Special Thema IGZO 산화물 반도체 박막트랜지스터 연구 동향 교수 (오산대학교 디지털전자과), 강창수 교수 (유한대학교 전자정보과) 안호명 1. 서 론 최근, 전 세계 초고선명 텔레비전 (Ultra High Definition Television, UHD TV, Ultra HD TV) 시장이 2,000만대 규모로 급성장할 것으로 예상되면서, 2014년 7월 29일자 시 장조사업체 '디스플레이서치'에 따르면 글로 벌 TV 제조사들은 올해 UHD LCD (Liquid Crystal Display) 패널 (panel)을 상반기 640 만장을 포함해 총 2,000만장 구입할 것으로 예상된다. 지난해 UHD TV 시장이 200만대인 것을 고려할 때 올해는 10배 규모로 커지는 것이다 (아시아경제, 2014년 7월 29일자 기사 "올해 10배 커지는 UHD TV 시장, 韓-中 '고 지전'"). 여기서, UDH TV는 기존 풀 HD (Full High Definition) TV보다 해상도가 4배 혹은 16배 더 높게 개선되어, 그림 2에서 보는 바와 같이 초고화질, 다채널 오디오, 넓은 시야각 등을 특징으로 한다. 역동적인 고화질을 대면적에서 구동시키기 위해서는 풀 HD급 해상도 이상의 4 k 2 k (2,160 3,840) 픽셀 (그림 2)과 240 Hz 이상 의 프레임 스캔 속도 (그림 3)가 필요한데 [1], 이는, 해상도가 높아질수록 각 스캔라인 (gate line)별 축적용량 커패시터 충전에 허락된 시 간이 짧아지므로 전하의 이동도가 커야하고, 그림 1. 세계 UHD TV 시장 전망 [1]. 그림 2. UDH TV의 주요 사양 [자료 ETRI, 키움증권, IT Report]. 더군다나 고해상도화가 될수록 박막형 트랜 지스터 (Thin-Film Transistor, TFT)의 크기 (width)가 줄어들므로 채널 저항에 의한 전기 전기전자재료 제27권 제8호 (2014년 8월) 27
테마기획 _ 산화물 반도체 그림 3. 풀 HD에서 UHD로의 해상도 변화에 따 른 화질 비교 [1]. Polysilicon, LTPS) TFT', 그리고 2012년 에 출시된 샤프에서 제작한 'The new ipad' 와 LG 디스플레이에서 2013년에 양산하기 시작한 55"AMOLED TV에 적용된 "산화물 (Oxide) 반도체 TFT" 등으로 구분된다 [2]. 비정질 반도체 TFT는 분자의 배열이 일정 하지 않아 전자의 이동도가 낮아 소비전력 이 많이 든다. 이는 비포장 도로를 달리는 차 가 기름을 더 소모하는 것과 같은 구조다. 이 러한 문제를 해결하기 위해 고이동도를 가지 는 다결정 실리콘이 대체 방안으로 제안되었 으나, 결정화에 필요한 고가의 장비로 인한 공정 비용 상승과 grain boundary로 인한 non-uniformity 문제는 디스플레이의 픽셀 사이의 밝기 차이를 유발하여 디스플레이에 적용하기 어려운 단점이 존재한다. 더군다나 Si 기반 공정은 필수적으로 상대적으로 고온 의 열처리 공정을 필요로 하는데, 이와 같은 고온 공정은 향후 플렉서블 디스플레이와 같 은 차세대 유연성 소자 적용에 한계로 작용 한다 [1]. 이에 비해 산화물 반도체 TFT는 잘 닦여진 포장도로 위에서 차를 운전하는 것과 같은 효율적인 구조다. 