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디스플레이에서 ELA는 LTPS 전자 회로층을 만들기 위해 주로 사용하는 레이저 공정입니다. ELA 공정을 이용해 a-Si(Amorphous Silicon, 비정질실리콘) TFT를 LTPS(Low Temperature Poly Silicon, 저온폴리실리콘) TFT로 전환하면 TFT의 성능을 상당히 높일 수 있습니다. ※ TFT(Thin Film Transistor, 박막트랜지스터): 디스플레이에서 R, G, B 색상의 빛을 내기 위해 각 픽셀을 조절하는 실리콘 기반 전자 회로 LTPS는 실리콘의 구성 형태가 전통적인 TFT인 a-Si보다 질서정연하기 때문에 전자가 쉽게 회로에서 이동할 수 있습니다. a-Si이 구불구불하고 차로가 좁은 비포장도로라면, LTPS는 차로가 많은 고속도로에 비유할 수 있습니다. 전자 이동도가 높으면 그만큼 전력과 데이터의 이동이 수월하기 때문에 LTPS는 고해상도, 슬림베젤, 저소비전력 디스플레이 구현에 상당히 유리합니다. LTPS는 a-Si을 엑시머 레이저로 가공해 만듭니다. 위 그림과 같이 레이저가 a-Si 층에 조사되면서 움직이면, 해당 영역이 질서 정연한 바둑판 같은 입자 구성을 갖게 되는데, 이를 ELA(Excimer Laser Annealing) 공정이라 부릅니다. 그림과 같이 레이저 에너지를 받은 무질서한 배열의 a-Si는 왼쪽의 Poly-Si(LTPS)과 같이 결정화 되면서 단결정 형태의 실리콘 군집을 형성하며 TFT의 성능을 상당히 높게 증가시킵니다.

백플레인이란 언어적으로는 뒷판을 의미하며, 디스플레이 분야에서는 우리가 일상에서 바라보는 화면의 앞면이 아니라 디스플레이를 구동시키는 회로 소자가 포함된 뒷면을 의미합니다. 이해를 돕기 위해 OLED 디스플레이 구조를 설명하면, OLED 디스플레이는 크게 3개 부분으로 구성되어 있습니다. 우리가 일상 생활에서 볼 수 있는 빛을 만드는 발광부, 발광부가 빛을 발할 수 있도록 전기 스위치를 켜거나 꺼주는 TFT(Thin Film Transistor), 그리고 TFT와 발광부를 쌓아 올릴 수 있도록 토대 역할을 하는 기판(Substrate)으로 구성됩니다. 여기서 백플레인은 기판에 TFT까지 올려진 상태가 되겠습니다. 전기신호를 받았을 때 발광하는 유기소자가 증착되기 전까지 상태입니다. 이러한 백플레인은 디스플레이 성능의 주요 성능을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 화질의 핵심인 화소, 모바일 제품에서 사용시간에 영향을 주는 소비전력 등이 백플레인의 구조와 소재에 따라 달라집니다. 또한 디스플레이가 적용된 제품의 폼팩터(Form Factor)에도 영향을 줍니다. 기판, 봉지 등에 유연한 소재를 적용하여 디스플레이를 굽히는 플렉시블(Flexible), 늘릴 수 있는 스트레처블(Stretchable) 디스플레이를 만들 수 있게 됩니다. ※ 참고자료(하이퍼링크)   – TFT, 기판, 유기물층, 플렉시블 OLED, 스트레처블 OLED

BM(Black Matrix)은 LCD 디스플레이에서 RGB(적녹청) 서브픽셀 사이를 구분해 주는 검은 영역을 뜻합니다. BM은 기본적으로 RGB 서브픽셀용 컬러필터를 생성하기 전에 각 서브픽셀 영역을 구분하는 칸막이 역할을 합니다. 또한 LCD 백라이트의 빛샘을 방지하고, RGB 서브픽셀의 혼색을 방지하며, 외부광원에 의한 TFT(박막트랜지스터)의 누설전류 증가를 방지하는 역할을 합니다. ▲ LCD 컬러필터 기판 단면도 BM은 LCD에서 RGB 컬러필터를 생성하기 전에 컬러필터의 기판이 되는 유리판 위에 포토리소그래피 공정을 통해 만듭니다. 만들어진 BM과 BM 사이에 RGB의 색을 내는 컬러필터를 차례로 생성하며, 그 위에는 높이가 제각각인 컬러필터층을 평평하게 만들어주는 오버코트(overcoat) 층을 형성합니다. 맨 위에는 추후 TFT 기판과 합착을 통해 액정을 구동할 수 있도록 투명전극(ITO, indium tin oxide)을 성막합니다. BM은 픽셀과 픽셀 사이에 놓은 검은 영역을 뜻하나, 때로는 스마트폰 화면의 테두리를 뜻하는 베젤의 검은 부분과 혼용하여 사용되기도 합니다.

