Thin Film Transistor - KOSEN Report ⑬
자료제공: KOSEN(한민족과학기술자네트워크) www.kosen21.org 글: 윤성민 / 한국전자통신연구원
박막 트랜지스터(Thin-film Transistor, TFT) 기술은 디스플레이 산업은 물론, 투명과 플렉시블을 키워드로 하는 다양한 차세대 어플리케이션 실현을 위한 필수적인 기술로서 앞으로도 지속적인 연구 개발이 요구되는 매우 중요한 기술 분야이다. 지금까지는 주로 LCD 중심의 디스플레이 백플레인용 구동 소자로서의 역할이 가장 중요한 응용 분야였으며, a-Si 이나 LTPS TFT 등의 실리콘 계열 TFT가 주로 이용되어 왔다. 하지만 최근 들어 디스플레이 패널의 대면적, 고기능화가 빠른 속도로 진행되고, OLED 등 새로운 디스플레이 패널 기술이 속속 등장하면서 이에 적합한 TFT 기술에 대한 요구가 더욱 커지고 있다. 원문 자료에서는 TFT 기술의 전반적인 동향과 종류별 TFT 기술에 대한 특징과 문제점, 기술 전망 등을 소재, 공정, 소자 특성의 다양한 측면에서 자세하게 고찰하고 있다. 분석자는 본 분석 작업을 통해 원문 자료[1]의 내용을 되도록 충실히 리뷰하고, 분석자의 전문가적 의견을 가능한 한 적극적으로 개진하여 원문 자료에서 미처 다루지 못한 기술 내용에 대해서도 언급하고자 노력했다. 본 분석 자료가 실제 해당 기술을 연구 개발하는 기술자들은 물론 이 기술을 이해하고자 하는 연구자들에게 도움이 되기를 바란다.
서 론
디스플레이는 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)의 가장 큰 응용 분야이다. 디스플레이의 백플레인으로는 현재 비정질실리콘(a-Si) TFT가 대부분을 점하고 있으며, 다결정실리콘 TFT가 일부 영역에서 사용되고 있다. 디스플레이 이외에도 RFID 태그, 센싱 소자, 의료 응용분야, 저가 일회용 전자기기 등의 분야에서 TFT의 응용 가능성이 더욱 확장되고 있는 상황이다. 그동안 실리콘계 소재를 이용한 TFT가 그 역할을 충분히 담당해 온 것은 사실이나, 앞으로 등장할 미래의 전자기기의 사양을 만족시킬 수 있는 새로운 형태의 고성능 TFT에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그 예로는 다음의 응용 분야를 들 수 있다.
(1) OLED(organic light-emitting diode) 디스플레이 분야이다. 현재로서는 a-Si TFT만이 OLED 구동 사양을 만족시키고 있다. 다결정실리콘 TFT의 경우 고이동도 측면에서는 유리하지만 고가의 공정 비용과 소자의 균일성 문제 등이 제기되고 있어 OLED 구동을 위한 새로운 TFT 기술이 요구되고 있는 상황이다.
(2) 플렉시블 전자기기 분야이다. 플렉시블 디스플레이 등의 플렉시블 일렉트로닉스 응용 기기들은 가볍고 구부릴 수 있다는 특징 때문에 향후 많은 분야에서 채용될 것으로 전망되고 있으나, 이 때 TFT는 플라스틱 기판 위에 제조되며, 기판의 특성상 200℃ 이하의 공정 온도가 요구되는 것이 특징이다.
(3) 낮은 생산비용이 요구되는 분야이다. 대형 디스플레이 패널 분야가 대표적인데, 공정비용을 획기적으로 낮추기 위한 방법의 일환으로 최근 용액 공정 또는 프린팅 공정이 검토되고 있다. 이러한 공정은 용액 상태의 반도체 소재를 필요로 하지만, a-Si의 용액 원료는 아직 개발되어 있지 않아 새로운 TFT 소재의 개발이 필요한 상황이다.
(4) 새로운 기능성이 요구되는 신규 분야이다. 예를 들면, 고성능 검출 소자나 고밀도의 구동 소자 및 논리 소자 등이다. 이러한 소자를 실현하기 위해서는 고성능을 실현할 수 있는 새로운 TFT 기술이 요구된다.
TFT는 기본적으로 실리콘 기반의 트랜지스터 및 IC용 소자와 같은 맥락의 전자 디바이스이나, 다음과 같은 측면에서 다른 특징을 갖는 것을 이해할 필요가 있다. 실리콘계 IC의 경우 소자의 크기를 줄이는 방식으로 성능을 향상시키는 데 비해, TFT의 경우에는 소자의 크기를 줄여 집적도를 올리는 것보다는 대면적화에 대한 요구가 더욱 크다는 점이다. 결과적으로 TFT는 성능면에서 실리콘계 IC 소자를 상회할 수는 없으며, 반대로 초미세 IC 소자를 수 제곱미터 크기의 대면적에 제작할 수는 없다. 즉, 서로의 응용 분야가 비용과 성능 측면에서 확실히 나뉜다.
최초의 TFT는 1960년대 등장하였으며, LCD용 CdSe TFT가 시연되었다[2]. 1970년대 들어서는 비정질실리콘을 이용한 a-Si TFT 기술이 개발되어 LCD 구동용으로 제안되었다. 마침 당시는 LCD 기술이 노트북용 디스플레이에 적용 가능한 유일한 기술로서 각광을 받던 시기로서 a-Si TFT 기술이 이에 크게 공헌한 바 있다. 다음 절에서는 이와 같은 디스플레이 응용을 위해 요구되는 TFT의 성능 사양에 대해 설명한다.
디스플레이 등 응용을 위한 요구사항
최근의 TFT 기술의 발전 동향을 이해하기 위해서는 TFT가 실제로 응용되고 있는 디스플레이의 요구 사양이나 앞으로 채용될 기타 응용 분야에서의 요구 사양에 대해 살펴볼 필요가 있다.
LCD의 픽셀 구조에 따르면 LCD는 가능한 한 신속히 화소 픽셀을 충전하여 이를 유지하는 것이 중요하다. 이 때 고려해야 할 중요한 소자 변수는 픽셀 충전시간과 유지시간이며, 이는 TFT의 온저항(RON), 오프저항(ROFF) 및 픽셀 내부의 부하용량(Cpix)으로 결정된다. 한편, 픽셀의 전압은 TFT의 기생용량(Cpara)에 의해 변동되는데, 이 변동분을 줄이기 위해서는 Cpix를 크게 할 필요가 있다. 하지만 단순히 Cpix를 크게 하면 픽셀 충전에 많은 시간이 걸리기 때문에 이를 고려하여 소자를 설계해야 한다. 가령 70Hz에서 구동하는 1,000개의 주사선을 갖는 일반적인 LCD의 경우, 픽셀 충전시간은 2μs 정도이며, 이 때 전압 변동폭을 1V이하로 줄이기 위한 Cpix 값은 보통 0.1~1pF 이다. 이러한 일반 특성과 20V 구동 조건을 가정하는 경우, TFT에는 적어도 2×106옴 이상의 RON과 106 이상의 온오프 저항비, 50fF 이하의 기생용량값이 요구된다.
한편, OLED의 경우에는 LCD와는 달리 안정적인 구동전류 특성이 더욱 요구되는 것이 특징이다. 보통 OLED 디스플레이의 구동을 위해서는 10~100mA/㎠의 전류가 필요하다. 일반적인 픽셀 크기가 100μm×100μm라고 한다면 1~10μA의 전류가 필요한 셈이며, 이 값은 a-Si TFT로 달성 가능한 한계 성능에 해당한다.
다시 LCD에 대해 설명하면, 빠른 충전시간과 작은 전압 변동은 동시에 중요하며, 식 (1)과 같은 성능계수 (figure of merit, γ )를 도출할 수 있다.
PDF 참조 (1)
이 때, L과 X는 각각 TFT의 채널 길이와 게이트/소오스 사이의 오버랩 길이이고, μ는 TFT의 이동도이다. 따라서, 이 식으로부터 이동도 특성이 매우 중요하다는 것을 알 수 있는데 TFT에서 이동도는 보통 재료의 종류와 공정에 의해 결정되는 소자 구조변수 (geometry factor)에 의해 정해진다. 이는 실리콘계 FET 소자에서 일반화 되어 있는 바와 같이, 매우 얇은 고유전율 게이트 절연막을 사용하는 것이 디스플레이용 TFT에서는 그리 중요하지 않다는 것을 의미한다. 가장 일반적인 조건을 가정할 때 성능계수 γ는 106/Vs 정도로 충분하며, 채널 길이가 10μm일 때 1㎠/Vs 정도의 이동도로 달성 가능하다. 이러한 특성은 a-Si의 특성에 매우 가까우며, 지금까지의 LCD에서 a-Si TFT가 주로 채용되어 온 것과 밀접한 관련이 있다.
박막 실리콘 - 현재의 상황
현재 a-Si TFT의 이동도는 0.5~1㎠/Vs 수준이며, 106 이상의 on/off비, 5~8V 정도의 구동 전압 특성을 보인다. 이것은 현재의 LCD 응용에 매우 적합한 조건이라고 할 수 있다. 그런데, 현재 양산라인에서 채용되고 있는 a-Si TFT의 구조는 대부분 bottom-gate형이며 top-gate형에 대한 보고는 거의 없는 상황이다. 이것은 소오스와 드레인이 맨 위에 위치하여 픽셀 패드와 연결이 쉽도록 하기 위해 채택되어 온 매우 자연스러운 결과라고 할 수 있다. 소오스와 드레인 컨택을 도출하기 위한 방법으로 크게 두 가지 공정이 채용되고 있는 데, 한 가지는 "BCE (back channel etch)" 공정이고, 다른 한 가지는 "island etch" 공정이다. Island etch 공정을 적용한 TFT가 다소 양호한 특성을 나타내기는 하지만, BCE 공정의 경우가 공정 마스크 한 장을 줄일 수 있으며, 리소그래피 공정 마진이 더 넓다는 점 때문에 실제 양산 공정에서는 BCE 공정이 주로 채용되고 있다.
1992년에 LCD 생산이 시작된 이래 기판의 크기는 꾸준히 증가해왔다. 이 자료가 쓰여지는 시점에서 8세대 라인이 가동 중이며, 일부 디스플레이 업체에서는 2.85×3.05m 크기의 10세대 라인을 건설 중이다. 지난 몇 세대 동안 기판의 크기와 모양은 플랫패널 TV의 크기로 대변되어 왔다. 예를 들면, 7세대의 경우 42인치와 46인치, 8세대의 경우에는 50~55인치, 10세대에서는 60인치가 될 전망이다. 이런 추세대로라면 2018년에는 기판의 크기가 100m2에 도달하게 되지만 현재의 공정 방법으로는 거의 불가능한 수준이다.
a-Si TFT가 처음 특성대로 계속 잘 동작한다면 새로운 TFT에 대한 연구를 많이 할 필요가 없을 것이다. 하지만 a-Si TFT의 가장 치명적인 문제는 게이트 전압이 연속적으로 인가되었을 때 문턱 전압이 이동한다는 것이다. LCD 응용에서는 게이트 전압이 아주 짧은 시간에만 인가되고 보상 회로를 사용하기 때문에 문턱 전압의 이동은 충분히 제어가 가능하다. 하지만 OLED 응용에서는 픽셀이 발광하는 상당한 시간 동안 특정 값의 전류를 계속 공급해야 하기 때문에 문턱 전압의 이동은 매우 치명적으로 작용한다. 문턱 전압의 이동은 TFT에서 아주 일반적으로 관측되는 현상이며, 그 발현 기구와 TFT의 동작 불안정성에 대해서는 6.3절에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
저온 폴리실리콘 TFT (LTPS)
LCD의 대면적화가 본격화되기 이전부터, 대형 디스플레이의 실현을 위해서는 a-Si보다 이동도가 높은 재료가 필요하다는 요구가 제기되었다. 따라서 고이동도 실현을 위한 소재로서 다결정 실리콘이 등장하였으나, 실제로는 아직 a-Si TFT를 가지고 LCD가 요구하는 수준의 크기와 해상도를 실현하고 있는 상황이다. 하지만, 다결정 실리콘을 이용한다면 디스플레이 분야에서 고이동도 TFT를 적용하는 용도를 생각할 수 있다. 레이저 펄스를 사용하는 레이저 결정화 공정을 이용하면 실리콘의 결정화 과정을 저온에서 수행할 수 있으며, 이러한 공정을 이용한 TFT를 저온다결정실리콘(low-temperature poly-silicon, LTPS TFT)이라고 한다. LTPS TFT는 Si FET와 같이 자기정합(self-align) 공정에 의해 소자를 제작 가능하기 때문에, 기생 용량을 줄일 수 있으며 30~300㎠/Vs의 높은 이동도를 얻을 수 있다. 또한 n채널과 p채널 소자를 모두 제작할 수 있으며, 높은 on/off비, 우수한 S-slope (sub-threshold) 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, a-Si TFT와는 달리 바이어스 전압 인가시의 불안정성도 관측되지 않는다. 이처럼 뛰어난 특성에도 불구하고 아직 LTSP TFT는 a-Si TFT를 완전히 대체하지 못하고 있다. 그 주요한 이유의 하나는 LTPS TFT가 a-Si TFT보다 많은 공정 마스크와 제조비용을 요구하기 때문이다.
이러한 LTPS TFT를 적용할 수 있는 두 가지 응용 분야를 생각할 수 있다. 첫 번째는, 소형 집적 디스플레이 구동을 위한 구동 소자이다. 일반적으로 디스플레이 구동 소자는 실리콘 IC로 제작되어 어레이 주변에 접속되지만, 모바일 기기에 사용되는 소형 디스플레이의 경우 드라이버 칩이 너무 많은 면적과 비용을 차지하기 때문에 기판 내부에 내장하는 것이 가장 효과적인 방법이다. 이 때 a-Si TFT를 구동 소자로 사용하기에는 너무 느리기 때문에 LTPS TFT를 이용한 내장형 구동 회로가 제안되고 있다. 두 번째는, OLED 디스플레이의 구동 소자이다. OLED가 요구하는 높은 전류값을 만족하는 데는 LTPS TFT가 적합하다. 하지만, 이 분야에서 LTPS TFT가 절대적으로 유리한 것은 아니다. 전류값을 향상시키기 위한 소자 구조를 최적화하고 OLED 발광 소자의 효율을 높임으로써 a-Si TFT역시 충분히 경쟁력을 가지고 있다. OLED 구동 소자로서 두 종류의 TFT는 모두 장단점을 가지고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 a-Si TFT는 바이어스 전압 인가시의 동작 불안정성이 있는 반면, LTPS는 동일 기판 위에서 소자간 동작 균일성을 확보하기 어렵다는 점이 문제이다. 초기 OLED 시제품의 구동 소자로는 LTPS가 채용되고 있으나, 실제 어떤 기술이 최종적으로 사용될지는 아직 미지수이다.
