Chapter 15

제조 공정과 수율

스마트폰 화면 한 장에는 수십 나노미터에서 수 마이크로미터 두께의 박막이 스무 겹 넘게 쌓여 있고, 그 하나하나가 마스크로 그려진 패턴을 갖는다. 이 박막들은 축구장 넓이의 클린룸에서 다다미 몇 장 크기의 유리 원장 위에 한꺼번에 만들어진다. 원장 위 수백만 개의 트랜지스터 가운데 하나만 잘못되어도 화면에 휘점이나 선이 생긴다. 이 장에서는 디스플레이를 실제로 만드는 과정, 즉 박막 증착, 포토 공정, OLED 증착, 봉지, 모듈 조립을 차례로 살펴보고, 공장의 손익을 좌우하는 수율(Yield)을 정량적으로 다룬다.

디스플레이 제조의 세 구간(어레이 → 셀/증착·봉지 → 모듈)과 각 구간의 핵심 장비를 설명할 수 있다.
스퍼터링·PECVD·ALD의 차이와 포토리소그래피 5단계(도포–노광–현상–식각–박리)를 단계별로 설명할 수 있다.
a-Si, 산화물, LTPS, LTPO 백플레인의 마스크 수가 왜 다른지 공정 순서로 이해한다.
유리 원장 세대와 면취 효율을 계산하고 MMG(혼합 면취)의 이점을 설명할 수 있다.
FMM 증착의 쉐도우 효과와 정렬 오차가 색 혼합을 일으키는 기하학을 계산할 수 있다.
박막 봉지(TFE)가 경로 연장으로 수분 투과율을 낮추는 원리를 설명할 수 있다.
포아송·네거티브 이항 수율 모델로 패널 면적과 결함 밀도의 관계를 계산하고 리페어의 효과를 추정할 수 있다.

디스플레이 공장의 세 구간

디스플레이 제조는 반도체 제조와 닮았지만 결정적으로 다른 점이 하나 있다. 반도체가 지름 300 mm 실리콘 웨이퍼 위에 수백 개의 칩을 만든다면, 디스플레이는 한 변이 2~3 m인 유리 원장(Mother Glass) 위에 몇 장에서 수백 장의 패널을 만든다. 패널 하나가 크고, 그 안의 모든 픽셀이 동작해야 하므로 공정 하나하나의 균일도와 청정도가 그대로 가격이 된다.

공정은 크게 세 구간으로 나뉜다. 각 구간은 대개 다른 건물(또는 다른 층)에 있고, 원장은 카세트에 실려 무인 반송차(AGV)나 천장 반송(OHT)으로 옮겨 다닌다.

어레이 공정(Array, Backplane): 유리(또는 PI) 기판 위에 TFT, 배선, 화소 전극을 만든다. 증착–포토–식각을 마스크 수만큼 반복한다. 4장의 트랜지스터가 여기서 태어난다.
셀 공정(Cell): LCD라면 컬러 필터 기판과 TFT 기판 사이에 배향막을 바르고 액정을 떨어뜨려 합착한다(ODF). OLED라면 이 자리에 유기물 증착(EV)과 봉지(Encapsulation) 공정이 들어간다.
모듈 공정(Module): 원장을 패널 단위로 자르고, 드라이버 IC와 연성 회로(COF/FPC)를 붙이고, 편광판·터치·커버 유리를 합착한 뒤 점등 검사를 거쳐 출하한다.

그림 15-1. OLED 패널 제조 흐름. 어레이 공정은 "증착 → 포토 → 식각 → 박리" 루프를 마스크 수만큼 반복한다. LCD는 가운데 구간이 배향막·액정 주입·합착으로 바뀐다.

공장 규모를 말할 때는 보통 월 원장 투입 수(kSheets/month)를 쓴다. 예를 들어 "Gen 8.6 OLED 월 15k" 라인은 한 달에 2290×2620 mm 원장 1만 5천 장을 넣는다는 뜻이다. 장비 투자는 라인 하나에 수조 원 규모이고, 그 가운데 노광기·증착기·CVD 같은 진공 장비가 큰 비중을 차지한다. 그래서 디스플레이 원가는 "원장 한 장에서 양품 패널이 몇 장 나오느냐", 즉 면취 수 × 수율로 결정된다고 해도 과언이 아니다.

클린룸 등급

포토와 증착 구간은 보통 ISO Class 4~5(1 ft³당 0.5 µm 이상 입자 10~100개 수준)로 관리한다. 이 장의 마지막에서 보겠지만 원장 1 m²에 떨어지는 치명 결함이 1개만 늘어도 65인치 TV 수율은 눈에 띄게 떨어진다. 사람은 가장 큰 오염원이라서 원장 반송과 장비 사이 이송은 거의 모두 자동화되어 있다.

박막 증착: 스퍼터링 · PECVD · ALD

어레이 공정의 첫 단계는 언제나 원장 전체에 균일한 박막을 입히는 일이다. 디스플레이에 쓰이는 박막은 크게 금속·투명 전극(Mo, Al, Cu, Ti, ITO, IGZO), 절연막(SiNx, SiO₂), 반도체(a-Si:H, poly-Si의 출발 물질인 a-Si)로 나뉘며, 재료에 따라 증착 방법이 다르다.

