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[디스플레이 심층 탐구] 풀스크린 디스플레이의 비밀

스마트폰의 변천사를 볼 때 가장 눈에 띄는 것은 디스플레이의 변화입니다옆에 있는 친구의 스마트폰이 최신식 인지 아닌지는 굳이 써보지 않고 디스플레이만 봐도 알 수 있을 정도입니다.

[디스플레이 심층 탐구] 풀스크린 디스플레이의 비밀

초창기 스마트폰은 평평하고 작은 화면을 가지고 있었습니다화면 테두리를 뜻하는 베젤도 지금보다는 상당히 두꺼웠죠이는 딱딱한 유리를 기반으로 만든 TFT(박막트랜지스터)를 이용한 LCD 또는 OLED가 디스플레이로 사용된 것이 주된 이유였습니다그렇다면 지금처럼 스마트폰 전면을 대부분 화면으로 사용할 수 있게 된 풀스크린(Full Screen) 기술은 어떻게 탄생하게 된 것인지 근간을 이루는 기술들을 조금 자세히 살펴보겠습니다.

 

□ 플렉시블 OLED, 풀스크린 시대의 문을 열다

LCD와 마찬가지로 초기에 생산된 OLED는 딱딱한 유리기판을 TFT로 사용했습니다그리고 OLED 패널에서 산소와 수분으로부터 유기물을 보호하기 위한 봉지(Encap.) 공정도 마찬가지로 유리를 사용했기 때문에 구부릴 수 없었습니다그래서 이 OLED를 리지드(Rigid, 딱딱한) OLED라고 부릅니다하지만 삼성디스플레이가 구부릴 수 있는 플렉시블(Flexible) OLED를 대량 생산하기 시작하면서디스플레이 패널의 디자인에 새로운 가능성이 열리게 됩니다.

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플렉시블 OLED는 TFT에 유리 대신 유연한 폴리이미드(PI)를 사용하고발광 유기물층(Organic Layer)을 보호하는 봉지(Encap.) 공정의 재질도 TFE(박막봉지)라는 필름으로 대체해디스플레이 전체를 구부릴 수 있도록 했습니다두께 가공이 까다로운 유리와 달리 PI는 두께도 훨씬 얇게 만들 수 있기 때문에 구부리릴 수 있는 정도도 훨씬 크고 전체적인 두께와 무게도 함께 감소합니다그리고 삼성 갤럭시 시리즈에 이 플렉시블 OLED를 엣지 디스플레이라는 이름으로 탑재함으로써 스마트폰 디자인에 새로운 바람을 일으켰습니다이러한 디자인 변화는 스마트폰 좌우의 베젤을 최소화 했고풀스크린의 시대를 앞당겼습니다.

 

□ 디스플레이를 상단까지 끌어 올린 ‘(Hole) 디스플레이‘ 기술

스마트폰에 더 많은 정보를 보여 줄 수 있는 디스플레이에 대한 요구가 커지면서카메라를 비롯한 각종 센서들이 모여있는 스마트폰 윗 부분까지 화면으로 구현하려는 노력이 이어졌습니다그 결과 갤럭시 시리즈를 비롯한 많은 스마트폰들은 카메라홀과 주변부만 남기고 디스플레이로 채우거나카메라홀만 남기는 방식을 채택하고 있으며현재 최신 스마트폰의 트렌드가 되었습니다.

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하지만 이런 홀 디스플레이 만들기는 단순히 카메라 구멍만 뚫는다고 되는 것은 아닙니다그렇게 하면 구멍의 단면이 노출되어 외부 산소와 수분이 유기물 소자에 침투하는 문제가 있기 때문에 일반적인 플렉시블 OLED와는 다른 고난도의 박막봉지(TFE) 기술이 필요합니다.

이와 같이 엣지 디스플레이홀 디스플레이를 이용한 풀스크린 스마트폰도 거기에 맞는 신기술 들이 따라와야 사용자를 만족시킬 수 있습니다풀스크린을 완성하는 또 하나의 혁신적 기술은 바로 디스플레이 지문 센싱‘ 기술입니다과거에는 대부분 지문인식이 스마트폰 홈버튼에 탑재되거나스마트폰 후면에 지문 센서가 있는 경우가 많았습니다하지만 홈버튼의 존재는 풀스크린과 양립할 수 없고후면에 두자니 지문인식 사용에 불편함을 유발하기도 했습니다이 때 혜성같이 등장한 것이 디스플레이 지문 센싱 기술입니다.

 

□ 디스플레이 지문 센서는 왜 초음파와 방식 밖에 없을까?

OLED가 화질도 우수하고얇고 가벼우며구부릴 수 있다는 것은 전자제품에 어느 정도 관심이 있으신 분들은 대부분 알고 계시지만디스플레이 지문 센싱 기술과도 궁합이 아주 잘 맞는다는 사실은 많이 알려지지 않았습니다그렇다면 왜 디스플레이 지문 센싱이 OLED에 유리한지 동작 원리부터 자세히 알아보도록 하겠습니다.

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디스플레이 내장이 가능한 지문 센서는 초음파와 광방식 두 가지 이며 디스플레이 내장이 아닌 기존 스마트폰 지문 센서(홈버튼후면)는 모듈이 간단하고 저렴한 정전식 지문 센서를 사용합니다.

스마트폰의 터치도 정전식인데 왜 정전식 디스플레이 내장 지문 센서는 없을까요이를 이해하기 위해서는 정전식의 원리인 정전용량의 특징을 알아야 합니다.

