https://youtu.be/Drg2DNaEc1k?si=rOQ6bR8047icjUdn

이번 SID Display Week 2024의 eMagin/삼성 부스

참고로 부스에 있는 사람은 Andrew G. Sculley Jr. (앤드루 스컬리 2세)

eMagin CEO임

OLED는 이런식으로 밑에서 유기 발광 물질을 끓여서 증발시킨 다음, 위의 기판 표면에 증착시켜서 생산한다

일반적인 OLED는 '마더 글래스' 라고 불리는 거대 유리 기판 표면에 증착시키고,

마이크로 OLED/OLEDoS는 그냥 유리가 아닌 실리콘 웨이퍼로 제작한 반도체 기판 표면에 증착시킨다

https://news.samsungdisplay.com/34072

이는 실리콘 웨이퍼가 유리 위에 올린 기판보다 성능면에서 더 좋기 때문

이 때문에 마이크로 OLED를 OLEDoS, 즉 OLED on Silicon (올레드 온 실리콘) 이라고 부름

물론 기판 위에 픽셀을 그려야 하기 때문에, 그냥 무턱대고 막 증착시킬 순 없다

'마스킹'이라고 해서, 픽셀을 원하는 패턴대로 그릴 수 있도록 하는 작업이 필요함

미술 시간에 사용하는 '스텐실' 기법을 생각하면 편하다

위 짤의 스프레이가 유기 발광 물질 기체고, 뒤의 골판지는 마더 글래스/실리콘

OLED 생산 공정에서 이 '스텐실' 역할을 하는게 '섀도우 마스크 (Shadow Mask)'

픽셀은 그냥 점 형태이기 때문에, 아주 미세한 구멍이 뽕뽕 나있는 얇은 판이다

현재 일반적인 OLED 공정에서는 이 마스크를 금속으로 된 것을 사용한다

이를 FMM (Fine Metal Mask - 미세 금속 마스크) 이라고 부름

...근데 이 메탈 방식은 픽셀 밀도 늘리는데 기술적 한계가 있는 문제점이 있다

일단 픽셀 밀도를 늘리려면 픽셀을 더 작게 만든 다음 서로 더 다닥다닥 붙어있게 만들어야 한다

그 말은, 저 마스킹의 구멍을 더 작고 더 오밀조밀하게 만들어야 한다는 것

근데 마스크의 두께는 그대로 유지하면서 구멍만 더 작게 만들면, 증착하다가 이 구멍이 막히거나 증착이 제대로 안 된다

혹은, 저렇게 깔대기 모양으로 구멍을 파야하는 특성상 픽셀을 충분히 다닥다닥 모을 수 없다

즉, 마스크의 구멍을 작게 만드려면, 마스크 자체의 두께도 더 얇아져야 함

금속 마스크는 습식 식각 공정으로 만드는데, 이 방법으로는 픽셀 크기를 30μm 아래로 줄일 수 없다고 한다

이 때문에 더 픽셀 밀도가 높은 OLED를 만드려면 금속이 아닌 다른 마스킹 재료가 필요

물론 여기에는 습식 식각 공정 말고 레이저를 이용해서 FMM을 더 개선시키려는 시도도 있다

기존에 FMM을 만들던 APS Materials 가 이를 연구 중

메탈 마스크는 한번 쓴 다음 씻어서 재활용이 가능할 거라는 주장이 있기도 한데,

위에서 말했듯이 마스크 두께도 점점 얇아져야 해서 이걸 실제 새척 및 재활용이 가능할지는 별개의 문제

* 참조할 만한 관련 기사

http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=25194

이에 더 미세한 픽셀을 그릴 수 있는 마스크로 유리를 사용하는 FGM (Fine Glass Mask),

그리고 실리콘 웨이퍼를 사용하는 FSM (Fine Silicon Mask) 이 있다

* 삼성이 SID에서 상 받은 FGM 관련 논문

https://arca.live/b/vrshits/105987210

삼성 디스플레이가 인수한 eMagin이 이 실리콘 웨이퍼로 마스킹을 만드는 FSM 제작 기술이 있다

현재는 상대적으로 작은 200mm 지름의 웨이퍼로 생산하는데, 

추후 300mm 지름의 웨이퍼로 만들면서 생산량과 수율을 개선할 예정

https://patentimages.storage.googleapis.com/ae/3f/47/1076f4128a2e8d/US20150041793A1.pdf

eMagin의 FSM 생산 관련 특허

실리콘 웨이퍼를 질화규소로 코팅한 뒤, 리소그래피로 구멍 패턴을 뚫은 후 뒷면을 깎아내서 (후면 식각/back etching), 질화규소로 된 마스킹만 남긴다

이러면 정말로 아주아주 얇고 미세한 마스크를 만들 수 있다

실리콘 웨이퍼 자체는 식각으로 깎아냈긴 했어도, 

코팅으로 올라간 마스킹 원료 자체가 질화규소로 실리콘 성분이라 FSM (Fine Silicon Mask) 이라고 부름

APS Materials 에서는 이 공정을 질화규소 말고 인바 (Invar·니켈-철 특수합금) 이용해서 만드는 방법 만들거라고 했는데,

딱히 보여줄 수 있는 실물은 없는듯

FSM은 마이크로 OLED니 OLEDoS니를 떠나서 단순히 '섀도우 마스크' 관련 기술이기 때문에, 

이 기술을 적용하면 OLEDoS/마이크로 OLED 뿐만 아니라, 

그냥 유리 위에 올려서 FMM 방식으로 찍어내던 일반 OLED도 개선할 수 있다

즉, 스마트폰용 OLED도 팬타일 방식이 아니라 제대로 꽉꽉 들어찬 RGB 스트라이프 방식으로 제작이 가능할지도...?

