파운드리를 활용하여 박막 트랜지스터 산업을 성숙시키기

박막 트랜지스터(TFT) 산업에는 기존 반도체 산업과 같은 표준화된 설계·위탁생산 체계가 충분히 자리 잡지 않았습니다. KU Leuven 연구진은 독립 파운드리를 활용하는 새로운 제조 접근법 을 제시했습니다. 파운드리는 외부 고객의 설계에 따라 칩을 생산하는 시설입니다. 이 접근법이 중요한 이유를 살펴보겠습니다.

박막 트랜지스터란?

박막 트랜지스터는 얇은 반도체층을 이용해 전류를 제어하는 소자입니다. 반도체의 전기적 특성을 조절할 수 있어 미세 전자회로의 스위치 등에 사용됩니다. TFT는 특히 디스플레이의 화소를 제어하는 데 널리 쓰입니다.

TFT의 대표적인 용도는 화면의 각 화소를 구동하는 것입니다. 스마트폰뿐 아니라 카메라, 프로젝터, 헤드셋 등의 능동행렬 디스플레이에도 사용됩니다. 대표적인 실리콘계 재료는 다음과 같으며, 산화물 반도체 등 다른 재료도 활용됩니다.

비정질 실리콘

비정질 실리콘은 TFT 제조에 널리 사용되는 재료로, 대면적 생산에 유리합니다. 다른 재료보다 전하 이동도가 낮을 수 있지만 유리, 금속, 플라스틱 등 다양한 기판 위에 박막을 형성할 수 있습니다.

다결정 실리콘

다결정 실리콘은 일반적으로 비정질 실리콘보다 전하 이동도가 높습니다. 반면 제조 공정이 더 복잡하고 비용이 높을 수 있습니다. 박막의 형성과 결정화에는 열처리나 레이저 등의 공정 및 전문 장비가 사용됩니다. 화합물을 증류하는 과정은 아닙니다.

원래 박막 트랜지스터의 단점

TFT의 성능과 유연성은 재료, 기판 및 제조 공정에 따라 달라집니다. 기존 실리콘 집적회로 분야에 비해 외부 설계자가 활용할 수 있는 표준화된 유연 전자회로 설계·생산 서비스가 제한적이라는 점도 과제입니다.

수요에 맞추기

일반적인 반도체 파운드리는 웨이퍼 위에 고객이 설계한 회로를 제조합니다. 웨이퍼는 회로 제작에 사용하는 얇은 재료판입니다. TFT에도 대규모 제조 시설은 존재하지만, 연구진은 유연 TFT 집적회로에 개방형 위탁생산 모델을 더 폭넓게 적용할 필요가 있다고 보았습니다.

핵심 비즈니스 모델

파운드리 모델은 설계와 제조를 분업할 수 있게 합니다. 설계자가 제조 공정을 처음부터 구축하는 대신 새로운 회로 기능에 집중할 수 있으므로, 박막 전자소자의 개발과 활용을 촉진할 가능성이 있습니다.

새로운 접근법

히크메트 첼리케르(Hikmet Çeliker), 빔 데하네(Wim Dehaene), 크리스 미니(Kris Myny) 연구진은 표준화된 설계 도구와 파운드리 접근성이 박막 전자회로의 확산에 중요하다고 보았습니다. 이들은 유연한 소형 전자회로를 위한 제조 모델을 실증했습니다.

진화된 TFT

연구진은 기존 독립 파운드리의 공정을 활용하고, 설계와 제조를 연결하는 방식을 제시했습니다. 여러 회로 설계를 하나의 생산 기판에 함께 배치하는 다중 프로젝트 방식은 개발 비용과 공정 부담을 나누는 데 도움이 될 수 있습니다.

초박막 트랜지스터

연구진은 두 독립 파운드리에서 서로 다른 TFT 공정을 이용해 6502 마이크로프로세서를 구현했습니다. 한 공정은 웨이퍼 기반, 다른 공정은 판형 기판 기반이었습니다. 6502 계열은 초기 Apple (AAPL ) 컴퓨터 등 여러 과거 시스템에 쓰인 유명한 설계입니다. 이번 연구의 의미는 최신 연산 성능 경쟁보다 유연 전자회로에서 파운드리 모델을 실증했다는 데 있습니다.

