MicroLED 디스플레이의 균일성 측정 및 수정 방법 ①
최근 MicroLED(micro-LED, mLED 또는 µLED라고도 함)의 입증된 디스플레이 성능들이 차세대 백라이트 및 직접 조명 기술 분야에 지속적으로 발표되고 있다. MicroLED 디스플레이는 일반적 으로 디스플레이의 개별 픽셀 및 서브 픽셀 요소를 형성하는 미세한 LED(발광 다이오드) 어레이로 구성된다. 이 무기 발광 기술은 높은 밝기와 명암비, 넓은 색 영역, 긴 수명, 높은 픽셀 밀도 등 다른 디스플레이 기술에 비해 많은 이점을 제공하여 완전한 암흑에서 완전한 일광에 이르기까지 다양한 주변광 조건과 시야각에서 성능을 향상시킨다.
이러한 특성 덕분에 microLED는 스마트폰 및 시계, 증강 및 혼합 현실(AR/MR, augmented- and mixed-reality), 자동차 디스플레이 패널 및 디지털 간판과 같은 응용 분야에서 특히 매력적이다. 이에 따라 microLED 기술에 대한 상당한 투자가 이뤄지고 있으며 오는 2025년까지 최대 3억3000만 개로 시장을 예측하고 있다.
그러나 제조업체가 실행 가능한 대량 생산 및 상용화를 달성하기 전에 고품질 microLED 패널 제조와 관련된 문제를 해결해야 한다. 고객은 합리적인 가격으로 높은 수준의 시각적 품질과 성능을 기대하게 마련이다. 부품 및 생산 비용을 낮게 유지하기 위해 제조업체는 수율을 높이면서 폐기물을 줄이는 품질 관리 솔루션이 필요하다.
균일한 백라이트에 의존하는 기존 LCD 디스플레이와 달리, microLED는 일반적으로 픽셀 수준에서 휘도 및 색상 변화를 나타내는 개별 이미터(emitter)이다. 이 색상 변화는 디스플레이 전체에서 시각적 균일성을 보장하기 위해 각 microLED를 개별적으로 측정하고 조정해야 한다. microLED 제조를 위한 측정 및 보정시스템은 각 방출 요소(개별 LED 또는 서브 픽셀)의 출력을 정확 하게 정량화할 수 있어야 한다. 동시에 시스템은 단일 디스플레이 에서 많은 양의 이미터를 수정하고 폐기물이 적고 대량 생산 프로 세스를 지원하기 위해서는 매우 낮은 택트타임(Tact Time)이 필수적이다.
▲ 매우 작은 크기를 사용하는 microLED 서브픽셀 어레이
<그림1> microLED 패널의 이 클로즈업 이미지는 디스플레이 전체에서 다양한 픽셀 출력으로 인한 잠재적인 휘도 및 색상 균일성 문제를 보여준다.
<그림2> 디스플레이 전체에서 색상이 다른 영역(디스플레이 픽셀) A, B 및 C(왼쪽 중앙)를 확대한 색상 가변성(가장 왼쪽)이 있는 방출 디스플레이의 그림이다. A, B 및 C(오른쪽)에 대한 스펙트럼 데이터의 예.
MicroLED 디스플레이의 균일성 문제
일관되고 균일한 외관을 달성하는 것은 microLED 디스플레이 개발, 생산 및 상용화의 중요한 과제였다. 개별 발광 요소인 microLED는 독립적으로 구동되며 휘도(그림1) 및 색상(그림2) 에서 높은 수준의 가변성을 나타낼 수 있다. 이러한 변동성은 모양을 개선하기 위해 보정을 적용하지 않는 한 microLED 디스플 레이를 사용할 수 없게 만들 수 있다.
각 microLED는 일반적으로 출력이 다른 서브 픽셀과 결합되어 단일 디스플레이 픽셀의 전체 밝기와 색상을 생성하는 단색 서브 픽셀(빨간 색, 녹색 및 파란색)이기 때문에 가변성이 복잡해진다. 서브 픽셀 및 픽셀 수준의 이러한 가변성은 디스플레이 전체에 걸쳐 균일하지 않은 모양으로 나타나서 수용 가능한 디스플레이의 낮은 수율, 값비싼 구성 요소의 불량 또는 비용이 많이 드는 재작업을 초래한다(그림3).
<그림3> microLED 디스플레이 출력(아래 그림)과 비교한 DCP-P3: D65(위 그림)의 대상 색역에 대한 입력 신호, 지배적인 수직 불균일 패턴과 블록별 스탬프 마크가 명확하게 보인다.
microLED 서브 픽셀(일반적으로 빨간색, 녹색 및 파란색)의 측정은 디스플레이 출력을 정량화, 평가 및 잠재적으로 수정하는 데 필요하다.
그러나 microLED는 휘도 및 색상, 크기, 근접성(작은 픽셀 피치/밀도) 및 디스플레이당 수량의 가변성으로 인해 정확하게 측정하기가 어렵다. 이로 인해 특히 상업적 생산 처리량을 지원하는 데 필요한 속도에서 수정하기가 똑같이 어렵다.
