박막 트랜지스터

박막 트랜지스터의 기본 구조는 기존의 벌크 트랜지스터와 구분되는 핵심적 특징을 지닌다. 벌크 트랜지스터가 두꺼운 실리콘 웨이퍼 자체를 채널로 사용하는 반면, 박막 트랜지스터는 유리나 플라스틱 같은 절연성 기판 위에 다양한 기능의 박막을 적층하여 구성된다. 이는 트랜지스터를 기판 표면에 '그리는' 방식으로, 대면적 공정이 용이하고 유연 기판에의 적용을 가능하게 하는 기반이 된다.

표준적인 구조는 게이트 전극, 게이트 절연막, 반도체 활성층, 그리고 소스 및 드레인 전극으로 이루어진다. 이들 층이 적층되는 순서에 따라 '게이트 버텀' 구조와 '게이트 탑' 구조로 크게 나뉜다. 게이트 버텀 구조에서는 기판 위에 게이트 전극이 먼저 형성되고, 그 위에 절연막과 반도체층, 최상위에 소스/드레인 전극이 위치한다. 반대로 게이트 탑 구조는 소스/드레인 전극이 먼저 형성되고, 그 위에 반도체층, 절연막, 게이트 전극의 순서로 쌓인다.

구조적 배열 외에도 각 층을 이루는 재료의 선택이 성능을 결정한다. 반도체 활성층에는 비정질 실리콘이나 금속 산화물 반도체가 주로 사용되며, 게이트 절연막에는 질화 실리콘 또는 산화 실리콘이 쓰인다. 전극 재료로는 몰리브덴, 알루미늄, 구리 등의 금속이 사용된다. 이러한 박막 트랜지스터의 기본 구조는 액정 디스플레이나 유기 발광 다이오드 패널에서 각 픽셀을 독립적으로 제어하는 구동 소자로 광범위하게 활용되고 있다.

박막 트랜지스터의 채널 형성 원리는 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 반도체 활성층 내부에 전하가 유도되어 전류 경로가 만들어지는 현상을 기반으로 한다. 게이트 전극에 전압을 가하지 않은 상태(오프 상태)에서는 소스와 드레인 사이에 전류가 거의 흐르지 않는다. 그러나 게이트에 문턱전압 이상의 전압을 가하면(온 상태), 게이트 절연막을 사이에 두고 반도체 활성층과 게이트 전극 사이에 전기장이 형성된다. 이 전기장은 반도체 내의 자유 캐리어(전자 또는 정공)를 게이트 절연막과 반도체의 계면으로 끌어당겨 얇은 전하층, 즉 채널을 형성한다. 이렇게 형성된 채널은 소스와 드레인을 연결하는 도통 경로가 되어 전류가 흐를 수 있게 한다.

채널의 형성은 사용된 반도체 재료의 종류와 도핑 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 비정질 실리콘이나 n형 산화물 반도체를 사용하는 경우, 게이트에 양의 전압을 가하면 반도체 내의 전자가 계면으로 모여 전자가 주 캐리어인 n형 채널이 형성된다. 반대로 p형 저온 다결정 실리콘을 사용하면 게이트에 음의 전압을 가해 정공을 모아 p형 채널을 형성한다. 채널의 두께와 전하 농도는 인가된 게이트 전압의 크기에 비례하여 조절될 수 있으며, 이는 트랜지스터의 전류 구동 능력을 결정하는 핵심 요소이다.

이러한 전계 효과에 의한 채널 형성 원리는 벌크 MOSFET과 본질적으로 유사하지만, 박막 트랜지스터는 매우 얇은 박막 형태의 반도체층에서 발생한다는 점이 특징이다. 따라서 박막의 품질, 게이트 절연막과의 계면 상태, 그리고 재료의 전자 이동도가 채널의 성능과 안정성에 직접적인 영향을 미친다.

박막 트랜지스터의 동작 모드는 게이트 전극에 인가되는 전압에 따라 결정된다. 기본적으로 차단 영역, 선형 영역, 포화 영역의 세 가지 주요 모드로 구분된다. 게이트 전압이 문턱전압보다 낮은 차단 영역에서는 채널이 형성되지 않아 소스와 드레인 사이에 전류가 거의 흐르지 않는다. 이는 스위치가 꺼진 상태에 해당한다.

