TFT는 반도체 결정을 형성할 수 없는 유리 기판 등에 비교적 낮은 온도에서 형성되는 실리콘 박막 위에 만들어지는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)입니다. LCD에서는 단순한 스위칭 소자입니다만, OLED에서는 스위칭 기능에 더하여 전류를 조절, 공급하는 기능도 하고 있습니다. 이로 인하여 OLED에서는 최소 2개 이상의 TFT를 필요로 하죠. TFT의 역할은 마치 물을 보내주는 수도 꼭지처럼 화소로 흐르는 전류의 양을 조절하는 역할을 하여 화소의 밝기를 조절하죠. 따라서 각각의 부화소들에 만들어집니다. 전하(전자 혹은 정공)는 반도체 층을 통하여 소스에서 드레인쪽으로 흐르게 되고, 드레인 전극은 화소를 구동하는 투명 전극 등과 연결이 되어 있습니다. 이 때, 소스에서 드레인으로 흐르는 전하의 양은 게이트에 걸리는 전압이 조절을 합니다.

 

 

TFT에 사용되는 반도체 층은 주로 실리콘이며, 결정도에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si)과 다결정 실리콘(polycrystalline silicon, poly-Si)으로 구분되며, 다결정 실리콘은 결정화 공정 온도에 따라 고온과 저온으로 구분되죠. 주로 유리 기판의 변형 온도 이하인 400~450도 범위에서 결정화되는 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS)이 사용됩니다. 비정질 실리콘과 저온 다결정 실리콘으로 만들어지는 TFT들은 각각, a-Si TFT와 LTPS TFT로 불려지죠. a-Si과 LTPS는 각각 비정질과 다결정으로 전자 이동도에서 큰 차이가 있습니다. 일반적으로 a-Si에 비하여 LTPS의 전자 이동도가 수십 배 이상 커서 흐를 수 있는 전류의 크기와 동작 속도 등에서 많이 유리하죠. 따라서, 현재 모바일 기기용 디스플레이에는 대부분 LTPS TFT가 사용되고 있습니다.

 

이에 더하여 금속 산화물 TFT(metal oxide TFT)가 특히 중ㆍ대형 디스플레이에서 영역을 확장하고 있는데, 이는 레이저 결정화 공정이 필요한 LTPS TFT에 비하여 제조 공정이 간단하고 단순하며, 대면적 공정에 용이하여 가격 부담이 줄어들고, 또한 전자 이동도가 LTPS에 버금가기 때문이죠. 이는 안정된 실리콘이 아닌 금속 산화물, 주로 인듐-갈륨-아연-산소로 이루어진 IGZO 물질을 사용하므로 전하의 이동 메커니즘이 다르고, 안정성 면에서 아직 개선될 여지가 남아있습니다. 그러나 휨과 같은 변형에 적응력도 있으며, 특히 대면적 공정과 가격 경쟁력에서 강점이 있어 점점 확대 적용될 것으로 보고 있습니다.
 

TFT의 전기적인 특성과 성능 지수는 다음과 같은 인자들로 평가됩니다. 먼저, 출력 특성으로, 게이트 전압을 매개 변수로 하며 독립 변수인 드레인 전압과 종속 변수, 드레인 전류의 관계를 나타냅니다. 출력 곡선(output curve)은 전형적으로 선형 영역과 포화 영역으로 나타나며 게이트 전압의 변화에 따른 드레인 전류의 최대값을 얻을 수 있죠. 그리고 전달 특성인데, 이는 독립 변수인 게이트 전압의 변화에 따른 종속 변수, 드레인 전류의 변화로 얻어지며, 드레인 전압은 고정시킵니다. 전달 곡선(transfer curve)로부터 전계 이동도(field effect mobility), 문턱 전압(threshold voltage), 전류 점멸비(on/off current ratio), 그리고 문턱 전압 이하 기울기(sub-threshold slope) 등의 값을 도출할 수 있습니다.

앞으로의 OLED용 TFT의 발전 과정을 보면, 중소형은 LTPS-TFT, 대형은 oxide-TFT가 주류가 될 것으로 전망됩니다. 이에 더하여 향후 유연성, 즉 휨과 접음 동작에 부합될 수 있는 유기 TFT(organic-TFT)가 잠재적으로 자리하고 있습니다. 유기 TFT의 경우, 특히 낮은 이동도가 장애물인데, 현재까지의 연구 개발로 10㎠/Vs 이상의 이동도를 보이는 소자들이 보고되고 있어 상용화 가능성을 유지하고 있죠. 더불어서 그래핀 모양을 가지는 2차원 물질들을 이용한 TFT들도 보고가 되고 있지만, 현재는 연구 수준에 머무르고 있습니다. 이제 비정질 및 다결정 실리콘, 그리고 산화물을 적용한 TFT들에 대하여 설명을 이어가 보죠.