발광 디스플레이의 경우 개별 픽셀 및 서브 픽셀 발광 요소의 출력을 감지하고 정량화할 수 있는 새로운 측정 방법을 통해 디스플레이 균일성 보정이 가능하다. 이제 각 픽셀의 휘도 및 색도 출력을 측정하고 보정하여 균일한 모양의 디스플레이를 생성할 수 있다. 픽셀 균일성 보정 또는 ‘Demura(데무라)’라고 하는 이 프로세스는 각 마이크로 LED에 대한 정확한 보정 계수를 계산하기 위해 서브 픽셀 수준 휘도 및 색상 측정의 정확도에 의존한다.
발광 디스플레이 수정을 통한 수율 향상
디스플레이 크기가 확장됨에 따라 수율이 급격히 감소하고 각 구성 요소의 비용이 훨씬 높아진다. 특정 시점에서 제조업체는 디스플레이 이미지 품질을 개선하기 위해 보정을 수행할 수 있다. 개념은 간단하다. 발광형 디스플레이의 개별 서브 픽셀에 대한 입력을 수정하면 희미한 픽셀을 균일한 밝기 수준으로 조정할 수 있으므로 디스플레이 전체에서 휘도 균일성이 향상되고 색상이 정확해진다. 디스플레이 픽셀 균일성 보정을 위해서는 먼저 개별 서브픽셀의 밝기를 제어하고 각 서브픽셀에 대해 계산된 보정 계수를 기반으로 조정할 수 있는 디스플레이 내 전자 장치가 필요하다.
둘째, 개별 서브픽셀 밝기와 색상을 정확하게 정량화하고 각각에 대한 특정 보정 계수를 계산할 수 있는 측정 시스템이 필요하다. 이 방법은 원래 LED 비디오 화면(예: 야외 경기장 디스플레이)을 보정하기 위해 개발되었으며 demura 픽셀 균일성 보정 기술을 사용하여 오늘날의 소형 고해상도 발광 디스플레이(OLED 및 microLED) 에 맞게 조정되었다.
Demura 방법은 다음의 세 가지 단계를 사용한다.
1. 디스플레이의 각 서브 픽셀을 측정하여 고해상도 이미징 색도계를 통해 각 픽셀 좌표 위치에서 휘도 값을 계산한다. 각 서브픽셀에 대한 정확한 측정 값이 필수적이다. 테스트 이미지는 각 색상 세트의 서브픽셀을 대상으로 화면에 표시되어 각 세트에 대해 측정 및 보정 계수를 계산할 수 있다. 예를 들어 모든 녹색 서브 픽셀을 비추는 녹색 테스트 이미지를 표시할 수 있다. 이미징 색도계는 각 개별 녹색 서브 픽셀의 출력을 측정한다. 이것은 모든 기본 색상과 일반적으로 흰색에 대해 반복된다.
2. 각 픽셀의 좌표 위치에서 계수 계산기로 측정 데이터를 로드한 다. 테스트 분석 소프트웨어는 디스플레이의 픽셀 간 휘도 및색도 불일치를 정규화 하는데 적용할 수 있는 보정 계수를 계산하는 데 사용된다.
3. 외부 제어 IC(집적 회로) 시스템을 사용하여 각 픽셀 위치에서각 서브픽셀의 신호에 보정 계수를 적용한다.
MicroLED 측정 시 고려 사항
microLED 이미터를 개별적으로 측정하고 수정하려면 단일 디스 플레이에서 많은 양의 이미터를 최대한 효율적으로 측정하고 수정하여 대량 생산 공정을 지원하는 솔루션이 매우 낮은 택트 시간 (takt times)을 제공할 수 있어야 한다.
다양한 디스플레이 계측 시스템은 microLED 색상 측정의 다양한 문제에 적용될 때 장점과 단점을 제공한다. 예를 들어 분광 방사 측정 시스템은 높은 수준의 색상 정확도를 달성할 수 있지만 택트 시간이 느리기 때문에 전체 microLED 디스플레이를 구성하는 수백만 개의 픽셀을 측정하기에는 비효율적인 솔루션이다.
또한 분광 방사 측정 시스템은 일반적으로 개별 microLED 방출기의 가장 정확한 측정을 제공하기에는 너무 큰 스폿 크기를 가지고 있다. 일반적인 microLED는 100µm 미만의 정사각형이며 50µm 미만이 매우 일반적이며 일부는 3µm만큼 작다. 따라서 직경이 0.075mm 이상인 구조를 측정할 수 있는 측정 시스템은 차별화하기에 충분하지 않다. 75µm보다 작은 개별 microLED 픽셀의 특성을 측정한다.
생산 택트 시간 요구 사항을 충족하기 위해, 머신 비전 카메라와 같은 일부 자동 육안 검사 시스템은 고속 측정을 제공하도록 설계되었다. 그러나 이러한 시스템에는 특히 픽셀 수준에서 휘도및 색도 값의 미묘한 차이를 정량화하는 데 필요한 측광 및 비색 정확도가 없다.