게이트 전압이 문턱전압을 초과하면 반도체 활성층과 게이트 절연막 사이의 계면에 전하 채널이 형성된다. 이 상태에서 드레인 전압이 낮을 때는 선형 영역 동작을 한다. 이 모드에서는 채널이 전체적으로 연속적으로 존재하며, 드레인 전류는 게이트 전압과 드레인 전압에 모두 비례하여 흐른다. 이는 저항처럼 동작하는 영역이다.

드레인 전압이 증가하여 게이트-드레인 간 유효 전압이 문턱전압보다 낮아지면 채널이 드레인 근처에서 '핀치-오프'된다. 이 상태가 포화 영역이다. 이 모드에서는 드레인 전압을 더 높여도 드레인 전류가 거의 포화되어 일정하게 유지된다. 이때 트랜지스터는 전류원처럼 동작하며, 액정 디스플레이나 유기 발광 다이오드의 각 픽셀을 구동하는 데 이 포화 영역 전류가 핵심적으로 사용된다.

박막 트랜지스터의 제조 공정에서 박막 증착 기술은 반도체 활성층, 절연층, 전극 등 다양한 기능층을 기판 위에 얇고 균일하게 형성하는 핵심 단계이다. 이 기술은 원하는 물질을 기체 상태나 고체 표적에서 기판 표면으로 전달하여 박막을 성장시키는 과정을 포함한다. 주요 증착 방법으로는 물리적 기상 증착과 화학적 기상 증착이 있으며, 각각의 공정 조건과 특성에 따라 선택되어 적용된다.

물리적 기상 증착은 고진공 상태에서 고체 표적 물질을 가열하거나 이온으로 충격하여 증발시킨 후, 기판에 박막으로 증착시키는 방법이다. 대표적으로 스퍼터링과 열증착이 있다. 스퍼터링은 아르곤과 같은 불활성 가스의 이온으로 표적을 충격해 원자를 방출시키는 방식으로, 금속 전극이나 투명 전극용 ITO 박막 형성에 널리 사용된다. 열증착은 고진공 하에서 표적 물질을 가열해 증발시키는 방식으로, 주로 유기 박막 트랜지스터의 유기 반도체층 제작에 활용된다.

화학적 기상 증착은 반응 가스를 기판 표면에서 화학 반응시켜 고체 박막을 형성하는 방법이다. 플라즈마를 이용하여 반응을 촉진하는 플라즈마 강화 화학 기상 증착이 가장 일반적이다. 이 방법은 비교적 낮은 온도에서 고품질의 질화규소나 산화규소 같은 절연막을 증착할 수 있어, 유리나 플라스틱 같은 내열성이 낮은 기판에 적합하다. 특히 액정 디스플레이용 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 대면적 제조에 필수적인 공정이다.

증착 기술의 선택은 목표하는 박막의 재료, 두께, 균일도, 결함 밀도, 그리고 기판의 종류와 내열성에 따라 결정된다. 고성능 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 제조에는 레이저를 이용한 결정화 공정이 추가로 필요하며, 플렉서블 디스플레이용 산화물 반도체 박막 트랜지스터 제작에는 박막의 전기적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 증착 기술이 요구된다. 이러한 기술의 발전은 박막 트랜지스터의 성능과 응용 범위를 지속적으로 확장시키는 기반이 된다.

포토리소그래피는 박막 트랜지스터 제조의 핵심 공정으로, 포토마스크에 새겨진 패턴을 감광성 수지인 포토레지스트를 이용해 기판 위에 정밀하게 전사하는 기술이다. 이 공정은 반도체 집적회로 제조에서 발전한 기술로, 박막 트랜지스터의 미세한 게이트, 소스, 드레인 전극 및 회로 패턴을 형성하는 데 필수적이다. 공정의 정밀도는 박막 트랜지스터의 성능과 수율을 직접적으로 결정한다.

기본적인 포토리소그래피 공정은 크게 세 단계로 이루어진다. 첫째, 기판 위에 균일하게 포토레지스트를 도포하는 코팅 단계이다. 둘째, 포토마스크를 통과한 자외선을 조사하여 원하는 패턴대로 레지스트를 노출시키는 노광 단계이다. 마지막으로, 노광된 부분(정형 레지스트) 또는 노광되지 않은 부분(부형 레지스트)의 레지스트를 용액으로 제거하여 패턴을 형성하는 현상 단계이다. 이렇게 형성된 레지스트 패턴은 후속 에칭 공정이나 이온 주입 공정에서 보호막 역할을 한다.

