'보이지 않는 손(Invisible hand)'

영국의 고전 경제학자 '애덤 스미스(Adam Smith)'가 그의 저서 《국부론》에서 '시장 경제의 보이지 않는 자율 작동 원리'를 표현하기 위해 사용했던 유명한 말이죠.

OLED와 LCD에도 화면을 조화롭게 표현하기 위한 '보이지 않는 손'이 있다는 사실 알고 계셨나요? 오늘은 너무 작아서 눈에는 보이지 않지만, 디스플레이의 기본 단위인 픽셀을 조절하는데 없어서는 안되는 보이지 않는 손 'TFT(박막트랜지스터)'를 알아보겠습니다.

TFT란 무엇?

TFT란 Thin Film Transistor의 약자로 우리 말로는 '박막트랜지스터'라고 부릅니다. Thin Film은 얇은 필름이라는 뜻으로 이해가 갈 듯 한데, 트랜지스터는 무엇인지 쉽게 와 닿지는 않습니다.

트랜지스터란 일종의 '스위치'입니다. 전등을 켤 때 우리가 스위치를 누르듯이, 디스플레이에도 화면을 켜고 끄는 스위치가 필요합니다. 흔히 교과서에서 볼 수 있는 전통적인 트랜지스터는 아래와 같은 모형입니다.

디스플레이의 트랜지스터인 TFT는 그럼 어떻게 스위치의 역할을 한다는 것일까요? 지난 '[디스플레이 톺아보기] ② 픽셀부터 해상도까지!' 편에서 디스플레이의 기본 구성 요소인 '픽셀(Pixel)'을 다루어 보았는데요. 바로 이 수 많은 픽셀들이 모여 하나의 화면을 이루기 위해, 각 픽셀의 빛을 조절하는 것이 바로 TFT의 역할입니다.

TFT는 어디에 있을까?

위 그림과 같이 픽셀은 다시 세부적으로 적/녹/청색을 내는 서브픽셀(Sub-Pixel)로 나뉘고 이 서브픽셀의 휘도(밝기)를 각각 조절해 우리가 보는 한가지 색을 표현하게 됩니다. TFT는 각 서브픽셀의 아래에 유사한 크기로 위치하며, 그림에서 검은색으로 표시된 TFT전극을 통해 서브픽셀을 조절합니다.

TFT는 어떻게 생겼을까?

그럼 TFT의 생김새를 조금 더 자세히 들여다 보겠습니다. 아래 그림은 TFT의 기본적인 형태로 세로로 잘라 단면을 본 모습입니다.

TFT의 역할은 '스위치'라고 말씀 드렸죠. 결국 TFT에서 출발해 OLED의 경우에는 유기물층(EML), LCD의 경우에는 액정까지 전기 신호가 원하는 만큼 전달되어야 합니다.

TFT 제작은 유리 또는 PI 기판(Glass or Flexible)위에 전류가 흐를수 있는 Active 층을(Poly-Silicon) 형성하고 그 Active 층을 구동하기 위한 전극인 게이트(Gate), 소스(Source), 드레인(Drain)을 형성 합니다. 전류의 흐름을 결정하는 수도꼭지와 같은 역할을 하는 Gate에 전압을 가해주면, Source와 Drain 전극 사이에 Hole(정공)들이 모이게 되면서, 채널(Channel)이 형성되고 Source에서 Drain으로 전류가 흐르게 됩니다. 이렇게 흐른 전류가 각 서브 픽셀에 전달되면서 각 전류량에 따라 서브 픽셀이 각각의 밝기로 구동 하게 되는 것입니다.

백문이 불여일견. 아래에 기본적인 트랜지스터의 작동 원리를 조금 더 쉽게 이해할 수 있는 동영상을 소개합니다.

TFT의 종류와 특징

현재 디스플레이에 사용되는 TFT는 TFT를 만드는 재료의 특성에 따라 크게 2가지가 가장 많이 사용됩니다. 하나는 a-Si 재료 기반 TFT이고 다른 하나는 LTPS 재료 기반의 TFT입니다.

a-Si은 'Amorphous Silicon'의 약자로 문자 그대로 번역하자면 '정해진 형태가 없는 실리콘', 정식 명칭으로는 '비정질 실리콘'으로 불립니다. LTPS 는 'Low-Temperature Polycrystalline Silicon'의 약자로 '저온 다결정 실리콘'이라는 뜻입니다. LTPS는 a-Si을 레이저로 순간적으로 녹여 비정질의 실리콘을 재결정화하여 다결정 실리콘으로 만드는 것입니다.

여기서 잠깐! 레이저를 쏴서 만드는데 왜 '저온'이라고 표현하냐구요?

LTPS에서 정의 하는 Low Temperature는 일반적인 1000도 정도에서 이루어지는 HTPS(High-Temperature Polycrystalline Silicon)라는 공정이 아닌 유리 기판(Glass) 변형이 일어나지 않는 450도 공정에서 이루어지기 때문에 상대적으로 저온인 셈이랍니다 HTPS는 성능은 좋지만, 저렴한 유리가 아닌, 값비싼 석영(Quartz)을 사용해야 한다는 단점이 있습니다.

기본적으로 TFT는 전류가 잘 흐를수록, 즉, 전자의 이동성이 높을수록 효율이 좋습니다. 가장 이상적인 모델은 아래 왼쪽 첫번째 그림의 단결정 실리콘(Single Crystal Silicon)이나, LTPS-TFT 제조 공정에서는 Glass를 기판으로 사용하기 때문에 불가능합니다.

a-Si TFT는 그림처럼 다소 무질서하게 배열돼 있습니다. 전자가 원하는 방향으로 빠르게 이동하기 어렵지요. 전자의 이동을 비유하자면 왼쪽의 단결정 실리콘은 장애물 없이 직진하는 비행기라면, a-Si은 장애물 달리기를 하는 선수의 상황과 비슷합니다.

LTPS는 조금 더 빠른 자동차에 비유되는데요. LTPS 그림을 잘 보면 단결정 실리콘의 모습을 볼수 있는습니다. 여러개의 단결정이 모여 있어 단결정내에서는 전자가 빠르게 이동하다가, 단결정들의 경계선에서는 속도가 늦춰지는 원리입니다.

다시 전자의 이동도 얘기를 해 볼까요. 전자의 이동이 빠르면 무엇이 좋을까요? 이동 속도가 빠르면, 고속 동작회로 구현이 가능하고, 단시간내에 원하는 전류량을 줄수 있어 트랜지스터의 크기를 작게 만들 수 있으므로, 고해상도 디스플레이 패널을 만들 수 있습니다. LCD의 경우에는 화면의 개구율을 높여 화질을 개선할 수 도 있죠. 특히 화면에서 베젤이 얇아지는 큰 장점 덕분에 불필요한 부분을 많이 줄일 수 있습니다. 그래서 현재 고해상도 스마트폰 디스플레이에는 대부분 LTPS가 필수적으로 사용되고 있습니다.

지금까지 TFT의 원리와 구조 그리고 종류와 특성에 대해서 알아보았습니다. OLED와 LCD의 보이지 않는 손 'TFT'

작고 얇은 모습이지만 화면에서 지금처럼 화려한 영상과 이미지는 바로 이 TFT 없이는 볼 수 없다는 점을 오늘 알 수 있었습니다.

다음 시간에는 디스플레이에서 이렇게 중요한 역할을 하는 TFT를 어떠한 방법으로 제작하는지를 소개해 드리겠습니다.