퀄컴에서 만드는 차세대 디스플레이 기술의 일종으로, LCD와 전자종이(e-paper) 기술의 장점을 모아서 구현하는 것을 목적으로 하는 디스플레이.

이 기술은 이리다임 디스플레이(Iridigm Display) 사에서 개발하던 기술을 개량 발전시킨 형태로, 이리다임 사는 MEMS(MicroElectroMechanical System)라는 기술을 활용한 iMoD라는 반사형 스크린 기술을 개발하고 있었다. 2004년에 이리다임을 퀄컴에서 인수하고 QTM (Qualcomm MEMS Technologies)이라는 자회사를 설립한 후 계속된 개발과정을 거쳐서 2006년 경에는 실제로 활용 가능한 제품을 선보이기에 이르르게 되었다.

반사형 디스플레이 방식을 취하고 있기 때문에 부수적인 백라이트 등의 장비를 갖추지 않고 자연광이나 주변 조명을 이용해 보는 것이 가능하다. 때문에 저전력 고효율의 디스플레이 방식에 속하게 되며, 전자종이와 비견되고 있는 것이다. 그러나 단색의 고체캡슐이 붙었다 떨어졌다 하는 방식으로 단색을 표현하는 전자종이에 비해서 컬러를 표현할 수 있따는 점은 높은 활용성을 보장해주는 기능이 될 것으로 보인다.

미라솔 디스플레이의 특징은 LCD처럼 백라이트를 사용하는 투과형 디스플레이가 아닌 주변의 조명을 사용하는 반사형 디스플레이라는 데에 있다. 현재 출시되는 대부분의 e-book reader에 사용되는 E-ink사의 e-paper(전자종이)와도 같은 부분인데 이것만으로도 미라솔 디스플레이의 특성은 어느정도 결정된다고 할 수 있다.

반사형 디스플레이는 자체적인 광원을 가지고 있지 않으므로 주변의 밝기에 따라 화면의 밝기가 달라진다. 밝은 곳에서는 밝게 보이지만 빛이 없는 곳에서는 화면을 볼 수 없다. (반면에 LCD나 OLED와 같이 백라이트를 가지고 있거나 스스로 빛을 내는 경우 디스플레이의 밝기가 고정되어 있기 때문에 밝은 곳에서는 상대적으로 어두워져 화면을 보기 힘들고 어두운 곳에서는 상대적으로 밝게 보인다.)

또한 물체의 반사율때문에 완전히 암흑과 같은 화면을 만들어내기 어려워 명암비도 수백~수십만:1을 자랑하는 광원내장형 디스플레이와는 달리 10:1 정도밖에 되지 않는다. 그렇게 낮은 명암비에서도 화면이 보일까? 걱정할 것 없다. 우리가 보는 신문지의 명암비는 4:1 밖에 되지 않는다.

그림1. 핵심기술은 박막층이 빛을 반사하느냐 흡수하느냐 하는 것

Inferometric Modulator (IMOD), 즉 파동의 보상과 간섭을 조절하는 기술이 미라솔 디스플레이의 핵심이다. 퀄컴측에서는 나비의 날개가 반짝이는 것에서 착안하여 만들었다고 홍보하고 있다. 하지만 아무리봐도 별 상관없는 홍보용 멘트인듯

소자의 구조를 보면 유리기판, 박막필름층, 공기층, 반사막층으로 구성되어 있다.

소자는 Open State와 Collapsed State라고 불리는 두 가지 상태에 따라 화면 표시가 수행되는데 전압이 흐르지 않을 때에는 박막층이 분리되어 있으며 선택적인 반사를 통해 색을 나타낸다.

낮은 전압이 인가되면 정전기력이 발생하여 반사막층이 움직이면서 빛을 모두 흡수하게 된다. 픽셀 내에 들어온 빛이 반사되지 않음으로서 검은 색을 표현하는 방식이 되는 것이다.

그림2. 미라솔 디스플레이의 색상 출력 구조

그림3. iMoD의 1픽셀은 위와 같은 구조로 이루어져 있다

오른쪽의 사진2와 같은 구조로 이루어진 1개의 픽셀이 여러개 모여서 디스플레이 전체를 이루게 되는데, 픽셀 안의 격자로 구분된 다수의 서브픽셀이 빨강, 풀빛, 파랑 색을 가지는 구간으로 분리되어 있다.

이 구분은 그림2에서 보이듯 아래쪽의 밑판이 계단처럼 층이져 있는 것으로 구분되는데, 고교 물리에서 배우듯 빛의 파동은 가시광선에서는 빨강이 제일 긴 파장을 가지고 보라색이 가장 짧은 파장을 가지고 있기 때문에 구현되는 것이다.

