LCD 제조 공정 및 원리에 대하여...

1. LCD란...

LCD(Liquid Crystal Display)란
액체와 고체의 중간 특성을 가진 액정의 상태 변화를 이용해 정보를 표시하는 장치입니다.
원래 액정은 온도 변화에 따라 상태가 바뀌는 특성에 의해 발견되었고,
LCD에서의 액정은 그 외의 전기에 의해 발생하는 전기장의 변화에 따라
배열 상태가 바뀌는 특성을 이용한 것입니다.
액정 아래에 숫자나 글자 모양으로 전극을 만들고 전기를 흘리면
전극 위에 있는 액정의 분자 배열 상태가 변하면서
그 부분만 색이 바뀌어 숫자나 글자가 표시되는 것입니다.

액정을 처음 발견한 사람은 오스트리아의 라인니쳐(F. Reinitzer)라는 생물학자입니다.
1988년 그는 콜레스테롤과 관련된 유기 물질이 녹는 과정을 관찰하던 중
두 단계로 변화하는 것을 발견했습니다.
고체 상태인 물질에 열을 가했더니 145.5℃가 되었을 때 탁한 액체 상태로 변화하고,
178.5℃가 되었을 때 맑은 액체 상태로 변화했는데, 이것이 바로 액정의 발견입니다.
레인니쳐는 이 사실을 독일의 물리학자인 레만(O. Lehmann)에게 알렸으며,
레만은 많은 실험과 연구 끝에 이 혼탁한 액체가 다른 액체와는 달리 고체와 같이
다소 규칙적인 분자 배열(결정)을 갖는다는 것을 알게 되었습니다.
레만은 액체처럼 흐르는 성질을 가지면서 고체와 같은 결정 구조를 갖는다는 의미로
이 물질을 ‘액정(Liquid Crystal)'이라 이름을 짓게 되었습니다.

2.TTF-LCD의 역사.

우리가 흔히 모니터라고 부르는 표시 장치에 사용하는 CRT는
1887년 브라운이 전자관(음극선관, 브라운관)을 발명하면서 시작되었으며,
LCD는 이보다 1년 늦은 1888년 오스트리아의 라인니쳐에 의해 액정이 발견되면서 시작되었습니다.
즉 CRT나 LCD는 그 출발 시점이 거의 비슷했습니다.
1934년 영국의 쉔베르크가 CRT를 이용하여 진공관 TV를 발명한 것에 반해
액정은 1968년에 이르러서야 미국 RCA사에 의해 비로소 표시 장치에 응용되었습니다.
비록 제품으로 이용되기까지 오랜 시간이 걸렸지만,
1973년 전자 계산기와 전자 시계의 주요 표시 장치로 각광을 받기 시작하면서 꾸준히 발전을 거듭해
1986년에는 STN-LCD와 소형 TFT-LCD가 실용화되는 단계에 이르게 되었습니다.
10인치 TFT-LCD의 양산화가 실현된 1990년대에 이르러서는
노트북 PC의 대표적인 표시 장치로 자리를 잡았고,
현재는 CRT를 대체할 차세대 표시 장치로 자리 매김하며,
컴퓨터 모니터, 디지털 TV, 핸드폰 등에 폭넓게 활용되고 있습니다.


3.TTF-LCD의 구조

LCD Panel : Backlight Unit에서 입사된 백색평면광을
구동 회로 Unt로부터 입력된 개개 화소의 신호전압에 따라 화소에
투과되는 빛을 제어하여 Color영상을 표현하는 역할

Glass Substrate	LCD의 투명기판으로 낮은 표면 거칠기를 갖는 non-alkaline glass로0.05㎛보다 작은 peak-to-valley distortion을 갖는다(TFT Array, Color Filter기판)
Liquid Crystal Layer	액정층의 두께는 보통 4㎛정도이며, Twisted Nematic배열을 하고있다.
Black Matrix	Color Filter의 Pixel 사이에 형성되는 빛 차광막
Color Filter	세가지 기본색 (적,녹,청)의 염료나 안료를 포함하는 수지 Film
Alignment Film	이막은 Polymide로 구성된 얇은 유기막으로 액정을 배향하기 위하여 형성된다.
Polarize Film	편광된 빛의 특정 성분을 투과 또는 흡수한다.
Spacer	Spacer는 LCD패널의 액정층 두께를 이정하게 유지하기 위하여설계된 Silica 혹은 염료 알갱이로 구성된다.
Common Bectrode	이것은 투명한 전기 전도체인 ITO로 만들어진 전극으로 액정 Cell에 전압을 인가한다.

4.TFT-LCD의 동작원리

LCD는 편광 필터 사이를 채우고 있는 액정층의 분자 배열 상태를 전기로 조절하여
통과되는 빛의 양을 조작하는 원리로 정보를 표시하는 것입니다.

