microLED 디스플레이의 면내(In-plane) 센싱

소비자 및 자동차 전자 장치의 광학 센싱을 위한 새로운 성능 및 제조 패러다임.

마이크로 LED는 밝은 햇빛에서 훨씬 높은 색 정확도와 뛰어난 가독성으로 훨씬 밝고 선명한 이미지를 제공하는 그 광학적 특성으로 인해 소비자 및 자동차 전자 산업에 사용되는 디스플레이의 특성에 단계적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다. MicroLED는 에너지 효율도 매우 높습니다.

이러한 특성을 제공하는 MicroLED는 소형의 초고해상도 AR/VR 헤드셋은 물론 시계, 휴대폰, 노트북, 태블릿 및 자동차 디스플레이에 이르는 다양한 제품의 디스플레이를 위한 매력적인 구성 요소입니다. MicroLED는 TV, 모니터와 같은 큰 디스플레이에도 사용할 수 있습니다.

그 밖에도, microLED는 센서 기능을 RGB 이미터와 동일한 픽셀 평면에 통합하는 것을 가능하게 해 디스플레이 성능을 크게 향상시키고 전체 디스플레이 기능을 변환시킬 수 있는 또 다른 잠재력을 제공합니다. 이는 microLED의 아주 작은 크기로 인해 가능하며, 다음과 같은 중요한 이점을 제공합니다.

  • 눈에 보이지 않는 센서
  • 센서의 감도 향상
  • 새로운 기능 구현
 

그렇다면, 센싱 및 광 방사의 평면 내 통합의 잠재적인 용도는 무엇이고, 이러한 잠재력을 구현하려면 어떤 단계를 거쳐야 할까요? 
 

기존 OLED 디스플레이 센서 구현의 도전 과제

일반적으로, 모바일 기기의 전면 센서는 디스플레이 밝기 제어, 화이트 밸런싱, 얼굴 인증과 같은 기능을 수행합니다. 이러한 센서는 보통 디스플레이의 컷아웃(베젤)에 통합되었습니다. 이후 베젤리스 디스플레이가 출시된 것은 센서 제조업체들이 디스플레이 뒤에 통합할 수 있는 센서를 개발했다는 것을 의미합니다.

OLED 디스플레이와 ams OSRAM가 그 기술 선구자인 "비하인드 OLED" 센싱에서 센서는 OLED가 밀집된 디스플레이 평면 뒤에 배치되어야 합니다. 이 비하인드 OLED 센싱 기술을 구현하는 데는 OLED와 센서간 간섭을 피하기 위해 디스플레이 시스템과 센서 시스템을 긴밀하게 동기화해야 하는 과제가 존재합니다. BOLED 센서는 투과율이 매우 낮은(일반적으로 10% 미만) OLED 디스플레이 뒤에서 작동할 때 충분한 광 신호 강도를 제공하기 위해 매우 높은 감도를 제공해야 합니다. 그 밖에도, 별도의 평면(디스플레이용과 센싱용)에 시스템을 적층하여 센싱 디스플레이의 전체 높이가 증가합니다.

소형화를 넘어 - 디스플레이 보드에 평면 내 센서 통합을 위한 공간 제공

차세대 기술 혁신인 MicroLED는 매우 작은 크기로 매우 높은 밝기를 제공합니다. 아직까지 microLED의 기계적 특징에 대한 업계 표준 규격은 없으며, 일부 제조업체는 측면 길이가 50µm인 장치를 'microLED'로 분류합니다. 하지만, ams OSRAM은 이러한 장치는 시장에 파괴적인 영향을 미치기에는 그 크기가 너무 크다고 생각합니다. ams OSRAM은 자사의 소형화 전문성을 활용하여 칩 가장자리 길이를 10µm 미만으로 만들고 있습니다. 이 크기의 microLED는 너무 작아서 육안으로 볼 수 없습니다.

실제로 RGB microLED는 매우 작고 매우 높은 전류로 구동할 수 있어 매우 높은 해상도의 출력과 높은 밝기를 유지하면서 넓은 공간도 가질 수 있습니다. 디스플레이 엔지니어들은 이것을 '충진율'(전체 microLED 면적 대 전체 픽셀 면적의 비율)이 낮다고 합니다. 낮은 충진율은 microLED 주변에 여유 공간이 있다는 것을 의미합니다. 이러한 공간은 사람의 눈에는 보이지 않지만, 마이크로 포토다이오드(microPD)와 근적외선(NIR) microLED와 같은 센서 구성 요소를 수용할 수 있을 정도로 충분히 큽니다(그림 1 참조). microPD는 NIR microLED에 의해 방출되고 디스플레이 표면을 터치하는 손가락과 같은 개체에 의해 반사되는 입사광 또는 비가시광을 측정하는 광학 센서의 핵심 구성 요소입니다.