액정 디스플레이나 유기 발광 다이오드 패널과 같은 대면적 디스플레이를 제작할 때는 기판의 크기에 맞춘 대형 포토마스크와 특수한 노광 장비가 사용된다. 스텝 앤드 리피트 방식이나 마스크를 고정하고 기판을 이동시키는 스캐너 방식 등이 대면적 공정에 활용된다. 포토리소그래피 기술의 발전은 더 미세한 선폭을 구현하게 하여, 고해상도 디스플레이의 고집적 구동 회로 구현을 가능하게 했다.

에칭 공정은 포토리소그래피를 통해 형성된 포토레지스트 패턴을 따라 기판 위의 박막을 선택적으로 제거하는 단계이다. 이 공정은 박막 트랜지스터의 게이트, 반도체 활성층, 소스 및 드레인 전극 등 각 층의 정밀한 패턴을 형성하는 데 필수적이다. 에칭은 크게 습식 에칭과 건식 에칭으로 구분되며, 각각의 특성에 따라 공정에서 선택적으로 활용된다.

습식 에칭은 화학적 용액에 기판을 담가 노출된 박막을 녹여 제거하는 방법이다. 이 방법은 공정이 비교적 단순하고 비용이 낮으며 대면적 처리에 적합하다는 장점이 있다. 주로 금속 전극층이나 일부 절연막의 에칭에 사용된다. 그러나 화학 용액의 등방성 확산 특성으로 인해 수직 방향뿐만 아니라 측면 방향으로도 박막이 제거되는 등방성 에칭이 발생하여, 고집적화에 필요한 미세 패턴 형성에는 한계가 있다.

고해상도의 미세 패턴을 구현하기 위해서는 주로 건식 에칭이 사용된다. 건식 에칭은 플라즈마 상태의 활성 기체를 이용해 박막을 물리적 또는 화학적으로 제거하는 방법이다. 대표적으로 반응성 이온 에칭(RIE)이 있으며, 이는 이온의 물리적 충격과 활성 라디칼의 화학적 반응을 결합하여 박막을 제거한다. 건식 에칭은 방향성이 우수한 이방성 에칭이 가능하여, 수직 측벽을 가진 매우 정밀한 패턴을 형성할 수 있어 현대 박막 트랜지스터 제조의 핵심 공정이다. 특히 저온 다결정 실리콘이나 산화물 반도체 같은 정교한 재료의 패터닝에 필수적이다.

박막 트랜지스터의 성능과 응용 분야는 사용되는 반도체 활성층 재료에 크게 좌우된다. 주요 재료는 크게 실리콘 기반과 산화물 기반으로 나뉜다. 실리콘 기반 재료에는 비정질 실리콘(a-Si)과 저온 다결정 실리콘(LTPS)이 있으며, 산화물 기반 재료로는 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO)이 대표적이다.

비정질 실리콘(a-Si) TFT는 가장 먼저 상용화된 기술로, 제조 공정이 비교적 단순하고 대면적 기판에 균일하게 제작하기 용이하다는 장점이 있다. 이로 인해 초기 액정 디스플레이(LCD)의 주류 구동 소자로 널리 사용되었다. 그러나 전자 이동도가 낮고, 장시간 구동 시 문턱전압이 변하는 불안정성이 있어 고해상도나 고속 응답이 필요한 디스플레이에는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 저온 다결정 실리콘(LTPS) TFT는 레이저 열처리를 통해 비정질 실리콘을 다결정화하여 제작한다. a-Si 대비 수십 배 이상 높은 전자 이동도를 가지므로, 트랜지스터 크기를 줄여 고해상도 구현이 가능하고, 구동 회로를 패널 내부에 직접 집적할 수 있다. 이는 스마트폰의 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이에서 핵심 기술로 자리 잡았다.

산화물 반도체 TFT, 특히 IGZO TFT는 a-Si의 공정 장점과 LTPS의 고성능을 절충한 재료로 주목받는다. 전자 이동도는 LTPS보다는 낮지만 a-Si보다는 훨씬 높으며, 매우 낮은 누설 전류 특성을 보인다. 이는 디스플레이의 소비 전력을 크게 줄일 수 있어, 고화질 테블릿 컴퓨터나 노트북 패널에 적합하다. 또한 박막 증착 온도가 낮아 플렉서블 디스플레이용 플라스틱 기판에도 적용 가능한 유망한 기술이다.

