디스플레이의 생산 효율 및 수율 증가를 위한 이미징 색도계 사용 방법 ①
최근 발광형 OLED, microLED(μLED) 및 miniLED가 디스플레이 시장의 차세대 기술로 떠오르고 있다. 이러한 디스플레이는 개별적으로 발광하는 픽셀요소 덕분에 다른 디스플레이 기술보다 더 효율적으로 향상된 디스플레이 성능과 시각적 외관을 보여준다.
OLED와 microLED는 모두 기존 LCD보다 명암비가 우수하고 이미지가 더 선명하며 검은색이 더 짙고 색상이 더 생생하다. 발광형 디스플레이는 백라이트가 필요하지 않아 더 얇고 가벼워 전력 소모가 적다. OLED는 또한 기존 기술보다 약 1,000배 빠른 응답 속도를 제공하여 빠르게 움직이는 3D 비디오에서 흐림을 거의 제거한다. MicroLED 는 응답 시간과 시야각 성능 면에서 OLED 기술과 맞먹지만 밝기와 견고성 면에서 OLED를 능가하며 전력 소비는 훨씬 더 낮다.
<그림1> 삼성의 219인치 microLED 디스플레이 ‘The Wall’
제조업체가 상업적으로 실행 가능한 방출형 디스플레이 제품을 출시하기 위해 노력함에 따라 재료 가격 및 제조 수율 문제로 인한 높은 비용은 광범위한 기술 채택을 어렵게 만들고 최종 고객에게 가격을 상승시킨다. 이는 대형 포맷 구현에서 가장 극적으로 나타난다. 스마트폰 시장은 지금까지 OLED 기술의 가장 성공적인 부문이었으며 다른 애플리케이션에 OLED 및 microLED를 장기적으로 채택하는 촉매제가 될 것이다.
DSCC(Display Supply Chain Consultants)는 스마트폰을 지배적인 OLED 시장으로 언급하며, 2022년까지 연간 약 91%의 유닛을 차지하고 매출 점유율은 약 79%를 차지할 것 이라고 한다. 2025년까지 최대 3억 3천만개에 달하는 시장에 도달할 것이다. 이러한 유형의 수요증가로 인해 제조 효율성의 개선이 필요하다.
<그림2> 스마트폰 시장이 OLED 채택을 주도하고 있다.[출처: DSCC 분기별 OLED 출하량 및 Fab 활용도 보고서]
대형 OLED의 제한된 샘플 microLED 디스플레이는 Samsung(The Wall) 및 Sony(Crystal-LED)와 같은 제조업체에서 선보인 반면, 소형 디스플레이는 계속해서 대량 생산에 적합하다. OLED와 microLED 모두 제조 복잡성으로 인한 낮은 생산수율과 일단 제조되면 시각적 품질 문제가 실행 가능한 시장 진입 시기에 영향을 미치고 완성된 디스플레이패널의 소매 가격을 상승시킨다.
현재 상업적으로 이용가능한 대형 OLED TV 는 가격이 수천 달러(USD)에 달하는 반면, microLED 화면은 여전히 대부분의 소비자에게 감당할 수 없을 정도로 비싸기 때문에 저렴한 고화질 LCD 및 LED 옵션이 가격이 저렴한 예산에 더욱 매력적이다. 새로운 방출형 디스플레이 유형의 대량 시장 채택과 현재 기술의 대체에 대한 가격 포인트는 훨씬 낮아야하며 제조에서 더 큰 효율성과 제어가 필요하다.
<그림3> 스마트폰이 microLED 시장도 주도할 것으로 예상된다. [출처: Yole의 MicroLED 디스플레이 보고서]
디스플레이 제조 과제
OLED 및 microLED 기술은 디스플레이 크기에 관계없이 제조공정에 몇가지 특수한 문제를 추가한다.
대형 OLED 스크린 제조는 기판에 유기 분자를 추가하는 증착방법의 비효율성(새로운 잉크젯 인쇄 방법 제외)으로 인해 지금까지 다소 비용이 많이 들었다. OLED 기술의 적용은 주로 스마트폰과 같은 작은 스크린 크기로 제한되었다. 마찬가지로 microLED 칩에서 전체 TV 화면을 생산하는 것은 지금까지 어려운 것으로 입증되었다.
