플렉서블·폴더블·터치

플렉서블 기판: 유리에서 폴리이미드로

일반 OLED 패널은 0.3~0.5 mm 두께의 무알칼리 유리 위에 TFT와 OLED를 만들고, 또 한 장의 봉지 유리를 덮어 프릿(frit)으로 밀봉한다(8장). 유리는 평탄하고 치수가 안정적이며 수분을 완벽히 막지만, 휘면 깨진다. 플렉서블 OLED(Flexible OLED)는 아래 유리를 10~20 µm 두께의 폴리이미드(Polyimide, PI) 필름으로, 위 유리를 수 µm의 박막 봉지(Thin-Film Encapsulation, TFE)로 바꾼 구조다. 백플레인 TFT의 동작 원리 자체는 같다(4장).

PI가 기판으로 쓰이는 이유는 내열성 때문이다. LTPS TFT는 탈수소·활성화 열처리에 400~450 °C가 필요한데, PET나 PEN 같은 범용 플라스틱은 150~250 °C에서 변형된다. 방향족 PI(BPDA–PDA 계열)는 유리 전이 온도가 400 °C를 넘고 열팽창 계수도 3~10 ppm/K로 유리(3~4 ppm/K)와 비슷해서 고온 공정에서 패턴 정렬이 무너지지 않는다. 대신 노란 갈색을 띠어 투명하지 않은데, 빛이 위로 나가는 전면 발광 OLED에서는 문제가 되지 않는다. 투명해야 하는 커버 윈도와 언더 디스플레이 카메라 영역에는 무색 투명 PI(CPI)를 따로 쓴다.

PI 필름 하나만 세워 두고 그 위에서 노광·식각을 할 수는 없다. 그래서 공정 내내 PI를 캐리어 유리(Carrier Glass) 위에 붙여 두고 기존 유리 라인을 그대로 쓴 다음, 맨 마지막에 떼어 낸다. 떼어 낼 때는 캐리어 유리 뒤쪽에서 자외선 레이저(308 nm XeCl 엑시머 또는 343 nm 고체 레이저)를 쏜다. 유리는 이 파장을 통과시키고 PI는 계면 수백 nm 안에서 흡수하므로, 계면만 얇게 분해(어블레이션)되어 패널이 분리된다. 이것이 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off, LLO)로, 장비와 수율 문제는 15장에서 다룬다. 아래 스텝퍼로 공정 순서를 따라가 보자.

굽힘 역학: 변형률과 중립면

두께 \(t\)인 판을 곡률 반경 \(R\)로 굽히면 바깥쪽 면은 늘어나고 안쪽 면은 줄어든다. 그 사이 어딘가에 길이가 변하지 않는 면이 있는데, 이를 중립면(Neutral Plane)이라 한다. 중립면에서 \(y\)만큼 떨어진 곳의 호 길이는 \((R+y)\theta\)이고 원래 길이는 \(R\theta\)이므로 변형률은 다음과 같다.

숫자를 넣어 보자. 0.5 mm 유리를 \(R=5\) mm로 굽히면 표면 변형률은 \(0.25/5 = 5\%\)다. 유리는 0.1% 안팎에서 깨지니 불가능하다. 반면 15 µm PI는 \(R=1\) mm에서도 \(7.5/1000 = 0.75\%\)에 그친다. 문제는 PI 위에 쌓인 층들이다. ITO 투명 전극은 약 1%, SiNₓ 같은 무기 절연막과 LTPS 실리콘은 0.5~1% 정도의 인장 변형률에서 금이 간다. 그래서 패널 설계의 핵심은 깨지기 쉬운 층을 중립면 가까이 두는 것이다.

여러 층이 단단히 붙어 함께 휘는 경우, 중립면은 각 층의 강성(영률×두께)을 가중치로 한 평균 위치에 놓인다. 단단하고 두꺼운 층이 중립면을 자기 쪽으로 끌어당긴다.

