플라스틱넷

		디스플레이 이야기 20
		[플라스틱사이언스] 기사입력 2021-12-12 13:38:22

LCD 패널은 기본적으로 하판에 해당하는 TFT 기판, 상판인 컬러 필터 기판을 합착하여서 만들어집니다. 그리고 패널에 BLU부와 구동 회로부를 부착하여서 모듈이 만들어지죠. 따라서, LCD 패널 및 모듈의 제조 공정은 TFT 기판 공정, 컬러 필터 기판 공정, 액정 셀 공정, 그리고 모듈 공정으로 분류, 설명될 수 있습니다.

LCD, 작동 모드, IPS 모드 (2)>>

IPS 모드는 낮은 광 투과율과 느린 응답 속도가 단점으로, 광 투과율 측면에서는 V자형 전극 구조의 S-IPS(Super IPS), 수평 전극 구조의 H-IPS(Horizontal IPS), 그리고 듀얼 전극 구조의 AH-IPS(Advanced High performance, Advanced Horizontal IPS) 등으로 전극 구조의 디자인을 개선하면서 발전이 이루어져 왔습니다. 다만 응답 속도에 있어서는 액정의 물성과 배향을 최적화하고, 전극 각도를 조절하고, 구동을 통하여 보상을 하는 등으로 개선이 진행되고는 있지만 다른 모드들에 비해서는 여전히 열세로 남아있습니다. IPS 모드는 또한 전극들 간의 거리가 비교적 길어서 높은 구동 전압을 필요로 하며, 수평 전기장만을 활용, 액정 역시 수평 방향으로만 회전하고, 전극 위의 액정은 거동을 하지 않으므로 광 투과율이 또한 낮습니다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 모서리 전계 스위칭(Fringe-Field Switching, FFS) 모드가 개발되었는데, 여기에서는 전극 간의 거리를 전극의 폭보다 줄이거나 혹은 공통 전극을 추가로 형성하여 전극간 간격을 제로로 하였습니다. 모서리 전계를 사용함으로써 전극 위의 액정도 회전을 할 수 있도록 하였는데, 이는 AH-IPS와 매우 유사한 방식으로 볼 수 있습니다.

LCD, 작동 모드, FFS 모드 >>

IPS 모드에 대해 FFS 모드를 비교하는 방식으로 설명을 이어가겠습니다. 즉, 두 모드 공히 초기 액정 분자들은 수평으로 배열됩니다. 다만, IPS 모드는 수평 전기장을 이용하는 개념으로 두 전극, 즉 화소 전극과 공통 전극 간의 거리가 전극의 폭보다 커야 하며, 또한 두 전극 간의 간격이 액정 셀의 갭보다도 커야 합니다. 그러나 이 경우에는 전극들의 윗부분에서는 액정 분자들에게 유전 토크를 발생시킬 수 있는 수평 전기장이 존재하지 않아서 광 투과율의 손실이 발생하죠. 따라서 광 투과율을 가능한 증가시키려면 상대 전극들간의 간격을 키워야 하며, 이는 인가 전압도 함께 증가시켜야 하는 부담을 동반합니다. 즉, 광 투과율과 인가 전압 사이에 상호 이율 배반적인 관계가 존재하게 됩니다.

