[디스플레이 이론 정리 I] 디스플레이 기술의 기원 / 픽셀과 해상도 / TFT

최근 1~2주간 디스플레이 공부를 지속적으로 하고 있다.

삼성디스플레이(이하 SDC)에서 발간해준 '디스플레이 톺아보기'를 시작으로 증권사 산업 리포트, 장비 chain 사업보고서, 소재 chain 사업보고서를 조금씩 읽어나가는 중이다.
아직 디스플레이에 산업 전반에 대한 나의 생각을 갖기도 어려운 레벨이고 읽을게 한~~참 남았다.
그래도 우선은 테크니컬한 이론에 대해서는 상당 부분 습득했으니, 이론부터 블로그에 조금씩 정리해보려고 한다.

이번 포스트에서는 디스플레이 톺아보기에서의 '디스플레이 기술의 기원 / 픽셀과 해상도 / TFT'에 대한 정리 포스트이다.

디스플레이 기술의 기원

• 디스플레이 : 전자공학에서 뜻하는 디스플레이는 '표시장치'라는 뜻으로서 각종 전자기기의 다양한 정보를 전달하는 출력장치를 의미
• 전자 디스플레이의 탄생 : 음극선관(브라운관)
• 음극선관은 해상도, 색 표시능력, 빠른 응답속도와 낮은 가격 등의 뛰어난 장점에도 불구하고, 부피가 크고 무겁다는 단점 때문에 2000년대에 접어들어 평판디스플레이(FPD, Flat Panel Display)에 시장을 내어주게 된다.

대표적인 평판 디스플레이로는 크게 LCD, PDP, OLED 3가지를 꼽을 수 있다.

LCD

LCD(Liquid Crystal Display)는 '액정'을 핵심 소재로 한 평판 디스플레이이다. 액정은 액체와 고체의 성질을 함께 가지고 있다.

패널 뒷면에서 백색의 빛을 비추는 BLU(Back Light Unit)이 필요하고 컬러필터(Color Filter)를 통해 색을 구현하게 된다.

PDP

PDP는 평판 디스플레이지만 CRT에 버금가는 뛰어난 밝기와 빠른 응답속도, 광시야각, 대형화면 제작의 유리한 장점을 통해 특히 디지털 TV 방송 개시 시점에 큰 인기를 얻었으나, 열이 많이 발생하고 전력소비가 커 LCD와의 기술 경쟁에서 뒤쳐지며 생산이 중단되는 운명을 맞이했다.

OLED(Organic Light Emitting Diode)

유기 발광 다이오드는 전류를 가하면 자체 발광하는 디스플레이이다.

LED

현재 각종 조명이나 광원으로 널리 사용되고 있으며, 기존 전구들에 비해 전력소모가 상당히 낮았고, 소자의 수명은 반대로 훨씬 길었기 때문에 각종 조명들을 대체하고 있으며, 자동차나 전자기기 등에 없어서는 안될 부품으로 자리잡았다.

말 그대로 다이오드의 일종으로 '양전극 단자에 전압을 걸면 전류가 한 방향으로만 흐르는 이른바 정류작용을 하는 소자'이다.

LED로 디스플레이를 구현하는 가장 일반적인 방법은 LED를 한 개의 픽셀 하나로 매칭하는 방식을 통해, 수백만개의 LED 소자를 집약한 형태로 구성하는 것이다.

마이크로 LED란, LED 소자 크기를 5~10 um 수준으로 줄인 초소형 LED를 말한다. LED 소자 자체를 픽셀로 활용할 수 있기 때문에 상용화가 된다면 휘어질 수 있고 전력소모도 무척 낮은 제품을 만들 수 있을 것으로 기대된다.

픽셀과 해상도

깨끗하고 선명한 이미지를 감상하기 위해서 '화질'은 매우 중요한데, 고화질 이미지 표현을 가능케 하는 주요 요소 중 하나가 바로 '해상도'이다.

• 픽셀 : Picture(그림) 과 Element (원소) 를 줄인말로 '화소'라고도 부르며, 컴퓨터, TV, 모바일 기기 화면의 이미지를 구성하는 최소 단위이다.