산화물 반도체는 높 은 이동도값 (1~100 cm2/vs)을 가지며, 3.3 ev 이상의 큰 밴드갭 (Band-gap)을 가지고 있어 가시광 영역에서 투명하며, 실리콘 기 반의 소자와는 다르게 Post-oxidation 현상 신호처리가 늦어지지 않도록 채널의 이동도 가 커져야한다 [2-4]. 이를 위해서는 최소 5 cm2/vs의 전자이동 도가 필요하며, 더 나아가 향후에는 디스플 레이 소자 제작에 있어서 약 40 cm2/vs 이 상의 전자이동도가 요구될 것으로 예상되 며, 스포츠 중계를 보다 현장감 있고 생동 감 넘치는 화면 구현을 위해서는 초당 보여 지는 화면 장수를 점차 증가시켜서 이전 이 미지의 잔상이 겹쳐 보이는 이미지 겹침현 상 (blur)을 현저하게 감소시킬 필요가 있 다 [1]. 이러한 디스플레이소자를 동작시 키기 위한 백플레인 (backplane)의 스위칭 (switching) 소자로써 TFT가 핵심 부품이며, 반도체 채널를 형성하 는 물질의 종류에 따 표 1. 물 질 별 박막 트랜지스터의 특성 비교 [전기전자재료 제24 권 5호(2010년)]. 라 현재 양산하고 있 는 디스플레이에 사 용하는 백플레인으로 LCD 구동에 널리 사 용하는 '비정질 반도체 (Amorphous-Silicon, a-si) TFT', OLED 구 동과 고해상도 TFTLCD에 사용하는 '저 온-다결정 실리콘 (Low Temperature- 28 테마
이발생하지않으므로소자의특성변화가적은장점이있다 ( 표 1). 최초의산화물을이용한 TFT 소자는 Klasense와 Koelmans가 SnO 2 를이용한것이다 [1,5]. 이연구는강유전체성질을갖는게이트절연막에 SnO 2 산화물반도체를적용하여메모리소자로사용하기위한목적이었지만, Ion/Ioff가 10 2 정도로소자특성은좋지못했다. 2000년대후반에이러한투명전극에사용되는물질의결함양을적절히조절함으로써 TFT에사용가능한반도체를형성할수있다는것이알려졌다. 본격적인산화물 TFT에대한연구는아연산화물 (ZnO) 을기반으로한 TFT가우수한소자특성을보여주면서실제디스플레이에적용이가능한기술로주목받기시작했다. ZnO는높은전기전도도와넓은밴드갭에너지 (~3.4 ev) 를가지며지구상에풍부하게존재하기때문에다른산화물반도체에비해비교적가격이낮고, 인체에무해하다는장점들로많은주목을받았지만, 다결정특성으로인해대면적디스플레이적용에한계를나타내었다. 이러한단점을극복하고자 ZnO에주로 In과 Sn, Zn를주종으로하여여기에 Ga, Al, Sb 등여러가지원소를조합하여다양한형태의산화물반도체가시도되었다. 이중에서가장성공적인것은일본의동경공대호소노 (Hosono) 그룹 ( 그림 4) 에서제안한 InGaZnO(IGZO) 였다 [1]. 이들은 2003년에 Science에결정질 IGZO 를이용하여 TFT로동작시킬수있음을보였다. 그다음해인 2004년에는 Nature에비정질 IGZO를이용하여이동도 8 cm 2 /Vs의 TFT가형성됨을보였다. 특히, 2000년대이후저온증착이가능하며비정질형태의 IGZO 산화물반도체가본격적으로개발되면서게이트산화막, 전극, 배선등이모두투명한투명디스플레이의제작이가능하게되었다. 이들 IGZO 산화물반도체는진공장비인스퍼터, Pulsed laser deposition (PLD), 그림 4. 호소노 (Hosono) 히데오교수 ( 출처 : 이티뉴스 2013 년 10 월 21 일자기사 ). Atomic layer deposition (ALD) 등의공정을통해주로제작되며, 비용면에서유리한용액공정을이용한방법도개발되어있는상태이다 [6-10]. 