Q) 앞서 배운 능동 구동형 OLED에서 짧게 소개되었던 스위치에 관한 이야기를 나누어 보죠. 먼저 백플래인을 설명해주세요.
A) 질문의 수준이 점점 높아지고 있네요. 디스플레이의 백플래인, 용어 그대로 화면의 뒤쪽에 위치하여서 각각의 화소들을 선택하고, 선택된 화소에 신호를 인가하는 부분입니다. 능동 구동형 디스플레이라면, LCD와 OLED 모두에 사용이 되죠. 물론, LCD는 전압 구동, OLED는 전류 구동이므로 백플래인에 설치되는 소자들, 즉, 박막 트랜지스터(TFT)와 저장 커패시터(SC)의 특성과 성능 규격은 다소 상이하나, 기본적으로 화소간 간섭 방지를 위한 스위칭 기능과 선택된 화소에 전압 혹은 전류 데이터를 인가한다는 점에서는 일맥상통합니다.
Q) 그러면, 백플레인에는 두 개의 소자가 있군요. TFT와 저장 커패시터
A) 그렇죠. TFT는 반도체 결정을 형성할 수 없는 유리 기판 위에 실리콘 박막을 형성하여 만들어지는 트랜지스터입니다. LCD에서는 단순한 스위칭 소자입니다만, OLED에서는 스위칭 기능에 더하여 전류를 조절하는 기능도 하고 맡고 있죠. 이로 인하여 OLED에서는 최소 2개 이상의 TFT를 필요로 합니다. TFT의 역할은 특성 화소의 선택과 함께 마치 물을 보내주는 수도 꼭지처럼 선택된 화소로 흐르는 전류의 양을 조절하여 화소의 밝기를 조절하죠. 저장 커패시터는 화소가 작동되는 동안 신호 전압을 저장하고 다른 신호로 전환될 때까지 지속적으로 화소에 신호를 인가하는 역할을 맡고 있습니다.
Q) TFT의 역할과 구조를 좀 더 자세히 들여다볼까요?
Q) OLED의 작동 순서대로 따라가보죠. 먼저 특정 라인를 선택하는 펄스가 스위치용 TFT에 인가되면, 신호가 스위치를 통과하여 구동용 TFT에 전달됩니다. 이 신호의 크기에 따라 OLED를 구동하기 위한 전류, 즉 전자와 정공들이 흐르고 OLED 화소가 빛을 내게 되죠. 즉, 두 개의 TFT는 각각 화소를 선택하는 스위치 기능과 전류를 조절하는 구동 기능을 가집니다. 화소가 빛을 내는 동안 저장 커패시터에는 신호가 전압 형태로 저장이 되며, 펄스가 다음 라인으로 넘어가더라도 저장된 신호를 통하여 다음 신호가 올 때까지 화소는 빛을 낼 수가 있습니다. TFT의 구조를 살펴보면 세개의 영역, 즉 전류가 흐르는 채널의 폭을 조절하는 게이트 영역, 그리고 전하가 흘러 들어가서 채널을 지나 나오는 소스와 드레인 영역으로 구성이 되죠.
Q) 이러한 박막 트랜지스터는 어떤 과정을 거쳐 발전하여 왔을까요?
A) 사실, TFT의 역사는 디스플레이의 역사만큼이나 오래 되었는데, 1930~40년대에는 셀렌화 카드뮴(CdSe) 소재를 이용한 TFT가 고체 촬상 소자용(CCD)으로 개발되었고, 1972년에 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 개발되면서 능동 구동형 LCD와 OLED에 활발히 적용이 되어가고 있습니다.
Q) 그러면 현재의 디스플레이에는 주로 어떤 TFT가 적용되고 있나요?
TFT에 사용되는 반도체 층은 주로 실리콘이며, 결정도에 따라 비정질 실리콘과 다결정 실리콘으로 구분되며, 다결정 실리콘은 결정화 공정 온도에 따라 고온과 저온으로 나누어지죠. 비정질 실리콘에 비해 다결정 실리콘은 전자 이동도가 수십 배 이상 커서 흐를 수 있는 전류의 크기와 동작 속도 등에서 많이 유리하죠. 따라서, 현재 모바일 기기용 디스플레이에는 대부분 유리 기판의 변형 온도 이하인 400~450도 범위에서 결정화되는 저온 다결정 실리콘이 사용되고 있습니다.
Q) 앞으로는 어떤 TFT들이 다결정 실리콘 TFT의 경쟁이 될까요?
A) 특히 1990년대에 개발되어 최근에 활발히 적용되고 있는 금속 산화물 TFT를 들 수 있죠. 이러한 산화물 TFT는 비정질 실리콘 TFT에 비해 이동도가 열 배 이상 높고, 다결정 실리콘 TFT와 비교할 때 이동도는 다소 낮더라도 공정이 간단하고 온도가 낮으며 균일도가 높아서 대면적화에 유리한 장점이 있습니다. 또한 가시광선이 투과하고, 휨이나 접힘에도 견길 수 있어 투명 디스플레이나 유연 디스플레이 구현시에도 상대적으로 유리합니다. 앞으로의 OLED용 TFT의 발전 과정을 보면, 중소형은 다결정 실리콘 TFT, 대형은 산화물 TFT가 주류가 될 것으로 전망됩니다. 이와 함께 유연성과 휨이 특히 강조되는 응용 분야를 위하여 유기물 TFT와 2차원 소재를 이용하는 TFT들도 개발 중입니다.
# 다양한 참고자료들을 사용하였기에 일일이 인용을 명시하지 못하였음을 양해바랍니다.
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