알고 보면 현대인들이 물이나 공기만큼 자주 접하는 반도체. 우리 삶과 밀접하게 연결되어 있는 반도체가 어떻게 만들어지는지 알아보는 8대 공정 시간입니다. 지난 시간에는 그 첫 이야기로 웨이퍼(Wafer)의 제조에 대해 알아봤는데요.

이번에는 반도체 8대 공정의 두 번째 시간, 산화공정(Oxidation)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

웨이퍼의 보호막과 절연막 역할을 하는 '산화막(SiO₂)'

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳(Ingot)이라고 불리는 실리콘 기둥을 만듭니다. 이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만드는데요.

이렇게 만들어진 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 '반도체'의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요한데요. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 일이 반복되죠.

이 모든 공정의 가장 기초적인 단계가 산화공정입니다. 산화공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서 입니다. 산화막은 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할도 합니다.

즉, 산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 하는 건데요. 미세한 공정을 다루는 반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문입니다.

그렇다면 이렇게 든든한 보호막 역할을 하는 산화막은 어떻게 형성되는 것일까요? 

웨이퍼는 대기 중 혹은 화학물질 내에서 산소에 노출되면 산화막을 형성하게 되는데요. 이는 철(Fe)이 대기에 노출되면 산화되어 녹이 스는 것과 같은 이치입니다.

웨이퍼에 막을 입히는 산화공정의 방법에는 열을 통한 열산화(Thermal Oxidation), 플라즈마 보강 화학적 기상 증착(PECVD), 전기 화학적 양극 처리 등 여러 종류가 있습니다. 그 중 가장 보편적인 방법은 800~1,200℃의 고온에서 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시키는 열산화 방법입니다.

열산화 방법은 산화반응에 사용되는 기체에 따라 건식산화(Dry Oxidation)와 습식산화(Wet Oxidation)로 나뉘는데요. 건식산화는 순수한 산소(O₂)만을 이용하기 때문에 산화막 성장속도가 느려 주로 얇은 막을 형성할 때 쓰이며, 전기적 특성이 좋은 산화물을 만들 수 있습니다. 습식 산화는 산소(O₂)와 함께 용해도가 큰 수증기(H₂O)를 함께 사용하기 때문에 산화막 성장속도가 빠르고 보다 두꺼운 막을 형성할 수 있지만, 건식 산화에 비해 산화층의 밀도가 낮습니다. 보통 동일한 온도와 시간에서 습식산화를 통해 얻어진 산화막은 건식산화를 사용한 것보다 약 5~10배 정도 더 두껍습니다.

지금까지 웨이퍼의 표면을 보호해주는 산화막의 형성 과정과 그 역할에 대해 알아보았는데요. 다음 시간에는 산화막이 형성된 반도체 위에 어떻게 반도체 설계 회로를 그려 넣는지에 대해 소개할 예정이니 많은 기대 바랍니다.

반도체 없이 24시간을 생활할 수 있을까요? 휴대전화, 노트북은 물론 자동차, 텔레비전, 신용카드 등 우리 생활의 많은 부분에 반도체가 있기 때문에 생각보다 쉽지 않을 텐데요. 그렇다면 우리 삶과 밀접하게 연결돼 있는 반도체는 어떻게 만들어지는 걸까요?

반도체에 관심이 있는 분이라면 ‘반도체 8대 공정’이라는 말을 많이 들어 봤을 겁니다. 반도체 8대 공정이란 말 그대로 반도체가 완성되기까지 거치는 수백 번의 과정을 크게 8개의 공정으로 구분한 것인데요.

삼성반도체이야기에서는 블로그 리뉴얼을 맞아 채널 최고 인기 콘텐츠인 ‘반도체 8대 공정’에 대해 다시 한번 다루고자 합니다. 오늘은 8단계의 공정 중 첫 번째인 ‘웨이퍼(Wafer) 제조’에 대해 알아볼 텐데요. 반도체 집적회로의 핵심 재료인 웨이퍼란 무엇인지, 웨이퍼를 만드는 단계부터 차근차근 확인해 보겠습니다.

▶ 웨이퍼 제조에 필요한 재료

웨이퍼를 알아보기에 앞서 한가지 질문! 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated circuit)와 웨이퍼는 어떤 관계일까요? 반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품을 말합니다. 웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생되는 만큼, 웨이퍼는 반도체의 기반인 셈이죠. 피자를 만들 때 토핑을 올리기 전, 도우를 만들듯이 말입니다.

웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미하는데요. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다.

반도체 산업을 기반으로 성장해 전 세계 소프트웨어 산업의 중심지가 된 미국 실리콘밸리(Silicon Valley)의 경우 반도체 재료 ‘실리콘(Silicon)’과 산타클라라 인근 ‘계곡(Valley)’에서 만들어진 지명이라고 하는데요. 실리콘밸리와 연결 지어 생각하면 반도체 웨이퍼 재료 실리콘도 기억하기 쉽겠죠? 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하고 있어 안정적인 재료 수급이 가능하고, 독성이 없어 환경적으로도 우수하다는 장점을 가지고 있습니다. 그럼 본격적으로 웨이퍼 제조공정에 대해 알아볼까요?

1단계. 잉곳(Ingot) 만들기

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 건데요. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용합니다.

2단계. 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기(Wafer Slicing)

둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 되는데요. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.

3단계. 웨이퍼 표면 연마(Lapping&Polishing) 하기

절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 되는데요. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.

가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 합니다. 여기에 여러 단계의 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습이 되는데요. IC칩까지 완성된 웨이퍼 각각의 명칭을 알아볼까요?

① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미합니다.

② 다이(Die): 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형들이 밀집돼 있는데요. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩인데, 이것을 다이라고 합니다.

③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 맨눈으로는 다이들이 서로 붙어있는 듯 보이지만, 사실 다이와 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있습니다. 이 간격을 스크라이브 라인이라고 합니다. 다이와 다이 사이에 스크라이브 라인을 두는 이유는, 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한 개씩 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서인데요. 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것이죠.

④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 됩니다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단합니다.

⑤ 노치(Notch): 최근에는 플랫존 대신 노치가 있는 웨이퍼도 있습니다. 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높습니다.

반도체 사업에는 웨이퍼를 생산하는 웨이퍼 산업과 웨이퍼를 자재로 해 회로를 설계하고 제조하는 웨이퍼 가공산업인 팹(FAB, Fabrication) 산업이 있습니다. 또한, 가공된 웨이퍼를 가져다가 다이를 잘라서 습기나 압력에 보호받게 포장(package)하는 어셈블리(assembly) 사업도 있습니다.

거시경제변수의 선정

• 최근 주가는 물가와 경기 등 국내경제변수뿐만 아니라 미국금리와 엔/달러환율 등 해외경제변수의 움직임에도 민감하게 변화하는 하는 모습을 보임에 따라 국내외 주요 거시경제변수들의 변화에 대해 주가가 어떻게 반응하는 가에 대한 분석이 요구됨.

• 따라서 본 연구에서는 주가의 변동에 설명력이 높을 것으로 보이는 주요거시경제변수를 선정한 후 거시경제 모형을 기초로 하여 행태적인 접근방법으로 5가지 모형을 설정하여 충격반응분석을 실시하였음.

• 주가에 영향을 주는 거시경제변수들을 국내부문(실물부문과 금융부문), 해외부문으로 나누어 보면 다음과 같음.

  • 실물부문 변수 : 경제성장(산업생산지수, 경기동행지수, 기업경기실사지수), 소비자물가지수
  • 금융부문 변수 : 통화량(본원통화, 총통화, 총유동성), 금리, 장단기금리차, 신용스프레드
  • 해외부문 변수 : 원/달러환율, 엔/달러환율, 외국인 주식투자자금, 미국주가(다우존스지수, 나스닥지수, S&P500지수), 미국연방기금금리 (Federal Fund Rate), 국제유가(WTI)

• 산업생산지수의 정의와 계산법
  

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거시경제변수와 주가 간의 상관관계 분석

• 5가지 모형을 실증분석결과 거시경제변수의 충격이 주가에 영향을 미치는 효과는 장기적으로 이론에서 예상한 방향과 일치하는 것으로 나타나 모형의 적절성을 가지고 있는 것으로 판단됨.

  • Chen, Roll, Ross변수를 이용한 파급경로모형의 추정결과, 산업생산지수와 장단기금리차는 주가를 상승시키는 요인으로 작용했고 신용스프레드는 주가를 하락시키는 요인으로 나타났는 데 이는 이론적인 관계가 일치되는 결과를 보여주었음.

