물리학과 첨단기술 October 2008 10

LCDTFT 기술 및 최근 동향

김현재 ․ 배병성

저자약력

김현재 교수는 Columbia University 전자재료 박사(1996)로 삼성전자 LCD

연구개발 수석 연구원(1996-2005), 프랑스 Ecole Polytechnique 초빙교수(2004-2005)를 역임하였다. 2005년부터 현재 연세대학교 부교수로 재직

중이고 2004년부터 SID(Society for Information Display) 학술위원을 맡고

있다. (hjk3@yonsei.ac.kr)

배병성 교수는 한국과학기술원 물리학과 박사(1991)로 삼성전자 기흥 반도

체 AMLCD 사업부, 수석연구원(1991-1998), 러시아 국립 모스크바 대학

물리학과 방문 연구원(1998-1999), 일진 디스플레이 사업본부 상무이사(1999-2003), 한국과학기술연구원 Post doc.(2003-2004), 경희대학교 정

보디스플레이학과 객원 교수(2004-2006)를 역임하였다. 2006년부터 현재

호서대학교 디스플레이공학부 교수로 재직 중이다. (bsbae3@hoseo.edu)

a-Si TFT HTPS TFT LTPS TFT

공정 온도 ＜ 350 ℃ 1000 ℃ ＜ 450 ℃

기판 Glass Quartz Glass

대형화 8세대 이상 불가능 4∼5세대 가능

Driver 내장 △(Gate Driver만 가능) ○ ○

이동도 ∼0.5 cm2/Vs 10∼50 cm2/Vs 50∼200 cm2/Vs

Photo Mask 4∼5매(NMOS) 7∼11매(CMOS) 7∼9매(CMOS)

Device 구조 Bottom gate Top gate Top gate

표 1. a-Si TFT, HTPS TFT, LTPS TFT의 주요 차이점 비교.

TFT 기술

박막트랜지스터(thin film transistor; TFT)는 활성화 층

(active layer)의 종류에 따라 비정질 실리콘(amorphous Si: a-Si) TFT, 다결정 실리콘(polycrystalline Si 는 poly-Si: p-Si) TFT, 산화물 TFT, organic TFT 등이 있고, 재 부

분의 TFT-LCD 제품은 a-Si:H TFT를 이용하고 있고 일부 다

결정 실리콘을 이용하고 있으며 산화물이나 organic TFT는

미래 소자로서 연구 개발이 진행되고 있다.

1. 활성화 층에 따른 분류

(1) 실리콘 TFT비정질 실리콘이 리 이용이 되고 있으며 온폴리 Si(low

temperature polycrystalline silicon; LTPS) TFT 기술은

LCD 구동에 필요한 driver IC를 유리기 에 집 하는 것

이 가능하다는 장 에도 불구하고, a-Si TFT가 양산 기술의

성숙으로 간단하고 빠르게 높은 수율로 우수한 TFT-LCD 제품이 생산될 수 있어, 2000년 가 되어서야 상업화의 윤

곽이 드러나기 시작했다. LTPS 기술은 면 유리 기 을

사용할 수 있는 라인의 구축이 가능하고, AMOLED 시장의

속한 확 가 기 됨에 따라 그 요성도 높아질 것으로

단된다. High-temperature polycrystalline Si (HTPS) TFT 기술은 열처리 온도가 높아 통상의 유리 기 은 사용할 수