LCD는 2개의 편광 필터 사이에 액정으로 채운 형태로 구성되어 있습니다.
액정은 아래쪽에서 위쪽으로 내려갈수록 점점 틀어진 상태로 배열이 되며,
맨 위쪽과 맨 아래쪽 액정의 분자 배열 상태는 서로 90˚ 틀어진 상태가 됩니다.
액정에 전기를 흐르게 하면 각 층을 이루는 모든 액정 분자의 배열 상태가 같아지므로
아래쪽 편광 필터를 통해 들어온 빛이 그대로 액정을 통과하기 때문에
위쪽 편광 필터를 통과할 수 없게 됩니다.
이러한 상태에서는 아래쪽 편광 필터를 통해 들어온 빛이 액정의 분자 배열 상태를 따라가면서
90˚ 까지 휘기 때문에 편광 필터를 통과할 수 있게 됩니다.
이렇게 통과된 빛이 전달되여 우리가 보는 LCD의 화면을 구성하게 되는 것입니다.



5.TFT-LCD제조공정

TFT-LCD제조공정은
TFT-어레이 공정, 컬러필터 공정, 액정공정, 모듈공정으로 구분할 수 있습니다.

6.TFT-어레이공정

기본적인 전극을 형성하는 공정이다.
가장 기본이 되면서도 핵심적인 공정으로 각 셀의 전극을 만들어 주게 된다. 순서는 다음과 같다.
1) 게이트 전극 생성
2) 절연막 및 반도체막 생성
3) 데이터 전극 생성
4) 보호막 생성
5) 화소 전극 생성
의 5단계를 거치지만 각 단계마다 1회 이상의 패턴 공정이 필요하다.

이 패턴 공정이야 말로 TFT-LCD 패널공정의 핵심이라고도 부를 수 있는 공정으로
TFT 공정뿐만 아니라 CF 공정에도 유사한 패턴 공정이 필요하다.

패턴공정
패턴 공정은 그 하나만으로도 정밀하고 복잡한 공정이다.
1장의 TFT-LCD 패널을 만들기 위해서 적어도 이 공정을 여러 번 거치게 된다.

물론 그때 그때 동일한 증착 재료와 공법을 사용하는 것은 아니지만 개략적인 공정은 비슷하다.

증착
증착은 기본적인 글라스위에 최종 산출물
(예를 들어 금속 전극일 경우는 금속을, 반도체일 경우는 반도체, 절연막일 경우는 절연체 등)을
글라스 위에 얇게 도포하는 공정을 말한다.
특히 금속 재료일경우는 Sputtering 방식을 이용하고,
반도체나 절연막의 경우는 PECVD 방식을 이용한다.

세정
증착이 끝난 글라스위의 이물질을 제거 하기 위한 공정이다.
감광물질(Photo Registor, 이하 PR) 코팅
세정이 끝난 글라스 위에 감광물질(Photo Registor)로 된 막을 형성한다.
이때 형성된 막은 자외선에 민감하게 반응하는 감광물질을 사용한다.

노광
PR 코팅이 끝난 글라스에 원하는 마스크 패턴을 띄워 자외선을 쪼이게 된다.

현상
노광한 글라스를 현상하게 되면 마스크 패턴으로 인해 자외선을 받은 부분은 약해지고,
받지 않은 부분은 PR 코팅 상태를 유지하게 되어 자외선에 노출된 부분만 제거가 가능하다.

식각(Etching 공정)
PR에 의해 가려진 부분(즉 노광 공정에서 자외선을 받지 않은 부분)을 제외한 증착막을 제거 한다.
금속막의 경우는 용제를 사용하는 습식 식각(Wet Etching),
반도체와 절연체는 플라즈마를 이용하는 건식 식각(Dry Etching)을 이용한다.

PR 박리(Strip 공정)
남은 PR을 용제를 이용하여 제거한다.

검사
공정 완료후 이상 유무를 확인 한다.

패턴공정 모식도
패턴 공정은 우리가 어릴적 갖고 놀던 청사진과 미술시간에 배웠던 동판화와 비슷한 원리이다.
일단 글라스 표면 전체에 막을 형성시킨 후,
청사진과 같은 원리로 원하는 패턴을 자외선과 감광물질을 이용해 인쇄를 하고
그 후 동판화처럼 필요 없는 부분을 없애는 과정이다.
위에서 설명한 TFT 공정에서만 5번 이상의 패턴 공정이 필요하다.

 7. 컬러필터공정

TFT-LCD는 PDP나 OLED(유기 EL)처럼 각 셀이 스스로 발광하는 것이 아니라
백라이트에서 나오는 일정한 빛을 각 셀에 있는 액정의 배열을 조절하여 빛의 밝기를 조절한다.
백라이트 자체는 백색광이므로 액정 배열을 변화 시켜 빛의 양을 조절 하지만 색을 구현하기 위한
R, G, B로 만들기 위해서 CF가 중요한 역할을 하게 된다.
이러한 CF는 TFT-LCD패널의 상판에 위치하며 TFT 공정과는 별도의 공정을 통해 만들어 진다.
CF공정에서도 앞서 설명했던 패턴 공정이 필요하다.

