1. 서론
IT 디스플레용 8세대 양산용 핵심장비 고밀도 플라즈마 CVD 증착기 개요
플라즈마 CVD 증착기는 디스플레이의 TFT 형성하는 공정에서 게이트 절연막, 활성층 등을 증착하기 위해 화학물질을 기화시켜 플라즈마 분위기에서 화학반응을 통해 전기적 특성을 가지는 박막을 증착하는 장비다. 특히 IT용 OLED 디스플레이에 사용되는 절연 박막는 기존에 사용되는 절연 박막에 비해 고밀도 박막, 저수소 함유 박막, 전기적 특성(Vth) 우수 박막 및 파티클이 없는 박막 사양을 요구하고 있다.
대면적 OLED 디스플레이를 구현하기 위한 다양한 기술 중 패널의 구동 전력을 줄이기 위한 LTPO(저온 다결정산화물)가 필수기술로 부상 중이다. 해당 기술은 기존 플렉서블 OLED 패널에 사용하는 LTPS(저 온폴리실리콘) 수준의 빠른 전자이동도를 갖추면서 누설 전류는 LTPS보다 적은 옥사이드를 활용해 전력 효율을 한층 개선한 것이다. 애플은 아이폰13 시리즈의 상위 모델 2종에 처음으로 120헤르츠(Hz) 화면 주사율의 터치일체형 OLED 패널을 탑재하면서 전력 효율화를 위해 LTPO 기술을 적용할 계획을 밝혔다. 이에 따라 삼성디스플레이는 기존 LTPS 라인을 LTPO로 전환 중이며 LG디스플레이도 전환 가능성이 높은 것으로 추정하고 있다.
플라즈마 CVD는 ▲TFT 공정에서는 회로 형성에 필요한 활성층, 절연막, 보호막과 평탄화 층을 ▲박막 봉지(Thin Film Encapsulation, TFE) 공정에서는 무기막의 형성하는 장비에 사용되며 국산화 비중은 16% 정도이다. IT 모바일 및 가전 기기용 OLED 디스플레이 제조를 위한 플라즈마 CVD 장비 시장은 외국 장비업체, 특히 미국의 어플라이드 머티리얼즈(AMAT, Applied Materials)가 전 세계 대부분의 패널 업체에 공급할 정도의 기술력으로 시장을 선도하고 있다(최근 3년간 점유율은 84%). 이외에도 일본의 알박 (ULVAC)과 국내의 주성엔지니어링 및 원익IPS가 일부 공정에 도입돼 점진적으로 적용 공정을 개발 중이지만, 백플레인 (TFT용 Back Plane) 양산 핵심 공정에는 아직 적용하지 못하고 있는 실정이다.
국내 패널 제조사에서 개발 중인 고 이동도 IT향 (스마트폰, 태블릿, 노트북 등) 차세대 디스플레이용 증착 장비의 개발이 시급히 필요하다고 판단된다. 소부장 과제들에서 개발하고자 하는 장비 기술들은 장비 자체에 대한 평가 표준보다는 이를 통해 소재, 장비 및 장비의 부분품에 대한 자체의 성능 및 기능을 측정 평가할 수 있는 방법일 것이다. 결국 이 장비를 이용해 제조된 디스플레이 패널의 성능 및 신뢰성 평가가 중요시 되는 표준들이 기술과 연계해 개발돼야 한다.
국내외 기술 동향
AMAT와 ULVAC은 삼성디스플레이의 초기 AMOLED 패널 생산라인에 장비를 공급했다. 특히 AMAT은 현재도 삼성디스플레이의 모든 AMOLED 패널 생산라인에 장비를 공급하고 있다. 삼성디스플레이는 최근 플렉시블 OLED 패널 가격 경쟁력 강화를 위해 일부 공정에서 국내업체의 PECVD를 평가 및 도입 여부 검토 중에 있다고 밝혔다.
주성엔지니어링은 TFT 공정용 PECVD를 LG디스플레이에게만 제한적으로 공급 중이며, AMAT 및 ULVAC과 함께 필요한 공정을 나눠 비슷한 비율로 제공하고 있다. 지난 2019년에 LG디스플레이의 10.5세대 대형 OLED 패널 생산을 위한 TFT 공정용 장비를 입고했으나, 투자 지연 공식화에 따른 양산 일정 연기로 셋업 대기 상태다. TFE 공정용 장비는 LG디스플레이와 중국의 티엔마(Tianma) 및 로욜 (Royole)에 공급했다.
