아이폰 18 Pro UDC 화소 구조 특허 분석

아이폰 18 Pro는 Face ID 위 화면에서 화소 줄을 한 줄 걸러 비웠습니다. 화면 아래 카메라 화소는 화소를 덜어 내는 1세대에서 회로를 가장자리로 빼고 투명 배선을 까는 2세대로 갔고, 그 2세대를 먼저 청구한 곳은 중국 톈마였습니다. 그러나 투명 배선은 마스크를 늘렸고, 애플은 다시 덜어 내는 1.5세대를 택했습니다. 그 배열은 애플 자신이 2018년 명세서에 처음 적고 2020년 출원에서 도면으로 그려 두었습니다.

1. 개요

1.1 Face ID 위 화면, 화소 줄이 한 줄씩 비었다

2026년 9월 나온 아이폰 18 Pro에서 Face ID의 적외선 카메라가 화면 아래로 들어갔다. 화면 아래 카메라(UDC)다. 자리는 화면 왼쪽 위, 시계 옆이다. 맨눈으로는 조금 어두운 동그라미가 겨우 보이는 정도다.

iFixit이 이 자리를 현미경으로 들여다봤다.

그림 1. 아이폰 18 Pro 화면의 Face ID 카메라 경계, 40배. 왼쪽이 카메라 위, 오른쪽이 일반 영역이다. 사진: iFixit

오른쪽 일반 영역은 화소가 빈틈없이 차 있다. 왼쪽 카메라 위 영역은 화소가 있는 줄과 비어 있는 줄이 번갈아 나온다. iFixit은 「적외선 카메라 위에서는 화면 화소가 한 줄 걸러 빠져 있다」고 적었고, 화면 아래에 적외선만 통과시키는 필터로 보이는 층이 있다고 덧붙였다. 9to5Mac은 애플이 「모듈 위 전체 화소 밀도가 절반으로 줄었다」고 확인해 줬다고 전했다. 어두워지지 않도록 그 화소들은 더 밝게 켠다.

화소를 덜어 내 빛길을 낸다. 단순해 보이는 이 답에 이르기까지 업계는 한 번 다른 길로 갔다가 돌아왔다. 이 편은 그 길을 특허 원문으로 거슬러 올라간다. 결론부터 적는다.

화면 아래 카메라의 화소는 화소를 덜어 내는 1세대에서, 화소 회로를 가장자리로 빼고 투명 전극만 남기는 2세대로 개발됐다. 의외로 2세대를 가장 먼저 청구한 곳은 중국 톈마다. 그러나 투명 배선은 저항과 마스크라는 대가를 불렀고, 삼성디스플레이 출원은 그 배선에 마스크가 4장 더 들 수 있다고 스스로 적었다. 애플은 다시 덜어 내는 1.5세대를 택했다. 그 배열은 애플이 2018년 특허 명세서에 처음 적었고, 2020년 출원에서 화소 줄을 한 줄 걸러 비우는 도면으로 그렸다. 구글은 2021년 비슷한 배열을 카메라용으로 청구하면서, 증착 마스크를 바꾸지 않고 층을 더하지도 않는 방법을 명세서에 적었다.

1.2 분석 범위

1.3 용어

2. 애플이 2018년에 그린 그림

아이폰 18 Pro가 택한 덜어 내기의 착상은 애플이 2018년 4월 출원한 특허의 명세서에 이미 있다. 다만 청구항이 아니라 명세서다.

2.1 하나 걸러 비운 바둑판

애플의 2018년 4월 10일 출원(US11073712B2)은 화면 너머로 촬영하는 전자기기 디스플레이를 다룬다. 그 그림 4A가 이렇다.

그림 2. 애플 US11073712B2 그림 4A(2018-04-10 우선). 가운데 영역에서 화소를 하나 걸러, 줄마다 엇갈리게 뺐다

명세서는 이렇게 적는다.

