 있다. 높은 광효율과 저비용이라는 장점을 보유하고 있으며 소형 프로젝터나 디지털 시네마 프로젝터, HUD(Head Up Display) 등 다양한 디스플레이 제품에 사용되고 있다.[참고문헌 2] LCoS는 실리콘 백플레인 위에 액정의 광변조 특성을 이용하여 이미 지나 영상을 표현하는 기술이다. 수명이 길고, 화소 밀도가 높고 고휘도라는 장점을 가지고 있어 마이크로디스플레이 기술 중 가장 많이 사용된 기술이다. 이미 개발된 안정적인 공정장비와 양산화 기술을 갖추고 있어 신뢰성과 수명이 뛰어난 패널을 생산할 수 있는 장점이 있다. 풀컬러 구현을 위해 3개의 LCoS 칩과 mirror를 이용하는 방식 또는 1개 의 LCoS 칩과 color filter wheel을 이용해서 연속적으로 색상을 구현하는 방식이 있다.
자체발광형 마이크로디스플레이는 별도의 광원이 불필요한 형태로, 스스로 빛을 생성하는 OLEDoS(OLED on silicon)와 MicroLED가 대표적인 예이다. OLEDoS는 OLED를 Si 기판상에 제작한 것으로 기존 OLED 디스플레이가 유리기판을 사용하였다면, OLEDoS는 유리기판 대신 CMOS회로를 포함하는 Si 기판상에 OLED를 증착하고 CMOS 회로에서 전류를 전달하여 자체발광하는 방식이다. OLED가 가지는 장점인 높은 명암비, 빠른 응답속도, 낮은 소비전력, 가벼운 무게를 OLEDoS 또한 그대로 가지고 있다. OLEDoS는 Si 기판이 불투명하기 때문에 상부발광방식으로 제작하게 되며, 따라서 반사율이 높은 하부전극과 투과도가 높은 상부전극을 사용해야 한다. 현재까지 가장 많이 개발된 OLEDoS는 백색 OLED에 적, 녹, 청 컬러필터를 적용하여 각 픽셀을 제작하는 방법으로, 컬러 필터는 photolithography를 통해 미세 패터닝이 가능하기 때문에 고해상도 디스플레이 제작이 가능하다. OLED와 컬러 필터 사이 간격으로 인한 광학적 cross-talk을 줄이기 위해 OLED와 컬러필터를 합착하는 방법 대신, OLED 상부에 박막봉지를 형성하고 컬러필터를 직접 패터닝 하는 방식이 사용된다. 또다른 방법으로는 적, 녹, 청 OLED를 각각 제작하는 방법이 있는데 direct patterning 방식이라고 불리며 컬러필터 없이 각각의 색을 발광하는 OLED를 초고정세 마스크를 이용해 증착하거나, OLED 소재 자체를
photolithography를 통해 패턴하는 방식이다. 컬러필터로 인해 손실되는 빛이 없기 때문에 휘도 측면에서 백색 OLED/컬러필터 구조에 비해 유리하지만 실제 XR 디바이스 적용을 위해서는 많은 연구개발이 필요하다. OLEDoS 는 Sony, BOE, Samsung display, LG display와 같은 기업들에서 기술 개발이 진행 중이며, Apple Vision Pro 에서는 Sony의 OLEDoS를 사용하였다고 알려져 있다. 또 다른 자체발광형 마이크로 디스플레이인 MicroLED는 LED의 높은 휘도, 낮은 전력 소모, 높은 반응속도, 뛰어난 안정성 등 다양한 장점을 가지고 있는 디스플레이 기술로, LED 칩 크기가 30 um 이하의 크기를 가진다. 마이크로디스플레이용 MicroLED는 웨이퍼 상태에서 성장시키고 구동회로와 조합하는 monolithic형이 사용되고 있으며, 풀컬러 구현을 위해 수평, 또는 수직 배열 적, 녹 청, MicroLED를 개발하거나 청색 발광 단색 MicroLED에 양자점 색변환층을 적용하는 기술이 개발되고 있다.
3. 양자점과 마이크로디스플레이
양자점은 고색재현 차세대 디스플레이 소재로 각광받고 있다. 양자점은 무기물 기반 나노입자로, 조성 및 크기 조절을 통해 밴드갭 조절이 용이하며, 높은 발광효율과 좁은 반치폭을 가지는 것이 특징이다 [그림 4].[참고문헌 3] 양자점의 좁은 반치폭 특성은 높은 색순도의 R, G, B를 제공하여 넓은 범위의 색표현이 가능해 양자점 디스플레이의 경우 실제 눈으로 보는 것과 가까운 색을 표현할 수 있다. 양자점을 디스플레이에 적용하기 위해서는 photoluminescence(PL)을 이용하는 방법과 electroluminescence(EL) 을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 지금까지는 주로 양자점을 PL 방식으로 사용하는 디스플레이가 많이 개발되고 있으며, 실제 상용화된 디스플레이 중에서는 양자점을 PL 방식으로 사용한 것은 삼성디스플레이에서 출시한 QDOLED 디스플레이가 있다. QD-OLED는 청색 OLED 상부에 적색, 녹색 양자점을 색변환층으로 적용해 full-color를 구현한다 [그림 5].
