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문제 정의
- 상판이 빛을 제어하는 역할을 한다고 하면, 하판은 전기적 신호를 받아 이를 상판에 전달, 빛을 제어 할 수 있도록 돕는 역할을 하게된다. 이러한 부분이 디스플레이 구동회로로 구성되는데, 본 논문에서 살펴보고자 하는 것은 이러한 디스플레이 구동회로를 반도성 세라믹을 기반으로 구성하는 경우에 대한 이슈와 향후 발전 방향에 대한 것이다.
- 그리고 매트릭스 구동 방식의 경우에는 각 픽셀 내에 별도의 스위치가 존재하는 액티브 매트릭스와 별도의 스위치가 존재하지 않는 패시브 매트릭스 방식으로 다시 나뉘게 된다. 이러한 여러 가지 구동방식의 원리와 주 응용소자에 대하여 살펴보고자 한다.
제안 방법
- 15. 다결정 실리콘 TFT와 비정질 실리콘 TFT, 산화물 TFT 의 특성 비교.
- 비정질 실리콘 TFT는 이렇게 낮은 이동도에도 불구하고, PECVD 방법으로 게이트 절연막, 액티브 채널 막, 도핑된 반도체 막, 패시베이션 막 등을 증착할 수 있는 점을 이용하여 대면적화가 용이하고 특성의 편차가 적은 장점을 활용하여 현재와 같은 FPD가 디스플레이 시장의 대부분을 점유하는데 큰 역할을 하였다. 비정질 실리콘의 가장 널리 쓰이는 디스플레이는 TFT-LCD이다.
- 그런데, 전류량을 전달해 주는 것이 전압량을 전달하는 것에 비하여 복잡한 픽셀 회로를 필요로 하므로, 가장 간단한 픽셀회로의 경우에는 OLED의 다이오드 특성을 감안하여 구동하고자 하는 전류량에 해당하는 구동전압을 외부에서 전달하는 방식으로 구성된다. 즉, 스캔신호가 인가되는 동안 외부에서 주어지는 전압 신호를 픽셀 내부의 커패시터에 저장해 두었다가 스캔신호가 인가되지 않는 시간에는 이 전압을 픽셀 내 구동 TFT의 게이트에 인가하여 일정한 전류를 흘리도록 하고 이를 이용하여 OLED 소자를 구동 하는 방식으로 작동한다. 그러므로 픽셀회로는 외부의 신호를 전달하기 위한 트랜지스터 1개와 OLED에 전류를 공급하기 위한 트랜지스터 1개, 그리고 구동 트랜지스터의 게이트에 정해진 전압을 인가하기 위한 커패시터 1개, 즉 2T-1C 형태로 구성되게 된다.
대상 데이터
- 12. 산화물 TFT로 제작된 스캔 드라이버 회로 사진.
- 지금까지 살펴본 바와 같이 고해상도 TFT-LCD나 대면적 AMOLED등 고성능의 영상을 구현하기 위해서는 TFT를 이용한 픽셀 구동회로와 스캔 드라이버, 데이터 드라이버의 구현이 필요하게 된다. 현재까지 이러한 영상 구동용 회로에 사용되었던 TFT는 실리콘을 기반으로한 비정질 실리콘 TFT나 다결정 실리콘 TFT였다. 그러나 최근 반도성 세라믹을 기반으로 하는 산화물 TFT가 우수한 양산성과 개선된 신뢰성을 바탕으로 영상 구동용 소자로 상용화가 이루어지고 있다.
성능/효과
- 4) 이에 비하여 OLED의 경우에는 다이오드 소자로서 문턱 전압이 존재하기 때문에 패시브 매트릭스 타입으로 구동이 가능하다.
- 그렇지만, 데이터 드라이버까지 내장하는 경우 시스템 온 글래스 (SOG;System on glass) 형태로 디스플레이 시스템을 꾸미는 것이 가능하므로 이에 대한 많은 시도가 있었다.6) 반도성 세라믹을 이용한 TFT를 이용해서도 이러한 시스템을 구성하는 것은 가능하다고 보여진다. 다만, 다결정 실리콘 정도의 이동도를 가지는 고이동도 반도성 세라믹이 개발되어야 좀 더 용이하게 구성이 가능할 것이다.