없고 고가의 석 (Quartz) 기 을 사용해야 하는 단 이 있으

며, 면 기 의 사용이 불가능하다. 이는 로젝션 TV용

LCD에 주로 사용되고 있다.표 1은 a-Si TFT, HTPS TFT, 그리고 LTPS TFT의 주요

차이 을 비교한 것이다.비정질 구조의 a-Si은 원자들이 이동할 수 있는 에 지가

가해지면 결정질 Si으로 이하게 되는데, 이때 모든 원자들

이 규칙 으로 배열되는 단결정 Si의 이는 불가능하고 국

부 으로 결정질 실리콘으로 바 어 이러한 결정질 실리콘들

이 계면을 형성해 모여 있는 p-Si 구조를 갖게 된다. 에 지

를 가하는 방식에 따라 증착폴리, 열처리, 이 처리의 세

가지로 분류할 수 있다. 증착폴리 기술은 증착 후 후속 공정

처리 없이 CVD 등의 막 증착 공정에서 p-Si을 형성하는 기

술이다. 별도의 결정화 공정이 필요 없다는 장 이 있고 최근

OLED 구동을 한 TFT 반도체 층 물질로 연구가 되고 있

다. 하지만, 기본 특성이 결정화 공정을 거친 경우에 비해 크

게 떨어져 좋은 특성을 얻기 해서는 막의 두께가 1 μm 이상이 되어야 하는 등의 단 이 있다. 열처리 기술은 a-Si를

600 °C 정도의 고온에서 열처리하여 p-Si으로 상 이를 유도

하는 방법이다. 이 방법에는 SPC, RTA, CGS, MILC 등이

있다. SPC(Solid Phase Crystallization)는 유리 기 이 손상

되지 않는 최 의 온도에서 장시간 유지하여 p-Si을 얻는 기

술이며, RTA(Rapid Thermal Annealing)는 SPC의 일종으로

heat strip을 이용하여 단시간에 국부 으로 높은 온도를 가

해 유리 기 의 손상을 최소화하는 기술이다. CGS(Continuous Grain Si)는 Sharp사에 의해 개발된 가장 표 인 열처리

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그림 1. a-Si의 주요 결정화 방법.

그림 2. TFT의 기본 구조.

그림 3. 유리 위에 회로를 집적하여 외부 부착 IC, PCB 및 관련 공정

을 줄일 수 있으며 왼쪽 그림의 점선으로 표시된 부분이 제거되는 부분

이다.

기술 의 하나로, 기존에 알려진 MIC(Metal Induced Crys- tallization) 기술의 일종이다. MILC(Metal Induced Lateral Crystallization)는 MIC 상을 조 함으로써 큰 입자의 p-Si을 얻는 효과 인 기술이다. 이 기술은 LTPS 기술

가장 많이 사용되는 기술로 이 를 a-Si 박막에 가해, a-Si에 흡수 용융 후 결정화시키는 기술로, 이 를 조사하는

시간이 수십 ns 단 이므로 열이 유리 기 내부에 도달하기

에 결정화가 종료되어 기 의 손상이 없다. 원은 XeCl 엑시머 이 로 장이 308 nm인 펄스 이 이며 주로 선

형 빔 형태로 조사되는데, 이를 ELA(Excimer Laser Anneal- ing)라 하며, 90% 이상의 LTPS TFT-LCD 제조 회사들은

ELA를 기본으로 하고 있다. 그림 1은 결정화 방법을 정리한

것이다.

(2) 산화물 TFT투명 산화물 반도체는 LCD 패 에 사용되는 a-Si:H와

LTPS 등의 재료보다 개구율이 높으며, 캐리어 이동도가 비슷

하며, 더욱이 가격은 더 렴하다. 가장 주목을 받고 있는

ZnO와 a-IGZO (비정질 InGaZnO4)는 가시 선이 통과하며, 온 공정으로 필름 에 공정이 가능하여 가볍고 유연하며

깨지지 않는 제품을 생산을 할 수 있어 이를 활용하는 자

종이, 형 디스 이용으로 용될 수 있다. 한, OLED 패 용 TFT 구동 어 이 개발에 심이 높으며, 투명 디스

이와 기능성 유리창 같은 신기술 개발에도 높은 심을 받

고 있다.

2. 구조에 따른 분류

MOSFET는 c-Si 웨이퍼(wafer)를 활성화 층으로 사용하는

소자의 제작 공정상의 특징으로 게이트와 소오스-드 인 극

모두가 활성화 층의 한쪽 면에 치하는 라나(planar) 구조

를 취한다. 그러나 a-Si:H TFT를 LCD에 응용하는 경우, 유리

기 에 활성화 층인 a-Si:H 박막을 형성하고 이를 가공하여

제작하는 공정상의 특성 때문에 활성화 층을 사이에 두고 게

이트 극과 소오스-드 인 극이 서로 다른 쪽에 치하며

게이트 극이 소오스-드 인 극의 상부에 치하는 top gate (staggered) 구조와 게이트 극이 소오스-드 인 극 아래쪽

에 치하는 bottom gate(inverted-staggered) 구조로 구분된

다. 아모포스 실리콘 TFT는 bottom gate 구조가 리 사용이

되면 폴리 실리콘 TFT는 top gate 구조가 리 사용된다.