VR용 일반 탠덤 OLED도 가능할지도...? (OLEDoS 보단 성능이 딸리겠지만)

마이크로 OLED와 일반 OLED의 픽셀 크기 비교

둘을 똑같은 배율로 확대해서 찍으면 이렇게 픽셀 크기 차이가 매우 크게 난다

FSM을 이용하면 약 7μm 크기로 RGB 픽셀을 저렇게 찍어낼 수 있다

VR 기기에 기존의 일반 OLED가 별로 안 좋은 이유는, 우측을 보면 알 수 있다시피 픽셀 밀도가 딸리기 때문이다

픽셀이 너무 크고, 

사이사이도 너무 벌어져 있는데다가, 

저 빈 공간은 말 그대로 낭비되는 곳이기 때문에 밝기도 떨어지고,

이를 매꾸기 위한 '펜타일' 구조의 픽셀 배치 때문에 서브픽셀 해상도도 떨어진다

(OLED를 사용하는 퀘스트1 vs LCD를 사용하는 퀘스트2)

VR 기기는 렌즈를 거쳐 디스플레이를 크게 확대하는데,

기존의 OLED는 이런식으로 확대를 해버리면 이런 낮은 픽셀 밀도가 훤히 보이면서 '모기장 현상'이 심해진다

그래서 모기장이 적나라하게 드러나는걸 감추기 위해 전체 디스플레이 상을 자글자글하고 흐리게 뭉개버리는 '디퓨전 레이어'라는걸 올리는 꼼수를 쓰기도 한다

삼성 오디세이 VR 헤드셋과 소니 PSVR2가 대표적

위는 소니 PSVR2의 OLED 패널과 확대 사진

현미경으로 초점을 똑바로 맞춰서 찍어도 픽셀이 매우 흐리게 찍히는데,

이게 바로 디스플레이 패널 위에 올려져있는 얇은 '디퓨전 레이어'가 픽셀을 흐리멍텅하게 만들고 있기 때문이다

이런 방식을 쓰면 VR 화면이 마치 스마트폰의 자글자글한 지문방지 필름을 씌운것 마냥 뿌옇게 보인다

모기장은 잘 안 보이지만, 화면도 잘 안 보이는, 결국 전체적인 화질을 내려버리는 미봉책

어쨌든 결론적으로는 이러한 일반 OLED들의 문제점은 결국 픽셀 밀도가 부족한 탓인데, 

앞서 말한 섀도우 마스크를 개선하면 픽셀 밀도를 높일 수 있기 때문에 해결이 가능해진다는 얘기다

이 외에 따로 '섀도우 마스크' 없이 계속해서 기판 위에 플루오린 기반 레이어를 깐 다음 리소그래피 공정으로 픽셀 부분만 구멍을 낸 다음 그 구멍으로 발광 물질을 증착시키고, 이걸 RGB 각 색깔별로 3번 진행하는 방식도 있는듯 한데...

내가 비전문가다보니 FSM 이랑 이거랑 무슨 관계가 있는지는 정확히 모르겠다

FSM은 FSM대로 개발하고, 이건 또 이거대로 '다이렉트 패터닝 (dPd)' 이라고 개발하는건지...

일단 부스에서 설명하는 CEO 아저씨도 이것저것 섞어서 얘기하는것 같아서 확신이 안 선다

eMagin 같은 경우 이런 미세 마스크 제작 등은 연구를 많이 했지만, 작은 회사다보니 OLED 자체에 대한 여러 짜잘한 노하우 등은 부족할 수 밖에 없는데,

삼성에 인수되면서 OLED 발광 재료 등등에 대한 노하우들을 전수받아 발광 효율을 크게 개선시킬 수 있다

또한 삼성은 다른 OLED 패널 생산을 위해 이런 재료들을 대량으로 발주를 받아서 사용하기 때문에 생산 단가도 내릴 수 있다

현재 eMagin 자사 발광 물질을 사용한 RGB OLEDoS는 3,000 니트 밝기인데,

삼성에 인수되면서 사용 가능한 새 발광 물질을 사용해 10,000 니트 밝기를 달성하는게 현재 목표

(충분히 해볼만한 수치라고 보는듯)