- 주로 TCO (Transparent Conductive Oxide) 로 사용되던 산화물 반도체를 결함의 양을 정밀하게 조절하고, InGaZnO처럼 새로운 원자의 조합을 시도함으 로써 박막 내에 존재하는 캐리어의 양을 10 17 cm-3 이하로 유지하는 기술이 개발됨으로써 TFT로의 응용이 가능한 반도체 소재로 바꾸어 놓았다.8) 산화물 반도체는 주로 스퍼터링 방법으로 증착이 되는데, 이러한 증착방법이 이미 디스플레이에 쓰이는 ITO 혹은 IZO와 같은 TCO 증착에 사용되던 방법이기 때문에 대면적 디스플레이에 응용되기 쉬운 방법이었다. 또한, 다결정 실리콘 TFT 개발 과정에서 많은 개발이 이루어진 PECVD SiO2 박막이 우수한 게이트 절연막 역할을 할 수 있음이 알려지면서 소재의 신뢰성 또한 급속도로 향상되었다.
- 또한, 다결정 실리콘 TFT 개발 과정에서 많은 개발이 이루어진 PECVD SiO2 박막이 우수한 게이트 절연막 역할을 할 수 있음이 알려지면서 소재의 신뢰성 또한 급속도로 향상되었다.9) 산화물 TFT 의 이동도는 1~50cm2/Vs정도로 많은 편차를 보이고 있다. 현재 상업화에 주로 사용되는 산화물 TFT의 경우에는 InGaZnO 소재가 사용되고 있는데, 이동도는 10~20cm2/Vs이다.
- 8) 산화물 반도체는 주로 스퍼터링 방법으로 증착이 되는데, 이러한 증착방법이 이미 디스플레이에 쓰이는 ITO 혹은 IZO와 같은 TCO 증착에 사용되던 방법이기 때문에 대면적 디스플레이에 응용되기 쉬운 방법이었다. 또한, 다결정 실리콘 TFT 개발 과정에서 많은 개발이 이루어진 PECVD SiO2 박막이 우수한 게이트 절연막 역할을 할 수 있음이 알려지면서 소재의 신뢰성 또한 급속도로 향상되었다.9) 산화물 TFT 의 이동도는 1~50cm2/Vs정도로 많은 편차를 보이고 있다.
후속연구
- 또한 산화물 반도체는 우수한 n형반도체가 많이 존재함에 비하여 우수한 p형 반도체는 현재까지 구현되지 않고 있어 상보성 회로의 구성은 어렵다.10) 따라서 향후 우수한 p형 산화물 TFT가 개발된다면, 특히 구동회로의 구성에 있어서는 큰 발전을 기대할 수 있다.
- 이 이외에도 투명 RFID Tag와 같이 각종 감지회로에도 적용이 가능하다.12) 앞으로 사물통신이 일반화 될 경우 사물에 입/출력 및 통신회로의 내장이 필수적이 될 것이므로 이 경우 투명 회로가 적용된다면 사물위에 투명회로를 접착하여 기존의 사물의 외형을 해치지 않고 사물통신이 가능할 수 있을 것으로 보인다.
- 산화물 TFT는 증착 공정이 단순한 것에 비하여 액티브층으로 사용되는 반도성 세라믹의 성능에 따라 높은 이동도를 구현하는 것도 가능하기 때문에 향후 다결정 실리콘이 필적하는 성능을 가지는 TFT도 구현될 수 있을 것으로 기대되고 있다.15) 특히, 높은 이동도를 가지는 p형 반도성 세라믹 소재가 구현된다고 하면, 이를 바탕으로 반도성 세라믹 기반의 상보성 회로를 개발하여 저소비 전력과 고집적화 특성을 가지는 영상 구동용 회로 구현이 가능할 것으로 기대된다.