박막 트랜지스터의 절연층, 즉 게이트 절연막은 게이트 전극과 반도체 활성층 사이에 위치하여 전기적 절연을 담당하는 핵심 구성 요소이다. 이 층의 주요 기능은 게이트에 인가된 전압에 의해 반도체 채널에 유도된 전기장을 효과적으로 전달하면서도, 게이트와 채널 사이의 직접적인 전류 누설을 차단하는 것이다. 따라서 절연층은 높은 절연 내력과 우수한 유전체 특성을 가져야 하며, 반도체와의 계면 상태가 양호해야 소자의 성능과 안정성을 보장할 수 있다.

가장 일반적으로 사용되는 절연층 재료는 실리콘 산화물(SiO₂)과 실리콘 질화물(SiNx)이다. 실리콘 기반 박막 트랜지스터에서는 이들 재료가 화학 기상 증착 또는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 공정을 통해 얇고 균일한 박막으로 증착된다. 특히 실리콘 질화물은 실리콘 산화물에 비해 높은 유전상수를 가지므로 동일한 두께에서 더 큰 게이트 용량을 얻을 수 있어 트랜지스터의 구동 능력을 향상시킬 수 있다.

플렉서블 디스플레이나 유기 박막 트랜지스터와 같은 새로운 응용 분야에서는 유기 절연체나 다양한 금속 산화물 절연층도 연구된다. 이러한 재료들은 낮은 공정 온도에서 제작될 수 있어 플라스틱이나 유리 같은 열에 민감한 기판과 호환되며, 유연한 특성을 유지할 수 있다. 절연층의 재료 선택과 품질은 박막 트랜지스터의 문턱전압, 이동도, 안정성 등 전기적 특성에 직접적인 영향을 미치므로, 반도체 재료 및 응용 제품의 요구사항에 맞춰 최적화된다.

박막 트랜지스터의 전극 재료는 소스, 드레인, 게이트 전극으로 구성되며, 각각의 역할에 맞는 전기적 특성과 공정 적합성을 갖춰야 한다. 소스와 드레인 전극은 반도체 활성층과의 오믹 접촉을 형성하여 전류의 효율적인 흐름을 담당한다. 이에 따라 낮은 접촉 저항과 높은 전도도를 가지는 금속 재료가 주로 사용된다. 대표적으로 알루미늄, 몰리브덴, 구리, 크롬, 그리고 이들의 다층 구조나 합금이 활용된다. 특히 구리는 우수한 전기 전도도로 인해 고해상도 디스플레이에서 신호 지연을 줄이기 위해 점차 적용되고 있으나, 기판과의 접착력 약화 및 다른 층으로의 확산 문제를 해결하기 위해 장벽 금속층이 함께 증착된다.

게이트 전극은 트랜지스터의 스위칭을 제어하는 핵심 전극으로, 주로 게이트 절연막 위에 형성된다. 이 또한 높은 전도도가 요구되며, 알루미늄이나 몰리브덴 같은 금속이 널리 쓰인다. 공정에 따라 게이트 전극이 가장 먼저 형성되는 게이트-퍼스트 방식과, 나중에 형성되는 게이트-라스트 방식에 따라 사용되는 재료와 적층 순서가 달라질 수 있다. 모든 전극 재료는 선택된 박막 증착 기술, 예를 들어 스퍼터링이나 화학 기상 증착과 같은 공정과 호환되어야 하며, 이후의 에칭 공정에서도 정밀한 패터닝이 가능해야 한다.

전극 재료의 선택은 박막 트랜지스터가 적용될 응용 분야의 요구사항에 크게 의존한다. 고성능이 필요한 저온 다결정 실리콘 기반 디스플레이에서는 이동도가 높은 반도체 채널과의 접촉 특성을 최적화하기 위해 전극 재료와 구조를 세심하게 설계한다. 반면, 대면적 액정 디스플레이용 비정질 실리콘 박막 트랜지스터에서는 공정 비용과 안정성이 더 중요한 고려 사항이 된다. 또한 플렉서블 디스플레이나 웨어러블 기기와 같이 유연한 기판을 사용하는 경우, 전극 재료 역시 반복적인 구부러짐에 견딜 수 있는 내구성과 기계적 안정성을 갖춰야 한다. 이를 위해 은 나노와이어나 투명 전도성 폴리머와 같은 새로운 재료 연구도 활발히 진행되고 있다.