표시되는 바와 같이 보정된 고해상도 이미징 색도계는 생산 검사에 필요한 정확도와 속도를 모두 제공하므로 microLED의 픽셀 수준 측정을 위한 효과적인 솔루션을 제공한다. 상업적 제조 수요를 해결하기 위한 최적의 측정 솔루션은 다음과 같다.
• 이미징 색도계: 이미징 광도계 및 색도계 시스템의 장점에는 효율성이 포함된다. 단일 이미지에서 디스플레이 전체의 모든 의미 있는 변화를 감지하고 휘도, 색도, 균일성, 대비, 픽셀 결함 등여러 측정을 한 번에 수행할 수 있는 기능이다. 또 다른 장점은 범위이다. 사용자가 장치를 보는 것처럼 디스플레이의 전체 시야(FOV)를 단일 이미지로 캡처하는 기능을 갖고 있다. 이미징 광도계는 휘도를 측정하는 반면 색도 측정에는 이미징 색도계가 필요하다.
• 높은 해상도: microLED 측정 시스템에는 고해상도 이미징 기능이 있어야 한다. 고해상도 이미징은 측정을 위해 각 픽셀과 서브 픽셀을 구별하고 격리하는 데 필요한 정밀도와 점점 더 높아지는 고해상도, 픽셀 밀도 디스플레이에서 모든 픽셀의 값을 단일 이미지로 캡처하는 효율성을 제공한다.
• 저노이즈: 저노이즈 이미징 기능도 필요하다. 이미지 노이즈(읽기 노이즈, 샷 노이즈 또는 전자 노이즈를 포함할 수 있음)는 이미지의 선명도를 방해한다. 이미징 시스템의 해상도(센서의 메가픽셀 수)가 아무리 높아도 시스템이 상당한 노이즈를 캡처하는 경우, 유효 해상도가 훨씬 낮아질 수 있다.
• 보정:CIE의 표준에 따라 정확한 측정을 수행하려면 계측 장치를 신중하게 보정해야 한다. 일반적인 방법은 이미징 색도계의 응답을 보정하기 위해 분광복사계로 캡처한 참조 데이터를 사용한다.
ECC(Enhanced Color Calibration)는 정확도가 높은 것으로 알려진 알고리즘 기반 보정 방법이다.
• 테스트 및 분석 도구: 이미지 처리 소프트웨어를 통해 제조업체는 캡처된 이미지를 최적화하고 테스트를 실행할 수 있다. 이상적으로는 디스플레이 계측을 위한 분석 패키지에는 휘도, 색도, 균일성, 대비, 픽셀 및 라인 결함, 디스플레이 무라 및 기타 품질을 감지하고 정량 화하는 도구가 포함된다.
<그림4> 육안으로 볼 수 있는 모든 색상을 정량화한 CIE 1931 색 공간의 그래픽 표현. 검은색 숫자는 파장의 가시 스펙트럼을 제공하는 반면 인지된 색상은 이러한 한계 내에서 좌표점(x 및 y)으로 표시된다.
휘도 및 색도
1931년 CIE는 인간 관찰자가 인지하는 색의 물리적 속성을 과학적으로 정량화하여 해당 색의 정확한 수학적 표현 및 재현을 가능하게 하는 표준을 정의했다(그림4).
품질을 보장하기 위해 빛과 색상에 대한 인간의 눈의 반응을 모방할 수 있는 계측 시스템은 microLED 디스플레이 장치의 정확한 측정 및 수정에 필수적이다. CIE 표준의 수학 공식을 기반으로 디스플 레이 픽셀을 정량화하여 CIE 색 공간 내에서 색도 좌표를 제공할 수있다.
<그림5> CIE 일치 삼자극 필터 휠 시스템을 사용하면 측정 장치가 육안으로 인식하는 빛과 색상을 캡처할 수 있다.
삼자극(Tristimulus XYZ) 색상 필터를 사용하면 표준 CIE 색상 일치 기능 및 색도 값에 따라 색상을 측정할 수 있다. 계측 장치로 들어 오는 빛은 각 필터를 통과한 다음 센서에 의해 캡처된다(그림5). 필터는 들어오는 빛을 조정하여 특정 파장을 차단하여 센서가 인간의 눈에 보이는 것과 최대한 가까운 값으로 측정 이미지를 캡처한다.
• 삼자극 시스템(Tristimulus Systems): 최근 연구(Jensen, Piehl 및 Renner 2020)는 인간의 색상 인식과 일치하는 삼자극 시스템의 높은 정확도를 보여준다.
• 향상된 색상 보정: 이미징 시스템은 측정 정확도를 보장하기 위해 분광계 또는 기타 장치를 통해 제공되는 보정 데이터가 필요하다. Radiant Vision Systems의 향상된 색상 보정(ECC)은 고급 보정 알고리즘을 통해 최고 수준의 색상 측정 정확도를 제공한다. (그림6).
<그림6> 이 차트는 <그림2>에서 플롯된 값 A, B 및 C가 있는 삼자극 영상 색도계에 대한 예상 정확도 한계(흰색 점선 원 내의 영역)를 보여준다.
자료제공: Radiant Vision Systems(www.radiantvisionsystems.com)