  • 통화량과 금리가 주가에 미치는 파급경로모형의 추정결과, 통화량은 단기적으로 주가에 부(-)의 영향을 주었으나 장기적으로는 정(+)의 영향을 주는 것으로 나타났음. 금리의 경우에도 이론적인 주가와 부(-)의 관계가 있는 것으로 나타났음.

  • 미국정책금리의 변화가 주가에 미치는 파급경로모형의 추정결과, 미국정책금리는 주가에 부(-)의 영향을 미국주식시장과 외국인투자자는 주가에 정(+)의 영향을 주는 것으로 나타났음. 원/달러환율의 경우는 단기적으로 주가에 부(-)의 영향을 주나, 장기적으로 정(+)의 영향을 미치는 J커브 효과가 나타나고 있었음.

  • 엔달러환율의 변화가 주가에 미치는 파급경로모형 추정결과, 엔/달러환율 상승은 주가를 하락시키는 것으로 나타났음.

  • 국제유가의 변화가 주가에 미치는 파급경로모형 추정결과, 국제유가의 상승은 주가에 장기적으로 부(-)의 영향을 주는 것으로 나타났음. 이는 가설 및 현실과 부합되는 결과임.

• IMF 외환위기 이전기간에 대해 별도로 분석해본 결과 외환위기 이후 미국정책금리, 미국주가의 변화 충격에 대한 주가의 반응이 더욱 더 강해지는 것으로 나타났음. 이것은 국내 주식시장이 외환위기이후 외국자본의 유입이 더욱 가속화되면서 미국경제의 변화에 더욱 민감하게 반응하고 있음을 시사함.

• 대내외 거시경제변수들의 변화 충격이 발생했을 때 주가의 반응크기를 살펴보면 원/달러환율, 미국주가의 변화, 통화량, 장단기 금리차 순으로 주가에 영향을 주는 정도가 큰 것으로 나타났음.

  • 금리측면에서 보면 미국정책금리 50bp의 상승충격이 국내 회사채수익률 50bp의 상승충격보다 더 강하게 주가를 하락시키는 것으로 나타났음.

  • 주식시장을 주도하고 있는 외국인투자자의 주식자금 순유입액의 10억불 상승충격은 주가를 1개월 후 큰 폭으로 상승시켰으나 3개월 이후부터는 그 효과는 급속히 감소하는 단기적인 요인인 것으로 판단됨.

  • 외국인 주식투자자금 이외에도 미국다우지수(정의 관계)와 엔/달러환율(부의 관계)도 주가에 미치는 영향이 단기적인 요인으로 나타났음.

    

• 여기에서 중요한 것은 위에 표의 좌측 하단에 적혀 있는 거시경제변수의 충격이 주가에 미치는 영향이 6개월 이후 거의 없었음 이라는 문구이다. 결국 거시변수도 6개월 이하의 단기에서만 영향을 미치고, 주가의 큰 흐름에 영향을 미치는 것은 선택적 소비가 아니라 소비자가 받아들일 수 밖에 없는 세상의 변화이다.

용어해설

• 재정정책: 정부가 정부지출 조절, 세금 조절을 통해 거시경제를 조정하는 것

• 화폐정책: 중앙은행이 시중 통화량 조절(=화폐제조), 금리 조절을 통해 거시경제를 조정하는 것

• 전산업생산지수: ‘전산업’이라는 말이 상징하듯이 농업·어업, 광업, 제조업, 전기·가스업, 건설업, 서비스업 등의 생산량을 모두 조사 한 것이 전산업생산지수. 전산업생산지수는 다시 농림어업생산지수, 광공업생산지수, 건설업생산지수, 서비스업생산지수, 공공행정활동지수로 나누어진다.