원익IPS는 삼성디스플레이의 플렉시블 OLED 패널 생산을 위한 TFE 공정에서 무기막 형성용 PECVD를 공급한 실적 보유하고 있으며, QD-OLED용 장비의 개발을 완료했다.
테스는 중국의 에버디스플레이와 차이나스타(CSOT)에 TFE 공정용 연구 개발 장비를 납품하였다.
Oxide TFT용 PECVD는 현재 주성 엔지니어링에서 개발해 판매하고 있지만, 해외 업체 대비 시장 점유 율은 매우 미비한 상태다. 또한 기술적 난이도가 높은 게이트 절연막의 경우 아직 해외 업체와 동등한 수준의 기술을 보유한 국내 업체는 아직 없지만, 다수의 기업들이 해당 시장의 진출을 선언하고 활발하게 기술 개발 투자를 추진하고 있다.
최근 국내 부품업체의 경우 AMAT와 ULVAC과의 협력이 없을 경우 패널기업의 양산라인에 진입하기 어렵다는 위험성을 항상 염두에 두고 있다. 패널기업 또한 이들 해외 업체가 없이는 OLED 신규 라인 투자를 비롯해 기존 양산라인의 증설 투자, 보완투자 추진이 불가한 상황임을 인지하고 있다. 이에 PECVD 장비의 국산화와 소재 및 부품의 국산화를 동시에 진행함으로써 이러한 국내 소재 및 부품업체의 어려움을 해결해 최종 수요업체가 외부영향 없이 장비, 부품, 소재를 공급받을 수 있도록 노력하는 중이다.
시장 동향
최근의 IT용 OLED 디스플레이 제조 공정은 절연 박막의 고밀도, 저수소 함유, 전기적 특성 (Vth) 및 파티클 개수의 감소 등 기존보다 높은 사양이 요구되고 있다. 이에 이를 달성하기 위한 LTPO 전용 고밀도 플라즈마 CVD 증착 장비 시스템 및 공정 개발이 시도되고 있다. 특히 IT 디스플레이용 8세대 고밀도 플라즈마 CVD 증착 시스템 개발은 반드시 필요한 것으로 판단된다. 또한 8세대 플라즈마 CVD용 고밀도 플라즈마 (ICP 형태 등) 소스 및 저수소 산화막 외각의 균일도, 밀도, 조성비 불균일 해결과 생산성 향상을 위한 상·하부 모듈 개발 역시 병행돼야 한다.
오는 2024년까지 OLED 패널 제조 장비 시장의 연평균 성장률은 모듈 공정 장비 13%, LTPO 공정 장비 11% 등 급격하게 성장할 것으로 예상된다. PECVD 장비의 전체 투자 규모는 일부 공정에 한정돼 있으나, 고밀도 플라즈마 CVD 장비 기술우위 확보 및 부품과 장비의 국산화를 통한 국내외 차세대 IT 디스플레이 CVD 시장 선점 기대하고 있다. 국내 디스플레이 PECVD 시장의 외산 점유율은 95% 이상 해외 업체 (AMAT)가 점유하고 있는 실정이며, 이에 8세대 IT 디스플레이 양산용 고밀도 플라즈마 CVD 개발이 시의적절하게 이뤄지지 않을 시 AMAT, TEL 등의 해외업체에 대한 의존성이 더욱 높아질 것으로 예상된다. 높은 해상도를 유지하면서 전력을 아낄 수 있는 저온 다결정 산화물(LTPO) 박막트랜지스터 (TFT) 장비 투자는 내년 큰 폭으로 확대될 전망이다. 아울러 LTPO 방식 유기발광다이오드(OLED) 스마트폰도 늘어날 것으로 예상된다. 삼성디스플레이가 삼성전자 주력 스마트폰 시리즈 신형 갤럭시노트용 OLED에 LTPO 기술을 채택하고 있기 때문이다.
