- 증착·노광·현상·식각 공정 등 반도체 주요 공정과 유사

[디지털데일리 정혜원 기자] 디스플레이 업계가 반도체 인력 부족의 여파에 시달리고 있다. 디스플레이 제조 인원이 인력난을 겪고 있는 반도체 부문으로 이동하면서다. 이러한 이동이 가능한 건 공정상 겹치는 부분이 있기 때문이다.

최근 삼성디스플레이는 액정표시장치(LCD) 라인 가동을 중단하면서 관련 인력을 삼성전자 반도체 부문으로 재배치하는 작업을 추진했다. 디스플레이가 어떻게 만들어지길래 반도체 공정과 비슷하다는 것일까.

디스플레이 생산 과정은 크게 전반부 패널 공정과 후반부 모듈 공정으로 나눌 수 있다. 전자는 쉽게 말해 ‘화면’을 만드는 과정이다. 여기서 반도체처럼 증착, 노광, 식각 등이 진행된다. 후자는 각 화소를 제어하는 반도체 칩과 부품 등을 연결하는 단계다.

패널 공정은 커다란 유리 위에 박막트랜지스터(TFT)와 컬러필터 혹은 유기물 재료를 입히는 과정이 진행된다. 유리가 반도체 기판 역할을 하는데 이 커다란 유리를 ‘원장(마더글라스)’이라고 부른다. 공정을 거친 뒤에 원장을 TV와 스마트폰 등 제품 화면 크기로 자른 것을 ‘셀’이라고 한다.

원장에 불순물을 제거하는 세정 작업을 거친 뒤에 TFT 공정이 진행된다. TFT는 서브픽셀의 밝기를 조절하는 ‘스위치’ 역할을 한다. 픽셀(화소)은 디스플레이를 구성하는 최소 단위다. 1개 픽셀은 3개의 서브픽셀로 구성된다. 1가지 색을 표현하려면 빛의 3원색인 적(R) 녹(G) 청(B)이 일정한 비율로 조정돼야 한다. 가령 보라색을 표현하려면 적색과 청색 서브픽셀이 켜지는 방식이다. 각 픽셀이 이미지 구현에 적절한 색을 표현하도록 TFT가 스위치 역할을 한다.

다만 TFT는 전기적 스위치로 물리적 버튼과는 다르다. 3차원 회로로 구성돼 전류가 흐르거나 흐르지 않게 만든다. 따라서 3차원 회로를 여러 단면으로 나눈 뒤 한 층씩 쌓아나가는 방식으로 공정이 진행된다. 회로 단면(1개 층)을 완성하는 과정을 패턴 작업(포토리소그래피)이라고 한다.

패턴 작업은 증착-감광액(PR) 코팅-노광-현상-식각-PR제거로 세분화된다. 우선 증착은 회로로 새길 진공 상태에서 물질을 끓여 전체 기판에 고르게 입히는 작업이다. 증착은 수증기가 냄비 뚜껑에 이슬처럼 맺히는 원리를 이용한다. 그 물질 전체에 다시 PR을 뿌려 코팅시킨다.

PR은 빛이 닿는 부분과 닿지 않는 부분이 서로 다르게 반응하는 물질이다. 코팅 이후 원하는 회로 단면이 그려진 틀(마스크)를 댄 채 기판을 노출시키면 빛이 닿은 PR은 단단해진다. 이후 현상액을 투입해 빛이 닿지 않은 부분의 PR을 제거한다. 식각은 빛이 닿지 않은 부분에 남아있는 물질을 제거하는 과정이다. 원하는 모양대로 회로가 그려진 뒤에도 PR은 여전히 남아 있는데 이를 제거하면 패턴 작업이 끝난다.

반도체에서도 패턴 작업이 비슷하게 진행된다. 증착-노광-현상 등의 세부 공정이 비슷하다. 다만 디스플레이 공정의 경우 유리 위에서 공정이 진행되기 때문에 섭씨 300~500도 사이를 유지해야 한다. 반도체 공정은 1000도 이상 고온에서 진행될 수 있어 디스플레이가 온도 관리 측면에서는 더 까다롭다. 반도체는 클린룸 환경 조성 측면에서도 한층 더 높은 관리가 필요하다.

TFT를 만들고 나면 LCD와 유기발광다이오드(OLED)의 공정 차이가 드러난다. LCD는 컬러필터를 별도로 제조한 뒤에 TFT와 붙이는 작업이 진행된다.

LCD에 들어가는 컬러필터를 제조하는 과정도 패턴 작업과 유사하다. 3가지 색깔의 PR을 하나씩 입히는 과정이다. 적색 PR을 뿌린 뒤에 적색 서브픽셀의 자리에 맞는 틀을 갖다 댄 뒤 노광현상(PR제거) 공정이 진행되고 녹색 PR을 뿌린 후 다시 녹색 서브픽셀 자리에 맞춰 노광-현상이 진행되는 식이다. 컬러필터가 완성되면 TFT와 합착하는 공정이 이뤄진다. TFT와 컬러필터에 사이에 액정을 넣고 두 기판을 붙인다.

OLED는 컬러필터를 제조하지 않고 자발광 특성을 지닌 유기물 재료를 TFT 위에 얹는다. 유기물 재료에 전류가 흐르면 빛이 나는 원리를 이용한다. 그래서 TFT 위에 적 녹 청 3가지 색깔의 유기물 재료를 증착한다. 3개 서브픽셀을 구분하기 위해 ‘모양 자 ’ 역할을 하는 파인메탈마스크(FMM)를 활용한다. FMM은 미세한 구멍이 뚫린 인바(니켈·철 합금) 소재 판이다. 재료를 얹고 나서는 다시 유리를 덮는 공정이 진행된다.

셀 공정에서도 LCD와 OLED 공정은 다르게 진행된다. LCD는 TFT와 컬러필터를 합착한 뒤에 셀 단위로 자른다. 반면 OLED는 TFT 위에 증착된 유기물 재료를 산소와 수분으로부터 보호하기 위한 봉지 공정을 진행한 뒤에 셀 단위로 자르게 된다. 덮개로 쓰일 원장에 셀 크기로 접착 물질을 바르고 기존 TFT-유기물발광층 기판 위에 덮는 것이 봉지 공정이다. 이후 레이저로 접착 물질을 굳힌 뒤에 셀 크기대로 자르게 된다.

디스플레이 패널을 제조하는 과정은 여기서 끝났다. 하지만 패널 제조사는 완제품에 연결하기 위한 부품을 붙이는 과정까지 마친 뒤에 완제품 업체에 패널을 넘긴다.