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3줄 요약🔔

  • 실리콘 웨이퍼 위에 디스플레이를 증착하는 ‘온 실리콘(On-silicon)’ 기술
  • ‘스트레처블’ 디스플레이를 늘려도 해상도가 떨어지지 않는 기술을 개발 중
  • 주목받는 차세대 디스플레이 기술로 인간의 뇌를 모티브로 한 ‘뉴로모픽’ 기술

안녕하세요. 연세대학교의 김현재입니다. 오늘은 차세대 디스플레이 기술, 최근 디스플레이 산업계와 학계에서 가장 주목받고 있는 두 가지 부분에 대해서 말씀드리겠습니다.

오늘 말씀드릴 내용을 간단히 정리하면, 최근에 디스플레이 산업이 어려운 게 사실이지만 디스플레이는 거의 20년 가량, 전 세계에서 우리나라 디스플레이 산업이 1등을 하고 있습니다. 그래서 굉장히 초미의 관심사인 반도체와 더불어 한국에서 잘하고 있는 기술인데, 최근에 디스플레이 산업계가 어렵기도 하고 중국에서 많이 따라오기도 해서 굉장히 화두가 되는 부분이 있습니다. ‘온 실리콘(On-silicon)’ 가장 큰 화두가 되는 기술입니다. 그다음 미래 ‘디스플레이 스트레처블(Stretchable)’ 이 부분에 대해서 중점적으로 말씀드리도록 하겠습니다. 그리고 마지막은 디스플레이가 반도체 소자를 필요로 합니다. 트랜지스터(transistor)가 필요한데. 디스플레이에서 사용되고 있는 트랜지스터를 디스플레이 외적인 다른 애플리케이션, 대표적인 게 뉴로모픽(neuromorphic)이라고 하는 겁니다. 이것에 대해서 간단하게 말씀드리도록 하겠습니다.

01 디스플레이 발전 방향

아침에 일어나서 잠들 때까지 우리는 굉장히 많은 디스플레이를 봅니다. 휴대폰 그리고 버스 정류장이나 노트북, 모니터 등이 있습니다. 둘 중에 하나, LCD 아니면 OLED 디스플레이입니다. 사실 디스플레이의 기술 중에 픽셀, 화소 내 트랜지스터 각 화소마다 최소한 1개의 트랜지스터가 있습니다. 그것을 어떤 트랜지스터를 쓰냐에 따라서 이렇게 나눕니다. 그래서 과거에는 아몰퍼스실리콘(Amorphous Silicon)이라고 하는 반도체 재료를 사용한, 주로 LCD에 사용이 됐습니다. 그다음 휴대폰에 다 들어있는 LTPS(Low-Temperature Polycrystalline Silicon)라고 하는 폴리 실리콘은 디스플레이뿐만 아니라 반도체에도 굉장히 유명한 물질입니다. 낸드 플래시에도 사용이 되고 또는 트랜지스터의 게이트로도 사용되는 폴리 실리콘입니다. 이 폴리 실리콘을 유리기판에 맞게 낮은 온도에서 하는 그것도 굉장히 한동안 휴대폰에도 LCD와 OLED, 특히 최근 OLED 디스플레이에는 꼭 필요한 트랜지스터입니다. 이렇게 진행이 되어 왔습니다.

