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우리 생활을 편리하고 윤택하게 해주는 IT 제품! 요즘 IT 제품들을 살펴보면 외형에서 차지하는 디스플레이 비중이 상당히 커졌음을 알 수 있는데요. LCD와 OLED 디스플레이의 개발과 크기 및 화질이 점점 개선되면서, 디스플레이는 이제 IT 제품을 얘기할 때면 빼놓을 수 없는 부분이 되었습니다. 최근에는 웨어러블 디바이스의 flexible 디스플레이까지 개발되면서 앞으로 디스플레이의 변신도 많은 기대를 모으고 있는데요. 이러한 눈부신 디스플레이의 발전이 가능할 수 있었던 이유는 무엇일까요? 바로 디스플레이 반도체 TFT의 발전 덕분이랍니다! 정보의 저장과 연산 작업에만 쓰일 줄 알았던 반도체가 디스플레이에도 들어간다니, 놀랍지 않으신가요? 지금부터 디스플레이 반도체인 TFT에 대해 함께 살펴볼까요?
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출처 : (좌측부터) 금호라디오박물관 (www.gumho.net), 삼성 디스플레이(www.samsungdisplay.com), LG 디스플레이 (http://www.lgdisplay.com)
과학기술이 발전하면서 고품질의 영상 기록물을 남기고 싶은 인간의 욕구는 점점 커져갔습니다. 이는 디스플레이의 발전을 불러왔는데요. 최초의 디스플레이는 브라운관으로 알려진 CRT였습니다. 1950년부터 2000년 초까지 1세대 디스플레이로서 TV 대중문화의 발전에 큰 기여를 했죠.
하지만 CRT는 치명적인 단점을 가지고 있었습니다. 바로 부피가 크며 소비전력이 높다는 것인데요. 이를 극복하기 위해 2000년 초에는 LCD, FED, PDP가 개발되었습니다. 그 중에서 LCD는 낮은 소비전력과 제품 수명이 길다는 장점을 바탕으로 FED와 PDP와의 경쟁에서 앞서나가게 되는데요. 현재 LCD는 2세대 디스플레이의 대표 주자로 전체 디스플레이 점유율 약 95%에 육박하며 최고의 전성기를 누리고 있습니다.
이런 LCD도 단점은 있는 법! 바로 투명하고 휘어지는 특성을 가진 미래형 디스플레이로서는 부적합하다는 것인데요. 미래형 디스플레이가 되려면 투명하고 휘어지는 소자의 특성을 가져야 합니다. 하지만 LCD의 광원인 BLU은 투명해지고 휘어지는 데 한계가 있어 LCD의 미래형 디스플레이로의 변신은 한계에 맞닥뜨리게 됩니다. 그래서 BLU 대신 자체발광 유기물질을 이용한 OLED가 미래형 디스플레이로 기대를 받게 되는데요. 최근 핫한 웨어러블 디바이스와 소형 모바일부터 고화질 대형 TV 디스플레이까지 사용되며 차세대 디스플레이의 대명사로 자리잡기 위해 LCD와 경쟁을 벌이고 있죠. 이런 디스플레이의 비약적인 발전이 가능했던 이유는 무엇일까요? 바로 디스플레이 반도체 TFT 때문인데요. TFT의 반응속도가 빠르게 개선되면서 LCD, OLED 디스플레이의 대형화와 고화질 구현이 가능해졌습니다. 디스플레이에도 반도체가 쓰인다니 놀랍지 않으신가요? 이러한 디스플레이의 발전을 가능케 한 TFT! 지금부터 디스플레이 반도체 TFT가 무엇인지 알아볼까요?
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▲ 디스플레이 화면 속 픽셀 / 출처 : 위키백과 (http://ko.wikipedia.org/wiki)
디스플레이 반도체인 TFT는 Thin Film Transistor의 약자로, 얇은 박막이 쌓여있는 트랜지스터입니다. TFT는 반도체의 일종으로 전기적 신호를 제어하여 빛을 키고 꺼서 디스플레이를 하는 전자∙전기소자를 말하죠.