스퍼터링(Sputtering, PVD): 아르곤 플라스마의 이온이 타깃을 때려 튀어나온 원자를 기판에 쌓는다. 금속, ITO, IGZO처럼 타깃으로 만들 수 있는 재료에 쓴다. 직진성이 강해 단차 측벽은 얇게 덮인다.
PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition): SiH₄, NH₃, N₂O 같은 기체를 플라스마로 분해해 화학 반응으로 막을 만든다. 300~400 °C의 비교적 낮은 온도에서 SiNx, SiO₂, a-Si:H를 빠르게(수십~수백 nm/min) 쌓을 수 있어 디스플레이 절연막의 주력이다.
ALD(Atomic Layer Deposition): 전구체 A와 반응물 B를 번갈아 넣어 한 사이클에 원자층 하나(약 0.1 nm)만 자기 제한적으로 쌓는다. 느리지만 두께 제어와 단차 피복이 완벽에 가깝다. 산화물 TFT의 게이트 절연막, 박막 봉지의 Al₂O₃ 등에 쓰이며 대면적 공간분할형(Spatial ALD) 장비가 쓰이기 시작했다.

그림 15-2. 세 가지 박막 증착 방식. 같은 단차 위에서 측벽 피복(Step Coverage)이 스퍼터링 < PECVD < ALD 순으로 좋아진다. 대신 증착 속도는 반대 순서다.

ALD의 두께는 사이클 수로 정해진다. 한 사이클에 쌓이는 두께를 GPC(Growth Per Cycle)라 하면

$$ d = N_{\text{cycle}} \cdot \text{GPC}, \qquad t_{\text{dep}} = N_{\text{cycle}}\,(t_A + t_{\text{purge}} + t_B + t_{\text{purge}}) $$

여기서 Al₂O₃(TMA + H₂O)의 GPC ≈ 0.1 nm/cycle. 30 nm를 쌓으려면 300 사이클이 필요하고, 사이클당 4 s라면 20분이 걸린다. 같은 30 nm SiNx는 PECVD로 수십 초면 된다.

박막	대표 재료	두께	증착 방법	쓰임
게이트·배선 금속	Mo, Cu/Ti, Al/Mo	200–500 nm	스퍼터링	게이트 라인, 데이터 라인
S/D 금속	Ti/Al/Ti	400–700 nm	스퍼터링	저저항 배선(대형은 Cu)
게이트 절연막	SiO₂, SiNx	80–150 nm	PECVD (ALD)	TFT 게이트 유전체
활성층	a-Si → poly-Si, IGZO	30–50 nm	PECVD, 스퍼터링	TFT 채널
보호·층간 절연	SiNx/SiO₂	300–600 nm	PECVD	ILD, 패시베이션
평탄화막	감광성 PI / 아크릴(PAC)	1.5–3 µm	슬릿 코팅	단차 제거, 비아
화소 전극	ITO / Ag / ITO	10 / 100 / 10 nm	스퍼터링	OLED 반사 애노드

대면적 균일도

원장이 3 m에 가까워지면 PECVD의 RF 파장(13.56 MHz에서 22 m)과 전극 크기가 비슷한 비율로 다가가 정재파에 의한 두께 불균일이 생긴다. 그래서 대형 CVD는 전극을 나누어 급전하거나 주파수를 조절한다. 두께 ±5 % 이내가 일반적인 목표다.

포토리소그래피: 마스크 한 장의 일생

원장 전체에 깔린 박막에 원하는 모양을 새기는 공정이 포토리소그래피(Photolithography)다. 디스플레이에서는 줄여서 "포토"라 하고, 한 번의 포토-식각 사이클에 쓰이는 포토마스크 한 장을 "1 마스크"라고 센다. 한 사이클은 다섯 단계로 이루어진다.

그림 15-3. 양성(Positive) PR을 쓴 포토 공정 다섯 단계. 빛을 받은 PR이 현상액에 녹아 없어지고, 남은 PR이 식각 보호막이 된다. 식각 후 PR을 벗겨 내면 마스크 무늬가 박막에 옮겨져 있다.

디스플레이 노광기는 반도체의 축소 투영 스캐너와 다르다. 원장이 워낙 커서 마스크와 기판을 1:1로 맞대거나(근접 노광), 1:1 미러/렌즈 투영으로 원장을 여러 번 나누어 찍는다(스텝 앤 스캔). 해상력은 레일리 식으로 가늠한다.

$$ R = k_1\,\frac{\lambda}{\mathrm{NA}}, \qquad \text{DOF} = k_2\,\frac{\lambda}{\mathrm{NA}^2} $$

여기서 λ는 노광 파장(i선 365 nm, h선 405 nm, g선 436 nm), NA는 투영 광학계의 개구수(디스플레이 노광기 0.08~0.2), k₁ ≈ 0.5~0.8. NA 0.1, i선이면 R ≈ 2~3 µm다. 대신 초점 심도 DOF가 수십 µm로 커서 원장의 휨과 단차를 견딜 수 있다. 반도체 ArF 액침(λ 193 nm, NA 1.35)의 R ≈ 40 nm와 비교하면 해상도보다 면적과 처리량에 최적화된 장비임을 알 수 있다.

아래 시뮬레이터에서 한 장의 마스크로 금속 배선을 만드는 다섯 단계를 하나씩 진행해 보자. 노광량(Dose)과 PR 극성, 식각 방식을 바꾸면 최종 선폭(CD, Critical Dimension)이 어떻게 달라지는지 볼 수 있다.

SIMULATOR

포토 공정 스텝퍼 (단면)

단계

PR 극성

식각

노광량

마스크 선폭4.0µm

PR 선폭—

최종 CD—

CD 바이어스—

해볼 것: ① 양성 PR에서 노광량을 150 %로 올리면 빛이 마스크 가장자리 밑으로 번져 PR 선폭이 가늘어진다. ② 음성 PR로 바꾸면 같은 마스크로 반전된 무늬가 생긴다. ③ 습식 식각은 PR 밑으로 파고드는 언더컷 때문에 CD가 PR보다 1 µm 이상 줄지만, 건식 식각은 거의 그대로 옮긴다. (교육용 근사: 노광량–선폭 관계를 선형으로 가정)

마스크 수가 원가다

포토 사이클 하나에는 증착, 세정, PR 도포, 노광, 현상, 식각, 박리, 검사가 따라붙는다. 마스크 하나가 늘 때마다 장비 대수, 공정 시간(TAT), 그리고 결함이 끼어들 기회가 함께 는다. 백플레인 기술마다 필요한 마스크 수가 다른 이유는 TFT 구조에 있다.

