영상 색채계를 활용해 OLED 디스플레이의 생산효율 개선

영상 색채계 기반 검사 시스템은 LCD 디스플레이 및 LED 디스플레이 분야에서 품질 향상 및 생산 비용 절감에 큰 도움을 준다. 이렇게 입증된 기술을 OLED 디스플레이 생산 검사에 도입한 이가 있다. Raidant Zemax가 그 주인공이다. OLED 디스플레이를 보정하는 법과 이를 OLED 생산 라인에 적용하는 방법에 대해 다룬다.
자료제공 | Raidant Zemax(RadiantZemax.com)

OLED(Organic Light-Emitting Diodes, 유기 발광 다이오드)가 평면 디스플레이 시장에서 새로운 물결로 부상하고 있다. OLED는 다른 디스플레이 기술에 비해 낮은 전력과 비용으로도 스마트폰과 대형 TV 모두를 기술적으로 개선할 수 있는 디스플레이이기에 흥미로운 기술로 손꼽힌다. OLED는 여타 디스플레에 비해 검은 색이 더 어둡고 다른 색들도 더 선명하기 때문에 명암 비율이 뛰어나고 영상 전체가 뚜렷하다. 또한 조명을 요구하지 않는다는 점도 특징이다. 더 얇은 외관과 가벼운 무게를 위해 낮은 전력을 사용하기 때문이다. 또한 OLED는 응답성 측면에서 극적인 향상을 보여 기존 기술과 비교했을 때 천 배 이상 빠르다. 이런 특징으로 인해 고속 영상과 3D 영상에 흐림 현상을 제거할 수 있다.

OLED 제조업체는 OLED기반 제품을 상업화하기 위해 노력해왔으나, 제조수율 문제로 인해 제조비용이 상승함에 따라 광범위한 OLED 채택에 방해를 받고 있다. 이런 문제 때문에 고객이 지불해야 할 가격 역시 상승했다. 스마트폰 시장은 지금까지 OLED 기술이 가장 성공적으로 도입된 분야이며, 스마트폰 분야에서의 가능성은 여타 응용프로그램에서 OLED를 장기적으로 도입하는 데에 촉매제 역할을 할 것으로 보인다. 이와 관련해 Lux Research의 분석가들은 오는 2017년까지 전체 스마트폰의 3분의 1 이상이 OLED 디스플레이를 채택할 것이라고 예측하고 있다. OLED 분야의 생산 효율성이 빠른 시일 내에 개선되어야 하는 이유다.

OLED는 어두운 흑색과 선명한 컬러 영상을 활용하므로 명암과 대비에 강하다. 전력을 적게 사용하기 위해 가볍고 얇은 디스플레이를 탑재해 조명이 필요 없다.

대형 OLED TV 분야의 단기적인 시장 규모는 작은 편이다. 하지만 NPD Display Search의 분석가들은 2016년까지 OLED TV 출하량이 전체 TV 시장의 3%가량을 차지하게 될 것이라고 예측하고 있다. 제조업체들은 대형 OLED 디스플레이 분야에서는 일관적 영상 품질을 만들어내기 어려우며, 이는 곧 낮은 생산률로 이어진다는 사실을 깨달았다. 이는 시장 진입 시점을 늦추는 것은 물론, 대형 OLED TV의 소비자 가격 증가에도 영향을 미친다. 현재 대형 OLED TV의 가격은 1만 달러(한화 약 1100만 원)를 상회하며, 이 때문에 단순히 부유한 얼리어답터들의 관심을 끄는 데 그치고 있다. 즉, 적절한 가격으로 시장과의 타협을 이끌어내기 전까지는 현재 기술을 대체하기 어렵다.

 OLED 제조업체들의 과제

OLED 제조업체들은 디스플레이의 크기와 관계없이 제조 공정 전체에 걸쳐 몇 가지 과제에 직면해있다.

라인 무라(Line Mura)

OLED 제조공정은 개별적인 서브픽셀을 형성하면서 시작된다. 이 작업이 완전히 균일하지 않으면 최종 결과에서 라인 무라 오류가 발생한다. 라인 무라는 OLED 디스플레이에서 수평·수직 방향으로 명확히 정의하는 역할을 한다.

