MicroLED 디스플레이의 균일성 측정 및 수정 방법 ②

<이 기사는 총 2회에 나눠서 연재되는 기사로서, 지난 11월호에 이은 두번째 기사이다. 11월호에서는 MicroLED 디스플레이의 균일성 문제와 균일성 보정을 위한 방법 및 휘도·색도에 대해 알아보았으며, 이번 호에서는 다양한 측정 및 수정 방법을 테스트하고 실제 적용을 통해 시연해 보는 내용을 살펴본다.>

측정 정확도 연구, 삼자극 시스템

이번 연구는 ECC를 사용하는 CIE 삼자극 필터 영상 색도계 시스템(Radiant Vision Systems ProMetric I29 영상 색도계)의 색측정 정확도를 기준 측정기(분광복사계)와 비교해 보았다. 서로 다른 색상의 LED를 기준 측정기와 이미징 색도계로 측정했다. 

먼저 이미징 색도계를 각 LED의 기본 출력으로 보정했다(ECC 사용). 그런 다음 시스템은 서로 다른 출력 수준에서 각 LED를 측정했다. 이미징 색도계의 정확도는 시스템 보정 지점에서 LED 출력의 색채거리가 증가함에 따라 참조 미터 측정값을 일치시키는 능력으로 정의되었다.

<그림1> 컬러 및 백색 LED 테스트 소스 전체의 색상 변화에 대한 삼자극 시스템(ProMetric I29 이미징 색도계) 정확도 범위.

<그림2> 보정 지점(x축)에서 주 파장의 ±nm 변화를 기준으로 각 전류 레벨(기준 분광복사계로 측정)에서 실제 LED 소스 변동을 보여주는 플롯. 이 축은 각 LED에 대해 관찰된 변동 범위를 제공한다. 삼자극 시스템(ProMetric I29) 측정 정확도는 각 LED 소스(y축)에 대한 각 전류 수준에서 기준 측정값과 ±nm 차이로 표시된다.

결과: <그림1>과 <그림2>에 표시된 표 측정 데이터는 삼자극 시스템이 도입된 LED 소스 변동에 걸쳐 정확한 휘도 및 색도 값을 제공한다는 것을 보여준다. 삼자극 시스템은 각 LED 테스트소스(각 공급 전류에 서)에 의해 나타나는 거의 전체 변동 범위를 정확하게 측정한다.

이러한 결과는 삼자극 시스템이 광원이 보정 지점에서 크게 달라지더라도 휘도와 색도 모두에서 높은 정확도로 컬러 LED를 정확하게 측정하는 데 적합하다는 것을 보여준다. 이 연구에서 대부분의 LED 테스트 소스에 도입된 변동성은 microLED의 예상 변동성을 초과했다. 소스 변동이 높거나 변동에 대한 허용 오차가 제한적인 경우 효율적이고 정확한 디스플레이 보정을 보장하기 위해 삼자극 시스템이 권장된다.

결과는 또한 백색 LED에서 정확하게 측정하기 위한 삼자극 시스템의 견고성을 보여준다. 이러한 결과는 삼자극 이미징 색도계를 웨이퍼 레벨 검사, microLED 디스플레이용 픽 앤 플레이스 애플리케이션, 유색 LED 및 백색 LED 모두에 대한 일반적인 비닝 작업에 사용할 수 있음을 나타낸다.

측정 정확도의 중요성, 픽셀 수준 분해능
 

microLED 크기는 100µm 미만에서 3µm(인간 머리카락 너비의약 1/10)까지 다양하다. 개별 microLED의 작은 영역 내 측정 정확도는 높은 이미징 시스템 해상도에 따라 달라진다. 디스플레이 보정을 통해 수율을 높이려면 주어진 microLED에 특정한 결함과 휘도 또는 색도 값을 수정할 수 있도록 개별 microLED 이미터를 정밀하게 분리하고 측정할 수 있어야 한다.

고해상도 이미징 시스템은 각 microLED에 적용된 광 감지 요소(센서 픽셀)의 수를 최적화하고 디스플레이의 모든 microLED를 한 번에 측정하여 적절한 택트 시간 내에 보정 프로세스를 완료할 수 있도록 충분한 해상도를 제공한다.

microLED 패널은 일반적으로 4~8인치 웨이퍼에서 성장하는 칩형태의 수백만 픽셀로 구성된다. 각 픽셀에는 빨간색, 녹색 및/또는 파란색 서브 픽셀의 일부 조합이 포함된다. 디스플레이를 제작하려면 각 microLED 칩(픽셀)을 장치 어레이를 제자리에 고정하는 기판 또는 백플레인(패널)으로 옮겨야 한다. 측정은 일반적으로 웨이퍼 수준 및 패널 수준에서 microLED 생산 중에 수행된다.