지난 2020년 시장조사업체 <디스플레이 서플라이 체인 컨설턴트(DSCC)>의 로스 영 최고경영자 (CEO)는 자신의 트위터에서 ‘내년 OLED 백플레인 장비 투자 중 LTPO 방식 TFT 점유율이 79%에 이를 것’이라는 예상을 내놨다. 로스 영 CEO는 OLED 백플레인 장비 투자에서 LTPO 비중이 2020년 25% 에서 2021년에 79%까지 급증할 것이라고 내다봤다. LTPO 비중은 2022년 2%로 급감하고 2023년과 2024년에는 각각 16%, 14%를 차지할 전망이며, LTPO를 적용한 고사양 스마트폰이 늘어날 것으로 예상하고 있다.
이 전망에 따르면 OLED TV에 사용하는 옥사이드 비중은 2021년 0%에서 2022년 74%로 급증할 것으로 보인다. 참고로 옥사이드 비중은 2023년 55%, 2024년 40%다. 2022년부터 OLED TV 투자가 꾸준히 늘어난다는 의미로 2022년까지 Oxide TFT 기반의 TV용 패널 출하량을 전망해 보면, 출하량 기준 2018년 257만대에서 2022년 838만대, 매출액 기준 2018년 20억 달러에서 2022년 57억 달러로 성장할 것으로 예상하고 있다.
Oxide TV 출하량이 점점 증가함에 따라 기존 모바일용 LTPS TFT 라인의 증가보다는 신규 Oxide TFT 라인의 수요가 더 커질 전망이다. 신규 Oxide TFT 라인투자비용의 경우 8세대 60K 기준으로 전체 투자비용 약 2,200 million US$이고, Oxide TFT용 장비는 840 million US$이며, PECVD의 경우 30 million US$로 예상된다. PECVD 장비의 전체 투자 규모는 일부 공정에 한정되어 있으나, 부품과 장비의 국산화를 통해 2012년 이후 95% 이상 해외 업체가 점유하고 있던 PECVD 장비 시장을 국내 장비로 대체 가능하다.
Oxide TFT를 사용하는 TV 패널 시장의 경우 현재는 8세대 투자에 집중하고 있지만, 향후 10세대 이상 으로 기판의 면적을 확장할 것으로 예상된다. 2018년 8세대 및 10세대 비중은 전체 OLED 디스플레이중 22%에서 2022년 30%로 증가할 것으로 예측하고 있으며, 6세대 이하의 OLED는 대부분 모바일 분야이지만, 8세대 이상의 투자는 전체가 TV 투자라고 보여진다. 2012년부터 2020년까지 구축되거나 앞으로 구축할 PECVD는 총 111대로, 이 중 105대가 이미 수입됐거나, 새롭게 도입 될 계획이다. 특히 Oxide TFT용 게이트 절연막 PECVD의 경우 전략 ULVAC에 의존하고 있다.
2. 현재 표준 트렌드 현황
2-1. R&D 관련 표준 동향
디스플레이는 기본적으로 전자기기와 사람 간의 인터페이스를 기반으로 한다. 각종 전자기기로부터 출력되는 신호를 화상 정보로 나타냄으로써 다양한 정보를 인간이 시각적으로 인식할 수 있도록 구현해주는 영상 표시 장치를 의미하는데, 최근 ‘보여주는 기능’이 중시됨에 따라 IT 기기의 중심적 역할을 수행하고 있다.
