오늘은 지난 시간에 소개한 액정에 따른 LCD 패널 분류에 이어, LCD 제조공정을 다루는 첫 번째 시간입니다.
LCD 패널을 만드는 과정은 1) TFT(박막트랜지스터) 제작, 2) 컬러필터(color filter) 제작, 3) 합착/셀/액정주입, 4) 모듈 공정으로 크게 4 단계로 나눌 수 있습니다.
TFT와 컬러필터는 각각의 공정에서 따로 진행을 합니다. 각각의 패널이 완성되면 두 패널을 위아래로 붙이는 작업을 하는데 이것을 합착이라고 부릅니다. LCD는 TFT가 액정을 조절하고 액정을 통과한 빛이 컬러필터를 통과하며 색을 내는 방식이기 때문에, 두 패널 사이에 액정이 있어야 합니다. 따라서 두 패널을 합착할 때 완전히 밀착시키면 중간에 액정을 넣을 수 없으므로 두 패널 사이에 스페이서라는 공간 확보용 아주 작은 기둥들을 세웁니다. 그 후에 액정을 주입한 다음 모듈화 단계로 이동해 PCB와 같은 구동에 필요한 장치들을 붙이면 LCD 패널 모듈이 완성됩니다.
LCD 제조 과정에서 TFT는 이미 톺아보기 7편과 8편의 LTPS 제조공정에서 자세히 소개했으므로, 오늘은 해당 내용을 스킵하겠습니다. 이 시간에는 TFT가 액정의 움직임을 조절해 컬러필터로 가는 빛의 양을 조절하는 역할을 함으로써, 결과적으로 디스플레이의 밝기와 색을 조절하는 역할을 한다는 점만 기억하시면 되겠습니다.
오늘은 LCD 제조공정에서 색을 만들어내는 역할을 하는 컬러필터(color filter)에 대해 살펴보겠습니다.
컬러필터(color filter) 란?
컬러필터(color filter)는 빛을 통과시키면 해당 필터의 특성에 따라 색이 나타나도록 하는 기능을 하는데, 셀로판지와 비슷합니다. 만약 컬러필터가 없다면 LCD는 흑백TV처럼 밝고 어둡게만 표현이 될 것입니다. 디스플레이가 다양한 색을 표현하기 위해서는 빛의 삼원색인 빨간색(R), 녹색(G), 파란색(B)이 필요하기 때문에 이렇게 3가지 색의 컬러필터가 하나의 픽셀마다 배치됩니다. 컬러필터 하나의 영역을 서브픽셀(sub-pixel)이라고 부르며 이 서브픽셀들이 조합돼 수백만의 다양한 색을 표현하게 되는 원리입니다.
컬러필터의 구조
앞서 본 그림은 컬러필터가 입혀진 픽셀을 위에서 본 모습입니다. 그럼 컬러필터의 단면도를 통해 구체적인 구조를 살펴보겠습니다.
컬러필터는 가장 아래에 유리 글래스를 놓고 시작합니다. 그 위에 컬러필터 서로간의 색 경계선 역할을 하는 BM(블랙매트릭스)가 있습니다. BM은 빛샘을 방지하는 역할과 TFT의 누설전류 증가를 방지하는 역할도 합니다. BM과 BM사이에는 RGB의 색을 내는 컬러필터가 차례로 놓입니다. 그 위에는 높이가 제각각인 컬러필터층을 평평하게 만들어주는 오버코트(over coat) 층이 있고, 맨 위에는 TFT와 더불어 액정을 구동할 수 있는 장치인 공통전극(ITO;indium tin oxide)이 놓이게 됩니다.
컬러필터 제조 과정
컬러필터 공정 역시 TFT를 만드는 방법과 유사한 원리로 PR(photo resist)방식을 사용하므로 노광/현상/식각 공정이 있습니다. 컬러필터 공정의 첫번째 단계는 글래스 위에 BM을 만들어주는 일입니다. BM이 만들어지면 이제 각 서브픽셀의 영역이 확보된 셈입니다.
다음은 픽셀마다 주어진 RGB 서브픽셀 영역에 각각의 색에 알맞는 컬러필터 소재를 입히는 단계입니다. 컬러필터 공정은 RGB 각각의 색을 컬러PR 도포 → 노광 → 현상 순으로 진행하며 컬러 하나마다 기판 전체에 소재를 입히고 불필요한 부분은 제거하는 방식을 사용합니다. 컬러필터 소재를 입히는 방법에는 여러가지가 있는데, 중앙에 액상을 뿌린 후 판을 회전시켜 도포하는 스핀(spin) 방식과, 프린터처럼 노즐을 이용해 전체 면에 고르게 입히는 슬릿(slit) 방식 등이 있습니다.
제조사별로 색을 입히는 방식과 순서가 다르므로 블루(B), 그린(G), 레드(R) 순서를 기준으로 설명드리겠습니다. 먼저 BM이 완성된 컬러필터 기판에 블루 소재를 고르게 도포합니다. 그 후에 마스크를 이용해 블루가 남아있어야 할 곳만 노광시키고 나머지 영역에서는 블루를 제거합니다.
블루까지 완성된 기판에 이번에는 그린 소재를 도포합니다. 마찬가지로 이번에는 그린을 남겨야 하는 영역만 마스크를 통해 노광시키고 나머지 부분에서는 그린 소재를 제거합니다.
역시 같은 방식으로 레드 소재를 입히고 노광시키면, RGB가 각각 독립적인 영역을 차지하고 제 역할을 할 수 있게 됩니다.
각각의 컬러필터는 높낮이가 서로 달라서 평탄하지 않으므로, 추후 합착 등의 공정을 위해서는 평탄화 작업이 필요합니다. 그래서 RGB층 위에 오버코트(OC)층을 마련해주며, 오버코트층은 동시에 아래 층을 보호해주는 역할도 하게 됩니다. 마지막으로 그 위에 전극의 역할을 하는 ITO 층을 입혀주면, 컬러필터의 대표적인 공정은 마무리가 됩니다.
오늘은 LCD에서 다양한 색을 입히는 역할을 하는 컬러필터(Color Filter)에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 LCD 셀공정과 합착 공정에 대해 소개 해드리겠습니다.