2. IGZO 산화물반도체의동향및활용분야 플라즈마디스플레이패널 (Plasma Display Panel, PDP), LCD, OLED 등평판디스플레이의급속한발전과함께디스플레이의시장은공급자중심의시장주도로시장이급성장하고있다. 그중에서도전자계산기, 시계등을위한단순표시소자로개발되기시작한 LCD 는단순매트릭스구동의수동매트릭스 (Passive Matrix) 에서 TFT 로구동하는능동매트릭스 (Active Matrix) 로진화하며눈부신발전을거듭하여급기야는대형평판 TV 시장을선점했던 PDP 를누르고소형에서중대형에이르는전영역을지배하는주도기술이되었다. 그과정에서 TFT-LCD 는 UHD 고해상도, 잔상이개선된 240 Hz 구동, LED 를 BLU (Back light unit) 로채용하여두께를줄이고색감을강조한 Slim LED TV, 3 차원 (3D) TV 등다양한기술들을접목하여이슈화하는효과적인마케팅전략을통해공급자중심의시장창출 전기전자재료제 27 권제 8 호 (2014 년 8 월 ) 29
테마기획 _ 산화물 반도체 표 2. 디스플레이용 TFT 소자 별 비교 [14]. 을 주도하고 그 지배력을 공고히 하여 왔다 [11-13]. 디스플레이 산업의 지속적인 발전 을 위해서는 LCD, OLED, Electrophoretic, Electrowetting, MEMS와 같은 기존 디스플 레이 모드들의 개선 및 신규 모드 개발과 더 불어 핵심적인 구동 소자인 TFT의 꾸준한 성 능 향상이 요구된다. TFT는 소자를 구성하 고 있는 게이트 전극, 절연막, 반도체, 소스/ 드레인 전극 중에서 특히 반도체를 형성하는 물질의 종류에 따라 a-si TFT, LTPS TFT, 산화물 반도체 TFT 등으로 구분하여 표 2와 그림 5, 6에 구체적으로 설명하였다 [14]. 비 정질 반도체 TFT의 이동도가 0.5 cm2/vs인 데 비해 산화물 반도체는 5 cm2/vs로 10배 가량 좋다. 스마트폰이나 태블릿PC 등 모바 일기기에서는 배터리의 수명이 중요하며 배 터리 소비의 60% 이상이 디스플레이 구동에 쓰인다. 그만큼 디스플레이의 저전력화는 최 대화두다. 차세대 디스플레이의 요구 조건에 만족하는 고 성능의 소자들이 생산되고 있음 에도 불구하고, 실제 모듈에 적용 시, 그 특 성을 유지할 수 있는 신뢰성 확보에 대한 문 제점이 대두되고 있다. 특히, 장시간의 소자 사용에 있어서 게이트 전압에 의한 열화 현 상으로 문턱전압이 변화하여 모듈의 오작동 을 일으킨다. 이러한 현상은 a-igzo의 박 막 트랜지스터 기반의 다양한 소자들의 오 작동을 유발시킬 수 있는데, 문턱전압의 변 30 테마 화를 유발시키는 요인 은 게이트 절연막과 a-igzo의 채널 사이 의 계면 상태, 환경적 요인 특히, 수분에 의 한 열화, 물질 조성 상 태, 소자의 구조, 동작 전압 조건 등 다양하 며, 현 기술 상태에서 그 메커니즘이 명확하 게 구분되어 규명되지 있지는 않다. 산화물 기반의 트랜지스터가 처음 보고된 후 2년 만에 한국의 LG 전자는 IGZO 트랜 지스터로 화소를 구동하는 OLED 디스플레 이 프로토타입을 발표하였으며, 바로 뒤이 어 다른 기업들도 산화물 기반의 디스플레 이를 발표하였다. 삼성전자는 2009년 19인 치 OLED와 17인치 LCD를 발표하였으며, 대 만의 AU 옵트로닉스 (AU Optronics Corp.) 그림 5. IGZO TFT 소자의 장점 (일본 Sharp사). 그림 6. I GZO TFT vs a-si TFT 해상도 비교 (일 본 Sharp사).