디스플레이의 각 픽셀들은 색(Color)과 계조(Grayscale) 값을 표현하기 위해 더 작은 단위의 '서브픽셀'로 구성되어 있다. 이 서브픽셀은 우리 눈에서 서로 다른 점으로 인지하지 않고 하나의 점으로 인식하며 R G B 각각의 서브픽셀들이 나타내는 빛의 조합을 통해 색을 표현한다.

이 서브픽셀에서 통과하는 빛의 양에 따라 계조 표시가 가능하여 표현 가능한 색의 수가 다양해진다. 각 픽셀이 전달받은 신호값에 따라 색을 표현하고 이미지를 형상화 할 수 있는 것이다.

• 해상도 : 한 화면에 '픽셀'이 몇 개나 포함되는지를 의미

640 * 480 이란 뜻은 가로에 픽셀이 640개 세로에 480개 그러니까 총 30만개 정도의 픽셀이 들어 있다는 뜻이다. HD보다 2배 이상의 화질을 구현하는 1920 * 1080 해상도(FHD)는 최근 몇년간 가장 많이 적용되었다.

또한 해상도만큼 중요한 것이 동일한 면적에 얼마나 많은 픽셀이 포함되느냐 이다. 이것이 곧 선명도의 중요한 척도가 된다. 이는 PPI(Pixels Per Inch)로 확인이 가능하다 PPI는 1인치 안에 들어 있는 픽셀 수를 의미한다. PPI가 높을 수록 표현할 수 있는 픽셀 수가 많아지고 더 세밀한 이미지 표현이 가능해진다. 해상도가 같더라도 면적이 더 작다면 디스플레이의 이미지가 더 선명하고 세밀하게 보인다.

TFT

QOLED와 LCD에서 화면을 조화롭게 표현하기 위해 (즉 픽셀을 조절하는데 꼭 필요한) TFT(Thin Film Transistor, 박막 트랜지스터) 라는 것이 존재한다.

트랜지스터란 일종의 '스위치'로 각 픽셀의 빛을 조절하는 것이 바로 TFT의 역할이다.

서브픽셀의 밝기를 조절해 한 가지 색을 표현해야 하는데, 이때 TFT는 서브 픽셀에 붙어 밝기를 조절하게 된다.

TFT는 스위치의 역할이므로, TFT에서 출발해 OLED의 경우에는 유기물층(EML), LCD의 경우에는 액정까지 전기 신호가 원하는 만큼 전달되어야 한다.

TFT의 구조는 유리 기판 또는 PI 기판 위에 전류가 흐를 수 있는 Active 층을 형성하고 그 Active 층을 구동하기 위해 Gate, Source, Drain을 형성한다.

Gate에 전압을 가해주면, Source와 Drain 전극 사이에 Hole(정공)들이 모이게 되면서, 채널(Channel)이 형성되고 Source에서 Drain으로 전류가 흐르게 된다. 이렇게 흐른 전류가 각 서브 픽셀에 전달되면서 각 전류량에 따라 서브 픽셀이 각각의 밝기로 구동하게 되는 것이다.

• PI (폴리 이미드) : 얇은 플라스틱 비닐과 비슷한 특성을 가지고 있어 구부리거나 접는 등 플렉시블 디스플레이 구현에 적합한 기판 소재이다.

TFT는 재료의 특성에 따라 3가지로 구분된다.

• a-Si (Amorphous Silicon, 아모퍼스 실리콘, 비정질 실리콘)
  • 공정이 복잡하지 않고 수율도 높아 초기 LcD에 사용, 낮은 전자 이동속도가 단점
• LTPS (Low-Temperature Polycrystalline Silicon, 저온 다결정 실리콘)
  • 전자 이동속도가 a-Si보다 100배 정도 빠르지만, 특수 레이저 공정이 필요해 제조 단가가 크게 상승. 중소형 고해상도 LCD나 OLED 제작에 주로 활용
  • 현재 고해상도 스마트폰 디스플레이는 대부분 LTPS가 필수적으로 사용되고 있다.
• Oxide (산화물)
  • a-Si보다는 빠르고 LTPS보다는 느린 것이 특징. 공정 프로세스도 a-Si와 비슷하여 기존 설비를 활용할 수 있는 것도 장점

TFT는 전류가 잘 흐를수록, 즉 전자의 이동성이 높을수록 효율이 좋다. 전자의 이동이 빠르면 고속 동작 회로가 가능하고, 단시간 내에 원하는 전류량을 줄 수 있어 트랜지스터의 크기를 작게 만들 수 있으므로, 고해상도 디스플레이 패널을 만들기 수월하다.

