제 7장 마이크로디스플레이 (microdisplay) -...

디스플레이공학

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제 7장. 마이크로 디스플레이

(Microdisplay)


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1.1 정보 디스플레이 환경 변화

이미지를 광학계를 이용하여 어느 정도 거리에 떨어진 스크린에 확대하는

front 프로젝션의 프로젝터 또한 광학계가 TV 하우징의 앞 또는 뒤에 위치

하고 이미지는 자체 하우징 내에 있는 스크린에 표시되는 rear projection

TV 등으로 구분되어 개발되었다. 이와 같이 작은 크기의 디스플레이를 이미

지 크기를 확대시킬 수 있는 광학계와 결합하여 큰 이미지를 볼 수 있는

microdisplay의 기술은 초기의 대형 프로젝션 TV 또는 프로젝터와 같은 제

품에 적용되었으며, 최근에는 HMD(Head Mounted Display)와 같은 제품

및 대화면에 대한 요구가 커지고 있는 휴대폰에 큰 화면에 대한 욕구를 해

소시켜줄 수 있는 micro projector 제품 등 초소형 마이크로디스플레이에

많은 관심이 집중되고 있다.


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1.2 마이크로디스플레이 정의 및 특징

0.5인치 화면 크기에 800x600의 해상도를 가진 반사형 LCD 디스플레이

마이크로디스플레이는 일반적으로 대각 2인치 이하의 화면 크기를 가진 소형 디스플레이를 의미하며, 또한 화면 크기가 아주 작아서 광학계를 통한 화면 확대가 필요한 디스플레이로 정의 된다


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마이크로디스플레이 방식

(a)투사형

마이크로디스플레이를 보는 방법에 따라 구분하면 일반적으로 두가지 방식으

로 나눌 수 있다. 첫째 방식은 투사형 마이크로 디스플레이(Projection

Microdisplay)이며, 둘째 방식은 가상형 마이크로디스플레이(Virtual

Microdisplay)이다. 투사형 마이크로디스플레이 패널은 0.7인치에서 2인치 사

이의 크기를 가지며, rear projection TV나 프로젝터와 같은 투사형 방식은 광

학계의 정도에 따라 100배에서 200배의 배율을 보여준다.


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마이크로디스플레이 방식

(b)감사형

가상형 방식의 경우, 개인을 대상으로 사용자가 광학계를 통하여 확대된 이미

지 또는 영상을 직접 눈으로 보는 방식으로 디스플레이 패널의 크기가 광학계

배율 정도에 따라 50인치까지 구현이 가능하다. 가상형 방식에 사용되는 패널

의 크기는 보통 0.4인치에서 1인치 사이의 크기를 갖는다.


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투사형과 가상형 마이크로디스플레이 방식 비교

방식투사형 마이크로디스플레이(Projection Microdisplay)

가상형 마이크로디스플레이(Virtual Microdisplay)

영상(이미지) 크기 ~ 100 인치 이상 ~ 50 인치

패널 크기 0.7 - 2인치 0.4 - 1인치

해상도SVGA, XGA, SXGA, UXGA,

HDQVGA, VGA, SVGA

응용 분야 프로젝션 TV, 프로젝터HMD, 디지털 카메라, 캠코

더, EGD, etc.

⑵ 마이크로디스플레이의특징

마이크로디스플레이는 기존의 직시형의 평판 디스플레이 개발 과정에서 생기는문제점들, 특히 화면 크기, 부피, 가격 등의 아주 민감한 요인들을 해결하려는노력에서 개발이 시작되었다


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마이크로디스플레이의 종류와 구동 원리

2.1 마이크로디스플레이의종류

직시형 평판 디스플레이와 마찬가지로 마이크로디스플레이의 경우에도 동작

방식에 따라 반사형(Reflective), 투사형(Transmissive), 그리고 자체발광형

(Emissive)으로 분류할 수 있다. 반사형 마이크로디스플레이의 경우에는 반사

면의 특성을 변화시켜 가면서 외부로부터 입사되는 광을 변조시키는 방식으로

광원이 마이크로디스플레이 패널 앞쪽에 존재하여 이미지를 반사시켜서 보는

형태가 되며, 투과형 마이크로디스플레이의 경우에는 입사되는 광이 패널을 통

과하면서 변조되는 방식을 이용하는 것으로 광원이 디스플레이 뒤쪽에 있게 된

다. 자체발광형 마이크로디스플레이의 경우에는 스스로 빛을 생성하여 별도의

광원이 불필요한 형태가 된다.