한 방향만 절반으로 줄이는 방법도 있다. 명세서는 「디스플레이 길이 방향으로 약 450ppi, 폭 방향으로 약 225ppi」인 영역을 예로 들고, 이런 영역을 이웃끼리 어긋나게 번갈아 놓는 이유를 「낮은 화소 밀도가 있다는 것이나 그 모습을 가리기 위해」라고 썼다. 한 방향 밀도를 절반으로 줄이는 것은 줄을 한 줄 걸러 비우는 것과 같은 모양이 된다. 명세서 그림 5A에는 빨강·초록·파랑 세 색 묶음 사이에 한 색을 뺀 묶음(빨강·초록, 초록·파랑)을 섞어 함께 색을 내게 한 배열도 있다.

2.2 청구한 것은 그보다 넓은 자리

그런데 애플이 청구항 1로 묶은 것은 이 배열이 아니다.

카메라 위만 화소 밀도를 낮추고 화소 사이로 빛을 보낸다. 이 편의 구분으로는 1세대다. 쓰임새도 터치 입력에서 반사된 빛, 곧 화면 아래 지문 촬영이 중심이다. 애플의 2018년 출원은 청구항으로는 1세대에 서 있고, 명세서로는 이미 1.5세대를 그려 두었다. 이 사이에 업계가 2세대라는 다른 길을 다녀왔다.

3. 세 갈래를 한눈에

그림 3. 같은 화면, 같은 카메라 자리(점선 원)에서 세 갈래를 비교했다. 1세대는 화소를 성기게 두고, 수명을 위해 키우기도 한다. 2세대는 회로를 원 밖으로 빼 투명 배선으로 잇는다. 1.5세대는 화소 줄을 한 줄 걸러 비우고 회로는 그대로 둔다. 크기와 간격은 비례가 아니다

1.5세대라 부르는 이유는 그림 3에 있다. 투과율만 보면 2세대가 가장 유리하다. 그런데 지금 실물은 2세대보다 1세대에 가까운 쪽으로 돌아와 있다.

아래 모형에서 세 갈래를 하나씩 바꿔 볼 수 있다.

4. 1세대: 덜어 내기

화소 사이로 빛을 보내는 착상의 가장 이른 형태는, 이 편이 확인한 범위에서 2009년 소니 출원이다.

4.1 소니 2009, 화소마다 낸 창

소니가 2009년 11월 2일 우선일로 낸 출원(US20110102308A1)의 청구항 1은 짧다.

화소 자리마다 작은 창을 내고 그 뒤에서 촬영한다. 구글 특허 기록에는 이 건이 연차료 미납으로 소멸했다고 나온다.

4.2 카메라 위만 성기게

2018년 들어 착상은 카메라 위 영역으로 좁혀진다. 애플(2018-04)의 청구항 1이 그렇고, BOE의 2018년 6월 출원 계열(US12266309B2)도 카메라 위 영역의 화소 밀도만 낮췄다. BOE의 2018년 8월 출원(US11037994B2)은 화소와 화소 사이에 투과부를 두었다. 이 두 건은 클레임의 BOE-삼성디스플레이 언더패널 카메라 특허소송 분석에서 다뤘다.

구글의 2019년 5월 출원(WO2020243740A1)은 여기에 두 가지를 더했다. 밀도를 낮춘 영역의 회로를 재배치하고, 회로 사이 틈에서 생기는 회절을 막으려고 차광층을 깔았다. 틈이 규칙적이면 빛이 그 틈에서 꺾여 사진에 번짐과 빛 갈래가 생긴다. 이 문제는 테커의 화면 밑 카메라로 찍은 셀카는 왜 멀쩡할까가 자세히 다뤘다.

4.3 덜어 낸 만큼 화소를 키운다: 수명

화소를 덜어 내면 카메라 위 영역은 어두워진다. 같은 밝기를 내려면 남은 화소에 전류를 더 흘려야 하고, 그러면 화소가 빨리 닳는다. 톈마(우한)의 2019년 10월 출원(CN110752242B) 명세서가 이 사슬을 그대로 적었다.

그래서 덜어 낸 영역의 화소를 키운다. 발광 면적이 넓으면 같은 밝기를 낮은 전류 밀도로 낼 수 있다. LG디스플레이의 2019년 출원 명세서도 밀도를 낮춘 카메라 위 화소를 일반 영역보다 크게 두었다. 「투명 영역 유기발광 다이오드(TOLED) 각각의 크기는 불투명 영역 유기발광 다이오드(OOLED) 각각보다 크게 설정될 수 있다.」

이 크기는 7장에서 다시 나온다.