분석자 의견
박막 실리콘 TFT 기술은 그동안 LCD의 기술적인 호황을 지원해 온 핵심 기술이다. 지금까지 개발되어 온 기술적인 노하우 및 실제 양산 라인의 공정 친화도를 고려할 때, 향후에도 대부분의 응용 분야에서 실리콘계 TFT 기술이 우선적으로 적용될 가능성이 높다고 할 수 있다. 물론 (1)기존 디스플레이의 지속적인 대형 패널화 경향과 (2)OLED, 플렉시블 디스플레이 등 신규 디스플레이의 시장 참여 등의 동향 변화는 TFT 기술 분야의 혁신적 발전 또는 전혀 새로운 기술의 등장을 강력하게 요망하고 있는 상황이기 때문에, 원문 자료에서 저자가 강조하고 있는 바와 같이, 앞으로 어떤 기술이 보다 우위의 경쟁력을 확보할 수 있을지는 미지수이다. 다만, 가까운 시일 내에 OLED TV의 양산화가 순조롭게 진행되고 해당 시장이 빠른 시기에 궤도 진입에 성공하는 경우, 이 때 채택되는 TFT 기술은 과거 랩톱 컴퓨터용 LCD 패널 양산이 시작되던 때와 비슷한 정도의 파급 효과를 가질 것으로 생각된다. 아직은 a-Si이나 LTPS 모두 OLED 백플레인 소자로서 장단점을 가지고 있는 상황이라는 점이 어쩌면 OLED TV 시장 자체의 도래를 뒤로 늦추게 하는 요인이 될 수 있으며, 그럴 경우에는 지속적인 발전을 거듭하고 있는 LCD 패널 기술에 의해 OLED 시장 자체가 형성되지 못하거나 상당 부분 잠식될 가능성을 배제할 수 없어, 다양한 가능성을 둘러싼 관련 업체 간의 기술 경쟁이 향후 1~2년간 가장 치열하게 벌어질 전망이다. 이후의 장에서도 다시 설명되겠지만, 아예 TFT 소재 자체를 비실리콘계 소재로 대체하는 선택을 단행할 가능성 역시 여전히 남아 있어, 현재의 실리콘계 TFT 기술의 양산 공정에 있어서의 압도적인 우위에도 불구하고, 향후의 기술 환경 변화에 대한 전망은 한치 앞을 내다볼 수 없는 상황이 계속되고 있다.
새로운 TFT 재료
새로운 TFT 재료의 개발 필요성
이미 a-Si TFT 기술이 충분히 양산 공정에 적용되고 있으며, LTPS 기술 역시 고성능 TFT 응용 분야에서 그 가능성을 인정받고 있는 상황에서 제3의 TFT 기술을 굳이 개발하고자 하는 이유에 대해 의문을 가질 수도 있을 것이다. 하지만 여기에는 몇 가지 명확한 동기가 있다. 그 첫 번째는 제조비용의 절감이다. 만약 가격이 충분이 떨어진다면 대면적 플랫패널 TV 시장은 엄청나게 성장할 것이다. 제조비용은 재료 그 자체보다는 설비에 더 의존한다. 따라서 개발의 목적은 설비의 단순화와 공정 스텝의 절감이다. 결과적으로 다수의 진공 장비로 구성된 설비를 단순한 용액 공정이나 인쇄 공정으로 대체하는 것은 매우 중요한 동기 부여가 될 수 있다. 두 번째는 플렉시블 일렉트로닉스 기술의 등장이다.
유리와 같이 무겁고 깨지기 쉬운 기판을 사용하기보다는 가볍고 구부러지는 기능을 기판에 부여한다면 다양한 신규 응용 가능성을 도출할 수 있다. 세 번째 동기이자 보다 시급한 과제는 OLED 디스플레이용 최적 구동 소자의 개발이다. 앞서 설명한 바와 같이 a-Si, LTPS 모두 현재로서는 이상적인 구동 소자가 될 수 없기 때문에, a-Si보다 5배 정도의 이동도를 가지면서 균일성과 안정성에서 뛰어나고, a-Si보다 저렴한 공정이 가능한 TFT 기술이 등장한다면, 매우 빠른 속도로 OLED가 LCD를 대체할 수 있을지도 모른다. 이런 점에서 새로운 TFT 기술을 탐색하는 것은 너무나도 당연한 일이라고 할 수 있다.
디스플레이에 한정된 응용 이외에도 새로운 기능성을 가진 응용 분야들, 예를 들면 RFID 태그, 투명 일렉트로닉스, 약물 투여가 가능한 의료 팻치, 대형 플렉시블 안테나 어레이 등의 분야에서 신규 TFT 기술의 기회는 너무나도 많이 남아있다. 현재 개발되고 있는 소재 기술로는 유기 반도체, 금속 산화물 반도체, 나노 구조체 및 박막 실리콘 등이 새로운 가능성과 기회 창출을 위해 활발하게 연구되고 있다.
분석자 의견
본문에서도 언급된 바와 같이, 최근에 등장하고 있는 다양한 신규 일렉트로닉스 분야는 나름대로의 요구 성능을 가지고 있으며, 이에 가장 적합한 TFT 기술은 각각 서로 다를 가능성이 많다. 하지만, 실제 생산 현장에서는 해당 시장의 규모나 파급효과가 신규 설비 투자를 충분히 회수할 정도 이상의 것으로 평가되지 않는 이상, 쉽게 새로운 기술을 전격적으로 개시하기 어렵다는 점을 고려하면, 당분간은 양산 공정에 유리한 실리콘계 TFT 기술의 연장선상에서 다양한 응용 분야를 시험하는 시기가 될 가능성이 높다. 하지만, 향후 혁신적인 기술이 개발되지 않는다면, a-Si이나 LTPS 기술만으로는 모든 범위에 적절하게 대응할 수 없기 때문에, 새로운 소재를 적용한 TFT 기술이 필연적으로 요구될 시점이 올 가능성은 충분하다. 다만, 결국 기술을 선택하는 것은 시장의 필요인 만큼, 신규 TFT 기술의 조기 도입을 위해서는 기술 개발만큼이나 관련 응용 시장의 개척이 중요한 과제라고 할 수 있을 것이다. 이러한 시장은 단기적으로 고성능의 OLED TV 시장일 수도 있으며, 아니면 장기적으로는 마음대로 구부릴 수 있는 플렉시블 일렉트로닉스 시장일 수도 있다.
유기 TFT와 인쇄전자기술
유기 TFT는 몇 가지 특징을 가지고 있다. 낮은 공정 온도와 낮은 탄성 계수(elastic modulus)는 플라스틱 플렉시블 기판에 적합하다. 증착 공정은 매우 간단하며, 대부분 용액 공정이 가능하기 때문에 인쇄 방법을 적용할 수 있다. 대부분의 유기 반도체들은 p형 특성을 가지고 있으나, n형 특성을 나타내는 물질들도 개발되고 있어 향후 CMOS의 형태의 회로 구성도 가능할 전망이다. 저분자 물질로는 펜타센이 가장 대표적이며, 고분자의 경우에는 폴리사이오펜 유도체들이 TFT에 적용되고 있다. 지난 20여 년 간의 연구를 통해 얻은 유기 TFT의 가장 큰 진보는 이동도 특성이다. 초기에는 10-5㎠/Vs 정도에 불과했으나, 지금은 1㎠/Vs을 상회하는 특성이 보고되고 있다[3]. 이 정도의 이동도 특성은 전자사진 감광체(xerographic photoreceptor)와 같은 특정 용도에는 적합하지만, OLED에 사용하기에는 아직 너무 작은 값이다.
폴리사이오펜 (Polythiophene)
폴리사이오펜계 소재를 이용한 TFT는 지난 20여 년 간 연구되어 왔으며, 전기적인 특성을 이해하여 분자의 구조를 설계하는 연구 방법의 좋은 예라고 할 수 있다. 가장 잘 알려진 폴리사이오펜 유도체는 P3HT(poly-3-hexyl thiophene)이다. 연구 결과에 따르면 알킬기 체인이 고분자 구조의 특정 위치에 존재하는 것이 무질서하게 위치하는 것보다 양호한 이동도 특성을 보인다. 이러한 정렬(ordering) 특성의 중요성은 박막의 다결정 라멜라 구조와 관련이 있다. P3HT에서 각 라멜라의 간격은 약 1.6nm이며, 알킬 체인의 길이는 이의 절반에 해당한다. 이러한 라멜라 간격이 너무 떨어져 있으면 전기를 통하지 못하게 된다.
폴리사이오펜 유도체 소재 기술의 두 번째 큰 진전은 PQT[poly(quaterthiophene)]를 합성한 것이다[4]. 합성된 PQT의 구조는 P3HT보다 알킬 체인의 밀도가 낮고 라멜라 간격이 알킬 체인 길이보다 그렇게 크지 않아서 알킬 체인이 다음 고분자 레이어로 통과해 들어갈 수 있다. 이러한 구조적인 특징은 정렬 특성을 향상시킨다. 다음으로 개발된 소재는 PBTTT[poly(2, 5-bis (3-alkylthiophen-2-yl) thieno [3,2-b] thiophene)이다. 이 소재의 특징은 기존 소재의 장점과 함께 퓨즈 형태의 사이오펜 링을 가지고 있다는 점이다. 이러한 구조적인 특징이 결과적으로 정렬 특성을 향상시켜 이동도가 개선되었다. SiO2 열산화막을 게이트 절연막으로 사용한 경우 0.5㎠/Vs, 그리고 채널 길이가 짧은 TFT의 고 드레인 전압 인가 범위에서는 1cm2/Vs의 높은 이동도가 보고되기도 하였다[5].
이와 같이 폴리사이오펜 연구의 과정은 유기 반도체 소재에서 화학적인 분자 설계를 하는 것이 얼마나 중요한가를 말해준다. 아울러 전기적 전도 특성의 물리적인 현상을 이해했다고 하더라도 특성 소재의 성능을 정확히 예측하기 위해서는 고분자 구조 및 전자 상태에 대한 수많은 부가 정보가 필요하다. 특히 입계(grain boundary)에서의 불규칙한 구조는 이동도 특성을 크게 저하시키는데, 이와 같은 국소적인 구조의 변화 및 특정 전기적 효과는 아직 잘 알려져 있지 않다.
화학적인 접근 방법으로 소재의 구조적인 정렬 특성을 향상시킬 수는 있으나, 표면 및 계면의 역할은 여전히 어려운 부분이다. 일반적으로 성능이 우수한 TFT를 실현하기 위해 유기 반도체를 소수성(hydrophobic) 표면 위에 증착하는 것이 좋다는 사실이 잘 알려져 있다. 이를 위해 보통 실시되는 방법이 OTS(octadecyl trichlorosilane)와 같은 자기정합형 단분자 층을 표면에 형성하는 것이다. 소수성 표면은 라멜라 평면의 형성을 돕기 때문에, 박막의 정렬 특성과 TFT의 이동도 특성을 향상시키는 데 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다. 이동도 특성에 영향을 주는 또 한 가지 변수는 표면 거칠기이며, 거친 표면에서는 이동도가 크게 저하되는 것으로 알려져 있다.
저분자 유기 TFT
박막 형태로는 1㎠/Vs, 단결정의 형태로는 10㎠/Vs에 육박하는 이동도를 가진 p형 및 n형 저분자 유기 반도체들은 많이 알려져 있다. 가장 많이 연구된 재료는 펜타센(pentance)이며, 주로 진공 열증착법에 의해 형성된다. 이동도는 입계의 크기와 관련이 있으며 1~5um의 입계 크기에서 1~3㎠/Vs의 이동도가 보고되고 있다.
소수성 표면 위에서는 입계의 크기가 커지고 펜타센 분자들이 계면에 수직 방향으로 성장하기 때문에 높은 이동도 특성을 얻을 수 있다.
저분자 유기 반도체의 경우에는 소재에 따라 a-Si보다 높은 이동도 특성을 보고하는 경우가 있으며, 이 경우 충분히 디스플레이 응용 분야에 적용이 가능하다. 앞서 설명한 고분자 소재에 비해 높은 이동도를 얻을 수 있는 이유 중 하나는 박막이 증착되었을 때 결정 입계의 크기가 크기 때문이다. 다만 유망한 저분자 유기 반도체 소재의 경우, 불용성인 경우가 많기 때문에 용액 공정을 적용할 수 없어 유기 소재를 굳이 사용하는 중요한 장점을 희생해왔다. 이런 배경에서 많은 연구자들이 가용성의 소재를 개발하기 위해 노력해 왔으며, 그 결과 개발된 대표적인 소재가 TIPS 펜타센이다. 용액 공정이 적용 가능하며 증착 공정으로 제작한 TFT에 상응하는 1cm2/Vs의 이동도를 보고하고 있다[6]. 지면 관계상, 양호한 이동도 특성을 갖는 가용성 저분자 유기 반도체 및 기타 흥미로운 유기 소재들에 대한 자세한 설명을 할 수는 없으나, 이 분야의 소재 기술 역시 꾸준한 발전을 거듭하고 있다.
인쇄 TFT와 소자 어레이
아직 소자의 크기나 제조 공정의 수준이 디스플레이 양산에 적용할 수 있는 것은 아니지만, 유기 TFT(organic TFT, OTFT)의 최종 목적 중 하나는 전 용액 공정을 이용하여 디스플레이 백플레인을 실현하는 것이다. 이 때 사용되는 재료의 조합은 나노파티클로 이루어진 전도성 금속층, 고분자 게이트 절연막, 용액 형태의 유기 반도체로 구성된다. 이러한 전 용액 공정의 인쇄 방식 TFT는 공정 온도가 150~200℃ 정도이기 때문에 플라스틱 플렉시블 기판 위에 제작하는 공정에 매우 적합하다. 인쇄 방식 TFT의 기술적인 과제 중 하나는 기판 표면 위에서 액적을 어떻게 제어할 것인가 하는 점이다. 소수성 표면을 아주 작은 크기로 만들면 인쇄한 용액이 액적으로 분리되는 현상이 나타나는 반면, 친수성 표면의 크기를 키우면 용액이 넓게 퍼지는 문제가 발생한다. 따라서 유기 반도체층을 고소수성 표면 위에 정확히 형성하는 방법을 마련해야 한다. 또한 용매와 용질로 구성된 잉크의 용매가 증발하게 되면 용질의 대부분이 액적의 테두리 부분에 존재하여 균일하게 형성되지 않는 현상 (coffee-stain effect) 역시 문제이다. 이러한 많은 어려움에도 불구하고, 최근 인쇄 방식을 이용하여 균일한 박막층과 양호한 TFT 백플레인을 제작한 결과가 속속 등장하고 있다 [7].