 

 

OLED, 백플레인, TFT, a-Si TFT >>

 

비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si)은 단결정처럼 원자들이 규칙적으로 정렬되지 않고, 불규칙하게 제멋대로 위치한 경우입니다. 따라서 Si 원자들간에 결합이 연결되지 않은 불포화 결합(dangling bond)이 많이 생겨나서 결함들로 존재하며, 따라서 가전자대와 전도대 사이의 밴드 갭 내에 결함 준위들이 다량 발생하게 되죠. 이로 인하여, 전자들의 빈번한 충돌은 물론, 전자와 정공의 생성과 결합 과정이 무작위로 발생하게 되어서 결국은 전하 운반자(전자 혹은 정공)의 이동도가 감소하고, 반도체 소자에서 원치 않은 누설 전류가 증가하는 등의 문제가 커집니다.
 

물론 수소화 과정을 통하여 불완전 결합에 수소를 연결시켜 결함을 줄이고 이동도를 향상 시키고는 있지만, 디스플레이 구동용 TFT 채널층으로 이용하기에는 고해상도의 LCD에서의 개구율 극복, OLED에서의 전류 구동 능력에서의 한계로 인해 많이 부족한 실정이죠. 따라서, 고해상도와 대면적, 그리고 전류 구동용 구동 TFT 소자로서의 자리는 LTPS-TFT나 산화물 TFT로 넘기고, 비교적 낮은 가격의 중, 저성능용 중소형 LCD에 주로 사용되고 있습니다.

 

 

OLED, 백플레인, TFT, LTPS-TFT >>

 

비정질 실리콘 증착 후에 레이저 등을 이용한 기술로 열처리를 하면 결정화가 진행됩니다. 단결정들이 생기기 시작하고, 크기가 증가하면서 작은 단결정들로 이루어진 다결정을 형성하게 되죠. TFT에서 전하 운반자들이 소스에서 드레인쪽을 향하여 채널층을 이동할 때, 작은 단결정들, 즉 결정립(grain)들이 클수록 계면에서의 충돌(scattering)이 줄어들어 높은 이동도를 가지게 됩니다. 물론 결정화 온도가 높고 시간을 길게 할수록 단결정들의 크기는 증가하나, 기판이 받게 되는 열적인 부담과 생산성 등도 함께 고려하여야 합니다. 특히, 비정질 실리콘에 비해 특히 마이크로 디스플레이에 적용하기 위하여 단결정들의 크기를 키우려면 유리 기판보다는 열처리 온도를 높일 수 있는 석영 기판을 이용하기도 하죠. 범용성이 있는 일반 디스플레이용으로는 다결정 실리콘을 채널층으로 하는 저온 다결정 박막 트랜지스터(Low-Temperature Polycrystalline Silicon TFT, LTPS-TFT)가 폭 넓게 적용되고 있습니다.
 

LTPS-TFT의 제조 공정은 기본적으로 a-Si TFT와 유사하며, 다만 비정질 실리콘 증착 후, 유리기판이 손상을 받지 않는 정도에서 열처리를 하여 다결정을 형성시키는 결정화 과정이 추가됩니다. 일반적으로는 유리 기판 세정, 버퍼층 형성, 비정질 실리콘 증착, 다결정 실리콘 결정화, 채널층 패터닝, 게이트 절연막 및 전극 증착, 이온 도핑, 컨택 홀, 소스 및 드레인 전극 형성 과정으로 진행이 되죠. 특히 결정화 공정은 실로 다양하며, 레이저를 이용하는 방식과 이용하지 않는 방식으로 크게 분류가 됩니다.

비정질 실리콘으로부터 다결정 실리콘을 얻는 결정화 기술은 1990년대 초반에 본격적으로 시작이 되었습니다. 레이저를 이용한 방식으로는 비정질 실리콘을 순간적으로 액화시키는 과정을 통해 다결정을 만드는 엑시머 레이저를 이용한 열처리(Excimer Laser Annealing, ELA)와 순차적 측면 고상화(Sequential Lateral Solidification, SLS)가 대표적입니다. 그리고 레이저를 사용하지 않고, 고체 상태를 유지하면서 열처리와 자기력을 이용하여 결정화를 하는 고상결정화(Solid-Phase Crystallization, SPC)와 촉매를 활용하는 금속 유도 측면 결정화(Metal Induced Lateral Crystallization, MILC) 등이 있지만, ELA와 비교할 때 전기적 특성이 안정적이지 못하고, 누설 전류가 큰 문제가 남아 있습니다. 이러한 열처리 온도는 유리 기판에 따라 450~600도 정도에서 조절을 하죠. 열처리 온도와 함께 품질의 우수성, 생산성 등을 개선하기 위해 다양한 시행착오를 거쳤으며, 현재에는 ELA 방법이 주류를 이루고 있습니다.