기본 적층(인폴딩, \(R = 2\) mm)에서 UTG는 두께 30 µm라 단독으로도 \(15/2000 = 0.75\%\)의 변형률을 받는다. 그런데 UTG가 중립면에서 멀리 떨어져 있으면 그 거리만큼 변형률이 더해진다. 실제 폴더블은 각 층 사이 OCA(광학 투명 점착제)의 탄성률이 0.01~0.1 MPa 정도로 아주 낮아 층들이 서로 미끄러질 수 있다. 덕분에 커버 윈도, 편광판, 패널, 지지판이 사실상 각자의 중립면을 갖고 따로 휜다. 이 디커플링 덕분에 접는 폰이 가능해졌지만, 그 대가로 OCA가 큰 전단 변형을 받아 고온에서 기포가 생기거나 층이 들뜨는 문제가 생긴다.

폴더블: 힌지와 접힘 형상

폴더블 디스플레이는 화면을 안쪽으로 접는 인폴딩(In-folding)과 바깥으로 접는 아웃폴딩(Out-folding)으로 나뉜다. 인폴딩은 접었을 때 화면이 보호되지만 곡률 반경이 작아야 하고(1~3 mm), 화면 표면이 압축을 받는다. 아웃폴딩은 화면 하나로 앞뒤를 다 쓸 수 있고 반경을 5 mm 이상으로 키우기 쉽지만, 화면이 늘 바깥에 노출되고 표면이 인장을 받아 커버와 무기막이 더 쉽게 깨진다.

아래 3D 모델에서 접힘 각도를 바꾸며 두 힌지를 비교해 보자. 모델은 화면이 펼쳐졌을 때 너비 130 mm쯤 되는 책 모양 폴더블을 단순화한 것이다. 곡률 반경은 보이도록 3배 과장했다. 접힘 영역의 패널 전체 길이는 일정하게 유지되므로, 접을수록 평평한 부분이 굽힘부로 빨려 들어간다.

커버 윈도: CPI와 UTG, 그리고 주름

접히는 화면 위에는 강화 유리를 덮을 수 없다. 1세대 폴더블은 약 50 µm 두께의 무색 투명 폴리이미드(Colorless PI, CPI) 필름에 하드코팅을 올려 썼다. CPI는 잘 휘지만 연필 경도가 낮아 손톱에도 자국이 남고, 만졌을 때 플라스틱 느낌이 난다. 2020년부터는 두께 30 µm 안팎의 초박형 유리(Ultra-Thin Glass, UTG)를 화학 강화해 쓰기 시작했다. 유리는 얇아질수록 같은 반경에서 변형률이 줄어들므로(\(\varepsilon = t/2R\)), 30 µm 유리라면 \(R = 1.5\) mm에서 표면 변형률이 1%다. 화학 강화로 표면에 압축 응력층을 만들어 두면 이 정도 굽힘 응력을 견딘다.

주름은 크게 두 가지 이유로 생긴다. 하나는 고분자 층(CPI, 보호 필름, OCA)이 오래 굽은 채로 있으면 분자 사슬이 미끄러지며 응력이 풀리는 응력 완화(크리프)다. 다른 하나는 접고 펼칠 때마다 조금씩 소성 변형이 쌓이는 피로다. 그래서 주름 깊이는 접은 횟수의 로그에 대략 비례해 늘고, 고온에서 접어 두면 더 빨리 깊어진다. 아래 모델로 두 소재를 비교해 보자.

롤러블·슬라이더블·스트레처블

접는 방식 말고도 화면을 키우는 방법이 있다. 롤러블(Rollable)은 화면을 원통에 감아 보관한다. 굽힘 반경은 롤 반지름(TV의 경우 수십 mm)으로 커서 변형률 자체는 작지만, 감을 때마다 화면 전체가 굽힘을 겪으므로 주름 대신 전면적인 피로와 층 들뜸이 문제가 된다. 슬라이더블(Slidable)은 화면 일부를 본체 뒤쪽으로 말아 넣었다가 밀어 꺼내는 방식으로, 고정된 롤러(\(R\) ≈ 3~5 mm)를 지나는 영역이 계속 바뀐다.

