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LG디스플레이 블로그에서는 디스플레이 상식에 대해 알고 싶으신 분들을 위해 ‘디스플레이 상식 사전’ 시리즈를 진행하고 있습니다. 디스플레이에 대한 아주 기본적인 지식부터 심도 있는 단어까지, 이해하기 쉽게 풀어드립니다. 이번 시간에는 디스플레이의 비약적인 발전에 큰 공을 세운 디스플레이 반도체, TFT에 대해 알아보도록 하겠습니다.

TFT(Thin Film Transistor)

디스플레이의 기본 단위인 픽셀(Pixel)을 제어하는, 일종의 스위치 역할을 담당하는 반도체 소자

 

TFT, 정의와 역할을 알아보자

 

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▲ RGB 속 TFT (출처: 위키백과)

 

디스플레이는 위 그림과 같이 다수의 RGB(빨강, 초록, 파랑) 픽셀로 구성되어 있습니다. TFT는 바로 이 RGB(빨강, 초록, 파랑) 픽셀 안에서 빛의 밝기를 조절하는 전기적 스위치 역할을 하는데요. RGB 픽셀에서 나오는 색의 빛을 ON/OFF 하여 발광 제어를 하는 거죠.

 

그런데, TFT는 어떻게 만들어졌길래 전기적 스위치 역할을 할 수 있는 걸까요? TFT 구조를 살펴보겠습니다.

 

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▲ TFT 구조

 

구조가 조금 복잡해 보이죠? 아래에서부터 차근차근 그 역할과 공정을 알아보겠습니다. 베이스가
되는 유리기판 다음의 게이트(Gate) 전극부터 설명해드릴게요.

 

 

– 게이트(Gate) 전극: 활성층의 전류를 흐르거나 흐르지 않게 조절합니다.

– 게이트(Gate) 절연막: 게이트(Gate) 전극과 활성층을 분리해주는 역할을 합니다.

(둘 사이가 붙어있으면 TFT 역할을 제대로 할 수 없습니다)

– 소스(Source)/드레인(Drain): 전자를 공급하고, 받는 역할을 합니다. (DATA 전극)

– 보호막: 공정 중 기판 이동 중에 생기는 스크래치나 수분침투로 발생하는 손상을 방지합니다.

 

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▲ TFT 공정 순서 (출처: 한국디스플레이연구조합)

 

TFT에도 종류가 있다?

 

TFT 종류는 전류가 통과할 수 있는 채널 층의 구성물질에 따라 크게 3가지로 나뉩니다. 어떤 물질을 쓰느냐에 따라 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 가는 전자의 이동속도가 결정되는데요. 이때, TFT 종류에 따라 TFT 구조가 바뀌기도 한답니다.

 

최근에는 방대한 정보량을 요구하는 대형 디스플레이가 추세인 만큼, 이 TFT의 구성물질이 향후 디스플레이 발전의 핵심이라고 할 수 있습니다. 물질마다 어떤 특성이 있는지 비교 분석해보도록 하겠습니다.

 

1. a-Si(Amorphous Silicon) – 비정질 실리콘

 

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▲ a-si TFT가 적용된 LCD 모니터 (출처: LG전자)

 

첫 번째 유형은 비정질 실리콘으로 만들어진 a-Si TFT입니다. a-Si TFT는 공정 자체도 복잡하지 않고, 수율도 높아 초기 LCD에 많이 활용되었는데요. 그러나 태생적인 한계가 있었으니… 바로 낮은 전자 이동도입니다. ‘비정질’이라는 게 원자, 이온, 분자 등이 규칙적으로 배열되어 있지 않은 고체 물질을 뜻하기 때문입니다.

