[특별기고] 차세대 마이크로디스플레이 기술
[특별기고] 차세대 마이크로디스플레이 기술
  • 디일렉
  • 승인 2020.02.14 15:12
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편집자 주 : 디스플레이 분야 최고 권위 학회인 SID(Society for Information Display)에선 매년 

스리 페루벰바(Sri Peruvemba)는 SID의 위원회 위원이자 마케팅 담당 의장이다. 스탠디시 인더스트리즈(Standish Industries), 플라나(Planar), 샤프(Sharp), E-잉크(E-Ink), 클리어링크(CLEARink) 같은 유수의 디스플레이 기업에 재직하면서 풍부한 경험을 쌓았다. 30년 넘게 테크놀로지 업계에 종사하면서 전자 하드웨어 기술 발전에 기여해 왔다. 센서, 전자 디스플레이, 햅틱, 터치 스크린과 관련해서 전문가로 인정받고 있으며, 관련된 컨설팅, 기고, 강연을 하고 있다. 실리콘밸리에 거주하고 있으며, 미국, 캐나다, 유럽의 여러 테크기업들에 자문을 제공한다.

2020년 6월 7일부터 12일까지 샌프란시스코에서 디스플레이 위크 2020(Display Week 2020)을 개최한다. 이 행사에 관한 자세한 내용은 www.displayweek.org 참조. 

글 : 스리 페루벰바(Sri Peruvemba) SID 위원겸 마케팅 의장

사람과 기계의 상호작용에 일대 변화를 예고하는 새로운 플랫폼이 다가오고 있다. 노트북, 태블릿, 스마트폰, 스마트워치는 잊자. 키보드와 마우스와도 작별을 고해야 할 것이다. 앞으로 우리는 눈 깜빡임, 음성 명령, 손 동작을 인식해 작동하는 전혀 새로운 웨어러블 기기를 만나게 될 것이다. SF 영화 ‘레디 플레이어 원(Ready Player One)’에서 선보인 것처럼, 초소형 카메라가 손가락이나 신체 동작을 추적하고 이미지와 텍스트를 이리저리 움직일 수 있게 될 것이다. 영화 ‘매트릭스’에서 보았던 VR 그 이상을 보게 될 수도 있다.

기본 기술은 구글(Google), 마이크로소프트(Microsoft), 오큘러스(Oculus), 매직리프(MagicLeap) 같은 선도 기업이 이미 개발해 놓은 상태다. 수요 또한 존재한다. 앞으로 해결해야 할 과제는 지금보다 성능은 높이고 가격은 낮추는 것이다. 형태는 기능에 맞춰 달라질 것이다. 제조 원가는 규모의 경제를 통해 빠르게 낮아질 것이다. 이와 관련해 세 가지 디스플레이 기술이 주목되고 있는데, 그 중에서도 마이크로 유기발광다이오드(OLED) 기술이 빠르게 치고 나올 것으로 보인다.

AR/VR은 이제 더 이상 신기한 기술이 아니다. 지난 해에는 몇몇 주요 기업이 이들 디바이스의 가치를 높이는 유용한 앱을 개발했다. 시장 잠재력을 꽃피울 시기로 접어든 것이다. 앞으로 10년 후에는 AR과 VR 헤드셋이 날개를 달고 비상할 것이다. 이미 크기, 무게, 성능 측면에서 비약적인 진전을 이루고 있다. 이와 관련해서 중요한 역할을 하는 것이 마이크로디스플레이, 광학 엔진, 햅틱 피드백 소자들이다. CES 등 각종 행사에서 선보인 혁신 헤드셋은 ‘수퍼 스마트’ 아이웨어에 대한 관심을 폭발적으로 높였다. 이러한 웨어러블 컴퓨터는 놀랄 만한 기능성으로 착용자가 스마트폰, 헬스 트래킹 기기, 그 밖에 다른 디바이스와 혁신적인 방식으로 상호작용할 수 있게 해준다. 이러한 새로운 디바이스들이 등장함에 따라 이들을 지원하기 위한 에코시스템 또한 계속해서 확장될 것이다.

구글은 22세기형 휴대전화나 그 밖에 다른 휴대기기 개발에 매진하고 있다. 차세대 ‘구글 어시스턴트’는 각종 휴대기기에 강력한 AI 기능을 제공할 것이다. 음성 명령을 실시간으로 이해 및 처리하고 지금보다 10배 더 빨리 답변하는 구글 어시스턴트를 상상해 보자. 이 음성 가능 어시스턴트는 집이나 직장, 또는 자동차에서 활용될 것이다. 운전 중에 휴대전화가 울리면 이 어시스턴트는 누가 전화했는지 안경이나 그 밖에 다른 기기에 알려주고 통화를 할 것인지 물을 것이다. 따라서 사용자는 휴대전화기 화면을 볼 필요가 없다.