인쇄 공정에 아직 많은 기술적인 과제가 남아 있기는 하지만, 공정을 간략화 할 수 있는 새로운 가능성을 동시에 가지고 있다. 예를 들면, 고분자 복합체로 두 개의 층을 한 번에 형성하거나, 표면 에너지를 제어하여 자기정합 방식으로 패터닝을 수행하는 등의 방법이다. 기본적으로는, 소재를 형성해야 하는 위치에만 정확히 소재를 인쇄하는 부가 인쇄법 (additive printing)을 적용하는 것이 가장 저렴한 방법이 될 것이다. 하지만 실제 공정에서는 패터닝을 수반하는 다른 기술과의 병용 방식을 채택할 수 있다. 인쇄 공정 방식으로는 젯 프린팅 방식과 컨텍 프린팅 방식이 있다. 젯 프린팅 방식은 비접촉식이고 정확한 위치 정합이 가능한 반면, 대응 소자의 크기가 크다. 한편, 컨텍 프린팅 방식은 대응 가능한 소자의 크기를 줄일 수 있으나 층간의 위치 정합이 매우 어렵다. 앞서 식 (1)에서 설명한 바와 같이 디스플레이 구동소자의 성능계수를 향상시키기 위해서는 층간 정렬 마진인 X와 채널의 길이인 L을 동시에 줄여야 하기 때문에 아직 최적의 인쇄 공정 방식이 결정된 것은 아니다. 가장 좋은 방법은 X를 늘리지 않고도 소자의 크기를 줄일 수 있는 자기정합형 TFT를 채용하는 것이다. 이처럼 인쇄 공정과 관련된 기술의 발전이 지속적으로 이루어질 것으로 보인다.
분석자 의견
유기물 소재를 이용한 TFT 기술이 상당한 관심을 가지고 본격적으로 시작된 지도 이제 상당한 시간이 지나고 있다. 초기에는 다양한 디스플레이 응용 분야에서 기존의 실리콘계 TFT 기술의 대체를 목표로 의욕적인 기술 개발이 진행된 바 있으나, 현재는 기존 기술의 대체보다는 신규 응용 분야의 창출 쪽으로 방향을 전환하여, 특정 분야에 특화된 성능 또는 공정 특성을 갖는 기술 개발이 주로 이루어지고 있는 것으로 보인다. 그동안의 연구 개발을 통해 이동도 특성을 포함한 OTFT 소자 자체의 성능이 크게 향상되었으며, 초반에는 거의 해석하기 어렵던 소자의 신뢰성 문제에 대해서도 많은 이해가 이루어지고 있다. 그럼에도 불구하고, 아직 주류 시장에서 OTFT를 전격적으로 도입할 수 있는 응용 기기는 드문 상황이며, 이는 사용하기에 애매한 성능 특성과 아직은 상당히 불안정한 신뢰성 측면에 기인한다. 결국, 앞으로의 OTFT의 기술적인 잠재성은 위의 성능을 비약적으로 향상시키는 것보다는 현재의 성능에 걸맞는 적합한 응용 제품을 설계하는 방향으로 진행하는 것이 바람직할 것으로 보이며, 그런 점에서 저온, 저가의 인쇄방식 롤투롤 공정의 적용 가능성은 OTFT가 가장 경쟁력을 가진 차세대 기술 아이템의 하나가 될 것으로 생각된다.
신규 무기물 TFT
금속 산화물 반도체
금속 산화물 반도체 소재는 연구가 시작된 이래 매우 빠른 시기에 놀랄만한 디스플레이 시연을 이루어 낸 새로운 범주의 TFT용 소재이다.
최근에 캐리어 농도의 수준을 일반 전도성 산화물보다 낮추어 조절할 수 있는 방법이 개발되면서 n형 TFT에 응용이 가능하게 되었다. 그 대표적인 재료로는 InGaO, ZnSnO, InZnO, GaInZnO 등이 있다. 이들 재료들은 주로 스퍼터링 방법으로 형성되지만, 다른 방법을 적용하여 적층할 수도 있다. 박막 형성시의 공정온도는 상온에서 300℃ 정도이며, 이동도는 1~100㎠/Vs 정도로 a-Si과 LTPS의 중간에 위치한다. 어떤 조성의 재료와 공정 조건이 가장 최적인가를 결정하는 데는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다.
그 중 매우 흥미로운 재료 중 하나는 InGaZnO(IGZO)이다. 이 재료는 비정질이면서도 공정이나 열처리 조건에 따라 1~100㎠/Vs의 이동도 특성을 보인다. 일반적으로 밴드 내의 국소적인 준위(localized band-tail states)들의 존재 때문에 낮은 수준의 이동도를 보이는 다른 많은 비정질 소재와는 뚜렷하게 다른 점이다. IGZO는 충분히 낮은 결정 무질서도를 가지면서 국소 준위의 밀도도 낮아서 캐리어의 평균 행정거리가 원자간 간격보다 훨씬 길다. 결과적으로 반도체의 공유결합적인 특성을 갖기보다는 이온결합적인 특성을 가진다. 따라서 입계의 존재에 의한 국소 준위의 영향을 크게 받지 않으면서 다결정 소재의 밴드 전도기구를 보이는 바람직한 특성을 나타낸다.
산소 결합과 관련된 소자의 전기적 안정성이 산화물 TFT의 주요 기술적인 이슈가 될 것이라는 점은 어쩌면 매우 당연하다. 산소 결함의 생성은 캐리어 농도 증가로 나타나고 결과적으로는 문턱전압의 변동을 야기한다. 이러한 산소 결함은 바이어스 전압 인가에 따라 생성될 수 있다. 최적의 산화물 재료를 선택하거나 적절한 패시베이션 공정을 적용함으로써 소자의 불안정성을 개선하고자 하는 노력이 진행되고 있는 상황이다. 하지만, 산화물 TFT는 OLED 백플레인 구동소자 응용에 매우 적합한 후보이다. 왜나하면 이동도가 높고 제조 공정이 a-Si과 거의 유사하거나 LTPS보다 간단하기 때문이다. 이미 산화물 TFT를 적용한 OLED 디스플레이 시제품이 보고된 바 있으며, 만약 안정된 동작 특성을 갖는 산화물 TFT 기술이 개발된다면 이러한 상황은 계속 지속될 가능성이 매우 높다. 산화물 TFT가 기존의 LCD 백플레인의 a-Si을 대체할 가능성도 있겠지만 현재로서는 뚜렷한 장점은 없는 상황이다. 상온 공정에서도 a-Si보다 훨씬 높은 이동도 특성을 보이기 때문에, 오히려 저온 공정이 요구되는 플렉시블 기판 관련 응용 분야가 유망하다고 할 수 있다. 산화물 TFT의 또 한 가지 장점은 광학적으로 투명하다는 점인데, 이러한 기능성은 어떤 다른 TFT로도 실현할 수 없는 것으로서 향후 투명 디스플레이 기술을 이용한 다양한 응용 제품이 등장할 가능성이 있다.
나노와이어 TFT
나노와이어는 실리콘 분야의 IC 제작과 TFT 분야 모두에서 유망한 소재이다. 나노와이어는 소자 자체적으로 많은 장점을 가지고 있다. 우선 나노와이어는 단결정이기 때문에 우수한 동작 안정성과 높은 이동도 특성을 기대할 수 있다. 또한 크기가 매우 작다는 점에서 용액 공정 또는 인쇄 방식에 의해 나노와이어 층을 형성할 수 있다. 이처럼 용액 공정이나 전사 방식을 통해 층을 형성할 수 있다면, 실제 나노와이어의 제조 공정에 있어서는 기판이나 공정 온도의 제한을 받지 않게 된다. 실제로 나노와이어 TFT를 플라스틱 기판 상에 제작한 예가 보고되어 있다[8]. 실리콘 나노와이어, 카본나노튜브 및 각종 산화물 나노와이어가 TFT와 디스플레이 시제품에 사용된 바 있다. 나노와이어 TFT 제작에 있어서는 저저항 컨택을 형성하는 것이 매우 어렵다. 나노와이어는 크기도 작을 뿐만 아니라, 저저항 영역을 위한 도핑 공정도 곤란하기 때문이다. 따라서 소자 제작을 위한 컨택을 어떻게 형성할 것인가의 문제와 기타 제조 공정상의 문제가 최적의 나노와이어 소재를 결정하게 될 가능성이 높다.
하나가 아닌 많은 수의 나노와이어 집합체를 TFT의 채널 영역으로 사용하고자 하는 생각은 디스플레이 백플레인의 TFT 소자의 크기가 나노와이어보다 훨씬 크다는 점에서 가능하다. 이러한 TFT에서 얻을 수 있는 이동도 특성은 단일 나노와이어의 물성값보다는 낮으며, 집합체 내에서의 나노와이어의 밀도 및 연결 상태에 의존하게 된다. 가장 좋은 형태는 평행하게 배열된 나노와이어들이 채널에 걸쳐 있어 소스와 드레인 사이의 갭을 연결하는 것이지만, 실제로는 채널 길이보다 짧은 나노와이어들이 서로 교차하면서 전도 경로를 만드는 것이 일반적이다. 따라서 종횡비가 큰 와이어의 경우가 그렇지 않은 경우보다 훨씬 낮은 밀도에서도 전도 경로를 쉽게 만들 수 있다. 여기서 제기되는 한 가지의 의문은, 아주 잘 정렬된 나노와이어와 무질서하기는 하지만 길이가 길어 다른 와이어와 많은 교차점을 가지는 나노와이어 중 어느 쪽이 더 우수한 TFT 특성을 얻을 수 있을 것인가 하는 점이다. 물론 완전히 정렬된 나노와이어 구조는 전혀 서로 만나지 않기 때문에 전도 경로를 형성하지 않을 것이나, 일반적으로 큰 종횡비를 가지는 와이어들도 서로 교차점을 가지고 전도 경로를 만들기에는 충분하여, 실제로 무질서한 구조의 와이어보다는 정렬된 구조의 나노와이어가 높은 실효 이동도 특성을 보이는 것으로 보고하고 있다.
나노와이어 TFT의 경우에도 위치 정합에 대한 요구가 커지고 있으나 이는 공정의 복잡성을 증가시키는 요인이 된다. 가장 간단한 방법은 나노와이어를 용액 상태로 만들어 필요한 곳에 인쇄 방식을 통해 형성하는 것이다. 또 한 가지 방법은 나노와이어를 별도의 기판에 제작하여 전사 방법을 이용하는 것이다. 나노와이어의 전사 기술은 매우 단순하면서도 효과적인 위치 정합 방법이기는 하지만, 대면적 기판 위에 적용하기는 어렵다. 만약 인쇄 공정을 이용하여 형성한 나노와이어 TFT의 이동도가 1㎠/Vs 정도라면 기존 LCD의 a-Si TFT에 도전해 볼만 한데, 특히 기판이 플렉시블인 경우에는 더욱 그렇다. 그 이유는 용액 공정을 통해 제조비용을 크게 줄일 수 있기 때문이다. 만약 이동도가 10㎠/Vs 정도라면 충분히 OLED용 구동소자의 후보가 될 수 있을 것이다. 실제 나노와이어 소재 자체의 이동도는 100~1000㎠/Vs를 상회하는 수준이며, 다양한 구조와 증착 방법을 채용하여 실리콘이나 CNT로 제작된 나노와이어 TFT에서 10~100㎠/Vs 수준의 이동도를 달성하고 있기 때문에, 위의 가정은 충분한 실현 가능성을 가지고 있는 것으로 보인다. 나노와이어 TFT의 동작 안정성은 뛰어난 결정성 덕분에 유리할 수는 있으나, 구조 자체의 작은 크기 때문에 불리하게 작용할 수도 있다.
마이크로 결정 실리콘 TFT
실리콘 TFT 기술에서 흥미로운 새로운 시도는 마이크로 결정 실리콘을 사용하는 것이다. 이 소재는 a-Si과 동일한 PECVD 공정을 통해 제작이 가능하지만, 높은 수소 희석 조건 하에서 매우 작은 입경을 갖는 다결정 실리콘 박막이 형성된다. 마이크로 결정 실리콘의 존재 자체는 이전부터 알려져 있었으나, 이 소재를 이용하여 양호한 TFT 특성이 보고된 것은 매우 최근의 일이다. 일부 보고에서는 200㎠/Vs를 상회하는 이동도가 발표되었는데[9], 다결정 재료의 작은 입경 특성을 생각하면 매우 놀라운 결과이기는 하나, 대부분의 다른 선행 연구들은 10~20㎠/Vs 정도의 이동도 특성을 보고하고 있다[10].
마이크로 결정 실리콘을 사용하는 최대의 장점은 공정을 거의 변경하지 않고 a-Si을 대체할 수 있다는 점이다. 동일한 버텀 게이트와 백채널 에칭 구조를 사용할 수 있기 때문에 LTPS와는 달리 마스크 공정이 추가되지 않는다. 소재 자체는 다결정 구조이기 때문에 이동도 특성과 안정성 측면에서는 OLED 백플레인 소자에 적합하다. 다만, 높은 수소 희석 조건에서의 마이크로 결정 실리콘 증착 공정은 일반적인 a-Si 공정에 비해 느리기 때문에 향후 공정 시간의 단축이 실제적으로는 매우 중요한 요구 조건이 될 것으로 보인다.
분석자 의견
본 장에서는 세 가지 종류의 무기물 소재를 이용한 신규 TFT 기술에 관하여 고찰하고 있으나, 디스플레이 응용 분야에 있어서 현재의 기술 발전 동향을 고려할 때 산화물반도체를 이용한 TFT 기술에 대한 주목도가 가장 높은 것으로 보인다.
원문에서도 언급된 바와 같이, 산화물 TFT는 a-Si과 LTPS의 단점을 보완하면서, OLED 백플레인에 가장 적합한 성능 특성을 보이고 있다. 문제는 소자의 동작 안정성을 비롯한 신뢰성의 확보가 얼마나 빠른 시기에 이루어 질 수 있을까 하는 점이다. 실리콘계 TFT와는 달리 사용 가능한 반도체 재료의 종류가 매우 다양하다는 점은 소자의 성능 지표를 향상시킬 수 있는 잠재력이 되는 반면, 해당 반도체 소재와 가장 잘 어울리는 게이트 절연막 및 전극 소재를 동시에 탐색해야 하기 때문에, 최적 소자 구조의 실현을 통한 양산 공정 개발의 부담이 되는 것은 사실이다. 하지만, 이러한 어려움을 극복하고 OLED 디스플레이의 최적 백플레인으로서 시장 진입에 성공한다면, 다른 TFT 기술로는 실현하기 힘든 투명성의 장점을 접목하여 다양한 신규 응용 시장을 창출할 수 있는 캐시카우의 역할을 하게 될 가능성이 높다. 최근에는 산화물 반도체 용액 공정을 이용한 소자의 성능이 계속 향상되고 있으며, 2009년 SID(Symposium on Information Display)에서는 삼성전자와 삼성모바일디스플레이가 용액 공정의 산화물 반도체 TFT 백플레인을 탑재한 OLED 디스플레이를 시연한 바 있어, 저가 용액 기반 공정을 차세대 기술 목표로 삼고 있는 OTFT의 특화 응용 분야에까지 고성능의 산화물반도체 TFT가 진출할 가능성을 열어두고 있다.
TFT 소자의 전기적 특성
TFT 소자에 적용되는 물질들은 기본적으로 불규칙(disordered) 구조의 소재들이기 때문에 TFT 기술은 소재의 전기적인 전도 기구와 물리 기반 모델링 등을 이해하는 것이 필요하다. TFT에 게이트 전압을 인가하면 전하 축적층(accumulation layer)의 페르미 에너지가 밴드 끝부분으로 이동한다.
