디스플레이를 제조하는 데에는 설계한 회로패턴을 기판에 전사하는 노광, 현상, 식각 등을 포함하는 패터닝(patterning)¹⁾ 공정이 필수적이다. 노광공정(exposure)은 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 인쇄하는 공정으로, 전공정에 해당한다.
패터닝에서 노광 기술은 기판 위에 도포된 레지스트에 노광기를 이용해 빛을 조사하며 패턴을 형성하는 과정으로, 해상도, 오버레이 및 거칠기 등 패턴의 각종 성능을 결정하는 핵심 기술이다. 노광 기술은 <표1>과 같이 크게 접촉/근접 프린팅 노광, 마스크 기반 투영 노광, 집속빔²⁾ 직접 이미징, 마스크리스 디지털 노광 기술의 4가지로 분류할 수 있다. 해상도·생산성·생산단가 등의 여러 측면에서 우수한 포토마스크 기반 투영 노광 기술이 현재 주류를 이루고 있으나, 최근에는 마스크를 사용하지 않는 노광 기술도 각광받고 있다.
마스크리스 디지털 노광에서는 전사할 패턴이 새겨져 있는 포토마스크 대신, 반사형 공간 광변조기인 DMD(Digital Micromirror Device)를 사용한다. DMD는 마이크로 스케일의 거울 수백만 개가 붙어 있는 구조체로, 각 거울은 빛을 선택적으로 원하는 방향으로 반사시켜 패턴 전사를 수행한다. 포토마스크 없이 직접 노광공정을 진행하면 포토마스크의 설계 및 제작과 관련한 비용과 시간을 절감할 수 있다. 또한, 디지털 노광은 DMD를 사용해 대면적의 매끄러운 패턴을 형성할 수 있어 집속빔 직접 이미징 시스템의 단점인 낮은 생산성을 해결할 수 있다.
디지털 노광기의 핵심으로는 DMD, 고정밀 스테이지, 정밀구동 모듈, 환경제어 및 환경변화에 따른 노광기 내 각종 시스템의 자동 보정 기술과 시스템 통합 기술 등이 있다. DMD는 미국의 텍사스인스트루먼트(Texas Instruments)가 독점하고 있는 기술이지만, 기타 핵심 기술은 기구적인 하드웨어 또는 소프트웨어 및 이의 운용과 관련이 있어 국산 기술개발이 가능한 부분이다.
디지털 노광 기술은 운영 비용(CoO), 작업 시간(TAT) 및 확장성 측면에서 장점을 가지고 있어, 디스플레이뿐만 아니라 반도체 패키징, 바이오 등 마이크로 단위의 고해상도 패터닝이 필요한 분야에서도 현재의 노광 기술을 대체 또는 보완할 수 있는 강력한 기술이다.

1) 패터닝(patterning) : 트랜지스터 등의 소자와 그 소자를 연결하는 배선 등의 설계회로를 기판에 구현하는 기술

2) 집속빔 : 지향성이 있는 초음파 대부분의 에너지가 한 점으로 집속되는 빔

디스플레이 패널 제조용 노광기는 회로 및 픽셀 구조를 패터닝하는 포토리소그래피 공정의 필수적인 장비로, 일본의 니콘과 캐논이 국내 디스플레이 제조공정에 사용되는 노광기의 98%를 점유하고 있다. 최근에는 패터닝 이미지를 실시간으로 가변할 수 있는 디지털 노광기가 마스크 제작에 들어가는 비용을 획기적으로 절감할 수 있다는 장점에서 미국의 어플라이드머티 리얼즈(Applied Materials), 오스트리아의 EVG(EV Group) 등이 기술을 선도하고 있으며, 국내 LG전자 등에서 국산화 개발 및 생산을 진행하고 있다. 본격적인 디스플레이 패널 산업에 사용되기 위해서는 패터닝 공정에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 요소 기술과 신뢰성이 확보된 노광기의 개발이 필요한 실정이다.

