노동집약 서비스 물가는 오르는 반면 제조품은 싸지는 가운데, 특히 TV 가격이 지난 수십 년 동안 급락한 이유를 LCD 제조 혁신과 규모의 경제 관점에서 살펴본다.
URL: https://www.construction-physics.com/p/how-did-tvs-get-so-cheap
Title: TV는 어떻게 이렇게 싸졌을까?
아마도 21세기 들어 노동집약적 서비스는 더 비싸지고 제조품은 더 싸졌다는 것을 보여주며, 인플레이션을 여러 범주로 나누어 나타낸 이 유명한 그래프를 본 적이 있을 것이다.
이 그래프에서 특히 눈에 띄는 항목 중 하나가 TV다. TV는 차트의 다른 어떤 주요 범주보다도 가격이 더 크게 하락했다. TV는 너무 싸져서, 인플레이션을 반영해 조정하기 전 기준으로도 25년 전보다 훨씬 저렴하다. 2001년 베스트바이는 블랙프라이데이에 50인치 대형 TV를 1100달러에 팔았다. 오늘날 그 정도 크기의 TV는 200달러도 안 되는 돈이면 살 수 있다.
아래 그래프는 지난 25년간 베스트바이 블랙프라이데이 전단에서 TV 가격이 어떻게 변했는지 보여준다. 단위는 “면적-픽셀당 달러(dollars per area-pixel)”로, 가격을 화면 면적으로 나눈 뒤 픽셀 수를 곱한 값이다(표준화하여 SD=1이 되도록 정규화). 이는 더 크고 해상도가 높은 TV가 더 비싸다는 점을 보정하기 위한 것이다. 인플레이션 차트와 마찬가지로 면적-픽셀당 가격이 90% 이상 하락했음을 알 수 있다.
이런 현상은 사람들로 하여금 “TV 같은 복잡한 제조품이 대체 어떻게 이렇게 믿기 어려울 만큼 싸졌을까?”라는 의문을 갖게 했다.
시간이 흐르며 TV 제조가 어떻게 더 효율적이 되었는지 알아내는 일은 생각보다 어려웠다. 업계가 매우 비밀주의적이기 때문일 수도 있다. 그럼에도 나는 지난 수십 년간 TV 비용을 낮춘 주요 요인들 중 _일부_를 조합해 정리할 수 있었다. 요약하자면, TV 제조에서는 내가 책에서 식별한 거의 모든 ‘효율 향상 메커니즘’이 그대로 드러난다.
2000년 이후 TV 가격 하락의 이야기는 대체로, 액정표시장치(LCD) TV가 틈새의 비싸고 특수한 기술에서 대량 생산되는 저렴한 기술로 바뀐 이야기다. 2004년까지만 해도 LCD는 TV 시장의 5%에 불과했지만, 2018년에는 95%를 훌쩍 넘었다.
액정(liquid crystal)은 이름 그대로 액체 상태이면서도 결정(crystal)처럼 규칙적이고 반복적인 배열을 이루는 분자다. 액정은 디스플레이를 만들 때 활용할 수 있는 중요한 특성을 두 가지 더 가진다. 첫째, 전기장을 가하면 분자의 배열(방향)을 바꿀 수 있다. 둘째, 편광된 빛(한 평면 안에서만 진동하는 빛)이 액정을 통과하면 편광의 방향(편광면)이 회전하는데, 회전 정도는 액정의 방향에 따라 달라진다.
LCD 화면은 이러한 현상을 이용해 디스플레이를 만든다. LCD TV의 각 픽셀은 3개의 셀(cell)로 구성되며, 각 셀은 액정으로 채워지고 빨강/초록/파랑(RGB) 중 하나의 컬러 필터를 갖는다. 화면 뒤쪽의 광원(백라이트)에서 나온 빛은 먼저 편광 필터를 통과하며 특정 평면의 빛만 남기고 나머지는 차단된다. 그 빛이 액정을 지나며 편광면이 변한 뒤, 컬러 필터를 지나 빨강·초록·파랑 중 해당 색의 빛만 통과한다. 그 다음 첫 번째 필터와 직교 방향으로 배치된 또 다른 편광 필터를 통과한다. 마지막 필터는 편광면이 얼마나 회전했는지에 따라 서로 다른 양의 빛을 통과시키게 된다. 그 결과 빨강·초록·파랑 빛의 강도가 제각각인 픽셀 배열이 만들어지고, 이들이 모여 화면을 이룬다.
Nano Banana 출처: LCD 화면의 구조.
현대의 LCD TV에서는 액정이 여러 반도체 기술과 결합된다. 백라이트는 발광다이오드(LED)가 제공하고, 각 셀의 액정을 회전시키는 전기장은 유리 표면 위에 직접 만들어지는 박막 트랜지스터(TFT)가 제어한다.
