IGZO

인듐 갈륨 아연 산화물(Indium gallium zinc oxide, IGZO)는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 산소(O)로 구성된 반도체 물질로, 안정적인 성능을 보장하는 독특한 원자 배열을 가지고 있다. IGZO는 복잡한 (In2O3)x(Ga2O3)y(ZnO)1-x-y 3원계 시스템 내에서 다양한 조성 범위를 나타낼 수 있다. In:Ga:Zn 양이온 비율에 따른 업계 표준 IGZO 조성에는 1:1:1 및 2:2:1이 포함된다. 이 독특한 구조는 화면 해상도를 높이고 다양한 디스플레이 기술과의 호환성을 지원하여 효율성, 성능 및 신뢰성 향상에 기여한다.

c-IGZO의 육방정계 결정 구조에 대한 볼 앤 스틱 도식. CrystalMaker®(www.crystalmaker.com)를 사용하여 생성됨

결정질 IGZO(c-IGZO)의 구조는 InGaO3(ZnO)m이라는 화학식으로 설명되는 일련의 동족 구조로 특징지어질 수 있다. m이 정수인 경우, m의 패리티(홀짝성)에 따라 결정계와 구조가 결정된다. m이 짝수일 때 구조는 육방정계 대칭(P63/mmc)을 가지며, m이 홀수일 때 구조는 삼방정계 대칭(R-3m)을 가진다. IGZO는 비정질 형태(a-IGZO)로도 존재할 수 있다.

c-IGZO의 삼방정계 결정 구조에 대한 볼 앤 스틱 도식. CrystalMaker®(www.crystalmaker.com)를 사용하여 생성됨

IGZO는 누설 전류가 매우 낮고 전자 이동도가 예외적으로 높은데, 이는 액정 디스플레이(LCD) 및 전자종이에 흔히 사용되는 비정질 실리콘보다 20~50배 더 높다. 높은 전자 이동도는 트랜지스터의 소형화와 회로의 박막화를 용이하게 하여 화소당 빛 투과율을 높여주며, 밝기 손실 없이 해상도를 효과적으로 두 배로 높일 수 있게 한다. 이는 또한 빠른 응답 시간이나 적은 처리 지연으로 이어진다. 또한 IGZO는 낮은 전력 소비로도 알려져 있다. 모든 화소를 지속적으로 구동해야 하는 기존 화면과 달리, IGZO는 새로 고침 없이도 이미지 정보를 유지한다. 이로 인해 전력 소비를 기존 디스플레이의 5분의 1 또는 10분의 1까지 줄일 수 있다. 이는 휴대용 기기의 배터리 수명 연장으로 이어진다.

2012년 샤프는 IGZO-TFT를 통합한 LCD 패널 생산을 최초로 시작했다. 샤프는 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 32인치 LCD에 IGZO-TFT를 사용한다. 이 제품들에서 LCD의 개구율은 최대 20%까지 향상된다. 전력 소비는 LCD 아이들링 스톱(idling stop) 기술을 통해 개선되는데, 이는 IGZO-TFT의 높은 이동도와 낮은 오프(off) 전류 덕분에 가능하다. 샤프는 노트북용 고화소 밀도 패널을 출시하기 시작했다. IGZO-TFT는 후지쯔가 공급하는 울트라북 PC의 14인치 3,200x1,800 LCD에도 채택되었으며, 레이저 블레이드 14인치(터치스크린 변체) 게이밍 노트북과 LG전자가 공급하는 55인치 OLED TV에도 사용된다.

산화 아연에 비해 IGZO가 갖는 장점은 산화물 반도체의 공통된 높은 전하 운반자 이동도를 유지하면서 균일한 비정질 상으로 증착될 수 있다는 점이다. 트랜지스터는 약간의 광민감도를 보이지만, 그 효과는 심자색에서 자외선(광자 에너지 3 eV 이상) 영역에서만 유의미하게 나타나므로 완전히 투명한 트랜지스터를 구현할 수 있는 가능성을 제공한다.

개발

IGZO는 평판 디스플레이(FPD)의 TFT 백플레인과 같은 디스플레이 응용 분야의 박막 트랜지스터(TFT)에 널리 사용된다. IGZO-TFT는 2003년(결정질 IGZO-TFT)와 2004년(비정질 IGZO-TFT) 도쿄 공업대학의 호소노 히데오 연구팀과 일본과학기술진흥기구(JST)에 의해 개발되었다. IGZO-TFT는 비정질 실리콘보다 20~50배의 전자 이동도를 가지기 때문에 평판 디스플레이의 속도, 해상도 및 크기를 개선할 수 있다. 현재 유기 발광 다이오드(OLED) TV 디스플레이용 박막 트랜지스터로 사용되고 있다. 다결정 실리콘 또한 높은 전자 이동도를 나타낼 수 있지만, 결정립계로 인해 성능이 일정하지 않은 경우가 많아 소자 신뢰성에 영향을 미친다. 반면, 비정질 IGZO(a-IGZO) TFT는 저온에서 대면적으로 제작이 가능하여 균일성과 품질을 보장하므로 더욱 비용 효율적이고 실용적인 대안을 제공한다.

