[디스플레이 상식 사전] (3) TFT-LCD 공정 중 ‘군기반장’ 셀(Cell)

LG디스플레이는 디스플레이 상식을 알고 싶은 이들을 위해 ‘디스플레이 상식 사전’ 시리즈를 진행하고 있습니다. 디스플레이에 대한 아주 기본적인 지식부터 심도 있는 분야까지 이해하기 쉽게 풀어드립니다.

이번에는 TFT-LCD(초박막 액정표시장치) 공정 중 세번째인 Cell(셀) 공정에 대해 알아보겠습니다.

◆두 기판 사이에 액정을 넣고 합체하는 Cell 공정

Cell 공정은 TFT 기판과 CF(Color Filter·컬러 필터) 기판을 합치고, 필요에 따라 잘라주는 단계입니다. 크게 배향(고분자로 이뤄진 고체의 구성 단위인 미세 결정이나 고분자 사슬이 일정 방향으로 배열되는 것) 공정과 합착 공정 두가지로 나눌 수 있는데요. 먼저 배향공정부터 알아보도록 하겠습니다.

1)배향공정: 액정을 같은 방향으로 나란히, 나란히~

디스플레이 화면은 작은 픽셀의 모임으로 이뤄져 있습니다. 한 픽셀, 한 픽셀의 밝기를 정확하게 조절할 수 있어야 또렷한 화면을 만들 수 있습니다.

이 픽셀의 빛을 조절하는 역할을 액정(Liquid Crystal)이 담당하는데요. 무척이나 중요한 임무를 맡긴 만큼 초기에 단단히 기강을 잡아줘야 하겠죠? 어리바리한 훈련병 시절, 조교들의 엄격한 교육을 통해 진정한 군인으로서 자세를 갖추게 되는 것처럼요. 이렇게 액정이 자리를 잡게 하는 과정을 배향공정이라고 합니다.

배향공정에 본격 들어가기 전, TFT와 CF 기판을 준비해야 합니다. 위생은 필수! 기판을 세척해 깨끗하게 만들어줍니다.

다음으로 액정의 방향을 정해주는 배향막을 각 기판 위에 인쇄한 뒤 오븐에 넣어 굳힙니다.

여기서 잠깐, 배향막이 왜 필요할까요?

물질이 크게 기체와 액체, 고체 3가지 상태로 나뉜다는 사실은 잘 알고 계시죠? 액정은 고체와 마찬가지로 결정 구조를 갖지만, 액체처럼 움직일 수 있는 특이한 성질이 있습니다. 그래서 분자 운동이 불규칙적입니다.

그래서 액정의 위치가 이리저리 바뀌면, 우리는 제대로 된 화면을 볼 수 없습니다. 따라서 액정의 방향과 위치를 잡아주는 ‘군기반장’ 역할의 배향막이 필요한 것입니다.

이제 액정을 배향할 차례입니다. 액정 배향 방법은 크게 두가지로 나뉘는데요. 물리적인 방법인 러빙(Rubbing)과 화학적인 UV(자외선) 방식이 있습니다.

-러빙 배향 방식

러빙 방식은 배향막 위에 롤러를 회전시켜 작은 홈을 만드는 데서 출발합니다. 이 작은 홈을 따라 액정 물질을 배향시키면, 액정을 같은 방향으로 줄 세울 수 있습니다. 비교적 과정이 간단하지만, 정전기나 흠집이 생길 수 있고 배향 균일성이 다소 떨어진다는 단점이 있습니다.

-UV 배향 방식

UV 방식은 러빙처럼 물리적으로 홈을 만드는 것이 아니라, 고분자 필름에 UV 광을 쏴 홈을 만들어 액정 물질을 배향시키는 방법입니다.

광 배향은 러빙 방식의 단점을 보완할 수 있습니다. 또한 더욱 균일하게 액정을 배열함으로써 빛이 새는 것을 줄여 명암비를 개선할 수 있습니다. 명암비가 높으면 더 깊고 선명한 검정을 표현할 수 있고, 더 밝은 색으로도 표현할 수 있어 훨씬 선명한 화면을 구현할 수 있다는 점을 모두 알고 계시죠?

▲액정분자가 평행하게 정렬되는 과정

배향 과정을 마치면 위 그림처럼 액정이 ‘차렷!’ 하며 같은 방향으로 배열됩니다.

2)합착공정: TFT 기판과 CF 기판을 합체!

이제 지금까지 공들여 만든 CF와 TFT 기판이 합체될 차례입니다.

먼저 CF 기판엔 접착제를, TFT 기판 위엔 일정량의 액정을 떨어뜨려 줍니다. 그 후 진공 상태에서 합체! 이 과정을 통해 액정은 두 유리 기판 사이에서 고르게 펴집니다.

과거엔 패널을 먼저 합착한 뒤 액정을 주입하는 방식을 이용했는데요. LG디스플레이에서 최초로 발크(VALC·Vacuum Alignment with Liquid Crystal Process)라 불리는 방식을 도입, 진공 상태에서 바로 액정을 합착하는 방법으로 양산에 성공했습니다. 덕분에 공정에 걸리는 시간인 TAT(Turn Around Time)를 2~3일에서 1일로 대폭 줄일 수 있었는데요. 연간 생산되는 어마어마한 TFT-LCD 물량을 고려했을 때 이 기술이야말로 ’혁신 중 혁신’이라고 할 수 있겠죠?