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LCD란 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는 액정의 전기·광학적 성질을 표시장치에 응용한 것이다. 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖은 것으로, 이 분자배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 표시소자로 만든 것이 액정디스플레이(LCD)이다.

LCD는 자체발광을 이용한 Display 장치가 아니라 외부의 빛을 이용하는 Passive Type의 Display 이다. 이는 구동방식에 따라 Passive Matrix, Active Matrix로 나뉠수 있다.
Passive Matrix
Common 전극과 Data 전극을 XY형태로 배치하고 그 교차 부분에 순차적으로 신호를 가하여 Display 하는 방식이다. TN, STN LCD가 여기에 속하며, 표시량이 많은 용도에 STN, 시계, 계산기 등 표시량이 간단한 용도에 TN이 사용된다.
Active Matrix
각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다. 독립적으로화소를 제어하기 때문에 라인간섭에 의한 Crosstalk이 없고 화질이 깨끗하게 표시된다. 현재 모니터, 노트북 PC에 사용되는 대부분의 것이 이방식에 속한다.
LCD Panel에 전압이 가해지면 액정분자가 전계방향으로 향하게 된다. 입력된 빛은 후면 Polarizer에 의해 흡수되고, 전압이 가해지지 않으면 빛은 액정배열을 따라 통과하게 된다. 이러한 동작을 선택적으로 행하면서 원하는 패턴을 디스플레이 하게 된다. 이때 빛은 후면 Polarizer에 따라 투과가 되기도 하고 반사가 되기도 한다. LCD의 용도에 따라 후면 Polarizer를 반사형으로 사용하기도 한다.
STN LCD 구조
LCD의 구조는 유리기판 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 위상차판을 양 Glass 기판에 올린 상태로 되어있다. 여기서 LC의 방향성을 주기위해 비틀림 각을 만들게 된다. LCD는 이 비틀림각의 차이에 따라 TN(90°), STN(160∼240°)으로 분류된다.
TN, STN LCD의 비교
TFT-LCD
TFT-LCD는 크게 TFT가 형성되어 있는 아래 유리기판, Color Filter가 형성되어 있는 윗 유리기판, 그리고 그 사이에 주입된 액정(Liquid Crystal)로 구성되어 있다. TFT는 전기적 신호를 전달, 제어하는 역할을 하며, 액정은 인가된 전압에 따라 분자구조를 달리하여 빛의 투과를 제어한다. 그렇게 제어된 빛은 Color Filter를 통과하면서 원하는 색과 영상으로 나타나게 된다.
TFT-LCD는 브라운관 방식에 비해 소비전력이 낮고, 경량박형이 가능하며, 유해 전자파를 방출하지 않는 차세대 첨단 디지털 디스플레이 소자이다.
TFT-LCD 제조공정은 크게 TFT공정, CELL공정, MODULE공정 세 부분으로 나뉜다.
STEP 01. TFT 공정
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.
01. 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.
02. 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.
03. 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.
04. 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.
STEP 02. CELL 공정
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.
01. 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
02. 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.
03. 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.
04. 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.
STEP 03. MODULE 공정
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.