디스플레이 산업의 일반적인 시각적 성능 표준은 디스플레이당 10개 미만의 데드 픽셀(dead pixel)을 허용하므로 에피택셜 수율 (epitaxial yield)이 매우 높아야 한다. 웨이퍼의 각 microLED를 측정하여 균일성을 결정하고, 다이의 개별 분포를 확인하고, 빨간색, 녹색, 파란색 및 때때로 흰색 microLED의 휘도를 측정해야 한다. 웨이퍼가 백플레인에 증착되면 제조업체는 전체 패널에 걸쳐 휘도 및 색상 분포의 전반적인 균일성을 확인해야 한다.

microLED 디스플레이 품질을 보장하는 첫 번째 단계는 LED, 칩 및 웨이퍼 단계에서 검사 및 측정하여 데드 픽셀 가능성을 줄이고 휘도 및 파장(색도) 균일성을 보장하는 것이다.

<그림3> microLED 웨이퍼의 클로즈업 이미지

<그림4> Radiant ProMetric Imaging Colorimeter와 10X 줌에서 50 µm 거리를 보여주기 위해 확대된 Radiant Microscope Lens로 촬영한 서브픽셀 측정(메인 이미지)의 예(삽입 이미지).

• 웨이퍼 레벨 측정: microLED 웨이퍼 검사를 위해 제조업체는 개별 서브 픽셀(microLED) 수준에서 성능을 평가해야 한다. 표준 렌즈 또는 현미경 렌즈 옵션이 있는 고해상도, 저노이즈 이미징 색도계를 이 프로세스에 사용할 수 있다. 현미경 렌즈는 예를 들어 5X 또는 10X 확대(장치 영역에 적용되는 이미징 시스템의 유효 해상도의 5~10배)로 객관적인 측정을 제공하여 각 개별 방출 요소를 자세히 측정할 수 있다(그림5).

고해상도 이미징 시스템과 함께 사용하는 경우 현미경 렌즈를 사용하면 측정 정밀도를 높이기 위해 여러 센서 픽셀에서 모든 디스플레이 픽셀을 캡처할 수 있다. 이러한 유형의 시스템은 디스플레이 서브 픽셀 평가 및 개별 microLED의 특성화에 효과적이다.

<그림5> Radiant ProMetric으로 촬영한 서브픽셀 측정(메인 이미 지)의 예와 50μm 거리를 표시하도록 확대된 이미징 색도계와 복사 현미경 렌즈 10배 줌(삽입 이미지).

• 패널 수준 측정: 개별 microLED 칩이 백플레인으로 전송되면 표준 렌즈가 있는 이미징 색도계를 사용하여 전체 패널에서 휘도 및 색상 균일성을 측정할 수 있다. 이미징 색도계의 장점은 단일 이미지에서 넓은 영역을 캡처하여 사용자가 디스플레이를 보는 것처럼 불균일성을 빠르고 정확하게 감지하고 측정할 수 있다는 것이다.

고해상도 이미징 시스템은 수정이 가능하도록 패널 수준에서 픽셀 및 서브픽셀 수준 측정을 계속 제공할 수 있다. 이 단계에서 휘도, 색도 또는 균일성을 평가하기 위해 제조업체는 각 디스플레이 픽셀의 좌표 위치에서 정확한 데이터가 필요하다. 그런 다음 계수 계산기로 다운로드하여 디스플레이 균일성 보정을 위한 계수를 결정하고 적용할 수 있다.

이 프로세스는 초고해상도 이미징 시스템의 경우에도 패널 수준에서 이미징 정확도에 대한 요구를 증가시킨다. 삼자극 필터 휠을 사용하는 측정 시스템은 단일 측정을 위해 여러 이미지(각 색상 채널당 하나씩)를 결합하여 각 이미지를 전체 센서 해상도로 결합하여 해상도를 최대화한다.