백플레인	마스크 수	왜 그만큼 필요한가	주 용도
a-Si:H (BCE)	4–5	게이트 / 활성+S/D(하프톤 마스크로 통합) / 보호막 컨택 / 화소 ITO. 도핑·결정화 불필요	대형 LCD TV
산화물 (IGZO)	5–8	에치 스토퍼(ESL) 또는 자기정렬 탑게이트 구조, 보호막 추가	OLED TV, 고해상도 IT LCD
LTPS	9–12	활성 섬, 게이트, N⁺/P⁺ 도핑(CMOS면 두 번), 층간 컨택, S/D, 평탄화 비아, 애노드, PDL, 스페이서	스마트폰 LCD/OLED
LTPO	12–15	LTPS 위에 산화물 TFT 층(활성, 게이트, 컨택)을 추가 적층	가변 주사율 스마트폰·워치

하프톤 마스크로 마스크 줄이기

a-Si 공정의 "4 마스크"는 하프톤(Half-tone, Gray-tone) 마스크 덕분이다. 마스크의 일부를 반투과로 만들면 PR이 두 가지 두께로 남는다. 먼저 두꺼운 PR을 방패로 활성층과 S/D 금속을 한꺼번에 식각하고, 산소 플라스마로 PR을 얇게 깎아(애싱) 얇은 부분만 열리게 한 뒤 채널 위 S/D 금속을 다시 식각한다. 노광 한 번으로 두 패턴을 만드는 셈이다.

LTPS 백플레인을 한 층씩 쌓기

LTPS(Low-Temperature Poly-Silicon) TFT는 4장에서 본 것처럼 이동도가 50~150 cm²/V·s로 높아 작은 트랜지스터로도 OLED 전류를 충분히 흘리고, 게이트 드라이버를 패널 안에 함께 만들 수 있다. 그 대가가 복잡한 공정이다. 핵심은 PECVD로 쌓은 비정질 실리콘(a-Si)을 유리가 녹지 않는 온도에서 결정화하는 엑시머 레이저 어닐링(ELA, Excimer Laser Annealing)이다.

그림 15-4. ELA 결정화. 수십 ns 레이저 펄스가 50 nm a-Si만 순간적으로 녹이고, 식으면서 다결정 실리콘이 된다. 같은 자리를 10~20번 겹쳐 쏘아 결정립 크기를 고르게 만든다. 이 단계의 에너지 편차가 OLED 화면의 줄무늬형 무라(mura)로 나타날 수 있다.

결정화가 끝나면 마스크를 하나씩 쓰며 층을 올린다. 아래 3D 모델에서 슬라이더를 움직이면 OLED용 LTPS 백플레인 한 화소가 공정 순서대로 쌓인다. 마스크가 쓰이는 단계에는 번호가 붙는다.

LTPS TFT 공정 적층 — 마스크 단계별

드래그: 회전 · 휠: 확대

공정 단계

층 분해 보기 모든 층 라벨

누적 마스크—

현재 층—

누적 두께(개략)—

높이 방향은 보기 좋게 과장했다(실제 TFT 전체 두께는 약 4~6 µm, 화소 폭 수십 µm). 단일 NMOS 기준 9 마스크이며, CMOS 회로(GOA)를 함께 만들면 P⁺ 도핑, LDD 등이 더해져 11~12 마스크가 된다.

순서를 다시 정리하면 활성(1) → 게이트(2) → 도핑(3) → 컨택홀(4) → S/D(5) → 평탄화 비아(6) → 애노드(7) → PDL(8) → 스페이서(9)다. 도핑은 게이트 금속을 마스크 삼아 이온을 주입하므로 채널과 S/D 경계가 게이트 가장자리에 자동으로 맞는다(자기정렬, Self-aligned). 주입 후에는 활성화 열처리와 수소화(SiNx의 수소로 결정립계 결함을 메움)가 뒤따른다.

정렬 오차의 누적

각 마스크는 앞 층의 정렬 마크에 맞춰 노광한다. 노광기의 중첩 정확도(Overlay)는 원장 전역에서 ±0.5~1 µm 수준이다. 고해상도(500 PPI 이상) 패널은 컨택홀과 배선 여유가 1~2 µm에 불과하므로, 원장의 열팽창(유리 열팽창 계수 ~3.5 ppm/K × 3 m × 1 K ≈ 10 µm!)을 보정하는 것이 필수다. 노광기는 원장을 여러 샷으로 나누어 샷마다 배율·회전을 보정한다.

유리 원장 세대와 면취

원장 크기는 세대(Generation, Gen)로 부른다. 세대가 올라갈수록 한 번의 공정에 처리하는 면적이 늘어 패널 하나당 장비 시간이 줄어든다. 하지만 원장이 커질수록 장비, 반송, 공장 건물이 모두 커져야 하고, 무엇보다 만들고 싶은 패널 크기와 원장 크기가 잘 맞아야 이득이 생긴다. 원장 하나에서 패널을 몇 장 잘라 내느냐를 면취(面取, Panel Cutting / Layout)라고 한다.

그림 15-5. 유리 원장 세대별 크기(같은 축척). G10.5는 약 10 m²로, 사람 키의 두 배에 가까운 변을 갖는다. 원장 두께는 0.5 mm 정도라 반송 중 처짐 관리가 큰 과제다.