• 장단기금리차: 장단기금리차란 일정 시점에서 장기금리와 단기금리의 차이를 의미한다. 장단기금리차는 다양한 만기의 지표금리를 이용해서 산출할 수 있다. 예를 들어 어떤 시점에서 국고채금리(3년 만기)가 2.0%이고 한국은행 정책금리(1~7일 만기)가 1.5%라면 여기서 장단기금리차는 0.5%p(2.0%-1.5%)이다. 또는 10년만기 국고채금리와 3년만기 국고채금리의 차이도 또 하나의 장단기금리차로 이해할 수 있다. 여기서의 장단기는 통상 1년을 기준으로 하기 보다는 비교하려는 만기의 상대성에 달려있다. 즉 후자의 예에서 10년을 장기로 보는 경우 3년은 단기의 의미로 비교된 것이다. 장단기금리차는 시장이 경제를 어떻게 바라보고 있는지를 판단하는데 유용한 지표로 활용된다. 장단기금리차가 줄어들고 있다면(정책금리는 한국은행이 결정하기 때문에 새로운 정책금리 결정이 나오기 전까지는 변함이 없는 반면 장기금리는 하락) 이는 경제성장률이 떨어지고 실업률이 상승하는 등 향후 경제가 더 나빠질 것으로 시장이 기대한다고 볼 수 있다. 특히 이런 상황에서 경기진작을 위해 한국은행이 정책금리를 인하할 것이라는 기대가 강화되는 경우에는 이런 현상이 더욱 두드러진다. 시장이 정책금리 인하를 극단적으로 기대하는 경우에는 3년 국고채금리가 한국은행 정책금리를 하회하는 현상도 발생한다. 이를 장단기금리 역전이라고 한다. 반대로 장단기금리차가 확대되고 있다면 향후 경제가 좋아질 것이라고 시장이 기대한다고 볼 수 있다. 특히 경제성장률이 잠재성장률에 근접하고 있어 한국은행이 정책금리를 인상할 것이라는 기대가 형성되는 경우 그 차이는 더욱 확대된다. 또한 장단기금리차는 채권의 수급에 의해서도 영향을 받는다. 장기채권에 대한 수요가 많아지면 장기금리가 하락하여 장단기금리차가 축소되고 장기채권의 공급이 많아지면 장기금리가 상승하여 장단기금리차가 확대된다. 장단기금리차의 추세는 수익률곡선이 시간이 지남에 따라 더 가팔라지느냐(steepening) 아니면 더 평탄해지는냐(flattening)하는 것과 동일한 현상이다. 수익률곡선이 가팔라지면 장단기금리차는 확대되고 수익률곡선이 평탄해지면 장단기금리차는 축소되기 때문이다.

• 신용스프레드: 신용스프레드란 특정 채권의 신용위험이 어느 정도인지를 보여주는 지표로서 동일만기 무위험 채권인 국고채 금리와 해당 채권 금리의 차이로 나타난다. 예를 들어 신용등급이 AA-인 3년만기 회사채 금리가 2.5%이고 3년만기 국고채금리가 2.0%인 경우 신용스프레드는 0.5%p(2.5%-2.0%)이다. 현재 회사채는 투자적격 회사채와 투자부적격 회사채로 구분되며, 투자적격 회사채는 우량회사채(AAA- ~ A-)와 비우량회사채(BBB+ ~ BBB-)로 구분된다. 우량회사채 신용위험이 비우량회사채 신용위험보다 작기 때문에 우량회사채 신용스프레드는 비우량회사채 신용스프레드보다 당연히 작게 나타낸다. 신용스프레드가 축소된다는 것은 국고채의 금리가 변하지 않음에도 불구하고 회사채 금리가 하락한다는 것이므로 그 업종의 업황이 개선되어 부도위험이 줄어들었거나 그에 따라 동 회사채에 대한 수요가 늘었음을 의미한다. 반대로 신용스프레드가 확대된다는 것은 국고채의 금리가 변하지 않음에도 불구하고 회사채의 금리가 상승한다는 것이므로 그 업종의 업황이 악화되어 부도위험이 높아졌거나 그에 따라 동 회사채에 대한 수요가 줄어들었음을 의미한다. 특히 비우량회사채 신용스프레드의 움직임은 자본시장에서 자금이 기업에 원활히 공급되고 있는지를 보여주는 핵심 지표이다. 2008년 9월 발생한 금융위기 처럼 신용위험이 크게 부각되는 시기에는 비우량회사채로 자금공급이 줄어들기 때문에 비우량회사채의 신용스프레드가 급격히 상승하게 된다.