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마이크로디스플레이의 종류와 구동 원리

(1) 반사형마이크로디스플레이

반사형 마이크로디스플레이에는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)

기술을 이용하는 방식과 실리콘 CMOS chip과 glass plate사이에 있는 액정 박

막을 특징으로 하는 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 기술을 이용한 것이 대표

적인 반사형 마이크로디스플레이이다.

(1-1) MEMS 마이크로디스플레이

초소형의 전기 및 기계적인 성분으로 제작된 MEMS 소자를 기반으로 디스플레

이를 말한다. 현재까지 TI(Texas Instruments)사의 DMD (Digital Micromirror

Device), SLM(Silicon Light Machines)사의 GLV(Grating Light Valve), 대우전

자의 TMA(Thin-film Micromirror)등의 기술을 기반으로 하는 MEMS 마이크로

디스플레이가 개발 또는 상품화되어 있다.


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DMD pixel의 구조

(a) TI사의 DMD 기술

TI사는 DMD 기술과 디지털 영상을 색이있는 아날로그 이미지로 인식하도록digital light pulse 로 변 환 시 키 는DLP(Digital Light Processing)을 결합하여 고화질의 대화면 디스플레이를 구현하였다. DMD pixel은 초미세 반도체공정에 의해 메모리 셀(CMOS SRAM)부위에 제작된 미세한 4단의 구조로 제작된다. York 및 hinge 층은, SRAM로부터의 신호를 거울의 기울기에 변환하는 역할을 하며 , SRAM 로부터의 전압(ON/OFF)에 의해 정전기적인 토크를일으켜, torsion hinge부분을 비틀 수 있어, 이 기우는 동안의 동작 속도는 불과15μsec 초고속이다.


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2개의 DMD pixels

viewer의 눈이 인지하도록 만드는 기술을 binary pulsewidthmodulation이라고 하며 일반적으로 디스플레이에서 많이 사용되는 계조 표시 기술 중의 하나이다.DMD를 기반으로 한 DLP 프로젝션 시스템을 구현하는 위해서는single-chip, two-chip, 그리고three-chip을 이용하는 세 가지방식이 있으며, 이는 가격, 광 효율, 전력소비량, 시스템의 무게와부피에 아주 밀접하게 관계가 있어서 용도에 따라서 선택적으로결정된다.


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Single-chip DLP 프로젝션 시스템


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삼성전자에서 출시한세계 최대 사이즈의 71인치 1080p DLP TV

1개의 칩을 사용하는 DMD 기반의 프로젝션 디스플레이는 작고가볍지만, 화질적인 측면에서는 3개의 칩을 사용하는 DLP 프로젝션 시스템이 가장 우수하다. 공정기술의 개발에 따라 mirror pitch가 13.6㎛인 것을 현재에는 10.8㎛으로 줄여 1080p의 HD급 제품을 생산하는 수준에 이르렀다.[그림 7-6]에 나타낸 사진은 삼성 전자에서 출시한 세계에서 가장 큰 사이즈인 71인치 1080pDLP TV이다.


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SLM사의 GLV 기술

GLV(Grating Light Valve) 기술은1990년대 초에 스탠포드 대학에서 고안되어, 1994년 SLM(Silicon Light Machines)사가 설립되는 계기가 되었다. SLM사는 2000년에Cypress Semiconductor사의 자사로 편입되어 GLV 기술을 기반으로 하는 다양한 소자 기술 개발을해오고 있다. GLV 기술은 [그림7-7]에 표시한 것과 같이 6개의리본으로 구성된 하나의 픽셀에서부터 시작된다.

GLV 프로젝션 디스플레이의원리 및 화소 구조


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GLV 프로젝션 디스플레이의 원리 및 화소 구조

실리콘 질화 막 위에 반사도가 우수한 알루미늄 막을 코팅하여 리본을 만들며,

리본의 크기는 폭 3㎛, 길이 100㎛, 그리고 두께 100nm이다. 리본의 양쪽 끝

부분을 지지한 상태로 650nm의 air gap을 만들어 준다. 이렇게 만들어진 6개

의 리본을 병렬로 배치하면 [그림 7-7]의 윗 그림과 같이 한 개의 pixel이 완

성된다. 픽셀을 구동하는 원리는 리본과 air gap하부에 있는 전극 간에 전기장

을 가하면 정전기력에 의하여 리본이 아래쪽 부분으로 20nsec 정도의 아주

빠른 속도로 당겨지게 된다.