그림 8. IGZO을 이용한 디스플레이 상용화 제 품들. 그림 9. IGZO LCD 패널을 채용한 '뫼비우스 패 드' (일본 Sharp사). 그림 7. N BTI, PBTI 평가에서 보여지는 문턱전 압의 변화 현상 [Electronic Materials Letters, Vol. 7, pp. 1-11, (2011)]. 는 2010년 초에 37인치 LCD를 발표하였다. 이를 이어 곧바로, 삼성전자는 2010년 말 에 240 Hz 재생률을 지닌 70인치 초고화질 (4,000 2,000 화소) 3-D LCD 패널을 발 표하였다. IGZO는 최초로 샤프의 스마트폰 인 AQUOS PHONE ZETA (SH-02E)과 테 블렛인 AQUOS PAD (SHT21)에 탑제되었으 며, 이후로도 샤프만이 아니라 ASUS, 후지 쯔, 소니, 삼성, Apple사 등의 다른 회사에도 a-igzo 기술 개발이 지속적으로 이뤄지고 있다 (그림 8). 최근, 2013년 05월 13일 샤프 (Sharp)가 저전력 디스플레이 기술인 'IGZO'를 사용한 TV를 출시할 계획이라고 일본 일간공업신문 에 보도했다. 2013년 9월 30일 자로는 일본 샤프가 일본에서 개최 중인 CEATEC 2013에 서 IGZO 패널을 채용한 윈도 8.1 10인치 태 블릿 '뫼비우스 패드 (Mebius Pad)를 공식 발표했다. '뫼비우스 패드'는 IGZO LCD 패 널을 채용하여 픽셀밀도 300 dpi의 10.1인치 디스플레이이다 (그림 9). 더 최근 2014년 6월 18일자로 샤프에서 자유형태 변화 (Free-form) 디스플레이, IGZO 프로토 타입을 선보였다 (그림 10). 이 디스플레이는 어떠한 2차원 다각형으로도 형태가 변할 수 있는데, 이는 틈새 모양에 관계없이 부착될 수 있으며, 자동차에 다양 한 형태의 원형 대시보드를 부착하거나, 동 그란 화면의 웨어러블, 혹은 프레임이 없는 태블릿이나 스마트폰을 만들 수도 있다는 장 점을 가지고 있다. 자유형태 변화 IGZO 디 스플레이의 최초 상용화 시기를 2017년으로 예상하고 있다. 플렉서블 디스플레이는 지금까지는 주로 유기 (Organic) TFT로 구동되는 전자종이에 의 응용을 목표로 연구되어 왔으나 최근에는 아이패드, 넷북, 갤럭시탭과 같은 휴대용기 전기전자재료 제27권 제8호 (2014년 8월) 31
테마기획 _ 산화물 반도체 그림 10. IGZO의 자유형태 변화 디스플레이 (일 본 Sharp사). 기의 급속한 발전과 더불어 '깨지지 않는 가 벼운 디스플레이'라는 고가의 고품질 디스플 레이 후보로 더 많은 주목을 받고 있다. 최 근, 여러 기업들이 산화물 트랜지스터 백플 레인 기술로 만든 플렉서블 디스플레이를 발 표하고 있는 중이다. 일본 도쿄에 있는 도판 인쇄 (Toppan Printing Co.)는 2005년 최초 로 산화물 트랜지스터를 이용하여 흑백 플라 스틱 전자종이 디스플레이를 만들었으며, 그 후로 1 cm 당 160 화소의 해상도를 가진 직 경 5 cm 크기의 전자종이 디스플레이를 만 들어 발표하였다. LG전자와 대일본인쇄 (Dai Nippon Printing Co.)는 스테인리스 강철로 만든 소형 플렉서블 OLED 디스플레이를 발 표하기도 하였다. 이와 함께 삼성 모바일 디 스플레이와 일본 샤프는 LTPS TFT와 IGZO 산화물반도체 TFT를 플렉서블 디스플레이용 으로 적극 개발하고 있다 (그림 11, 12). 