얼굴 인식 기술도 마찬가지다. 이제 각종 기기들이 사용자를 인식하고, 인사하고, 필요한 정보를 제공할 수 있다. 손 동작을 인식하고 음악을 켜거나, 끄거나, 볼륨을 조절할 수도 있다.

GPS 지도 역시 엄청나게 똑똑 해져서 가고자 하는 위치를 해당 도로 사진 위에 화살표로 표시할 수 있다. 영화 스타트렉의 데이터 함장이 함께 걸어가면서 길을 안내해주는 것도 상상해볼 수 있다. 회의 중이거나 수업 중일 때처럼 다른 사람들에게 피해가 가지 않도록 해야 할 경우, 소리를 텍스트로 변환할 수도 있다.

이렇듯 사람 대 기계 간 인터페이스(HMI) 경계가 모호해지고 있다. AI는 마치 사람처럼 우리 인간과 협력할 뿐만 아니라, 우리가 필요로 하는 것을 예측하고 우리의 삶을 더욱 쉽고 편하게 만들 것이다.

차세대 웨어러블 시장에 뛰어들고 있는 거물 기업들

마이크로디스플레이 기술은 놀랍고도 빠르게 개발되고 있다. 세계적인 기술 기업이 이 분야에 뛰어들고 있으며, 기술과 성능을 향상하기 위한 대대적인 투자를 벌이고 있다. 새로운 기술과 기업들이 계속해서 이 분야로 진입하고 있다. VR 헤드셋이 속속 출시되고 관련 기술과 부품이 개발됨에 따라 VR이 PC에 전면적으로 등장할 것이다. 실제로 VR 헤드셋은 이미 연간 1000만대 이상 출하되고 있다.

마이크로디스플레이 기술은 갈수록 다양해지는 ‘니어 아이(near-eye) 디스플레이 및 그 밖에 다른 웨어러블의 수요를 끌어내는 견인차 역할을 할 것이다. 마이크로디스플레이의 세계 시장 규모는 출하량 기준 2024년에 5000만개에 달할 것으로 전망된다. AR/VR 시스템, 스마트 안경, 헬멧 탑재형 디스플레이(HMD), 헤드업 디스플레이(HUD) 등이 마이크로디스플레이의 주요 수요처다. AR 시스템, 스마트 안경, HUD 같은 경우에는 헤드셋에서 어지럼증(motion sickness)을 방지하기 위해 주사율(refresh rate) 측면에서 대대적인 개선이 이루어지고 있다.
 
성능 개선은 보급 확산의 선결 조건

니어 아이 디스플레이, 광학, 에너지 저장 장치와 마찬가지로, 웨어러블 센서와 사용자 인터페이스에서도 대대적인 기술 향상들이 이루어지고 있다. 소비자들이 이 기술을 폭넓게 받아들이기 위해서는 성능 향상이 먼저 이뤄져야 한다. 부품을 소형화하고 전력 효율을 높여서 다음 충전 때까지 더 오랜 시간 동안 사용할 수 있도록 해야 한다. 혹독한 환경을 비롯한 다양한 환경에서 사용할 수 있도록 부품의 견고성도 높여야 한다.

이 기술이 확산하는 데 있어서 가장 큰 걸림돌은 가격이다. 비용 절감이 절실하다. 구글(Google), 애플(Apple), 마이크로소프트(Microsoft), 페이스북(Facebook) 같은 거물 기업들이 이 분야에 뛰어들어서 대대적으로 투자하고 있기 때문에 가격은 떨어질 것이다. 또 이매진(eMagin), 코핀(Kopin), 소니(Sony), 오라이텍(Olightek), 하이맥스(Himax) 같은 기업들의 합류도 예상된다. 중국에서도 microOLED에 대한 관심이 뜨겁다. 이들 거물 기업뿐 아니라 화제가 되고 있는 몇몇 신규기업들까지 가세하여 성능은 높이고 가격은 낮춤으로써 비즈니스 및 엔터테인먼트용 차세대 컴퓨팅 플랫폼으로 AR/VR의 비전을 실현할 것이다. 이들은 완전히 새로운 차원의 미래형 니어 아이와 ‘온 아이(on-eye)’ 컴퓨터를 실현하기 위한 새로운 기능과 새로운 폼팩터를 개발할 것이다. 

군용 애플리케이션
오늘날에는 전투기 조종사들을 위해 고성능 microOLED를 사용한 AR HMD가 필수 장비가 되었다. 실제로 현재 가장 우수한 성능의 HMD는 군용 애플리케이션이다. 대표적인 예로 콜린스 에어로스페이스(Collins Aerospace)의 40만 달러짜리 MR(mixed reality) 헬멧을 들 수 있다. 록히드 마틴(Lockheed Martin)의 신형 F-35 전투기 조종사들을 위해 설계된 이 MR 헬멧은 상상을 현실로 만든다.