그리고 사실은 트랜지스터를 산업계, 그러니까 반도체에 쓴 게 아마 1950년대 이후부터 특히 1960년대에 본격적으로 모스펫(MOSFET)이라는 걸 썼습니다. 사실은 트랜지스터 하면 실리콘입니다. 그런데 드디어 실리콘을 사용하지 않는, 실리콘이라는 재료를 사용하지 않고 트랜지스터를 만드는 게 나왔습니다. 옥사이드 TFT(Oxide TFT)라고 하는 건데, 산화물 반도체입니다. 산화물 반도체가 나오면서 점점 더 애플리케이션이 넓어지고, 특히 이 산화물 반도체가 어디에 사용되냐 하면 대형 OLED TV 또는 모니터에 사용이 됩니다. 그리고 급기야는 말씀드렸던 LTPS(폴리 실리콘)와 산화물 반도체 두 개 다 같이 사용하는 LTPO라고 하는 최신 기술이 사용됩니다. 그러니까 폴리 실리콘으로도 트랜지스터를 만들고 옥사이드로 트랜지스터를 만든 겁니다. 사실 최근 나오는 대표적으로 삼성의 갤럭시 S시리즈라든지 애플의 아이폰은 다 LTPO 라고 하는 기술을 사용하고 있습니다. 그래서 여기 보이는 그림이 화소를 나타냅니다. 화소의 스위칭 트랜지스터는 옥사이드를 쓰고 아니면 EL과 빛을 내는 다이오드랑 연결된 구동은 특성이 좋은 폴리 실리콘을 쓰는 이런 구조로 되어 있습니다. 그런데 사람들이 흔히 기사를 봐도 잘못 쓰는 경우가 있습니다. ‘Low-Temperature Polycrystalline Oxide’ 이렇게 쓰면 안 됩니다. 그러니까 Polycrystalline ‘and’ Oxide. 폴리 실리콘으로 만든 반도체와 옥사이드는 반도체 둘 다 사용하고 굉장히 핵심이 됩니다. 그리고 드물게도 우리나라가 전 세계 1, 2등을 하고 있습니다. 1등을 유지하고 있는데, 바로 삼성과 LG가 있습니다. 삼성과 LG에서 지금 제일 잘하고 있는 부분이지만, 사실은 고객이라고 하는 미국의 A사가 주도를 했습니다. 그래서 더 굉장히 주목을 받고 있습니다.

지금은 양산이 좀 됐기 때문에 화두는 “LTPO 다음은 무엇인가?” 사실 저도 굉장히 궁금하긴 합니다. 어쨌든 기술 변화 트랜지스터 트렌드를 트랜지스터를 기준으로 해서 말씀을 드렸습니다. 그래서 오늘 말씀드릴 주요 내용입니다. 초고해상도와 폼팩터 프리라고 하는 것은 정형화된 모양이 아닌 약간 스트레처블, 이 두 가지에 대해서 간단하게 소개를 드리도록 하겠습니다.

02 ‘Super-resolution’, On-silicon 기반 디스플레이

먼저 AR/VR은 너무 오래되어서 잘 아실 겁니다. 그 세계가 나한테 오느냐, 내가 그 세계로 가느냐의 차이인데, 드디어 업계에서 정리를 했습니다. 마이크로 OLED다 여러 가지 기술로 불리다가 업계에서는 온 실리콘(On-silicon)이라고 부르기로 했습니다. 실리콘이 사실은 웨이퍼입니다. 그러니까 웨이퍼 위에서 디스플레이 하는 겁니다. 드디어 반도체와 디스플레이가 제대로 만나는 부분이라고 보시면 되겠습니다. 그런데 이게 과거에 한 10년 전에 미국의 어떤 업체에서 안경으로 만들었는데 사실 크게 성공하지 못했습니다. 그런데 최근에 굉장히 다시 주목받고 있습니다.

여러분들이 눈 앞으로 가까이 가져가면 해상도가 더 높아야 합니다. 그래서 여러분들이 갖고 있는 것 중에 가장 높은 해상도를 가진 게 뭡니까? 휴대폰입니다. 휴대폰이 내 눈에서 가장 가깝기 때문에, 그게 한 500ppi~600ppi 정도 됩니다. PPI라는 것은 ‘픽셀 퍼 인치’입니다. 그런데 안경 형태로 쓴다고 하는 것은 눈에 가까우니까(near-eye) 그 정도로는 안 되고 3000ppi~4000ppi 됩니다. 그래서 이런 게 많이 나와서 VR도 있는데 VR이 크게 성공하지 못했습니다. 그래서 지금은 VR보다는 다른 쪽인데, 어쨌든 그것을 실리콘 기판 위에서 하면 어떤 장점이 있습니까? 반도체 공정. 엄청난 미세 공정, 유리기판에서 하는 디스플레이의 미세 공정하고는 비교도 안 되는 나노 수준까지 할 수 있으니까 얼마나 픽셀을 작게 만들 수 있겠습니까. 이것이 지금 새롭게 디스플레이 산업과 기술의 가장 큰 화두로 등장을 했습니다. 그런데 온 실리콘은 과거에 있었습니다. 엘코스(LCoS)라고 사람들이 불렀는데 이것도 마찬가지로 반도체(웨이퍼) 위에 액정을 하는 겁니다. 그런데 아주 제한된 애플리케이션으로 프로젝터라든지, 하긴 했는데 크게 성공하지 못했습니다. 실제로 온 실리콘이 있었습니다.