제조 공정

대규모 IGZO 제조의 현재 장애물은 합성 방법이다. 투명 전도성 산화물(TCO) 합성에 가장 널리 사용되는 기술은 펄스 레이저 증착(PLD)이다. PLD에서는 레이저를 사용하여 고체 원소 표적의 나노 크기 지점에 초점을 맞춘다. 박막의 조성을 제어하기 위해 표적 간의 레이저 펄스 주파수를 비율에 맞춰 조절한다. IGZO는 저온 증착이 가능하기 때문에 석영, 단결정 실리콘, 심지어 플라스틱과 같은 기판 위에 증착될 수 있다. 기판은 PLD 진공 챔버에 배치되며, 유리한 전기적 특성을 보장하기 위해 산소 압력을 조절한다. 합성 후 박막은 어닐링되거나 대기에 적응하기 위해 공기에 점진적으로 노출된다.

PLD는 유용하고 다재다능한 합성 기술이지만, 장비가 비싸고 각 시편이 일반 대기 조건에 적응하는 데 많은 시간이 걸린다. 이는 산업 제조에 이상적이지 않다.

더 높은 정밀도와 확장성으로 IGZO 박막을 제조하는 대안적인 방법은 플라스마(물리학) 강화 원자층 증착(PEALD) 공정이다. ALD는 가스 전구체를 사용하여 박막을 층별로 증착하는 정밀하게 제어된 화학기상증착 기술이다. PEALD에서 원격 플라스마 소스를 추가하면 플라스마 내에서 전구체 분자가 분해될 수 있어, 가열된 기판의 열에너지에 대한 의존도를 줄이고 공정 유연성을 높일 수 있다.

용액 공정은 더욱 비용 효율적인 대안이다. 구체적으로 연소 합성 기술을 사용할 수 있다. 김명길 등은 산화제가 포함된 금속 질산염 용액을 사용하여 발열 반응을 일으켰다. 일반적인 연소 합성 유형 중 하나는 스핀 코팅으로, 이는 가열판 위에 인듐과 갈륨 용액 층을 증착하고 목표 조성에 따라 약 200~400도 사이의 온도에서 어닐링하는 과정을 포함한다. 이 박막들은 공기 중에서 어닐링될 수 있다는 점이 PLD에 비해 큰 장점이다.

특허

IGZO의 특허권은 JST가 보유하고 있으며, 2011년에는 한국의 삼성 전자에, 2012년에는 샤프에 라이센스를 제공했다. 또한, 샤프는 같은 해 상표권을 취득했다.

특징

이전까지의 액정은, 사진을 표시할 때에도 정기적인 리프레쉬가 필요했으며 그로인해 여분의 전력이 소비되었다. 이것과 달리 IGZO는 전기의 누전이 적기에 리프레쉬 횟수가 이전에 비해 줄어들게 된다. 마찬가지로 사진 등의 정지화면을 표시할 때의 전력 소비를 줄일 수 있으며, 지금까지의 액정방식보다 소비전력을 큰폭으로 절감시킬 수 있다.

또한, IGZO의 전자 이동 빈도는 어모퍼스 실리콘의 전자 이동 빈도의 20~50배에 이르기 때문에 TFT회로를 소형화하는 것이 가능하다. 때문에 IGZO를 사용한다면 보다 높은 개구화율과 고정밀화하는 것이 가능해진다.

최초로 샤프의 스마트폰인 AQUOS PHONE ZETA(SH-02E)과 타블렛인 AQUOS PAD (SHT21)에 탑재되었으며, 이후로도 샤프만이 아니라 ASUS, 후지쯔, 소니 등의 다른 회사에도 제공될 예정이다.

탑재 제품 종류

샤프 AQUOS PHONE, AQUOS PAD시리즈

각주

  1. ↑ “To the Future...｜IGZO:SHARP” (일본어). 《IGZO:SHARP》. SHARP CORPORATION.
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  3. ↑ Arjav, Bavarva; Tejas, Bavarva. 《QLED and IGZO: The Future of Television Display Technology》. 《Electronics for You》.
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  20. ↑ “シャープに迫るサムスンの脅威　「ＩＧＺＯ」優位性は１、２年で崩れる？ (2/4ページ)”. SankeiBiz. 2012년 12월 8일. 2013년 1월 11일에 확인함.
  21. ↑ 新型液晶を富士通、ソニーに供給　シャープ 보관됨 2013-05-14 - 웨이백 머신 - 47news　2012年12月22日

외부 링크