히, 미국 어플라이드머티리얼즈와 일본의 우시오(USHIO)는 대면적 패널·반도체 패키지 분야에서의 전략적 파트너십을 바탕으로 2023년에 디지털 노광 기술을 공개했다.
오스트리아의 EVG는 ‘MLE’라는 상표로 2μm 이하의 고해상도를 지닌 마스크리스 디지털 노광기를 패키징·MEMS·바이오·반도체 등의 산업에 적용하고 있다.
일본에서는 니콘과 캐논이 디스플레이용 노광기 생산 분야를 선도하고 있다. JEOL, Elionix 등 주요 기업이 전자빔과 레이저 등을 이용한 마스크리스 노광기를 판매하고 있으나, DMD 등의 광학소자에 기반한 디지털 노광기 기술개발과 그에 대한 공개는 소극적인 상황이다.
중국의 유일한 노광기 생산 기업으로서, 중국 패키지용 노광장비의 80% 점유가 추정되는 상하이마이크로전자(SMEE)는 강력한 정부 지원을 기반으로 중국산 노광기 제품개발과 양산 체제를 구축하고 있다. 반도체 패키지·MEMS·LED 분야의 노광장비를 다량 공급하고 있으나 디지털 노광기 개발 관련 소식은 공개된 바 없지만, 중국의 다수 대학과 연구소에서는 DMD에 기반한 디지털 노광기 관련 연구결과를 발표하고 있다.
국내에서는 2008년부터 5년간 한국디스플레이연구조합 주관 ‘디지털 노광장비 핵심 기술개발’ 과제가 진행되었고 LG전자, 삼성전자, 코아시스템즈 등을 비롯한 산학연이 참가해 8세대 기판 대응 해상도 3.5um 수준 디지털 노광기용 광학시스템 개발과 환경제어 및 통합시스템 개발 초정밀 위치 제어 기술개발 등이 수행되었다. LG전자 소재/생산기술원은 디지털 노광기를 개발해 LG디스플레이의 8.5세대 LCD 생산라인에 양산 적용하고 있다.
IEC/TC 110(전자 디스플레이) 위원회에서는 일본 주도로, 디스플레이 관련 구성품의 용어와 정의부터 필수 등급 및 특성, 측정방법, 품질 보증 사양 및 관련 시험방법, 신뢰성 등과 관련한 국제표준을 제정 중이나, 디스플레이 소재·부품·장비와 관련된 국제표준은 찾아보기 힘들다.
ISO/TC 159(인간공학) 기술위원회의 SC 4는 디스플레이 관련 화질 표준을 다루며, WG 2에서는 평판 디스플레이의 인간공학적 요구사항 및 평가방법, WG 12에서는 3D 디스플레이의 인간공학적 평가방법과 안전 관련 규정을 다루고 있다.
국제반도체장비재료협회(SEMI)에서는 미세석판술(Micro-lithography) 분과에서 디스플레이 및 반도체용 리소그래피와 관련한 소재·부품과 공정 성능평가 등을 다루고 있으며, 장비 관련한 표준은 장비의 안전가이드 위주로 표준 제정하고 있으나, 노광기 관련한 장비를 전문적으로 다루지는 않는 상태다.
디스플레이용 고해상도 디지털 노광기 개발과 관련하여 ▲노광기의 성능을 결정하는 해상도, 오버레이 정확도, 패턴된 형상의 크기, 노광 후 PR 두께 등의 노광성능 평가방법 ▲노광기 내부 및 외부의 온도·습도·오염물질 등과 같은 환경요인 및 이를 평가하는 방법 ▲다수 레이저 광원, 대면적의 복잡한 장치, 고속 스테이지 등으로 구성된 노광기의 안전 가이드 등이 국내표준 및 국제표준으로 제안될 수 있는 유력한 항목이다.