이상적인 TFT에서는 모든 전하가 밴드의 이동 준위(mobile state)에 있기 때문에 TFT는 매우 빠르게 전류를 흘리는 동작(turn-on)을 개시한다. 하지만 a-Si이나 기타 불규칙 구조의 소재들은 밴드 엣지 근처에 많은 국소 준위들이 존재하기 때문에 게이트 바이어스에 의해서 이들 준위들이 천천히 채워지고 나서 다소 느린 속도로 턴온 동작을 개시한다. 반면, 다결정 소재들은 비교적 국소 준위의 밀도가 낮기 때문에 보다 빠른 턴온 동작이 관측된다. 유기 소재의 경우에는 TFT의 동작 특성으로부터 고분자 소재보다 펜타센이 더 적은 국소 준위를 가지고 있음을 예측할 수 있다.
고분자 물질의 전도 기구
전기적인 전도 기구를 비롯하여 유기 소재의 전기적인 특성에 대해서는 아직 잘 모르는 부분이 많다. 오랫동안 유기 반도체 소재는 매우 불규칙적인 비정질 상태로 다루어져 왔으며, 이 경우의 전기 전도는 강한 폴라론(polaron) 효과에 의한 깊은 국소 준위 사이의 호핑 전도에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다. 하지만, 소재의 결정학적 규칙성이 증가할수록 밴드 전도가 보다 중요한 역할을 하게 되고 폴라론 전도의 영향은 줄어든다. 따라서 단결정 유기물 재료의 경우에는 밴드 전도 기구가 지배적으로 나타나고, 이 때의 주요 관심은 과연 유기 반도체의 이동도가 얼마나 높을 수 있을 것인가 하는 점이다.
유기 반도체 소재는 인접 분자와 약한 파이 결합을 하고 있는 공액 분자(conjugated molecule)를 가지고 있으며, 공액 분자 내부에서는 높은 이동도를 기대할 수 있지만, 파이(π) 결합 사이의 이동도는 낮다. 대부분의 경우, 파이 결합이 유기 TFT의 이동도를 결정한다.
이론적인 계산을 통해 전기적인 전도 기구 및 이동도의 수준을 예측할 수 있다. 완전한 단분자 물질의 경우, 이동도는 격자 산란에 의해 제한되며, 유효 질량(m*), 전자산란 포텐셜(deformation potential), 탄성 정수(elastic modulus) 등 세 개의 변수에 의존한다.
계산에 의하면 파이 결합 방향에서 얻을 수 있는 최대 이동도는 10~30㎠/Vs 정도이나, 높은 유효 질량과 낮은 탄성 정수 때문에 실제 이동도는 많이 낮아진다. 결과적으로 계산상으로도 확보 가능한 최대 이동도는 10㎠/Vs 정도이고, 루브렌(rubrene) 등의 단결정 소재는 좀 더 높을 수 있다. 반편, 다결정 소재들의 실제 이동도는 입계 불규칙성이나 불순물 등의 영향에 따라 더 낮아진다.
소자 컨택
TFT 소자는 컨택 특성이 좋아야 한다. 일반적인 트랜지스터는 컨택 부분에 고농도 도핑 공정을 실시하여 양호한 옴성(ohmic) 컨택을 형성하며, a-Si이나 LTPS는 이 공정을 적용하여 제조된다. 하지만 이 자료에서 거론되고 있는 새로운 소재를 이용한 TFT에 있어서는 컨택 문제가 매우 중요한 기술 과제 중 하나이다. 가령 OTFT의 경우에는 유기물에 고농도 도핑을 하거나 컨택 부분을 패터닝 하는 등의 작업이 어렵기 때문에, 컨택 전극의 일함수를 유기 반도체 소재의 전도대나 가전자대에 맞추는 방법이 가장 일반적으로 시도되어 왔다. 앞서 설명한대로 나노와이어 TFT 역시 컨텍 문제를 안고 있으며, 산화물 TFT의 경우에는 ITO 등을 이용하여 산화물 소재와의 컨텍을 얻을 수 있었다.
따라서, p형 유기 TFT는 Ag, Au, ITO 등 높은 일함수를 갖는 금속성 전극 물질이 필요하다. 낮은 일함수 물질을 이용하는 경우에는 당연히 매우 큰 컨택 저항을 경험하게 되지만, 유기 TFT의 경우 상당량의 컨텍 저항이 소자 특성을 통해 일반적으로 관측된다. 수 마이크로미터의 채널을 갖는 유기 TFT 소자에서 컨텍 저항이 관측되지 않는 경우는 매우 드물지만, 실제 디스플레이 백플레인에서는 5~10μm 정도의 채널 길이와 가능한 작은 값의 컨텍 저항을 갖는 소자가 요구된다. n형 유기 TFT의 경우에는 문제가 더욱 심각하다. 일함수의 매칭이 잘 이루어졌다고 하더라도 금속 컨텍과 유기 소재 사이의 잔류 베리어의 존재가 컨텍 저항을 발현시키는 이유이다. 컨텍 저항 특성은 소자의 구조에 따라서도 달라질 수 있다.
TFT의 안정성
대부분의 TFT에 있어서 공통적으로 중요한 과제는 소자의 안정성이다. 특히 전기적인 스트레스 인가 상태에서의 동작 안정성이 중요하며, 유기 반도체 소재의 경우에는 화학적 안정성 역시 문제가 될 수 있다. a-Si TFT의 게이트 바이어스 스트레스 효과는 지난 20여 년 간 연구되어 왔으며, 장시간에 걸쳐 게이트 전압이 인가된 후 소자의 문턱전압이 변동된다는 사실이 일반적으로 잘 알려져 있다. 이러한 문턱전압의 변동은 이동이 가능한 축적층의 전하들이 천천히 트랩 준위에 포획되어 움직이지 못하게 되기 때문에 일어나며, 결과적으로 TFT의 전류가 시간에 따라 감소하게 된다.
a-Si TFT의 스트레스 인가 효과에 대해서는 많은 부분이 밝혀져 있는 상태이며, 주로 두 가지 기구에 의해 나타나는 것으로 알려져 있다. 첫 번째 기구는 a-Si의 본질적인 문제로서 a-Si과 10% 수준에서 결합하고 있는 결합 수소에 의해 야기된다는 설명이다. 이러한 결합 수소의 움직임이 전하를 트랩하는 전기적인 결함을 생성하게 되고, 문턱전압의 변동을 초래한다는 것이다. 채널 내부의 축적층 전하 그 자체가 결합 수소의 변동을 유도할 수 있으며, 이것은 빛의 조사에 의한 결함 생성과 밀접한 관련성을 가진다. 두 번째 기구는 어떤 TFT에서도 일어날 수 있는 것인데, 축적층 전하가 게이트 절연막으로 터널링되는 현상이다. 실리콘 소자에서 주로 사용되는 열산화막과는 달리 PECVD 등으로 형성된 질화막은 그리 치밀한 편이 아니며, 축적층 전하가 들어갈 수 있는 국소 준위를 다수 포함하고 있다. 이 두 가지 기구 모두 문턱전압의 변동을 초래하며, 문턱전압의 변동값은 다음의 식 (2)로 표시된다.
PDF 참조 (2)
여기서 t는 경과 시간이고 VG는 인가된 게이트 바이어스 전압이다. 시간에 대한 의존성을 나타내는 계수 α는 0.3~0.4 정도이기 때문에 시간의 경과에 따라 문턱전압의 변동은 둔화된다. 게이트 전압 의존성을 나타내는 β는 2이상의 값을 가지며 문턱전압 변동에 대해 강한 상관관계를 갖는다. a-Si에서 거론된 전하 생성과 절연막으로의 터널링 현상은 각각 α 및 β와 관련이 있으며, 게이트 전압이 높을 때 게이트 절연막 터널링 현상이 더 현저하게 관측된다.
유기 TFT에서의 바이어스 스트레스 효과 역시 일반적으로 관측되는 현상이며, 그 기구는 a-Si보다 훨씬 복잡하다. 대다수의 유기 TFT들은 바이어스 스트레스 인가 상황에서 드레인 전류의 히스테리시스 현상과 문턱전압의 변동 현상을 경험한다. 폴리사이오펜 TFT는 적어도 두 개의 바이어스 스트레스 기구를 나타내는데 전하의 트랩과 회복 과정에서 서로 다른 시정수를 갖는다. 짧은 시간 단위에서 스트레스의 효과는 가역적이며, 초기 전류값은 상당히 빠른 회복을 보인다. 그러나, 긴 시간에 걸친 스트레스 과정에서 초기 전류는 좀처럼 회복되지 않으며 영구적인 스트레스로 작용한다. 또한 장시간에 걸친 스트레스는 문턱전압의 변동 이외에도 이동도의 열화를 초래한다. 실제의 실험결과를 통해 알 수 있는 사실은 스트레스의 효과가 유기 반도체 소재 자체에서 지배적으로 일어난다는 점과 불순물의 존재가 문턱전압 변동폭을 크게 좌우한다는 점이다. 고분자 유기 반도체의 경우에는 재료의 합성 과정에서 불순물을 완전히 배제하기 어렵지만, 펜타센을 사용하는 TFT에서는 불순물의 영향을 좀 더 명확하게 알아볼 수 있다. 가령, 펜타센 TFT를 진공 중에서 평가하면 스트레스 효과에 대해 매우 안정적이다. 유기 소재의 화학적 안정성 역시 OTFT의 동작을 고려할 때 매우 번거로운 문제 중 하나이다. 서로 다른 소재에 대해 각각의 화학적 안정성 문제를 정의하고, 이를 제어할 수 있는 방법을 마련하기 위해서는 아직 많은 연구가 필요한 상황이다.
분석자 의견
실리콘계 TFT 소자의 전기적 특성을 향상시키는 방법과 동작 특성의 신뢰성에 관해서는 그동안 상당한 연구가 진행되어, 소자의 물리 현상을 비롯하여 특성 향상을 위한 다양한 방법이 개발되어 있는 상황이다.
원문 자료에서는 저자의 기술적인 배경상, 주로 유기물 TFT에 대해 설명하고 있으나, 현재 OTFT가 보이는 소자 동작의 안정성 측면을 고려할 때, 저가 공정 수행 및 플렉시블 기판 적용의 가능성을 인정하더라도, 실용화를 위해 앞으로 해결해야 할 문제가 상당히 많이 남아 있는 것으로 보이며, 현재의 다소 부족한 성능 지표를 충분히 보상할 수 있을 정도의 저렴한 소자가 제공되어야 하는 만큼, OTFT 분야에서는 인쇄 공정 및 롤투롤 공정의 개발이 필연적이라고 할 수 있다. 한편, 최근 빠른 속도의 기술 발전을 보고하고 있는 산화물반도체 TFT의 경우, 소자의 동작 특성 향상과 함께 소자의 물리현상을 규명하기 위한 매우 활발한 연구 활동이 전개되고 있어, 소자의 동작 안정성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 소재, 소자 구조, 공정의 최적화 방법의 개발 여부가 향후 산화물 TFT의 기술 전망을 결정할 것으로 보인다.
유연, 신축 전자소자를 위한 TFT 기술
유연하다는 특징을 가진 플렉시블 전자기기는 몇 가지 범주로 나눌 수 있다. 기술적으로 가장 용이한 것은 기계적인 스트레스에 강하고 약간 구부릴 수 있는 정도의 응용 제품들이다. 그 다음 도전 과제는 구부려 말 수 있는 기기가 될 것이며, 가장 어려운 것은 원하는 형태로 접거나 늘어나는 제품들이 될 것이다. 이 때 고려해야 할 기술적인 이슈는 기판이나 증착된 박막에 인가되는 기계적인 스트레인이다. 두께가 L인 기판을 R의 곡률 반경으로 구부릴 때 발생하는 스트레인은 L/2R로 정할 수 있는데, 일반적인 무기물 소재들은 1% 정도의 스트레인 조건에서 깨지거나 변형을 일으킨다. 기판을 접어 사용할 경우에는 스트레인이 적어도 10배 이상 증가할 것이며, 기판을 늘리거나 원하는 형태로 다룰 때 스트레인이 100%까지 증가할 수도 있다. 인가되는 스트레인의 정도에 따라 다른 대책을 마련해야 하는데, 어떤 경우에 있어서도 유기 소재들을 이용하는 것이 플렉시블 일렉트로닉스 분야에는 더 적합하다.
플렉시블 기판 상의 실리콘 TFT
박막 실리콘 소자들은 새로운 TFT의 요구에 대해 플라스틱 기판 위에 적용 가능한 저온 a-Si 공정이나 플렉시블 LTPS 소자 기술 등을 개발함으로써 대응해 왔다. 특히 표준 a-Si TFT 공정을 개선하여 저온 a-Si TFT 공정을 개발하였으며, 이들 소자는 현재 고온 공정 소자들과 비교하여 거의 동일한 특성을 보이고 있다.
소자의 전기적인 특성에 있어서 가장 중요한 과제는 스트레스의 효과를 줄이는 것인데, 현재 개발된 저온 공정 a-Si의 스트레스 안정성은 고온 소재에 비해 약간 떨어지는 정도이다. 플라스틱 기판 위에 제작된 저온 a-Si TFT의 또 다른 문제는 내부의 기계적인 스트레스를 조절하는 것이다. 유리 기판을 사용하는 경우에는 기판의 두께가 박막보다 훨씬 두껍고 탄성정수는 비슷하기 때문에 대부분의 스트레인은 박막 부분에 인가된다. 따라서 기판의 변형없이 박막을 증착하거나 패터닝 공정을 수행할 수 있다. 하지만, 플라스틱 필름 기판은 얇고 탄성정수가 유리보다 100배 정도 작기 때문에 스트레인의 상당 부분이 기판에도 인가된다.
결과적으로 후속 박막의 리소그래피 공정을 제대로 수행할 수 없다는 문제가 발생한다. 박막이 증착되고 다시 패터닝 되는 과정에서 필름 기판 자체가 변형되어 후속 리소그래피 공정의 레이어 정합을 정확하게 할 수 없기 때문이다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 플라스틱 기판을 다른 단단한 기판 위에 접착하여 공정을 진행하는 것이다. 하지만 이 방법은 복잡할 뿐만 아니라, 인쇄 방식의 공정에는 적합하지 않다. 공정상의 위치 정합을 고려할 때 문제가 되는 또 한 가지의 현상은 플라스틱 기판 자체가 대기 중의 수분을 흡수하여 다소 늘어난다는 점이다. 일반적인 플라스틱 기판은 대기 중에 수 시간 노출되는 것만으로도 200~400ppm 정도의 팽창 효과를 보인다. 이러한 사실들은 TFT 소자를 플라스틱 기판 위에 제작하는 것이 얼마나 어려운 일인가를 잘 말해준다.
플렉시블 TFT를 제작하는 또 다른 방법은 고온 공정이 가능한 플라스틱 기판을 사용하거나, 아예 호일 형태의 스테인리스 스틸 기판을 사용하는 것이다. 스테인리스 스틸 기판은 고온 공정이 가능할 뿐만 아니라, 기계적인 변형에도 매우 강하다. 투명도를 요구하는 응용 분야에는 사용할 수 없지만, 반사형 디스플레이나 탑에미션(top-emission) 구조의 OLED, X선 이미징 디바이스 등에는 사용이 가능하다. 다만, 이 기판은 일반적으로 표면이 매우 거칠기 때문에 적절한 평탄화 공정을 수행해야 한다.