그런데 최근에 등장한 게 바로 올레도스(OLEDoS), 레도스(LEDoS)입니다. 그래서 이 두 가지를 합해서 온 실리콘이라는 명명인데 OLED를 실리콘 위에서 한다, LED를 실리콘 위에서 한다는 게 굉장한 차세대 기술이라고 할 만합니다. 왜냐하면 지금은 세상에 OLED가 점점 영역을 넓히고 있습니다. “OLED on glasses인데 실리콘 위에서 한다.” 그리고 LED도 우리가 보통 시청 앞에 있는 큰 LED가 아니라 내가 가까이 가서도 픽셀이 안 보이는 정도의 조그마한, 그러니까 마이크로 LED라고 하는데 그것보다 더 작은 이 두 가지가 대표적인 기술이라고 볼 수 있겠습니다.

좀 더 자세히 말씀드리면, 실리콘 반도체 웨이퍼 위에서 하면 어떤 일이 생깁니까? 우리가 원하는 회로를 다 만들 수 있습니다. 이미 메모리나 비메모리에서는 이런 CMOS (Complementary MOS)입니다. N형 MOS와 P형 MOS 두 개가 같이 있는 것을 CMOS라고 합니다. 우리가 자유자재로 만들 수 있습니다. 엄청나게 작은. 그래서 CMOS을 확대하면 모스펫이라고 하는 것은 눈여겨 보셔야 되는 게, 우리가 아는 반도체 모든 칩의 가장 기본적인 구조입니다. 다시 말씀드리면 메모리·비메모리·파운드리에서 가장 기본적인 단위가 바로 이것입니다. 웨이퍼 위에 트랜지스터를 만드는 겁니다. 그러니까 이것을 하고 나서 그다음 빛을 내는 OLED면 OLED, LED면 LED 이것을 하는 게 온 실리콘입니다. 가장 큰 장점은 말씀드렸듯이 CMOS를 하면 굉장히 좁은 구동전압 범위 내에서 소자를 구동할 수 있어서 저소비 전력이 아주 유리합니다. 그다음에 말씀드린 대로 나노 단위의 반도체 공정을 할 수 있기 때문에 픽셀이 정말 무한대로 작아질 수 있어서, 10µm 미만까지도 작아지는 high resolution이 가능하다는 점입니다.

