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평소 영화 속에서만 볼 수 있었던 다양한 형태의 디스플레이 모습들. 이처럼 발전된 형태의 디스플레이에는 지금과는 다른 TFT 반도체가 사용 되어야 할 것만 같은데요! 과연 TFT 반도체는 어떠한 기능을 하는 것일까요? 지금부터 투명하고, 휘어지는 디스플레이에 적용되기 위한 TFT 반도체의 준비과정을 살펴보도록 하겠습니다!
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▲ 디스플레이의 빛 투과도 모습
일반 디스플레이의 경우에는 여러 층을 통과하면서 투과율이 저하되는데요. 특히 TFT가 존재하고 있는 TFT Backplane과 음극 층인 Cathode 전극 층에서 투과도가 확 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 때문에 첫 번째로 50%밖에 빛을 투과시키지 못하는 TFT 층을 새로운 물질로 개선하고, 두 번째로 60%밖에 빛을 투과시키지 못하는 Cathode 음극 층을 투명하게 개선시키는 기술이 필요한 것이죠!
하나. 투명 TFT의 새로운 물질 변화
그 첫 번째 방법이 바로 TFT의 물질을 변화하여, 투명한 TFT를 만들고 그만큼 더 빛을 투과시키는 방법인데요. TFT 반도체 자체가 투명하게 되면, 불투명한 TFT 때문에 가로막혔던 빛들이 그만큼 더 통과할 수 있겠죠?
▲ IGZO와 ITO로 물질을 바꾼 투명 TFT
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투명 TFT를 만드는 첫 번째 변화는 바로 물질 변화입니다. 위의 왼쪽 사진을 보시면 일반적인 TFT 반도체의 구조인데요. 특히 채널(Channel)의 물질을 기존의 실리콘에서 ZnO라는 물질로 바꿔주면 투과도가 1% 향상됩니다. 뿐만 아니라 게이트(Gate) 물질을 바꿔 준 경우 3%의 빛 투과율이 추가로 개선되며 양쪽의 Source/ Drain 영역의 물질을 바꿔줄 경우 7%의 투과율이 증가합니다. 정리해 보면, 투명 TFT 적용 시 투명 TFT Backplane에는 총 7%의 투명도가 향상되는 것이지요!
그렇다면 여기서 ZnO와 GIZO는 어떤 물질일까요? 먼저 ZnO는 산화알루미늄아연으로 투명 전도막 외에 타이어 제조, 화장품 등에 쓰이는 물질인데요. 밴드갭이라 불리는 에너지 크기의 정도가 3.3eV이기 때문에 대부분의 가시광선을 투과하는 원리랍니다. 다음으로 GIZO라는 물질은 현재 투명 TFT 제작에 필요한 새로운 물질로 주목받고 있는데요! 이그조라고도 불리는 이 물질은 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 산화물(O)로 만든 디스플레이의 재료입니다.
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▲ IGZO을 이루고 있는 물질의 조성 별 물성변화 모습 / 출처: Wikipedia
특히 비정질 다원계 산화물 반도체 소재인 IGZO는 비교적 저온에서 대면적으로 제조가 가능하기 때문에 더욱 더 투명한 디스플레이 TFT 재료로 각광받고 있는데요. 이 물질은 물질조성과 공정조건에 따라 전기적 특성(전하농도, 이동도)를 손쉽게 제어할 수도 있고 위의 사진처럼 구성원소의 조성비 조절을 통해 TFT 소자특성을 제어할 수 있다는 것도 큰 특징입니다. 즉 개인의 필요에 따라 인듐(In)과 갈륨(Ga), 아연(Zn), 산화물(O)의 조성비를 바꾸어 TFT를 제작하게 되면, 투명도 등을 개선시키는 것과 같이 다양한 사용이 가능해지는 것이죠!
특히 위의 오른쪽 사진을 보면, 각 IGZO 물질의 조성 별 물성변화에 따른 전자이동도의 차이를 알 수 있는데요. 먼저 삼각형 그림 안의 색깔이 빨간색으로 갈수록 전자이동도가 100에 가깝게 커지고 보라색으로 갈수록 0에 가까운 전자이동도를 갖게 됩니다. 여기서 전자이동도란 반도체 속 전자의 이동도를 뜻하는 것으로 속도를 의미한답니다. 또한 삼각형 세 곳의 꼭지점으로 향할 수록 해당 물질의 퍼센트가 100%가 되는 것이죠! 그렇게 규정해 놓고 그림을 다시 바라보면, 각각 물질의 퍼센트에 따라 성질이 달라지는 것을 눈으로 직접 확인할 수 있답니다.
둘. 투명전극 사용으로 더욱 더 투명하게!