일부 LCD 화면은 QLED로 알려져 있는데, 백라이트에 퀀텀닷(quantum dots)을 사용해 화질을 개선한다. 하지만 기본 원리는 전통적인 LCD와 매우 비슷하다. TV에 사용되는 다른 디스플레이 기술로는 유기발광다이오드(OLED)처럼 액정을 전혀 쓰지 않는 방식도 있다. 다만 이런 제품은 현재도 전체 TV 판매에서 작은(하지만 증가 중인) 비중을 차지한다.
LCD가 TV 화면의 주류 기술이 되기까지는 수십 년이 걸렸다. LCD는 1970년대 계산기에 처음 쓰였고, 이후 다른 소형 전자기기와 시계로 확산됐다. 1980년대에는 휴대용 소형 TV 화면에 쓰였고, 그 다음 노트북 및 컴퓨터 모니터에 사용됐다. 1990년대 중반에는 CRT(브라운관) 컴퓨터 모니터를 대체하기 시작했고, 2000년대 초에는 더 큰 TV에도 쓰이기 시작했다.
LCD TV가 처음 등장했을 때는 비싸고 사치재에 가까운 제품이었다. 이 2003년 블랙프라이데이 전단에서 베스트바이는 20인치 LCD TV(“눈부신 640x480 해상도”)를 800달러에 판매했다. 같은 전단에 27인치 CRT TV는 150달러에 세일 중이었다. (나도 2003년 대학에 갈 때 LCD TV를 사고 싶었지만, 훨씬 저렴한 CRT로 타협했던 기억이 난다.)
그렇다면 LCD TV의 비용은 어떻게 내려갔을까?
LCD TV는 “마더 글라스(mother glass)”라고 불리는, 극도로 투명한 대형 유리 판에서 출발한다. 이는 코닝(Corning) 같은 회사가 제조한다. 이 유리 위에 반도체 물질 층을 증착한 뒤 포토리소그래피(photolithography)를 이용해 선택적으로 식각하여, 개별 픽셀을 제어할 박막 트랜지스터를 만든다. 트랜지스터가 만들어지면 각 셀에 액정을 주입하고, 별도의 유리판에 만들어진 컬러 필터를 부착한다. 그 다음 마더 글라스를 개별 패널로 절단하고, 나머지 부품(편광 필터, 회로기판, 백라이트 등)을 추가한다.
이 공정의 핵심은, 많은 제조 단계가 개별 패널로 절단되기 _이전_의 대형 마더 글라스 판 위에서 수행된다는 점이다. 그리고 시간이 흐르며 마더 글라스의 크기는 점점 더 커졌다. 최초의 “1세대(Generation 1)” 마더 글라스는 대략 12×16인치 정도였다. 오늘날 10.5세대 마더 글라스는 116×133인치로, 면적으로는 거의 100배에 달한다.
마더 글라스 대형화는 매우 큰 도전이었다. 유리판이 커지고 그로부터 잘라내는 디스플레이의 크기가 커질수록, 결함과 불순물을 제거하는 일이 더 중요해진다. 그 결과 제조사들은 매우 넓은 표면을 흠집 하나 없이 깨끗하게 유지하는 방법을 찾아야 했다. 오늘날 LCD는 클린룸 환경에서 제조된다. 또한 큰 유리판은 옮기기도 어렵다. 코닝은 운송 병목을 피하고 점점 더 큰 마더 글라스를 공급하기 위해 샤프(Sharp)의 LCD 공장 바로 옆에 마더 글라스 공장을 세웠다.
하지만 더 큰 유리판을 쓰는 데는 큰 이점이 있다. 기하학적 스케일링 효과 때문에 더 큰 마더 글라스에서 LCD를 제조하는 편이 더 효율적이다. 즉 제조 장비의 비용이 유리 패널 면적만큼 빠르게 증가하지 않는다. 4세대에서 5세대 마더 글라스로 넘어가면서 LCD 디스플레이의 대각선 인치당 비용이 50% 감소했다. 4세대에서 8세대로 넘어가는 동안 LCD 패널 면적당 장비비는 80% 하락했다. 내가 이해하기로, 이런 마더 글라스 스케일링 효과가 LCD 비용 하락의 가장 큰 동인이었다.
이 점에서 LCD는 반도체 제조와 유사한 경로를 걸었다. 반도체에서도 시간이 지날수록 더 큰 실리콘 웨이퍼를 사용한 것이 비용 절감의 중요한 동인이었다. 실제로 LCD의 마더 글라스는 반도체용 웨이퍼보다 훨씬 빠른 속도로 대형화됐다.
따라서 LCD는 배치 크기를 점점 키우는 방식으로 비용이 하락한 흥미로운 사례다. 수십 년에 걸친 린 제조(lean manufacturing)와 경영대학원에서 “더 골(The Goal)”을 과제로 내주는 문화는, 배치 크기는 항상 줄여야 하며 이상적인 제조는 한 번에 한 개 제품을 처리하는 “원피스 플로우(one piece flow)”라고 많은 사람들을 설득해 왔다. 그러나 반도체, LCD 생산, 컨테이너 해운 같은 여러 공정에서 보듯, 공정의 성격에 따라서는 배치 크기를 늘리는 것이 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있다.