TFT 최근 동향

최근 TFT 기술 동향은 생산 에서 기 의 형화, 유기

연막의 용이나 공정 단순화에 의한 아모포스 실리콘 TFT- LCD의 성능향상 원가 감 기술 등이 진행되고 있으며 최근

인쇄법에 의한 원가 감 공정 개발도 많은 심을 받고 있

다. 실리콘 계를 체할 TFT로서 유기 TFT와 산화물 TFT 등이 연구되고 있으며 증착에 의한 방법과 액상공정을 이용하

는 방법의 두 가지로 분류된다. 액상 공정은 값이 싼 인쇄법

의 용이 쉽다는 것이 장 이다. 인쇄법은 고가의 진공 장비

사용이 필요 없고 직 패턴을 형성할 수 있어, 사진 식각 공

정을 생략할 수 있는 등 공정이 단순하고 생산성이 높으며

비용이 렴하다는 것이 장 이다.

1. 비정질 실리콘 TFT

비정질 실리콘 TFT는 제조 방법이 간단하고 공정온도가 낮

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그림 4. 인쇄 공정의 발전 단계.

그림 5. 인쇄법을 적용하여 제작된 트랜지스터의 전이특성(위쪽, 가로

축: 게이트 전압, 세로축: 드레인 전류), 아래는 게이트부터 화소전극까

지 그리고 BM 및 컬러 필터 모두 인쇄법을 적용하여 제작된 LCD 동작

사진.

그림 6. SLS 방법을 이용한 대면적 AMOLED 및 TFT 특성 [SID'08, SEC].

그림 7. SPC 방법을 이용한 15인치 AMOLED 및 TFT 특성 [SID'08,

LG Display R&D Center].

아 TFT-LCD에 용이 되고 있다. 그림 2의 bottom gate 구조로 사용이 되고 있으며 이동도가 낮아 화소의 스 칭 소자

로만 사용이 되었으나 게이트 구동회로도 개발되어 용되고

있다. 패 을 구동하기 해서는 패 의 가장자리에는 게이트

드라이버 IC와 데이터 드라이버 IC가 부착이 된다. 아모포스

실리콘 TFT는 이동도가 느려 빠른 속도의 구동회로를 구성하

기에는 합하지 않지만 속도가 비교 느린 게이트 드라이

버는 집 할 수가 있고 많은 패 들이 게이트 드라이버 IC를

부착하지 않고 아모포스 실리콘 TFT로 유리 기 에 집 을

하고 있다. 아모포스 실리콘을 이용한 게이트 구동회로 집

으로 외부에서 부착하는 게이트 구동 IC를 없앨 수 있고 IC를 부착하는 공정도 생략이 된다. 그림 3과 같이 게이트 드라

이버 IC PCB 신에 유리 기 에 직 아모포스 실리콘

을 이용한 회로를 구성하고 있다. 아모포스 실리콘을 이용한

게이트 구동회로 집 으로 외부에서 부착하는 게이트 구동

IC를 없앨 수 있고 IC를 부착하는 공정도 생략이 된다.인쇄법을 디스 이 제조 공정에 사용하게 되면 공정 원

가를 폭 낮출 수가 있고 생산성을 향상시킬 수가 있다. LG 디스 이는 인쇄법으로 제작된 LCD를 발표하 으며 그림

4와 같이 재의 사진식각 공정에서 포토 지스터를 코 , 노, 상하는 신 롤인쇄법으로 패턴 인쇄하는 법을 용하

고 향후에는 각 층의 재료를 직 패턴 인쇄하여 제조 원가

를 낮추는 방법을 제시하 다 [SID’08 Digest, LD 디스

이, p. 637].그림 5는 인쇄법을 용하여 제작된 트랜지스터 특성과 동

작 화면을 보여주고 있다. 게이트부터 화소 극까지 그리고

상 의 BM 컬러 필터도 인쇄법에 의하여 제작이 되었다.각층의 재료를 직 인쇄법으로 제작하기 해서는 액상

제조 공정이 개발이 되어야 한다. 액상 제조 공정은 주로 유

기 TFT나 산화물 TFT를 심으로 연구가 되고 있으며 실리

콘 계의 액상 제조 공정도 연구가 되고 있다. 액상 제조 공정

에서 핵심 기술이라고 할 수 있는 Si-Si 결합을 기본으로 하

는 여러 종류의 polysilane 물질로부터 실리콘만을 얻는 방법

이 매우 어려워, 세계 으로 연구 성과는 아직까지 미흡하다. 한, 최근에는 다양한 polysilane을 이용하여 연막(insulator)을 제작하고 이를 이용한 TFT 특성을 확인한 결과들이 보고

되고 있다. 하지만, 아직까지 그 특성은 기존의 진공장비를

이용한 것에 비해 좋지 않으므로 더 많은 연구가 필요하다.