FFS 모드의 경우에는 화소 전극과 공통 전극 간의 거리가 전극의 폭과 액정 셀의 갭보다 작습니다. 따라서 전극 위의 액정 분자들도 함께 수평 회전하게 되어 광 투과율이 증가, 즉, 투과가 모든 영역에서 일어나게 되죠. 다만, 두 전극 간의 간격을 좁혀서 동시에 패터닝을 하는 공정보다는 두 전극 중의 하나(공통 전극)를 절연막을 사이에 두고 아래쪽에 평면 구조로 가져가는 것이 공정 마진과 함께 보조 정전 용량을 형성하는데 유리합니다. 이렇게 함으로써 두 전극 사이에 얇은 두께의 무기 절연막만이 존재하게 되어 IPS 모드에 비해 최소 다섯 배 이상의 강한 전기장을 형성할 수 있고, 따라서 인가 전압도 낮출 수 있습니다. 다만, 광 투과가 모든 영역에서 일어나므로 화소 전극과 공통 전극 모두가 투명하여야 하며, 이는 제작 과정에 마스크 공정이 하나 추가되기도 하나, 반면에 정전 용량 커패시터 역시 전 영역에 투명하게 형성되므로 투과도를 향상시킬 수 있다면 개구율을 높일 수 있다는 잠재적인 장점도 있게 됩니다. 이와 함께 터치 센서의 사용으로 외부로부터 물리적인 압력이 패널에 인가될 때, 출렁거림(pooling)이나 자국(bruising)이 발생하지 않기 위해서는 액정 분자들이 누워있는 구조가 유리한데, 특히 IPS 모드에 비해 FFS 모드가 유리합니다. 이는 액정의 거동 후 고정을 시키는 전기장 밀도가 상대적으로 높고, 또한 액정 분자들의 재 배열이 하부 기판 쪽에서 활발하게 일어나는 특징에 기인합니다. 참고로 IPS 모드에서는 액정 셀의 가운데 부분에서 액정 분자들이 가장 많이 꼬이게 되죠.

LCD, 작동 모드, VA 모드>>

수직 배향(Vertical Alignment, VA) 모드에서는 액정 분자들을 기판에 대해 수직으로 배향시킵니다. 즉, 러빙을 통하여 기판에 수평 배향 배향을 시킬 경우에 발생하는 표면의 거칠기와, 오염으로 인한 불균일성, 그리고 이로부터 발생하는 빛샘과 흑색의 휘도 증가, 명암비 감소를 개선하는 것이 목적이었죠. VA 모드에서는 러빙 공정이 없고, 액정이 수직으로 배향되므로 이러한 문제들을 최소화할 수 있습니다. 특히, 화면을 정면에서 바라볼 때 액정 분자들의 단축 방향을 보게 되므로 액정 불균일에 의한 빛샘 현상이 줄어들어서 명암비가 향상되죠. 이는 음의 유전율 이방성을 가지는 액정 분자들을 기판에 수직으로 배열한 상태이며, 입사된 빛이 액정층을 통과하면서 위상 지연이 일어나지 않으므로 전압이 인가되기 전에는 직교한 편광판에 의해 흑색 바탕 모드가 설정됩니다. 전압이 인가되면 상판과 하판 사이에 전기장이 형성되고 음의 유전율을 가진 액정은 전기장에 수직한 방향, 즉, 기판에 대해 수평 방향으로 회전하며, 이로 인하여 위상 지연이 일어나면서 빛이 통과하게 되죠.

개발 초기부터 VA 모드에서의 고민은 시야각 특성이었습니다. 액정의 수직 배향으로 인하여 정면에서의 명암비는 향상되지만 측면 쪽으로 갈수록 액정의 굴절률 차이가 커지면서 시야각 특성이 나빠집니다. 특히 초기에는 액정이 기판에 대해 수평으로 누울 때 불완전한 거동을 개선하기 위하여 러빙 공정을 필요로 하였고, 이로 인하여 측면 시야각 특성이 더욱 저하되었죠. 따라서 러빙 공정을 쓰지 않고 액정의 방위각을 제어하기 위하여 다양한 다중 영역(multi-domain) 구조들이 제안되었는데, 대표적인 것이 MVA(Multi-domain VA) 모드와 PVA(Patterned VA) 모드입니다. MVA 모드는 기판 표면에 돌출부(protrusion)를 형성하고, 이로써 결정되는 액정의 선 경사각(pre-tilt angle)을 이용하여 액정의 배열 방향을 제어합니다.