4.4 1세대의 한계

덜어 내도 남은 화소에는 회로가 붙어 있다. LG디스플레이의 2019년 출원 명세서가 그 한계를 짧게 적었다.

화소를 덜어 내는 것만으로는 회로가 남는다. 그렇다면 회로를 아예 카메라 위에서 빼면 되지 않을까. 2세대는 그 질문에서 나왔다.

5. 2세대: 회로는 가장자리로, 의외로 중국이 원조

화소 회로는 카메라 영역 바깥에 두고 카메라 위에는 투명 전극과 발광층만 남긴다. 이 개념을 이 편이 확인한 범위에서 가장 먼저 청구한 것은 2019년 6월 28일 중국 톈마(우한)다. LG디스플레이 출원보다 반년 빠르다.

5.1 원형은 투명 디스플레이

2세대의 생각은 투명 디스플레이에서 왔다. 톈마의 2017년 10월 출원(CN107768407B)은 투명 디스플레이의 서브픽셀을 투과 영역, 빛을 내는 불투명 영역, 발광 영역으로 나누고 구동 회로는 불투명 영역에만 두었다. 회로를 한쪽으로 몰아야 나머지가 투명해진다. 카메라용은 아니지만 2세대의 원형이다.

5.2 톈마 2019, 카메라 위에는 투명 전극만

1년 8개월 뒤 톈마는 같은 생각을 카메라 위로 가져왔다. 펑차오(彭超)와 추이루이리(崔锐利)가 발명자인 CN110288945B다.

명세서는 이유도 적었다. 화소회로를 비표시 영역에 두면 카메라 위 영역에서 빛을 가리는 면적이 줄어 투과율이 오른다. 투명전극 재료로는 ITO·IZO·IGZO를 들었다. 표시단위 밀도는 일반 영역과 같게 두어, 화질을 깎지 않고 회로만 뺐다. 이 건은 중국에만 출원됐다.

5.3 LG디스플레이 2019, 투명 영역 전극선은 ITO만으로

반년 뒤인 2019년 12월 24일, LG디스플레이가 같은 방향의 출원(US11751463B2, 발명자 최정현·이설·조은일)을 냈다. 카메라 위 투명 영역의 화소를 구동하는 회로를 바깥쪽 영역으로 옮기고, 투명 영역 전극선으로 잇는다. 명세서는 「투명 영역 전극선(TEL)은 투명 금속만으로 이뤄질 수 있다」고 적었고, 캐소드도 투명 금속으로만 만들었다. 대표 청구항에 든 것도 이 투명 영역 전극선이다.

5.4 같은 시기 삼성디스플레이는 다른 쪽을 봤다

톈마보다 11일 이른 2019년 6월 17일 삼성디스플레이 출원(KR102832798B1)이 있다. 이 건은 카메라 위 영역의 밀도를 낮추고, 그 둘레에 거리에 따라 밀도가 차츰 오르는 전이 영역을 두었다. 덜어 낸 경계가 눈에 띄지 않게 하는 1세대의 다듬기다. 회로를 옮기거나 투명 전극으로 잇는 개념은 없다. 그래서 이 편은 2세대의 첫 청구를 톈마 2019년 6월로 본다.

6. 2세대의 대가: 저항과 마스크

투명 배선은 빛은 살렸지만 두 가지 값을 치렀다. 금속보다 큰 저항, 그리고 그 배선을 그리기 위한 추가 마스크다. 둘 다 2세대를 청구한 회사들이 스스로 명세서에 적었다.

그림 4. 특허 원문이 스스로 적은 공정 부담. 비용 금액을 적은 문헌은 없다

6.1 저항: 멀수록 약해지는 신호

톈마는 원조 출원에서 이미 문제를 짚었다. 회로가 가장자리에 있으니 카메라 영역 안쪽 화소까지 연결선을 끌고 들어가야 한다.