서브픽셀의 밝기 성능

OLED는 빛을 배출하는 유기반도체 소재를 이용하는데, 이는 전류를 흘릴 때 빛이 난다는 것을 의미한다. 이 때문에 OLED 디스플레이에는 조명이 없으며, 대신 적·녹·청색의 서브픽셀로 이루어져있다.

각 서브 픽셀은 개별적으로 결과를 출력하며, 출력되는 밝기(즉, 휘도)와 색상은 출력되는 서브픽셀의 조합과 이로 인한 화소의 수준에 의해 결정된다. 하지만 서브픽셀의 생산량이 계속 변화하기 때문에 디스플레이에 같은 색의 서브픽셀을 출력하기 위해 같은 양의 전기 신호 입력을 하는 데에도 휘도 차이가 있을 수 있다. 이는 픽셀과 픽셀 사이의 밝기에 의해 결정된다.
서브픽셀 레벨의 변화는 OLED 디스플레이의 LCD에 다른 여러 성능 문제로 이어진다. LCD 패널은 일반적인 조명을 사용하기 때문에 인접 픽셀의 밝기가 매우 균일하고, 따라서 인접 픽셀은 일반적으로 동일한 밝기를 가지고 있기 때문이다.

디스플레이의 색상 불균등

OLED 디스플레이 서브픽셀의 밝기 레벨 불일치 현상이 일으키는 두 번째 문제는 디스플레이 전체에 걸쳐 색상 정확도를 감소시키고 색상 불균등 현상을 일으킨다는 것이다. 정확하고 균등한 색상을 위해서는 각각의 서브픽셀이 세밀한 밝기 범위 안에 있어야 한다. 하지만 현실은 다르다. 원활한 제어 하에 있는 제조 과정이라 하더라도 OLED 디스플레이 서브픽셀에 큰 변화를 초래하기도 한다. 이런 변화를 교정하지 않으면 디스플레이 전체의 색 균등도가 줄어들고 화질 역시 용납하기 어려울 정도로 감소할 가능성이 있어 생산수율을 감소시킨다.

 OLED 디스플레이 제조를 위한 영상 색채계 응용프로그램

영상 색채계 기반 검사 시스템은 이미 LCD 디스플레이 및 LED 디스플레이 스크린에 적용되어 품질 향상과 생산비용 절감을 몸소 증명하고 있다. 검사 응용프로그램은 또한 스마트폰·태블릿·랩탑·모니터·텔레비전·디지털 간판 등 여러 시스템을 포괄적으로 검사하고 있다. 여러 분야에서 입증된 기술을 OLED 디스플레이 생산 검사에 손쉽게 적용할 수 있다.

구성 요소
이 시스템의 두 가지 주요 구성 요소는 다음과 같다.

① 영상 색채계. 영상 색채계는 밝기·색상·공간(혹은 기울기) 등이 인간의 지각과 일치하는지 검사함으로써 디스플레이의 시각적 성능에 대한 정확한 측정을 보장한다. 고성능 이미지 색채계는 전반적인 디스플레이 균일성뿐 아니라 OLED 디스플레이 서브픽셀의 개별적 밝기(휘도)도 측정할 수 있다.

② 검사 실행 및 분석 소프트웨어. 생산라인 이미지 분석을 위한 이 소프트웨어는 크기를 수치화하고 제품을 수량화하며 측정 결과에 따라 합격·불합격 여부를 판단한다. 이 소프트웨어는 디스플레이 성능 보정 기능을 탑재해 OLED 디스플레이 고유의 변화를 정확히 식별하고 측정할 수 있다.

배송(배분) 품질 향상
일반적 제조 과정에서는 사람이 디스플레이의 시각적 성능을 검사하고 있다. 최종 상품의 질 측면에서 가변성이 높기 때문이다. 이는 다시 말해 제품 품질이 제각각이라는 뜻이다. OLED 디스플레이의 품질을 높이고자 할 경우 품질 차이는 더 커진다.

하지만 사람이 이를 검사하기에는 한계가 있다. 사람은 고대비·고해상도 디스플레이를 일관적으로, 그리고 반복적으로 평가할 수 없다. 반면 Automated Visual Inspection(AVI)는 영상 색채계를 사용함으로써 품질 면에서 여러 장점을 가지고 최종 고객에게 이점을 선사한다.