키워드

• 패널을 나누는 가장 큰 기준은 빛의 광원이 무엇인가에 따라 나뉨. LCD는 백라이트가 광원, OLED는 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 유기 발광물질들로 이루어진 ‘발광층(EML; emission material layer)'이 광원, QD-LED는 퀀텀닷이라는 무기물질이 광원, QNED와 Micro-LED는 나노사이즈의 매우 작은 LED소자가 광원

LCD

• 광원: 백라이트
• LCD는 Liquid Crystal Display 의 약자
• LCD는 빛을 투과해서 내는 투과형으로 백라이트가 빛을 내주어 필요한 양만큼 빛을 통과.백라이트 -> 편광판1 -> 액정 -> 편광판2 -> 컬러필터.. 의 과정을거침
• LCD의 마법은 편광판1+액정+편광판2 에 있음. 편광판은 세로로 위치해있으면 빛을 투과시키고, 가로로 위치해있으면 빛을 투과시키지 않는 성질을 가지고 있음. 편광판1은 세로로 위치해있고, 편광판2는 가로로 위치해있음.
• 이때 액정이 빛의 방향을 바꾸는 역할을 하는데, 전압이 안걸려있으면 편광판1을 통과한 빛의 방향을 세로로 그대로 내보내고, 전압이 걸려있으면 평관판1을 통과한 빛의 방향을 가로로 바꾸어 통과시킴
• 따라서, 액정에 전압이 안걸려있으면 세로빛이 편광판2를 통과하지 못하고, 액정에 전압이 걸려있으면 가로빛으로 전환된 세로빛이 편광판2를 통과해 컬러필터로 이동함
• 액정에 전압의 걸어주고 안걸어주고, 또 그 전압의 양의 조절은 백라이트 윗단에 있는 TFT가 담당하는데, TFT는 전압의 세기조절을 통해 액정의 방향을 컨트롤하여 RGB 컬러필터에 투과되는 빛의 양을 조절
• 액정의 방향에 따라 빛이 투과되는 정도가 다르기 때문에, 정면이 아닌 측면에서 보면 잘 안보이는 단점이 있음

OLED(WOLED: white OLED)

• 광원: 유기 발광물질들로 이루어진 발광층(EML; emission material layer)
• 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 유기 발광물질들로 이루어진 ‘발광층(EML; emission material layer)'에서 빛이 발생(발광물질에 전기를 가해 빛을 내는 방식으을 전계발광(EL; electroluminescent)이라하는데 이에 대한 원리는 다음 링크에서 확인 LINK)
• OLED에서 TFT의 역할은 유기물에 가하는 전압을 조정하여 빛의 양을 조절. 가해지는 전압에 따라 빛의 양이 다르기 때문에 액정이 필요없음
• EML 즉, 발광층은 어떠한 색을 내는지에 따라 서로 다른 발광물질(재료)가 사용됨. 기본적으로 빛의 3원색인 적색/녹색/청색(RGB)의 색을 내는 물질이 사용됨. 이러한 방식으로 각 색상별로 여러 층으로 구성된 OLED 소자의 덩어리를 OLED 패널에서 ‘유기물층’이라고 부릅니다. 그리고 아래와 같이 전체적인 패널의 모습을 갖추게 됨. 따라서, 컬러패널도 필요없음.

QLED: LED TV 흉내를 내는 LCD TV, 작명이 나빴다.

• 광원: 백라이트
• QLED는 Quantum dot LED의 약자로 기존 LCD에 QD 필름을 추가한 구조: QD는 보조재로의 역할 수행
• QLED, QD-OLED, QNED 모두 이름은 ‘Q’uantum dot을 포함하고 있어 비슷한 듯 보이나, 각 패널의 구조와 발광 원리 등은 제각기 다른 방식을 취하고 있다. QLED TV는 현재 삼성전자의 주요 라인업으로,기존 LCD TV와 동일한 구조이다. 다만 QLED는 LCD 패널의 백라이트 유닛(BLU)에 QD 필름을 부착해 기존 LCD TV 보다 색 재현성을 더 높인 기술이다. 즉 QLED TV에서 QD는 자체적으로 빛을 구현해내는 용도로서가 아닌 기존 LCD패널에 색 재현성을 높이기 위한 보조재로의 역할만 수행한다. QLED TV는 LCD TV와 동일한 구조를 가지고 있기 때문에, 백라이트 유닛(BLU)에서 나온 빛이 액정(LiquidCrystal)을 통과하여 각 픽셀로 가는 빛의 양을 조절하고, 이 빛이 다시 RGB PR(photo resist) 컬러필터를 통해 색을 구현한다. QLED 패널의 TFT(Thin Film Transistor)에는 생산 마스크수가 적고 제조 원가가 낮은 a-Si TFT가 적용되고 있다.

