발광다이오드(LED) 생산성 향상의 열쇠로 각광 받던 6인치 공정이 최근에는 옛 기술인 4인치 공정에 자리를 내주고 있다. LED 업체들이 6인치 공정 전환을 미루거나 포기하고, 4인치 공정을 주력 라인으로 적용하고 있다. 

사파이어 웨이퍼 크기가 커지면 유기금속화학증착장비(MOCVD) 내 증착면이 넓어지는 반면, 보잉(Bowing) 현상으로 인한 불량률이 높아지기 때문이다. 사파이어 웨이퍼 면적이 커질수록 두께도 두꺼워져 재료비가 상승하는 것도 단점이다.

보잉(Bowing) 현상 막아라, 웨이퍼 두께 1000μm로 늘여

국내서 6인치 MOCVD에 가장 적극적으로 투자한 LG 이노텍의 경우, 6인치 사파이어 웨이퍼 두께를 1000마이크로미터(μm)까지 늘여서 생산 중이다. 삼성전자 LED 사업부가 쓰는 4인치 사파이어 웨이퍼가 650μm 정도인 것과 비교하면 50% 정도 두껍게 만들어 쓰고 있다. 

LG이노텍이 두꺼운 사파이어 웨이퍼를 사용하는 것은 MOCVD 공정 내에서의 보잉 현상을 방지하기 위해서다. 보잉은 1000℃ 가 넘는 MOCVD 내에서 사파이어 웨이퍼가 열에 의해 휘는 것을 의미한다. 마치 오징어를 불에 구울 때 원통형으로 말리는 것과 비슷하다. 

▲사파이어 잉곳(왼쪽 원기둥)과 사파이어 웨이퍼(오른쪽 원판). /자료=일진디스플레이

이때 웨이퍼와 웨이퍼 위에 증착된 질화갈륨(GaN) 층이 휘는 각도가 다르기 때문에 불량 발생 가능성이 높아진다. 보잉 정도는 웨이퍼 크기가 커질수록, 두께가 얇을수록 심해지는 탓에 4인치 보다는 6인치 웨이퍼 두께가 두꺼운 것이다.

문제는 가격이다. 사파이어 잉곳⋅웨이퍼 공급과잉 현상이 지속되면서 가격이 많이 내렸다고 하지만, 6인치 웨이퍼 가격은 여전히 비싼 편이다. 

사파이어 잉곳 기준으로 4인치는 1mm당 9달러, 6인치는 29달러 정도다. 4인치 웨이퍼 대비 6인치 웨이퍼의 LED 생산량은 약 20% 정도 증가하는 데 비해, 사파이어 웨이퍼 가격은 3배 가까이 늘어나는 셈이다.

LED업계는 2011년까지만 해도 6인치 공정 도입이 지상과제로 여겨졌지만, 최근에는 서두르지 않는 분위기다. 삼성전자 LED사업부는 4인치 웨이퍼를 주력으로 생산하고 있으며, 서울바이오시스 역시 6인치 공정 도입을 검토하다 최근에는 전량 4인치 공정으로 생산 중이다. 국내 LED 업체 중 6인치 공정을 주력으로 도입한 곳은 LG이노텍이 유일하다. 

사파이어 웨이퍼 업계 관계자는 “LED 공급 부족 현상이 심화되던 2010년만 해도 사파이어 웨이퍼 인치 업(inch-up)이 필수 과제로 여겨졌지만, 요즘 LED 업체들은 6인치 공정에 큰 관심을 두지 않는다”고 말했다.