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LCoS 마이크로디스플레이

Canon사와 Kopin사의 투과형 LCoS방식을 제외하고는 대부분의 LCoSmicrodisplay는 반사형 방식이다 .LCoS microdisplay의 기본적인 구조는 [그림 7-8]과 나타낸 것과 같다.LCoS 마이크로디스플레이는 액정의광변조 특성을 이용한다는 측면에서직시형 디스플레이인 TFT-LCD와 비슷하다.LCoS 마이크로디스플레이의 경우에는, TFT가 형성된 한 쪽의 유리 기판대신에 실리콘 기판을 대체한 것으로 화소 제어를 위하여 단결정 TFT 소자가형성된 CMoS chip이 구동 소자의 역할을 한다. CMOS chip 위에 반사막,액정, 배향막, 투명 전극, 유리판, 그리고 편광판 등이 위치하게 된다.

LCoS 마이크로디스플레이의 구조


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LCoS projection 시스템 구성도

액정을 포함하는 LCoS 구조에서 액정은 반사막 표면에 도달하는 빛의 양을 조절하는 밸브의 역할을 한다. 따라서 특정한 화소의 액정이 더 많은 전압이 가해지면 더 많은 양의 빛이 통과하도록 하게 한다. 컬러 LCos 마이크로디스플레이를 구현하는 방법으로는 3 개의 LCoS chip과mirror들을 이용하여 Red, Green, Blue를 만들어 내는 방식([그림 7-9]참조)과 1 개의 LCoS chip과 color filter wheel응 이용하여 연속적으로 색상을 구현하는 방식이 있다.


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LCoS 기술의 일종으로 Sony는 최근에 SXRD(Silicon X-tal Reflective Display)를 개발하였다. 주요 특징은 콘트라스트 비가 3000:1로 높다는 것과 고온 다결정 Si 액정 패널과 비교하여 약 2.4배의 화소 밀도를 갖는다는 것이다. 이외에도실리콘 구동 소자의 평탄화 기술, 균일한 배향막 성막 기술을 개발하여 2㎛이하라는 액정 셀 두께 구현 등이 중요한 기술의 개선이다. SXRD 기술의 자세한 구조와 특징을 [그림 7-10]에 표시하였다.

Sony의 SXED 단면도및 주요 특징


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SXRD 기술이 적용된 chip과 70인치 SXRD rear projection TV의 한 예를 [그림 7-11]에 나타내었다

Sony의 (a) 0.78 인치SXRD chip

(b) 70인치 SXRD 1080prear projection TV


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JVC의 1.75인치 8kx4k D-ILA 소자

또한 JVC(일본 빅터)는 D-ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier) 라는 LCoS 기술을 개발하였다. 동사는 D-ILA 기술을 이용하여 해상도8192×4320의 프론트 프로젝터를 위한 반사형 액정 디바이스 1.75인치8kx4k D-ILA디바이스를 개발하였다([그림 7-12] 참조). 화면 비는 17:9, 화소 피치는 4.8㎛, 화소 간 갭은0.24㎛, 개구율은 90%이상. 액정의배향에 의한 혼란 저감화 기술을 채용하여 반사면에 있어서의 빛의 산란이나 회절 등을 억제하여 콘트라스트20000:1을 실현했으며, 응답 속도는4.5ms 정도이다.


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(2) 투과형 마이크로디스플레이

TFT(Thin Film Transistor)를 이용한 AM(Active Matrix)의 LCD가 가장 많이

사용되고 있으며, 이러한 TFT는 다결정 폴리 실리콘 또는 단결정 실리콘 위에제작된다.

(2-1) 다결정 실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이

고온 공정을 통하여 TFT를 제작하기 때문에 고온에서 견딜 수 있는 quartz를

기판으로 사용한다. 투과형 LCD 마이크로디스플레이에서는 광원이 디스플레

이 뒤쪽에 위치한다. 생산하는 업체는 Seiko-Epson, Sony 등 주로 일본 프로

젝터 업체이다. 프로젝터인 경우 디스플레이 크기는 1인치 이상이며, 가상형

의 경우 0.5인치에서 1인치 사이의 크기를 갖는다.


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다결정 실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이

<LCD 마이크로디스플레이를이용한 프로젝터의 구조>

[그림 7-13]에 다결정 실리콘

TFT-LCD 마이크로디스플레이를

이용한 프로젝터의 구조를 나타

내었다. LCD 마이크로디스플레

이는 광원으로부터 R, G, B로 분

리되어 입사되는 빛을 통과 또는

차단함으로 빛을 변조시켜 스크

린에 이미지 또는 영상을 만들게

되는 것이다.