반면에 PVA 모드에서는 상부와 하부의 기판 전극에 패턴을 형성하여 전압을 인가하면 발생하는 모서리 전계로 액정의 배열 방향을 결정하게 되죠. 즉, PVA 모드에서는 상판과 하판에 형성되는 투명 전극의 개별 부화소에 대해 두 개의 대칭 영역으로 V자형, 슬릿 패턴을 삽입하는데, 전압을 인가할 경우 패턴들의 가장자리에서 모서리 전계가 형성되어 액정 방향이 제어됩니다. 이 때 액정의 정렬은 두 개의 대칭 패턴 영역에 더하여 두 방향의 모서리 전계 영역까지 고려하면 총 네 개의 영역들이 형성되며, 이러한 4 영역들(4-domains)은 액정의 정렬 방향에 따라 발생되는 위상 지연 정도의 차이를 상호 보상, 보완함으로써 시야각 특성을 개선합니다.

다음으로 개발된 것이 SPVA(Super PVA) 모드로써, 이는 PVA 구조에서 개별 부화소를 다시 두 개의 영역으로 분할하여 서로 다른 전압을 인가하면서 총 여덟 개의 영역들, 즉, 8 영역들(8-domains)을 활용합니다. 이때 인가 전압을 분할하기 위해서는 별도의 트랜지스터나 결합(coupling) 커패시터, 혹은 차등 저항(differential resistor) 등을 이용하죠. PVA 모드는 구조나 디자인을 통하여 정해진 보상만이 가능하지만, SPVA 모드의 경우 인가 전압의 분할 보상 기능이 더해져서 튜닝을 통한 최적화가 가능하다는 장점도 있습니다. 물론 이러한 전압 분할 방식은 MVA 모드에도 유사하게 적용될 수 있습니다. 이 때 전극의 패턴 영역에 있는 액정은 전기장의 영향을 거의 받지 못하여서 초기의 수직 배향 상태를 유지하므로 흑색 모드로 계속 남아있게 되며, 따라서 광 투과율의 저하가 발생합니다. 이러한 투과율 저하 요인을 제거하면서도 액정 제어 기능을 유지할 수 있는 구조가 SVA(Super VA) 모드입니다. 즉, 하판의 전극에 대각 방향으로 네 개의 영역이 되도록 피치가 작은 미세 패턴이 형성되어 있는데, 패턴이 미세화 되면서 패턴 영역도 전기장의 영향을 받게 됩니다. 또한, 액정에는 반응성 메조겐(Reactive Mesogen, RM)을 도핑, 전압 인가와 자외선 조사를 통해 안정화 상태를 유도하며, 이렇게 안정화된 RM에 의해 액정 분자들은 완전한 수직 배향이 아닌 약간의 선 경사각을 가지게 되죠. 따라서 미세 패턴은 광 투과율을 증가시키고, RM에 의한 선 경사각 효과는 응답 속도의 향상과 액정의 방향 제어에 기여를 하게 됩니다.

또한 PVA 모드의 경우 패턴 간 거리와 폭이 응답 속도와 연관되어서 화소의 크기에 따라 크게 영향을 받지만, SVA 모드는 화소 크기에 특성이 영향을 받는 정도가 적어서 다양한 크기의 패널과 해상도에도 적용이 가능합니다.

LCD, 제조 공정 >>

TFT 기판 공정은 TFT가 형성되는 기판 위에 행하여지는 공정들로 다양한 TFT 어레이의 제조, 화소 전극의 형성 등을 포함합니다. 가장 중요한 TFT 어레이의 경우, 기본적으로 비정질 실리콘 TFT 어레이 제조를 위주로 설명하며, 저온 다결정 실리콘을 위한 열처리 공정 등은 별도로 다루겠습니다.