① 선과 선 사이, 혹은 지점과 지점 사이에서 모든 시스템이 동일한 교정 및 검사에 대한 정의를 공유함으로써 검사 응용프로그램의 일관성을 높인다.

② ‘Good’부터 ‘Bad’까지 꼼꼼한 필터링을 통해 결함을 정확히 평가한다.

③ 검사 속도가 증가해 같은 시간동안 더 많은 검사를 실행한다. 이는 더 섬세한 평가와 더 나은 제품이라는 결과를 낳는다.

④ 전체 화면 품질(균일성 및 색상 정확도 등)과 미세한 규모 결함(픽셀 및 서브픽셀 레벨)을 동시에 평가한다.

OLED 디스플레이 검사에 영상 색채계 기반 AVI를 적용하면 공정 개선과 품질 개선 등 모든 검사를 단순화할 수 있다.

수익을 개선하기 위한 OLED 디스플레이 교정

OLED 디스플레이의 구조를 살펴보면, 수익은 심각하게 감소하는 반면 각 구성요소의 비용은 훨씬 높아지고 있다. 제조업체는 이런 현상을 극복하기 위해 전자 보상(electronic compensation)이나 교정 작업을 수행함으로써 디스플레이 영상 품질을 개선할 수 있다. OLED 디스플레이 교정 작업을 통해 각 서브픽셀 입력을 수정하여 휘도 균일성과 색상 정확도를 높임으로써 어둑하고 희미한 서브픽셀을 밝게 할 수 있다.

OLED 디스플레이용 전자 보정 작업을 수행하기 위해서는 몇 가지 요소들이 필요하다. 우선 개별 서브픽셀의 밝기를 정확하게 제어할 수 있고 픽셀별 보정 계수를 기반으로 밝기를 조절할 수 있는 디스플레이 전자가 필요하다. 또한 시스템은 개별 서브픽셀 밝기와 색상을 측정할 수 있어야 하며, 각각 요소들에 대해 특정하고 구체적인 보정 계수를 계산할 수 있어야 한다. 이 방법은 개별적 LED들로 이루어진 LED 디스플레이 분야에서 널리 사용되었다. Radiant Zemax는 OLED 평면 디스플레이에 이 기술을 적용하고 있다.

시스템은 OLED 디스플레이가 완벽히 조립되면 검사 이미지를 표시한다. 이를 통해 측정 및 보정 수치 계산을 할 수 있다. 예를 들어 서브픽셀이 모두 녹색인 ‘그린 스크린’ 현상이 발생하면 이를 샘플 이미지로 사용함으로써 영상 색채계를 통해 각 녹색 서브픽셀의 밝기를 측정하고 기록할 수 있다. 모든 기본 색상은 물론이고 흰색에서도 작업할 수 있다. 이 자료는 OLED 디스플레이의 일반적인 품질 검사 과정에서 수집할 수 있다.

각 서브픽셀의 밝기 수치를 얻고 나면 고유한 보정 계수를 계산한 뒤 이를 개별 서브픽셀의 전자적 입력에 적용할 수 있게 된다. 따라서 밝기가 정확하며 디스플레이 전체에 걸쳐 균일하다.

OLED 디스플레이에 완성된 정정 지도를 적용하면 색상 및 밝기의 정확도와 균일성 측면에서 상당한 개선을 이룰 수 있다. OLED 디스플레이에 이 방법을 적용하면 전자 보상 없이 품질 검사에서 실패를 거듭하던 제품이 합격 판정을 얻게 되고, 따라서 생산수율을 높일 수 있다.

 Radiant Zemax 솔루션

OLED 기술은 평면 디스플레이 분야의 차세대 기술로 유망하다. 하지만 스마트폰 시장을 넘어 여러 분야로 진출하기 위해서는 영상 품질과 생산수율과 관련한 기술적인 문제를 극복해야 한다. 현재 OLED 제조업체가 가지고 있는 문제점은 독특하고 동시에 다양하다. 하지만 이는 Radiant Zemax가 LED 화면 제조업체와 함께 LCD 생산 분야에서 이미 한 번 해결했던 기술적 문제와 흡사하다.