LTPS

TFT 공정은 3차원 미세 공정과 같아 로봇 팔이나 미세 프린터를 활용하기는 어렵다.

미세한 TFT를 제작하기 위해서는 Glass 또는 PI 기판 위에 TFT 구성에 필요한 층을 쌓고 깎고 다시 층을 쌓고 깍고를 반복해 구성하게 되는데, 이 물질 위에 빛을 이용하여 원하는 형태를 패턴화 하게 된다. (빛을 이용하여 패턴화 하는 방식 : Photo Patterning, 포토 패터닝)

증착(Deposition 층을 쌓는 과정)은 물질의 종류에 따라 물리적인 방법 (PVD, Physical Vapor Deposition) 또는 화학적인 방법 (CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 나뉜다.

식각(etching)은 방식에 따라 가스, 플라즈마, 이온 빔 등을 이용하여 dry etching과 화학약품을 사용하는 wet etching이 존재한다.

증착과 식각 사이에는 패턴 작업이 있는데 패턴 작업은 노광(exposure)과 현상(development)로 나뉜다. 패턴 작업은 증착한 물질을 식각할때 필요한 부분을 남기고 불필요한 부분을 제거하기 위함이다.

LTPS 공정을 전체적으로 살펴보자

1. 기판(substrate)을 바닥에 배치하고 깨끗하게 처리한다.
   • 디스플레이는 미세 공정을 거쳐 만들어지기 때문에 아주 작은 먼지도 치명적이다
2. Buffer 층을 깔아준다
   • Glass 내부 불순물들이 후속 열처리 과정에서 Active 층 내부로 이도아는 것을 막기 위함
3. a-Si를 증착한다
4. 레이저를 이용해 ELA(Excimer Laser Annealing)을 거쳐 a-Si을 Poly-Si로 변화시킨다.
5. PR(Photo Resistor : 빛이 닿는 부분과 닿지 않는 부분이 서로 다르게 반응하는 물질) 이라는 물질을 고르게 도포한다
6. (노광) 원하는 패턴의 모양이 그려진 Mask를 PR 위에 가까이 댄 후 빛을 쏘아 빛을 받는 부위의 PR을 단단하게 만든다.
7. (현상) 현상액에 의해 노광과정에서 Mask에 가려 빛을 받지 못한 PR은 녹아 내린다.
8. 이제 원하는 패턴만이 PR에 남게되지만 여전히 물질은 기판 전체에 모두 도포되어 있다. (녹아서 도포되어 있음)
9. 이제 식각 과정을 거쳐 PR이 덮여 있지 않은 부분의 이물질을 모두 제거한다.
10. 이렇게 Active 층이 형성되면, 그 위에 Gate Insulator (Gate 절연층)을 증착한다.
11. 절연층 위에 PVD 방식인 Sputter를 이용해 Gate를 증착하고 다시 포토공정(5번 ~ 9번)을 거쳐 원하는 부분의 Gate Metal만을 남긴다.
12. Gate 구성이 완료되면 이온 도핑을 통해 Source와 Drain을 만든다
13. 그 후 다시 절연층을 깔고, 식각을 통해 Contact Hole(연결 구멍)을 만들고 그 위에 Sputter를 이용해 Source와 Drain 전극을 증착한다.
14. 다시 Source와 Drain 전극 위에 절연층을 올리는데 나중에 이 층 위에 픽셀층을 구성하게 된다.
15. 이 픽셀층을 평평하게 하기 위해 유기 절연물(Via)을 코팅하여 픽셀 하부를 평탄하게 만든다
16. 유기 절연층이 형성되면 포토공정만으로 Via에 Contact Hole을 만들어주고 OLED의 핵심층인 EL을 구동시키기 위한 Anode 전극을 증착한다.
17. 마지막으로 R G B 픽셀들을 구분하기 위한 PDL(Pixcel Defining Layer)층을 만들고 눌림 방지를 위한 Spacer를 구성하면 마무리 된다.