TFT (Thin Film Transistors)

우리 사회가 압도적으로 기술적인 국가로 발전함에 따라 스크린은 거의 모든 곳에서 나타나는 것 같습니다. 이러한 유리 디스플레이 또는 평면 패널 디스플레이 뒤에는 우리가 보는 전체 이미지를 구성하는 픽셀을 제어하는 수십만 개의 복잡하고 작은 장치가 있습니다. 이러한 장치를 박막 트랜지스터(Thin Film Transistors), 약어로 TFT라고 합니다.

 

 

 

 

1962년, 반도체 및 마이크로일렉트로닉스 분야의 일련의 발전 끝에 TFT가 등장했습니다. RCA(Radio Corporation of America)는 트랜지스터의 사용 가능성을 확대하기 위해 수년간 실험하고 개발을 거듭했습니다. RCA의 회원인 John Wallmark가 1957년에 첫 번째 박막 특허를 얻었으나, 실제로 TFT를 개발한 사람은 RCA의 Paul K. Weimer였습니다.

 

TFT가 등장하기 전에는 FET(Field Effect Transistor)가 있었습니다. FET는 반도체 소자의 일종으로, 트랜지스터가 전기적 신호를 증폭, 제어, 생성하는 역할을 합니다. 이 트랜지스터는 장치 내에서 전류의 움직임과 흐름을 제어하기 위해 만들어졌습니다. FET는 소스, 드레인, 게이트와 반도체와의 접촉 및 전도를 허용하는 개별 전극으로 구성된 표준 빌드를 가지고 있습니다. 이 소자는 전자나 정공과 같은 전하 캐리어의 움직임을 증가시키거나 감소시키며, 이를 통해 게이트에 인가된 전압을 제어할 수 있습니다. 이러한 방식은 캐리어 이동성, 또는 FET에 특정한 전계 효과 이동도로 알려져 있습니다. 이동도가 높은 반도체를 사용하면 전하가 더 쉽게 증폭, 제어, 생성될 수 있습니다. 그런 다음 FET는 신호를 소스에서 드레인 및 지정된 신호 수신자로 전송하면서 강도를 조절할 수 있습니다.

 

FET는 1925년에 처음 성공적으로 제작되었으며, 1945년에는 특허를 받았습니다. 그러나 FET가 훨씬 더 유용하게 된 것은 금속 산화물 반도체 필드 효과 트랜지스터(MOSFET)가 만들어진 이후였습니다. 과학자들은 장치를 위한 게이트 절연체를 만들 수 있다는 것을 발견했으며, 이를 통해 일반적으로 실리콘으로 만들어진 반도체 조각의 제어된 산화(산화층을 다른 표면으로 강제 확산)를 허용했습니다. 이 새로운 층은 MOSFET의 유전체 층 또는 게이트 유전체로 알려져 있습니다. 이 개발로 인해 FET는 다양한 용도로 통합될 수 있었으며, 그 중 가장 주목할 만한 것은 디스플레이 기술이었습니다.

 

TFT LCD 디스플레이는 이러한 기술적 발전의 결과물로, 지금 우리가 일상적으로 사용하는 스크린의 기반이 됩니다.

 

 

 

 

 

 

MOSFET에서 TFT가 탄생했습니다. TFT는 이름에서 알 수 있듯이 박막을 사용하기 때문에 표준 MOSFET 또는 벌크 MOSFET과는 다릅니다. TFT는 전자의 새로운 시대를 열었습니다. 첫 번째 TFT가 개발된 지 불과 몇 년 후인 1968년, RCA의 Bernard J. Lechner는 현대에 인기를 끌 TFT LCD(Liquid Crystal Display)에 대한 아이디어를 공유했습니다. 이 LCD는 1973년 Westinghouse Research Laboratories에서 처음 만들어졌습니다. 이 LCD는 트랜지스터로 제어되는 픽셀로 구성되었습니다. FET에서는 기판이 반도체 재료에 불과했지만, TFT LCD 제조에서는 픽셀을 표시하기 위해 유리 기판을 사용했습니다.

 

그러나 TFT 개발은 여기서 끝나지 않았습니다. 1974년, TFT LCD의 개발자 중 한 명인 T. Peter Brody와 Fang-Chen Luo는 최초의 능동 매트릭스 LCD(AM LCD)를 만들었습니다. 능동 매트릭스는 각 픽셀을 개별적으로 제어합니다. 즉, 각 픽셀의 각 TFT는 신호를 능동적으로 보존합니다. 이는 디스플레이가 더 복잡해짐에 따라 더 나은 성능과 속도의 문을 열었습니다.