외부에서 빛이 들어오면 일부는 윗판-유리기판-에서 반사가 되고 일부는 유리층을 통과해 아래로 들어와 밑판에서 반사가 된다. 밑판까지 들어온 빛은 윗판에서 반사되는 빛에 비해 더 강하기 때문에 이곳에서 출력을 조절하면 원하는 빛을 강하게 밖으로 더 강하게 출력시킬 수 있게 된다. 여기서 윗판에서 반사된 빛과 밑판에서 반사된 빛이 서로 같은 위상을 가지게 되면 해당 색상이 증폭되고, 다른 빛들은 산란, 혹은 상쇄되어 자연히 약해져 원하는 색상을 출력하는 것이 가능해진다.

예를 들어 빨강을 출력하기 위해서 서브픽셀의 빨강 서브픽셀의 소자를 Open state로 만들고 다른 풀빛과 파랑 서브픽셀을 Collapsed state로 만들면 반사되는 빛이 빨강으로 증폭되어 보이게 되는 것이다.

즉 빨강, 풀빛, 파랑의 빛의 3원색의 빛을 반사/투과 시키는 윗판과 아랫판의 간격을 전압을 가함으로서 열고 닫음으로서 외부 조명에서 들어오는 빛의 색상 중 원하는 색만을 증폭시키고 다른 색을 약화시켜 보이게 하는 기술인 것이다. 검정색은 앞서 설명 했듯 모든 서브픽셀을 닫음으로서 반사값을 최저로 낮춰 들어온 빛을 반사하지 않음으로서 표현할 수 있게 된다.

1개의 픽셀의 구성이 이렇기 때문에 나머지 색상은 이미 타 디스플레이에서 구현된 기술을 도입해 표현이 가능해진다. 여러 서브 픽셀을 하나의 색으로 통일해 단일색을 출력하는 것도 가능하고, 서브픽셀의 상태를 bit단위로 조합해서 색을 보간하거나(spatial dithering), 50Hz 이상으로 빠르게 깜박이며 색을 내는 시간 비율을 조절해 색상을 바꿔보이게 할 수도 있다 (temporal dithering, frame rate control, FRC). ¹⁾

spatial dithering은 그림3에서 표시된 방법으로 이루어진다. 먼저 색상별로 0-2까지 비트를 나눈다. 비트2는 8개, 비트1은 4개 비트0은 2개의 서브픽셀로 구성되며 같은 비트에 속한 서브픽셀들은 똑같이 움직이는 공동운명체다. 이제 세 가지 크기가 다른 비트의 조합으로 색상별 0-7까지 8단계의 강도(intensity)를 구현할 수 있다. 7이면 모든 비트를 다 켜고 (1+2+4) 5이면 비트 0, 2를 켜고 (1+4), 3이면 비트 0, 1을 켜고 (1+2)…0이면 다 검은색이 된다.

색상별로 8단계의 강도가 구현되므로 8x8x8 = 512 = 9비트 색상이 dithering으로 구현된다. spatial dithering을 구현하기 위해서는 하나의 픽셀에 많은 서브픽셀이 포함되어야 하기 때문에 집적도나 제조단가에 악영향을 주고 temporal dithering을 위해서는 각각의 픽셀을 끊임없이 동작시켜야 하므로 전력소모가 커진다는 단점이 있다.

그림4. 밑판의 서브픽셀 상태는 전압 여부에 따라 전환된다

실제 서브픽셀 하나의 크기는 수십 마이크로미터이고 판 사이의 간격은 수백 나노미터이다. 밑판은 잘 휘어지는 반사막으로 되어있고 윗판은 전기가 통하는 얇은 막 층(thin film stack)으로 되어있다. 이 상태에서 밑판의 상태를 변화시키는 구조는 다음과 같은 과정을 거친다. 그림4에 대입해서 보도록 하자.

1. 윗판에 Vbias만큼의 전압이 주어진 안정상태. 이 상태에서는 iMoD 소자가 열린 상태를 유지하기 때문에 지정한 색이 보이게 된다.
2. 윗판에 전압을 가해 ‘write’상태가 되면 정전기력에 의해 밑판이 끌려올라가 휘어진다. 소자가 올라가 닫힌 상태가 되었기 때문에 검은 색으로 보이는 반사가 없는 상태가 된다.
3. 2의 상태에서 전압을 1의 Vbias까지 내려도 밑판은 적정량의 정전기력에 의해 달라붙어 내려오지 않는다. 소자는 ‘write’상태를 유지하고 색깔은 여전히 검정색이 보이게 된다.
4. 3의 상태에서 윗판의 전압을 낮추는 ‘unwrite’ 신호를 주면 정전기력이 낮아져 게이트가 내려가고 소자가 열린상태가 되어 지정한 색이 보이게 된다. 여기서 신호가 ‘unwrite’상태인 채로 1의 전압까지 다시 올려도 소자가 닫히지는 않는다. 1번 상태로 회귀한 것이다.