여기에 2중으로 OLED를 증착시키는 탠덤 방식도 도입해서 10,000 니트 밝기를 2배로 늘릴 예정

eMagin은 RGB 방식 말고도 그냥 백색광만 내는 OLED 위에 컬러필터를 올리는 WOLED+CF 방식의 패널도 만든다

(애플 비전 프로에 들어가는 소니 OLEDoS, 그리고 BOE에서 만드는 패널이랑 LG에서 만드는 패널이 이런 방식)

WOLED+CF 방식은 RGB OLED에 비해서 효율이 안 좋기 때문에 장기적으로는 사장될 기술

(LG가 대형 TV용으로 사용하는 WOLED 방식과는 다르기 때문에 헷갈리면 안 된다. TV용 WOLED는 RGB OLED 소자 옆에 추가적으로 흰색 OLED 소자를 붙여서 밝기를 증폭시키는 다른 기술이다)

해상도가 낮긴 하지만, 효율이 낮은 WOLED+CF 방식으로도 단일 패널 10,000 니트 밝기 달성

일반적으로 다른 회사들은 탠덤 방식을 써야 달성 가능한 밝기고,

비전 프로에 들어가는 소니 패널은 탠덤 방식임에도 5,000 니트

비전 프로에 들어가는 OLEDoS는 대략 1.5 인치 크기

현재 시장에 나와있는 대부분의 OLEDoS는 1.3 인치 정도다

이는 2.5 인치 크기의 일반적인 VR용 LCD/OLED 패널에 비해 매우 작다

이 때문에 OLEDoS를 쓰면 시야각이 부족하고, 시야각을 억지로 늘리면 색수차와 왜곡이 심해진다는 단점

(크게 자르면 수율이 35.7%, 하지만 작게 자르면 수율이 94.2%)

위의 그림을 확대해서 자세히 보면, 원판 위에 빨간 점들이 보인다

원판은 반도체 웨이퍼고, 빨간 점은 먼지나 혹은 생산 공정에서 나온 불량 소자라고 생각하면 된다

이 빨간 점이 하나라도 포함된 조각은 불량으로 못 쓰는 조각이 된다

그림에서 노랗게 표시한 조각들은, 이 빨간 점이 있어서 못 쓰게 된 조각들을 의미한다

반도체에 익숙하다면 이러한 웨이퍼당 '수율' 개념을 알텐데,

그림만 봐도 직관적으로 알 수 있다시피, 웨이퍼에 올리는 다이 사이즈가 커질수록 해당 다이 안에 불량 소자가 들어갈 확률이 기하급수적으로 올라간다

(다이가 작은 일반 M1 칩과, 다이 사이즈가 큰 M1 맥스 칩의 수율, 그리고 생산 단가 차이 추정치)

이 때문에 다이를 작게 자르면 저 불량 소자가 없는 부분만 골라 쓸 수 있어서 수율이 높지만, 

크게 자르면 그 광활하게 넒은 다이 안에 불량 소자가 하나라도 있을 확률이 높아져 수율이 엄청 낮아진다

RTX 4090 같은 모놀리식(Monolithic) 빅 칩들이 매우 비싼 이유

OLEDoS는 저 실리콘 웨이퍼 백플레인 위에 OLED를 증착하는 방식인데,

마찬가지로 저 백플레인에서 단일 디스플레이로 쓸 영역을 크게 잡아버리면 수율이 급감하고 생산 비용이 증가한다

그래서 OLEDoS를 무턱대고 막 2.5인치로 찍어낼 수 없는거다

RTX 4090 다이 사이즈보다 큰걸 그냥 턱턱 찍어내라는 소리니깐

근데 eMagin은 몇년 전에 2.1 인치 크기의 4K OLEDoS 샘플을 보여준 적이 있다

2.5인치 LCD에 비하면 여전히 작지만, 다른 OLEDoS들에 비하면 초거대 사이즈

이는 작은 실리콘 백플레인 2개를 이어붙여서 (stitching 기술) 하나의 큰 백플레인을 만드는 방식을 쓴 덕분

AMD 라이젠의 칩렛 기술, 혹은 애플 실리콘의 울트라 퓨전 기술의 MCM 방식처럼, 수율이 좋은 작은 웨이퍼 조각을 이어붙여서 효율적으로 큰 조각을 만드는 것

일단 백플레인을 합쳐서 조립한 이후에 OLED 발광층을 증착하는 것이기 때문에, 

단순히 화면 두 개를 이어붙인 것 마냥 접합자국이 보이거나 하지는 않는다

이를 이용하면 상대적으로 저비용으로 큰 OLEDoS를 생산 가능

...물론 이는 단순히 백플레인 관련 수율이고,

OLED 증착쪽에도 반도체랑 똑같이 크면 클수록 불량이 많이 나기 때문에 단가는 비쌀 수 밖에 없다

어쨌든, 기술적으로 20,000 니트 밝기 이상, 크기 2.1인치 이상의 탠덤 RGB OLEDoS의 꿈은 허황되지 않다

넓은 시야각에 OLED HDR이 가능한 VR!

하지만 당분간은 매우 비쌀 것