MicroLED에는 새로운 조립 기술, 다이 구조 및 제조 인프라가 필요하다. 상용화를 위해 제작자는 대량 생산 속도를 달성하면서 미세한 정확도로 고품질을 산출하는 방법을 찾아야 한다. 비교 대상으로, miniLED 백라이트 화면은 수천개의 개별 miniLED장치로 구성될 수 있다. microLED 화면은 수백만개의 작은 LED로 구성된다.
microLED 디스플레이를 제작하려면 각 개별 microLED를 장치 어레이를 제자리에 고정하는 백플레인으로 옮겨야 한다. microLED 장치를 배치하는데 사용되는 이송 장비는 ±1.5μm 이내의 정확도로 높은 정밀도가 필요하다. 기존 픽 앤 플레이스 LED 조립 장비는 ±34 µm 정확도(전송당 다중 칩)만 달성할 수 있다. 플립 칩 본더는 일반적으로 ±1.5 µm의 정확도를 제공하지 만 한번에 하나의 장치에만 적용된다.
이러한 전통적인 LED 전송 방법은 모두 microLED의 대량 생산에 적합하지 않다. 시각적 품질 및 성능 문제도 있다. OLED 및 microLED 디스플레이 검사는 여러 면에서 LCD 검사보다 더 어렵다. LED 백라이트 를 사용하는 기존 LCD 디스플레이는 디스플레이 화면 전체에서 거의 균일한 휘도(밝기)와 색상 출력만 생성한다. 그러나 방사형 디스플레이 유형을 사용하면 디스플레이의 모든 개별 이미터가 높은 수준의 가변성을 가질 수 있다.
예를 들어, microLED는 LED이지만 기존 LED 크기의 1/100만 큼작을 수 있는 microLED에는 기존의 비닝 프로세스가 사실상 불가능하다. 이러한 컨트롤이 없으면 microLED의 밝기와 색상 균일성을 보장하는 것이 매우 어려울 수 있다. 발광형 디스플레이의 모든 픽셀 및 서브 픽셀 요소를 측정하고 정량화하여 결함을 식별하고 균일성을 보장하여 이러한 디스플레이의 높은 가격대에서 소비자가 기대하는 품질 수준을 생성할 수 있어야 한다.
시각적 품질 문제
▷ Line mura: OLED 제조 공정에서 재료는 기판에 증착되어 개별 서브픽셀을 형성하는 반면 초소형 마이크로 LED는 극도의 정밀도를 달성하기 위해 백플레인으로 전송된다. 이 프로세스가 완전히 균일하지 않으면 시각적 품질 측면에서 결함이 나타난다. 그러한 문제 중 하나는 디스플레이에서 잘 정의된 수평 및/또는 수직 방향으로 나타나는 line mura이다.
<그림4> 수정되지 않은 line mura가 있는 OLED 디스플레이의 이미지
▷ 서브 픽셀 휘도 성능: 발광형 디스플레이 픽셀은 빨간색, 녹색 및 파란색 서브 픽셀로 구성된다. 전류가 인가되면 각 서브픽셀이 개별적으로 켜지고 각 서브픽셀의 출력도 개별적으로 제어된다. 디스플레이의 각 픽셀의 밝기와 색상은 서브픽셀 출력을 결합하여 결정된다. 발광형 디스플레이 유형 제조 시 생산 불일치로 인해 디스플레이의 동일한 색상 서브 픽셀 전체에 동일한 전기 신호가 적용될 때 휘도에 변화가 있을 수 있다.
이로 인해 동일한 색상의 픽셀마다 밝기가 달라진다. 다양한 밝기 수준에서 빛을 함께 출력하는 각 색상의 서브 픽셀이 결합되면 밝기와 색상이 훨씬 더 가변적인 디스플레이 픽셀을 생성하므로 결과적으로 디스플레이의 전반적인 시각적 품질이 저하된다.
OLED 및 기타 방사형 디스플레이의 이러한 서브 픽셀 수준 가변 성은 LCD에서 발생하는 것과 다른 성능 문제를 초래한다. LCD 패 널에서 모든 픽셀은 동일한 백라이트의 빛에 의존하므로 인접한 픽셀은 일반적으로 동일한 휘도를 가지며 디스플레이 전체의 밝기는 상당히 균일하다.
<그림5> 서브 픽셀을 결합하여 다양한 색상과 밝기 수준의 픽셀을 만든다.
▷ 색상 불균일성: 디스플레이 서브 픽셀에서 일관되지 않은 밝기 수준의 또 다른 영향은 디스플레이 전체에서 색상 정확도와 색상 불균일성이 감소 한다는 것이다. 정확하고 균일한 색상을 얻으려면 동일한 색상의 개별 서브 픽셀 각각의 밝기를 엄격하게 제어해야 하다. 잘 통제 된 제조 공정 내에서도 방출형 디스플레이의 서브 픽셀은 밝기 수준에 상당한 변화가 있는 것이 현실이다. 이러한 차이가 보정되지 않으면 디스플레이 전체에 걸쳐 색상이 균일하지 않아 시각적 품질이 잠재적으로 허용되지 않는 수준으로 저하되어 생산수율이 감소할 수 있다.