LG디스플레이는 그 저항을 선폭으로 맞췄다. 전극선이 길수록 저항이 커지니, 길이에 따라 선폭을 다르게 두어 선마다의 저항 차와 전압 강하 차를 줄인다. 명세서의 표 1은 선폭을 모두 5마이크로미터로 같게 두었을 때 선 길이에 따라 저항이 구간마다 0~10메가옴까지 벌어지는 경우를 보여 준다. 투명 배선 하나하나를 길이마다 따로 설계해야 한다는 뜻이다.

6.2 마스크: 4장 더

공정 쪽 대가는 삼성디스플레이 출원이 셌다. 2021년 2월 1일 출원(KR20220111767A, 발명자 우민우 외)은 2세대 구조다. 투명 영역 옆 중간 영역에 투명 영역용 화소 회로를 두고, ITO·IZO·IGZO로 만든 투명 연결선 세 겹(TCL1·TCL2·TCL3)으로 투명 영역의 애노드에 잇는다. 그리고 각 연결선을 만드는 공정을 하나씩 적었다.

이 출원의 그림 14는 왼쪽에 일반 영역 공정을 마스크 번호와 함께 늘어놓고, 오른쪽에 투명 연결선 추가 공정을 따로 그렸다. 마스크 한 장이 늘 때마다 노광·현상·식각이 한 바퀴씩 더 돈다. 화면 한구석의 카메라를 위해 패널 전체 공정에 네 바퀴가 붙는다.

7. 1.5세대: 다시 덜어 내기, 층은 그대로

2세대가 투명 배선을 늘려 가던 사이, 1세대 쪽에서는 덜어 내는 방식을 다듬은 출원이 나왔다. 2020년 애플은 화소 줄을 한 줄 걸러 비우는 도면을 그렸고, 2021년 구글은 증착 마스크를 바꾸지 않고 층도 더하지 않는 배열을 청구했다. 둘 다 회로를 옮기지도 투명 배선을 깔지도 않는다.

7.1 애플 2020, 한 줄 걸러 비운 줄

2장의 2018년 출원 2년 뒤, 애플은 2020년 8월 10일 미국 가출원을 우선으로 「투명 개구를 가진 디스플레이」(EP4193388B1 · CN115956357B, 발명자 Yuchi Che 외)를 냈다. 그림 1의 실물과 가장 가까운 그림은 이 문헌에 있다.

그림 5. 애플 EP4193388B1 그림 6(2020-08-10 우선). 일반 배열(610)에서 빨강·초록·파랑을 색마다 덜어 내(612, X 표시), 화소가 빠진 가로 줄(615)과, 명세서가 엇갈림(zig-zag) 배열이라 부른 화소 줄(614)을 만든다. 도면은 중국 등록본 CN115956357B에서 가져왔고 보기 쉽게 90도 돌렸다

명세서는 이 그림을 이렇게 설명한다. 「서브픽셀을 빼서 화소가 없는 가로 줄무늬가 생기게 한다.」 남은 발광 화소는 「화소 제거 방식을 따르는 가로 엇갈림(zig-zag) 배열」이다. iFixit이 본 「화소가 한 줄 걸러 빠진」 모습과 같은 모양이다.

회로 쪽 그림도 있다.

그림 6. 애플 EP4193388B1 그림 9. 박막 트랜지스터 회로가 한 줄(74)에 띠로 몰리고, 그다음 줄(72)은 회로 없이 비어 있다. 발광 화소(62)는 그 위로 가로로 엇갈려 놓인다

명세서의 설명은 이렇다. 「한 줄 걸러(예: 72행) 박막 트랜지스터 서브픽셀이 전혀 없고, 그 사이 줄(예: 74행)에는 박막 트랜지스터 서브픽셀이 띠처럼 이어진다.」 회로를 카메라 영역 밖으로 빼지 않는다. 회로는 한 줄에 몰고, 그다음 줄을 통째로 비운다. 2세대처럼 투명 배선을 새로 까는 것이 아니라 1세대처럼 덜어 내되, 덜어 내는 방식을 줄 단위로 정리한 것이다.