마이크로디스플레이에서는 양자점을 MicroLED에 색변환층으로 적용한 연구가 주로 보고되고 있으며, 삼성디스플레이의 QD-OLED와 동일한 원리를 사용해 full-color를 구현한다. 양자점 색변환 디스플레이는 청색 광원의 빛을 양자점이 흡수하고 (예: QD-OLED에서는 청색 OLED, QDMicroLED에서는 청색 MicroLED), 양자점 자체의 밴드갭 특성에 해당하는 빛을 발광하는 기술로, 적색 및 녹색 발광 양자점을 패터닝하여 적, 녹 서브픽셀을 형성한다. MicroLED의 경우 휘도나 수명 측면에서 무기물로써 가지는 장점이 많아 OLEDoS에 비해 유리한 점도 있지만, 적색 MicroLED 제작 어려움이 있어, 양자점 색변환을 통해 그 문제를 해결하고자 하였다. Hong Kong Univ. of Sci. & Tech.에서는 Si wafer상에 GaN를 성장시키는 방법으로 청색 MicroLED를 제작하였다. Sn bump를 이용해 CMOS와 플립 칩 본딩을 한 뒤, Si 웨이퍼는 에칭을 통해 제거하고, 웨이퍼가 제거된 방향으로 따로 제작해둔 양자점 색변환층을 접합시켜 최종적으로 full-color 디스플레이를 제작하였다. 양자점 색변환층은 유리기판 위에 black matrix와 함께 포토공정으로 형성하였다. 제작한 시제품은 0.55인 치, 423 ppi이다. [그림 6][참고문헌 4]
Sharp에서 개발하고 있는 양자점 색변환 MicroLED는 GaN를 사파이어 기판에 형성시킨 뒤 CMOS 기판과 Au-Au 프레스 접합한 뒤 카본블랙으로 화소 사이를 메꾸고 lift-off로 사파이어 기판을 제거하여 제작한다. 색변환을 위해 양자점은 포토리소그래피 공정으로 형성하며 청색 누설 저감을 위한 컬러필터를 양자점 색변환층 위에 형성하게 된다. Sharp에서는 0.38인치 1053 ppi 시제품을 제작하였으며 향후 3000 ppi 이상의 풀컬러 MicroLED를 양산할 것으로 전망된다. 대만의 ITRI(Industrial Technology Research Institute)에서는 IDW2021에서 0.55인치 992 ppi의 양자점 색변 MicroLED를 발표하였으며, ITRI 역시 실리콘 기판 위에 청색 MicroLED를 제작하고 CMOS 기판과 플립 칩 본딩을 통해 접합한 뒤, 따로 제작한 양자점 색변환층과 접합을 통해 full-color 디스플레이를 제작하였다. 최근에는 0.5인치, 2000 ppi 이상 20,000 nit이상의 양자점 기반 풀컬러 microLED를 개발하였으며 AR 글래스에 적용한 것을 보고한 바 있다 [그림 7].[참고문헌 5]
현재까지 개발된 마이크로디스플레이는 양자점을 PL방
식으로 적용하고 있지만, 향후에는 EL방식 양자점을 적용한 마이크로디스플레이가 개발될 것으로 전망된다. 양자점을 EL방식으로 마이크로디스플레이에 적용하기 위해서는 안정적이고 높은 발광 효율을 가지는 적, 녹, 청 양자점 합성, 양자점 발광다이오드 효율 및 수명 향상 기술 개발이 필요하며, 특히 마이크로디스플레이 적용을 위해 양자점 소재의 고해상도 패터닝 기술이 요구된다. 양자점 패터닝은 포토리소그래피 방법과 잉크젯 프린팅을 통해 가능하며, 그중 고해상도 달성을 위해서는 포토리소그래피 방법이 더 유망하다.
양자점을 포토리소그래피 방법을 통해 패턴하는 방법은 크게 두가지로 구분 가능하다. 첫 번째는 포토레지스트(Photoresist, PR)기반 패터닝으로, 반도체 공정에 일반적으로 사용되는 PR을 사용하는 방식이다. PR 기반 패터닝도 세부적으로는 두가지로 나뉘는데, 양자점 층을 먼저 형성하고 양자점 상부에 PR을 도포하고 PR을 패턴한 뒤 양자점을 패턴하는 방식과, PR층을 먼저 형성하고 패턴한 뒤 양자점 층을 코팅하고, lift-off하는 방식이 있다. 첫번째 방법의 경우 PR 용액이나 현상액, 스트리퍼와 같은 유기용매에 의해 양자점 박막이 녹거나, 손상될 수 있어 양자점 박막의 용매 저항성을 높이는 것이 중요하다. Atomic layer deposition(ALD) 공정을 도입하여 양자점 박막 상부에 용매 저항성을 가지는 물질을 도입하여 용매에 대한 저항성을 높이거나[참고문헌 6], 양자점의 표면을 개질하거나, 공정용매를 조절하여 양자점과 공정용매 사이에 orthogonality를 가지도록 하는 연구가 진행되고 있다 [그림 8 (a)]. 두 번째 방법의 경우 PR을 먼저 코팅 및 패턴 한 뒤 양자점을 전체적으로 도포하고 PR을 제거하는 방법으로, PR이 제거되면서 PR 상단에 코팅된 양자점도 함께 제거되며 패터닝 되는 방식이다 [그림 8 (b)][참고문헌 7].
