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차세대 디스플레이 및 반도체용 전자 소자, Oxide TFT

박상희 교수(KAIST 신소재공학과)/shkp at kaist.ac.kr/ 2023.07.05

최근 접거나 돌돌 말 수 있는 등 변형이 가능하고, 심지어 투명하기도 한 AMOLED (active matrix organic light emitting diode) 디스플레이를 우리 일상에서 볼 수 있습니다. 차량용으로 롤러블 디스플레이가 개발되어 주행 상황과 이용 목적에 따라 크기를 조절함으로써, 디스플레이가 차지하는 공간을 최소화해 차량 내부 디자인을 획기적으로 개선하고, 또한 가정에서는 검은 대형 화면이 거실의 벽을 넓게 차지하는 대신 TV를 보지 않을 때는 말려져 있는 체로 보관이 가능하여 실내 인테리어 측면에서도 디자인 혁신을 추구할 수 있으며, 부채나 병풍처럼 접히고, 어떠한 표면에도 부착이 가능한 form-free 형 디스플레이가 곧 선보일 예정입니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 박상희 교수(KAIST 신소재공학과)는 산화물 반도체를 사용하여 제작한 박막트랜지스터로써 AMOLED를 세계 최초로 개발한 분이십니다. ERC 공학연구센터 웨어러블 플랫폼 소재 기술센터와 공동연구를 수행하였으며 다양한 구조의 산화물 트랜지스터 원천기술을 개발하고 있습니다. 연구에 대한 자세한 이야기를 해 보겠습니다.

1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다

Soft & Smart Materials & Devices Lab (SSMD)은 디스플레이, 반도체, 그리고 다양한 종류의 센서 연구에 필요한 소재와 소자를 연구하고 있습니다. 디스플레이는 전자/광학 소자 (electro-optical device) 라고도 불리우는데요. AMOLED의 앞말 (AM-active matrix의 약어)는 전기 신호를 제공하는 전자 소자임을 표현하는 것이고, 뒤 부분의 OLED는 사람의 눈으로 인지할 수 있는 광학 소자를 표현하는 것으로서, 전자 소자가 제공한 전기적 신호에 따라 색의 밝기를 달리 합니다.

색 자체는 OLED 등의 발광 소자 구조에 의해 결정됩니다. LCD는 RGB ( red, green, blue) color filter로 결정 되구요. 너무 잘 아시는 TFT-LCD로 확장해보면 전자소자를 TFT로 직접 표기하고, 광학 소자는 LCD라는 것을 뜻합니다. 실제, LCD는 OLED와 달리 스스로 빛을 내는 소자는 아니고 백라이트 빛을 막거나 통과시키는 셔터의 역할을 하는 것입니다. 저희 연구실은 전자 소자인 박막 트랜지스터를 연구함으로써 디스플레이의 성능인 해상도와 폼팩터를 높이고, 다양한 종류의 센서를 연구하며, 최근에는 반도체 산업에 필요한 소재/소자도 연구하고 있습니다.

2. 차세대 Oxide TFT 및 변형 가능한 디스플레이에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

산화물 반도체의 본격적인 연구는 2000년도 초에 시작되었습니다. 이전에는 가장 대표적인 Si 을 사용했는데요, 반도체 산업에서는 단결정의 Si (제작 가능한 최대 지름인 300 mm 기판 ) wafer를 사용하는 반면, 디스플레이는 박막 증착이 가능한 면적 내에서는 최대 10.5 G (2940 x 3370 cm²) 기판에서까지 디스플레이용 소자를 제작할 수 있습니다.