1.5㎛급 고해상도 디지털 노광기 기술개발을 위해서는 정밀 스테이지 개발을 포함하는 노광기 시스템 개발, 노광기 시스템 관련한 온도·습도 등의 환경제어, 시스템 내 구성요소 간의 정밀 조립과 제어, 이를 통한 장비 사용에 따른 성능평가 등의 핵심 기술개발이 필요하다. 이에 관련 기술의 핵심 성능을 평가하는 방법들이 표준으로 제안될 것이다.
IEC/TC 100은 3D 디스플레이, 플렉시블 디스플레이, 터치 및 대화형 디스플레이, 안경 디스플레이 등과 관련된 SC와 WG 등에서 디스플레이 소자의 화질 등의 특성 관련 표준을 다루며, 한국 연구진이 컨비너를 수행 중인 WG도 다수 있으나, 노광기등 디스플레이를 제조하는 공정장비와 관련성이 높은 별도의 분과는 없는 실정이다.
ISO/TC 159는 인간공학 관련 표준을 다루고 있으며, 특히 SC 4의 WG 2와 WG 12는 각각 평판 디스플레이와 3D 디스플레이의 화질 등의 특성 관련 표준을 다루고 있다.
SEMI의 D volume(평판 디스플레이)은 디스플레이 분야 표준을 제정 중으로, 기판, 칼라필터, 마스크 등의 소재와 부품 및 제조된 디스플레이의 특성과 관련된 표준을 제정하고 있으나, 공정장비 관련 표준을 다루고 있지는 않다.
SEMI의 E volume(장비 자동화 하드웨어)에서 반도체 분야의 공정장비와 관련한 규격, 환경 및 안전 가이드 등의 표준을 제정하고 있다.
SEMI의 P volume(미세석판술)에서 디스플레이 및 반도체 분야의 리소그래피 관련 PR·현상 소재·마스크 등의 소재와 부품, 결함 등의 검사 및 공정장비 및 부품 간 연결성, 리소그래피 공정평가 등에 관련된 표준을 제정하고 있으므로, 디지털 노광기의 스테이지 개발에 의한 노광공정 결과를 평가할 수 있는 해상도 등의 공정 성능평가, 온도 등 환경제어의 수준평가, 관련 부품의 성능 등을 다룰 수 있는 분과다.

IEC, ISO, SEMI에서 디스플레이 관련한 국제표준 중에는 디지털 노광기뿐만 아니라 넓은 범위에서의 패터닝용 노광기의 장비와 부품과 직접적인 관련이 높은 국제표준을 찾기는 힘든 상황이다.
SEMI에서는 노광기 시스템과 레티클(reticle) 간의 레시피 전달을 위한 노광기의 운용과 관련된 표준은 P42, 노광기의 성능 중 하나인 상하 패턴 간 오버레이 평가방법 표준은 P18로 제정된 바 있으나 현재는 비활성 상태다. 반도체 장비와 시설 서비스와의 연결성은 E76 표준으로, 반도체 장비의 EHS 관련 가이드는 S2 표준으로 제정되어 있으나, 노광기에만 특유하게 적용되는 국제표준은 개발된 바가 없다고 해도 과언이 아닐 것이다.
국내의 KS의 경우에는 전기·전자 분야에서 디스플레이 관련한 표준을 다수 제정하고 있으나 국제표준 동향과 유사하게 디스플레이 소자 자체 및 소자 관련 품목에 대한 성능표준 제정이 대부분이며, 디스플레이 공정장비와 직접 및 간접적으로 관련한 표준은 찾기 힘들다.

디스플레이 및 반도체 장비와 관련된 국제표준을 제정하는 것은 험난한 일이다. 우선 장비와 관련된 국제표준을 다루는 위원회를 찾기 쉽지 않다. 디스플레이 관련 국제표준위원회 및 국제표준은 대부분 제작된 디스플레이 소자, 부품, 화상 결과물 등과 관련된 것이다. 즉, 디스플레이를 제조하는 과정에 필요한 장비와 관련된 국제표준은 전무하다고 해도 과언이 아니다.