빠르게 성장하는 이 분야에서 로크웰 콜린스(Rockwell Collins), 엘비트(Elbit), 록히드 마틴 같은 주요 기업들이 앞서거니뒤서거니 하면서 성능을 끌어올리고 있다. 군용 애플리케이션은 시스루(see-through) AR HUD를 위해 최대의 밝기와 콘트라스트를 요구한다. 많은 경우, 공중에서는, 특히 주간에는 외부의 매우 밝은 빛이 AR 정보를 읽는 데 방해가 되기 때문이다. 

군용으로는 5000cd/m2 이상의 높은 밝기가 요구된다. 시스루 AR HMD는 밝은 주변 환경을 극복하기 위해서 매우 밝은 디스플레이를 필요로 한다. 항공기 HMD에서는 이미지와 그래픽이 충분히 밝아야 눈부신 구름층이나 햇빛이 직접 비치는 것 등의 조건에서도 조종사들이 정보를 볼 수 있기 때문이다.

(참고: 관련 기술)

(2Kx2K microOLED. 출처: 이매진(eMagin Corp))

다음으로는 AR/VR이나 그 밖에 다른 HMI 디바이스로 부상할 것으로 기대되는 세 가지 마이크로디스플레이 기술에 대해서 살펴보기로 한다.

microOLED 디스플레이
microOLED는 현재 모두가 주목하고 있는 기술이다. OLED 마이크로디스플레이 시장은 2019 ~ 2024년까지 19% 이상의 CAGR로 성장할 것으로 전망된다. 이 기술은 VR, 군용, 산업용, 의료용, 스마트 안경 애플리케이션에 일대 혁신을 가져다 줄 것으로 기대된다. 초박형, 높은 밝기와 콘트라스트가 특징인 microOLED는 견고한 실리콘 웨이퍼 기판으로 이루어진다. 해상도가 매우 높아 가벼운 무게와 빠른 응답 속도가 무엇보다 중시되는 헤드 마운트 AR/VR 디바이스용으로 매우 적합하다. 

전체 디스플레이 산업에 비하면 전세계 microOLED 시장 규모는 아직은 보잘것없는 수준이다. 하지만 비오이(BoE), 시야(SeeYa) 같은 기업들이 microOLED 디스플레이 공급을 지금보다 10배로 늘리기 위해 준비하고 있다. 지난 18개월 동안 microOLED로 5억 달러 이상의 팹 투자가 이루어졌다. 이번 분기부터 생산량이 크게 늘기 시작할 것이다. 현재 이 기술이 태동기인 점을 감안한다면 업계가 이 기술을 얼마나 밀고 있는지 알 수 있다. 계속적인 향상이 이루어지고 있기 때문에 microOLED는 앞으로 3~5년 안에 마이크로디스플레이 분야를 장악할 가능성이 높아 보인다. 다시 말해, AR 용으로 microLED가 microOLED에 주도권을 넘겨주게 될 것이다.

microOLED는 발광체이다(반면에 LCoS 디스플레이는 광 밸브이다). 두 개의 전극층 사이에 발광 형광 소재를 주입하며 편광기나 백라이트를 사용하지 않는다. 두 전극 사이에 전류를 인가해 단색 광을 발광하고 컬러 필터(적-녹-청색)를 통과시켜서 원하는 색을 생성한다. microOLED는 이미지 품질과 전체 색상 스펙트럼이 우수하며 응답 시간이 마이크로초 대에 이를 정도로 짧다. 높은 해상도와 색 깊이, 낮은 전력 소모, 높은 휘도가 특징이어서 VR 장치에 잘 맞는다. 또한 이 디스플레이는 컴팩트하고, 빠르고, 밝으므로 고급 카메라의 전자 뷰파인더에서부터 VR 용의 내충격 3D 헤드 마운트 기기에 이르기까지 각종 산업용 및 컨수머 애플리케이션에 적합하다. 단점이 없지는 않다. 밝기가 그렇게 높지 않고, 가격대가 비싸고, 노후화의 차이로 인한 수명 문제 등이 해결해야 할 과제이다.

미래의 microOLED 디스플레이는 5000cd/m2 이상의 밝기로 4k x 4k의 해상도가 가능할 것이다. 양산 가격은 현재의 약 15%까지 떨어질 것이다.

LCoS 디스플레이  
가격에 민감한 애플리케이션에는 LCoS(liquid crystal on Silicon) 디스플레이가 선호된다. 무엇보다도 이 기술은 지난 수십 년 동안 사용되어 왔으며, 가격이 microOLED의 수 분의 일에 불과하다. 또한 밝기와 콘트라스트가 극히 높고, 에너지와 열 효율이 우수하다. 

