49. UPC? UDC? 카메라가 없는 화면을 위한 필수 재료 CPM!!(Cathode Patterning Material)

 

UDC 구현을 위한 필수적인 재료 - CPM(Cathode Patterning Material)

UDC?? UPC?? 영어에서 매우 흔하게 여러 의미로 사용되는 이 약자들은 적어도 OLED 분야에서는 가장 최신 기술 중 하나이자 디스플레이의 기능적인 면과 실용적인 면 그리고 디자인적인 면에서 완벽함을 가져다 줄 기술입니다.

 

저는 2019년에 UDC(Under Display Camera) 혹은 삼성에서 부르는 용어인 UPC(Under Panel Camera)가 곧 샤오미를 통해 상용화 된다고 포스팅했던 적이 있었습니다. 포스팅을 한지가 엊그제 같은데 벌써 갤럭시 폴드에 이 UPC가 적용되어 나오고 있으니.. 참 세월도 빠르고 기술 발전도 빠른 것 같습니다.

 

 

https://allled.tistory.com/267 / 2019년 당시 썼던 포스팅

 

스마트폰이 세상에 등장한 이후로 디스플레이는 위 그림같이 베젤을 줄이는 방향으로 발전해왔고 디스플레이 자체가 스마트폰 전체를 덮는 수준에 이른 현재 남은것은 전면의 카메라뿐이라고 할 수 있습니다. 

 

이 스마트폰 화면의 카메라를 없애기(안보이게) 위해서는 생각보다 더 어려운 기술적 난제들이 산더미처럼 쌓여있습니다. 

 

약간의 디스플레이 구조에 대한 이해가 있다면 굳이 오래 생각하지 않아도 그리 쉽지만은 않은 기술이라는 것을 직감적으로 느낄 수 있을 겁니다. 

 

UDC(언더디스플레이 카메라) 개요

간단하게 이해를 돕기 위해서 위 그림을 한번 봅시다. 

평소에는 일반적인 디스플레이를 유지해야하니 카메라를 덮고 있는 상태에서 디스플레이의 기능을 온전하게 구동해야 하며, 사용자가 카메라를 구동시키면 카메라가 위치하는 부분은 외부광이 충분하게 들어올 수 있도록 거의 완벽에 가깝게 투명해져야 합니다.

 

조금이라도 외부에서 들어오는 빛의 양이나 경로를 바꾸거나 왜곡이 있을 경우에는 높은 카메라 품질을 요구하는 현재기준으로 한참 못 미치는 사진 퀄리티를 보여줄 수 있기 때문입니다.

 

그렇다면 디스플레이 제조 측면에서는 어떻게 해야 이러한 패널을 만들어 낼 수 있을까요? 

여기서부터는 조금 OLED 구조에 대한 이해가 필요합니다만 최대한 기술적인 이야기들을 쫙빼고 상식적인 수준에서 이야기를 해보겠습니다.

 

UDC, UPC 구조

 

자 뭔가 좀 복잡한 그림이 등장했지만 간단하게 살펴봅시다. 삼성에서 사용하는 OLED패널은 위 그림 왼쪽 구석의 RGB 세트라고 표현된 적색, 녹색, 파란색 픽셀 1세트가 수백만 개 반복되며 화면을 구성합니다.

 

화면을 이루는 가장 작은 점 단위가 바로 저 RGB픽셀단위로 이 픽셀의 RGB의 색 조합으로 자연색의 상당수를 표현할 수 있게 됩니다.

 

당연히 이 픽셀단위가 촘촘할수록 디테일한 이미지 표현이 가능해지고 이러한 촘촘한 정도를 해상도(Resolution)이라고 부르며 현재 나오는 제품들은 고해상도 패널이 대부분이므로 상당히 빽빽하게 픽셀이 들어차게 패널을 만듭니다.

 

게다가 전면발광(Top-emission, 자세한 내용은 상단 블로그에서 검색창을 이용) 방식을 사용하기 때문에 해당 디스플레이 부분은 불투명하게 되며, 따라서 카메라가 패널 아래 위치하면 카메라는 빛을 전혀 받을 수 없는 상태가 됩니다.

 

이러한 이유 때문에 UPC 혹은 UDC 기술을 사용하려면 카메라가 위치한 영역의 패널은 투명전극을 사용해야함은 물론이고 최대한 투과율을 올리기 위해서 픽셀 간 거리는 멀게 하고 그림 오른쪽처럼 투명전극조차 증착되지 않도록 투명한 부분을 만들어 주어야 합니다. 