픽셀 등록 및 측정을 개선하는 방법
 

Demura 방법은 전 세계적으로 대량 생산되는 수백만 OLED 디스플레이의 시각적 품질을 보장하는 데 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 microLED는 디스플레이 해상도와 픽셀 피치를 기하급수적으로 증가시킬수 있는 잠재력을 제공하므로 정확한 측정(demura 1 단계) 및 수정(2단계 및 3단계)을 계속 달성하기 위해 서는 새로운 접근 방식이 필요하다.

정확한 픽셀 수준 측정은 각 픽셀을 충분히 분리하고 출력 값을 정확하게 정량화하는 측정 시스템의 기능에 의존한다. 위에서 설명한 것처럼 이미징 시스템 해상도는 각 개별 디스플레이 픽셀을 커버하는 데 사용할 수 있는 광감지 요소(센서 픽셀)의 수를 결정한다.

디스플레이 픽셀당 더 많은 센서 픽셀을 적용하면 정확한 픽셀 등록 및 측정을 위해 이미징 시스템에서 획득한 데이터의 세분성이 증가한다. 전체 디스플레이 해상도가 증가함에 따라 효율성을 보장하기 위해 단일 이미지의 모든 디스플레이 픽셀에 대한 측정값을 계속 캡처하면서 디스플레이 픽셀당 충분한 센서 픽셀을 적용하는 이미징 시스템의 기능이 감소한다.

Radiant는 고해상도 디스플레이의 서브 픽셀을 분리하고 측정하는 이미징 시스템의 기능을 크게 향상시키는 것으로 입증된 두 가지 방법인 ‘간격 픽셀’ 방법과 ‘분수 픽셀’ 방법을 개발했다.

• 간격 픽셀 방법(Spaced Pixel Method): 간격 픽셀 측정 방법(미국 특허 9135851)은 한 번에 디스플레이 픽셀의 서브 집합에만 측정 시스템의 전체 이미지 센서 해상도를 적용하여 유효 해상도를 개선한다. 이 방법의 경우 테스트 소프트웨어는 측정 시퀀스의 일부로 디스플레이 화면에 표시되는 일련의 도트 매트릭스 테스트 패턴을 사용한다.

각 패턴은 디스플레이 서브 픽셀의 서브 집합을 비추고 나머지는 꺼진다(그림6). 이미징 시스템은 각패턴에 대해 ‘켜진’ 픽셀의 출력(휘도 또는 색도)을 측정한다. 후속 테스트 이미지는 매트릭스를 조정하여 첫 번째 픽셀 세트를 끄고 측정을 위해 다음 픽셀 세트를 켠다. 이 프로세스는 디스플레이의 모든 픽셀이 측정될 때까지 반복된다.

<그림6> 간격 픽셀 측정 중에 일련의 도트 매트릭스 패턴은 디스플레이의 모든 픽셀에 대한 값이 획득될 때까지 픽셀 세트를 비춘다.

이 프로세스는 각 디스플레이 픽셀에서 측정의 유효 해상도를 증가시켜 각픽셀 출력의 격리를 보장하므로 모든 임의 해상도의 디스플레이에서 측정 계산의 정확도가 높아진다. 간격 픽셀 측정 방법의 이미지는 분석을 위해 단일 합성 이미지로 결합되며 각 픽셀의 x,y 좌표 위치에서 값을 비교하여 균일성을 결정한다. 소프트웨어는 각 디스플레이 픽셀에 필요한 보정 계수를 계산하고 각 픽셀의 좌표 위치에 보정을 적용하여 디스플레 이가 균일해질 때까지 값을 조정한다.

간격 픽셀 방법은 이미지 기반 시스템의 측정 해상도에 대한 요구 사항을 줄여 측정 정확도를 높인다. 그러나 이 방법은 여러 개의 이미지가 필요하기 때문에 택트 타임도 증가한다. 이에 비해 분수 픽셀 방법(다음 섹션에서 설명)은 택트 시간을 늘리지 않고도 측정 정확도를 향상시킨다.

예를 들어 분수 픽셀 방법을 사용하면 일반적인 스마트폰 디스플레이를 측정하는 데 단일 이미지만 필요하다. 따라서 분수 픽셀 방법은 많은 생산 수준 테스트 및 보정 응용 프로그램에서와 같이 더 짧은 택트 시간이 필요할 때 이점을 제공한다.