밑판의 동작상태에 관계없이 Vbias에서는 안정한 상태를 유지하는 특성 덕분에 표시되는 색상이 바뀌지 않을 때에는 Vbias만 잘 유지하고 있으면 상태유지가 되는 특성을 가진다. 덕분에 정지화면에서는 1 mW 이하의 전력만을 소비한다. 물론 앞서 소개한 temporal dithering의 적용에 따라 좀 다르겠지만.

퀄컴 홍보자료에서 강조되는 반사도, 선명도, 전력소모량

미라솔 디스플레이는 기존의 e-paper와 비교할 때 빠른 응답속도와 컬러구현이 가능하다는 장점을 가진다. LCD나 OLED와 비교했을 때의 장점은 가독성과 전력소모가 크게 작용할 것이다.

단점으로는 전자종이와 달리 완전 전원이 없는 상태에서는 상태 유지가 되지 않으며, 반사형이기 때문에 백라이트 유닛(BLU)을 사용할 수 없다는 점이다. 그렇다고 프론트라이트 유닛(FLU)을 쓰기는 확실히 애매하다

• 응답속도 : 가시광선의 파장이 수백나노미터이므로 밑판(IMOD membrane)이 움직이는 거리도 수백나노미터 이내가 된다. 따라서 수십us 안에 소자의 작동이 완료된다고 하니 응답속도는 충분하다고 할 수 있다.
• 밝기 : a4용지의 반사율이 70~90% 정도이고 신문지의 반사율이 60%인데 비해 미라솔 디스플레이는 50% 이내의 반사율을보인다. e-paper의 경우 최근 개발되는 제품들이 40% 이내의 반사율을 보이는 것 같다.
• 명암비 : 퀄컴측의 주장에 따르면 8:1 이상이라고 한다. 비교대상으로 신문지가 4:1 정도의 수치를 보인다.
• 시야각 : 보는 각도에 따라 빛이 입사되는 거리가 달라지기 때문에 TN패널의 LCD처럼 색반전이 일어나지는 않는다 해도 현재의 광시야각 LCD보다 좋을지는 의문이 남는다.
• 내구성 : 유기물을 사용하지 않기 때문에 온도변화에도 강하고 물리적으로도 120억번 동작할 수 있다고 한다. 60Hz로 동작한다고 쳐도 2억초 5만시간이 넘는다. 5년 반 동안 쉬지않고 켜놓을 수 있는 정도.
• 전력소모 : 정지화면의 경우 e-paper와 비슷하게 거의 전력소모가 없다. 1mW 정도. e-paper의 1/6이란다. 동화상의 경우 30 mW 정도로 250-700 mW의 LCD에 비해 1/10정도라고 한다. (몇 인치 기준인지는 모르겠다.)
• 해상도 : CES2010에 시연된 기기는 5.7인치에 1024×768의 해상도를 가지고 나왔다. 300dpi도 가능한 수준이라고 하니 해상도는 현재의 디스플레이와 동등한 수준이라고 할 수 있다.

아래는 CES2010에 시연된 실제 장비의 데모장면이다. 영상을 보면 색상표현에는 문제가 있어 보이는데, 이것이 미라솔 디스플레이의 문제인지, 혹은 행사장의 조명이 자연광이나 3파장을 제대로 가지지 못한 조명탓인지 알 수 없지만²⁾ 충분한 기동화면을 확인해볼 수 있다.

2010년 말에는 실제 적용되는 제품들이 선보일 계획이다. 가격은 정확하게 알려지고 있지 않으나 전자종이에 비해서는 비쌀 것으로 추측되고 있으며, 컬러 전자종이 계열의 디스플레이 장비로서는 2010년 삼성이 인수한 리쿠아비스타(Liquavista) 디스플레이 기술과 직접적으로 경쟁하게 될 것으로 보인다.

• 퀄컴의 미라솔 (Mirasol) 디스플레이 - e-ink를 대체할 수 있을까? by inux' factory
• 퀄컴이 꿈꾸는 디스플레이 세상 - iMoD by A one plus

• http://www.economist.com/search/displaystory.cfm?story_id=15048695
• http://www.engadget.com/2010/01/09/qualcomm-mirasol-display-video-hands-on-in-glorious-1080p/
• http://www.mirasoldisplays.com/
• http://www.slashgear.com/qualcomm-mirasol-color-video-ebook-readers-to-ship-in-2010-1863752/
• http://www.technologyreview.com/computing/22545/