TFT를 제조하기 위해서는 세정, 박막 증착, 사진 식각, 그리고 에칭으로 이루어지는 단위 공정들이 반복적으로 행하여지죠. 세정 공정은 각각의 박막들을 증착하기 전이나 패터닝 등 일정 공정 후에 오염된 유기물과 입자들을 제거하여 표면을 청결하고 평탄하게 하여 주는 공정입니다. 기판과 박막 간의 접착력, 거칠기, 오염이나 손상, 그리고 전기적인 쇼트나 누설 전류 등에 관여하므로 수율에 직접적인 영향을 주는 과정이죠. 세정 공정은 사용하는 물질이나 방법에 따라서 습식 세정과 건식 세정, 물리적 세정과 화학적 세정 등으로 구분이 되며 화학 용액이나 가스는 물론 브러시, 자외선이나 플라스마, 그리고 초음파 등을 이용합니다.

박막 증착 공정은 크게 물리적 증착(Phy-sical Vapor Deposition, PVD)과 화학적 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 구분됩니다. PVD에서는 원재료를 녹여서 증기로 만들어 증착하는 증발법(evaporation)과 에너지를 가진 이온들을 원재료인 타깃에 충돌시켜 그 에너지로 분리된 원자들을 증착하는 스퍼터링법(sputtering)이 대표적입니다. CVD에서는 주로 기체들 간의 화학 반응을 수반하는데 반응 에너지로는 열이나 플라스마 등을 사용하죠. TFT에서 금속 배선, 그리고 화소 전극으로 사용되는 ITO의 증착에는 스퍼터링이 주로 이용되고, 반도체 채널층인 비정질 실리콘막이나 절연체인 실리콘 질화막의 증착에는 주로 플라스마 CVD(Plasma Enhanced-CVD, PE-CVD) 방법이 사용됩니다.

사진 식각 공정은 증착된 박막들을 일정 부분을 남기고 제거하는 패터닝 과정 전반을 의미하기도 하는데, 여기에서는 감광제(PhotoResist, PR)를 도포(coating)하고, 마스크를 정렬(alignment)한 뒤 노광(exposure)을 하고, 다음 과정으로 현상(develop)을 하여 노광된 PR을 제거하는 과정, 즉, PR 도포, 마스크 정렬, 노광, 현상까지를 설명합니다. 이후 패터닝된 PR로 마스킹을 한 뒤, 오픈된 박막을 제거하거나 남기는 과정은 에칭 공정으로 별도 구분하기로 합니다. PR의 도포는 스핀 코팅이나 슬릿 코팅을 이용하는데, 스핀 코팅의 경우, 상대적으로 균일한 도포가 가능하지만 재료 손실이 커서 생산성이 떨어지는 단점이 있습니다. 반면에 슬릿 코팅은 재료의 손실이 적어 생산성은 좋지만, 균일한 도포가 어렵죠. 노광 공정에서 근접(proximity) 노광은 마스크와 기판을 수십 마이크론 정도의 간격으로 분리, 설치하고 평행광을 사용하는 방식인데, 마스크 비용의 절감과 생산성 향상에서는 장점이 있지만 정밀도가 낮아서 주로 블랙 매트릭스나 컬러 필터 등 공정 마진이 큰 경우에 사용합니다. 거울 노광은 마스크의 패턴 이미지를 거울에 투영하여 노광하는 방식으로 거울의 크기를 키워서 일괄, 대형화를 이룰 수 있습니다. 이는 근접 노광에 비해 해상도가 향상되고 생산성 역시 우수하지만 마스크의 크기에 따른 비용 상승이 단점이죠. 스테퍼(stepper) 방식에서는 렌즈 광학계를 사용하므로 렌즈 투영(lens projection) 방식으로도 불리는데, 렌즈 크기에 한계가 있어 기판을 구역별로 나누어 분할 노광을 반복하는 과정(step and repeat)을 따릅니다. 이는 해상도가 우수하므로 미세 패턴이 요구되는 TFT 공정에 활발히 적용되는데, 특히 구역 간 경계에서 발생하는 오차 영향을 최소화할 수 있는 설계와 공정 기법을 요구합니다. 다음 단계인 현상 공정은 노광 공정을 통하여 자외선에 노출된 PR을 선택적으로 제거하거나 남기는 과정이며, 분사(spray), 담금(dipping), 그리고 퍼들(puddle) 방식 등을 적용합니다.