같은 해에 개최되었던 IMID 학회에서 LG전자는 0.1 mm 두께의 스테인레스 포일을 기판으로 사용한 3.5인치 플렉서블 AMOLED를 제작 하여 기판이 휘어진 상태에서도 동작 구현이 가능함을 시연하였다 (그림 13) [1]. 최근까지 금속 기판을 제외한 플렉서블용 기판은 PEN, PC 등으로서 주로 200 이하 에서만 공정이 가능했으나, 고온 공정이 가 능한 용액 공정용 폴리이미드 (Solution PI) 기판과 필름 타입의 폴리이미드 기판의 개발 32 테마 그림 11. 6.5인치 플렉서블 AMOLED 패널 (삼성 모바일 디스플레이). 그림 12. I GZO 플렉서블 OLED 패널 (일본 Sharp). 그림 13. I GZO TFT를 이용하여 구현한 3.5인치 플렉서블 AMOLED 제품. 과 함께 플렉서블 디스플레이용 Backplane 공정도 유리기판과 거의 유사한 공정 온도 범위를 갖게 됨으로써 플렉서블 디스플레이 는 급속도로 발전할 전망이다. 산화물 반도 체 TFT는 공정에 필요한 마스크 수가 LTPS 보다 더 적은 장점과 간단한 구조 등으로 인
그림 14. K AIST 연구팀이 개발한 ZnO 투명 ReRAM 소자. 하여 플렉서블 디스플레이에 더 적절한 후보 로 평가받고 있다. 비록 산화물 반도체 TFT 도 다른 TFT와 마찬가지로 절연막 특성에 의 해 TFT 특성이 크게 영향을 받기 때문에 저 온 공정이 가능하다고 쉽게 말하기는 어렵 지만, 그럼에도 불구하고 다른 TFT 대비 상 대적으로 저온 공정에서도 더 좋은 특성을 얻을 수 있다는 점과 용액 공정의 수월성으 로 인한 프린팅 공정의 가능성을 고려할 때 대면적 Wall display와 같은 차세대 디스플 레이 구현에 가장 적절한 소자로 평가된다 [14,15]. 투명 TFT 이외에 투명 산화물반도 체 TFT를 응용한 또 다른 예로 차세대 전자 종이를 들 수 있다. 일본의 토판 프린팅에서 는 2005년 비정질 IGZO TFT를 유연 기판 상 에서 Array로 구현하였으며, 2006년에는 비 정질 IGZO TFT를 적용한 최초의 컬러 전자 종이를 발표하였다 [16]. 차세대 디스플레이 는 아직 산업화는 쉽지 않은 기술이지만, 최 근 일본 전자업체 샤프가 이르면 올여름 자 사의 에너지 절약형 고성능 11.6인치 IGZO LCD 패널을 삼성전자에 공급할 것이라고 니 혼게이자 신문이 2013년 4월 19일자로 보 도하는 등, 투명 산화물반도체는 Active Matrix OLED (AMOLED)와 e-paper용 구동 TFT로 곧 응용될 것으로 전망된다. 한편, 투명전자소자가 집적회로 형태로 발 전하게 되면 이러한 투명 집적회로를 이용하 여 장래에는 눈에 보이지 않는 컴퓨터 및 디 지털 기기의 탄생도 가능하리라 전망되며, 더불어 투명 디지털 기기의 막대한 정보를 저장하기 위한 투명 비휘발성 메모리의 급격 한 수요 증가가 예측되어 IGZO 산화물 반도 체를 이용하여 연구가 활발히 진행되고 있 다. 투명 메모리 분야의 경우 아직 시장 형 성이 되지 않아 많은 연구가 진행되지 않았 지만, 향후 형성될 투명 전자 소자의 저장 매 체로의 수요 증가가 예측됨에 따라 국내 외 연구기관에서 관심을 갖고 연구를 진행하 고 있다. 그림 14와 같이 2008년에는 카이 (a) (b) 그림 15. (a) IGZO기반의 투명 플렉서블 ReRAM 소자 특성, (b) 1T-1R 구조의 IGZO기반 의 플렉서블 ReRAM 소자. 스트 임광수 교수팀이 투명 저항 변화화 물 질 (ZnO)을 이용한 Transparent Resistive Random Access Memory (T-ReRAM)을 세 계 최초로 발표하여 화제가 되었다 [17]. 이 후, 비정질 IGZO을 이용한 투명 플렉서블 ReRAM [18]과 1T-1R구조에서 투명 플렉서 블 ReRAM [19] 등의 비휘발성 메모리 분야 에도 IGZO 연구가 활발히 진행되고 있다 (그 림 15). 전기전자재료 제27권 제8호 (2014년 8월) 33