연구진이 만든 칩의 두께는 30마이크로미터 미만으로, 사람의 머리카락보다 얇습니다. 이는 칩의 두께를 뜻하며 트랜지스터 선폭이 30마이크로미터라는 의미는 아닙니다. 얇고 유연한 회로는 다양한 소형 기기의 설계에 활용될 수 있습니다.

두 가지 TFT 기술

연구에는 비정질 인듐·갈륨·아연 산화물(IGZO)과 다결정 실리콘 TFT 기술이 사용됐습니다. 이들은 반도체 재료이며 유연 회로의 기판 자체와는 구별됩니다. 칩은 외부 장치와 연결해 설정과 성능을 확인할 수 있도록 구성되었습니다.

다중 프로젝트 제조 모델

다중 프로젝트 제조는 서로 다른 회로 설계를 한 웨이퍼나 판에 함께 배치하는 방식입니다. 공통 공정을 사용하면서 각 설계에 필요한 칩을 제작할 수 있어 비용을 분담하고 제조 자원을 효율적으로 활용할 수 있습니다.

전력 소비

얇은 TFT 회로는 저전력 기기에 활용될 가능성이 있습니다. 다만 실제 소비 전력은 회로와 동작 조건에 따라 달라집니다. 에너지 수확이나 무선 전력 공급과 결합하는 방안은 추가적인 시스템 설계가 필요한 응용 가능성입니다.

박막 트랜지스터의 실제 적용 사례

TFT는 이미 다양한 디스플레이에서 화소 구동에 사용됩니다. 유연한 집적회로 기술이 발전하면 화면 밖의 응용도 확대될 수 있습니다. 다음은 가능한 활용 분야입니다.

헬스케어

의료 분야에서는 일상적인 건강 관리부터 전문적인 모니터링까지 웨어러블 기기의 활용이 늘고 있습니다. 얇고 유연한 전자회로는 이러한 기기를 더 작고 가볍게 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.
예를 들어 심장 관련 데이터를 의료진에게 전달하는 부착형 센서를 생각할 수 있습니다. 감염 징후를 감지하는 드레싱도 연구 가능한 분야입니다. 이런 예시는 잠재적 응용이지, 이번 칩에서 임상 효과가 입증됐다는 뜻은 아닙니다.

로보틱스

로봇 분야에서는 얇고 가벼운 칩이 일부 부품의 소형화에 도움이 될 수 있습니다. 무게를 줄이면 배터리 부담을 낮출 여지가 있지만, 실제 운용 시간은 로봇 전체의 구조와 작업에 따라 달라집니다.
TFT 기반 화면은 로봇의 사용자 인터페이스에도 활용될 수 있습니다. 인공지능과 결합하면 표정이나 상태를 보여주는 화면 등의 응용을 생각할 수 있습니다. 에너지 효율적인 전자부품은 이러한 설계에서 중요한 요소입니다.

미래 디스플레이

가상현실(VR)과 증강현실(AR) 헤드셋은 가벼운 디스플레이와 회로의 이점을 누릴 수 있는 분야입니다. 부품의 무게가 줄면 착용감이 좋아지고 장시간 사용의 부담을 줄일 가능성이 있습니다.

굴곡형 스크린

적절한 기판과 공정을 사용한 TFT는 휘어지는 화면을 만드는 데 활용됩니다. 유연한 화면이나 말아서 보관하는 디스플레이는 공간을 절약하고 새로운 제품 형태를 가능하게 합니다. 모든 TFT 칩이 자동으로 유연한 것은 아닙니다.

사물인터넷(IoT)

사물인터넷(IoT)은 센서, 통신 기능 및 소형 연산 장치를 이용해 데이터를 수집하고 교환하는 다양한 기기로 구성됩니다. 많은 기기가 정보를 보내고 받으며, 산업과 일상생활에 폭넓게 활용되고 있습니다.

이 최신 발전 덕분에 IoT 부문의 소형화가 더욱 진전될 수 있습니다. 물류와 공급망을 모니터링하는 초소형 센서를 생각해 보세요. 시장에는 이미 많은 분산형 선택지도 있습니다. 이렇게 유연성이 더해지므로 TFT 엔지니어들은 IoT 시장을 우선적으로 고려할 만합니다.