QD(Quantum Dot, 퀀텀닷): 인듐, 카드뮴과 같은 무기물로서 자체적으로 빛을 내는 지름 수 나노미터 이하의 입자. 퀀텀닷은 재료를 >바꾸지 않고 입자 크기를 조절하는 것 만으로도 원하는 색을 얻을 수 있음. 양자구속 효과에 따라 입자 크기가 작을수록(파장이 짧을수록) 청색 빛, 클수록(파장이 길수록) 적색 빛을 냄

QD-LED

• 광원: Blue OLED
• QD-OLED는 Blue OLED가 BLU&액정 역할을 대체: QD(Red, Green)로 컬러필터 구현
• QD-OLED의 기본 개념: Blue OLED 발광원과 Red, Green QD 컬러필터의 만남. QD-OLED 패널은 삼성디스플레이가 대형 사업부에서 LCD 패널 이후 양산 준비 중에 있는 차세대 QD기술로, QD가 QLED에서와 달리 보조재로의 역할이 아닌 실제적으로 색을 구현하는 중요한 역할을 수행한다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 QLED 패널에서 백라이트 유닛(BLU)과 액정(Liquid Crystal)이 수행하는 발광체로의 역할을 Blue OLED층이 대신한다. 컬러필터에는 R, G, B PR 대신 R, G QD를 잉크젯방식으로 증착한다. 즉 R, G, B 삼원광 중 R, G는 QD를 통해, B는 OLED를 통해 구현하는 방식이다.

QD-LED와 WOLED의 차이: 발광 방식

삼성디스플레이의 QD-OLED 패널은 LG디스플레이의 WOLED(White OLED) 패널과 “OLED 층 + 컬러필터” 라는 기본적 구조는 동일하나, LG는 R, G, B OLED를 Tandem 구조로 쌓아 올려 White OLED층을 형성했고, 컬러필터에는 LCD와 동일하게 R, G, B PR을 적용했다.한편, WOLED의 경우 빛이 TFT를 거쳐서 기판 방향으로 발광하는 “배면 발광(Bottom Emission)”이 적용되고 있다. 아래 그림과 같이 배면 발광의 경우 TFT를 거치는 부분은 빛이 통과되지 못하여 개구율(전체 면적에서 실제로 빛이 나오는 영역의 비율로, 개구율이 높으면 휘도가 높다)을 저하시킨다. “전면 발광(Top Emission)”의 경우 TFT를 등지고 투명한 cathode(음극)를 통해 빛이 빠져나가기 때문에 개구율을 증진시키고, 배면발광보다 낮은 전류를 걸어도 휘도가 더 좋다는 장점이 있다. 삼성은 중소형 OLED 양산을 통해 축적된 전면 발광 기술을 기반으로 QD-OLED에도 전면 발광 방식을 적용하여 개구율을 최대로 확보할 전망이다.

QD-LED의 난제: Blue OLED의 수명과 효율, 그에 대한 해결책으로 QNED의 태동

1. 난제1: Blue OLED의 수명
   QD-OLED에서 Blue OLED가 발광원 역할을 하는 이유는 R,G,B 중 Blue가 파장이 가장 짧기 때문이다. 파장이 짧을수록 에너지 값이 높다. 즉 B>G>R 순으로 에너지가 높고, Red, Green QD는 높은 Blue OLED 빛에너지를 받으면 고유의 색을 드러내기 때문에 Blue OLED를 발광원으로 사용하면 R,G,B를 모두 구현할 수 있게 된다. 그러나 Blue OLED는 R, G, B OLED 소재 중 수명이 가장 짧아 번인 현상의 주범이자, 발광 효율 또한 가장 낮은 소재이다. 디스플레이 패널의 휘도(밝기)를 높이기 위해선 발광 재료인 Blue OLED의 효율을 높이는 것이 주요 과제이다.