컨퍼멀(conformal) 소자 어레이
완전히 자유자재로 구부릴 수 있는 전자기기를 제작하는 것은 매우 어려운 도전 과제가 될 것이며, 실제로 이에 도전할만한 적절한 응용 제품에 어떤 것이 있을 것인지도 아직 명확한 상황이 아니다. 몇 가지 재미있는 응용 분야로는 구 형태의 이미지 센서, 로봇의 스킨, 의료 팻치 등을 생각할 수 있다. 실제로 몇 가지 재미있는 시도가 이루어지고 있으나 얼마나 실용적일지는 아직 미지수이다. 그 중 한 가지는 소자를 늘어나는 소재를 이용하여 제작하는 것인데[11], 이러한 시도는 늘어나는 배선 소재를 제작함으로써 가능할 수 있다[12]. 또 한 가지 시도는 실리콘 웨이퍼와 같은 단단한 기판을 사용하지만, 이를 세공 형태로 잘게 절단하여 원하는 곡면 형태를 만들 수 있도록 하는 것이다[13]. 최근에는 평탄한 기판 위에 소자 어레이를 제작한 후, 정교한 설계에 의해 이를 몇 개의 부분으로 절단하고 이를 구부려서 근사적으로 곡면 형태를 실현하는 기술이 시연되고 있다. 이 기술은 스트레인을 최소화 하면서도 기존의 소재들을 가지고 만들 수 있다는 점이 특징이다.
분석자 의견
플렉시블 일렉트로닉스는 기존의 실리콘 일렉트로닉스의 대체 개념이 아니며, 전혀 새로운 기능성이 부여된 신규 시장을 만들 수 있는 차세대 성장 동력의 하나이다. 아직 본격적인 상용 시장이 형성되어 있지 않은 만큼, 가능성과 위험이 공존하고 있다. 결국 플렉시블 일렉트로닉스 기술을 이용하는 소자 및 세트 어플리케이션은 다음의 두 가지 방향으로 발전할 가능성이 높다. 첫 번째는 값싼 제조비용의 실현을 통해 기존의 실리콘 소자로는 접근할 수 없었던 응용 분야 시장을 적극적으로 공략하는 것이다. 두 번째는 비교적 대면적이면서도 구부림이 가능하다는 특징을 충분히 살림으로써 전혀 새로운 수요를 창출하는 것이다.
이러한 플렉시블 일렉트로닉스를 구현하기 위해서는 여기에 가장 적합한 TFT 기술의 개발이 필요하며, 이 TFT 기술은 기존의 디스플레이 등 주류 응용 시장에서 요구하던 특성과는 다소 다른 특징이 요구될 가능성이 많다.
원문 자료에서는 플렉시블 전자 소자를 구현하기 위한 공정 기술에 대해 주로 언급하고 있으나, 소자의 개발 측면에서 보면, 기존 응용 분야에서 간과해 오던 요구 성능 중 플렉시블 일렉트로닉스용 TFT 기술에서 특히 요구되는 주요한 성능 지표가 있음을 알 수 있다. 첫 번째는, 소자 동작에 수반한 자기 발열 효과(self-heating effect)이다. 이것은 TFT가 동작할 때 흐르는 전류가 열을 발생시켜 소자 자체의 온도를 높이는 효과를 말한다. 이 효과가 특히 문제가 되는 이유는 다른 기판들과는 달리 플라스틱 기판의 열전달계수가 매우 낮기 때문이다. 발생한 열은 효과적으로 발산되지 않기 때문에 소자 동작 특성에 치명적인 영향을 줄 수도 있다. 따라서, 자기 발열 효과를 고려한 소자의 구조 설계가 필요하다. 두 번째는, 구부림 동작에 대한 소자의 열적, 기계적 내구성의 문제이다. 플라스틱 기판 상에 제작하는 소자의 기계적인 파괴 한계와 그 기구를 정확히 규명하는 것은 향후 이 분야의 기술적 생존 가능성을 결정할 만큼 매우 중요한 작업이다. 왜냐하면 플렉시블 일렉트로닉스 시스템의 형태가 단순히 어느 정도 구부릴 수 있는 모습에서 궁극적으로는 말거나 접을 수 있는 형태로 진화해 나갈 것이기 때문이다. 더구나 기계적인 스트레스 상황에서는 소자의 동작 신뢰성이 더욱 빠른 속도로 열화될 가능성이 있기 때문에, 이 문제는 향후 플렉시블 일렉트로닉스를 위한 TFT 기술 분야의 주요 연구 주제가 되어야 할 것으로 생각된다.
재료 및 응용 분야의 전망
2009년은 신규 TFT 기술에 있어서 전환의 해가 될 전망이다. 유기 TFT를 이용한 첫 번째 디스플레이가 폴리머 비전(Polymer Vision)을 통해 생산될 것으로 보인다. 이것은 플라스틱 기판 위에 제작된 구부릴 수 있는 반사형 디스플레이인데, 이 디스플레이를 구현하는 데 펜타센 TFT를 선택한 명확한 이유는 알 수 없으나, 소재의 유연성과 저온 공정, 저렴한 제조비용 등이 작용했을 것으로 보인다. 또한 Plastic Logic사는 올해 신규로 100만 달러 이상을 플렉시블 OTFT 기반 e-paper 생산 개발에 투자할 예정이다. 앞으로 디스플레이용 백플레인을 제조하는 데 있어서 인쇄 공정의 중요성은 더욱 커질 것으로 보이며, 따라서 유기 소재의 채용 역시 자연스러운 현상이 될 것으로 보인다. 결과적으로는 용액 공정이 가능한 소재의 개발이 매우 중요할 전망이다.
OLED 디스플레이는 최근 수년간 사업적인 측면에서 많은 기대를 모아 왔으나, 이제서야 양산 공정이 빠르게 성장할 태세를 보이고 있다. 현재로서는 LTPS TFT를 사용할 수밖에 없으나, 가격과 성능 측면에서 다른 TFT들이 이를 대체할 가능성은 충분하다. 유기 TFT의 경우에는 획기적인 기술 발전이 없는 이상 OLED용으로 사용하기는 어려우나, a-Si, 마이크로결정 실리콘, 산화물 반도체 TFT 등이 OLED 백플레인 소자로서 충분한 가능성을 가지고 있으며, 실제 삼성에서는 산화물 반도체 TFT를 이용한 OLED 디스플레이를 시연한 바 있다.
플렉시블 일렉트로닉스 기술에 대한 전망이 더욱 다양한 재료계로 확대되고 있는 가운데, 이 장에서는 대면적 디스플레이 이외의 새로운 응용 분야에 대해서도 알아보기로 한다.
휴대형 문서 리더기(e-paper)
PC와 인터넷 환경의 눈부신 발전에 따라 종이 문서가 없어질 것이라고 예측했던 많은 사람들의 예상과는 달리 여전히 종이는 중요한 정보 표시 매체의 역할을 하고 있다. 그 이유는 종이가 매우 휴대하기 간편하기 때문인데, 만약 가볍고, 전력을 적게 소비하면서도 견고하고 시인성이 좋은 휴대용 디스플레이가 등장한다면 종이의 필요성은 크게 줄어들 가능성이 있다. 장기적으로 보면 언젠가는 이런 때가 올 것이라고 생각하는 사람들이 많지만, 문제는 언제, 어떤 형태의 기기를 통해 실현될 수 있을 것인가이다. 이 분야에서의 또 한 가지의 중요한 관심사는 이러한 기술이 과연 휴대전화나 노트북 등의 연장선 상에서 제공될 것인지, 아니면 문서 열람을 위해 최적화 된 전혀 다른 형태의 기기로 나타날 것인지에 대한 점이다.
전자종이(e-paper) 기술은 위의 두 가지 기술 방향을 접목한 것이라고 할 수 있다. LCD가 무겁고 많은 전력을 소모하는 데 비해서, 전기영동 현상을 이용한 새로운 매체는 가볍고 적은 소비전력 특성을 갖춘 고성능 반사형 디스플레이로서 충분한 가능성을 갖추고 있다. 현재는 유리 기판 위에 시연되는 경우가 많으나 가까운 시일 내에 플렉시블 기판으로 전개될 것으로 보인다. 전기영동 현상을 이용한 전자종이는 소자의 전환 속도가 느리기 때문에 아직 동영상 표시 성능을 구현하고 있지는 못하며, 컬러 표시 기능도 현재 개발 중이다. 결과적으로 수 Hz라는 프레임 레이트 성능 때문에 식(1)에서 설명한 성능 계수가 104~105 수준으로 떨어지고, 따라서 인쇄 방식의 OTFT를 사용할 수 있게 된다. 이 분야의 기술을 선도하고 있는 업체 중 하나인 Plastic Logic은 이미 플라스틱 기판을 이용한 인쇄 방식의 유기 반도체 소재를 채택하고 있다. 물론 a-Si 역시 이 분야에서 충분한 가능성을 가지고 있으며, 저가의 유기물 인쇄 방식 공정이 과연 a-Si의 오랜 양산 경험에 대항하여 경쟁력을 확보할 수 있을지 곧 결론이 날 전망이다.
RFID 태그
RFID 태그는 기존의 바코드를 대체하여 물류나 상업 시설 및 산업 시설의 자동화를 촉진하는 기술로 기대를 모으고 있다. RFID 태그는 가격에 매우 민감한 아이템으로서, 매우 저렴한 공정을 이용해야 할 필요가 있다. 첫 번째 방법은 실리콘 IC의 저렴한 소자당 단가 특성을 이용하여 작은 IC를 안테나와 함께 부착하는 것이다. 두 번째 방법은 TFT의 매우 저렴한 면적당 단가 특성을 이용하여 모든 필요한 회로 요소를 TFT 기술로 구성하는 것이다. 현재로서는 첫 번째 방법을 채택하고 있으나, 두 번째 방법으로 이행하기 위한 많은 기술 개발 노력이 진행되고 있다. 이것은 인쇄 공정 등을 이용할 수 있는 두 번째 방법이 첫 번째 방법보다 훨씬 제조비용을 줄일 수 있을 것이라는 기대 때문이다. 이동도가 낮은 유기 TFT가 RFID 태그에서 사용되는 고주파수 대역에 적합하지 않다는 지적이 있기는 하지만, 일반적으로 사용되는 13.56MHz 대역에서의 동작은 이미 시연된 바 있다[14].
화학 센서 FET
유기물이나 나노와이어 소재의 화학적인 감도 특성을 이용하여 화학 센서를 구현하려는 시도 역시 보고되고 있다. 이 때 중요한 특성은 특정 물질에 대한 선택성인데, 유기 반도체 소재들은 매우 다양한 종류가 있고, 각 대상물에 대한 반응의 정도가 서로 다르기 때문에 화학 센서로서 충분한 가능성을 갖는다. 따라서 서로 다른 반도체 물질로 구성된 TFT 어레이를 제작하여 특정 물질을 검출하는 센서로 이용할 수 있다. 서로 다른 수용기를 부착시킨 나노와이어 역시 비슷한 민감도와 선택성을 이용할 수 있다.
특수 용도 X선 검출기
a-Si TFT를 이용하면 의료 화상용 평판 디지털 X선 검출기를 제작할 수 있다. 물론 디스플레이 시장에 비하면 작지만, 의료 현장에서 X선 필름을 대체하여 실시간 진단과 의료 화상의 전자화를 촉진시킬 기술로 주목받고 있다. X선 이미징 장치는 X선이 전하로 변환되고 이를 백플레인에서 검출하여 화상화하는 과정에 의해 동작한다. 이러한 장치는 환자에의 영향을 고려하여 주로 저도즈(low-dose)의 X선을 사용하기 때문에 화상화 성능을 향상시키는 것이 요망되고 있다. 화소 증폭기술(pixel amplifier)을 이용하면 신호대 잡음비를 크게 개선할 수 있으며, 실제 a-Si과 LTPS를 이용한 시연 결과가 보고된 바 있다[15]. TFT 백플레인 기술은 의료 분야 이외의 특정 목적용 방사선 검출기에 응용될 수 있다.
결론
최근 몇 년간은 TFT 기술이 크게 발전한 시기였다고 할 수 있다. 새로운 TFT 기술에 대한 재료 및 소자 분야의 엄청난 발전이 있었으며, 이들 TFT의 가장 중요한 응용시장이라고 할 수 있는 디스플레이 역시 지속적인 대형화를 통한 성장이 계속되어 왔다. 앞으로 어떤 새로운 소재들이 차세대 대형 백플레인 분야에서 어떤 역할을 담당하게 될지는 아무도 모른다. 향후 10년 간, 실리콘 TFT 기술이 대부분의 양산 공정을 장악하게 될 수도 있으며, 어쩌면 유기소재나 산화물, 나노와이어 등의 새로운 재료를 이용한 TFT 기술에 의해 완전히 대체될 수도 있을 것이다.
분석자 결론
비정질실리콘을 이용한 TFT-LCD 기술이 도시바에서 개발되어 처음 발표된 1985년 당시에는 아무도 이 기술이 기존의 CRT 기술을 대체할 수 있을 것이라고 생각하지 않았지만, 1990년 랩톱 컴퓨터가 등장하면서 여기에 탑재할 평면형 표시 패널의 기술 경쟁에서 승리한 TFT-LCD는 그 후 이 분야에서 독점적인 지위를 유지하며 엄청난 성장을 거듭하게 된다. 즉, 킬러 어플리케이션의 등장과 여기에 적합한 소자의 성능 확보가 성공의 비결이었다고 할 수 있다. 이러한 기술 및 시장 동향의 변화는 그 후에도 몇 번의 계기를 제공하고 있는데, 2005년경부터 시작된 대형 TV용 플랫패널 디스플레이 기술 경쟁 역시 TFT 기술 발전에 결정적인 역할을 하면서 LCD의 기술적인 우위를 강화해왔다. 이처럼 이미 공고히 형성되어 있는 주류 시장에서 신규 기술이 기존 기술을 대체하기 위해서는 개선된 성능의 정도가 혁신적으로 커야 할 필요가 있으며, 그렇지 않은 경우에는 금세 기존 기술의 발전 속도에 뒤쳐지게 되는 경우를 디스플레이는 물론 실리콘 일렉트로닉스에서도 다수 목격하고 있다. 따라서, 박막 트랜지스터 기술 분야의 향후 전망은 목표가 선행된 소자 기술의 개발과 함께, 현재의 소자 특성을 가장 잘 살릴 수 있는 시장의 창출이 병렬적으로 이루어져야 할 것으로 보인다. 킬러 어플리케이션이 확보된다면, 지금은 기술 초보 단계인 것으로 보이는 나노와이어 TFT와 같은 기술이 거대한 시장을 형성하게 될지도 모른다.
현재 개발되고 있지만 아직 본격적인 양산 공정에 적용되고 있지 않은 새로운 형태의 TFT 기술은 대면적, 투명, 저가, 인쇄공정, 플렉시블 등의 다양한 키워드를 요구하는 특정 차세대 어플리케이션에 우선적으로 탑재될 가능성이 높으나, 현재로서는 만능의 기술이 존재하지 않는 만큼, 공통 영역을 가진 기술간의 치열한 경쟁을 통해 자연스러운 선택이 이루어질 전망이다. 따라서, 각 기술 개발 주체들의 개발 타이밍이 매우 중요한 시점이며, TFT 기술은 언제나 양산화를 염두에 둔 개발 노력이 요구되는 분야임에 틀림이 없다.