LCoS 디스플레이는 샌드위치처럼 두 판 사이에 액정 소재를 주입해서 만든다. 이 판들에 전압을 가하면 액정 분자가 셔터나 광 밸브로서 동작하고, TFT(thin film transistor)와 결합해서 픽셀을 형성한다. 이 구조 위에 컬러 필터를 사용해서 색을 발생시킨다.

이 효과를 달성하기 위해서 사용하는 소재나 구성은 제조사마다 다르다. 어떤 제조사는 네마틱 액정을 사용하고, 어떤 회사는 강유전체 결정을 사용한다. LCoS 디바이스는 통상적으로 픽셀 간격이 매우 좁다. 픽셀 피치(동일 색상 픽셀들 사이에 수평 간격)가 최저 8마이크론까지 이를 수 있는데, 그렇기 때문에 스크린 도어 효과를 줄일 수 있다. 

LCoS 디스플레이는 가격대가 비싸지 않은 대신, AR 같은 애플리케이션이 요구하는 콘트라스트나 속도를 제공하지 못한다. VR 애플리케이션용으로는 모션 블러 현상 때문에 어지럼증을 일으키는 것으로 알려진다. 또한 디스플레이가 대체로 더 무거우며, 백라이트를 항상 켜고 있어서 그로 인한 눈부심 때문에 나이트 비전 고글 같은 애플리케이션용으로는 부적합하다.

microLED 디스플레이
현재, 시장에서는 microLED에 대한 관심이 고조되고 있으며 투자가 시작되고 있다. 이 디스플레이는 다수의 미세한 LED로 이루어지며, 각각의 LED들이 디스플레이 픽셀을 자체 발광한다. OLED와 달리, microLED는 무기 소재를 사용한다. 또한 microLED는 별도의 백라이팅을 필요로 하지 않으므로 기존 디스플레이의 단점인 빛 번짐(light bleed) 현상을 일으키지 않고 더 선명한 검정색과 더 밝은 흰색을 구현할 수 있다. OLED와 마찬가지로, 각각의 픽셀을 광원으로 사용해서 매우 놀라운 수준의 콘트라스트와 색 깊이 성능을 구현한다.

microLED는 OLED보다 훨씬 밝고 콘트라스트 비가 1,000,000:1에 이른다. 발광형 디스플레이로서, microLED는 빛을 발생하기 위해서 유기 화합물을 사용할 필요가 없다. 따라서 완벽한 검정색, 뛰어난 컬러, 완벽에 가까운 측면 시야각을 구현한다. 매우 슬림하고, 번인(burn-in) 내구성이 우수하며, AR 애플리케이션용으로 적합하다. 낮은 해상도 때문에, 지금까지 LED는 뷰어가 디스플레이로부터 수 피트 ~ 수백 피트까지 떨어져 있는 애플리케이션에 주로 사용돼 왔다. 옥외 전광판 등이 그러한 예이다. 그런데 microLED는 해상도가 높기 때문에 뷰어가 훨씬 가까운, TV나 그 밖에 다른 실내 애플리케이션에 사용할 수 있다.

TV와 사이니지 애플리케이션용으로는 miniLED가 이미 도입돼 있는데, microLED는 이러한 애플리케이션에서도 그 뒤를 이을 것이다. 하지만 마이크로디스플레이용으로 microLED는 아직 갈 길이 멀다. 이 기술이 제때 자리잡고 새롭게 떠오르는 AR 시장을 차지해서 폭발적인 파급력을 일으킬지 관심이 쏠린다.

현재의 마이크로디스플레이 기술 현황


(* = 나쁨, ***** = 매우 우수함)                                                            스리 페루벰바(Sri Peruvemba)

맺음말
마이크로디스플레이가 빠르게 진화하고 있다. 이 기술은 향후 10년 동안 AR/VR, HUD, HMD, 그 밖에 다른 웨어러블 애플리케이션에 혁신적인 변화를 가져올 것이다. 사람들은 키보드와 마우스에서 해방되고 더 이상 잡다한 것들을 가지고 다니지 않아도 될 것이다. 미래형 차세대 컴퓨팅 기기들이 지금 설계되고 있으며, 10년쯤 후에는 오늘을 되돌아보면서 이 무렵에 모든 것이 시작되었다고 말할지도 모른다. 음성, 눈동자 움직임, 손짓만으로 필요한 모든 것을 할 수 있는 시대가 올 것이다. 이런 대담한 신기술이 ‘마이너리티 리포트’ 같은 영화에서 묘사했던 것 그 이상의 미래를 가져올 수도 있을 것이다. “우주에 발자국을 남긴다(put a ding in the Universe)”는 스티브 잡스의 말처럼, 기술은 족적을 남기면서 계속해서 진화할 것이다.

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글: 스리 페루벰바(Sri Peruvemba) / SID 마케팅 담당 의장


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