최근에는 PR을 사용하여 양자점을 패터닝하는 방법이 아닌 PR 없이 양자점 자체를 직접 패터닝하는 ‘다이렉트 광패터
닝’ 방식이 주목받고 있다. 다이렉트 광패터닝 방식은 양자점의 리간드를 활용하는 방식으로, 빛에 노출되기 전/후 양
자점의 용해도 차이를 이용해 패터닝하는 방식이다. 양자점 표면에 위치한 유기 또는 무기 리간드가 직접 빛에 감응
하여 cleavage 되며 용매에 대한 용해도가 변경되는 방식 또는 양자점 리간드 주변 다른 분자체가 빛에 감응하고 양
자점의 리간드와 화학적 반응을 통해 결합을 이루며 crosslinking되며 용해도가 변경되는 방식으로 나뉜다. 그림 9 (a)는 다이렉트 광패터닝 방식 모식도로, 포토 마스크를 사용하여 UV 빛 노광 후, 빛에 노출되지 않은 영역이 현상 용액에 의해 제거되며 패턴되는 방식이다.[참고문헌 8] 그림 9 (b-d)는 다이렉트 광패터닝 기술의 예로, 그림 8 (b)는 azide 그룹을 양끝에 가지는 diazide 분자체를 이용해, UV 빛 노광시 양자점 기존 리간드와 azide사이 본딩을 이루며 crosslinking되며 기존 QD 용매에 대한 용해도를 감소시켜 패턴하는 방식이다.[참고문헌 8] 그림 9 (c)는 dual 리간드를 사용하였는데, UV 빛 (365 nm)에 감응하는 benzophenone을 포함하는 리간드와, 양자점의 유기용매 분산을 위한 긴 alkyl chain 리간드를 동시에 가지는 양자점을 만들고, UV 노광 시 분산용 리간드와 빛 감응형 리간드의 본딩을 통해 양자점끼리 cross-linking되는 방식이다. 해당 기술의 경우 15,000 ppi 이상 초고해상도 양자점 패턴이 가능하다고 보고하였다.[참고문헌 9] 그림 9 (d)는 direct optical lithography of functional inorganic nanomaterials(DOLFIN) 방법으로, 양자점 표면을 electron-rich nucleophilic group을 가지는 리간드(X-)와 photoacid generator(PAG) 쌍을 가지게 만들고, PAG가 254 nm 파장의 빛에 의해 광분해되며 acidic proton(H+)을 방출하며 이 proton이 X- 리간드와 반응하여 용해도를 변화시키는 방식으로 양자점을 패턴한다.[참고문헌 10]
아직까지 마이크로디스플레이에 양자점 EL 기술을 적용한 것은 보고된 바 없다. 고해상도 양자점 발광다이오드 기반 마이크로디스플레이를 개발하기 위해서는 양자점의 특성을 저하시키지 않는 빛 감응형 리간드의 개발, 리간드 치환 후에도 양자점의 특성을 유지할 수 있는 양자점 리간드 치환 기술, 양자점 패터닝에 영향을 받지 않는 전하 수송층 재료 개발이 필요하며, 양자점이 열화되지 않는 전반적인 패터닝 공정 (베이킹이나 노광, development 등) 개발도 함께 수행되어야 할 것이다.
결 론
본 총설에서는 XR 디바이스 및 구성 요소기술 중 특히 마이크로디스플레이에 대한 전반적인 기술 소개 및 동향을 기술하였다. 애플의 Vision Pro 발표 이후 XR 디바이스에 대한 관심과 수요가 급증하고 있는 지금, 사용자의 편의 및 접근성 향상을 위한 디바이스 구성요소들에 대한 기술 개발이 시급하다. 특히 실제와 같은 현실감 제공을 위해 고해상도 마이크로디스플레이 기술 개발이 필수적이며, 디스플레이용 차세대 발광 소재인 양자점이 주목받고 있다. 양자점 발광다이오드 기술은 고해상도, 고색재현, 고휘도를 제공할 수 있어 마이크로디스플레이로 적용하기에 큰 잠재력이 있지만 아직까지 많은 요소기술의 발전이 필요하다. 양자점 기반 고해상도 마이크로디스플레이 개발을 위해 안정적인 양자점 소재 개발뿐만 아니라 작은 영역에 많은 수의 픽셀을 형성하기 위한 양자점 고해상도 패터닝 기술의 고도화가 꾸준히 진행되어야 할 것이다.
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최 수 경 Sukyung Choi
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포항공과대학교, 화학과, 박사(2011.03–2016.08, 지도교수 : 김성지)
한국전자통신연구원, 실감디스플레이연구실, 선임연구원 (2016.10–현재)