동시에 마더 글라스 패널 수준에서는 원피스 플로우로 가는 경향도 관찰된다. 초기 LCD 팹(fab)은 마더 글라스 판들을 카세트에 묶어 담은 다음, 그 카세트를 이후 공정으로 이동시키곤 했다. 현대 LCD 팹은 훨씬 연속 공정에 가까운 방식을 사용하며, 개별 마더 글라스 판이 한 장씩 공정을 통과한다.
마더 글라스의 대형화 외에도, LCD 비용 하락을 가능하게 한 기술·공정 개선은 여럿 있다.
1990년대에는 박막 트랜지스터 재료를 증착하기 위한 “클러스터(cluster)” 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 장비가 개발됐다. 이 장비는 기존 장비보다 훨씬 빠르고 유지보수도 훨씬 덜 필요했다.
제조사들은 박막 트랜지스터를 만들 때 필요한 공정 단계를 줄이는 방법을 찾아냈다. 초기에는 트랜지스터를 쌓아 올리기 위해 8개의 별도 마스킹 단계가 필요했지만, 이후 4단계로 줄었다.
클린룸 도입, 수작업을 로봇으로 대체 같은 혁신 덕분에 수율이 개선됐다. 초기 LCD 제조는 수율이 50% 수준인 경우가 흔했지만, 현대 공정은 90%+ 수율을 달성한다.
절단 효율(한 장의 마더 글라스 중 실제 디스플레이로 들어가는 비율)이 향상됐다. 예를 들어 Multi-Model Glass 같은 전략은 한 장의 마더 글라스에서 서로 다른 크기의 디스플레이를 함께 잘라낼 수 있게 해준다.
패널에 액정을 채우는 기술이 개선됐다. 2000년대 초까지 디스플레이는 모세관 현상(capillary action)으로 액정을 채웠다. 개별 셀을 만드는 실란트(sealant)에 작은 틈을 남겨두면 액정이 서서히 빨려 들어갔고, 패널 하나를 채우는 데 수 시간 혹은 수일이 걸릴 수도 있었다. “원드롭 필(one drop fill)” 방식—각 셀을 실란트 경화 전에 채운 뒤 자외선(UV)으로 실란트를 경화시키는 공정—의 개발로 패널 충전 시간은 수일에서 수분으로 줄었다.
유리 기판은 점차 더 견고해졌고, 이로 인해 결함이 줄어들었으며 더 공격적이고 빠른 식각이 가능해졌다.
더 일반적으로, LCD 제조는 반도체 제조와 매우 유사하기 때문에 반도체 생산의 발전으로부터 혜택을 얻을 수 있었다. (한 업계 전문가는 2005년에 “디스플레이 제조 공정은 반도체 제조 공정과 매우 비슷한데, 그저 더 단순하고 더 크기만 하다”고 언급했다.) LCD 제조는 원래 반도체 생산을 위해 개발된 장비(예: 포토리소그래피용 스테퍼(stepper))에 의존해 왔고, 오염 최소화 같은 문제에서는 반도체 산업의 전문성을 활용했다. 일부 반도체 제조사(예: 샤프)는 이후 LCD 제조 시장에 진입하기도 했다.
LCD 제조는 규모의 경제에서도 크게 이득을 봤다. 현대의 대형 LCD 팹은 수십억 달러가 들며, 하루에 100만 장이 넘는 디스플레이를 생산한다.1 LCD 화면에 대한 거대한 시장이 있기에, 이런 거대하고 효율적인 팹을 정당화할 수 있고 새로운 공정 기술에 대한 투자를 회수할 수 있다.
연간 LCD 생산량, Corning 자료.
LCD 비용 하락은 끝없는 경쟁에 의해서도 촉진됐다. 코닝의 2014년 프레젠테이션은 LCD가 “디스플레이 제조사들에게 25년짜리 자살 협약처럼 보인다”고 말한다. 제조사들은 수익률이 지속적으로 위협받고(때로는 음수로 전환되기도 하면서) 있음에도, 더 큰 팹과 더 새로운 기술에 지속적으로 막대한 투자를 해야 했다. 이는 부분적으로 국가들이 평판 디스플레이 제조를 전략적 우선순위로 여긴 데서 비롯된 것으로 보인다. 코닝 프레젠테이션은 제조 투자에 민족주의가 작동했다고 지적하며, 1990년대와 2000년대에는 전략적 이유로 미국의 LCD 제조를 부양하려는 다양한 시도가 있었다고 언급한다.
내 책을 읽은 사람이라면 TV 비용 하락의 이야기가 그리 놀랍지 않을 것이다. 효율 개선을 이끄는 거의 모든 주요 메커니즘—기술 개선과 겹겹이 이어지는 S-커브, 규모의 경제(기하학적 스케일링 효과 포함), 공정 단계 제거, 변동성 감소와 수율 개선, 연속 공정 제조로의 진전—이 이 사례에서 모두 드러난다.
이들 중 상당수는 휴대폰 크기의 디스플레이라는 점을 감안해야 한다.