테마기획 _ 산화물반도체 그림 16. a-igzo 박막트랜지스터를이용한항원항체감지센서. 마지막으로, 바이오센서연구분야에서도 IGZO 박막트랜지스터의기술을이용한고감도센서구현을위하여많은연구가진행되고있다 [20]. 항원항체센서뿐만아니라, 가스센서영역에서도두각을발휘하고있어서, 바이오센서구현에차세대물질로각광받고있는데, 이는, a-igzo 은 ZnO 나노와이어구조와의호환성이우수하기때문에, 새로운구조에서고감도센서를제작할수있기때문이다 ( 그림 16). 3. 결론 IGZO 산화물반도체는최근각광받고있는 UHD TV 의대면적, 고해상도구현이가능할뿐만아니라무안경 3D TV, 곡선형 OLED TV 등의적용이가능하고, 상온에서공정이가능하여플라스틱기판을활용한플렉서블디스플레이구현이가능하다. 물론, 일반적 으로고이동도산화물 TFT 의안정성은이동도가낮은산화물 TFT 에비하여취약한것으로알려져있고, 특히이동도를주는 In 원소의함량이높을수록이동도는증가하나안정성 ( 특히, 빛안정성 ) 이열화되는문제가있다. 따라서향후열화메커니즘의규명및고안정성이유지되는고이동도산화물 TFT 를개발의연구가더필요한다 [21]. 한편, 차세대디스플레이에응용가능한차세대투명플렉서블비휘발성메모리소자로도많은주목을받고있다. 이처럼 IGZO 산화물반도체 TFT 는각종디스플레이패널의백플레인구동소자로서그잠재적인가능성과기술적인실용성을충분히인정받고있으며, 한국, 일본등의디스플레이패널메이저업체에서도양산을염두에둔연구개발투자가이루어지고있기에, 곧 IGZO 산화물반도체 TFT 가 LED TFT-LCD, AMOLED, 전자종이패널, 투명메모리소자, 더나아가서바이오센서등의시장에속속등장하게될것으로기대된다. 참고문헌 [1] 박경, 권장영, " 투명산화물반도체의개요및응용 ", 세라미스트, vol. 17, no. 1, p. 7, 2014. [2] 박상희, " 디스플레이의메가트랜드, 산화물 (Oxide) TFT 기술 ", 화학세계, p. 56, 2013. [3] T. Kamiya, K. Nomura, M. Hirano, and H. Hosono, Phys. Status Solid c, vol. 5, p. 3098, 2008. [4] S.-H. K. Park, C.-S. Hwang, M. Ryu, S. Yang, C. Byun, J. Shin, J.-I. Lee, K. Lee, M. S. Oh, and S. Im, Adv. Mater., vol. 21, p. 678, 2009. [5] M. W. J. Prins, K. -O. Grosse-Holz, G. Muller, J. F. M. Cillessen, J. B. Giesbers, R. P. Weening, and R. M. Wolf, "A Ferroelectric Transparent Thin-film Transistor," Appl. Phys. Lett., vol. 68, p. 3650, 1996. [6] T. Kamiya, K. Nomura, and H. Hosono, 34 테마
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