Thin Film Transistor Array (TFT)

Thin Film Transistor (TFT) Array

Transistor는 전자적인 스위치!
즉, TFT도 수많은 스위치가 얇은 필름 위에 배열된 형태라고 볼 수 있음.

 

광센서에서 TFT가 자주 언급되나,

TFT는 스스로 빛을 감지하는 센서가 아니라,
빛을 전기 신호로 바꾼 포토다이오드와 결합해
그 신호를 읽어내는 단순 스위치 역할을 하는 소자임.

---

개발 시기:

• 1960~80년대 개념 제안 및 연구 단계
• 1980년대 후반: TFT가 LCD 패널의 구동 소자로 적용되기 시작
• 1990년대 후반 Digital Radiography 에서 Flat Panel Detector의 소자로 a-Si (armophous Silicon) TFT array가 사용됨.

---

광센서(Flat Panel Detector)의 구성요소로서 TFT

Flat Panel Detector는 CMOS Detector, 또는 Photodiode + TFT 구조 모두를 포함함.

• Flat Panel Detector 제작의 핵심 소자 중 하나가 TFT임. (CMOS 기반 Detector는 별도 계열)
• Flat Panel (Photon) Detector는 다음의 구성요소를 가짐:
  • Photodiode: 빛(또는 X-ray가 Scintillator 를 통해 변환된 빛)을 전하로 변환: 실질적인 광센서!
  • Storage Capacitor: 변환된 전하 저장.
  • TFT(박막 트랜지스터): 스위치 역할
    • row(행) 단위로 켜져 각 pixel의 storage capcitor의 전하를 데이터 라인으로 방출.
    • pixel address로 지정되어 해당 pixel의 값을 읽어들이는 역할
  • 증폭·ADC: 픽셀 외부 회로에서 수행.

TFT기반의 Flat Panel Detector의 픽셀은 “포토다이오드 + 커패시터 + 스위치” 로 구성된 단순 회로임.

• 픽셀 단위에서 스위치 역할을 하는 TFT의 반도체 active layer가 바로 a-Si.
• TFT는 광센서의 관점에선 passive device!

---

TFT기반 Flat Panel Detector특징:

• 대면적, 저비용 제작 가능
  • 유리 기판 (glass substrate) 위에 a-Si 또는 IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide) 박막 transistor를 증착하여 pixel array를 만들어냄: 웨이퍼에서 생성되는 CMOS나 CCD와의 차이점!
    • a-Si는 TFT용 반도체 재료이기도 하지만 Photodiode의 재료이기도 함.
    • 한 pixel에 "a-Si 로 만들어진 Photodiode (a-Si PIN diode)"와 "a-Si 또는 IGZO로 만들어진 TFT"가 같이 들어감.
    • LDC 디스플레이 공정과 유사.
  • 실리콘 웨이퍼로 만들어지는 CMOS보다 훨씬 제작비용이 낮고, 대면적 크기로 만들 수 있음: 넓은 FoV 가 가능!!
    • CMOS 및 CCD에서 사용하는 웨이퍼(Wafer) 크기(주로 200~300mm)
    • 이것보다 사이즈가 커질 경우, 수율 문제 및 bonding 공정 등으로 인해 비용이 훨씬 커짐. 
• 성능
  • 픽셀당 증폭기가 없으므로 CMOS보다 속도가 느리고, 노이즈 특성은 떨어짐.
    • 아래 그림에서 3번의 amplifier가 pixel외부에 있음을 보여줌.
  • “광센서”는 포토다이오드이고, TFT는 단순히 행렬 어드레싱 스위치 임.

Digital Radiography에서 사용되는 Flat Panel Detector. TFT를 사용한 Flat Panel Detector임.

 

a-Si PIN Diode 란?

PIN Diode (p-i-n Diode)

p-type 반도체와 intrinsic 층(i-layer, 도핑이 거의없는 pure semiconductor), n-type 반도체가 직렬로 쌓인 구조의 다이오드.

역바이어스 상태로 동작하며, 평소엔 전류가 거의 흐르지 않으나 photon이 i-layer에 들어오면 electron-hole pair가  생성됨.