원문 자료는 박막 트랜지스터 기술의 전반적인 동향과 TFT 기술별 특징과 문제점, 기술의 전망 등을 재료, 공정, 소자 등의 종합적인 측면에서 친절하게 설명하고 있으며, 적절한 참고문헌과 최신 보고사례 등을 통해 현재의 연구 동향을 잘 알 수 있도록 편집되었다. 본 분석자료가 차세대 일렉트로닉스의 고도화를 위한 TFT 관련 기술의 최신 동향과 기술적인 과제 및 향후 응용 분야를 이해하는 데 도움이 되기를 바란다.
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참고문헌 1. R. A. Street, Adv. Mater. 21, 2007-2022, 2009. 2. T. P. Brody, J. A. Asars, G. D. Dixon, IEEE Trans. Electron Devices 20, 995, 1973. 3. D. J. Gundlach, C. C. Kuo, S. F. Nelson, T. N. Jackson, 57th DRC Digest, IEEE, p. 164, 1999. 4. B. S. Ong, Y. Wu, P. Liu, S. Gardner, Adv. Mater. 17, 1141, 2005. 5. B. Hamadani, C. A. Richter, D. J. Gundlach, R. J. Kline, I. McCulloch, M. Heeney, J. Appl. Phys. 102, 044503, 2007. 6. J. Anthony, Chem. Rev. 106, 5028, 2006, 7. A. C. Arias, J. Daniel, B. Krusor, S. Ready, V. Sholin, R. A. Street, J. SID 15, 485, 2007, 8. X. Duan, C. Niu, V. Sahi, J. Chen, J. W. Parce, S. Empedocles, J. L. Goldman, Nature 425, 274, 2003. 9. C.-H. Lee, A. Sazonov, A. Nathan, Appl. Phys. Lett. 86, 222106, 2005.
10. A. T. Krishnan, S. Bae, S. J. Fonash, IEEE Electron Device Lett. 22, 399, 2001. 11. P. I. Hsu, R. Battacharya, H. Gleskova, M. Huang, Z. Xi, Z. Suo, S. Wagner, J. C. Sturm, Appl. Phys. Lett. 81, 1723, 2002. 12. H. C. Ko, M. P. Stoykovich, J. Song, V. Malyarchuk, W. M. Choi, C.-J. Yu, J. B. Geddes, J. Xiao, S. Wang, Y. Huang, J. A. Rogers, Nature 454, 748, 2008. 13. R. Dinayari, S.-B. Rim, K. Huang, P. B. Catrysse, P. Peumans, Appl. Phys. Lett. 92, 091114, 2008. 14. S. Steudel, K. Myny, V. Arkhipov, C. Deibel, S. De Vusser, J. Genoe, P. Heremans, Nat. Mater. 4, 597, 2005. 15. J. P. Lu, K. Van Schuylenbergh, J. Ho, Y.Wang, J. B. Boyce, R. A. Street, Appl. Phys. Lett. 80, 4656, 2002.
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산업용 무선 네트워크 분야의 최근 유망 연구 주제
이 글에서는 다양한 무선 통신 기술에 대한 소개와 실제 산업 영역에서 자동화나 관측 시스템을 위해서 이러한 기술들이 어떻게 적용될 수 있을 것인가에 대하여 살펴보았다. 우선적으로는 무선 센서네트워크나 UWB 기술들의 적용 시 고려 사항 및 장단점을 분석하였다. 그리고 프로토콜 설계 시 변화하는 작업 환경에 대처하기 위해 현재 연구가 진행 중인 다양성 기반의 기법에 대해 논했다.
자료 제공 : KOSEN(한민족과학기술자네트워크) / www.kosen21.org
글 : 김병규 선임연구원 / 한국전자통신연구원 / www.etri.re.kr
무선 통신 네트워크에 의한 기술의 발전으로 이제는 임의의 장소에서 다양한 서비스가 가능해 지고 있다. 이에 이 글에서 실제 이러한 무선 통신 기술을 산업 분야의 특정 영역에 적용하고자 할 때 통신 프로토콜 및 시스템 설계 시에 이슈가 되는 부분에 대해 고찰해 본다.
최근 몇 년 동안 에러 제어, 외란에 강인한 인지적 무선 기술, 그리고 기회주의적 스펙트럼 접근 기법 등과 같은 활발하게 연구되었던 주제들을 소개하고, 또 협업적 다양성 기반 기술과 같이 앞으로 몇 년 간 논의되어야 할 주제들에 대해서도 고찰함으로써 실제 산업계에서 요구되는 무선 통신 기술의 기술적 요구 조건들을 명확히 하는 기회가 되길 바란다.
서론
무선 통신 기술은 산업/공장자동화, 분산 제어 시스템, 자동화 시스템, 다양화된 임베디드 시스템 등의 다양한 산업 분야에 매우 중요한 역할을 담당할 기술로 고려되고 있다. 특히 이는 이동성에 의한 문제나 유선 네트워크에 의한 케이블 문제 등을 해결해 줄 것이다.
또한 모바일 로봇이나 건강 관측 시스템, 추적 시스템과 같이 실시간성이 매우 중요한 분야에서 전송 데이터의 손실은 복구비용이나 시간적 측면에서 매우 치명적일 수 있다. 따라서 이러한 경우 무선 통신 기술이 특정 기능들에 대한 부분을 대체하거나 도와줌으로써 보다 신뢰성을 높일 수 있다. 이러한 측면에서 현존하는 기술들과 프로토콜 채택 문제 등을 먼저 고려하여야 하며 이에 대한 지원 가능한 기술이 없다면 해당 기술에 대한 개발이 선행되어야 할 것이다.
산업용 무선 네트워킹을 위한 연구 분야 소개
응용사례와 시스템구조
무선 산업 네트워크 설계를 위해 고려해야 할 사항들은 다음과 같다.
- 응용에 따른 신뢰성과 실시간성에 따른 요구되는 QoS의 제공
- 공학적/네트워크적 계획: 방법론적 기법 및 관련 도구들의 개발
- MAC 프로토콜 설계: 무선 통신 시스템의 핵심 역할부
- 오류제어 기법: 신뢰성에 직접 연관됨
- 라우팅/전송 프로토콜: 다중 홉 네트워크에서는 매우 중요함
- 응용계층 프로토콜: 물리적 채널 특성을 고려한 응용과 프로토콜의 설계
- 유무선 혼합 시스템: 기존 유선에 무선 시스템의 접목이 타당
- 이동성 지원 및 개인 정보의 보안문제
- 에너지 소비 측면에서의 효율적 설계
- 스케일러빌리티(scalability): 대형 네트워크에서는 현재의 임무 수행을 위해 충분한 노드들을 동작 중으로 유지해 주어야 함.
산업용 무선 네트워크에서의 QoS 측정
산업용 네트워크에서는 주로 액츄에이터(actuator)와 센서들 간의 데이터가 전송된다. 이러한 구조에서는 데이터의 지속 시간, 고신뢰성 요구 그리고 대부분 짧은 주기의 패킷 데이터 특성을 가진다. 이러한 형태의 통신을 위해 다음의 두 가지의 모델로 접근이 가능하다: 주·종 모델과 생산·소비 모델먼저 주·종 모델의 대표적인 예가 PROFIBUS이다. 여기서는 중앙 제어기와 센서나 액츄에이터 사이에서 정보가 교환된다. 이때 서비스 품질은 신뢰성과 유효 수명을 가진 주기적 또는 산발적 메시지의 전송이 가능한 구조에서 고려해 볼 수 있다. 이때 신뢰성 및 실시간성을 함께 고려하여 성능을 측정해야 한다. 이를 위하여 오랜 시간동안 전송되는 데이터 전송시간의 평균은 정해진 시간 내에 정상적으로 전송된 메시지의 확률로 판별하며, 비교적 짧은 전송시간 내의 평균은 정해진 임계치보다 적은 경우의 전송률을 이용하게 된다.
생산·소비 모델의 대표적인 예는 WorldFIP 시스템이다. 이 모델은 수신에 대한 확인 과정이 없는 일방적인 방송 타입의 통신 형태로, 분배기가 데이터를 소비체들에게 뿌려주는 형태를 가지고 있다. 소비체인 노드들은 관심 있는 데이터일 경우 복사해서 상위 계층으로의 전달하게 된다.
이러한 구조에서 중요한 성능 변수는 데이터를 획득하고 또 적절한 수준의 버퍼 상태를 유지하는 능력으로 일정한 시간 내에 수락이 이루어지는 확률인 수락 확률로 측정이 가능하다. 위에서 정의된 성능 측정 변수들은 산업용 무선 네트워크에서 주요 기준이 되며, 산업용 QoS라 정의한다.
보안
일반적으로 무선 시스템에서는 보안문제가 중요하다. 예를 들어 악의적인 데이터 패킷이 추가되면 어떤 형태로든 인증과정이 요구된다. 이러한 인증과정은 공증 키(public key) 삽입이나 호출 등으로 구성된다. 이러한 인증과정은 인증/메시지 취합을 위해 MIC 필드가 매 메시지마다 요구되므로 실제 구현상의 어려움이 따른다. 대부분 필드버스가 매우 적은 상황에서는 큰 부담이 된다. 또한 키 분배 구조가 프로토콜 상의 상당한 부담이어서 혼합 시스템일 경우 유선에서도 보안 메커니즘이 동작하는 필드버스 프로토콜을 고려해야만 한다.
IEEE 802.11e
이 표준은 WLAN 그룹 중 산업용 무선 네트워크 분야에서 폭넓게 고려되고 있으며 2007년 버전의 이슈는 QoS지원이다. 따라서 QoS제공을 위한 메커니즘과 연구 항목들을 중점적으로 언급하도록 한다.
IEEE 802.11e QoS 지원
QoS 기능들은 분배 코디네이션 기능(DCF)의 최상위에서 동작하는 HCF로 구성된다. 먼저 HCF에서는 HC는 액세스 포인터(AP)와 상호 위치하며, 접근에 대한 허용 및 제어 역할을 담당한다. 이러한 구조 속에서 표준에서는 두 가지 접근법을 서술하고 있다: 1)향상된 분배 코디네이션법 (EDCA), 2)혼합 코디네이션 기능 제어 채널 접근법(HCCA).
1) (향상)분배 코디네이션 기능(DCF/ EDCF):
CSMA-CA 프로토콜의 부류이며 스테이션에서는 신호나 진행 중인 전송이 존재 여부를 표시하는 물리적 캐리어 감지 동작과 네트워크 할당 벡터(NAV)를 관리하는 가상 캐리어 동작을 수행한다. 임의의 스테이션이 패킷을 수신하면 NAV를 패킷의 duration 필드 정보를 가지고 갱신하여 현재 세션 시간의 유지한다. 즉 NAV=0, 물리적 캐리어 감지 동작을 통해 전송이 없는 상태면 idle상태가 된다. 그림 1은 IEEE 802.11 DCF의 시간 다이어그램을 보여준다.
캐리어 감지 동작에 의해 매체(채널)이 전송이 없는 상태라면 스테이션은 패킷 전송을 시작한다. 만약 전송 중이거나 사용 중이면 스테이션은 철회 상태(backoff mode)로 가며, 이부터 철회 모드가 아니면 경쟁 윈도우 이상의 난수를 생성하여 카운터 함으로써 대기하며 카운터가 끝나면 전송을 시작한다. 이때 컨텐션 윈도우의 크기는 가변적이며 최소 크기(CW_min)를 정의한다. 패킷 전송 실패 시는 패킷 길이의 최대 두 배까지 설정 가능하며, 실제 채널 충돌 등에 매우 유용하다.
기존 분배 코디네이션 기능(DCF)과 향상된 분배 코디네이션 기능(EDCF)의 차이점은 다음과 같다.
표 1에서 살펴볼 수 있듯이 향상된 분배 코디네이션 기능(EDCF)이 개선된 형태로서 당연히 성능이 양호하다.
2) 혼합 코디네이션 기능 제어 채널 접근법(HCCA):중심 개체는 혼합 코디네이터(HC)가 되며 매체에 대한 접근을 할당하는 역할을 담당한다. TXOP 메시지 수신 후 승인 및 거절하거나 실제적 스케줄링을 연관된 노드들에게 하게 된다. 만약 채널이 혼합 코디네이터 하에 있지 않으면 어느 노드를 사용할 것인가에 대해서 미리 스케줄링된 TXOP 메시지를 번갈아 동작하며, 예약 요구는 독립된 패킷으로 보내거나 TXOP 메시지에 부가하여 전송한다. 또한 혼합 코디네이터(HC)가 채널 제어권을 획득하는 과정은 기본적인 분배 코디네이션 기능(DCF) 메커니즘을 사용한다.
이 기법의 단점은 주기적 서비스를 금지하므로 한 TXOP에 의한 패킷 전송 종료 시까지 무조건 대기해야 한다는 것이다. 현재 혼합 코디네이션 기능 제어 채널 접근법(HCCA)의 이슈는 적절한 접근 허용 제어 및 스케줄링 기법을 설계하는 것이다.
연구 이슈들
대부분은 분배 코디네이션 기능과 향상된 분배 코디네이션 기능의 개선에 집중되고 있으며, 무선 채널 사용에 대한 결정론적 우선순위 결정 기법을 확률적 우선순위 추정 기법으로 개선하는 연구가 필요하다. CAN을 예로 들면 프로토콜 수준에서 비트 단위를 사용하여 우선순위를 임의로 설정하는 기법을 사용한다. 만약 대기 중일 시에는 종료 후 전송권을 획득하고 경쟁 단계에서는 패킷의 비트 단위로 우선순위 결정하는 구조이다. 이러한 구조는 상용 무선 송수신기에 구현이 어렵기 때문에 다른 형태의 메커니즘이 필요한 실정이다.
좀 더 실용적으로는 패킷의 우선순위에 비례하는 시간 동안 채널을 확인하는 것이다. 즉 선형적 관계 등으로 설정하는 것이 WiDom(wireless dominance) 프로토콜이며 n 우선순위 비트의 패킷에는 n개의 시간 슬롯을 할당해 준다.
이러한 기법들도 여전히 다음과 같은 문제점이 존재한다. 우선 캐리어 신호 감지에 매우 의존적이다. 따라서 외란에 민감하고 치명적인 전송 손실을 발생시킬 수 있으며 은닉된 터미널(스테이션)에서 잘 동작하지 않는다. 또한 동일 수신단에 두 개의 스테이션이 동시 전송 시는 다른 방안이 필요할 것이다. 이러한 문제의 해결을 위해 더 많은 연구가 요구되고 있는 실정이다.
무선 센서네트워크 기술
센서네트워크에서 각 노드는 센서, 프로세서, 송수신기, 프로그램 가능한 메모리, 배터리 등과 액츄에이터까지도 포함할 수 있다. Smart Dust 과제에서는 모든 생활에 지능적 환경 조성을 위해 노드는 경량화, 소형화와 저비용화를 예상하고 소개하고 있다.