다만 이 출원이 청구항 1로 묶은 것은 이 배열이 아니다. 청구항 1은 서로 다른 무늬의 투명 개구 아래 센서 두 개를 두고, 한 센서의 영상으로 다른 센서 영상의 회절 흔적을 지우는 장치다. 줄 단위 배열은 명세서와 도면에 있다.

7.2 구글 2021, 넷 중 하나는 한 색만

애플 2020년 출원 1년 4개월 뒤, 구글이 2021년 12월 20일 출원(US12213364B2, 발명자 David Morris Hoffman 외)을 냈다. 화면 아래 센서를 위한 서브픽셀 배열이다.

그림 7. 구글 US12213364B2 그림 1(2021-12-20 우선). 둘레(120)는 일반 배열, 가운데 센서 영역(150)은 화소를 덜어 냈다

네 칸에 화소 둘. 밀도가 절반이 된다. 명세서는 여기에 세 가지를 보탰다.

첫째, 덜어 낸 자리에 따라 배선도 줄인다. 「셋째 색 서브픽셀을 구동하는 데이터선과 행은 발광 화소에 엇갈려 연결해 50% 줄일 수 있다.」

둘째, 빈자리를 지나는 금속 데이터선을 곧게 두지 않는다. 명세서는 화소 사이에서 꺾인 데이터선이 「플레어를 줄이는 비직선 경로를 따른다」고 적었다(특허 그림 5). 곧은 선이 규칙적으로 늘어서면 회절 격자처럼 빛을 꺾는다. 선을 꺾어 그 규칙을 흐트러뜨린다. 4장에서 본 회절 문제를 차광층이 아니라 배선 모양으로 푼 셈이다.

셋째가 2세대와 갈리는 자리다.

2세대는 투명 배선층을 더 그려서 창을 냈다. 1.5세대는 있던 금속층 일부를 그리지 않는 것으로 창을 낸다. 두 문서가 말하는 마스크는 종류가 다르다. 삼성디스플레이가 「네 장 더」라고 센 것은 배선층을 그리는 포토마스크이고, 구글이 「바꾸지 않는다」고 한 것은 발광층을 찍는 증착 마스크다. 그러나 방향은 분명히 갈린다. 한쪽은 층을 더하고, 다른 쪽은 더하지 않는다.

화소 크기도 갈린다. 4.3절에서 본 대로 덜어 낸 영역은 수명을 지키려고 화소를 키우는 길이 있었다. 구글은 반대로 청구항 1에 크기를 묶었다. 카메라 위 3색 화소는 일반 영역 3색 화소와 「같은 크기의 자리를 차지한다.」 아이폰 18 Pro는 9to5Mac 보도대로 화소를 키우는 대신 「그 화소들의 밝기를 올려 보상하는」 쪽을 택했다. 그 대가로 수명을 어떻게 맞췄는지는 공개된 문서에서 찾지 못했다.

7.3 구글이 깔고 선 문헌

구글 특허의 인용 문헌은 9건이다. 출원인이 직접 든 것에 애플의 2018년 공개(US20190310724A1, 곧 2장의 US11073712B2)와 구글 자신의 2019년 출원이 있고, BOE 2018년 출원과 삼성디스플레이 4건(3건은 심사관 인용) 등이 함께 올라 있다. 2장에서 본 애플 명세서의 「화소를 하나 걸러 빼기」와 「한 색을 뺀 불완전한 서브픽셀 묶음」을, 구글은 3년 반 뒤 카메라용 2×2 배열로 청구한 셈이다.

이 9건에 톈마의 2019년 2세대 원조 출원은 없다.

7.4 애플의 선택

다시 그림 1로 돌아간다. 아이폰 18 Pro의 카메라 위 화면은 화소 밀도를 절반으로 줄였고, 남은 화소 줄에는 세 색과 회로가 그대로 붙어 있다. 회로를 가장자리로 뺀 2세대가 아니라, 다시 덜어 내는 1.5세대다.

2세대는 투과율이 가장 좋다. 그러나 투명 배선은 저항을 부르고, 삼성디스플레이 출원 스스로 적었듯 마스크를 네 장까지 늘린다. 그 부담 속에서 애플은 1.5세대를 택했다. 그리고 그 배열은 애플이 2018년 명세서에 처음 적고, 2020년 출원에서 줄 단위 도면으로 그려 둔 것과 같은 방향이다.

