선익시스템은 OLED 디스플레이 제조공정의 핵심 장비인 증착 장비를 개발·공급하는 디스플레이 장비 전문 기업이다. 초고진공 환경에서 유기 발광물질을 정밀하게 증착하는 기술을 기반으로, 연구개발용 장비부터 양산 장비까지 다양한 세대의 증착기를 개발해왔다. 최근에는 IT용 OLED와 OLEDoS(마이크로 OLED), 페로브스카이트 태양전지용 장비까지 사업 영역을 확장하며 차세대 디스플레이 및 에너지 분야로 기술 적용 범위를 넓히고 있다.

OLED 디스플레이는 색 구현 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 RGB 방식, 다른 하나는 화이트 OLED에 컬러필터를 적용하는 방식이다. RGB 방식은 색순도와 효율 측면에서 우수하지만 대면적화가 어려워, 주로 모바일 같은 중소형 디스플레이에 적용되었다.

문제는 생산방식에 있었다. 기존 RGB OLED는 진공 로봇이 기판과 마스크를 이동시키는 ‘클러스터 방식’에 의존했는데, 기판이 커질수록 장비 규모와 비용이 급격히 증가하고 생산효율도 떨어지는 한계가 있었다. 반면 대형 디스플레이에 사용되는 ‘인라인 방식’은 대면적화에는 유리하지만, 기판이 이동하는 과정에서 미세 정렬이 틀어질 수 있어 RGB 방식에는 적용이 어려웠다.

선익시스템은 이러한 구조적 한계를 해결하기 위해선 대면적 생산이 가능하면서도 고정밀 정렬을 유지할 수 있는 새로운 증착 방식이 필요하다고 판단했다. 이번 KEIT 과제는 바로 이런 문제의식에서 출발했다.

이번 연구의 핵심은 인라인 물류 방식에서도 3μm 이하 수준의 초정밀 마스크 정렬을 구현하는 것이었다. 이를 위해 연구팀은 기존 방식과 다른 접근을 택했다.

가장 큰 기술적 특징은 자기부상 기반의 수평 인라인 물류시스템이다. 기판과 마스크를 각각 별도의 캐리어에 담아 이동시키되, 자기부상 제어를 통해 무게 영향을 줄이고 위치를 정밀하게 제어하는 방식이다. 이를 통해 고중량 기판을 안정적으로 이동시키면서도 미세 정렬 정확도를 유지할 수 있도록 했다.

또 하나의 핵심은 고강도 캐리어와 정밀 정렬 장치^Aligner다. 기판과 마스크를 합착하는 과정에서 발생하는 미세 변형과 뒤틀림을 최소화하기 위해 구조 강성을 강화하고, 비전 시스템과 정밀 제어 스테이지를 결합해 μm 단위의 정렬을 구현했다. 특히 고중량 구조에서도 반복 정밀도를 유지할 수 있도록 장비 설계 전반을 재구성한 것이 중요한 차별점이다.

개발 장비의 왕복 물류 흐름도

선익시스템은 1.7톤의 육중한 기판을 자기부상 기술로 공중에 띄워 이동시키면서도, 머리카락 굵기의 30분의 1인 3μm 이하 오차로 정교하게 마스크를 맞추는 독보적인 기술을 개발했다.

단계별 물류

1 기판 투입 : Attach 챔버에서 Align 챔버로 기판 캐리어 이동.

2 Align 준비 : 기판 캐리어를 Z축으로 Hooking하고 자기부상 물류 회피 후 미세 정렬 위치로 하강.

3 고정밀 Align(미세 정렬 및 합착) : 기판 캐리어를 움직여 마스크와 미세 정렬하고 기판 캐리어를 마스크 캐리어에 안착.

4 Align된 기판과 마스크를 배출 : 합착된 기판 캐리어와 마스크 캐리어를 BF1 챔버로 배출.

완료 후 원래 1의 위치로 역물류로 복귀하여 준비.

이 과정은 결코 단순하지 않았다. 약 1.7톤에 이르는 기판 캐리어를 미세하게 이동시키는 과정에서 발생하는 진동은 정렬 정확도를 크게 떨어뜨리는 주요 원인이었다. 연구팀은 구조 설계를 근본적으로 개선하고 부품 강성을 높이는 방식으로 문제를 해결했다. 또한 자기부상 물류 방식에서도 안정성과 정밀도를 동시에 확보하기 위해 여러 차례 설계 변경과 실험을 반복했다.

아울러 물류시스템과 정렬 장치를 하나의 통합 구조로 설계함으로써, 공정 간 간섭을 최소화하고 전체 공정의 안정성을 높인 것도 이번 기술의 중요한 성과다. 이러한 통합 설계는 향후 장비 대형화와 자동화 확장에도 유리한 기반이 될 것으로 평가된다. 그 결과 연구팀은 대면적 인라인 공정에서도 RGB OLED 생산이 가능한 수준의 정밀 정렬 기술을 최초로 구현하는 데 성공했다.

인라인 타입으로 설계된 이 시스템은 대형 기판의 처짐 문제를 해결하는 수평 증착 기술을 적용해 IT용 OLED 생산효율을 극대화했다. 진공 챔버 내에서 유기물을 가열해 RGB 발광층을 형성하는 핵심 공정이 이루어진다.