비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 반도체 활성층으로 비정질 실리콘을 사용하는 트랜지스터이다. 이 기술은 액정 디스플레이 산업의 초기 발전을 주도했으며, 대면적 기판에 저비용으로 제작할 수 있는 장점 덕분에 오랫동안 LCD의 주력 구동 회로 기술로 자리 잡았다. 비정질 실리콘은 원자 배열이 규칙적이지 않은 비결정성 구조를 가지며, 화학 기상 증착 공정을 통해 유리나 플라스틱 기판 위에 얇은 막으로 증착된다.

비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 가장 큰 장점은 공정이 비교적 단순하고 제조 비용이 낮다는 점이다. 또한, 균일성이 우수하여 대형 패널 생산에 적합하다. 그러나 전하의 이동도가 다결정 실리콘이나 금속 산화물 반도체에 비해 현저히 낮다는 근본적인 한계가 있다. 이로 인해 고해상도나 고주파 구동이 필요한 OLED 디스플레이의 픽셀 회로에는 적용하기 어려우며, 주로 해상도 요구가 상대적으로 낮은 LCD의 스위칭 소자로 사용된다.

또한, 장시간 전압 인가 시 문턱전압이 변하는 문턱전압 불안정성 현상이 발생할 수 있어 신뢰성에 제약이 따른다. 이러한 성능적 한계로 인해, 고성능 디스플레이 시장에서는 저온 다결정 실리콘이나 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터로 점차 대체되는 추세에 있다. 그럼에도 불구하고, 여전히 대형 TV용 LCD 패널 등 비용 대비 성능이 중요한 분야에서는 널리 활용되고 있다.

저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 낮은 전자 이동도를 극복하기 위해 개발된 기술이다. 이 기술은 유리나 플라스틱과 같은 기판 위에 형성된 비정질 실리콘 박막에 레이저 열처리(레이저 어닐링)를 가해 다결정 구조로 재결정화하는 공정을 사용한다. '저온'이라는 명칭은 기존의 고온 반도체 공정에 비해 상대적으로 낮은 온도(약 450°C 이하)에서 공정이 가능함을 의미하며, 이는 내열성이 낮은 유리 기판을 사용할 수 있게 해준다.

이 공정을 통해 생성된 다결정 실리콘 결정립 내부에서는 전자의 이동이 자유로워진다. 결과적으로 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 대비 약 100배 이상 높은 전자 이동도를 가지게 된다. 높은 이동도는 트랜지스터의 스위칭 속도를 빠르게 하고, 동일한 크기에서 더 큰 전류를 구동할 수 있게 하여 소자의 성능과 집적도를 크게 향상시킨다.

이러한 우수한 전기적 특성 덕분에 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 고해상도 액정 디스플레이와 특히 유기 발광 다이오드 디스플레이의 구동 회로에 핵심 소자로 널리 사용된다. 유기 발광 다이오드 픽셀의 정밀한 전류 제어가 필요하며, 고해상도 패널에서는 구동 집적 회로를 기판 자체에 직접 집적하는 기술이 요구되는데, 저온 다결정 실리콘의 높은 이동도와 안정성이 이를 가능하게 한다.

그러나 레이저 어닐링 공정의 복잡성과 높은 장비 비용, 그리고 대면적 기판에서의 균일성 확보가 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 주요 과제로 남아있다. 또한, 산화물 반도체 박막 트랜지스터와 같은 대안 기술의 등장으로 특정 응용 분야에서는 경쟁 관계에 있다.

산화물 반도체 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘과 저온 다결정 실리콘 다음으로 주목받는 기술이다. 주로 인듐 갈륨 아연 산화물을 기반으로 하는 이 반도체는 높은 전자 이동도와 낮은 누설 전류를 동시에 실현한다는 특징을 가진다. 이는 디스플레이의 구동 소자로서 고해상도와 저전력 구동 성능을 요구하는 OLED 패널에 특히 적합한 특성이다. 또한 공정 온도가 상대적으로 낮아 플렉서블 디스플레이용 유리 대체 기판이나 플라스틱 기판 위에 제작하는 데 유리하다.