우선은 하판이라 불리우는 TFT를 제작 후 그 위에 광학 소자를 형성하는 것이 가장 일반적입니다. 변형이 가능하기 위해서 제일 중요한 것은 디스플레이의 두께입니다. 두꺼운 책은 휠 수 없지만 얇은 종이는 휠 수 있는 것과 같은 원리이지요. AMOLED로써 다양한 폼팩터를 가지는 디스플레이를 만들 수 있는 요소이기도 합니다. 디스플레이 구성 요소 중 가장 두께가 큰 것이 기판입니다. 일반적인 두꺼운 유리 대신 플라스틱 기판으로 대체함으로써 AMOLED의 폼팩터로서의 혁신이 이루어졌지요.

저희는 아예 박막 자체를 기판으로 사용할 수 있도록 박막 상에 형성된 AMOLED을 기판으로부터 분리할 수 있는 기술로써 렌즈에도 부착이 가능한 소자를 제작할 수 있었습니다. 이 기술은 AMOLED와 같은 소자와 기판을 쉽게 분리할 수 있는 희생층의 연구가 핵심이었습니다. 차세대 TFT 연구 측면에서는 산화물 반도체 소재는 양산에서 사용 가능한 의미있는 소재는 이미 발표가 거의 된 것 같습니다. 현재 국가 과제로 원자층 증착법에 의한 고성능 산화물 TFT 관련 연구가 크게 진행되고 있으며, 본 과제를 통해 성능이 우수한 신규 산화물 반도체가 개발되면 좋겠습니다. ALD를 이용하여 투명 산화물 TFT를 처음 개발함으로써 투명 디스플레이의 기술적 가능성을 증명한 곳도 제가 소속된 ETRI 팀 이었습니다.

3. 수직 TFT, 자체 정렬 TFT, 안정성이 높은 고이동도 산화물 TFT 각각 장단점이 있을 것 같은데요. 설명 부탁드립니다.

산화물 반도체로 제작하는 TFT는 재료의 특성으로 인해 가질 수 있는 장점이 몇 가지 있는데 그 중 하나가 소재뿐만 아니라 구조와 반도체 형성 제작의 다양성입니다. 스퍼터링, 원자층 증착법, 용액공정 등이 가능합니다. 수직 채널 TFT의 경우는 채널 길이가 박막 두께에 의해 결정되므로 단채널 형성이 가능하며 또한 사용해야 하는 마스크 수를 줄일 수 있으므로 화소의 집적화에 매우 장점이 있습니다.

최근 ETRI에서는 이를 활용하여 홀로그래픽 구현에 도전하고 있구요. 자체 정렬 TFT의 경우는, 각 화소에 전달되어야 하는 전기적 신호 지연을 야기시키는 RC delay 현상을 최소화할 수 있는 구조이므로, 최근 대부분의 고사양 디스플레이는 이 구조의 TFT를 사용하는 것으로 알고 있습니다.

고이동성의 산화물 TFT의 경우, Si 반도체와는 달리 산화물 반도체 고유 특성 상, 전자 캐리어의 양이 많아야 하고, 이 경우 TFT를 on 시키기 전에 완전히 turn-off 하기 위해 가해줘야 하는 전압이 음의 절대값으로 0V 보다 커집니다 (이런 소자를 normally on 상태라 표기하며, off 시키기 위한 -voltage 증가) 이는 전력 소모와 직접적 관련이 있으므로 이를 극복하는 방안이 필요하구요. 저희가 새로이 개발한 trench TFT는 이동도, 안정성을 동시에 높일 수 있고 구동 전압도 0V에 가깝도록 할 수 있는 차세대 산화물 TFT 라고 생각합니다.

4. 수직 채널 구조로 인해 기존 BCE 구조의 TFT보다 작은 풋프린트를 제공이 가능하다고 하는데요. 보완해야할 점은 없는 건지 궁금합니다.

구조를 참조하시면 (Fig 3 우), 수직채널 TFT의 경우, 소스/드레인 전극 상에 반도체가 형성되어야 합니다. 이 경우, 전극 소재에 따라 반도체와 전극 사이에 컨택 저항이 생길 수 있으므로, 소재와 공정의 최적화가 매우 중요합니다. 또한 수직 채널의 back side는 PR 공정의 미세함과 드라이 에칭 공정 정도에 따라 거칠기를 결정하며, 그 거칠기가 클수록 이동도가 감소하는 단점이 있습니다.