  세 발 달린 미니 마법사, ‘트랜지스터’ 회로를 구성하는 주요 부품들은 모두 ‘다리’를 가지고 있다. 회로에 흐르는 전기를 받는 부분과 내보내는 부분이 있기 때문에 기본적으로 두 개의 다리를 가진다. 대표적으로 ‘저항’과 ‘축전기’는 다리가 두 개씩 있는데 저항의 다리는 양쪽으로 뻗어 있고, 축전기는 같은 방향으로 두 개의 다리를 뻗고 있다. 오늘 다룰 트랜지스터는 이와 달리 세 개의 다리를 가지고 있어 다른 부품과 구별이 매우 쉽다. 트랜지스터는 미국 벨 연구소에서 근무하던 쇼클리, 바딘, 브래튼이 1948년 발명한 것으로 전기 전자회로에서 없어서는 안 될 매우 중요한 부품이다. 트랜지스터를 발명한 당시에는 이 부품에 특별히 정해진 이름이 없었는데 벨 연구소 내에서 이름 공모를 위한 투표를 실시해 6개의 이름 후보 중 압도적 선호로 선정됐다. 트랜지스터(Transistor)는 전송하다는 뜻의 Transfer, 저항 소자라는 뜻의 Varistor의 합성어로, 전기전도성을 가지면서 동시에 저항의 역할도 한다는 의미에서 그 특징을 가장 잘 표현하는 이름이었기 때문에 연구원들에게 매력적으로 보였던 것 같다. ▲ 세계 최초의 진공관 컴퓨터 ‘에니악(ENIAC)’ (출처: 위키피디아) 트랜지스터 발명 이전의 전자기기는 어떤 모습이었을까? 현재 우리가 사용하고 있는 컴퓨터의 첫 번째 조상님은 1946년에 개발된 ‘에니악(ENIAC)’이다. 에니악은 1만 8천 개가 넘는 진공관을 사용해 작동됐다. 진공관은 부피가 큰 부품이었기 때문에 에니악의 크기는 길이 25미터, 폭 1미터, 높이 2.5미터였으며, 무게만 무려 30톤에 달했다. 컴퓨터 한 대가 일반 승용차 30대 정도의 무게에 해당했으니 컴퓨터의 조상님은 어마어마한 거인의 외모를 가지고 있었던 것이다. 하지만 트랜지스터 개발로 전자 부품 소형화…

디스플레이 패널이 작동되려면 DDI(디스플레이 드라이버 IC)라는 작은 반도체 칩이 사용됩니다. DDI는 TFT에 신호를 전달해 픽셀을 제어하는 역할을 하며, 스마트폰과 같은 제품의 AP와 패널 사이의 신호 통로 역할을 합니다. COG, COF, COP는 이런 DDI를 디스플레이 또는 인쇄회로 기판에 연결하는 형태나 방식을 말하는 용어입니다. 디스플레이 패널에 사용되는 기판에 드라이버 IC를 부착할 때는, 기판의 종류나 부착 방법에 따라 다른 기술이 적용됩니다. COG (Chip On Glass)는 디스플레이 유리 기판 위에 직접 드라이버 IC를 탑재하는 방식입니다. COF (Chip On Film)는 드라이버 IC가 실장 된 박막인쇄회로가 형성된 필름을 말하는 것으로, 이 필름을 디스플레이 기판과 FPCB에 연결합니다. 얇은 필름 타입 위에 부착하기 때문에 필름을 말거나 접을 수 있어, 패널이 탑재되는 제품의 두께나 크기를 줄이는 유연한 설계가 가능합니다. COP (Chip On Plastic)는 디스플레이 기판으로 사용되는 유연한 PI(폴리이미드)에 드라이버 IC를 직접 부착하는 방식입니다. COF와 COP는 유연한 소재의 필름과 폴리이미드 기판에 DDI를 부착하는 만큼 플렉시블 디스플레이나 풀 스크린 등에 주로 활용하는 방식입니다. 유연한 소재에 적용하기 때문에 제품의 상하단 베젤을 줄이는 등 공간 활용성이 우수합니다.

