TFT는 반도체 결정을 형성할 수 없는 유리 기판 등에 비교적 낮은 온도에서 형성되는 실리콘 박막 위에 만들어지는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor)입니다. LCD에서는 단순한 스위칭 소자입니다만, OLED에서는 스위칭 기능에 더하여 전류를 조절, 공급하는 기능도 하고 있습니다. 이로 인하여 OLED에서는 최소 2개 이상의 TFT를 필요로 하죠. TFT의 역할은 마치 물을 보내주는 수도 꼭지처럼 화소로 흐르는 전류의 양을 조절하는 역할을 하여 화소의 밝기를 조절하죠. 따라서 각각의 부화소들에 만들어집니다. 전하(전자 혹은 정공)는 반도체 층을 통하여 소스에서 드레인쪽으로 흐르게 되고, 드레인 전극은 화소를 구동하는 투명 전극 등과 연결이 되어 있습니다. 이 때, 소스에서 드레인으로 흐르는 전하의 양은 게이트에 걸리는 전압이 조절을 합니다.
TFT에 사용되는 반도체 층은 주로 실리콘이며, 결정도에 따라 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si)과 다결정 실리콘(polycrystalline silicon, poly-Si)으로 구분되며, 다결정 실리콘은 결정화 공정 온도에 따라 고온과 저온으로 구분되죠. 주로 유리 기판의 변형 온도 이하인 400~450도 범위에서 결정화되는 저온 다결정 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon, LTPS)이 사용됩니다. 비정질 실리콘과 저온 다결정 실리콘으로 만들어지는 TFT들은 각각, a-Si TFT와 LTPS TFT로 불려지죠. a-Si과 LTPS는 각각 비정질과 다결정으로 전자 이동도에서 큰 차이가 있습니다. 일반적으로 a-Si에 비하여 LTPS의 전자 이동도가 수십 배 이상 커서 흐를 수 있는 전류의 크기와 동작 속도 등에서 많이 유리하죠. 따라서, 현재 모바일 기기용 디스플레이에는 대부분 LTPS TFT가 사용되고 있습니다.
이에 더하여 금속 산화물 TFT(metal oxide TFT)가 특히 중 대형 디스플레이에서 영역을 확장하고 있는데, 이는 레이저 결정화 공정이 필요한 LTPS TFT에 비하여 제조 공정이 간단, 단순하고, 대면적 공정에 용이하여 가격 부담이 줄어들고, 또한 전자 이동도가 LTPS에 버금가기 때문이죠. 이는 안정된 실리콘이 아닌 금속 산화물, 주로 인듈-갈륨-아연-산소로 이루어진 IGZO 물질을 사용하므로 전하의 이동 메커니즘이 다르고, 안정성 면에서 아직 개선될 여지가 남아있습니다. 그러나 휨과 같은 변형에 적응력도 있으며, 특히 대면적 공정과 가격 경쟁력에서 강점이 있어 점점 확대 적용될 것으로 보고 있습니다.
TFT의 전기적인 특성과 성능 지수는 다음과 같은 인자들로 평가됩니다. 먼저, 출력 특성이며, 게이트 전압을 매개 변수로 하며 독립 변수인 드레인 전압과 종속 변수, 드레인 전류의 관계를 나타냅니다. 출력 곡선(output curve)은 전형적으로 선형 영역과 포화 영역으로 나타나며 게이트 전압의 변화에 따른 드레인 전류의 최대값을 얻을 수 있죠. 그리고 전달 특성인데, 이는 독립 변수인 게이트 전압의 변화에 따른 종속 변수, 드레인 전류의 변화로 얻어지며, 드레인 전압은 고정시킵니다. 전달 곡선(transfer curve)로부터 전계 이동도(field effect mobility), 문턱 전압(threshold voltage), 전류 점멸비(on/off current ratio), 그리고 문턱 전압 이하 기울기(sub-threshold slope) 등의 값을 도출할 수 있습니다.
앞으로의 OLED용 TFT의 발전 과정을 보면, 중소형은 LTPS-TFT, 대형은 oxide-TFT가 주류가 될 것으로 전망됩니다. 이에 더하여 향후 유연성, 즉 휨과 접음 동작에 부합될 수 있는 유기 TFT(organic-TFT)가 잠재적으로 자리하고 있습니다. 유기 TFT의 경우, 특히 낮은 이동도가 장애물인데, 현재까지의 연구 개발로 10 cm2/Vs 이상의 이동도를 보이는 소자들이 보고되고 있어 상용화 가능성을 유지하고 있죠. 더불어서 그래핀 모양을 가지는 2차원 물질들을 이용한 TFT들도 보고가 되고 있지만, 현재는 연구 수준에 머무르고 있습니다. 이제 비정질 및 다결정 실리콘, 그리고 산화물을 적용한 TFT들에 대하여 설명을 이어가 보죠.
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# 더! 생각해보기
a. LCD에서 TFT는 단순 스위치였는데, OLED의 TFT들은 스위칭 기능에 더하여 어떤 역할들을 더할까
b. (부)화소에 위치한 TFT가 갖춰야할 기본 요건, 성능은 어떻게될까
c. 앞으로 개발될 OLED의 특징과 성능에 따라 TFT의 요건, 성능은어떻게 변화하여갈까. 그 방법론은 무얼까
# 문제 풀기
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