TFT의 종류와 이해(a-Si, LTPS, Oxide, LTPO)

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TFT란?

 

TFT(Thin Film Transistor)는 '박막 트랜지스터'라는 뜻으로, 아주 얇은 필름 형태인 박막을 이용해 만든 트랜지스터를 말합니다. 우리가 사용하는 대부분의 디스플레이의 Subpixel에는 이러한 TFT가 들어있습니다. 이 TFT는 왜 들어가며, 어떤 역할을 하는지 알아보겠습니다.

 

TFT의 역할 및 종류

TFT는 디스플레이에서 두 가지 역할을 합니다.

1) ON/OFF 스위치 역할

2) 휘도 조절(전류 조절) 역할

이 점을 기억하며 읽어주시면 좋습니다.

또한, TFT는 Active Layer 종류에 따라 크게 3가지로 나눕니다.

① a-Si ② LTPS ③ Oxide 

 

가장 크게 신경 쓰는 부분은 전자 이동도(Carrier Mobility, μ)입니다.

전자 이동도가 빠르면

1) 대형 디스플레이에 유리

2) 고속 동작회로 구현 가능

3) 고해상도 디스플레이 제작 가능

이렇게 핵심적인 장점들을 갖고 있기 때문에 전자 이동도는 매우 중요합니다.

그럼 이제 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.

 

먼저 LCD에 많이 사용하는 TFT부터 보겠습니다.

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a-Si TFT

 

Amorphous Silicon(비정질 실리콘)은 장애물이 많은 길을 사람이 걸어간다고 생각하시면 됩니다.

 

목적지로 가는 길에 계속해서 장애물이 있다면 빨리 달리고 싶어도 달릴 수가 없을 것입니다. 장애물에 계속 치이면서 방향이 꺾이고 속도가 줄어들겠죠. 이와 같은 모습을 가진 TFT가 a-Si입니다.

좌 : a-Si TFT 구조, 우 : a-Si TFT 단면도

동작순서

1) Gate 전압인가

2) Active Layer(a-Si 층) 전하들이 계면에 축적되어 Channel 형성

3) Channel에 의해 S/D 전자 이동

4) TFT에서 발생한 전류는 ITO로 이동 LC에 전달

5) LC는 전압에 따라 뒤틀어지는 정도가 다르기 때문에 이를 통해 휘도 조절

 

LCD에 주로 사용되는 a-Si TFT는 위의 순서로 동작합니다.

장점으로는 균일도가 좋고 공정 수(Mask Step)가 적다는 점이 있습니다.

하지만 큰 단점은 전자이동도가 느리다는 것입니다.

 

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LTPS

 

LTPS(Low Temp. Poly Silicon)는 저온 단결정 실리콘을 의미합니다. 저온 공정이라고 해서 결코 낮은 온도는 아닙니다. 하지만 HTPS(High Temp. Poly Silicon)는 900℃ 이상의 공정온도를 가지는 것에 반해, LTPS는 500℃ 이하의 공정온도를 갖기 때문에 비교적 낮은 온도라서 LTPS라고 부릅니다. LTPS는 단결정 내부에서는 매우 높은 전자 이동도를 보여줍니다.

하지만, 단결정이기 때문에 결정간 이동에서 경계면(Grain Boundary)을 지날 때 전자이동도가 큰 폭으로 낮아진다는 단점이 있습니다. 

그래도 a-Si 보다는 더 지나기 수월해 보이죠?

 

N-Tyoe LTPS

위와 같은 구조로 구성되어있는 LTPS의 장단점을 짚어보겠습니다.

 

장점

1) Gate / Data Drive IC를 Glass에 집적 가능

→ Thin & Light, Cost 절감(다른 Substrate가 필요하지 않기 때문에 그만큼의 두께와 빛이 나가는 공간을 확보할 수 있다.)

2) 높은 전자 이동도

→ a-Si에 비교하면 50~100배의 전자 이동도를 보유

3) 개구율 향상 및 고해상도 실현 가능

→ TFT Size 감소로 유효면적 증가

 

단점

1) 낮은 수율 및 생산성 저하

→ 복잡한 TFT 공정 및 Circuit

2) 높은 Cost, 느린 Fab out

→ 공정 Step 증가로 필요 Mask도 증가하며 이에 따라 Cost 증가, 추가 Step 만큼 Fab out 시간 증가.

3) 확장성 낮음

→ 낮은 균일성으로 확장성 낮음.

 

 

 

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Oxide

 

Oxide TFT는 a-Si와 같은 비정질 형태입니다. IGZO(InGaZnO, Indium Galium Zinc Oxide)를 보통 소재로 사용하며 산화물 반도체 특성 덕분에 같은 비정질인 a-Si에 비교하여 10~20배의 전자이동도를 보여줍니다. 

Oxide TFT

장점

1) 비정질 TFT, Sputtering(PVD)을 이용하여 균일도가 우수하다.

2) 산화물 반도체 특성으로 전자 이동도가 빠르다

3) 누설전류가 매우 작다.

→ LTPO 누설전류 수 femto Ampare지만 Oxide는 그보다 10,000,000 배 이상 더 작다.

4) 기존 a-Si의 공정을 그대로 사용 가능하다.

→ 비용절감.

5) 가시광선 영역에서 투명하다.

 

단점

1) 열과 수분에 약하다.

→ 보호막 필요

 

 

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LTPO

 

마지막으로 한 가지 더 말씀드리고 마무리하겠습니다.

이번에 설명드릴 LTPO(Low Temp. Poly Silicon and Oxide)는 LTPS의 장점과 Oxide의 장점을 결합하여 만든 TFT입니다. 현재 OLED에 사용하는 TFT는 화소를 제어할 때 최소 2개 이상의 TFT가 들어가게 됩니다. Driving TFT, Switching TFT

OLED 2T 1C Circuit

SW TFT(Switching TFT)는 화소로 들어가는 전류를 ON/OFF하는 역할이고, DR TFT(Driving TFT)는 화소에 들어가는 전류를 조절(휘도를 조절)하는 역할입니다.

이렇게 SW TFT를 LTPS로, DR TFT를 Oxide로 사용하면 ON/OFF는 빠르고 수명과 명암비를 개선하는 화소를 만들 수 있게 됩니다.

이러한 LTPO를 이용한 대표적인 기술이 AOD(Always On Display)입니다. 

AOD Of Iphone 14

낮은 누설전류로 특정 Pixel만 아주 약하게 키고 나머지는 완전히 OFF시켜 배터리를 적게 사용해서 위처럼 화면에 표시할 수 있습니다.

 

이렇게 좋은 LTPO도 단점은 존재합니다.

LTPS공정 + Oxide 공정이 모두 필요하기 때문에 Mask Step이 8 ~ 13까지 늘어납니다. 그렇기 때문에 비용과 시간이 많이 소요된다는 단점이 존재합니다.

 

오늘은 TFT에 대하여 알아보았습니다.

 

지적은 언제나 환영입니다. 감사합니다.