2. 폴리 실리콘 TFT

폴리실리콘 TFT는 게이트나 데이터 드라이버회로의 집 뿐

아니라 시스템 벨에서의 집 화도 실 할 수 있다는 것이

장 이며 System on panel의 구 을 한 연구 개발도 지속

으로 진행이 되고 있다.Sharp는 CGS 기술을 용한 기 을 양산하며, 이를 기반

으로 소형 TFT-LCD 시장 회로일체형 CGS 등 고부가

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참고문헌[1] 김상수, 김현재, 이신두 공저, 디스플레이 공학I(LCD) (청범출판

사).

[2] 강명구, 이상법, 소형 TFT-LCD 산업동향, 전자정보센터.

[3] 2008 SID 학술 및 전시 Review Workshop, 한국정보디스플레이

학회.

[4] 2008 미래디스플레이 산업정책포럼 및 제3회 디스플레이 국가

연구개발사업 총괄 워크샵.

그림 8. 스크린 인쇄법으로 각 패턴을 직접 인쇄하여 제작된 유기박막

트랜지스터 array 단면 구조 및 디스플레이 동작 사진.

그림 9. 15.1인치 산화물 TFT-LCD와 화소 단면 구조.

그림 10. 산화물 트랜지스터의 특성.

가치 패 을 생산하고 있으며, Sony는 시스템을 LCD에 내

장하는 SOG(System On Glass) 기술로 다양한 제품을 선보

이고 있으며, Source와 워 부분을 모두 내장하는 기술을

선호한다. 삼성 자는 그림 6과 같이 SLS(Sequential Lateral Solidification) 기반의 LTPS 기술을 이용하여 다양한 SOG 제품들을 선보이고 있고, LG 디스 이는 그림 7처럼 SPC 공정 기술을 바탕으로 소형 TFT-LCD 부분을 강화하고 있다.

3. 유기 박막 트랜지스터

유기박막 트랜지스터는 유기물을 사용하여 온 공정으로

이루어지므로 필름 에 공정이 가능하고 인쇄법의 용이

쉬워 많이 연구가 되고 있다. 유기박막 트랜지스터는 증착법

이나 용액에 의한 인쇄법 두 가지로 연구가 되고 있으며 재

성이나 안정성 등이 해결이 되어야 할 기술 과제이다.인쇄법의 경우 체 공정 일부에만 부분 으로 인쇄법

이 용이 되고 있으나 최근 Dai Nippon Printing은 공

정을, 증착 후 사진식각공정을 용하는 방법이 아닌, 스크린

인쇄를 용하여 직 패턴을 인쇄하는 방법으로 유기박막

트랜지스터 array를 만들고 구동을 하 다. 그림 8에 제작된

유기박막트랜지스터 array의 단면 구조가 나와 있으며 elec-trophoretic 디스 이에 용된 동작 화면을 보여주고 있다

[SID’08 Digest, Dai Nippon Printing Co., p. 314].

4. 산화물 TFT

산화물 트랜지스터는 이동도가 크고 투명하여 투명 디스

이를 구 할 수 있다. 산화물 트랜지스터를 용한 AMOLED 투명 디스 이가 개발 발표되었으며 산화물 트랜지스터를

이용하는 TFT-LCD도 개발 발표가 되었다.그림 9는 IGZO (In-Ga-Zn-Oxide) 산화물 트랜지스터로 제

작이 된 15.1인치 각 크기의 TFT-LCD이다 [SID’08 Digest, 삼성 자, p. 625]. 트랜지스터의 이동도는 4.2 cm2/Vs로 아

모포스 실리콘 트랜지스터의 이동도가 1 cm2/Vs 이하인 것

과 비교하면 이동도가 상 으로 높다.

캐논은 아모포스 IGZO TFT의 성능을 향상시켰으며 그림

10의 특성과 같이 이동도가 11.2 cm2/Vs, 오 류 10-14

A 이하의 우수한 성능의 TFT 개발 결과를 발표하 다 [SID’08 Digest, Canon, p. 621]. 그림 10의 왼쪽 그래 는 개발된

IGZO 산화물 트랜지스터의 이 특성, 오른쪽 그래 는 96개 트랜지스터의 측정 결과를 나타낸 것으로 균일도가 우수

함을 보여주고 있다.