세대	크기 (mm)	면적 (m²)	주력 제품 (면취 예)
Gen 6 (half)	1500 × 1850 (925 × 1500)	2.78 (1.39)	스마트폰 OLED — 6.5″ 약 200장/원장
Gen 7	1870 × 2200	4.11	40·46″ LCD TV
Gen 8.5	2200 × 2500	5.50	55″ × 6, 65″ × 3 (+ MMG)
Gen 8.6	2290 × 2620	6.00	IT OLED — 14″급 노트북·태블릿 패널
Gen 10.5	2940 × 3370	9.91	65″ × 8, 75″ × 6, 86″ × 3

면적 효율(Glass Utilization)은 잘라 낸 패널 면적의 합을 원장 면적으로 나눈 값이다.

$$ \eta_{\text{area}} = \frac{\sum_i W_i H_i}{W_g H_g}, \qquad n_x = \left\lfloor \frac{W_g - 2m + g}{W_p + g} \right\rfloor,\; n_y = \left\lfloor \frac{H_g - 2m + g}{H_p + g} \right\rfloor $$

여기서 $W_g, H_g$는 원장 크기, $W_p, H_p$는 패널 외곽 크기(화면 + 베젤), $m$은 원장 가장자리 여백(정렬 마크·클램프 자리, 10~20 mm), $g$는 패널 사이 간격(절단선·더미 패턴, 수 mm~수십 mm). 패널을 90° 돌린 배치도 함께 비교해 큰 쪽을 고른다.

화면 대각선 $D$, 화면비 $a:b$인 패널의 화면 폭과 높이는 $W = D\,a/\sqrt{a^2+b^2}$, $H = D\,b/\sqrt{a^2+b^2}$이다. 아래 시뮬레이터로 세대와 패널 크기를 바꾸어 보자. 면적 효율이 70 %에 못 미치면 남는 자리에 다른 크기의 패널을 섞어 넣는 MMG(Multi-Model on a Glass)를 켜 보라.

SIMULATOR

원장 면취 계산기 (MMG 포함)

원장 세대

화면 대각선

화면비

베젤(한쪽) 패널 간격 MMG: 남는 자리에 2차 모델 2차 모델 대각선

면취 수—

면적 효율—

패널 크기—

원장 면적—

해볼 것: G8.5에서 55″(6장, 효율 ≈ 90 %)와 65″(3장, ≈ 64 %)를 비교하고, 65″에서 MMG를 켜 32″ 패널로 빈자리를 채워 보라. G10.5에서는 65″ 8장, 75″ 6장이 나오는지 확인해 보자. (가장자리 여백 10 mm 고정. 실제 라인에서는 노광 샷 배치와 증착 마스크 제약도 고려한다)

세대 경쟁의 경제학

G8.5는 55″ 6장이 잘 맞아 2010년대 LCD TV의 주력이었고, 65″가 대세가 되자 65″ 8장(효율 90 % 이상)을 노린 G10.5가 등장했다. 반대로 OLED는 FMM의 처짐 문제 때문에 오랫동안 G6를 반으로 자른 G6 half에서 증착했고, 노트북·태블릿용 IT OLED를 위해 G8.6 증착 라인이 2020년대 중반에야 가동을 시작했다.

OLED 증착과 미세 금속 마스크(FMM)

8장에서 본 OLED의 유기층(HIL, HTL, EML, ETL 등)은 대부분 저분자 재료이고, 물이나 용매에 약해 포토 공정으로 패터닝할 수 없다. 그래서 진공 속에서 재료를 300 °C 안팎으로 가열해 증발시키고, 기판 앞에 놓인 얇은 금속판의 구멍을 통해서만 원하는 자리에 쌓는 진공 열증착(VTE, Vacuum Thermal Evaporation)을 쓴다. R, G, B 발광층은 각자의 서브픽셀에만 쌓여야 하므로 수십 µm 피치의 구멍이 뚫린 FMM(Fine Metal Mask)이 필요하다.

그림 15-6. 진공 열증착(왼쪽)과 FMM 개구부 확대(오른쪽). 증기는 소스에서 사방으로 퍼져 나오므로 기판의 각 점은 일정 각도 범위로부터 재료를 받는다. 마스크 두께 $t$, 마스크–기판 간격 $g$, 개구 테이퍼 각 $\theta$가 쉐도우 폭을 결정한다.

쉐도우를 기하학적으로 보자. 기판 위 점이 받는 증기의 최대 입사각을 $\varphi_{\max}$라 하면, 개구 가장자리 근처에서는 일부 방향이 마스크 벽에 가려 박막이 점점 얇아진다. 마스크가 기판에서 $g$만큼 떠 있으면 증기는 개구 밖으로도 새어 나간다.

$$ s_{\text{out}} \approx g\,\tan\varphi_{\max}, \qquad s_{\text{in}} \approx \begin{cases} t\,\tan\varphi_{\max} & (\theta > 90^\circ - \varphi_{\max})\\ 0 & (\theta \le 90^\circ - \varphi_{\max}) \end{cases} $$

여기서 $s_{\text{out}}$은 개구 밖으로 번지는 폭, $s_{\text{in}}$은 개구 안쪽에서 두께가 모자라는 폭, $\theta$는 마스크 벽의 테이퍼 각(수직 벽 = 90°). 벽을 $90^\circ-\varphi_{\max}$보다 완만하게 깎으면 안쪽 쉐도우가 사라진다. 그래서 FMM 개구부는 증착 쪽이 넓은 깔때기 모양으로 식각한다.

