박막 트랜지스터, TFT는 스위칭 소자로써 특정 (부)화소를 정의하고 신호를 전달해주는 역할을 합니다. 화소를 점등하는 스위칭 소자로서 트랜지스터를 사용하는데, 디스플레이에서는 실리콘 기판이 아닌 유리 기판 위에 형성된 실리콘 박막에 만들어지므로 박막 트랜지스터라고 하죠. 즉, TFT는 RGB 부화소들마다 위치하여서 스위칭 역할을 담당하고 있습니다.
사실, TFT의 역사는 LCD의 역사만큼이나 오래 되었는데, 1930과 1940년대에는 CdSe 소재를 이용한 TFT가 고체 촬상 소자용으로 개발되었고, 1972년에야 LCD에 적용하게 되죠. 그리고 1970년대 중 후반에 비정질 실리콘 TFT LCD가 발표되며, 이후로 저온과 고온 다결정 실리콘 TFT로 발전하였고, 최근에는 산화물 TFT, 유기 TFT 등도 활발히 개발되거나 제품에 적용이 되고 있습니다. 다만, 이 노트에서는 주류인 실리콘 TFT에 관하여 설명을 합니다.
실리콘 TFT에서 가장 중요한 부분은 전류가 흐르는 채널 영역이며, 따라서 이 영역에 해당하는실리콘 반도체층의 결정성이 스위칭 속도와 전류 밀도를 결정합니다. 비정질 실리콘보다는 작은 단결정들의 집합체인 저온 다결정 실리콘의 전자 이동도가 더 높죠. 물론, 단결정 실리콘의 전자 이동도가 가장 높기는 하지만, 유리 기판 위에 형성되는 실리콘층은 비정질이며, 여기에 결정화 공정을 추가함으로써 저온 다결정 실리콘까지만 가능합니다. 여기서 ‘저온’이라는 의미는 유리 기판 위에 증착된 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화하는데, 공정 온도가 유리 기판이 손상을 입는 온도 이하임을 의미합니다. 물론 다결정 실리콘의 경우 결정립의 크기가 클수록 전자가 결정 입계를 만나서 충돌할 가능성과 횟수가 줄어들어서 이동도가 증가하게 됩니다. 비정질 실리콘 TFT의 전자 이동도는 1cm^2/(V sec) 이하이며, 반면에 저온 다결정 실리콘 TFT의 경우 결정립의 크기에 따라 수십 cm^2/(V sec) 범위의 값을 가집니다.
다음으로 실리콘 TFT의 구조에 따른 분류입니다. TFT는 먼저 게이트 전극과 소스-드레인 전극이 반도체 층의 한쪽 면에 위치하는 플라나(planar) 구조와 게이트 전극과, 소스-드레인 전극이 반도체 층을 마주보고 위치하는 스태거(staggered) 구조로 구분됩니다. 그리고, 각각의 구조에 있어서 게이트 전극이 반도체 층의 위쪽 혹은 아래쪽에 위치할 수 있으며, 이를 기준으로 상부 게이트(top gate) 구조와 하부 게이트(bottom-gate) 구조로 구분하죠. 이들 구조는 제조 공정과 동작 특성면에서 고유의 장점과 단점들이 있으며, 이와 함께 비정질 실리콘과 다결정 실리콘 등을 고려하여 해당 디스플레이의 스위칭 소자로써 선택이 됩니다. 그리고, 실리콘 TFT 이외에도 산화물 TFT, 유기물 TFT, 나아가서는 2차원 반도체 물질인 전이 금속 디칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)을 이용한 TFT 등이 지속적으로 연구, 개발이 되고 있습니다.
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# 더! 생각해보기
a. 일반적으로 디스플레이는 왜 유리 기판을 사용할까. 앞으로는 어떨까
b. 박막 트랜지스터는 디스플레이(LCD)에서 어떤 역할을 할까, 그리고 또 어떤 분야에 응용될 수 있을까
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