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단결정 실리콘 TFT-LCD 마이크로디스플레이

<Kopin사의 Cyberdisplay LCD 단면도>

단결정 실리콘 TFT는 다결정 실리콘 TFT에 비하여 상대적으로높은 이동도와 화소 밀도를 갖기때문에 양질의 집적 회로를 패널위에 쉽게 구성할 수 있다. 리콘과 같은 불투명한 기판 위에 회로들을 만들기 때문에 주로 반사형방식으로 디스플레이를 구현하는것이 일반적이다. 단결정 실리콘회로를 투명한 유리 기판 위로 전사시킴으로 투과형의 마이크로디스플레이가 가능하게 되는 것이다 . Color filter 를 사용하는Cyberdisplay LCD의 단면도를[그림 7-14]에 나타내었다. 기본적인 구성은 기존의 TFT-LCD와유사하다


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(3) 자체발광형 마이크로디스플레이

P-OLED의 기본 구조

자발광의 특성을 가지는 디스플레이는 무기 EL, OLED, FED, VFD, 그리고 LED 등이있다. 마이크로디스플레이에가장 많이 접목하고 있는 디스플레이는 저분자 와 고분자 기반 OLED 디스플레이라고 할수 있다. 미국의 eMagin사와영국의 MED(MicroEmissive Displays)사는 각각 저분자와고분자 기반으로 하는 OLED microdisplay를 개발하여 상품화를 진행하고 있다. MED사의P(Polymer)-OLED 마이크로디스플레이의 주요 부분은 [그림 7-15]에 보이는 P-OLED 구조이다.


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MED사의 P-OLED microdisplay인"eyescreen" ME3024

마이크로디스플레이를 제작하기 위해서는 반도체공정에 의해 회로가 내장된CMOS chip 위에 [그림 7-15]와 같은500nm 정도의 두께로 anode 전극과고분자 EL 층, 그리고 투명한 cathode전극을 증착한다. 그 후에 보호용 무기박막 봉지 공정을 전면에 실시하고color filter가 있는 유리 기판과 합착하면, [그림 7-16]과 같은 P-OLED 마이크로디스플레이가 만들어진다. [그림7-16] 은 MED 사 의 "eyescreen"ME3024는 0.24인치의 QVGA 해상도를 판매가 되고 있는 상용 제품의 사진이다. 이 제품과 렌즈를 포함하는 광학계와 결합하면 HMD와 같은 가상형 마이크로디스플레이가 완성되게 된다.


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eMagin사의 저분자 OLED 구조

저분자 유기 EL을 마이크로디스프레이 패널에 이용하고 있는eMagin사는 Eastman Kodak사로부터 저분자 유기 EL에 대한특허 사용 권한을 받아서 마이크로디스플레이 패널 제작 기술을개발하고 있다. 제작 공정은 우선 단결정 실리콘 CMOS 회로 기판 위에 [그림 7-17]과 같은 평탄화된 절연막, anode 전극, 백색 의 저 분자 EL 층 , 투 명cathode, 투명 seal layer, blackmatrix, color filter, 투명 보호막,반사 방지막 등의 순서로 증착또는 성막 하는 것이다.


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Microdisplay의 한 예

0.5인치 화면 크기에 800x600의해상도를 가진 반사형 LCD 디스플레이

만들어진 OLED 마이크로디스플레이 패널은 [그림 7-18]에서와 같이 비선형 렌즈를 포함하는 광학계와 결합되어 HMD또는 NTE display와 같은 가상형의 마이크로디스플레이로제품화된다 . eMagin 사는0.59 인치 SVGA(800x600),0.61인치 SVGA+(852x600)급의 저분자 OLED 마이크로디스프레이 패널을 제조 및 판매하고 있다.


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마이크로디스플레이의 응용 분야

Projection TV (a) LCD 방식 (b) DLP 방식 (c) LCoS 방식

첫째는 투사형(projection) 방식에 따른 응용, 둘째는 가상형(Virtual Image)방식에 따른 응용이다. 투사형 마이크로디스플레이는 현재의 평판 디스플레이와 경쟁을 해야 하는 시점에 이르게 되었고 시장을 점유하는데 어려움이커질 것으로 예상된다. [그림 7-19]에 다양한 기술에 의한 프로젝션 TV 제품을 나타내었다.