하지만 2023년 글로벌 디스플레이 시장 점유율은 중국 47.9%, 한국 33.4%, 대만 16.7%, 일본 1.7%며, 우리나라의 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 디스플레이 제조사의 강자로서 주목받고 있다. 또한, 평판 디스플레이 관련 리소그래피 장비 시장은 2023년에 983억 달러로, 연평균 10% 성장이 예상되어 2030년에는 1,948억 9천만 달러에 이르는 대규모 시장 중 하나다. 현재 기존 노광기 분야는 일본의 니콘과 캐논이 독점하고 있으나, 디지털 노광기 분야는 시장의 초기 단계로 미국, 유럽, 일본, 중국, 한국 등이 경쟁하고 있는 분야다. 고해상도 디지털 노광기를 사용할 메이저 수요처가 국내에 있다는 현실은 노광기 개발 및 표준화를 선도할 수 있는 여건이 충분히 갖춰져 있다고 볼 수 있다. 디지털 노광기 분야에서 국산화와 더불어 국제 표준을 선도적으로 제정하는 것은 기술개발과 시장개발에서 주도권을 쥐고 선도해 나갈 수 있다는 측면에서 긍정적인 활동이라고 볼 수 있다.
국제표준 제정을 위해서는 관련 국제위원회를 정하는 것이 우선되어야 한다. IEC 및 SEMI 등이 국제표준을 제안할 기구가 될 수 있다. 양 기구 모두 일본의 주도력이 높은 편이나, IEC/TC 110의 경우에는 국내 전문가가 컨비너로 다수 활동하고 있어 일본, 중국과 신규 위원회 신설과 관련해 경쟁 또는 협력할 만하다고 할 수 있는 위원회라고 여겨진다. 국제표준으로서의 제정이 난망한 경우에는 노광기의 핵심 수요처인 삼성디스플레이와 LG디스플레이 등이 참여하는 형태로 국내표준 제정을 먼저 고려하는 것도 방법이라고 볼 수 있다.
고해상도의 디지털 노광기는 광원 생성, 광학 및 패턴생성 및 전송 모듈들과 기구적 구성요소(스테이지·광원 이송계·환경제어 모듈 등) 간의 정밀 조립으로 통합시스템을 개발될 것이다. 따라서 디지털 노광기와 관련한 표준으로는 장비, 주변 환경, 노광기 자체의 노광 성능과 관련된 형태로 제안될 수 있다.
먼저, 디지털 노광기는 다수의 광원 및 DMD의 부품, 스테이지 등으로 구성된 복잡한 기계장치이므로 디스플레이 제조장치와 관련된 안전 및 운용 가이드 등이 주요 표준 제안 후보다. 개발된 노광기에 의해서 이루어진 노광 성능인 해상도, 오버레이 정확도, 패턴된 형상의 크기, 노광 후의 PR 두께 등의 평가방법 표준도 가능해 보인다.
표준개발은 노광기의 수요자, 공급자 및 관련 연구개발 종사자 등의 이해관계가 있는 다수의 전문가에 의해서 이루어질 것이므로, 노광기 개발과 표준개발의 연계도 고해상도 노광기 국산화에 크게 기여할 것이다. 제정된 표준에 의해서 노광기의 노광 성능 평가가 이루어져 관련 노광기 핵심 부품 및 통합시스템개발에 뒷받침된다면, 디지털 노광기의 노광 성능 향상이 예상과 함께 미국, 유럽, 일본 및 중국과의 기술 경쟁에서 우위를 점할 것으로 기대된다.

[참고문헌]

- A. K. Aggarwal, MR Int. J. Eng. Technol. 10, 1 (2023)
- Applied Materials, https://www.appliedmaterials.com
- EV Group, https://www.evgroup.com
- 대한민국 정책브리핑, https://www.korea.kr
- 한국디스플레이산업협회, www.kdia.org
- Verified Market Reports, Global Flat Panel Display FPD Lithography Equipment Market By Type(2.2µm, 1.5µm), By Application(Semiconductor, Santific Research), By Geographic Scope And Forecast, 2024년 3월 발간

PDF 보기