BM(Black Matrix) 공정
글라스 위에 블랙 매트릭스 패턴을 형성하는 공정으로
증착 ->세정 ->PR 코팅 ->노광 ->현상 ->식각 -> 박리 순의 패턴 공정이 필요하다.

화소별 공정
TFT-LCD는 Red, Green, Blue의 3가지 셀을 갖으므로 각 셀을 생성하기 위해
셀별로 별도의 패턴 공정이 필요하다.
이 패턴 공정은 앞서 했던 2가지 공정과는 약간 다른 공정으로
증착, 세정 과정이 필요 없이 컬러를 갖는 감광 물질을 도포하여 노광, 현상의 공정을 거치면 된다.

 

ITO 공정
ITO(Indum Tin Oxide,투과성과 도전성이 좋으며 화학적, 열적 안정성이 우수한 투명 전극 재료)를
BM공정처럼 패턴 공정을 통해 생성한다.
이 외에도 패널의 타입(VA, IPS, TN 등등)에 따라 몇 가지 공정이 더 추가 되기도 한다.

 8. 액정공정
셀(Cell) 공정은 CF 공정과 TFT 공정에서 만들어진 2개의 글라스를 하나로 합치고 절단하는 공정이다.

CF, TFT 세정
만들어진 CF, TFT 글라스 위의 이물질을 제거한다.

배향막(Polyimide) 인쇄
기판위에 필요한 부분에만 배향막을 도포 한다.
도포하는 방법은 Spining, Dipping, Roller coating 방법 등이 있는데
주로 Roller coating 방법을 사용한다.

Rubbing 공정
배향막 위를 일정한 힘과 속도, 방향으로 천(Rubbing cloth)으로 문질러 주면 골이 생겨,
액정이 배향될 수 있게 만드는 공정이다.
또한, LCD의 사용 용도에 맞게 LCD의 시각 방향도 Rubbing 공정에서 결정하게 된다.

Spacer 산포
TFT 기판과 CF 기판 사이에 일정한 간격을 유지하기 위해 Spacer를 산포한다.
산포 방법은 건식 및 습식방법으로 크게 나누는데 산포도는 습식(Freon + Spacer)이 우수하지만
환경문제로 인하여 건식 방법을 주로 사용한다.
건식은 여러 가지 방법이 있지만 정전 산포 방법이 많이 사용 되어지고 있다.

합착
TFT 기판과 CF 기판을 정밀하게 합착시킨다.
이때 위치가 조금이라도 어긋나게 되면 불량이 되므로 고도의 정밀을 요하는 공정이다.
더군다나 글라스의 크기가 5,6,7세대로 넘어가면서 그 크기가 커지면서
더 어려운 공정이 되기도 하였다.

절단
합착된 기판을 절단하여 각각의 패널로 분리한다.

액정 주입
내부에 액정을 주입하고 주입구를 봉한다.

최종 검사
화상 신호를 인가하여 불량 검사를 실시한다.
Cell공정을 거치게 되면 실제 사용되는 패널 크기 수준으로 만들어지게 되고,
이후 모듈 공정으로 넘어가게 된다.
최근에는 Spacer를 Cell 공정이 아닌 CF 공정에서 만드는 기술을 도입하려고 하는 움직임이 있다.

 9. 모듈공정
완제품 패널을 만들기 위한 마지막 공정으로 Cell 공정으로 만들어진 패널에
편광판과 PCB, 백라이트유닛등을 부착하는 최종 단계이다.

 세정
세정 공정은 매우 중요한 공정으로 서브 픽셀의 크기가 0.1mm 정도인것을 감안하면
작은 먼지에 의해서도 불량 화소와 같은 불량을 야기 시키므로 중요한 공정이다.

편광판 부착
패널의 상, 하단에 편광판을 부착한다.
편광판은 여러 방향으로 진동하면서 입사되는 빛을 한쪽 방향으로만 진동하는 빛
(즉 편광)이 되도록 하는 기능을 가지고 있는 것으로
상, 하단의 편광판은 보통 90도로 교차되어 있다.

TAB 부착
PCB 회로를 연결하기 위한 TAB을 부착한다.

탈포(Autoclave)
고온 고압의 탈포공정을 거쳐, 밀착성을 높인다.

PCB 부착
만들어진 TAB에 PCB기판을 연결한다.

BLU(Back Light Unit) 조립
만들어진 기판과 BLU를 조립한다.

 10. LCD제품군

<출처:밍그라빠님의 디스플레이포털>