5. 박막 반사형 형태의 정맥인식 복합 보안 소자 기술 개발에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

정맥 센서는 일종의 생체 이미지 광센서로서 보안 용 소자입니다. 지문과 유사하지만, copy가 불가하므로 보안 수준이 매우 높습니다. 또한, 정맥의 경우 피하에 존재하기 때문에 조사하는 광원으로, 피부 투과가 가능한 근적외선을 사용해야 합니다. 그림자를 생각하면 쉽겠네요, 사람 혹은 물체가 공간에 있고 그쪽에 빛을 쪼이면 그림자가 사람 형태로 나타날텐데요. 다만 정맥의 경우 조사한 빛의 경로가 생각보다는 좀 복잡합니다. 이러한 상황들을 고려하여 디자인해야 합니다. 통상 이러한 생체 이미지 센서를 구현하기 위해서는, “조사하는 빛 (근적외선) 을 흡수하면 전하가 발생 될 수 있는 반도체와, 발생한 전하들이 각각 양극, 음극으로 분리되어 이동할 수 있는 반도체를 포함하는 다이오드, 그리고 다이오드를 통해 모여진 전하의 양을 읽을 수 있는 박막트랜지스터” , 이 전체 요소로써 한 픽셀을 형성하고, 측정해야 하는 범위의 면적 안에 상기 구조의 단위소자를 array type으로 제작하면 (마치 디스플레이처럼) 뒷 단의 IC 가 정보를 해석하고 인식을 합니다.

전자 소자 하는 사람 입장에서 센서 array 제작 기술보다는 주변의 부품 들, 예를 들면, collimator 등의 광학 부품, IC 등의 개발이 더 난이도가 높습니다. 그러므로, 디스플레이에 집적화하기 위한 기술 개발이 지속적으로 수행되어야 할 것 같습니다. 작년 5월 SID 학회에 대만 AUO가 정맥센서 데모를 하면서 기술 과시를 했습니다. 부품 관련 연구가 더 지속적으로 수행되어야 할 것 같습니다.

6. 휘어지는 투명 디스플레이 기술은 어디까지 발전되고 있는지 궁금합니다.

디스플레이 그 자체는 이제 종이처럼 휘어지거니 접거나 할 수 있는 기술 등이 많이 발전하고 있습니다. 여기에 투명까지 더하기 위해서는 투명하면서도 300 도 이상의 공정 환경에서 변형이 전혀 없는 투명 기판이 필요하고 이를 위해서는 투명 폴리이미드가 필요합니다. 현재 회사들이 개발하고 있으므로 조만간 좀 더 높은 온도에서 사용할 수 있고, 광학적 특성도 우수한 투명 PI 가 개발될 것 입니다.

7. 휘어지는 디스플레이는 단단함이 많이 약하다고 하는데요. 조심해서 사용해야 한다는 평이 있습니다. 교수님은 어떻게 생각하시나요?

터치 기술의 발전으로 휴대폰의 펜을 사용하여 엄청난 그림조차 그릴 수 있는 시대인 것 같습니다. 그럴 경우 펜촉의 두께는 점차 앏아질 것이고, 제 생각에 그 압력에도 견디는 기판이 이슈일 것 같습니다. 현재 아주 얇은 유리 상하판에 매우 얇은 플라스틱 필름을 붙여서 폴더블 용으로 사용하고 있다고 알고 있는데요. 제 분야가 아니라 잘 모르겠습니다만, 관련 연구를 누군가는 하고 있을 것이고 조만간 해결될 것으로 예상합니다.