▲ RGB 속 TFT / 출처 : 위키백과 (http://ko.wikipedia.org/wiki)
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디스플레이는 위 그림과 같이 다수의 픽셀로 구성되어있습니다. 또한 하나의 픽셀은 RGB(빨간, 초록, 파랑) 픽셀로 구성되어있습니다. TFT는 바로 이 RGB(빨간, 초록, 파랑) 픽셀 안에서 빛의 밝기를 조절하는 전기적 스위치 역할을 하게 되는데요. 즉 RGB 픽셀에서 나오는 빛의 유무를 TFT가 ON/OFF하여 발광 제어를 하는 것입니다. 만약 RGB 픽셀이 모두 켜지면 RGB 색이 모두 합쳐지게 되어 빛의 삼원색의 원리에 의해 흰색이 됩니다. 반대로 모두 꺼지면 빛이 나오지 않아 검은 색이 되어 픽셀에서는 빛이 나오지 않겠죠! 그런데 TFT는 어떻게 만들어 졌길래 전기적 스위치 역할을 하는 것일까요? 이는 TFT의 구조를 살펴보면 알 수 있습니다.
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TFT는 전기적 스위치 역할을 위해 만들어졌기 때문에 트렌지스터의 한 종류인 MOSFET(모스펫)의 구조와 동작 원리가 매우 닮았습니다. 따라서 TFT의 구조와 동작원리를 이해하려면 먼저 MOSFET의 구조와 동작원리를 살펴 보아야 하는데요. 모스펫은 소스, 게이트, 드레인, 옥시드의 4가지 단자로 이루어져 있고, 모스펫의 단자 용어는 물의 흐름에서부터 나온 것인데요. 이때 물은 전자라고 생각하면 쉽게 이해할 수 있죠! 모스펫은 한마디로 전압이 스위치 역할을 하는 소자를 말한답니다.
아래 그림은 TFT의 종류 중 하나인 a-Si TFT의 구조입니다. 얇은 박막이 층층이 쌓여져 있는 것을 볼 수 있는데요. 모스펫과 구조가 매우 닮았죠?
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▲ (좌측부터) a-Si TFT 구조 (게이트 전압 인가 시), MOSFET (NMOS) 구조
구조가 같은 만큼 같은 동작원리를 가지고 있어 TFT도 모스펫 처럼 전기적 스위치 역할을 담당하고 있습니다. 즉 디스플레이 구성 요소인 픽셀의 On/Off 스위치로 전기적 신호를 제어하죠.
그런데 왜 디스플레이에서는 모스펫 대신 TFT를 쓸까요? 그건 바로 구조의 최하단부에 위치한 기판의 차이 때문입니다. 실리콘 기판 위에 만들어진 모스펫은 빛이 통과해야 하는 디스플레이에 적합하지 않았습니다. 그래서 Glass 기판 위에 만들어지는 디스플레이에 사용할 모스펫을 만들었는데 그것이 TFT가 된 것이죠. 즉 TFT는 Glass 기판 위에 만들어져 빛의 투과율이 높아 모스펫 대신 디스플레이 반도체로 TFT를 쓰는 것이랍니다!
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요즘 디스플레이 광고를 보면 ‘UHD’, ‘65인치 이상 대형 디스플레이’라는 단어를 쉽게 접할 수 있습니다. 이처럼 디스플레이 기술은 점점 고해상도와 대형화 방향으로 발전하였는데요. 따라서 픽셀 개수가 증가하였고 그만큼 표현해야 할 정보처리 양이 많아 문제가 되었습니다. 하지만 이는 TFT의 발전으로 인하여 해결될 수 있었는데요. 소형 LCD에 쓰이는 a-Si TFT부터 대형 디스플레이에 쓰이는 Oxide TFT까지! 지금부터 TFT에 대해 살펴봅시다!
아래 그림은 a-Si TFT의 구조입니다. 녹색 산화물 층의 형성 물질에 따라 TFT의 종류를 나눌 수 있고 어떤 물질을 쓰느냐에 따라 Source에서 Drain으로 가는 전자의 이동 속도가 결정되는데요. 비정질 실리콘을 사용한 a-Si TFT, 다결정 실리콘을 사용한 LTPS TFT, 산화물질인 IGZO를 사용한 Oxide TFT 등으로 구분할 수 있습니다.