• 분수 픽셀 방식 (Fractional Pixel Method): 분수 픽셀 방법(미국 특허 10971044)은 디스플레이 픽셀당 이미징 센서 해상도가 제한되는 측정 시나리오를 다루므로 표준 해상도의 측정 시스템이 전체 디스플레이의 단일 이미지 측정에서도 오늘날의 고해상도 디스플레이를 계속해서 정확하게 측정하고 수정할 수 있다.

첫째, 분수 픽셀 방법은 픽셀 정합을 최적화한다. 픽셀 정합은 측정 이미지의 각 픽셀 주변에 관심 영역(ROI)을 동적으로 찾아 설정하는 방법이다. 기존의 측정 방법에서 ROI는 이미징 시스템의 센서 픽셀 어레이에 정렬된다. 그러나 디스플 레이 해상도가 측정 시스템 해상도에 비해 계속 증가함에 따라 디스플레이 픽셀의 중심이 센서 픽셀의 중심과 정렬되지 않을 가능성이 높아져 ROI가 각 픽셀을 정확하게 덮고 격리하는 능력이 감소한다.

이러한 오정렬은 측정 오류를 초래할 수 있다. 이에 비해 분수 픽셀 방법은 부동 소수점을 사용하여 각 디스플레이 픽셀 주위에 등록영역을 설정하고 이 ROI를 픽셀 전체에서 가장 높게 측정된 휘도를 기반으로 디스플레이 픽셀의 중앙에 정렬한다.

둘째, 분수 픽셀 방법은 픽셀 측정을 최적화한다. 분수 픽셀 방법은 ROI 내에 포함된 각 센서 픽셀의 분수 영역을 기반으로 픽셀 값을 계산한다(그림7의 오른쪽 이미지 참조). 이것은 ROI 내에 부분적으로 포함된 센서 픽셀의 전체 영역에서 값을 인수화하는 기존의 ‘전체 픽셀’ 방법보다 측정된 값의 정밀 도를 향상시킨다(그림7 왼쪽 이미지 참조).

분수 픽셀 방법은 단일 이미지 캡처를 사용하여 이전에 가능했던 것 이상으로 초고 해상도 발광 디스플레이에 대한 픽셀 수준 측정의 정확성을 보장한다. 분수 픽셀 방법을 사용하면 해상도가 제한된 이미징 시스템(디스플레이 해상도에 비해)이 단일 이미지에서 디스플레이 전체의 픽셀 수준 값을 계속해서 효과적으로 측정할 수 있으므로 측정 정확도를 낮추지 않고 택트 시간을 늘릴 수 있다.

<그림7> 기존의 전체 픽셀 측정 방법과 부분 픽셀 방법의 비교 그림. 기존 방식(왼 쪽)은 ROI 내부 면적이 50% 이상인 센서 픽셀의 데이터를 100%, ROI 내부 면적이 50% 미만인 센서 픽셀의 데이터를 0%로 디스플레이 픽셀을 측정한다. ROI. 분수 픽셀 방법(오른쪽)을 사용하여 디스플레이 픽셀은 ROI 내부의 센서 픽셀 영역의 백분 율을 기준으로 데이터의 백분율을 사용하여 측정된다.

삼자극 이미징 색도계 시스템, 효율적인 품질 관리 솔루션
 

MicroLED 디스플레이는 경쟁이 치열한 소비자 장치 시장에서 빠르게 자리를 잡고 있다. 개발자들은 비용 효율적인 프로세스와 높은 수율을 유지하면서 성능을 제공하고 고객의 기대를 뛰어넘는 생산 솔루션을 찾기 위해 경쟁하고 있다.

결함, 색상 또는 밝기의 차이 및 기타 불규칙성은 구매자 만족도를 빠르게 떨어뜨리고 브랜드 평판을 손상시키며 시장 점유율을 잠식할 수 있다. 이러한 문제를 부품 수준에서 해결하고 수정할 수 없다면 낮은 수율과 높은 생산 비용으로 인해 대량 생산 및 시장 상용화를 위한 마이크로 LED 디스플레이 기술의 실행 가능성이 저해될 것이다.

고해상도 삼자극 이미징 색도계 시스템은 microLED 디스플레이의 생산 벤치마크를 지원하는 효율적인 품질 관리 솔루션을 제공한다. 이러한 시스템은 픽셀 및 서브픽셀 수준에서 정확한 데이터를 캡처하기 위해 컬러 필터 방법, 보정 및 서브픽셀 측정 기능에 의존하므로 디스플레이 수정이 가능하다.

자료제공: Radiant(www.RadiantVisionSystems.com)