스트레처블 디스플레이(Stretchable Display)는 굽힘이 아니라 면 안의 인장을 견뎌야 한다. 금속 배선과 무기막은 1%만 늘어나도 끊어지니, 재료를 늘리는 대신 형상이 늘어나게 한다. 화소(OLED+TFT)는 늘어나지 않는 섬(Island)에 두고, 섬과 섬 사이 다리(Bridge)의 배선을 용수철처럼 구불구불하게(Serpentine) 만든다. 기판을 당기면 다리 배선이 펴지면서 길이를 내주고, 금속이 받는 변형률은 곡률 변화에서 오는 작은 굽힘 변형률뿐이다.

터치 센싱: 저항막에서 정전용량으로

초기 PDA와 내비게이션의 저항막 방식(Resistive)은 ITO를 입힌 두 장의 필름을 작은 스페이서로 띄워 두고, 누르면 두 층이 닿는 위치를 전압 분배로 읽었다. 압력이 필요하고 멀티터치가 어렵고, 필름 두 장 때문에 투과율이 80%대로 떨어진다. 지금의 스마트폰은 손가락이 전극 사이 전기장을 바꾸는 것을 읽는 정전용량 방식(Projected Capacitive, PCAP)이다.

정전용량 방식에는 두 가지 측정법이 있다. 자기 정전용량(Self-capacitance)은 전극 하나와 접지 사이의 용량을 잰다. 손가락이 다가오면 전극–손가락–인체–접지 경로로 용량이 늘어난다. 행 전극 \(M\)개와 열 전극 \(N\)개를 각각 재면 \(M+N\)번의 측정으로 끝나 빠르고 감도가 높지만, 어느 행과 어느 열이 반응했는지만 알 뿐 어느 교차점인지는 모른다. 상호 정전용량(Mutual capacitance)은 Tx 전극에 펄스를 넣고 Rx 전극으로 들어오는 전하를 재서, 각 교차점의 \(C_M\)을 하나하나 측정한다. 측정은 \(M\times N\)번이지만 모든 교차점의 값을 알 수 있다.

손가락은 보통 전극 2~3개에 걸칠 만큼 크다(접촉 지름 7~10 mm, 전극 피치 4~5 mm). 그래서 각 전극의 \(\Delta C\)를 가중치로 쓴 무게중심(Centroid) 계산으로 전극 피치보다 훨씬 고운 좌표를 얻는다. 해상도는 결국 신호 대 잡음비가 정한다.

터치 통합 구조와 디스플레이 노이즈

터치 센서를 패널 어디에 두느냐에 따라 두께, 비용, 노이즈가 달라진다. 별도 필름 센서를 붙이는 애드온(Add-on), 봉지층이나 컬러 필터 유리 위에 전극을 직접 만드는 온셀(On-cell), 디스플레이 내부 전극을 터치 전극으로 같이 쓰는 인셀(In-cell)이 있다. 플렉서블 OLED에서는 TFE 위에 금속 메시 전극을 바로 패터닝하는 온셀 방식(삼성의 Y-OCTA 등)이 표준이 되었다. 필름과 OCA 한 쌍이 빠지면서 약 50~100 µm가 얇아지고, 굽힘에도 유리하다.