이 기술의 핵심 장점은 우수한 균일성과 대면적 제조 가능성에 있다. 저온 다결정 실리콘 공정보다 간단하며, 비정질 실리콘보다 월등히 높은 전자 이동도를 제공한다. 이로 인해 고해상도 디스플레이에서 구동 회로를 패널 내부에 직접 집적하는 것이 가능해지며, 이는 베젤을 줄이고 신뢰성을 높이는 데 기여한다. 또한 산화물 반도체의 낮은 오프 전류 특성은 정전 용량 방식 터치 스크린이 내장된 패널이나 항상 켜져 있는 상태를 유지해야 하는 스마트워치 등의 저전력 기기에 큰 장점으로 작용한다.

그러나 산화물 TFT는 공기 중의 수분이나 산소에 의해 전기적 특성이 변할 수 있는 안정성 문제를 안고 있으며, 이를 해결하기 위한 봉지 기술이 중요하다. 또한 주원료인 인듐의 공급 안정성과 가격 변동성도 기술 발전에 고려해야 할 요소이다. 현재는 디스플레이 산업을 중심으로 기술이 정립되고 있으며, 플렉서블 전자기기와 투명 전자소자 등으로의 응용 분야 확대가 기대된다.

박막 트랜지스터의 핵심 성능을 결정짓는 주요 전기적 특성으로는 반송자 이동도와 문턱전압이 있다. 반송자 이동도는 반도체 활성층 내에서 전자나 정공이 얼마나 빠르게 이동할 수 있는지를 나타내는 척도로, 단위는 cm²/V·s를 사용한다. 이 값이 높을수록 트랜지스터의 스위칭 속도가 빨라지고 구동 전류가 커져, 고해상도 및 고주사율 디스플레이를 구현하는 데 유리하다. 저온 다결정 실리콘 TFT는 높은 이동도를, 비정질 실리콘 TFT는 상대적으로 낮은 이동도를 보이는 것이 일반적이다.

문턱전압은 트랜지스터가 켜지기 시작하는 게이트 전압의 기준값이다. 이 특성은 회로의 구동 전압과 소비 전력을 직접적으로 결정하며, 특히 대형 액정 디스플레이나 유기 발광 다이오드 패널에서 수백만 개 이상의 박막 트랜지스터가 균일한 특성을 가져야 할 때 매우 중요하다. 문턱전압의 편차가 크면 화면의 휘도 불균일 현상이 발생할 수 있다. 따라서 제조 공정 중 반도체층과 게이트 절연막의 인터페이스 상태, 절연막의 품질 등을 정밀하게 제어하여 문턱전압을 안정화시키는 것이 필수적이다.

이러한 전기적 특성은 사용된 반도체 재료의 종류에 크게 의존한다. 예를 들어, 산화물 반도체 TFT는 비정질 실리콘 대비 우수한 이동도와 매우 낮은 누설 전류 특성을 동시에 갖추고 있어, 고성능 및 저전력 디스플레이 응용에 적합하다. 한편, 유기 박막 트랜지스터는 이동도와 안정성 측면에서 무기물 소자에 비해 일반적으로 낮은 성능을 보이지만, 저온 공정 가능성과 유연성이라는 장점을 가진다.

박막 트랜지스터의 광학적 특성은 특히 디스플레이 응용 분야에서 매우 중요한 요소이다. 액정 디스플레이나 유기 발광 다이오드 디스플레이의 구동 소자로 사용될 때, 박막 트랜지스터 자체의 광 투과도는 패널의 밝기와 효율에 직접적인 영향을 미친다. 일반적으로 유리 기판 위에 제작되는 박막 트랜지스터는 투명 전극 재료와 박막 두께를 최적화하여 가능한 한 많은 빛이 통과하도록 설계된다. 특히 인듐 주석 산화물 같은 투명 전도성 산화물이 소스 및 드레인 전극으로 널리 사용되는 이유도 높은 광 투과율을 확보하기 위함이다.

박막 트랜지스터의 광학적 특성은 사용되는 반도체 재료에 따라 달라진다. 예를 들어, 비정질 실리콘을 사용한 박막 트랜지스터는 비교적 두꺼운 실리콘층이 빛을 흡수할 수 있어 상대적으로 투과율이 낮은 편이다. 반면, 산화물 반도체를 채널 재료로 사용하는 박막 트랜지스터는 인듐 갈륨 아연 산화물과 같은 물질이 광학적 밴드갭이 넓어 가시광선 영역에서 매우 높은 투명성을 보인다. 이는 디스플레이의 픽셀 개구율을 높여 더 밝고 선명한 화면 구현을 가능하게 한다.