우리나라는 세계 디스플레이 시장에서 지난 2004년 세계 1위 자리에 오른 이후 17년째 세계 시장 점유율 1위를 유지해오고 있다. 특히 디스플레이는 지난 2005부터 지금까지 우리나라 수출 품목 중 5~6위의 비중을 가진 국내 Top10 수출 품목의 하나로, 2018년 우리나라 디스플레이 생산은 72조 5000억 원 (국내 총생산의 4.6%), 2019년 수출은 205억 달러(우리나라 7대 수출 품목)로 국가경제 발전에도 크게 기여하고 있다. 국내에서는 패널 기업(삼성디스플레이, LG디스플레이 등)를 중심으로 패널 제조공정에서 사용되는 소재 부품 기업 661사와 장비 기업 342사로 구성돼있다. 국내 생산패널은 주로 자사의 중국, 베트남 등의 해외 모듈 공장에서 수출하고 장비는 중국 패널사 및 국내 패널 업체 현지 법인에 수출하고 있다. 다만, 중국의 추격과 코로나19 팬데믹과 같은 어려운 대내외 환경을 혁신적 기술과 국산화로 극복하고 OLED로 주력 품목 전환을 통해 시장 주도권을 유지하고 있다. OLED 산업은 삼성디스플레이와 LG디스플레이를 중심으로 한국이 글로벌 시장을 주도하고 있다. 특히 중소형으로 특화된 삼성디스플레 이는 글로벌 시장의 90% 대 시장 점유율을 나타내고 있고, 대형 TV에 강점을 갖고 있는 LG 디스플레이는 TV용 패널을 100% 공급하고 있다. 다만 IT 디스플레이용 8세대 고밀도 플라즈마 CVD 증착 시스템 개발과 관련하여 공정 및 장비 표준은 아직 제정이 이뤄지지 않은 상황이다.
2-2. 기술개발에 도움이 되는 주요 표준
패널 평가와 연관된 주요 표준은 <표 2>와 같다.
3. 미래표준 트렌드 전망
현재 제정된 대부분의 표준은 패널 특성 및 신뢰성을 측정하는 표준이 차지하고 있다. 하지만 앞으로는 소부장 관련 표준이 증가할 것으로 예상되며, 이에 따라 장비 부분품 및 장비 부품에 대한 표준 개발이 필요하다고 사료된다.
첫째, 대면적 설비에 적용하기 용이한 평판형 ICP장치는 안테나 설계기술과 에너지 소스 최적화등이 대단히 중요한 기술이며, 증착장비에서는 아직까지 대면적 (8세대급)에 상용화된 적이 없는 기술이다. 이에 해당 기술개발과 병행해 안테나 설계 및 에너지 소스 최적화에 대한 표준 방법이 필요하다.
둘째, 박막 증착장비이므로 화학반응을 이용한 박막의 특성도 매우 중요한 인자라는 사실에 주목해야 한다. 특히 ICP등에 의한 고밀도 플라즈마의 안정성 및 공정 영향 인자들을 고려할 때, 대면적 건식식각용 사용보다 고사양이 요구될 것으로 판단되며 장시간 사용 안정성과 함께 균일도와 고파워 전달등도 함께 연구할 필요가 있다. 또한 반응 전구체와 가스등이 분배되어지는 구조 장비 설계와 소재 등의 개발도 함께 진행해야 할 것이다. 그러므로 박막 특성에 중요 인자가 되는 전구체, 가스 및 소재 등의 특성을 측정하는 표준 방법의 개발이 절실하다.
4. 맺음말
경쟁력 강화 위해 기술개발 연계 표준화 필요
대형 OLED 패널 생산 장비 중 핵심 장비인 실리콘 화합물 증착장비의 지속적안 연구개발은 저수소·고밀도 박막증착 공정을 통한 대형 OLED 패널 제조분야에서의 기술격차 유지가 가능하도록 해줄 것이다. 특히 대형 OLED 패널 제조에 필수적인 실리콘 화합물 증착 장비 및 공정기술 개발이 성공적으로 이뤄진다 면, 기존 해외에 의존하던 CVD 장비의 수입 대체와 더불어 디스플레이 장비 분야의 강소기업 육성이 가능할 전망이다. 중소·중견기업과 대기업의 상생협력 체계 구축으로 새로운 디스플레이 생태계 조성을 기대해본다.
본 디스플레이 장비의 경우 증착 공정과 관련한 기술 개발로 ISO, IEC 등 국제 표준화 기구에서 관련 표준이 거의 없다는데 그 의의가 있다. 또한 공정 또는 장비 표준은 각 기업의 노하우나 핵심 기술이 포함될 수 있다. 그러므로 장비 자체의 표준보다는 각 장비와 장비의 부분품의 경우, 자체 성능 및 기능을 측정 평가하는 방법이 필요하다. 이를 통해 향후 소부장 관련 기술 개발과 동시에 표준 개발을 병행함으로써 디스플레이 1위의 국제 경쟁력을 확보해야 할 것이다.