그래서 지금 디스플레이의 산업도 정체가 되어 있고, 사람들이 TV를 안 삽니다. 휴대폰도 자주 바꾸지도 않아서, 과연 다음에 어떤 애플리케이션이 있을까? 안경 형태로 쓰는 건데 VR이 아닙니다. VR이 아닌 새로운 이름이 있습니다. 비디오 시스루(Video See-Through) 입니다. 사실은 삼성 또는 미국의 많은 업체들, 전 세계의 전자업체들이 하고 있지만 미국의 A사가 가장 사람들의 주목을 받고 있습니다. 왜냐하면 이 회사의 특징은 완성도가 낮으면 제품을 내놓지 않습니다. 디자인 수준이 낮으면 내놓지 않습니다. 그래서 초미의 관심사인데 지금 (발매가) 연기됐습니다. 연기됐다고 자꾸 뉴스가 나오는데, 스펙을 한번 봅시다. 1.3인치밖에 안 되는데 밝기는 무려 5000nit입니다. 픽셀 피치(Pixel pitch)가 어마어마합니다. 6μm입니다. 마이크로미터(µm)라고 하는 게 10의 마이너스 6승 미터입니다. 지금 미국의 A사가 공급하는 디스플레이 업체로 일단 삼성디스플레이 또는 중국의 BOE나 SeeYa가 하고 있습니다. 또 반도체 분야는 삼성전자를 컨택하고 있습니다. 그래서 지금 굉장히 주목받고 있는, 사람들의 초미의 관심사가 되는 부분입니다. 또 OLED 말고 실리콘 기판 위에 LED를 하는 것도 있습니다. LED라고 하면 가장 기억해야 하는 점이 LED는 밝습니다. 사람들은 일반적으로 밝은 디스플레이를 좋아합니다. 그래서 LED가 밝기 때문에, VR이 아닌 AR은 밝아야 됩니다. 그래서 AR도 굉장히 주목받고 있습니다. 옵티컬 시스루(Optical See-Through)라고 부르고 있습니다. 픽셀은 더 작습니다. 3.8μm밖에 안 됩니다. 그리고 13만 nits입니다. 아까 OLEDoS 기반하고 또 차원이 다릅니다. 그래서 삼성전자 LED 또는 중국의 업체들과 지금 개발을 하고 있습니다. 마이크로 LED는 이미 대형 TV 또는 최근에 지어진 호텔의 그랜드볼룸에 가면 큰 스크린이 다 마이크로 LED로 되어 있어서 밝습니다. AR 렌즈도 밝은 LED 기반 이 두 가지가 삼성뿐만 아니라 LG가 사실 더 먼저 개발을 해서 지금 진행을 하고 있습니다. 우리나라 두 업체가 세계 시장을 리드하고 있는 게 사실입니다. 그래서 이것은 기사가 많이 나옵니다. 정체 되어 있는 디스플레이 노트북·모니터·휴대폰·TV, 하지만 MR·VR·AR 같은 XR 시장은 늘어나고 있습니다. 이런 업체들이 열심히 개발을 하고 있습니다. 그런데 디스플레이 업계 혼자만 하면 안 되고 반도체와 같이해야 합니다. 제한 조건이 있습니다. 반도체 웨이퍼 사이즈가 작으면 시장성이 떨어집니다. 12인치어야 되고 파운드리가 있어야 합니다. 파운드리 업계는 디스플레이가 올 때 오면 기다리고, 디스플레이가 항상 제공해 주지 않습니다. 파운드리 업체도 CPU나 AP나 다른 여러 가지 칩들, 또 수익성이 맞아야 합니다. 그렇기 때문에 사실 그렇게 간단한 문제가 아닌데, 굉장히 액티비티가 많이 일어나는 게 사실입니다.

03 ‘Form-factor 혁신’, Stretchable 디스플레이

두 번째 부분인데 이것은 좀 더 차세대입니다. 우리나라의 업체와 또는 학계도 마찬가지입니다. 반도체처럼 디스플레이도 전 세계 1등을 계속 지켜나가고 있다고 보고 있습니다. 비록 LCD 수량 면에서는 중국이 지금 앞서 있지만, 기술 면에서는 역시 우리나라가 제일 세계 1등이라고 생각합니다. 그래서 중국 업체들이 따라오는 만큼 또 새로운 기술로 도망가야 되는데 그중에 가장 정점에 있는 기술이 바로 스트레처블(Strechable) 기술입니다.

이미 우리나라 기업인 삼성디스플레이와 LG디스플레이는 여러 번 전시도 하고 기술을 선보였습니다. 이것은 2021년인데 그전에 이미 SID(국제 정보 디스플레이 학회) 같은 곳에서 선보였습니다. 그전에는 9인치였는데 13인치로 늘렸습니다. LG디스플레이도 국책과제도 하고 굉장히 기술이 앞서 있습니다. 물론 AUO도 있긴 하지만 삼성과 LG가 가장 앞서 있는 부분이라고 생각을 합니다.

화면을 스트레치 한다면 어떤 문제가 가장 먼저 떠오르십니까? 일단 해상도는 픽셀 퍼 인치(Pixel per inch)입니다. 1인치에 픽셀 몇 개가 있는 것인지로 얘기합니다. 휴대폰이 한 500~600ppi입니다. 그러니까 이것을 만약에 늘린다면 당연히 PPI가 줄어듭니다. 가장 중요한 게 스트레치를 했는데도 해상도가 유지되어야 하는 점입니다. 예를 들면 200ppi를 늘렸는데도 200ppi가 유지되어야 합니다. 이게 가장 큰 이슈라고 보면 되고, 그다음 스트레처블을 했는데 뒤에 전부 반도체 소재인 트랜지스터가 들어있습니다. 트랜지스터의 특성이 바뀌거나 훼손되는 등 신뢰성에 문제가 있으면 안 됩니다. 그리고 트랜지스터만 있는 게 아니라 빛을 내는 EL이나 마이크로 LED 등이 열화가 되거나 하는 프론트 플레인(Frontplane) 관점에서도 중요합니다.