산업 분야의 IoT 기기는 생산 공정 감시, 제품 확인, 물류 데이터 공유 등에 사용됩니다. 센서와 네트워크를 통해 온도, 위치, 자산의 상태 등을 거의 실시간으로 확인할 수 있습니다.

이 기술로 혜택을 받을 수 있는 기업

박막 전자소자의 발전은 제조 장비와 반도체 산업의 여러 기업에 영향을 줄 수 있습니다. 다만 기술의 발전이 특정 기업의 매출이나 주가 상승으로 곧바로 이어지는 것은 아닙니다. 관련 기업의 예는 다음과 같습니다.

1. Applied Materials 

AMAT 가격 차트

Applied Materials (AMAT )는 반도체와 디스플레이 제조에 쓰이는 장비, 서비스 및 소프트웨어를 공급하는 미국 기업입니다. 1967년에 설립됐으며 1972년에 상장했습니다. 칩을 대량 생산하는 파운드리와는 사업 역할이 다릅니다.
Applied Materials는 2009년에 처음 칩 제조 시장에 진입한 파운드리가 아닙니다. 오랫동안 반도체 제조 장비를 공급해 온 기업으로, 반도체 시스템, 글로벌 서비스, 디스플레이 관련 사업 등을 운영합니다.
기사 작성 당시 제시된 AMAT의 시가총액은 약 1,705억 5,000만 달러였으며, 별도로 제시된 기업가치 수치는 약 1,686억 2,000만 달러였습니다. 기사는 직전 52주 주가 상승률을 81.73%로 소개했습니다. 서로 다른 가치 지표를 구분해야 하며, 과거 주가 상승이 미래 수익을 보장하지는 않습니다.

2. Intel Corporation

INTC 가격 차트

Intel (INTC )은 1968년에 설립된 미국 반도체 기업으로 캘리포니아에 본사를 두고 있습니다. 자사 칩 설계와 제조를 수행하며, 제조 공정과 외부 고객을 위한 파운드리 사업도 개발해 왔습니다.
Intel은 고객을 위한 제조 및 관련 설계 지원 서비스를 제공합니다. 기사에는 2024년 약 35달러에서 2026년 60달러까지 주가가 오를 수 있다는 일부 전망이 소개됐지만, 이는 당시의 예상일 뿐 확정된 결과나 투자 수익 보장이 아닙니다.

칩 부족

최근의 반도체 공급 부족도 대체 기술과 제조 기반에 대한 관심을 높였습니다. 공급망 병목과 지정학적 긴장 등 여러 요인이 영향을 주며, 각국은 생산 역량과 조달 경로의 다변화를 추진하고 있습니다.

반도체 부족의 영향은 지역과 산업에 따라 달랐습니다. 유럽을 포함한 여러 지역에서는 외부 공급망 의존도와 생산 역량이 중요한 문제로 부각됐습니다. 기업들은 대체 조달처를 찾고 장기적인 공급 위험에 대비하기 위한 방안을 검토했습니다.

생산 시설 확충과 자원의 효율적 활용은 공급 문제를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 동시에 소형 전자기기에 대한 수요가 늘면 필요한 제조 역량도 커질 수 있습니다. 실제 수급은 제품군과 시기에 따라 달라집니다.

박막 트랜지스터의 미래

TFT 회로의 설계와 제조에는 자동화와 인공지능이 더 폭넓게 활용될 수 있습니다. 연구개발은 더 작고 저렴하며 제조하기 쉬운 회로를 목표로 하지만, 구체적인 성과와 보급 속도는 기술적·경제적 조건에 달려 있습니다.

박막 트랜지스터의 성장 가능성

소형 전자기기의 확산은 TFT 기술의 새로운 응용을 뒷받침할 수 있습니다. 이번 연구는 유연 TFT 회로에서 설계와 제조를 연결하는 파운드리 모델의 가능성을 보여줍니다. 표준화와 제조 접근성을 개선하는 데 참고할 수 있는 결과입니다.
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