<그림6> 잘못된 밝기 수준은 디스플레이에서 색상의 불균일성을 만든다.
흰색과 같 은 단일 디스플레이 색상을 생성하기 위해 다양한 출력의 서브 픽셀이 결합됨에 따라 균일성의 변동이 증가할 수 있다.
발광형 디스플레이용 이미징 색도계 애플리케이션
이미징 색도계 기반의 디스플레이 테스트 시스템은 기존 LCD 및 LED 디스플레이 화면의 품질을 개선하고 생산 비용을 줄이는데 성공했다. 테스트 애플리케이션은 스마트폰, 태블릿, 노트북, TV 및 디지털 사이니지를 포괄한다. 이러한 검증된 기술은 발광형 디스플레이 생산 테스트에도 적용할 수 있으므로 제조업체는 이 기 술을 OLED 및 microLED 디스플레이의 시각적 품질을 위해 동일한 장치에 통합할 수 있으며 동일한 긍정적인 투자 수익을 얻을 수 있다.
<그림7> 프로덕션 디스플레이 테스트 애플리케이션의 이미징 색도계 예.
(표시된 제품: Radiant Vision Systems ProMetric I 이미징 색도계).
디스플레이 테스트 시스템의 두 가지 기본 구성 요소는 다음과 같다.
• 밝기, 색상 및 공간(또는 각도) 관계에 대한 인간의 인식과 일치하는 디스플레이 시각적 성능의 정확한 측정을 제공하는 이미징 색도계. 고성능 이미징 색도계는 전체 디스플레이 휘도 및 색상 균일성뿐만 아니라 방출형 디스플레이에서 개별 서브 픽셀의 휘도(밝기)를 정확하게 측정할 수 있다.
• 테스트 실행 및 분석 소프트웨어는 결함 및 품질 문제를 식별하고 그 크기를 정량화하며 합격/불합격 결정을 위한 측정을 평가하기 위한 이미지 분석용 생산라인 소프트웨어이다. 이 소프트웨어에는 서브픽셀 출력의 가변성을 식별하고, 보정 계수를 계산하고, 방출형 디스플레이 고유의 편차를 수정하도록 조정할 수 있는 디스플레이 성능 보정 방법도 포함될 수 있다.
최종 라인 품질 개선을 통한 고객 경험 향상
전통적인 제조 공정에서는 디스플레이의 시각적 성능을 검수자가 육안으로 테스트하므로 납품된 제품의 시각적 품질을 제대로 제어할 수 없었다. 본질적인 가변성, 초고해상도 및 발광 디스플 레이의 높은 품질 기대치로 인해 시각적 품질을 보장하는 것이 훨씬 더 중요한 문제가 되고 있다. 인간 검사자는 전체 성능을 결정하는데 필요한 객관적이고 정량적인 수준으로 이러한 디스플레이의 시각적 품질을 일관되고 반복적으로 평가할 수 없다.
이미징 색도계를 사용하는 AVI(Automated Visual Inspection) 또는 AOI(Automated Optical Inspection)는 품질 관리 작업을 향상하여 제조 효율성을 높이고 브랜드 인지도를 보호하며 궁극적으로 사용자 경험을 향상시키는 여러가지 이점이 있다. 이미징 색도계를 사용한 자동 디스플레이 검사의 이점은 다음과 같다.
• 모든 시스템이 동일한 보정 및 테스트 정의를 공유하므로 라인 간, 위치 간 디스플레이 시각적 성능 테스트의 일관성 향상
• 객관적으로 ‘양호’ 또는 ‘불량’ 표시(합격/불합격)에 대한 정확한 허용 오차로 결함의 정량적 평가
• 향상된 테스트 속도로 동일한 시간간격 내에서 더 많은 테스트 를 실행할 수 있으므로 보다 신중한 평가와 더 나은 최종 제품을 보장하면서 처리량이 증가
• 상황별(전체 디스플레이) 품질 검사(예: 균일성 및 색상 정확도 확인) 및 미세 품질 검사(예: 픽셀 및 서브 픽셀 수준 결함 감지) 의 동시 평가
OLED 및 microLED 디스플레이 테스트에 적용할 때 이미징 색도계 기반 AVI는 테스트를 단순화하는 동시에 납품된 제품 품질 및 생산 비용을 최적화한다.
자료제공: RadiantVisionSystems(www.radiantvisionsystems.com)