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가상형 마이크로디스플레이의 다양한 응용 분야

가상형 마이크로디스플레이의 응용 분야로는 HMD(Head Mounted Display)및 EGD(Eye Glass mounted Display) 등이 정보통신의 급속한 발전과 더불어 다양한 정보 제공의 매체로 부각되기 시작하고 있다. 여러 가지 가상형 마이크로디스플레이의 다양한 응용 예들을 [그림 7-20]에 나타내었다.

점차 미래 디스플레이의 하나인 wearble display에 사용된다는 면에서 측면에서 보면 더욱 다양한 응용 분야가 생겨날 것으로 예상된다. 특히, moblephone, portable game console, PMP, DVD 등의 entertainment 분야에 우선적인 응용이 발생할 것이며, 군사, 교육, 산업, 의료 등의 분야에서도 실시간으로 정보를 전달, 표현함으로 효과적인 업무 수행에 많은 도움을 줄 것이다.


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마이크로디스플레이의 기술 개발 동향

회사 제품 특징 비 고

삼성전자MiniProjector

∙SVGA급 DMD panel, 3color LED

삼성전기MiniProjector

∙MEMS 방식의 SOM 광변조 소자 개발

LG 전자MiniProjector

∙DMD 및 LCoS panel 적용

일진 디스플레이

NanoProjector

∙1-LCD 방식의 프로젝션디바이스

휴대폰용

⑴ 마이크로디스플레이의 국내 개발 현황


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마이크로디스플레이의 국외 개발 현황

회사 응용분야 내용 비 고

CanonMiniProjector

∙해상도 SVGA급 소형 사이즈소자 개발∙MEMS scanner 개발

Sony GLV TV∙레이저 광을 광원 사용∙3000:1dml 높은 색대조비

EpsonMiniProjector

∙투과형 LCD panel 적용∙고휘도 LED 사용

MitsubishiMiniProjector

∙SVGA급 DMD panel 사용∙Lumileds LED 사용

NECMiniProjector

∙Mini projector와 computer가연결되는미래 사무환경 시연

JVCProjectionDisplay

∙D-ILA 기술 개발

마이크로디스플레이 관련 일본의 연구 개발 동향


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마이크로디스플레이 관련 미국의 연구 개발 동향

회사 응용분야 내용 비 고

Texas Instruments

DMD∙MEMS 기반 DMD/DLP system 개발∙Feature size 12㎛ pixel

SymbolMiniprojector

∙Barcode scanner를 mini projector에적용

MicrovisionMiniProjectorEngine

∙MEMS scanner 개발∙HMD/HUD 상용화∙PicoP: full color 시제품 전시(2008SID)

eMagin HMD∙SVGA급 및 SVGA+급 저분자 OLED마이크로디스플레이 패널 대발

DisplaytechPico-projector

∙FLCoS(Ferroelectric Liquid Crystalon Silicon) 기술 개발∙VGA, WVGA, and SVGA FLCoS 패널개발


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마이크로디스플레이 관련 유럽의 연구 개발 동향

회사 응용분야 내용 비고

Fraunhofer

InstituteMiniprojector

∙MEMS scanner 개발∙OLED projector 개발∙OLED on CMOS microdisplay 개발∙Photosensor 내장 OLED microdisplay 개발

SimensMiniprojector

∙Cyan monochrome 사용∙UV LD와 phosphor scrren 적용

MicroEmissive Displays

HMD∙고분자 OLED 마이크로디스플레이 패널 개발∙0.6인치 QVGA급 OLED 패널 개발 및 상용화

Fourth Dimension Displays

NTE

∙FLCoS기반 0.88인치 XGA급 패널 개발 및 상용화∙Fast switching liquid crystal (40µsec)

∙24-bit Native (8-bit per colour)∙High fill factor >93%

Holoeye Photonics AG

Hologram projector

∙실시간 hologram projector 개발∙LCoS panel + laser 광원 + hologram S/W 결합∙LCoS microdisplay size from 0.55” to 0.7”

∙해상도:1280x768(WXGA),1920x1200(WUXGA) ∙Frame rate: 60 Hz to 180 Hz

VisitechMicro-projector

∙DLP 기반의 micro projector 개발


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마이크로디스플레이의 향후 전망

차별성이 있는 제품 분야는 첫째로 초소형의 nano 또는 pico

projector이며, 두 번째로 초대형의 고해상도 프로젝션 디스플레이

가 될 것으로 보인다. 기존의 디스플레이로 기술로는 구현하기 어려

운 초소형과 초대형의 프로젝션 디스플레이가 마이크로디스플레이

의 기술 발전과 더불어 가까운 미래에 우리의 주변에서 볼 수 있을

것으로 보인다.

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