또한, 플렉서블 디스플레이나 투명 디스플레이 같은 차세대 응용 제품에서는 박막 트랜지스터의 광학적 특성이 더욱 절대적인 요구사항이 된다. 플라스틱이나 유연 기판 위에 제작되는 박막 트랜지스터는 기계적 유연성과 함께 높은 광 투과성을 동시에 만족시켜야 한다. 이에 따라 나노물질이나 유기 반도체를 이용한 투명하고 구부릴 수 있는 박막 트랜지스터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 발전은 박막 트랜지스터가 단순한 스위칭 소자를 넘어 디스플레이의 광학적 성능을 결정하는 핵심 요소로 자리매김하고 있음을 보여준다.

박막 트랜지스터의 안정성, 즉 신뢰성은 장기간 사용 시 전기적 특성이 변하는 정도를 의미하며, 특히 디스플레이 구동 소자로서의 수명과 직결되는 중요한 요소이다. 주요 신뢰성 문제로는 게이트 절연막의 열화, 반도체 채널 내 전하 트랩, 그리고 전극과 반도체 계면의 불안정성 등이 있다. 이러한 요인들은 시간이 지남에 따라 트랜지스터의 문턱전압을 변화시키거나 전류 구동 능력을 저하시켜, 디스플레이에서 잔상이나 휘도 불균일 같은 결함을 유발할 수 있다.

안정성 평가는 주로 스트레스 테스트를 통해 이루어진다. 예를 들어, 게이트에 일정 시간 동안 높은 전압을 인가하는 게이트 바이어스 스트레스 테스트, 혹은 소스와 드레인 전극에 전류를 흘려주는 전류 스트레스 테스트를 실시한다. 이러한 가혹한 조건에서 트랜지스터의 문턱전압 이동량을 측정하여 신뢰성을 정량화한다. 이동량이 작을수록 장기 안정성이 우수한 것으로 평가된다.

재료에 따른 안정성 차이는 현저하다. 전통적으로 널리 쓰이는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터는 상대적으로 안정성이 좋은 편이지만, 이동도가 낮다는 한계가 있다. 고성능을 추구하는 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 우수한 이동도를 가지나, 결정 경계의 존재로 인해 장기 안정성에 약점을 보일 수 있다. 한편, 산화물 반도체를 채널 재료로 사용하는 인듐 갈륨 아연 산화물 박막 트랜지스터는 우수한 이동도와 매우 낮은 누설 전류를 자랑하지만, 산소 공공과 같은 결함에 의해 특정 환경(예: 빛 또는 습기)에서 문턱전압이 불안정해질 수 있는 문제가 연구 대상이다.

이러한 신뢰성 문제를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 재료 공정 최적화, 예를 들어 산화물 반도체의 조성 제어나 후열처리 조건 개선을 통해 내부 결함을 줄이는 방법이 있다. 또한, 회로 설계 측면에서 신뢰성을 보상하는 구동 방식을 도입하거나, 보호막을 형성하여 외부 환경으로부터의 영향을 차단하는 방법도 실제 디스플레이 제품에 적용되고 있다.

박막 트랜지스터는 현대 디스플레이 기술의 핵심 구동 소자로, 액정 디스플레이와 유기 발광 다이오드 디스플레이의 성능을 결정한다. 액정 디스플레이에서 박막 트랜지스터는 각 화소에 배치되어 액정 셀의 개별적인 스위칭을 담당한다. 이는 박막 트랜지스터 액정 디스플레이로 불리며, 박막 트랜지스터가 정확한 전압을 인가하여 액정의 배열을 제어함으로써 선명한 영상을 구현한다. 액정 디스플레이의 백라이트 광원을 차단하거나 통과시키는 방식으로 작동하기 위해 정밀한 구동이 필수적이며, 박막 트랜지스터가 이를 가능하게 한다.

유기 발광 다이오드 디스플레이에서 박막 트랜지스터의 역할은 더욱 직접적이다. 유기 발광 다이오드는 자체 발광 소자이므로, 각 화소의 밝기를 독립적으로 제어하는 전류 구동 회로가 필요하다. 여기서 박막 트랜지스터는 두 가지 주요 기능을 수행하는데, 하나는 화소의 점등 여부를 결정하는 스위칭 트랜지스터이고, 다른 하나는 유기 발광 다이오드에 흐르는 전류량을 안정적으로 공급하는 구동 트랜지스터이다. 특히 고해상도 및 고주사율을 요구하는 디스플레이에서는 저온 다결정 실리콘이나 산화물 반도체 기반의 고성능 박막 트랜지스터가 채택된다.