이 세 가지 부분이 있는데, 연세대학교와 또 굉장히 유명하신 경희대학교 장진 교수님 또는 그 외 많은 분들과 저희가 국가과제를 하고 있습니다. 한 4차년도를 수행 중인데 이것을 간단하게 소개를 해드리겠습니다. 지금 많이 진정을 했고 가장 핵심이 x축, y축으로 30%까지 인장을 했는데 해상도가 바뀌지 않는 것은 굉장히 어렵습니다. 그리고 일단 컬러가 없는 것(모노)으로 했다가 컬러가 있는 것으로 했습니다. 200ppi이면 사실 낮은 해상도가 아닙니다. 노트북이 100~200ppi 정도 수준이라고 봅니다. 그래서 이렇게 나눠져 있습니다. 밑에 있는 화면이 보일텐데, 이게 스트레치를 하면 어떻게 됩니까? 처음에는 켜지지 않는 픽셀이 스트레치를 하면서 다시 켜지는 겁니다. 다시 말씀드리면 히든 픽셀이 10% 인장했으니까 켜지고, 20% 인장했으니까 켜집니다. 여기 몇 퍼센트 인장을 했다는 센서가 더 필요합니다. 그래서 이런 간단한, 그런데 저희는 이것을 OLED로 하지 않고 일단 LED로 진행했습니다. 오른쪽에 보이는 그림은 실제로 1단계가 끝나서 16×16, AM이라고 하는 것은 TFT가 있는 것을 AM(Active Matrix) 라고 합니다. 실제로 스트레치를 하지 않았을 때와 15% 했을 때, 여전히 마이크로 LED가 켜지는 것을 확인했습니다. 그래서 저희가 스트레처블을 하는데 “OLED로 해야 되나, LED로 해야 되나.” 고민을 했는데, OLED의 O가 어떤 단어의 약자입니까? 올가닉(Organic)입니다. 올가닉(유기물)은 무슨 말일까요? 카본이 들어있는데 유기물은 아시다시피 잘 상합니다. 이게 산소와 수분에 굉장히 약합니다. 그래서 OLED 공정의 핵심이 인캡슐레이션(Encapsulation), 여기 전부 유기물입니다. 유기물을 잘 덮어 줘야하는데 이게 전자기기나 전자제품 중에 가장 센 겁니다. 그것을 우리가 WVTR(Water Vapor Transmission Ratio)라고 합니다. 그러니까 물이 얼마나 침투하느냐, 이게 10에 마이너스 6승으로 태양 전지나 자동차와 비교가 안 되게 높습니다. 굉장히 셉니다. 스트레처블을 하면 당연히 유동성이 있기 때문에 물과 수분, 공기 등 유기물이 들어갈 수가 있습니다. 그래서 인캡슐레이션이 어렵지 않은지, 그리고 OLED에서 D가 무슨 뜻입니까? 디스플레이가 아니라 다이오드(Diodes)입니다. 다이오드가 2단 소자니까 캐소드와 애노드가 있는데, 캐소드가 손상이 됩니다. 신축을 하게 되면 금속이니까, 이것도 좀 문제가 있겠습니다. 유기발광층의 효율하고 수명은 말씀드린 대로 유기물입니다. 그래서 유기물이 사실 좀 약하고, 지금 OLED는 여러분 기억하시기 바랍니다. 이게 블루(청색)이 어려운 게, 청색 인광이 아직도 나오지 않고 굉장히 어려운 상황입니다. 청색이 어려운 상황이라 수명 등이 더 어려워지지 않나, 그리고 지금 인캡슐레이션 ‘봉지’라고 하는데 과거에는 어떻게 했습니까? 유기물 무기물 유기물, 인캡슐에 TFE(Thin Film Encapsulation)라고 하는 걸로 했었습니다. 물론 굉장히 단순화되긴 했는데 이런게 더 어려운 공정이 필요하다는 한계점이 있습니다.