에칭(etching, 식각) 공정은 노광과 현상 공정을 통하여 패터닝된 PR을 식각 마스크로 사용하여 아래에 위치한 박막들을 남기거나 제거함으로써 원하는 패턴을 얻는 과정입니다. 이는 이온이나 플라스마와 같은 기체를 이용하는 건식 식각(dry etching)과 화학 용액을 사용하는 습식 식각(wet etching)으로 구분되며, 식각의 방향성, 선택도, 식각률, 정밀도와 생산성 등에서 각각 고유의 장단점들을 지니고 있습니다. 에칭 후 PR 제거(strip) 공정이 수반되는데, 이는 패턴 형성을 위해 사용되었던 PR을 제거하는 공정으로, 선행 공정중에 발생한 변성 물질과 오염 물질들을 제거하는 것을 목적으로 하죠. PR 제거를 위해서는 알카놀아민(alkanolamine)과 용제(solvent)가 혼합된 유기 용액이 주로 사용됩니다. 또한 식각 공정에서 발생되는 PR 변성 특성에 따라 플라스마를 이용한 제거(ashing) 공정이 추가되기도 하죠. 잔류 PR은 오염원이 되어서 다양한 불량을 야기하므로 완전히 제거되어야 합니다.

이러한 기본 공정들을 적용하여 후방 활성층 식각(Back Channel Etched, BCE) 구조를 갖는 TFT를 만드는 과정을 진행하여 보겠습니다. 먼저 게이트 배선의 경우, 신호가 적은 손실로 전달되기 위하여 비저항이 낮은 알루미늄이 사용되는데, 높은 온도에서 돌출부(hillock) 발생을 억제하고 내화학성을 위해 알루미늄 합금이나 혹은 몰리브덴을 추가한 2중 금속 구조를 채택합니다. 사전 세정, 증착, 사진 식각, 그리고 에칭 과정을 거쳐 게이트 배선이 만들어지면, 게이트 절연층인 실리콘 질화막, 활성층, 즉 채널 영역인 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si:H), 도너가 강하게 도핑된 n형 실리콘(n+ a-Si:H)을 PE-CVD 공정으로 연속 증착하여 박막들 간에 우수한 계면 특성을 확보합니다. 다음으로 사진 식각 및 에칭 공정을 통하여 박막 패터닝을 하죠. 소스 및 드레인 전극과 데이터 신호 배선으로는 n+ a-Si:H 막과 저항성 접촉(ohmic contact)이 원활하고 접촉 저항이 작은 몰리브덴이 주로 사용되나, 고해상도나 대형 패널의 경우, 배선 저항을 낮추기 위해 알루미늄처럼 비저항이 낮은 물질을 함께 적용함으로써 몰리브덴-알루미늄-몰리브덴 3층막을 적용하기도 하죠. 이들은 역시 사진 식각과 에칭 공정을 통하여 패터닝됩니다. TFT의 채널 영역은 수분이나 이온성 물질 등에 취약하므로 보호막(passivation layer)이 코팅되어야 하며, 주로 실리콘 질화막이 사용됩니다. 다만, 이후 모듈 공정에서 구동용 집적 회로의 연결을 위하여 연결 단자(bonding pad) 부분은 패터닝 공정을 통해 오픈되어야 합니다. 끝으로 화소 전극으로 사용되는 ITO의 증착과 패터닝 공정을 수행하면 TFT 어레이가 완성되죠. TFT 어레이 위에는 배향막 도포 및 러빙 공정을 통하여 액정 분자들이 들어갈 홈을 만들어 주는데, 이는 LCD의 동작 모드에 따라 생략되는 경우도 있습니다. 이는 액정 셀 공정에서 설명하기로 하죠. 이상과 같이 TFT 기판을 완성하기 위하여 수행되는 공정과 그 순서를 살펴보았습니다.

다음호에 이어서 계속...

<“본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”>