이 i-layer에는 강한 전기장이 생성되어 있어서 electron과 hole 빠르게 양쪽 전극으로 이동하며, 이를 통해 photo current가 흐름.

 

a-Si PIN Diode

Flat Panel Detector(FPD)와 같은 의료 영상 장비에서 널리 사용되는 광센서는 a-Si PIN diode 를 기반으로 한다.

여기서 a-Si(amorphous Silicon, 비정질 실리콘)는 단결정 실리콘(c-Si)과 달리 결정 구조가 불규칙한 형태임을 의미

• 단결정 실리콘(c-Si, crystalline silicon)은 반드시 실리콘 웨이퍼 위에서 고온 공정(약 800–1100°C)을 통해 소자를 형성해야 한다.
• amorphous silion은 실리콘 웨이퍼 가 아닌 유리(glass), 플라스틱 등 아무 기판 위에도 증착 가능함: 대면적 패널이 가능해짐!
  
  • 즉, 비정질 실리콘(a-Si)은 결정 구조를 유지할 필요가 없기 때문에 저온(약 150–300°C)에서 유리 기판 위에 직접 증착할 수 있다.
  • 또한 amorphous의 경우, 대면적에서의 균일성 확보도 보다 쉽다는 특징을 가짐.

즉, a-Si PIN Diode는 대면적 기판(유리 기판 등)에 저온 공정으로 증착할 수 있기 때문에 
TFT와 함께 동일한 기판 위에 대규모 픽셀 어레이를 형성할 수 있어
Flat Panel Detector 제조에서 애용되고 있다.

 

a-Si PIN diode 역시 기본적인 PIN 구조(p-i-n)를 그대로 가지되, i-layer가 a-Si로 구성되어 있어 다음과 같은 특성을 갖는다.

• 넓은 면적의 photodiode 제작 가능 : 대면적 의료 영상 센서에 적합
• 저온 공정으로 제작 가능 : 유리 기판과 TFT와의 결합이 용이
• 충분한 광흡수(visible photon에 대해)와 빠른 전하 수집이 가능.
• X-ray는 직접 흡수하지 못하므로 CsI 등의 scintillator와 결합하여 생성된 visible photon을 검출하는 방식으로 사용됨.

---

TFT가 주로 사용되는 분야 (광센서 포함):

1. 디스플레이
   • 가장 널리 사용되는 분야임.
   • TFT-LCD, AMOLED, OLED, MicorLED 모니터에서 각 화소 제어 스위치 역할을 TFT가 담당.
   • 평판 디스플레이에서 필수 요소로 사용됨.
2. 의료 영상 (X-ray FPD)
   • 정확히는 TFT 를 사용하는 Flat Panel Detector에서 TFT가 사용됨 (CMOS계열은 TFT를 사용하지 않음).
   • 간접형: CsI, GOS scintillator + a-Si/IGZO TFT.
   • 직접형: a-Se(Amorphous Selenium) photoconductor + TFT (특히 유방촬영).
   • CMOS FPD보다 속도가 느리고 (동영상 불리), 낮은 해상도를 보임.
   • 단, 대면적으로 만들 수 있음 (흉부 X-ray에서 TFT가 유리. 치과 분야에서 CMOS사용)
3. 대면적 광학 이미지 센서
   • CMOS로 만들기 어려운 대형 센서를 a-Si/IGZO TFT + 포토다이오드 방식으로 구현.
4. 바이오·Lab-on-a-glass 센서
   • 형광/발광 검출용 biochip → 광전 재료 + TFT array로 대면적 저비용 판독.
5. 적외선/열화상 센서 (IR FPA)
   • VOx bolometer, HgCdTe 등 적외선 검출기 + TFT read-out.

---

같이 보면 좋은 자료

2025.09.30 - [Programming/DIP] - CV: Image Sensors - CCD vs. CMOS

CV: Image Sensors - CCD vs. CMOS

 

2024.09.01 - [Programming/DIP] - [CV] 공간해상도로 본 광센서와 디스플레이 디바이스 발전사

[CV] 공간해상도로 본 광센서와 디스플레이 디바이스 발전사