2. 난제2: Blue OLED의 효율
   OLED 소재는 크게 형광(Fluorescence) 소재와 인광(Phosphorescence) 소재로 분류할 수 있다. 이론적으로 형광 소재의 발광 효율은 최대 25%에 불과한 반면, 인광 소재의 발광 효율은 100%에 이른다. 현재 Red와 Green은 인광 소재가 사용되는 반면, 청색 인광 소재는 발광 효율과 수명을 비롯해안정성에서 문제점들이 존재하여 청색 발광 재료로는 인광 소재가 아닌 형광 소재가 사용되고 있다.청색 형광 재료의 효율을 끌어올리기 위해 TADF(Thermally Activated Delayed Fluorescence, 열활성화 지연기술)라는 기술이 수 년 전부터 개발되고 있다. TADF는 빛으로 전환되지 못하고 열에너지로 버려지는 75%의 전기에너지를 다시 빛으로 전환시키는 기술이다.

QNED

• 광원: Blue Nanorod LED
• QNED 는 B lue N ED 가 BLU& 액정 역할을 대체 : QD(Red, Green) 로 컬러필터 구현
• 공급사와 수요처 모두에게 win win 이 될 수 있는 혜안. 삼성디스플레이의 QNED 개발 가능성은 지난해 말부터 대두되기 시작했다 2 년 이상 QD OLED 개발에 힘을 쏟고 있던 것으로 알려진 삼성디스플레이 가 갑작스 럽게 QNED 기술 을 개발 하고 있다고 공개된 것은 의아하지 않을 수 없다 상대적으로 R OI 가 낮은 패널 업체 입장에서는 제한된 자원을 분산시키는 리스크를 감안하면서 까지 개발 라인을 다양하게 가져가는 근거가 있을 것 으로 보인다.QNED는 QD OLED 와 레이아웃이 유사하며 발광원만 Blue OLED 가 아닌 Blue Nanorod LED (이하NED) 로 변경되었다는 점이 그 특징이다 Blue OLED 의 제한적인 수명 및 발광 효율 이슈 가 있고 유기물 소재를 대형 패널에 Open mask 방식으로 증착 Evaporation) 하는 것 또한 어려움이 있다. 앞서 QD 소재에 대해 소개하며 유기물과 무기물 차이에 대해 설명 한 바가 있는데 NE D 또한 무기물을 기반으로 한다 무기물은 탄소를 포함하지 않아 쉽게 2 차 반응이 일어나지 않고 안정적이라는 특징이 있다 5~7 년에 달하는 TV 수명을 고려 한다면 소비자 입장에서는 번인 현상 등에 취약한 OLED 기반의 TV 보다는 NED 기반의 TV 품질 을 선호할 것으로 예상된 다 공급 업체 입장에서는 패널 공정 중 가장 어렵 고 높은 비용을 요구하는 것으로 알려진 OLED 증착 Evaporation) 공정을 NED Inkjet 증착으로 대체하고 상대적으로 가격이 저렴한 NED 를 사용함으로써 원가 비용 절감 효과가 기대된다

Micro-LED: LEDTV의 가장 완전체

• 삼성의 마이크로 LED TV는 컬러필터가 없다. 적·녹·청 LED가 스스로 빛을 내기 때문이다. 특히 삼성은 LED마다 칩을 더해 각각의 적·녹·청 소자를 개별 제어하는 구조를 택했다. 색 재현력을 보다 정확하게 하기 위해서다. 마이크로 LED TV는 색 재현력이 이전에 봤던 어떤 TV보다도 선명하고 밝았다. 삼성전자는 "마이크로 LED TV는 스스로 빛과 색을 내는 첫 TV"라고 강조했다. LG의 OLED TV는 스스로 빛만 낸다는 점을 겨냥한 대목이다.

출처

• https://blog.lgdisplay.com/2015/02/lcd_oled/
• http://news.samsungdisplay.com/4660#:~:text=OLED%EC%9D%98%20%EB%B0%9C%EA%B4%91%EC%9B%90%EB%A6%AC%EB%8F%84,%EA%B3%B3%EC%97%90%EC%84%9C%20%EB%B9%9B%EC%9D%84%20%EB%83%85%EB%8B%88%EB%8B%A4
• https://mnews.joins.com/amparticle/23942769
• https://bbn.kiwoom.com/bbs/jsp/upload/newres/CorpAnal/202006/1591091638831.pdf
• https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=shakey7&logNo=221415129280&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
• https://www.youtube.com/watch?v=ZP3sdKnjKmg

[디스플레이 톺아보기] ㉓ 디스플레이 드라이버 IC (DDI)

디스플레이 패널은 이미지와 영상을 통해 우리에게 다양한 시각 정보를 전달해 주는 역할을 합니다. 더욱 좋은 화질을 보여주기 위해 표현할 수 있는 컬러와 해상도가 꾸준히 발전해 왔고, 최근 발표된 삼성 갤럭시S9의 경우에는 색정확도 수준이 완벽에 가까울 정도로 정확하고 우수하다고 해외 디스플레이 분석 기관으로부터 평가될 정도로 디스플레이는 끊임 없이 진화해 왔습니다.