8. 18년동안 한국전자통신(ETRI) 연구원으로 재직하고 계셨는데요. 그 당시 어떤 연구를 하셨는지 궁금합니다.

IMF 직후 귀국하여 조인한 곳이 ETRI 였습니다. 그 때만 해도 OLED 시장이 이리 커질지 몰랐어요. 제가 유기금속화학을 전공했고, 그 전공 분야가 마침 필요한 ELD 부서에서 ALD 장비로써 AC-ELD 연구를 하게 되었습니다. 진공 장비는 처음 접하는 것이라 두려움도 컸지만 박막 증착, 소자 제작 등 모든 것이 신기하고 재미있어 날 새는 줄 모르고 연구한 것 같습니다. AC-ELD는 현재 국내 연구는 전무하지만 군사와 의료용으로는 관련 디스플레이가 아직도 사용 중입니다.

9. ETRI 당시 가장 기억에 남는 특허가 있다면....

ALD 장비 특성 상, 박막의 밀도가 매우 높아서 수분이나 산소 조차도 막을 수 있는 절연막 형성이 용이 합니다. 그 당시 다른 그룹에서 수행 중이었던 OLED 소자를 보면서, 향후 ALD로 형성한 보호막을 사용할 것으로 예측하고 특허를 냈습니다. 그런데 너무 일찍 등록하여, 현재는 아무나 사용 가능한 기술이 되었어요. 좀 더 특허 관련 지식이 있었다면 유사 기술로 방어 특허를 낼 수 있었을텐데 하는 아쉬움이 있습니다.

10. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

개별 연구와 그룹 연구는 장, 단점이 다 있는 것 같습니다. 저희 연구실 기술로만으로도 의미 있는 기술을 개발 할 수 있고, 시기 적절하게 우리의 생각대로 연구를 수행하는 자유도가 오히려 새로운 아이디어 도출에 도움이 되기도 하구요. 동시에 선도 사업처럼 과감한 원천 기술 수행의 기회는 그룹미팅을 통한 배움이 크고 시스템으로의 확장이 매우 용이한 것 같습니다. 다만, 개별연구의 경우 IBS 등의 원천 연구 말고는 좀 더 큰 영역으로의 확장이 쉽지 않아 연구 주제를 축소하게 되는 것 같습니다.

11. 변형 가능한 디스플레이 분야의 국내 상황과 국외 상황을 비교해주신다면 어떤 실정인가요.

중국의 도전이 매우 거세지고 있습니다. 이미 디스플레이 시장 자체는 중국이 한국을 앞서고 있구요. 국가적인 위기 의식을 가질 수 밖에 없는 상황이라 산학연-정부와의 긴밀한 협력이 매우 필요해 보입니다. 변형 가능한 초고해상도 디스플레이 등 기술의 난이도가 높은 기술의 경우 국가 주도 사업을 통해 저희가 기술의 핵심을 보유할 수 있어 이 또한 매우 중요해 보입니다.

12. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

2004 이후 제 연구 목표는 단 하나였습니다. Almighty Oxide Semiconductor Device!. 비록 시작은 일본이었지만 꽃은 한국이 피었고, 존재하는 모든 디스플레이는 크기, 해상도, 폼팩터 등 상관없이 oxide TFT로 제작되는 것을 보는 것이 저의 목표입니다. 소재, 소자, 공정적인 관점에서 산화물 TFT로 충분히 가능하다고 생각합니다. 한편, 센서용 전자소자로서의 장점이 많으니, 보안이 필요한 모든 곳에 산화물 TFT 기반의 센서가 사용되는 것을 목표로 하고 있습니다

13. 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

산화물 반도체는 다양한 분야에서 응용될 수 귀한 소재입니다. 다양한 응용성을 보시고 관련 학문과 산업에 종사하면서 연구 결과의 즐거움을 느낄 수 있음 좋겠습니다.

Oxide TFT
Display
Semiconductor
Atomic layer deposition
Sensor

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