그림 1: microLED의 작은 크기는 디스플레이의 이미터 보드에 센서를 위한 공간을 제공한다

 

향상된 새로운 센서 기능

microLED가 제공하는 평면 내 센싱 아키텍처는 센서 요소들을 실질적으로 보이지 않게 하고 디스플레이와 센서의 적층 필요성을 제거할 뿐만 이나라 또 다른 강력한 이점을 제공합니다. 그것은 센서 구성 요소를 RGB microLED와 동일한 면에 배치함으로서 커버 유리를 통해 방해받지 않는 시야를 확보할 수 있다는 것입니다. 이는 OLED 디스플레이에서 이미 발견된 센서의 구현을 단순화할 수 있습니다.

그 밖에도, microLED 디스플레이에서 광학 센서 기능의 픽셀화(그림 2 참조)는 새로운 사용 사례와 센서의 구현을 가능하게 합니다. 

microLED 센싱 디스플레이는 다음과 같은 향상된 새로운 센서 기능을 지원할 수 있습니다.

  • 주변광 센싱이 전체 디스플레이에 분포하는, 디스플레이 로컬 밝기 제어
  • 카메라 및 디스플레이 화이트 밸런싱
  • 근접 센싱
  • 생체 신호 모니터링
  • 오늘날 휴대폰에서 지문 인식에 사용되는 초음파 센싱과 같은 서브시스템이 필요 없는 지문 인식. 이로 인해 지문 센싱 영역을 확대하고 전체 센싱/디스플레이의 적층 높이를 줄일 수 있습니다.
  • 터치 센싱
  • 제스처 인식, 컴퓨터 이미징을 결합한 센싱 요소에 방향성을 추가하여 구현할 수 있습니다.

그림 2: 다양한 센서가 동일한 NIR microLED와 microPD를 공유할 수 있고, 구성 요소의 분포는 유연하여 센서 요구 사항에 따라 고밀도 및 저밀도 영역이 가능하다.

 

ams OSRAM의 Rainer Minixhofer와 Jean-Jacques Drolet은 정보 디스플레이 학회(SID)를 위해 작성한 논문에서 디스플레이 내 센싱을 위한 microLED의 응용 및 기술에 대한 심층적인 고찰을 제공합니다.

 

디스플레이 제조를 위한 새로운 공급망

microLED로 구현되는 평면 내 디스플레이 센싱에 대한 비전은 향상된 센서 기능, 낮은 전력 소모 및 낮은 센서 비용을 제공하는 간단한 시스템 아키텍처입니다. 

이 비전이 현실화되고 평면 내 디스플레이 센싱을 사용한 첫 번째 제품이 출시되려면 여전히 필수적인 기술 개발 단계를 거쳐야 합니다. 센싱을 디스플레이의 평면 내에 통합할 때 광학 신호 체인은 RGB와 NIR 마이크로 이미터, microIC 픽셀 드라이버, microPD 및 리드아웃 회로, 신호 처리 회로, 기타 디스플레이 요소 및 장치의 SoC 간 연결을 제공하는 복잡한 인터페이스 세트가 필요합니다(그림 3 참조).

ams OSRAM은 기술 공급업체, 디스플레이 제조업체, 디스플레이 드라이버 및 시스템 온 칩(SoC) 제조업체, OEM, 고객 및 기타 이해 관계자들과 협력하여 평면 내 센싱의 도전 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. ams OSRAM은 평면 내 센싱을 출시할 수 있는 복잡한 새로운 공급망을 통합하는 데 필요한 협력, 표준 및 사양을 개발하고 있습니다.

그림 3; microLED 디스플레이 평면 내 센싱은 다수 공급업체의 시스템 및 구성 요소의 통합을 포함한다. 이 새로운 유형의 디스플레이를 생산하기 위해서는 새로운 유형의 공급망이 필요하다. μ구성 요소 옆에 센싱을 구현하려면 다음과 같은 세 가지 핵심 요소가 필요하다: (1) 센서 μ드라이버, (2) 디스플레이 통합 및 (3) SoC 지원.

 

신흥 microLED 시장을 주도하는 ams OSRAM

microLED가 구현할 수 있는 밝은 색상, 높은 대비 및 우수한 에너지 효율은 소비자 및 자동차 전자 제품 시장의 상당 부분에서 이 장치를 매우 가치있게 만듭니다. microLED 이미터와 함께 광학 센싱 기능을 통합할 수 있는 가능성은 광학 센서를 디스플레이 평면 뒤에 숨기는 OLED 디스플레이보다 microLED의 매력을 높일 수 있습니다.

ams OSRAM은 이미터 IP의 광범위한 포트폴리오, 광 반도체 및 센서 제조 및 패키징에 대한 고도의 전문성을 갖추고 있어 마이크로 LED 기술의 구현을 발전시키는 데 최적의 조건을 가지고 있습니다. microLED 구성 요소의 대량 생산은 회사의 비즈니스 및 기술 전략의 핵심입니다. microLED 기술에 필요한 단계적인 변화와 microLED 디스플레이에서 평면 내 센싱 구현의 어려움으로 인해 ams OSRAM은 지원 시스템을 개발하고 산업 에코시스템을 발전시켜야 할 필요성을 인식하고 있습니다.