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▲ 투명전극 사용 후 투명도 향상 모습 / 출처: 제작/권장연 교수_연세대 2014 발표자료 참고
투명한 디스플레이를 제작하기 위한 다음 방법으로는 투명 전극 적용 효과가 있는데요. 투명전극 사용 시 투명도 11%가 향상되는 효과를 볼 수 있답니다. (7인치 VGA 기준) 뿐만 아니라 투명 Backplane을 적용하면 적용 대비 18%의 투명도 또한 향상될 수 있죠.
이외에도 투명한 디스플레이를 제작하기 위해서는 TFT 기판이 녹지 않도록 200℃ 이하의 낮은 온도 공정과 높은 해상도의 픽셀 디자인, IGZO와 같은 투명한 물질 사용, 투명한 유리기판 사용 등의 기술들이 필요한데요. 이러한 기술에 더불어 높은 신뢰성을 갖는 TFT 공정법과 새로운 소자 개발이 합쳐진다면 빠른 시일 내에 더욱 성능이 뛰어난 디스플레이를 만나 볼 수 있겠죠? 이러한 투명 디스플레이가 앞으로 자동차, 증강 현실, 패션, 광고 등에 활용 가능한 미래의 핵심 디스플레이로 기여하기를 기대해봅니다!
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투명 디스플레이에 이어 미래의 차세대 디스플레이 대표주자로 불리는 것이 바로 휘어지는 디스플레이, 플렉서블 디스플레이이죠. 이하 플렉서블 디스플레이에 사용되는 TFT 반도체는 일반 디스플레이 TFT 반도체와 어떤 점들이 다를까요?
하나. 플라스틱 기판에 적용 가능한 TFT 반도체의 공정 온도
휘어지는 플렉서블 디스플레이를 제작하기 위해서는 디스플레이의 기초 지지대, 기판이라 불리는 것이 중요한데요. 기존의 일반 디스플레이에서는 유리 기판을 많이 사용했지만, 휘어지게 하기 위해서는 다른 물질이 필요했답니다. 유리는 휘어질 수 없으니까요! 그래서 나온 기판의 재료가 바로 ‘플라스틱’이랍니다.
▲ 플렉서블 디스플레이 모습 / 출처: Wikipedia
그런데 ‘플라스틱 기판과 TFT 반도체가 무슨 연관이 있지?’라고 생각하실 수도 있을 텐데요. TFT와 함께 공정을 할 때에 유리는 높은 온도를 견디지만 플라스틱은 높은 온도를 견딜 수 없기 때문에 TFT 반도체의 공정 온도 또한 플렉서블 디스플레이를 만드는 데에 중요한 것입니다! 때문에 비정질 실리콘으로 만들어진 a-Si TFT와 폴리 실리콘 TFT, Oranic(유기물) TFT, Oxide(산화물) TFT 중에서도 낮은 온도 공정이 가능한 Organic TFT와 Oxide TFT가 가능한 것이지요. (공정온도: a-Si TFT 350℃, P-Si TFT 450℃, Oranic TFT 200℃, OxIde TFT 300℃)
둘. 저 응력, 고 신뢰성 구조를 위한 TFT 봉지 기술
이외에도 디바이스가 휘어지게 되면 그에 따른 신뢰성 또한 변화하기 때문에 추가로 저응력 및 고 신뢰성 구조를 갖기 위해서 다양한 TFT 봉지 방법들이 개발되고 있는데요. 봉지 방법이란 TFT 보호를 위해 위에 포장을 하는 형식의 공정 방법이랍니다. 봉지 방법뿐만 아니라, 판이 휘어지게 되면서 증가하는 응력 등의 스트레스를 감소시키고 Crack과 같은 금들을 위해 유연한 재료로 TFT를 제작하는 것도 중요한 점이겠죠!
얇고 가벼우며, 깨지지 않는 특징을 갖는 휘어지는 플렉서블 디스플레이. 다양한 디자인과 용도로 활용될 차세대 디스플레이임은 틀림없는데요. 앞으로 신뢰성 있는 TFT의 소재 개발, 경쟁력 있는 저가격 공정 기술, 봉지 기술 그리고 모듈 기술들이 더욱 더 발전된다면 새로운 개념의 혁신 제품이 탄생하리라 생각됩니다.
지금까지 투명하고 휘어지는 디스플레이에 사용되는 조금은 특별한 TFT 반도체에 대해 알아보았습니다. 앞으로는 영화 속에서만 보던 새로운 디스플레이들이 더욱 더 활발히 개발 될 것이라고 전문가들은 말하고 있는데요. 항공기 조종사용 디스플레이, 정보형 수족관 등 다양한 분야에서 만나게 될 다양한 모습의 디스플레이가 기대되는데요. 그 안에 존재되어 있는 TFT 반도체의 기술 발전 또한 기대해 보겠습니다!