 

물론 조금 자세하게 단면으로 본다면 글래스 위에 양극으로 ITO가 있고, 그 위에 OLED 재료가 적층 되어 있고, 마지막에 음극으로 보통 사용하는 AgMg 전극이 올라가게 되며, UDC의 구멍(hole)은 이 AgMg 전극이 증착되지 않은 영역이 됩니다.

 

AgMg의 투과율이 대략 30~50% 사이의 반투명 전극이기 때문에 어쩔 수 없이 구멍들을 많이 뚫어주어야 최대한 카메라 화질에 영향을 주지 않는 패널이 만들어질 수 있습니다.

 

이 홀을 만들때 사용하는 것이 오늘 이야기하려고 한 CPM(Cathode Patterning Material) 재료입니다. 위에 언급한 대로 AgMg 음극(cathode)을 패터닝 할 때 사용하는 재료이기 때문에 이름도 CPM이라는 이름을 가졌습니다.

 

음극을 패터닝하는 원리는 간단합니다. 

 

CPM 패터닝 원리

 

음극인 AgMg 증착만을 남겨놓은 상태에서 홀을 만들려는 영역에 CPM을 FMM(Fine Metal mask)를 이용하여 증착한 후, Open mask로 AgMg를 증착하면 CPM영역에는 AgMg가 증착되지 않으면서 자연스레 AgMg가 패터닝 됩니다.

 

상당히 심플하면서 간단하죠?? 그러면 홀영역에 CPM이 남아 있게 되는데?? 이건 어떻게 할까요?

그냥 내버려 둡니다. CPM 자체가 가시광에서 투명하기 때문에 투과율에 전혀 영향을 주지 않기 때문입니다.

 

그러면 오픈 마스크로 전체 영역에 AgMg를 증착하는데 왜 CPM 위에는 AgMg가 증착되지 않을까요??

 

표면 에너지 차이가 그 원인으로 보고 있지만 막상 실험을 해보면 정확한 경향성이 나오지 않고 복잡한 양상을 보여서 난감한 경우가 있지만 그래도 어느정도 수준까지는 표면 에너지와 큰 상관성을 보여줍니다.

 

저는 이렇게 유기재료 위에 금속 재료가 증착되지 않는 현상을 석사기간 중에 직접 겪었던 적이 있었는데 당시에 호스트 재료 위에 알루미늄을 증착해보는 실험이었던 걸로 기억합니다. 

 

분명히 증착했고, 장비에 기록된 로그 데이터까지 다 이상이 없었는데 결과물을 보면 호스트 재료 위로 그 어떤 금속도 증착되지 않은 것처럼 투명하게 보였습니다.

 

이대로라면 박사형에게 혼날것이 뻔했기 때문에 새벽까지 실험을 반복해서 했지만 결과가 동일하게 나와서 참 당황했던 기억이 있었는데, 당시에 이걸 협업하던 삼성 연구원들에게 물어보니 그 사람들도 당시에 이 현상을 잘 알고 있었습니다.

 

당시에는 UDC 같은 혁신적인 솔루션이 없었기 때문에 이러한 유기재료 위에 금속재료가 증착되지 않는 현상을 피해야 하는 현상으로만 알고 삼성에서도 이것을 피하려고 했었던 기억이 있는데 이것을 잘 응용해서 CPM이라는 재료로 개발하려는 창의력에 감탄했던 기억이 있습니다. (오히려 좋아!)

 

최근에 CPM 재료에 관해서도 상당히 많은 연구를 진행해보았고, 어느정도 필요한 재료의 물성이라던지 실험 방법에 대한 노하우를 쌓았지만 참 어렵고 쉽지 않은 재료라는 것은 분명해 보입니다.

 

CPM 재료로 선두주자로 앞서가는 기업은 캐나다의 OTI lumionic(OTI 루미오닉스)社 입니다. 이러한 UDC에 응용하는 방법 이외에도 다양한 방법으로 접근하는 기업이기도 하고 여러 기사들에 따르면 준양산 수준의 프로토타입은 성공적으로 개발한 듯하네요.

 

CPM의 특징인 금속 재료가 증착되지 않는 특성은 생각보다 다양한 분야에 적용될 수 있을 것 같고, (미세안테나, 코팅 등등) 적절한 응용분야를 찾는다면 굉장한 기회를 가져다 줄 재료임에 틀림없습니다.