LCD 제조 공정

Source: http://www.kodemia.or.kr/understand/under_lcd.asp

TFT-LCD 제조공정은 크게 TFT공정, Cell 공정, Module 공정 세 부분으로 나뉜다.

TFT 공정은 반도체 제작 공정과 매우 유사하며, 증착공정(deposition) 및 사진식각공정(Photolithography), 식각공정(Etching)을 반복하여 유리 기판 위에 박막트랜지스터를 배열하여 제작하는 공정이다. Wafer 대신에 유리를 사용한다는 점에서 반도체와 다르며, 반도체 공정은 1,000℃ 정도의 공정온도를 갖는 반면 TFT 공정은 유리기판을 사용하기 때문에 300 ~ 500℃의 공정온도를 유지해야 하므로 오히려 반도체보다 까다로운 기술이다. 1. PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 진공실을 이루는 Chamber 내부에 증착에 필요한 gas를 주입하여 원하는 압력과 기판 온도가 설정되면 RF(Radio Frequency) power를 이용하여 주입된 gas를 Plasma 상태로 분해하여 기판위에 증착하는 공정이다. 증착에 필요한 조건은 진공상태, RF power, 기판온도, 반응 gas, 반응 압력 등이다. 증착되는 물질은 절연막과 반도체막으로 나눠지며, 절연막으로는 게이트 절연막, 보호막, etch stopper막이 있다. 반도체막으로는 활성층을 이루는 비정질 실리콘(a-Si:H)과 접촉 저항층을 이루는 도핑된 비정질 실리콘막(n+ a-Si:H)이 있다. 2. Sputtering 공정 (증착공정) Sputtering은 RF power나 DC power에 의해 형성된 plasma 내의 높은 에너지를 갖고 있는 gas ion이 target 표면과 충돌하여 증착하고자 하는 target 입자들이 튀어나와 기판에 증착되는 공정이다. 일반적으로 음극표면에 증착시킬 target 물질을 장착하고, 증착물질의 특성에 영향을 주지 않는 He, Ar과 같은 불활성 기체를 이용하여 양극에 놓여진 기판 위에 튀어나온 target 물질이 증착되는 것을 말한다. 3. Photolithography 공정 (현상공정) Photolithography 공정은 어떤 특정한 화학약품(Photo resist)이 빛을 받으면 화학반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용하여, 얻고자 하는 pattern의 mask를 사용하여 빛을 선택적으로 PR에 조사함으로써 mask의 pattern과 동일한 pattern을 형성시키는 공정이다. Photolithography 공정은 일반사진의 film에 해당하는 photo resist를 도포하는 PR 도포공정, mask를 이용하여 선택적으로 빛을 조사하는 노광공정, 다음에 현상액을 이용하여 빛을 받은 부분의 PR을 제거하여 pattern을 형성시키는 현상공정으로 구성된다. Photolithography 공정은 모든 공정 step이 각종 particle에 대해 매우 취약하고, 이로 인한 pattern 불량이 전체 panel의 불량을 유발하므로, 청정한 환경과 재료 및 장비의 관리가 보다 중요한 공정이며, 향후 TFT 제작공정의 고정밀, 대면적화에 따라서 그 중요성이 더욱 커지는 공정이다. 4. Dry etch 공정 (식각공정) 진공과 gas, RF power의 3조건하에서 형성되는 gas plasma로부터 만들어진 원자나 자유기(Radical)와 같은 반응성 물질과 기판에 증착된 물질이 반응하여 휘발성 물질로 변하는 현상을 이용한 식각방법이다. 이 방법은 반응속도가 빠르고 미세 형상을 식각할 수 있으며, 진공 chamber 내에서 반응이 이루어지므로 안전상 유리하다.

Cell 공정 흐름도를 모식적으로 나타내면 아래와 같다. TFT 하판과 Color filter가 형성된 상판에 배향막을 형성하고, 배향막에 액정이 잘 정렬할 수 있도록 배향을 한 후, spacer를 산포하고 Seal 인쇄를 하여 합착한다. 합착 후에 모세관 현상을 이용하여 액정을 내부에 주입한 후, 주입구를 봉지함으로써 LCD 공정은 마무리가 된다. 1. 배향막 도포 상하판의 Pixel부에 배향막을 얇고 균일하게 도포하는 공정으로, Drum 위에 polyimide를 얇고 균일하게 도포하고, 도포된 polyimide가 미리 Pattern된 고무판에 인쇄되어 이것이 상판 C/F 또는 하판 TFT array에 도포된다. 도포된 이후 경화로에서 polyimide를 경화시킨다 2. Rubbing 액정이 일정한 방향으로 배향되도록 하기 위하여 경화된 polyimide에 일정한 방향으로 직홈을 만드는 공정으로, 회전하는 Drum에 부착된 rubbing포로 panel을 일정한 방향으로 문질러서 일정한 방향의 홈이 만들어 지도록 한다. 3. Spacer 산포 상판과 하판을 합착시킬 때 일정한 Cell gap을 확보하기 위하여 spacer를 균일하게 뿌려주는 공정으로, spacer를 적정농도로 용액속에 혼합한 후 펌프를 통해 분사 노즐로 수송하여 노즐에서 고압으로 기판에 분사시킨다. 이 때 용액은 열건조를 통해 휘발시키며, 화면의 크기 등에 따라 100~200개/㎠의 밀도가 되도록 조절한다. Spacer은 공모양으로 직경은 4~5㎛의 크기에서 결정된다. 4. 액정주입 상판과 하판을 합착한 후 모세관 현상과 압력차를 이용해서 상판과 하판 사이에 액정을 주입하는 공정으로, 진공배기계, 진공chamber, 상하 이동장치, 액정을 담그는 Jig 및 N₂purge계로 구성되어 있다. 진공 배기를 통해 Cell gap 내를 1/1000 Torr 정도의 진공상태로 유지하면, 모세관 현상에 의해 액정이 Cell 내부로 빨려 올라간다. 약 80%정도 채워졌을 때, 서서히 N₂를 진공 chamber 내로 purge하면 Cell 내부와 주위와의 압력차가 발생하여 액정이 Cell 내부의 빈 공간을 채우게 된다.

Module 공정은 최종적으로 사용자에게 전해지는 제품 품질을 결정하는 단계이다. 완성된 panel에 편광판을 부착하고 Driver-IC를 실장한 후 PCB(Printed Circuit Board)를 조립하여 최종적으로 Backlight unit과 기구물을 조립함으로써 Module은 완성된다.