FMM은 열팽창 계수가 ~1 ppm/K로 작은 인바(Invar, Fe–36 % Ni)를 20 µm 안팎으로 얇게 만든 것이다. 얇을수록 쉐도우가 줄지만 처짐과 주름이 커진다. 그래서 마스크를 잡아당겨 프레임에 용접하는데(인장), 이 장력과 마스크 자중, 증착 중 복사열로 인한 팽창이 모두 위치 오차를 만든다. 아래 시뮬레이터로 G 발광층을 증착할 때 쉐도우와 정렬 오차가 이웃 R·B 서브픽셀을 얼마나 침범하는지 확인해 보자.

SIMULATOR

FMM 쉐도우 · 정렬 오차와 색 혼합

마스크 두께 t 테이퍼 각 θ 최대 입사각 φ 마스크–기판 간격 g (처짐) 정렬 오차 Δx

화소 피치

서브픽셀 피치—

쉐도우 폭(10–90 %)—

G 애노드 최소 두께—

이웃 침범(최대)—

위: 단면(마스크, G 박막 두께 분포, 애노드). 아래: 위에서 본 발광 모습 — 이웃 R/B에 G가 섞이면 그 서브픽셀이 노랗게/청록색으로 물든다. 1500 PPI(마이크로OLED급)에서는 FMM으로 감당할 수 없음을 확인해 보자. (교육용 근사: 입사각 균일 분포, 직선 경로, 일차원 단면)

FMM 너머: 잉크젯 프린팅과 포토 패터닝

그림 15-7. RGB 발광층 패터닝 세 방식. FMM은 성숙한 기술이지만 해상도와 원장 크기에 한계가 있다. 잉크젯은 용액 공정이라 대형 TV(QD-OLED의 QD 색변환층 등)에, 포토 패터닝은 FMM 없이 고개구율·고해상도를 얻으려는 차세대 방식으로 개발되고 있다.

잉크젯 프린팅은 수 pL(피코리터) 액적을 노즐로 떨어뜨려 뱅크(격벽) 안을 채운다. 진공이 필요 없고 재료 사용 효율이 90 % 이상이지만(열증착은 챔버 벽에 쌓이는 손실 때문에 20~40 %), 액적이 마르면서 가장자리가 두꺼워지는 커피링 효과를 억제해야 한다. 10장의 QD-OLED에서는 청색 OLED 위의 양자점 색변환층을 잉크젯으로 찍는다. 포토 패터닝은 유기층을 전면 증착한 뒤 보호층과 PR로 패터닝하는 방식으로, FMM 없이 개구율을 크게 높일 수 있어 수명과 효율이 좋아진다.

마이크로OLED는 FMM을 쓰지 않는다

17장의 3000 PPI 이상 마이크로OLED는 실리콘 웨이퍼 위에 백색 OLED를 전면 증착하고, 반도체 공정으로 만든 컬러 필터를 올린다. 서브픽셀이 수 µm라서 FMM의 쉐도우(수 µm)만으로도 이웃을 덮어 버리기 때문이다.

박막 봉지: 수분과의 싸움

OLED 음극(Mg:Ag, Al)과 유기물은 물과 산소에 극도로 약하다. 수분이 스며들면 음극이 산화되어 전자가 주입되지 않는 검은 점(Dark Spot)이 생기고 점점 자란다. 수명 10년을 보장하려면 봉지막의 수분 투과율(WVTR, Water Vapor Transmission Rate)이 10⁻⁶ g/m²/day 수준이어야 한다. 이는 식품 포장(~1 g/m²/day)보다 백만 배, 일반 PET 필름보다 천만 배 좋은 값이다.

초기 OLED는 유리 덮개와 프릿(Frit) 실링으로 막았지만, 휘어야 하는 16장의 플렉서블 OLED는 두께 수 µm의 박막 봉지(TFE, Thin-Film Encapsulation)를 쓴다. 핵심 구조는 무기 / 유기 / 무기 적층이다.

그림 15-8. 박막 봉지의 원리. 무기막(SiNx, Al₂O₃)은 치밀하지만 입자 때문에 생기는 핀홀이 피할 수 없다. 두 무기막 사이에 잉크젯으로 찍은 두꺼운 유기막을 넣으면 위아래 핀홀이 서로 어긋나, 수분이 유기막 속을 옆으로 멀리 돌아가야 한다.

무기막 하나의 투과는 사실상 핀홀이 지배한다. 위·아래 핀홀이 평균 $L$만큼 떨어져 있고 유기막 두께가 $h$라면, 직접 관통 대비 경로가 $(h + L/2)/h$배 길어진다. 정상 상태 투과율은 경로 길이에 반비례하므로 다이애드(무기/유기 쌍)를 하나 더할 때마다 대략

$$ \text{WVTR}_n \approx \text{WVTR}_1 \left(\frac{h}{h + L/2}\right)^{n-1}, \qquad t_{\text{lag}} \approx \frac{(h+L/2)^2}{6D} $$

여기서 $n$은 무기막 수, $\text{WVTR}_1$은 무기막 한 층의 투과율(10⁻²~10⁻³ g/m²/day), $D$는 유기막 속 물의 확산 계수, $t_{\text{lag}}$은 수분이 처음 도달하기까지의 지연 시간. 핀홀 간격 $L$이 넓을수록(결함 밀도가 낮을수록), 유기막이 얇아도 효과가 크다. 교육용 단순화로 실제 거동은 결함 크기와 측면 확산 기하에 따라 다르다.