주요 응용으로는 관측 시스템, 건강 상태 관찰 등의 웨어러블 기술 등과 접목될 것이며 화학 공장 등에서의 누수나 방사능 유출을 검출할 수 있다. 이러한 응용에서 가장 중요한 문제는 제어 영역에 속하지 않는 노드들에 의해 야기되는 문제들로부터 전체 네트워크의 신뢰성을 보장하는 것이다.
구조
Ad-hoc 네트워크와 매우 유사하나 다음과 같은 차이점이 있다. Ad-hoc 네트워크에서는 각 스테이션이 P2P 통신을 통해 각기 다른 임무를 수행한다. 센서 네트워크에서는 전체 네트워크가 공통된 임무를 위해 동작한다. 이를 위해 모든 노드들이 협력하게 된다. 좀 더 구조적으로 살펴보면 싱크는 내부의 한 그룹의 노드들의 동작을 제어 및 설정하며 게이트웨이 역할도 수행한다. 또한 사용자와의 인터페이스를 제공하고 다른 종단 노드보다는 나은 개산 능력이나 전력 공급을 보장 받는다.
통신은 센서들 간 또는 센서와 싱크 간에 이루어지며, 위치 확인 및 시간 동기화 프로토콜이 중요한 이슈이다. 일반 GPS와 달리 저전력 노드들이며 전체 네트워크 중 몇몇이 GPS 장치를 가진다 해도 나머지 노드들의 위치를 유추해야만 할 것이다.
따라서 실제 센서네트워크 설계의 중요한 요소는 에너지 측면에서 효율성과 어느 정도 자유로운 구조 변경을 위한 스케일러빌러티이다.
에너지 효율성
센서네트워크에서는 대부분 노드의 경량화를 위해서 배터리를 사용한다. 요구되는 임무 수행을 위해서는 설계 시 재충전 등으로 최대한 수명을 연장해야 하며 재충전을 위해서는 진동이나 방사열(체온 등)을 이용한다. 또한 무선 전송 기법도 사용이 가능하며 실제 WISA 무선 필드버스 시스템에 채택되었다.
네트워크 프로토콜 설계 시에도 역시 에너지 측면이 큰 영향을 미친다. 실제 많은 실험을 통해 프로세서 내부 계산이 비트 전송 전력보다 훨씬 적은 전력을 소모한다는 것이 잘 알려져 있다. 따라서 데이터의 중복성 제거를 위한 네트워크 내부 처리 기법이 요구되며 이러한 구조는 데이터의 전송 및 구조에 의해 프로토콜 결정에 큰 영향을 미치게 된다.
송신 및 수신 시의 전력 소모는 IEEE 802.15.4에 따르면 거의 동일한 수준이며 수신을 위한 Idle상태에서도 수신 시의 50% 이상 전력이 소모되므로 슬립 모드를 추가하여 전력 소비를 최소화한다. 슬립 모드를 제외한 나머지 해당 모드들을 듀티 사이클이라 하는데 이 사이클 적을수록 더 긴 수명을 확보할 것이다.
이러한 구조 가운데 주위 노드들을 통해 경로를 탐색하는 라우팅도 에너지 측면에서 고려되어야 하며 슬립 모드에서 다시 복귀 시 초기화 과정과 같은 기본적 전력소비가 발생한다. 따라서 적절한 제어 기법이 요구된다. 초저출력 노드들 간의 통신을 위해서는 저대역(~약 250kbps)을 지원하는 에너지 효율적인 라우팅 기술이 핵심 이슈이다.
또한 프로토콜 및 응용 측면에서 높은 에너지 효율을 위해서는 상호 계층(Cross-layer) 개념의 접근법이 효과적일 수 있으나 프로토콜에서 생성되는 신호의 불필요한 상호 작용을 최소화하는 문제의 해결이 전제되어야 한다.
스케일러빌러티(Scalability)
센서 네트워크에서 노드 수가 수백에서 수천 개의 센서로 증가함에 따라 스케일러빌러티에 대한 관심도 높아지고 있다. 예를 들면 임의의 노드에서 결과를 추출하여 전체 네트워크를 자가-구성하는 기능은 매우 유용할 것이다. 이를 위해 분산 알고리즘이나 분산 개념의 프로토콜이 선호된다. 만약 그런 상황이 아니면 서버에서 데이터 트래픽을 집중 처리 후 이웃 노드를 통해 이동시킨다.
또한 노드 배치 문제도 중요한 이슈이며 노드들은 다양한 단일 홉 구조의 노드 사이의 통로를 고려해야만 한다. 이러한 경우 비용 측면에서 가능한 경로 수를 감소시켜 주어야 한다. 이웃 노드들의 전력을 조절하여 경로를 줄이거나 클러스터 구성 후 헤더 정보로 상호 통신을 하게끔 하는 추가적인 다른 구조가 필요할 수도 있다. 백본(backborn) 구성도 하나의 접근법일 수 있다.
IEEE 802.15.4, 지그비, ISA SP-100
IEEE 802.15.4 표준은 저전력 및 저대역을 위한 MAC 계층과 물리 계층에 대한 기술을 정의하고 있다(예 WPAN). 지그비는 MAC 계층과 물리 계층을 포함하고 네트워크 및 응용 계층까지 포함하고 있으며 무선 센서네트워크의 핵심 역할을 담당하고 있다.
IEEE 802.145.4 표준
IEEE 802.15.4 기술 표준은 2003년 10월에 첫 형태가 제정되었고 2006년 말 MAC계층과 물리 계층에 대한 수정본이 제정 되었다. 물리 계층에서는 3개의 동작 대역이 다음과 같이 정의된다. 868-868.8MHz(20/100/250 kbps), 902-928MHz(40/250kbps), 2.4-2.4835GHz(250kbps). 각 대역에 따라서 채널수가 달라지며 이 중에서 선택하여 동작한다.
MAC 계층에서는 몇몇 노드들이 영구 전력 공급이 가능하다는 가정하에 프로토콜의 복잡도가 달라지도록 설계한다. 전기능 장치는 모든 기능을 지원하며 PAN 코디네이터나 코디네이트 단말 노드 등이다. 감소기능 장치는 복잡도를 감소시켜 종단 단말로만 동작하게 한다.
네트워크 구조는 단일 PAN 코디네이터에 다수의 코디네이터가 종속되는 다수의 메쉬 또는 트리 형태로 대규모의 WSN을 구성하게 된다. 프로토콜은 비콘 모드와 비비콘 모드로 나누어진다. 스타 구조의 네트워크일 경우 비비콘 모드에서는 코디네이터는 항상 깨어있는 상태를 유지한다. 업 링크 시 종단 단말은 할당되지 않은 비영구적 CSMA의 변종을 사용하며 실제 동작 전 임의의 대기 시간을 주어 충돌을 방지한다.
다운 링크 시 코디네이터가 패킷을 버퍼에 채운 후 디바이스가 패킷을 전송 받도록 프로토콜을 조절해 준다. 디바이스에서는 폴 요구 신호를 승인된 코디네이터에 SSMA 프로토콜을 통해 보내면 코디네이터는 패킷을 전송해 준다. 이러한 구조는 코디네이터의 버퍼 용량의 변화에 따라 디바이스가 자신의 슬립 스케줄을 조절할 수 있게 한다.
비콘 모드에서는 그림 2와 같이 시간 구간을 연속된 수퍼 프레임으로 분할한 후 사용한다. 수퍼 프레임은 동작 시간과 비동작 시간으로 구성되며 수퍼 프레임의 길이를 수퍼 프레임 오더라 하고 구간 중 동작 시간은 조절이 가능하다. 이 비율을 '수퍼 프레임 오더'라 한다.
비동작 구간에서 모든 노드들은 슬립 모드가 되며, 동작 구간에서는 16개의 시간 슬롯을 통해 첫 슬롯에는 비콘 패킷을 할당하고 마지막에는 최대 7개까지의 보장된 시간 슬롯에는 연관된 종단 단말에게 무조건 할당해 준다. 이 구간에서는 스테이션들 사이에 패킷 송수신만 하게 된다. 나머지 슬롯은 CSMA 구조를 사용한다. 슬롯 사이에서 충돌 감소를 위해 임의 대기 및 연장된 캐리어 감지 동작을 수행하며, CPA(contention period access) 슬롯은 업 링크 전송 시에만 사용된다.
지그비 표준
센서 네트워크의 네트워크 및 응용 계층까지 고려하며 IEEE 802.15.4의 개선된 형태이다. 네트워크 계층에서는 2개 형태의 네트워크 구조를 지원한다: 스타 네트워크와 트리 네트워크, 스타 네트워크 형태인 경우는 지그비 코디네이터에 종단 단말들이 연결되며 지그비 라우터가 존재한다. 트리 구조에서는 라우터가 트리 형태로 루트인 지그비 코디네이터에 연결된다. 이러한 구조에서는 전송 프로토콜에서 종단 간 신뢰성을 보장하지 못한다.
트리 라우팅에서는 트리 네트워크의 에너지를 통해 패킷 통신을 수행한다. 종단 단말은 연결된 라우터/코디네이터에 전송 후 트리를 따라 주소를 참조하여 아래 측(트리)으로 전송한다. 아니면 지그비 코디네이터 통과 후 아래 라우터로 전송된다. 이렇듯 자연스럽게 싱크 노드로 데이터 흐름이 집중되고 별도의 라우팅 테이블이 필요 없다. 단점은 지그비 라우터끼리 통신 필요시 항상 코디네이터를 거쳐야 한다. 따라서 부가적인 라우팅 기법이 요구된다.
부가적인 라우팅 기법으로는 ad-hoc on-demand distance vector(AOVD) 라우팅 프로토콜에 기반한 응답식 라우팅 기법이다. 요구가 있을 시에만 라우팅 계산을 수행하도록 하는 구조로써 통신이 매우 드물게 발생할 경우 매우 유리한 구조이나 단점은 패킷 전송 시 경로를 검색하는 부가적 지연이 발생한다는 것이다. 이를 위해 종단 노드 사이에 테이블을 가지도록 하는 개선된 프로토콜도 있다.
응용 계층에서는 다양한 개념을 도입하였으며 네트워크의 최상위 단에 응용 지원 서브 계층(application support sub-layer: APS)을 두어 최대 240개까지의 종단 응용 객체의 접속이 가능하다. 이러한 다양한 응용 객체를 구조화하기 위하여 프로파일 개념을 정의하며, 아래 단에는 각 종 디바이스의 집합체로 정의된 클러스터가 존재한다. 또한 클러스터 간의 연결 기능을 제공하기 위해 바인딩 기법을 제공한다.
바인딩 기법은 직접 바인딩과 간접 바인딩으로 구분할 수 있다. 직접 바인딩 기법에서는 종단 단말의 주소를 가지도록 한다. 메쉬나 트리 라우팅 모두 사용 가능하나 주소 할당이 동적인 경우는 매우 불리하며, 소스 디바이스는 목표 디바이스의 주소를 다 저장해야 한다. 간접 바인딩에서는 지그비 코디네이터가 바인딩 테이블을 저장하고 있으며 소스 디바이스는 해당 바인딩 된 코디네이터나 라우터를 만날 때까지 상위 계층으로 패킷을 전달한다. 최종적으로 목표 지점으로 패킷을 전달한다. 문제점은 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜 채널에 대한 우선순위를 결정해 줄 수 없다는 것이다. 지그비 표준의 다음 버전에서는 현 채널 상태에 따라 다른 채널로의 변경이 가능하도록 하는 주파수 홉핑 기법을 채택할 예정이다.
ISA SP-100 표준
ISA(The Instrumentation Systems and Automation Society)에서는 다양한 산업 분야에 무선 기술 채택을 내용으로 표준화를 진행 중이며 현재 ISA-SP 100.11a 표준화가 진행되고 있다. ISA-SP 100.11a에서는 최대 100ms 지연에도 문제가 없는 응용을 주로 언급하고 있다.
네트워크 계층은 IEEE 802.15.4 기반의 저대역/저비용(복잡도) 구조이다. 이에 더하여 16개의 채널을 지원하는 주파수-홉핑 기법을 채택 예정이며 외란에 강인하고 신뢰성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다. 또한 블랙리스트를 생성하여 그 채널을 사용하지 않고 적응적으로 분주한 대역을 선택하게 하는 주파수 관리 기법을 추가한다.
MAC 계층도 동일하게 IEEE 802.15.4 기반이며 MAC과 데이터 링크 계층 간 적응 계층을 추가하여 주파수 홉핑을 제어하며 TDMA 기법도 추가하였다.
네트워크 구조는 라우팅 성능을 고려하기 위해 메쉬 구조의 다중 홉 네트워크이면서 서로 다른 메쉬 네트워크끼리 백본으로 상호 연결이 가능하다. 또한 전송 계층에서 흐름 제어나 패킷 분할 및 재구성 등의 기능도 제공한다.
산업 환경에서의 IEEE 802.15.4에 대한 연구 과제들
실제 IEEE 802.15.4. MAC 계층에서 실시간성과 신뢰성 문제가 있는 것이 사실이다. 앞에서도 언급하였듯이 MAC 프로토콜에서는 채널에 대한 우선순위를 결정해 줄 수는 없다. 이의 해결을 위한 기법으로는 확률적 우선순위 선정 기법을 통해 정보를 강제 삽입하여 패킷 당 최대 MAC 계층 재전송 횟수를 변화시켜 주는 것이 있다. 그러나 MAC 프로토콜 상에서는 MAC 동작의 우선순위를 패킷 기반으로 표현할 수단이 제공되지 않는다.
다른 문제는 비콘 모드 내에서 두 개 이상의 WPANS이 동일 대역에서 동작 시 비콘 신호끼리의 충돌 가능성이다. 현재 이러한 문제에 대한 검출 및 해결 방법은 제공되고 있지 않다. 이러한 문제는 보장된 시간 슬롯(GTS)이 중복될 경우에도 발생할 수 있다. 지그비에서도 이러한 문제점을 인식하여 비콘 순위, 수퍼 프레임 순서 등을 위한 변수들을 할당하도록 명시하였으나 구체적인 기법은 정의되어 있지 않다.
이 외의 다른 문제점으로는 수락 패킷 내에서 데이터 전송이 허용되지 않는 것과 오류 제어 메커니즘의 취약성, 보장된 시간 슬롯에서의 관리가 한 디바이스에만 할당되는 제한적 기능 등을 들 수 있다.
다중 홉(multi-hop) WSN에서의 실시간성과 신뢰성
종단 단말 간 실시간성과 신뢰성은 오류, 패킷 손실, 혼잡과 대기에 의한 지연 등 같은 여러 가지 문제에 의해서 영향을 받는다. 이러한 문제를 프로토콜 관점에서 살펴보면 싱크에서 프로그램 코드를 모든 노드들에게 신뢰성 있게 제공하는 범주와 센서들로부터 싱크 노드로의 획득 데이터를 신뢰성 있게 전송하는 범주로 나눌 수 있다.