 

능동 매트릭스 구조는 각 픽셀에 독립적인 트랜지스터를 배치하여, 더 빠르고 정확한 화면 전환을 가능하게 했습니다. 이로 인해 화면의 응답 속도가 향상되었고, 더욱 선명하고 생생한 이미지를 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술 발전은 오늘날의 고해상도 디스플레이와 스마트폰, 태블릿, 컴퓨터 모니터 등 다양한 기기에 널리 사용되고 있습니다. TFT LCD의 발전은 우리가 일상에서 경험하는 시각적 경험을 혁신적으로 변화시켰습니다.

 

 

 

 

 

TFT는 다양한 반도체 재료를 사용할 수 있지만, 실리콘이 가장 널리 사용되어 Si TFT(실리콘 기반 TFT)로 약칭됩니다. 반도체 장치로서 TFT와 모든 FET는 고체 전자 장치를 사용합니다. 즉, 진공관이 아닌 반도체 층의 구조를 통해 전기가 흐릅니다.

 

실리콘의 다양한 구조 때문에 Si TFT의 특성도 다양할 수 있습니다. 가장 일반적인 형태는 반도체 제조 공정의 첫 번째 단계에서 낮은 온도에서 기판에 증착되는 비정질 실리콘(A-Si)입니다. A-Si

형태로 수소화될 때 가장 유용합니다. 수소가 없으면 물질이 도핑(전하의 이동성을 증가시키기 위한 불순물의 도입)하는 데 어려움을 겪습니다. 그러나 A-Si

형태에서는 반도체 층이 훨씬 더 광전도성이 있고 도핑될 수 있습니다. A-Si

TFT는 1979년에 처음 개발되었으며 실온에서 안정적이며, AM LCD에 가장 적합한 옵션이 되었고, 이로 인해 인기가 상승하기 시작했습니다.

 

실리콘의 두 번째 잠재적 형태는 미세결정질 실리콘입니다. A-Si와 유사한 형태를 유지하지만, 이 유형의 실리콘에는 결정 구조로 알려진 입자가 포함되어 있습니다. 비정질 구조는 네트워크와 같은 구조에서 더 무작위적이고 덜 기하학적인 모양을 가지지만, 결정질 구조는 더 조직화되어 있습니다. 미세결정질 실리콘은 A-Si

보다 전자 이동도가 더 좋고 안정성도 더 높습니다. 이는 A-Si의 증착과 유사한 방식으로 증착됩니다.

 

마지막으로 폴리실리콘(다결정 실리콘)입니다. 폴리실리콘은 많은 결정으로 구성된 구조를 가지고 있어 미세결정질 실리콘과 A-Si의 중간 형태라고 할 수 있습니다. 이 특정 형태는 구조의 특성을 변경하기 위해 실리콘 재료를 어닐링(열을 추가하는 과정)하여 만들어집니다. 폴리실리콘을 사용하면 결정 격자의 원자가 가열되면서 이동하고 냉각되면서 재결정화됩니다.

 

이와 같은 실리콘 구조의 다양한 형태는 각각 고유한 특성과 응용 분야를 가지고 있습니다. A-Si

는 저렴하고 안정적인 디스플레이를 만드는 데 적합하며, 미세결정질 실리콘은 더 높은 전자 이동도와 안정성을 제공하고, 폴리실리콘은 높은 성능과 정밀도를 요구하는 응용 분야에 사용됩니다. 이 모든 기술적 발전은 현대의 고해상도 디스플레이 기술을 발전시키는 데 중요한 역할을 했습니다.

 

 

 

 

 

이러한 형태, 특히 A-Si와 폴리-Si의 가장 큰 차이점은 폴리-Si를 사용할 때 전하 캐리어의 이동성이 훨씬 더 좋고 재료가 더 안정적이라는 점입니다. 복잡한 고속 TFT 기반 디스플레이를 제작할 때, poly-Si의 이러한 특성이 이를 가능하게 합니다. 그러나 A-Si는 낮은 누설 특성으로 인해 여전히 매우 중요합니다. 즉, 유전체 절연체가 완전히 비전도적이지 않을 때도 누설 전류가 크게 손실되지 않습니다.

 

1986년, 히타치(Hitachi)는 최초의 저온 폴리실리콘(LTPS)을 시연했습니다. LTPS는 유리 기판이 고온에 강하지 않기 때문에 소자 제조에 큰 역할을 합니다. 따라서 poly-Si를 어닐링하기 위해 더 낮은 온도를 사용합니다.