OLED Cell은 FAB 제조 과정인 TFT(Thin Film Transistor, 기판), Evaporation(증착) 및 Encapsulation(봉지) 공정을 차례로 거쳐 만들어진 큰 Size의 디스플레이 기판에서 불필요한 부분을 제거하고 최종 제품 용도에 맞춰 적절한 크기로 잘라낸 상태를 말합니다.  즉, 효율적인 생산을 위해 대형으로 FAB 제조 과정이 진행된 디스플레이 원장 기판을 제품 크기가 큰 노트북, 태블릿의 경우 수 개에서 수십 개로, 그리고 스마트폰이나 스마트워치와 같이 제품 크기가 작은 경우 수십 개에서 수백 개로 잘라진 독립적인 디스플레이 기판을 의미합니다. 이러한 Cell을 만드는 과정은 디스플레이 기판을 절단하는 과정이 주요 공정이며 절단 과정에서는 테두리가 날카로운 Wheel 또는 Laser를 주로 활용합니다. 제품군별로 절단 방법이 다른데 Rigid OLED의 경우 단단한 유리 소재인 원장 기판을 절단할 때는 다이아몬드 소재 Wheel이 주로 사용됩니다. 갈수록 적용범위가 넓어지고 있는 Flexible OLED의 경우 가공성이 좋은 Laser가 주로 사용됩니다. Flexible OLED는 PI 원장을 유리 받침 위에 부착시킨 후 TFT 기판을 형성시키는데, 달라붙어 있는 받침과 PI 기판을 떼어내는 과정도 Cell을 만드는 과정 중에 진행됩니다. 이렇게 단위 Cell은 최종 제품의 모양에 맞춰 다양한 크기와 모양으로 가공이 완료되면, 다음 공정인 Module공정으로 투입됩니다.

CVD (Chemical Vapor Deposition)는 ‘화학기상 증착법’으로 불리는 증착 방법 중 하나입니다. GAS와 같은 다양한 반응 기체와 에너지를 활용해 기판 표면에 화학적 반응을 통해 피복하여 증착하는 방법을 의미합니다. 쉽게 말하면 원료가 되는 가스를 주입해 에너지(열/플라즈마 등)를 통해 화학 결합 등의 반응을 일으켜, 생성된 생성물을 기판 표면에 쌓아서 얇은 막을 형성하는 것입니다. CVD는 박막 형성 제조의 대표적인 방법 중 하나로 박막품질과 도포성이 우수해 많이 사용하는 방식입니다. 고체나 액체 상에서 반응을 얻기 어려운 박막의 조성도 화학 반응을 통해 쉽게 증착할 수 있습니다. LTPS 제조시  a-Si를 증착하거나, TFT 제작에서 절연멱과 보호막을 쌓을때 활용되는 공정입니다. CVD는  활성화 에너지 공급 방식, 반응 온도, 증착막 종류, 반응기 내부 압력 등에 따라 PECVD, APCVD, LPCVD, HDPCVD 등 여러가지 방식이 있습니다. 대표적으로 많이 사용하는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)는 챔버 내에 플라즈마를 형성시켜 박막을 형성하는 것입니다. 플라즈마는 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 의미합니다. PECVD 방식은 다음과 같습니다. 반응 시킬 기체를 주입하고, 높은 전압을 수직으로 걸어주면 프라즈마 상태로 이온화된 기체들이 서로 화학 반응을 하여 원하는 물질은 기판에 쌓이게 됩니다. 그리고 나머지 이온들도 결합해 기체로 배출되는 방식입니다.

포토레지스트(Photoresist, PR)는 빛에 반응(감광)해 특성이 변하는 화학물질로, 디스플레이에서는 TFT(박막트랜지스터)에 미세한 회로를 형성하는 포토리소그래피(Photolithography)공정에 사용됩니다. 포토레지스트는 빛에 의해 화학적 특성이 변하는데, 종류에 따라 빛을 받으면 딱딱해지거나, 반대로 녹기 쉽게 변합니다. 이러한 포토레지스트의 형질 변화를 이용해, 약해진 부분만 선택적으로 제거함으로서 회로로 사용할 부분과 아닌 부분을 구분해 미세한 회로 패턴을 판화처럼 입체적으로 깎아 만들며, 이 기법을 포토리소그래피라고 합니다. (용어알기 40편 -포토리소그래피 참고) TFT 제조의 핵심 공정인 포토리소그래피 공정에서 포토레지스트는 TFT 기판 위에 얇게 도포되는 방식으로 사용됩니다. 이후 전자 회로 패턴을 그릴 부분과 나머지 부분을 구분하는 포토마스크(Photomask)를 포토레지스트 위에 덧댄 후 빛을 비추면, 포토레지스트는 빛을 받은 부분과 아닌 부분의 특성이 달라지게 되며, 특성이 달라진 두 영역간의 용해도 차이를 이용해 용해가 수월한 포토레지스트를 현상공정(Development)을 통해 제거합니다. 포토레지스트가 사라진 영역에 남아있는 증착 물질은 식각공정(Etching)을 통해 제거되며, 남겨진 포토레지스트 하부의 증착 물질은 포토레지스트의 보호를 받아 그대로 유지됩니다. 마지막으로는 실제 회로의 소재 역할을 하는 증착 물질만 남기고, 역할을 마친 포토레지스트는 박리해 제거합니다. 포토레지스트는 포지티브(Positive)형과 네거티브(Negative)형으로 나뉘는데, 포지티브는 빛을 받은 부분이 현상액에 용해되며, 네거티브는 반대로 빛을 받지 않은 부분이 용해되는 특징을 갖으므로, 필요에 따라 선택적으로 사용됩니다. 포토리소그래피는 디스플레이 TFT 회로의 미세화 정도를 결정하는 핵심 공정이며, 포토레지스트는 이 공정을 진행할 때 필요한 핵심 소재입니다.