그림 8. 세 갈래의 우선일과 아이폰 18 Pro. 애플 2018년 출원은 두 번 나온다. 청구항 1은 1세대, 명세서는 이미 1.5세대다

8. 반증 및 한계

아이폰 18 Pro가 어느 특허를 실시했는지는 확인하지 않았다. 애플 자신의 특허인지, 구글 특허와 관계가 있는지, 패널을 누가 만들었는지 공개 문헌에서 찾지 못했다. 이 편이 말하는 것은 실물이 1.5세대 쪽 배열이고, 그 배열을 애플 명세서(2018·2020)와 구글 청구항(2021)이 먼저 적었다는 데까지다.

「마스크 때문에 1.5세대로 갔다」를 증명하는 문서는 없다. 2세대의 저항·마스크 부담과, 1.5세대가 층을 더하지 않고 증착 마스크도 그대로 둔다는 서술은 모두 특허 원문에 있다. 그러나 어느 회사도 「그래서 2세대를 버렸다」고 적지 않았다. 7.4절의 「애플은 1.5세대를 택했다」는 그 사실들을 나란히 놓은 이 편의 읽기다.

회피 의도는 쓰지 않는다. 구글 특허의 인용 문헌에 톈마 원조 출원이 없다는 것은 사실이다. 그러나 그것이 몰라서인지 피해서인지, 애초에 다른 문제를 풀었기 때문인지는 문서로 알 수 없다.

2세대 원조 판정은 확인 범위의 것이다. 영문 검색에 걸리지 않는 중국어 원문 출원이 더 이를 수 있다.

1세대·2세대·1.5세대는 이 편의 구분이다. 특허 원문이 스스로 쓴 이름이 아니고, 업계의 공식 분류도 아니다.

실물과 가장 닮은 그림은 애플 2020년 출원의 특허 그림 6·9(이 편의 그림 5·6)다. 구글 청구항은 네 칸 묶음 안에서 한 색만 남긴 화소를 두어 실물과 배열이 다르다. 애플 2020년 출원도 그 배열을 청구항이 아니라 명세서에 적었다. 실물이 이 도면대로 만들어졌다고는 쓰지 않는다. 서브픽셀 하나하나까지 대조할 자료가 없다.

9. 결론 및 시사점

화면 아래 카메라 화소의 역사는 앞으로만 간 길이 아니다.

1세대는 화소를 덜어 냈다. 2세대는 회로를 가장자리로 빼고 투명 배선을 깔아 투과율을 끝까지 끌어올렸고, 그 첫 청구는 2019년 6월 중국 톈마였다. 그러나 투명 배선은 저항과 마스크라는 값을 치렀고, 삼성디스플레이 출원은 그 값을 「마스크 네 장 더」라고 적었다. 2026년 애플이 내놓은 답은 다시 덜어 내는 쪽이었다. 그 답의 첫 그림은 애플 자신의 2018년 명세서에 있었고, 2020년 애플 출원은 화소 줄을 한 줄 걸러 비우는 도면까지 그렸다. 구글은 2021년 층을 더하지 않는 카메라용 배열을 청구했다.

투과율이 가장 좋은 구조가 양산 구조가 되지는 않는다. 이 편이 읽은 원문에서 2세대와 1.5세대를 가르는 자리는 화소 배열 그림이 아니라 공정표였다.

앞으로 볼 것은 둘이다. 하나는 1.5세대 배열을 두고 애플·구글·패널사 사이에 청구항이 어떻게 겹치는가다. 덜어 내는 자리와 배선 모양을 조금씩 달리한 출원이 쌓이고 있고, 구글 특허를 심사관이 인용한 삼성디스플레이의 2023년 출원(US20240407209A1)도 있다. 다른 하나는 2세대가 사라질지다. 마스크 부담이 줄어드는 공정이 나오면 투과율에서 앞선 2세대가 다시 돌아올 수 있다. 그때 원조 청구항을 쥔 쪽은 중국이다.