 

몇 년 후, 2012년에 IGZO(인듐 갈륨 아연 산화물)의 형태로 또 다른 개발이 이루어졌습니다. IGZO는 재생률 측면에서 보다 강력한 디스플레이를 허용하고, 전력 소비 측면에서도 더 효율적입니다. 이 반도체 물질은 이름에서 알 수 있듯 인듐, 갈륨, 아연, 산소를 사용합니다. IGZO는 아연 산화물(ZnO)의 한 형태이지만, 인듐과 갈륨을 첨가하면 이 물질이 균일한 비정질 상태로 증착될 수 있으며, 동시에 산화물의 높은 캐리어 이동도를 유지할 수 있습니다.

 

TFT가 디스플레이 기술에서 그 존재감을 점점 더 높이면서, 투명 반도체와 전극은 제조업체들에게 더욱 매력적인 선택이 되었습니다. ITO(인듐 주석 산화물)는 그 예로, 외관이 투명하고 우수한 전도성을 가지며 증착이 용이하여 널리 사용되는 투명 산화물입니다.

 

이와 같은 기술적 진보는 현대 디스플레이 기술의 발전을 촉진하고, 다양한 응용 분야에서 더 나은 성능과 효율성을 제공하는 데 중요한 역할을 했습니다.

 

 

 

 

 

 

서로 다른 재료를 사용하는 TFT에 대한 연구는 임계 전압의 적용, 즉 장치를 켜는 데 필요한 전압의 양을 이해하는 데 큰 역할을 했습니다. 이 값은 산화물의 두께와 종류에 크게 의존합니다. 산화물의 경우, 이는 누설 전류의 개념과 관련이 있습니다. 더 얇은 층과 특정 유형의 산화물을 사용하면 누설 전류가 더 커질 수 있지만, 장치로의 누설도 증가하므로 임계 전압이 낮아질 수 있습니다. 낮은 전력 소비에 대한 TFT의 잠재력을 활용하기 위해 임계 전압이 낮을수록 장치의 매력이 더 커집니다.

TFT에서 비롯된 또 다른 개발 분야는 유기 TFT(OTFT)입니다. 1986년에 처음 생성된 OTFT는 일반적으로 고분자 또는 거대분자의 용액 주조를 사용합니다. 이 장치는 느린 캐리어 이동성으로 인해 응답 시간이 느리다는 단점이 있었지만, 연구자들은 OTFT의 유연성을 활용해 유연한 플라스틱 디스플레이와 같은 새로운 용도로 사용될 가능성을 실험해 왔습니다. OTFT는 기존 실리콘 기술보다 처리가 간단하여 현대 및 미래 기술에 대한 많은 잠재력을 가지고 있습니다.

TFT는 기술 발전의 요구를 다양하게 충족할 수 있도록 진화했습니다. 뛰어난 이미징 특성과 저렴한 제조 비용으로 인해, TFT 장치 및 기술은 크게 향상되었습니다. 예를 들어, Apple은 iPhone, MacBook, iPad 등 다양한 기기에서 TFT LCD를 사용합니다. 또한 Apple은 더 얇고 유연한 디스플레이를 만들 수 있는 유기발광다이오드(OLED) 기술 개발에 착수했습니다. OLED는 더 깊고 풍부한 색상을 제공하지만, 가격이 비싸고 물에 약한 단점이 있습니다. 그럼에도 불구하고 OLED는 TFT LCD를 대체하지 못했으며, 특히 AMOLED(Active Matrix OLED) 디스플레이는 Apple의 iPhone X 및 Apple Watch와 같은 장치에 구현되었습니다.

TFT 기술과 장치는 Apple의 디스플레이에만 국한되지 않습니다. 고해상도와 고성능의 장점으로 자동차 대시보드와 화면, 의료 분야의 방사선 이미지 수용체 등 다양한 분야에 사용됩니다. 이러한 기술 발전 덕분에 엔지니어, 기술자, 그리고 야심 찬 사람들을 위한 "기술 사회"가 등장했습니다. IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)는 기술로 인류를 개선하는 데 전념하는 대표적인 기관입니다. 전자 장치 협회(EDS)는 IEEE의 하위 학회로, 전자 장치의 이론과 설계에 관한 논문을 과학 저널에 게재합니다. 이와 같은 단체는 지속적인 연구와 개발을 통해 기술의 진보를 이끌고 있습니다.

TFT 기술의 발전은 우리의 일상 생활에 큰 변화를 가져왔습니다. 이러한 디스플레이 기술의 혁신은 앞으로도 다양한 산업에서 중요한 역할을 할 것입니다.