* 갤럭시S9, ‘엑셀런트 A+’ 최고 화질 평가

오늘은 디스플레이 패널에 화면을 구현하기 위한 필수 부품인 DDI(디스플레이 드라이버 IC)에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다.

픽셀을 제어하기 위해 TFT에 명령을 내리는 ‘디스플레이의 신호등’

DDI는 Display Driver IC(Integrated Circuit)의 약자로 OLED, LCD 등의 디스플레이를 구성하는 수많은 픽셀을 구동하는 데에 쓰이는 작은 반도체 칩입니다.

디스플레이가 화면에 정보를 표현하기 위해서는 가장 먼저 사용자가 터치나 리모컨을 통해 기기를 컨트롤해야 합니다. 그럼 이 명령을 받은 기기의 두뇌 즉, 중앙처리장치(AP또는 CPU)는 사용자가 명령한 내용을 신호로 처리해서 내보냅니다. 이 신호는 PCB라는 회로기판을 거쳐서 DDI를 통해 패널에 전달됩니다. 이때 DDI는 각각의 픽셀을 어떻게 행동하라는 명령을 내리게 됩니다. DDI는 픽셀에게 명령을 직접 내리지는 않고 디스플레이 패널 안에 있는 TFT(박막트랜지스터)를 통해서 픽셀을 제어합니다.

TFT의 기능에 대해서는 아래의 관련 콘텐츠를 참고하시면 이해에 도움이 됩니다.

* 디스플레이의 보이지 않는 손 ‘TFT’

디스플레이의 픽셀은 빛의 삼원색인 RGB(Red, Green, Blue)를 표시하는 서브픽셀로 구성되어 있고, 이러한 서브픽셀을 직접 제어하는 것이 TFT(박막트랜지스터)입니다. 그리고 TFT에 신호를 전달해서 최종적으로 픽셀을 제어하는 역할을 하는 것이 DDI입니다. DDI는 AP와 패널 사이에서 신호의 통로 역할을 하며 다채로운 영상 정보를 화면에 보여줄 수 있는 중요한 기능을 합니다.

비유하자면, TFT는 RGB 서브픽셀을 구동하는 ‘스위치‘ 역할을 하고, DDI는 스위치가 어떻게 움직일지를 알려주는 ‘신호등‘ 역할을 한다고 볼 수 있습니다.

DDI의 종류

위 사진에서 노란색 화살표가 가리키는 긴 금속 막대가 바로 DDI입니다.

DDI의 종류는 크게 두 가지입니다. 스마트폰에 들어가는 모바일용 DDI, 태블릿이나 스마트 TV 등 중대형 전자제품에 들어가는 중대형용 DDI입니다. 패널에 따라 DDI를 부착한 방식은 조금씩 다릅니다. TV와 같은 대형 패널에는 여러개의 DDI가 측면과 상단에 부착되는 경우가 많고, 스마트폰을 비롯한 모바일 제품에는 1개의 통합 DDI를 부착합니다.

DDI의 구성과 작동 원리

DDI는 크게 Gate IC 와 Source IC로 이루어져 있습니다. Gate IC는 서브픽셀들을 켜고 끄는 역할을 담당하고, Source IC는 그 서브픽셀들이 표현할 색상의 차이를 만들어냅니다. Source IC와 Gate IC에서 전압차를 이용해 전류를 TFT에 흘려주어 각각의 서브픽셀들이 구동하게 됩니다. 일부 제조사 또는 제품에 따라서는 Gate IC가 TFT(LTPS)에 내장되기도 합니다.

오늘은 디스플레이를 구동의 신호등 역할을 하는 DDI에 대해서 살펴보았습니다. 다음 시간에는 DDI와 함께 구성되는 패키지 기술의 종류와 FPCB에 대해서 알아보는 시간을 갖겠습니다.