ProMetric 영상 색채계
Radiant Zemax의 ProMetric 영상 색채계는 고해상도와 고 정확도를 자랑하는 CCD 기반 이미지 시스템이다. ProMetric은 공간 인식, 각분포, 밝기(휘도) 그리고 색상 등이 인간의 시각과 일치하도록 조정한다. Radiant Zemax는 영상 색채계 분야에서 해상도 및 감도와 관련해 각기 다른 옵션을 가진 총 10가지 모델을 가지고 있다. 이는 이 분야의 여느 업체보다 두 배 이상 많은 수치다. Radiant Zemax의 제품들은 각자 특징이 상이한 OLED 디스플레이 검사 장비에 적합하며, 측정 정확도나 해상도 등의 요구사항에 따라 적합한 제품이 다르다.

TrueTest AVI 소프트웨어
OLED 디스플레이 분야에서는 정확한 측정이 성능을 좌우한다. 또한 최근에는 측정 성능이 상향평준화되어 측정 데이터 분석 능력이 성능을 좌우하는 열쇠가 된다. Radiant Zemax의 TrueTestAVI 소프트웨어는 자동화 비전 검사 소프트웨어로, 솔루션이 완료되면 사용자가 정의한 합격·불합격 기준을 바탕으로 검사 시퀀스를 구현해 데이터를 작성한다.

TrueTest는 소프트웨어 검사 제품군으로 OLED의 균일성 검사, 선 결함 및 픽셀 결함 감지, 대비(contrast) 측정 등의 시퀀스 및 검사 도구가 내장되어있다. 사용자는 TrueTest의 테스트 라이브러리 중 하나를 선택해 어떤 검사든 순서대로 진행할 수 있다. 검사 매개변수를 지정하고 합격 및 불합격 기준을 입력할 수도 있어 상황에 맞는 검사를 실현한다. TrueTest의 부가 기능인 TrueMura는 JND(Just Noticeable Difference, 현저한 차이) 무라 분석도구를 포함하고 있으며 BLOB 분석 기능도 있다. TrueTest 통합 소프트웨어는 정렬 기능 및 물결(Moire、) 패턴 제거 기능을 통해 간단하게 검사 설정을 마칠 수 있다. 운영자 모드를 실행해 검사 매개변수에 접속할 수 있는 권한을 차단함으로써 설정이 변하는 것을 방지한다. TrueTest는 검사하고자 하는 여러 모델의 구성 정보와 검사 매개변수 그리고 합격·불합격 기준을 저장할 수 있다. 뿐만 아니라 검사 도중에 합격 기준 데이터파일을 실시간으로 적용하거나 변경할 수도 있다.

통합 및 지원
Radiant Zemax ProMetric과 TrueTest을 결합한 솔루션을 실제로 구현하기 위해서는 생산라인에서 하드웨어 및 소프트웨어를 통합해야 한다. Radiant Zemax는 고객 및 설비업체와의 많은 작업 경험을 가지고 있고, 각종 기구 등 전체 턴키 솔루션을 제공한다. Radiant Zemax의 TrueTest 소프트웨어는 독립적으로 사용할 수 있다. 하지만 생산 제어 시스템(PCS)와 통합하는 것이 일반적이다. 시스템과 통합하면 PCS를 통해 Radiant Zemax 소프트웨어를 트리거할 수 있어 완전 자동화 검사를 구현한다. 혹은 합격·불합격 여부를 보고 및 전송한 뒤 이를 검사 자료로 만들 수도 있다. TrueTest는 비디오 패턴 생성기 및 바코드 리더기 혹은 이와 유사한 기기들과 함께 동작하도록 설정할 수 있다.

Radiant Zemax는 ProMetic과 TrueTest 솔루션에 대한 지원을 제공한다. Radiant Zemax는 엔지니어링·설치·교육·유지 보수·교육 등의 서비스를 제공하고 있다. 현재 미국·중국·영국에 이어 한국에 지원 직원이 있으며 현재 전세계 수천 개의 생산라인에 영상 색채계를 지원하고 있다.