그리고 보편적인 다결정 실리콘 TFT 대비 누설 전류의 획기적인 감소, 대면적화에 따른 공정 시간과 생산성 향상, 제조 비용 절감 등에서 더 좋은 방법들을 모색하고 있으며, 다음으로 설명될 산화물 TFT로 그 영역을 확장하고 있습니다.

 

 

OLED, 백플레인, TFT, 산화물 TFT >>

 

금속 산화물 반도체를 이용한 TFT, 즉 산화물 TFT의 연구는 1990년대 중반에 일본, 동경공업대의 호소노 그룹이 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 그리고 산소(O)로 이루어진 IGZO 박막 트랜지스터를 발표하면서 본격적으로 시작되었고, 20여년이 지난 지금은 중ㆍ대형 OLED를 위주로 투명, 유연 디스플레이들의 백플레인으로 본격 적용되고 있습니다.

 

산화물 반도체는 금속 양이온과 산소 음이온간의 이온 결합으로 이루어진 화합물 반도체입니다.전도대의 최소값(Conduction Band Minimum, CBM)은 주로 금속들의 s 오비탈, 가전자대의 최대값(Valence Band Maximum, VBM)은 주로 산소의 p 오비탈들로 이루어져 있죠. 특히 큰 반경의 금속 양이온은 인접한 양이온과 궤도 겹침이 발생하며 캐리어의 효과적인 이동 경로를 제공합니다. 이에 더하여, 비정질 상태가 되어 구조적 변형이나 뒤틀림이 발생하여도 캐리어의 이동은 큰 영향을 받지 않죠. 주 캐리어는 전자로서 n형이며, 산소의 결함과 도핑된 수소가 n 형 캐리어 역할을 합니다. 전기적인 특성은 산소의 빈 격자점 (vacancy)과 도핑된 수소에 크게 의존합니다. 예를 들어, 대표적인 산화물 반도체인 InGaZnO의 경우, 반도체를 구성하는 금속 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn) 중에서 산소와의 결합이 가장 약한 인듐이 산소의 빈 격자점 형성을 용이하도록 하여 전기적 특성에 영향을 주죠. 이러한 빈 결함(vacancy)과 함께 틈새(interstitial), 치환형 결함(substitutional), 그리고 산소의 결핍, 수소의 도핑 등이 모두 전기적인 특성을 결정합니다.
이러한 산화물 TFT는 비정질 실리콘 TFT에 비해 이동도가 열 배 이상 높고, LTPS TFT와 비교할 때 이동도는 다소 낮더라도 공정 온도가 낮고 공정이 간단하며 균일도가 높아서 대면적화에 유리한 장점이 있습니다. 특히 누설 전류값이 낮아서 화질 향상이나 소비 전력의 절감에도 유리하죠. 또한 밴드갭이 3.0 eV 정도로 커서 가시광선의 흡수가 일어나지 않고, 강한 이온 결합으로 인하여 스트레스에 적응이 가능하므로 투명 디스플레이나 유연 디스플레이 구현시에도 상대적으로 유리합니다. 다만, 단원소 반도체와 비교할 때 동작의 안정성에 개선의 여지가 남아 있으며, 해상도와 화면 크기의 증가에 따라 이동도를 LTPS TFT 수준으로까지 끌어올려야 될 상황을 준비하여야 합니다.

 

 

산화물 TFT의 다양한 연구들은 지금도 진행 중입니다. 먼저, 조성비 변화를 통한 이동도 개선이 활발하죠. 즉, 기본적으로는 IGZO에 관한 연구가 중심이 되고 있지만 일부 다른 조성비를 가지는 산화물 TFT도 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어, ITZO(Indium Tin Zinc Oxide)의 경우, 이동도가 30㎠/Vs 정도가 얻어지는 것으로 보고된 바 있으며, In-Ga-Zn-Sn-O 조성으로 이동도와 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다는 연구 결과도 발표되었습니다. 아울러, ZnON TFT는 이동도를 100㎠/Vs까지 끌어올릴 수 있다고 보고된 바 있고, ZnO TFT로 14인치급의 AM-OLED를 구동한 예도 있죠. 이에 더하여, 소자의 구조, 안정성, 특히 빛과 산소, 수분 등에 노출될 경우 특성이 저하되는 현상도 주요 이슈가 되고 있습니다.   

 

<...다음호에 이어서 계속>

 

 

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