박막 트랜지스터 기술의 발전은 디스플레이의 형태를 근본적으로 변화시켰다. 기존의 유리 기판 대신 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위해 플라스틱이나 금속 포일 같은 유연한 기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하는 기술이 주목받고 있다. 이는 웨어러블 기기나 롤러블 텔레비전 같은 새로운 형태의 전자제품 출현을 이끌었다. 또한 마이크로 LED나 퀀텀닷 LED 같은 차세대 디스플레이 기술에서도 박막 트랜지스터 기반의 구동 회로는 여전히 핵심 요소로 자리 잡고 있다.

박막 트랜지스터는 유연한 기판 위에 제작될 수 있다는 고유한 장점 덕분에 플렉서블 디스플레이와 웨어러블 기기의 핵심 소자로 활용된다. 기존의 벌크 트랜지스터가 딱딱한 실리콘 웨이퍼 위에만 제작될 수 있는 것과 달리, 박막 트랜지스터는 플라스틱이나 금속 포일 같은 유연한 기판 위에 박막 증착 기술로 형성할 수 있다. 이로 인해 휘어지거나 접을 수 있는 스마트폰, 롤러블 TV, 전자 종이 등의 혁신적인 디스플레이 구현이 가능해졌다.

웨어러블 전자기기 분야에서는 박막 트랜지스터의 박막화와 저전력 특성이 중요하게 작용한다. 스마트워치나 피트니스 트래커의 OLED 화면을 구동하거나, 스마트 밴드에 내장된 다양한 센서의 신호를 처리하는 데 필수적이다. 특히 저온 다결정 실리콘이나 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터는 높은 전자 이동도와 낮은 대기 전류로 배터리 수명이 중요한 웨어러블 기기에 적합한 성능을 제공한다.

이 기술은 단순한 디스플레이를 넘어서 유연한 회로 기판 전체를 구성하는 데에도 적용된다. 의료용 패치나 전자 피부와 같이 인체에 밀착되어 움직임을 감지하거나 생체 신호를 모니터링하는 장치에서, 박막 트랜지스터는 신호 증폭 및 스위칭 소자로 기능한다. 또한, 증강 현실 스마트 글래스나 헤드업 디스플레이와 같이 초경량·소형화가 필수인 차세대 기기의 실현을 위한 기반 기술로 주목받고 있다.

박막 트랜지스터는 디스플레이 구동 소자로서의 역할을 넘어, 다양한 센서와 메모리 소자의 핵심 구성 요소로 활용된다. 이는 박막 트랜지스터의 구조가 신호 증폭 및 스위칭 기능을 수행하는 동시에, 주변 환경의 변화를 감지하거나 전하를 저장하는 데 적합한 플랫폼을 제공하기 때문이다.

센서 응용 분야에서는 박막 트랜지스터 자체의 전기 전도도가 외부 자극에 민감하게 반응하는 특성을 이용한다. 예를 들어, 압력 센서나 터치 센서에서는 기계적 변형에 따른 채널 저항 변화를 감지한다. 화학 센서 및 바이오 센서의 경우, 반도체 활성층 표면에 특정 분자가 흡착되면 문턱전압이 변하는 현상을 측정하여 가스 농도나 생체 분자의 존재를 검출한다. 특히 유기 박막 트랜지스터는 유연한 기판과의 호환성이 뛰어나 웨어러블 헬스케어 디바이스용 생체 신호 센서로 주목받고 있다.

메모리 응용에서는 박막 트랜지스터가 액세스 트랜지스터로서의 기능을 수행하며, 비휘발성 메모리 셀의 일부로 통합된다. 대표적인 예로 플래시 메모리가 있으며, 여기서 박막 트랜지스터는 데이터가 저장되는 플로팅 게이트 또는 충전 트랩 층에 연결되어 기록 및 소거 동작을 제어한다. 또한, 저항 변화 메모리나 페로전기 메모리와 같은 새로운 차원의 메모리 구조에서도 선택 소자 또는 구동 소자로 박막 트랜지스터가 사용된다.

이러한 센서 및 메모리 응용은 기존 실리콘 반도체 공정과는 다른 요구사항을 제시하며, 특히 플렉서블 전자공학 분야에서 산화물 반도체나 유기 반도체 기반의 박막 트랜지스터 기술 발전을 촉진하는 주요 동인이 되고 있다.