- 물론 반도성 세라믹의 이동도가 충분히 높아지면 이러한 칩들을 반도성 세라믹으로 구성하는 것도 가능하겠지만, 단결정 실리콘의 높은 이동도를 감안해보면 성능이나 가격 면에서 현실적으로는 대체가 불가능하다고 여겨진다. 다만, RFID Tag 구동칩과 같이 매우 단순한 경우에는 반도성 세라믹으로 대체가 가능하며 특히 반도성 세라믹으로 구성하는 경우 투명성을 유지할 수 있는 장점이 있으므로 향후 적용 가능성이 높다고 보여진다.
- 6) 반도성 세라믹을 이용한 TFT를 이용해서도 이러한 시스템을 구성하는 것은 가능하다고 보여진다. 다만, 다결정 실리콘 정도의 이동도를 가지는 고이동도 반도성 세라믹이 개발되어야 좀 더 용이하게 구성이 가능할 것이다.
- 또한 반도성 세라믹은 밴드갭이 커서 가시광선 영역에서 투명하기 때문에 투명회로의 구현이 가능하고 이러한 투명성은 영상구동 회로에 있어 영상패널의 성능을 개선 하는 데 기여할 뿐만 아니라, 투명 디스플레이, 투명 RFID Tag, 투명 센서등 새로운 시장을 창출하는 제품의 개발에도 이용될 수 있을 것으로 전망된다.
- 현재 개발중인 플렉서블 디스플레이, 투명 디스플레이, 스트레쳐블 디스플레이등이 현실화될 경우 전자디스플레이의 응용범위는 더욱 넓어져서 착용형 디스플레이나 인체 내 장착 디스플레이까지 응용 범위가 넓어지게 될 것으로 기대되고 있다. 또한 현재의 양안시차 방식의 3D를 넘어서는 홀로그램이나 체적영상이 일반화된다면, 실제 사물을 생생하게 재현하는 수준까지 발전될 것으로 예상된다.
- 반도성 세라믹을 이용한 투명 전자회로는 디스플레이 픽셀 회로 이외에도 구동회로에도 적용이 가능하며 특히 현재 응용 가능성이 높아지고 있는 투명 디스플레이의 경우에는 필수적으로 사용될 것으로 보인다. 이 이외에도 투명 RFID Tag와 같이 각종 감지회로에도 적용이 가능하다.
- 그러나 최근 반도성 세라믹을 기반으로 하는 산화물 TFT가 우수한 양산성과 개선된 신뢰성을 바탕으로 영상 구동용 소자로 상용화가 이루어지고 있다. 산화물 TFT는 증착 공정이 단순한 것에 비하여 액티브층으로 사용되는 반도성 세라믹의 성능에 따라 높은 이동도를 구현하는 것도 가능하기 때문에 향후 다결정 실리콘이 필적하는 성능을 가지는 TFT도 구현될 수 있을 것으로 기대되고 있다.15) 특히, 높은 이동도를 가지는 p형 반도성 세라믹 소재가 구현된다고 하면, 이를 바탕으로 반도성 세라믹 기반의 상보성 회로를 개발하여 저소비 전력과 고집적화 특성을 가지는 영상 구동용 회로 구현이 가능할 것으로 기대된다.
- 특히, 디스플레이의 종류와 무관하게 거의 동일한 역할을 수행하는 스캔 드라이버와는 달리 데이터 드라이버는 디스플레이의 종류에 따라 다양한 역할을 수행하게 되므로 이러한 복잡한 기능을 수행할 수 있는 고성능의 반도성 세라믹 기반 박막 트랜지스터가 개발되어야 할 것이다.
- 13) 그런데, p형 유기 TFT의 이동도 특성이 n형 산화물 TFT에 비하여 크게 차이가 나기 때문에, 상보적 회로로서의 이점이 크지 않다고 보여진다. 향후 이동도 특성이 n형 산화물 TFT과 거의 유사한 p형 산화물 TFT가 개발된다면 반도성 세라믹 기반의 특성이 우수한 상보성 회로를 이용한 많은 응용 분야가 있을 것으로 예상된다.
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