센서가 화소에 가까워질수록 디스플레이 구동 노이즈가 커진다. 게이트 라인이 한 줄씩 켜질 때마다(5장) 소스 라인 전압이 크게 출렁이고, 그 변화가 캐소드와 TFE를 거쳐 터치 전극으로 용량 결합된다. 이 노이즈는 수평 주사 주파수 \(f_H\)(초당 주사 라인 수)와 그 고조파에 몰려 있다. 대처법은 두 가지다. 하나는 Tx 주파수를 노이즈가 적은 곳으로 옮기는 주파수 호핑(Frequency Hopping)이고, 다른 하나는 디스플레이가 쉬는 구간에만 터치를 재는 시분할 구동(Time-Division)이다.

언더 디스플레이 카메라와 회절

전면 카메라 구멍(펀치 홀)까지 없애려는 기술이 언더 디스플레이 카메라(Under-Display Camera, UDC)다. 카메라 위의 화소를 그대로 두되, 그 영역만 빛이 지나갈 틈을 만든다. 화소 밀도를 1/2~1/4로 줄이고, 배선을 투명 전극으로 바꾸거나 화소 밖으로 우회시키고, 캐소드 금속을 개구부에서만 패터닝해 걷어 내고, 노란 PI 대신 투명 PI를 쓴다. 그래도 투과율은 보통 20~40%에 머문다.

카메라 렌즈는 입사동 앞에 놓인 마스크의 프라운호퍼 회절 무늬를 센서에 맺는다. 마스크의 투과 함수를 \(t(x,y)\)라 하면, 점광원 하나의 상, 즉 점 퍼짐 함수(Point Spread Function, PSF)는 투과 함수의 2차원 푸리에 변환의 절댓값 제곱이다. 주기 \(\Lambda\)의 격자는 \(m\lambda/\Lambda\) 방향에 회절 차수를 만든다.

아래 시뮬레이터는 128×128 격자에서 카메라 동공 안의 개구 패턴을 직접 2차원 FFT(고속 이산 푸리에 변환)해 PSF를 구하고, 밤 풍경 같은 장면에 합성곱해서 카메라가 볼 영상을 만든다. 주기적인 사각 개구는 십자 모양의 뚜렷한 회절 점을 만들고, 원형 개구나 불규칙 배치는 그 에너지를 넓게 흩어 별빛 무늬를 약하게 만든다.

디스플레이 지문 센서

화면 아래에 지문 센서를 숨기는 방식은 크게 두 가지다. 광학식(Optical FoD)은 OLED 화소가 낸 빛이 손가락에 반사되어 돌아오는 세기를 패널 아래 CMOS 이미지 센서로 찍는다. 융선(Ridge)은 커버 유리에 닿아 빛을 흡수·산란하고, 골(Valley)에서는 유리–공기 계면이라 빛이 강하게 반사된다(전반사 조건에 가까운 각도에서는 대비가 더 커진다). 패널의 화소 틈으로 빛이 지나가야 하므로 렌즈나 콜리메이터로 각도를 걸러야 하고, 젖은 손이나 강한 햇빛에 약하다. 초음파식(Ultrasonic FoD)은 패널 밑에 붙인 압전 트랜스듀서가 수~수십 MHz 초음파를 쏘고, 융선과 골의 음향 임피던스 차이로 달라지는 반사파를 읽는다. 물기와 기름에 강하고 피부 아래 층까지 볼 수 있다.

광학식은 초음파식보다 저렴하지만 센서 모듈 두께 때문에 배터리 공간을 차지하고, 렌즈 대신 패널에 미세 콜리메이터를 넣는 박형 구조가 개발되고 있다. 두 방식 모두 커버가 두꺼워질수록, 특히 폴더블의 보호 필름·UTG·OCA처럼 층이 많아질수록 반사 신호가 흐려진다. 그래서 폴더블 폰은 측면 전원 버튼에 정전용량식 지문 센서를 넣는 경우가 많다. 화면 일부를 센서로 쓰는 이런 기능들은 17장의 근안 디스플레이, 18장의 측정 기법과 함께 디스플레이가 단순한 출력 장치를 넘어 입출력 장치가 되어 가는 흐름을 보여 준다.