SIMULATOR

TFE 결함 경로 늘리기 — 수분 확산 애니메이션

무기막 수 n

핀홀 간격 L 유기막 두께 h

경로 연장 배수—

추정 WVTR—

OLED 도달 분자0

파란 점은 수분 분자. 무기막(회색)은 핀홀(틈)으로만 통과할 수 있고, 유기막(보라) 안에서는 무작위 걸음으로 퍼진다. 무기막 1층과 3층을 비교해 OLED(아래 분홍)에 도달하는 속도를 보라. 화면의 가로 축은 핀홀 간격을 보이도록 압축했다. (WVTR₁ = 10⁻² g/m²/day 가정)

측면 침투와 봉지 가장자리

TFE는 위에서 오는 수분만 막으면 끝이 아니다. 패널 가장자리에서는 유기막이 노출되면 옆으로 수분이 들어오므로, 유기막을 둑(Dam) 안에 가두고 바깥은 무기막끼리 직접 맞닿게 한다. 베젤에 보이는 두세 줄의 둑 구조가 이것이다. 카메라 구멍(홀 디스플레이)을 뚫을 때도 같은 이유로 구멍 둘레에 둑과 홈(Undercut groove)을 만든다.

레이저 리프트오프: 유리에서 PI를 떼어 내기

플렉서블 OLED는 유리 원장 위에 액상 폴리이미드(PI)를 10 µm 정도 코팅해 굳힌 뒤, 그 위에 지금까지의 모든 공정(TFT, 증착, TFE)을 진행한다. 유리는 공정 내내 평탄한 지지대 역할을 하다가 마지막에 떼어진다. 이때 유리 뒤에서 자외선 레이저(308 nm 엑시머 또는 343/355 nm DPSS)를 쏘면 유리는 투과하고 PI 계면 수십 nm만 흡수해 분해되면서 PI가 유리에서 떨어진다. 이것이 레이저 리프트오프(LLO, Laser Lift-Off)다.

그림 15-9. 레이저 리프트오프(LLO). 레이저 에너지가 부족하면 PI가 덜 떨어지고, 너무 강하면 PI 위 TFT까지 열 손상을 받는다. PI와 TFT 사이 무기 버퍼층(SiO₂/SiNx 다층)이 레이저 열과 PI에서 나오는 가스를 막아 준다.

분리된 패널은 종이처럼 얇아 그대로는 다룰 수 없으므로 즉시 PET 백플레이트를 붙인다. 이 구조가 16장에서 다룰 굽힘 중립면 설계의 출발점이다.

수율: 결함 밀도와 패널 면적

원장 위에는 크기가 다른 결함이 무작위로 떨어진다. 공기 중 입자, 장비에서 떨어진 막 조각, PR 잔사, 식각 불량, 정전기 방전(ESD) 등이다. 모든 결함이 치명적인 것은 아니고, 배선을 끊거나(Open) 붙이거나(Short), TFT를 죽이는 결함만 패널을 불량으로 만든다. 이런 결함을 치명 결함(Killer Defect)이라 하고, 그 면적당 개수를 결함 밀도 $D$라 한다.

결함이 서로 독립적으로 고르게 떨어진다면 면적 $A$인 패널에 떨어지는 결함 수는 평균 $\lambda = DA$인 포아송 분포를 따르고, 결함이 하나도 없을 확률이 수율이다.

$$ Y_{\text{Poisson}} = P(k=0) = e^{-DA}, \qquad Y_{\text{NB}} = \left(1 + \frac{DA}{\alpha}\right)^{-\alpha} $$

여기서 $D$는 치명 결함 밀도(개/m²), $A$는 패널의 민감 면적(Critical Area), $\alpha$는 군집 계수. 실제 결함은 한 장비·한 지점에서 뭉쳐 나오는 경향이 있어 네거티브 이항(Negative Binomial) 모델이 더 잘 맞는다. $\alpha \to \infty$이면 포아송과 같고, $\alpha$가 작을수록(군집이 심할수록) 같은 $D$에서 수율이 높게 나온다. 결함이 몇몇 패널에 몰려 나머지 패널이 살아남기 때문이다.

그림 15-10. 같은 원장, 같은 결함 6개라도 패널이 작으면 결함을 맞는 패널의 비율이 작다. 수율이 $e^{-DA}$로 면적에 지수적으로 의존하는 이유다. 대형 TV 공장이 스마트폰 공장보다 훨씬 깨끗해야 하는 까닭이기도 하다.

아래 시뮬레이터는 G8.5 원장 위에 결함을 무작위로 뿌려 실제로 몇 장이 살아남는지 센다. 포아송 공식과 비교해 보고, 군집을 켜거나 레이저 리페어를 켜서 수율이 어떻게 바뀌는지 보자.

SIMULATOR

원장 결함 뿌리기 — 몬테카를로 수율

결함 밀도 D 패널 대각선 결함 군집 (NB, α≈1.5) 레이저 리페어 (결함의 60 % 수리)

면취 / 결함 수—

이번 원장 수율—

포아송 예측—

100장 평균—

빨간 점: 치명 결함, 초록 고리: 리페어된 결함. 패널 색: 양품(초록)/불량(빨강). 결함 밀도는 0.1~100 개/m² 로그 스케일. 리페어는 결함마다 60 % 확률로 독립적으로 성공한다고 가정했다.

리페어와 군집의 효과

어레이 검사에서 찾아낸 결함 중 배선 단락은 레이저로 끊고(Cut), 단선은 레이저 CVD로 텅스텐 배선을 그려 잇는다(Weld/Deposition). 불량 화소는 밝은 점보다 덜 눈에 띄는 검은 점으로 만드는 암점화를 한다. 결함 하나당 수리 성공률이 $r$이면, 수리 못 한 결함만 치명적이므로 유효 결함 밀도가 $(1-r)D$로 줄어든다.

$$ Y_{\text{repair}} = e^{-(1-r)DA}, \qquad Y_{\text{line}} = \prod_{i=1}^{N} Y_i \approx \exp\!\Big(-A\sum_i D_i\Big) $$

여기서 $r$은 리페어 성공률, $Y_{\text{line}}$은 공정 $N$단계 누적 수율, $D_i$는 $i$번째 단계의 결함 밀도. 마스크가 늘수록 $\sum D_i$가 커지므로 LTPO가 a-Si보다 수율을 올리기 어렵다.