그래서 저희가 생각한 것이 “LED가 낫지 않느냐.” 왜냐하면 LED는 무기물입니다. 그러니까 이런 인캡슐레이션도 필요 없고 캐소드 이런 것도 필요 없습니다. 플립칩(Flip chip)으로 하면 이론적으로는 훨씬 더 괜찮을 수 있습니다. 그리고 LED는 밝습니다. 이게 엄청난 특징입니다. 그러니까 LED는 기억하시면 좋은데 아주 큰 대형 TV 이상이나 아주 조그마한 소형 기기에 굉장히 적합합니다. 그래서 고휘도가 나오는 데는 LED가 유리한데, 이슈도 있습니다. 해결해야 될 과제가 있습니다. LED는 아까 OLED는 블루(청색)가 어렵다고 그랬는데, LED는 레드(적색)가 어렵고 효율이 안 나옵니다. 그리고 시청 앞에 있는 LED 전광판은 훌륭하지만 크기가 작아질수록 급격하게 효율이 떨어집니다. 이 부분은 굉장히 주목을 해야 됩니다. 현재 어디까지 픽셀 사이즈가 줄고 있습니까? 10μm 미만, 6μm까지 줄어들고 있는데 10μm가 되는 순간 효율이 충격적으로 낮아집니다. 현재 기술로 할 수 없습니다. 그렇기 때문에 레드(적색) LED 기술이 빨리 나와야 합니다. 특히 10μm 미만의 작았을 때. 이런 게 아직 한계가 있고, 그리고 LED를 어디서 만듭니까? LED는 실리콘 기판에서 못 만듭니다. 실리콘 기판에서 만들면 열이 나옵니다. 그래서 사파이어 기판에서 갈륨나이트라이드라는 물질을 단결정 성장시켜서 만들어 냅니다. 그러니까 LED를 만드는 웨이퍼가 있고 기존에 온 실리콘, 실리콘을 만들 때 이렇게 해서 이쪽으로 붙여야 합니다. 전사를 옮겨야 되는데 이게 어렵습니다. 그래서 굉장히 여러 가지 기술이 나오고 있습니다. 그렇지만 아직까지 하나씩 건질 수도 없고 픽앤플레이스 하기도 어렵고, 1억 개 이렇게 하기 때문입니다. 그래서 또 전사를 한다고 해도 거기서 불량이 나올 수 있습니다. 그래서 지금 이건 굉장히 기술 발전이 잘 되고 있습니다. 기다리면 아마도 좋은 기술이 나올 것 같습니다. 어쨌든 이 두 가지가 한계점이 있는 것 같습니다.

04 차세대 디스플레이 application : 뉴로모픽 시스템의 적용

그래서 두 가지의 디스플레이 산업계와 기술계의 트렌드, 그러니까 ‘Super-resolution’, ‘On-silicon’이라고 하는 것을 말씀드렸고, 두 번째 조금 먼 미래 스트레처블(Stretchable)에 대한 말씀을 드렸습니다.

마지막으로는 이 부분은 아직까지 산업계에서는 큰 연구를 하고 있지 않은데, 저는 대학교에 있다 보니까 논문을 보고 깜짝 놀랐습니다. 왜냐하면 엄청나게 많은 연구자들이 연구하고 있습니다. 여러분들 그거 아십니까? 제가 아는 부분은 원래는 학계에서 어느 정도 새로운 기술이 나와서 논문을 쓰고 또 그 논문을 다른 사람들이 인용하고 참고하고 연구자가 많아져서 어느 시점이 되면 그게 산업계에 적용이 되는 것이 일반적인 사례입니다. OLED 옥사이드 TFT를 예를 들면 2004년에 일본의 어느 교수님께서 네이처에 논문을 내셨습니다. 그런데 그게 8년 걸렸습니다. 2012년에 옥사이드 TFT를 활용해서 OLED TV를 LG디스플레이에서 만들었습니다. 8년이 걸리는 건 엄청나게 빠른 겁니다. 그런데 그 네이처 논문 이후에 많은 연구자들이 집중적으로 연구를 하고 또 그게 기술 발전을 일으켜서 이렇게 됐다고 봅니다. 바로 지금 태동하는 기술 중에 하나가 뉴로모픽(Neuromorphic) 기술입니다.