[디스플레이 심층 탐구] 풀스크린 디스플레이의 비밀

위 식의 포인트는 정전용량은 거리(d)에 반비례하며 넓이(A)에 비례한다‘ 입니다정전식은 손가락이 센서와 직접 닿는 전극과 지문 간 거리가 매우 짧습니다하지만 디스플레이 내장 지문센싱을 하기 위해서는 그 위에 붙은 윈도우 유리를 뚫고 센싱이 되어야 합니다즉 거리(d)가 길어져서 버튼형 보다 정전용량이 작아지기 때문에 센싱이 매우 어렵습니다.

그렇다면 터치는 그 두꺼운 유리를 뚫고 동작하는데 왜 정전식 지문 센싱은 어렵지라고 생각하시는 분께서도 계실 것 같습니다그 이유는 지문 센싱을 위한 전극의 간격은 터치 대비 매우 조밀하기 때문입니다터치 인식을 위한 전극의 간격은 3~4mm 정도인데 지문을 정확히 센싱 하기 위해서는 터치 보다 1/30~1/50정도로 간격을 더 작게 해야 합니다즉 넓이(A)도 상당히 작아지기 때문에 정전용량이 너무 작아져 현재의 기술 수준으로는 지문의 골과 융을 구분하기 어렵습니다.

(1) 초음파 방식 디스플레이 내장 지문 센서

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초음파(Ultrasonic)는 우리의 가청 범위를 벗어난 높은 주파수의 음파입니다음파는 매질을 통해 전달되기 때문에 전달에 가장 큰 영향을 주는 것은 매질의 물성입니다여기서 Acoustic Impedance라는 것이 초음파의 전달특성을 결정하게 되는데 이게 어떻게 영향을 주는지 알아보도록 하겠습니다.

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매질의 경도와 밀도가 초음파의 속도(C)를 결정하고거기에 밀도(ρ)를 다시 곱하게 되면 Acoustic impedance라는 값이 계산됩니다초음파가 매질과 매질간 경계를 지나갈때 Acoustic impedance 차이가 큰 경우 반사가 커지고 차이가 적을 경우에는 음파가 쉽게 통과합니다.

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초음파 지문센서는 위와 같이 디스플레이 아래에 부착 합니다센서의 변환기(Transducer)에서 발생한 초음파가 디스플레이와 커버 유리를 통과해 손가락까지 가는데 지문의 골의 경우 공기로 채워져 있기 때문에 유리와 공기 사이에 큰 Acoustic Impedance 차이가 발생하고이로 인해 대부분의 초음파가 반사됩니다반면지문의 융의 경우에는 반사가 적은데이때 센서는 이 두 환경의 차이를 센싱하여 지문의 형상을 인식합니다의료용 초음파 검사를 해보신 분들은 경험해 보셨겠지만 검사 시 젤을 바르는 이유는 초음파가 반사되지 않고 잘 전달되도록 공기층을 없애기 위함 입니다.

OLED와 달리 LCD의 경우 후면 백라이트유닛 접합부에 공기층이 존재하므로 음파 전달이 되지 않아 초음파 지문 센서 적용이 어렵습니다하지만 플렉시블 OLED 의 경우 백라이트유닛도 없고 디스플레이 안에 공기층도 없기 때문에 초음파 지문 센서 적용에 매우 용이합니다.

(2) 광방식 디스플레이 내장 지문 센서

광방식의 경우는 당연히 빛이 투과되어야 동작이 됩니다빛의 투과가 가능한 경우 앞에서 설명 드린 초음파 방식과 기본적인 동작 원리는 비슷합니다다만 Acoustic Impedance를 굴절율로 바꾸면 됩니다빛의 전달에 매질은 필요 없지만빛이 매질을 통과하게 되면통과하는 매질의 물성에 따라 굴절율은 달라지기 때문입니다.

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프레넬식에서 볼 수 있듯이 매질 사이에 굴절율 차이가 크면 클수록 반사광이 큽니다즉 지문의 융과 유리의 굴절율 차이보다 지문 골의 공기와 유리의 굴절율 차이가 더 크기 때문에 지문형상이 센싱 되는 것입니다간단히 생각하면 디스플레이 패널을 투과해 사진을 찍는다고 생각해도 됩니다. OLED 디스플레이의 경우 빛이 투과되기 때문에 광방식도 가능하지만 LCD는 백라이트유닛이 빛을 가로막기 때문에 이론적으로 불가능합니다.

 

□ 풀스크린 디스플레이의 미래

지금까지 살펴본 바와 같이 플렉시블 OLED는 풀스크린 스마트폰 디스플레이를 구현하기에 상당히 적합한 기술이자 실제로 현재까지 이를 주도적으로 상용화까지 이룬 대표적인 기술입니다덕분에 우리는 같은 크기의 스마트폰으로도 더 큰 화면을 경험할 수 있을 뿐만 아니라전면 카메라와 지문인식의 편리함도 기존과 마찬가지로 유지할 수 있게 되었습니다.

플렉시블 OLED 기술은 풀스크린은 물론상상속에만 존재하던 폴더블 스마트폰도 상용화를 이루는데 크게 기여했습니다디스플레이 기술은 시간이 흐를수록 발전해 왔고이러한 흐름이 앞으로도 이어진다면또 우리가 상상하는 첨단 디스플레이의 모습도 어느 순간 우리 앞에 모습을 드러낼 것이라고 기대합니다.

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  1. 홍길동 says:

    기술 개발도 중요하지만 기술을 도둑 맞지않도록 철저히 준비 합시다