SIMULATOR

수율 모델 비교: 패널 면적 vs 수율

마스크당 결함 밀도 마스크 수 N 군집 계수 α 리페어 성공률 r

포아송네거티브 이항NB + 리페어

6.5″ 폰 (0.011 m²)—

14″ 노트북 (0.054 m²)—

65″ TV (1.15 m²)—

총 결함 밀도 ΣD—

가로축은 패널 면적(로그). 세로 점선은 세 제품의 면적. 마스크 수를 5(a-Si)에서 13(LTPO)으로 올리면 같은 청정도에서 폰 수율이 얼마나 떨어지는지 보라. 군집 계수 α를 작게 하면 포아송보다 낙관적인 곡선이 된다.

수율 경사(Yield Ramp)

새 라인은 처음에 수율이 30~50 %에서 시작해 1~2년에 걸쳐 80~90 %로 올라간다. 수율 1 %p는 대형 라인에서 연간 수백억 원의 이익 차이를 낸다. 그래서 공장은 결함 지도(Defect Map)를 장비별로 겹쳐 보고, 어떤 장비에서 결함이 군집으로 나오는지 추적해 원인을 제거한다. 이 과정에서 결함 밀도 $D$가 줄어드는 속도가 곧 기술력이다.

모듈 공정: 본딩 · 합착 · 검사

셀 공정이 끝난 원장은 패널 단위로 잘린다. 유리는 다이아몬드 휠로 금을 긋고(Scribe) 꺾어 자르고(Break), 플렉서블 패널이나 카메라 구멍처럼 곡선이 필요한 곳은 피코초·펨토초 레이저로 자른다. 이후 공정이 모듈이다.

편광판 부착: OLED는 외광 반사를 줄이는 원편광판(13장), LCD는 상·하 편광판을 롤러로 붙인다. 기포와 이물이 주요 불량이다.
구동 IC·COF 본딩: 드라이버 IC를 유리 위에 직접 붙이면 COG(Chip on Glass), 플렉서블 PI 위면 COP(Chip on Plastic), 필름에 IC를 얹어 패널에 붙이면 COF(Chip on Film)다. 접속에는 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 쓴다.
커버 유리·터치 합착: 광학 투명 접착제(OCA, OCR)로 커버 유리를 붙인다. 공기층을 없애 반사를 줄이는 것이 목적이다(Full Lamination).
검사와 에이징: 점등 검사로 휘점·암점·라인·무라를 보고, OLED는 초기 휘도 변화를 안정시키기 위해 일정 시간 구동(에이징)한 뒤, 무라 보상 데이터를 측정해 드라이버 IC에 기록한다(18장, 9장).

그림 15-11. ACF 본딩. 접착 수지 속에 흩어진 도전 입자가 범프와 패드 사이에서 눌려 세로 방향으로만 전기를 통한다. 범프 사이 간격에서는 입자들이 떨어져 있어 가로로는 절연된다. 범프 위 입자가 너무 적으면 단선, 간격에 입자가 사슬처럼 이어지면 단락이 생긴다.

범프 하나에 포획되는 입자 수 역시 포아송 분포를 따른다. 범프 면적 $A_b$, 입자 밀도 $\rho$, 포획률 $c$이면 평균 $\bar n = c\,\rho A_b$이고, 접속에 최소 $n_{\min}$개가 필요하다면

$$ P_{\text{open}} = \sum_{k=0}^{n_{\min}-1} \frac{\bar n^{\,k} e^{-\bar n}}{k!} $$

여기서 $c$는 가압 중 입자가 범프 밖으로 흘러나가지 않고 남는 비율(0.3~0.5). 출력 수천 개인 드라이버 IC의 모든 범프가 붙어야 하므로 범프당 $P_{\text{open}}$은 10⁻⁶ 이하여야 한다. 범프가 작아지는 고해상도 패널에서는 입자를 일정 간격으로 배열한 정렬형 ACF를 쓴다.

SIMULATOR

ACF 본딩: 단선과 단락의 줄다리기

입자 밀도 ρ 범프 폭 범프 간격 정렬형 ACF (격자 배열)

범프당 평균 입자—

P(단선) / 범프—

표본 단선 범프—

표본 단락 간격—

위에서 본 범프 8개(길이 80 µm). 범프 위 입자(진한 점) 3개 미만이면 단선(빨강 테두리), 간격에서 맞닿은 입자 사슬이 두 범프를 이으면 단락(빨간 선)이다. 입자 밀도 단위: 천 개/mm². 포획률 c = 0.4, 입자 지름 3 µm 가정.

검사	단계	찾는 것	방법
AOI	마스크마다	패턴 결함, 이물	고해상도 라인 카메라 + 인접 셀 비교(Die-to-Die)
어레이 테스트	어레이 완료	TFT·배선 전기 결함	전압 이미징(전기광학 변조기), 전자빔, 전류 측정
점등 검사	셀·모듈	휘점, 암점, 라인, 무라	패턴 점등 + 카메라 / 육안
무라 보상(디무라)	모듈	휘도 불균일	화소별 휘도 측정 → 보상표를 IC 메모리에 기록
신뢰성	표본	수명, 봉지	고온고습(85 °C/85 %), 열충격, 굽힘 반복

검사의 위치가 원가를 바꾼다

결함은 일찍 찾을수록 싸다. 어레이 단계에서 찾으면 리페어하거나 그 패널에만 유기물을 증착하지 않을 수 있지만(불량 셀 건너뛰기), 모듈 단계에서 찾으면 이미 IC·편광판·커버 유리 값이 들어간 뒤다. 그래서 공장은 어레이 검사에 막대한 투자를 한다.