옥사이드(Oxide)는 디스플레이 TFT(박막트랜지스터) 기술 중 하나입니다. TFT는 반도체 재료와 물성에 따라 아몰퍼스실리콘(a-Si), LTPS, 옥사이드 등으로 나뉘며, 옥사이드 TFT 역시 스위치 및 픽셀의 밝기를 조절하는 용도로 사용됩니다. ‘인듐-갈륨-아연(In-Ga-Zn)’을 재료로 공정 과정에서 반도체 특성을 갖는 산화물(In-Ga-Zn-Oxygen)’로 만들기 때문에 ‘산화물’을 뜻하는 옥사이드(Oxide) TFT라고 부릅니다. 옥사이드는 아몰퍼스실리콘(a-Si)과 마찬가지로 비정질 형태의 TFT입니다. 하지만 아몰퍼스실리콘(a-Si) TFT에 비해 전자의 이동속도가 10배 가량 빠르기 때문에, 상대적으로 고해상도 디스플레이 구현에 유리합니다. 이동속도가 빠르기 때문에 TFT 회로의 집적화에도 유리해, 공간 활용도가 높아지고 베젤을 더 얇게 만들 수 있습니다. LTPS(Low Temperature Poly-Silicon, 저온다결정실리콘)에 비해 전자이동도는 느리지만, 기존 a-Si의 공정 설비를 상당부분 그대로 사용할 수 있어, 생산 비용 측면에서 상대적 우위를 갖습니다. 또 LTPS와 달리 레이저 결정화(ELA) 공정을 사용하지 않아, 결정화 공정에 따른 크기 제약이 없고, 비정질이기에 균일성이 우수해 TV와 같은 대형 사이즈 디스플레이에 적합합니다.

LTPS(저온 다결정 실리콘)는 디스플레이의 픽셀의 밝기를 조절하는 TFT의 한 종류로 a-Si(비정질 실리콘)의 특성을 변화시켜 전자의 이동 성능을 높인 TFT입니다. 현재 디스플레이용 TFT는 소자 특성에 따라 크게 a-Si과 LTPS이 사용됩니다. a-Si은 ‘Amorphous Silicon’의 약자로 ‘정해진 형태가 없는 (비정질)실리콘’이며, LTPS 는 ‘Low-Temperature Polycrystalline Silicon’의 약자로 ‘저온 다결정 실리콘’이라는 뜻입니다. 레이저를 이용해 a-Si에 열처리를 하면 a-Si 실리콘이 재결정화 돼 다결정 실리콘으로 변하며, 이때 만들어진 다결정 실리콘을 LTPS라고 부릅니다. TFT는 전류가 잘 흐를수록, 즉, 전자의 이동성이 높을수록 성능이 우수합니다. 따라서 전자 이동에 가장 이상적인 형태인 단결정 실리콘(Single Crystal Silicon)과 유사한 형태로 만들기 위해 무질서한 형태의 a-Si을 재결정화 해 질서정연한 단결정 실리콘 형태의 영역들이 생기도록 함으로써 성능과 효율을 높입니다. 따라서 전자가 각 영역의 경계선을 넘을 때는 속도가 느려지지만, 단결정 영역 안으로 들어오면 단결정 실리콘과 유사한 빠른 이동 성능을 발휘합니다. 전자의 이동이 빠르면 TFT 회로의 동작을 빠르게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 고속도로가 일반도로보다 차량을 빨리 보낼 수 있듯이, 단시간에 원하는 전류량을 충분히 보내줄수 있어 촘촘한 회로 구성이 필요한 고해상도 디스플레이 패널에 유리합니다. 따라서 현재 고해상도 스마트폰 디스플레이에는 LTPS가 대표적인 TFT로 사용되고 있습니다.