▲ a-Si TFT 구조의 산화물 층
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첫째, 비정질 실리콘으로 만들어진 a-Si TFT입니다. a-Si TFT는 공정 자체도 복잡하지 않고, 수율도 높아 초기 LCD에 사용되었습니다. 하지만 태생적인 한계가 있었으니 바로 낮은 전자 이동도였습니다. 앞에서 TFT는 전기적 스위치라고 설명드렸는데요. 스위치의 생명은 무엇일까요? 바로 빠른 반응속도죠! 집에서 형광등을 스위치로 켜고 끄는 데 2~3분씩 기다려야 한다면 무척 불편할 텐데요. 초기 LCD는 소형과 화질이 낮아 디스플레이에 표시할 신호 처리량이 많지 않았습니다. 그래서 전자의 이동속도가 다소 느린 a-Si TFT로도 충분했죠. 하지만 과학기술이 발전하면서 사용자들은 조금 더 크고 조금 더 선명한 디스플레이를 원했습니다.
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▲ a-Si TFT를 사용한 LCD / 출처 : LG전자 (www.lge.co.kr)
그래서 a-Si TFT보다 빠른 전자 이동속도를 가진 TFT가 개발되었는데 이것이 LTPS(Low Temperature Polycrystaline Silicon) TFT입니다. 이는 a-Si TFT의 비정질 실리콘에 특수 레이저 공정을 더하여 실리콘 분자들을 결정 형태로 만들어 전자 이동도를 높인 것인데요. 덕분에 빠른 반응속도를 갖게 되었고 많은 신호처리를 신속하게 처리할 수 있게 되었습니다. 하지만 고온의 특수 레이저 공정은 이전 공정단계에 좋지 않은 영향을 끼치며 대형화에 적용할 때 이를 제어할 수 있는 기술 역시 상당한 난이도가 요구됩니다. 따라서 LTPS TFT는 신호 처리량이 많고 빨라야 하는 고해상도 디스플레이에 쓰이고 있습니다.
▲ (좌측부터) LTPS TFT를 사용한 LCD, Oxide TFT를 사용한 OLED / 출처 : 삼성전자 (http://www.samsung.com), LG전자 (www.lge.co.kr)
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a-Si TFT의 단점을 보완하기 위해 만들어진 것이 LTPS TFT였으나 LTPS TFT 역시 제조 단가의 문제로 범용화 되지 못하고 있는 실정인데요. 그래서 개발된 것이 Oxide TFT입니다. Oxide TFT는 2가지 특성을 가졌습니다. 첫 번째는 a-Si TFT 처럼 가격이 저렴하다는 것과 두 번째로는 LTPS TFT 처럼 빠른 전자 이동도를 가졌다는 것입니다. Oxide TFT는 반도체 물질에 실리콘 대신 Oxide(산화물), 즉 In(인듐)+Ga(갈륨)+Zn(아연)+O(산소)가 결합된 IGZO라는 산화물을 이용하는데요. IGZO는 LTPS TFT의 재료가 되는 다결정 실리콘보다는 전자의 이동속도가 빠르지 않지만 a-Si 보다는 10배나 빠르다는 장점을 가지고 있습니다. 그리고 Oxide TFT는 a-Si와 비슷한 공정 프로세스를 가지고 있어 기존의 설비를 활용하기 때문에 무척 저렴하죠. 또한, 공정 기술 측면에서 대형 패널을 만드는 한계를 가진 LTPS TFT를 대신해서 대형 디스플레이 TFT의 대안으로 떠오르고 있기도 합니다. 이러한 장점들 덕분에 신호 처리량이 많고 빨라야 하는 중 대형 디스플레이에 쓰이고 있죠.
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디스플레이 발전의 주역 TFT! 디스플레이 반도체 TFT의 역할과 종류가 무척이나 흥미롭지 않으신가요?
UHD와 같은 100인치 이상 고화질 대형 디스플레이를 가능케 한 것이 디스플레이 반도체 TFT 덕분이라니! 삶을 풍요롭게 해주는 반도체에 대해 다시 한번 감탄 할 수밖에 없었는데요. 현재 디스플레이 업계는 한 단계 더 도약하기 위해 flexible, transparent와 같은 특성을 가진 미래형 디스플레이를 개발 중입니다. 앞으로 꾸준히 진화를 거듭할 디스플레이의 핵심 소자 TFT의 발전을 기대해봅니다~!