 

앞에서 TFT는 전기적 스위치라고 말씀드렸는데요. 집에서 형광등 스위치를 눌렀는데 2~3분씩 기다려야 한다고 생각해보세요. 휴, 생각만 해도 답답하네요. 사실, 초기 LCD는 사이즈나 해상도 측면에서 디스플레이에 표시할 신호 처리량이 많지 않아 a-Si TFT로도 충분했습니다. 하지만 최근에는 고객들이 더 크고 선명한 디스플레이를 원하기 시작함에 따라 전자 이동도가 더 빠른 물질의 사용이 점점 늘어나고 있는 상황입니다.

 

그리고, OLED의 경우 이 TFT를 단순히 전기적 스위치로만 사용하지 않고, 전류를 정밀하게 제어하는 용도로 사용합니다. 그래서 특히, OLED에서 전자 이동도가 높은 TFT를 사용하기 위해 많이 노력하고 있어요.

 

 

2. LTPS(Low Temperature Poly Silicon) – 저온 폴리 실리콘

 

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▲ LTPS TFT가 적용된 LG G5 (출처: LG전자)

 

이후 a-Si TFT보다 빠른 전자 이동속도를 가진 LTPS(Low Temperature Poly Silicon) TFT가 개발되었는데요. LTPS는 a-Si TFT의 비정질 실리콘에 특수 레이저 공정을 더해 전자 이동도를 높인 TFT입니다. 전자이동도가 비정질 실리콘 반도체 소자보다 100배 이상 높다고 하네요. 이 때문에 고해상도를 요구하는 LCD나 TFT로 정밀한 전류제어가 필요한 OLED 패널 시장에서 각광 받고 있습니다.

 

하지만, 기존 a-Si 생산라인을 활용할 수 없고 특수 레이저 공정을 추가하여야 하기 때문에 제조 단가가 비싸다는 단점이 존재합니다. 그래서 대형 공정이 어려워 중소형 고해상도 LCD나 OLED를 제작하는데 주로 LTPS TFT를 사용하죠.

 

 

3. Oxide – 산화물

 

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▲ Oxide TFT가 적용된 올레드 TV (출처: LG전자)

 

LTPS의 높은 제조단가와 인프라 활용의 문제를 해결하기 위해 Oxide TFT가 등장했습니다. Oxid TFT는 반도체 물질에 실리콘 대신 Oxide(산화물), 즉 In(인듐), Ga(갈륨), Zn(아연), O(산소)를 결합한 IGZO라는 산화물이 들어가 있는데요. LTPS TFT의 재료가 되는 다결정 실리콘만큼 전자의 이동속도가 빠른 건 아니지만, a-Si보다는 10배 가량 빠르다는 장점이 있습니다. 공정 프로세스도 a-Si와 비슷하므로 기존 설비를 활용할 수 있어 효율적이죠.

 

이 때문에 Oxide TFT는 LTPS TFT를 대신하는 대형 디스플레이 TFT의 대안으로 떠오르고 있습니다. 주로, 고해상도/저전력 구동이 필요한 대형 LCD나 LTPS로 사이즈 대응이 되지 않는 OLED TV에 사용한답니다.

 

 
a-Si
LTPS
Oxide TFT
전자 이동 속도
매우 느림
매우 빠름
빠름
확장성
100인치 이상
50인치 이하
100인치 가능
비용
낮음
높음
보통

▲ TFT의 종류 비교

 

위에서 말씀드린 TFT의 종류의 특성을 표로 정리해보았으니 참고하시기 바랍니다.


디스플레이 발전의 주역 TFT. 지금까지 디스플레이 반도체 TFT의 역할과 종류를 알아보았는데요. 기존의 단점을 보완하며, 발전의 발전을 거듭해온 TFT의 이야기가 무척이나 흥미롭네요. 기존 공정의 단점을 보완하며 발전하는 a-Si과 새로운 공정이 필요한 고성능의 LTPS, 그리고 그 중간 형태의 Oxide TFT가 어떻게 서로 경쟁하며 발전하는지 지켜보는 것도 재미있을 것 같습니다. 앞으로 어떤 방식이 대세가 될지 기대가 되네요.

 

  • 김준형

    좋은 정보 배우고 갑니다!

  • 백수진

    잘읽었습니다!!