핵심 정리

디스플레이 제조는 어레이(TFT) → 셀/증착·봉지 → 모듈의 세 구간으로 나뉘며, 어레이 공정은 증착–포토–식각–박리 루프를 마스크 수만큼 반복한다.
금속·TCO는 스퍼터링, 절연막·a-Si는 PECVD, 초박막 고품질 절연막은 ALD로 쌓는다. 단차 피복은 ALD > PECVD > 스퍼터링, 속도는 반대다.
포토 공정은 PR 도포–노광–현상–식각–박리 다섯 단계다. 디스플레이 노광기는 해상도(2~3 µm)보다 면적·처리량·초점 심도에 최적화되어 있다.
마스크 수는 a-Si 4~5, 산화물 5~8, LTPS 9~12, LTPO 12~15로, 구조가 복잡할수록 원가와 수율 부담이 커진다. LTPS의 핵심은 ELA 결정화와 자기정렬 도핑이다.
원장 세대(G6 1500×1850 ~ G10.5 2940×3370 mm)는 주력 패널 크기와 맞아야 이득이며, 면적 효율이 낮으면 MMG로 다른 크기의 패널을 섞어 채운다.
FMM 증착의 쉐도우는 $s \approx (g+t)\tan\varphi$로, 마스크 처짐·두께·테이퍼와 정렬 오차가 이웃 서브픽셀 색 혼합을 일으킨다. 고해상도·대형화의 한계를 넘기 위해 잉크젯과 포토 패터닝이 개발되고 있다.
TFE는 무기/유기/무기 적층으로 핀홀을 어긋나게 해 수분 경로를 늘림으로써 WVTR 10⁻⁶ g/m²/day를 달성한다. 플렉서블 OLED는 LLO로 PI를 캐리어 유리에서 분리한다.
수율은 $Y = e^{-DA}$(포아송) 또는 $(1+DA/\alpha)^{-\alpha}$(네거티브 이항)로, 면적에 지수적으로 의존한다. 리페어는 유효 결함 밀도를 $(1-r)D$로 줄인다.
모듈 공정은 절단, 편광판 부착, ACF로 IC·COF 본딩, 커버 유리 합착, 점등 검사·디무라로 이루어지며, 결함은 일찍 찾을수록 싸다.

확인 퀴즈

1. 산화물 TFT의 게이트 절연막을 두께 오차 ±0.5 nm 이내로, 깊은 단차의 측벽까지 균일하게 덮고 싶다. 가장 적합한 증착 방법은?

ALD는 자기 제한적 표면 반응으로 한 사이클에 원자층 하나씩 쌓으므로 두께를 사이클 수로 정밀하게 정하고, 단차 피복도 거의 100 %다. 대신 느리다.

2. 양성 PR로 노광량을 기준보다 크게 늘렸다. 마스크의 불투명 선(4 µm) 아래 남는 PR 선폭은 대개 어떻게 되는가?

양성 PR은 빛을 받은 부분이 녹는다. 노광량이 많으면 회절·산란으로 마스크 가장자리 밑까지 노광되어 남는 PR이 가늘어진다. 음성 PR이라면 반대로 남는 무늬가 넓어진다.

3. LTPS 백플레인이 a-Si보다 마스크가 많이 필요한 이유로 가장 거리가 먼 것은?

ELA는 원장 전면에 라인 빔을 스캔하는 공정으로 포토마스크를 쓰지 않는다. 마스크가 늘어나는 이유는 도핑, 컨택, 다층 배선, 주변 회로 때문이다.

4. G10.5 원장(2940×3370 mm)에서 65″ 16:9 패널(화면 약 1430×805 mm)은 몇 장 나오는가? (여백·간격은 작다고 가정)

2940/1430 ≈ 2.05 → 2열, 3370/805 ≈ 4.19 → 4행으로 2×4 = 8장. 면적 효율은 8×1.15/9.91 ≈ 93 %로, G10.5가 65″를 위해 설계된 세대임을 보여 준다.

5. FMM 증착에서 마스크가 처져 기판과의 간격 g가 0에서 10 µm로 벌어졌다. 최대 입사각이 30°일 때 증착막이 개구 밖으로 퍼지는 폭은 대략?

s_out ≈ g·tan φ = 10 µm × tan 30° ≈ 5.8 µm. 400 PPI의 서브픽셀 피치가 약 21 µm이므로 이 정도면 이웃 서브픽셀 가장자리를 침범해 색 혼합을 일으킬 수 있다.

6. TFE에서 무기막 사이에 두꺼운 유기막을 넣는 가장 중요한 이유는?

유기막은 수분을 잘 막지 못한다. 역할은 핀홀 디커플링(경로 연장), 입자 덮기, 평탄화, 응력 완화다. 실제 차단은 치밀한 무기막이 한다.

7. 결함 밀도 D = 0.2개/m²인 라인에서 65″ TV 패널(A ≈ 1.15 m²)의 포아송 수율과, 같은 라인에서 6.5″ 폰 패널(A ≈ 0.011 m²)의 수율은?

TV: e^(−0.2×1.15) = e^(−0.23) ≈ 0.79. 폰: e^(−0.0022) ≈ 0.998. 같은 청정도라도 면적이 100배 크면 수율이 크게 다르다.

8. ACF 본딩에서 범프 면적을 절반으로 줄였다(고해상도화). 다른 조건이 같다면 가장 먼저 커지는 위험은?

평균 포획 입자 수 n̄ = cρA_b가 절반이 되면 P(k < n_min)이 지수적으로 커진다. 그렇다고 입자 밀도를 올리면 간격의 단락 위험이 커지므로 정렬형 ACF가 해법이 된다.