지금 휴대폰이나 컴퓨터는 사실 어떤 방식이냐면 폰 노이만이라고 하는 천재적인 과학자가 있었습니다. 1903년생 헝가리 출신인데, 이분이 게임 이론의 대가이고 컴퓨터의 기초를 하신 분입니다. 여러분 컴퓨터 하면 어떻습니까? CPU, 메모리 등 이렇게 딱딱 나눠져 있습니다. 그런데 최근 반도체의 트렌드가 PIM(Processing-In-Memory), 메모리와 프로세스를 서로 워낙 용량이 커지고 성능이 좋아지는데 이들을 연결하다 보니까 연결하는 선을 버스 라인이라고 하는데 버스 라인에 병목 현상이 일어납니다. 그래서 그것을 동시에 처리하는 기술이 이미 나오고 있는데, 궁극적으로는 컴퓨터가 지향하는 바는 사람의 뇌가 아닐까 생각합니다. 뇌에서 이 부분은 저장하고 이 부분은 연산하고 이러지 않습니다. 뇌는 그냥 그 모든 것을 동시에 합니다. 뉴로모픽(Neuromorphic)은 뉴런(neuron)과 형태(morphic)의 합성어인데, 신경세포와 모르픽이 모양이나 형태를 얘기하는 건데, 그래서 마치 인간의 뇌가 인식을 하듯이 어떤 자극을 주면 그 자극이 시냅스를 통해서 전달해서 계속 기억하고 학습하고 이런 뇌의 동작 원리를 따라하는 뉴로모픽 소자들에 대한 연구가 굉장히 늘어나고 있습니다. 그런데 재밌는 사실은 그 뉴로모픽 소자에 가장 많이 사용하는 소자가 바로 산화물 반도체입니다. 인듐-갈륨-징크 옥사이드 산화물 반도체를 어디가 제일 잘 만들까요? 우리나라 기업인 삼성과 LG가 가장 잘합니다. 이미 대형 또는 소형에서 양산한 지 10년이 넘었습니다.

그래서 이런 산화물 반도체를 디스플레이 애플리케이션이 아닌 이런 분야로도 연구를 많이 하는데, 한 가지 더 말씀드리면 인듐-갈륨-징크 옥사이드의 산화물 반도체는 이미 반도체 D램에서도 개발하고 있는 걸로 들었구요. 시스템LSI에서도 개발을 하고 있다고 들었습니다. 왜냐하면 이 산화물 반도체는 트랜지스터가 껐다 켰다(온·오프)를 하는데 껐을 때 제대로 꺼집니다. 그러니까 껐을 때 전류가 거의 안 나옵니다. 엄청난 장점을 갖고 있습니다. 그래서 이미 반도체와 비메모리에서도 연구를 하고 있는데, 그 다음 레벨이 제가 보기에는 뉴로모픽 인공 신경망 시스템이 아닐까 생각을 합니다. 그래서 제 생각인데. 만약에 뉴로모픽을 이용한다면 지금 픽셀이 오른쪽에 보이는 그림이 화소인데, 화소에 트랜지스터 두 개와 커패시터(축전기) 하나가 있고 여기가 발광하고 이렇게 되어 있는데 이게 간단해집니다. 커패시터는 용량도 크고 사실 지연을 시키는 주범입니다. 충전을 해야 하니까, 그래서 커패시터를 없앨 수 있습니다. 그래서 커패시터가 없는 시네틱 트랜지스터로만 할 수 있는 것도 뉴로모픽 소자를 디스플레이뿐 아니라 반도체 분야라던지, 반도체 중에서도 여러 가지 부분에 응용할 수 있다고 봅니다. 일단 제가 생각하기에 디스플레이 분야에 응용할 수 있는 것은 픽셀 회로를 간단하게 하고 굉장히 소비 전력이 낮고 색재현율을 높이는 방법으로 활용할 수 있는 소자가 될 수 있다고 생각합니다.

이상으로 제가 간단하게 최근 디스플레이 기술과 산업계의 가장 큰 이슈 온 실리콘과 조금 차세대 디스플레이 관련된 스트레처블, 그리고 더 나아가서 뉴로모픽 소자에 대해서 잠깐 말씀드렸습니다. 감사합니다.

정리_안영희 PD anyounghee@thelec.kr

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