프로토콜은 설계 시 다양한 기준에 따라 분류가 가능하다. 전달되는 내용의 크기에 따라서는 개별 패킷, 좀 더 크고 제한적인 데이터 블록, 무한 데이터 스트림으로 구별되며, 보장 수준에 따라서는 전달 보장형과 확률적 전달형으로 구별된다. 관련된 통신 대상과 방향에 따라서는 센서로부터 싱크 통신, 싱크에서 노드로의 통신, 센서 사이의 통신 기준으로 분류가 가능하다. 이 가운데 개별 패킷과 블록 패킷에 대하여 프로토콜 관점에서 중요한 요소를 고찰하고자 한다.
단일 패킷 전송
패킷 전송을 위해서는 주로 확률적 전달 보장에 대해서 연구가 집중되어 있으며 싱크에서 패킷 전송 확률로 성능 측정이 가능하다.
1) 알림 신호 사용:
재전송 모듈의 구조로 매우 중요하며 재전송은 링크 계층에서는 홉 단위로, 전송 계층에서는 종단끼리 이루어지며 혼합해서 이루어지기도 한다. 패킷을 성공적으로 수신할 경우에만 긍정적 알림 신호를 사용한다. 몇몇 연구에서는 링크 계층에서 이루어지는 것이 유리함을 언급하였다. 종단 간 알림 신호 사용 시 단점은 평균적으로 더 많은 재전송이 발생하며 센서에서의 재전송 시간 설정 시 전체 네트워크 정보가 필요하다는 점이다. 또한 패킷 포워딩 시 소스 센서 근처는 거의 모든 노드 간에 연관성이 있고, 목표 센서 근처는 훨씬 적은 노드만 연관이 되므로 설계 시 작업 분포가 균일하지 않으므로 복잡해 질 수 있다.
2) 라우팅 구조가 없는 네트워크들:
해당 싱크에 데이터 패킷을 전달하기 위해 모든 전체 네트워크에 패킷을 전송한다. 매우 성공 확률이 높지만 높은 에너지 비용이 요구되는 단점이 있다.
3) 라우팅 기반의 네트워크들:
이 경우는 몇 가지의 선택 사항이 가능하다. 먼저 단일 경로 사용 시는 소스 노드와 포워더가 MAC 계층에서 재전송을 사용한다. 단순 반복 코드 형태로 다수 복사된 패킷 전송도 가능하다. 관련 채널 중에 발생하는 지속적 오류에 취약하다는 단점이 있다.
다중 경로가 가능할 경우에는 서로 다른 방법들이 사용될 수 있다. 먼저 소스 센서는 싱크까지 일반적 수준의 에너지 효율성을 가지는 경로를 사용한다. 만약 전송이 실패하면 다시 다른 경로를 해당 경로로 설정해서 사용하게 된다. 이 경우 싱크로부터 피이드백 데이터가 요구되며, 중간 노드에서 스스로 해결하게끔 설계할 수도 있다.
두 번째로는 다중 경로에 다중 패킷을 전송하는 방법이다. 이 경우는 네트워크 자원 측면과 임의의 패킷이 싱크에 도달할 확률을 고려하여 초기 전송 경로 수(패킷 수)를 선택해야 한다. 포워더는 복사 패킷을 만들지 못한다. 만약 ReInForM 구조처럼 포워더가 복사 패킷을 생성할 경우에는 지역 노드에서 생성량을 적절히 조절해야만 한다.
마지막으로 소스 노드에서 전송 전에 패킷을 k개로 분할하여 전송하는 방법이다. Eraeure이나 Fountain 코드 같은 임의의 코딩 기법으로 m개의 조각으로 생성하여 전송한다. 수신 단에서는 m개 중 k개만 제대로 수신하면 원래의 패킷을 복원할 수 있다.
4) 트리 구조 네트워크들:
싱크 노드를 시점으로 하는 트리 구조 라우팅 기법을 사용하며, 초기 설정 단계에서 각 노드들은 가장 단거리 또는 적절한 싱크까지 경로를 학습한다. 이 단계에서는 네트워크 전체 정보를 유지할 필요가 없게 된다. 센서 OS로 TinyOS2.0을 사용하는 CTP(collection tree protocol)는 노드에서 싱크까지 최소 누적 비용을 가지는 경로만을 유지한다. 이때 연결 이전의 성공적 패킷 전송에 요구된 횟수까지도 고려한다. 또한 동시에 이웃 노드에 대한 테이블을 유지하며 연결이 끊기면 테이블 정보를 이용하여 다른 이웃 노드를 선택하게 된다.
5) 실시간성과 신뢰성을 결합: MMSPEED 구조
서로 독립된 형태로 두 가지 고려 사항을 서술하고 있는 이전 SPEED 구조의 확장 형태이며, 다음과 같은 몇 가지 가정이 필요하다. 먼저 모든 노드는 기하학적 위치를 알고 있으며 패킷의 최종 목적지의 위치를 알고 있어야 한다. 또 MAC프로토콜이 서로 다른 부류 간의 우선순위를 적어도 확률적으로 설정해 줄 수 있어야 한다. 이러한 스피드의 기본 개념은 다음과 같다.
소스 노드는 이미 정해진 스피드 레벨 중 시간과 지속 시간, 목표지점까지 요구되는 속도를 선택하게끔 패킷은 상대적 유효 시간, 경과 시간, 목적지 위치 등을 표시하여 전송된다. 포워더에서는 패킷 수신 후 다시 현재에서 거리 등에 따라 새롭게 선택한다.
이런 과정 중 요구 스피드가 가용 스피드보다 높으면 현재 패킷은 버린다. 아니면 다음 포워더로 전송을 위해 대기하게 된다. 포워더는 FIFO 서비스처럼 우선순위에 따라 데이터 순서를 제공하게 된다. 또 다음 포워더로 전송 전에 경과시간 필드 등에 현지에서 사용된 시간을 추가해 줌으로써 시간적 유용성을 증가시킨다. MMSPEED는 다중 경로 상에 다수 복사 패킷을 전송해서 신뢰성을 제어할 수 있다.
블록 데이터 전송
블록 데이터에 대해서는 다수의 분할 조각으로 고려하여 모든 패킷들의 블록들을 싱크에서 복구할 수 있도록 프로토콜을 설계해야 한다.
1) 알림 신호 사용:
단일 패킷 전송 시보다는 다양한 선택이 가능하다. 부정적 알림(NACKs)도 사용이 가능하며 기본적으로 알림 신호를 사용 시 보다 패킷 전송을 감소시킨다. 포워더는 모든 패킷에 순서 번호를 매김으로써 빠진 패킷을 확인 후 재전송을 요구한다. 이러한 경우 마지막 패킷에 대한 정보가 중요하며 해당 데이터가 하나도 수신이 안 될 경우 복원이 불가능하다. 이를 해결하기 위해 각 분할 조각에 총 분할 조각 개수 정보에 대한 필드를 두거나 아주 높은 전력으로 패킷이 존재함을 표시하도록 하였다.
또한 NACKs는 선택적-반복 형태의 ARQ 프로토콜의 재전송 요구로 고려되며 임의의 포워더가 요구된 데이터 조각을 가지면 NACK를 중간에서 확인 후 바로 해당 노드로 재전송하거나, 아니면 소스 노드 쪽으로 NACK 신호를 전달만 해주게 된다. 이러한 캐싱 형태의 노드를 복구 서버라 한다.
2) 일례-RMST:
RMST에서는 센서 노드로부터 싱크까지 분산된 형태로 단일 경로를 생성하는 직접 확산기법을 사용한다. 패킷 전송의 신뢰성을 보완하기 위해 MAC 계층 재전송, 캐시 모드에서 모드 중간 노드나 싱크 노드는 손실된 조각에 대한 캐싱을 하고 주기적으로 확인하며, 소스 노드는 싱크가 정확히 다 수신될 때까지 주기적으로 전체 블록 데이터를 송출해 줌으로써 중간 노드들이 데이터를 캐싱할 수 있도록 해준다. MAC 계층에서 케싱 모드를 사용하면 재전송 구조가 없이도 아주 효과적인 전송 구조를 형성할 수 있다.
연구 과제들
다양한 연구 분야가 존재하나 산업계 응용에 제한해서 고려하며, 특히 트리나 유사 트리 네트워크에서는 다음의 연구 과제들이 있다.
- 스케일러블 트리 프로토콜: 개별 노드에 의존하는 것이 아니라 몇몇 노드들이 이러한 작업을 공유하고 임무를 수행하게 해야 한다.
- 트리 네트워크의 이동성 관리: 다른 서브 트리들의 외란 등의 변화에 의해 생길 수 있는 이동성을 고려해야 한다.
- 트리 프로토콜의 정확한 성능의 이해: 실시간성과 신뢰성, 에너지 측면에서 임의의 배치에 따른 변수의 성능 의존성 등에 대한 정확한 정의와 분석이 필요하며 이러한 성능 분석은 라우팅/포워딩 프로토콜에 의존적일 수밖에 없다.
- 유사 트리 네트워크들을 위한 검증이나 수행 계획을 위한 방법이나 도구들이 필요하다.
WISA : 무선 산업 통신시스템
ABB에 의해 개발된 센서와 액츄에이터를 위한 무선 인터페이스 시스템으로 무선 네트워크를 위한 기술 접근법과 무선 전력 전송 기법을 제시하였다. WISA는 스타 네트워크의 일종이며, 물리 계층에서는 블루투스(IEEE 802.15.1)에 기반하며 10m/1mW출력에서 1Mbps 데이터율을 제공한다.
업/다운 링크 시는 FDD에 의해 분리 되어 있으며 동시에 사용도 가능하다. 업 링크 시는 다중 채널 전송을 위해 TDMA 구조(2048 uS 길이의 30개 수퍼 프레임으로 분할)를 결합하여 사용한다. 또한 4개 업 링크 채널을 지원하며 개별 노드는 4개 중 1개의 채널을 무조건 할당 받는다. 다운 링크 1개까지 총 5개의 채널이 언제든지 동작 가능하며, 무선 디바이스는 표준 블루투스 송수신기로 호환이 가능하다. 싱크와 같은 베이스 스테이션은 4개 채널 동시 통신이 가능하도록 송수신기의 수정이 필요하다.
주파수 홉핑은 매 수퍼 프레임마다 그리고 모든 5개의 활성 채널에 대해서 잘 알려진 패턴에 따라 이루어진다. 홉핑 패턴은 주파수 대역이 분리되도록 유지한다. 이러한 패턴은 다음 수퍼 프레임에서 알림과 재전송에 의해 영향을 받는 전송 신뢰성을 개선할 수 있다. 더욱이 홉핑 시퀀스가 적절히 선택된 후 다수의 WISA 네트워크들이 상호간의 간섭 없이 동일 장소에서 작업 수행이 가능하다.
시스템/프로토콜 설계를 위한 해결 과제들
공간/협업적 다양성 기술에 의한 채널 페이딩 문제
산업 분야에서 실제 통신 환경은 경로 손실, 쉐도우잉, 다중 경로 전파, 열잡음 등의 다양한 현상 등이 존재한다. 이러한 현상에 의해서 패킷이나 데이터 비트의 오류가 발생하며 이러한 오류는 앞에서 언급한 다양한 특성에 의존하게 된다. 이러한 특성에 대한 다수의 측정 및 실험 결과가 보고되어 있다. 일반적으로 무선 채널은 이동성에 기인하는 시변 채널 특성을 가진다. 따라서 신호의 강도도 시간에 따라 변할 수밖에 없다.
- 페이딩 채널 문제: 수신기에서 서로 다른 경로와 이동성에 의한 지연, 위상차가 있는 보상 패킷들에 의해서 발생한다. 대체로 10-3~10-2(s) 정도의 시간적 스케일이다.
- 쉐도우잉: 송수신기에서 수신 장애물이 전파 경로에 생기거나 있다가 사라질 때 부가적 신호의 감쇄 및 변화가 발생한다. 대체로 수 초에서 수십 초 정도에서 발생한다. 또한 송수신기 간의 거리가 급격히 변화 시 경로 손실에서 오는 신호 감쇄 현상을 슬로우 페이딩이라 하며, 이는 수십 초에서 수분의 시간적 스케일로 발생한다.
- 위치적 의존성: 다중 경로인 경우 조금의 공간적 이동에 의해 수신 신호의 강도 특성이나 크기가 충분히 변화할 수 있다. 수백MHz~수GHz 시스템의 경우 서로의 위치 거리가 파장의 절반 정도이면 신호의 간섭이나 감쇄가 없게 된다.
이러한 무선 채널의 특성으로 현저한 데이터 오류가 발생되며 이를 위해 단일 채널일 경우 오류 제어 코딩이나 재전송 같은 기존의 방법에서는 상관된 데이터를 추가하여 보냄으로써 신뢰성을 향상시킨다. 페이딩 채널일 경우 성능이 현저히 감소하므로 다중 공간적 경로를 고려하고 안테나의 공간적으로 충분히 분리하여 채널을 독립시키는 공간적 다양성을 활용하는 기법이 바람직하다.
1) 공간적 다양성과 협업적 다양성의 기초
단일 사용자일 경우 다중 안테나로부터 수신 신호를 독립적으로 구현한다. 최근의 IEEE 802.11n처럼 다중 입력-다중 출력(MIMO) 시스템이 이 기술이다. 이러한 구조에서는 두 가지의 이득 형태가 존재한다: 다중화 이득과 다양성 이득. 다중화 이득은 정해진 대역에서 전송률 증가량을 특징짓는 것으로 송수신 장치 안테나의 수가 동일하면 이 수가 증가하면서 채널 용량이 증가한다.
다양성 이득은 수신 신뢰성에 증가량에 대한 측정값이다. 에러 확률은 신호의 강도인 신호대잡음비(SNR)에 의존한다. 이 두 개의 이득 사이에 상호 보완관계가 존재하므로 설계 시 공간-시간적 코드를 사용하면 적절히 상호 보완관계를 조절할 수 있다.
다중 사용자일 경우는 더 많은 노드가 전송과 수신에 관여하게 되므로 협업적 다양성이 필요하다. 다중 노드에 대한 안테나들의 적절한 배치가 요구되며 이런 배치 구조에 따라 이득 등이 영향을 받게 된다. 대표적인 예가 지연성 기술과 협업적 MIMO 기술이다. 협업적 MIMO 기술은 노드들을 가상의 수신 및 송신 안테나 배열로 구성하여 데이터를 전송하고 지연 기술에서는 개별 노드는 단일 안테나만 필요하므로 산업 응용에서 시스템의 복잡도도 MIMO 시스템에 비해 적은 편이다.
2) 지연의 개념
일반적인 네트워크에서는 다수의 지연(전달) 노드를 가지며 지연 노드는 송수신기 사이에서 전송을 돕는다. 지연 노드는 송신기 측 패킷을 받아서 수신 측으로 전달하고 또 관측 정보를 통해 재전송 등으로 송신기를 보완하게 된다. 따라서 ARQ 프로토콜과 직접 연동될 수 있으며, 다양한 산업계 응용을 위한 연구 결과들이 보고되고 있다.
3) 전송 기법의 연구 과제들
공간적 다양성을 활용한 접근법은 무선 통신 상의 오류 제어에 매우 효과적이며 실제 센서 시스템 등에서는 활성화된 노드 수가 가변적인 경우 이것을 어떻게 신호의 유효 기간 내에 배치 및 제어할 것인가가 중요한 요소이다. 그리고 지연 노드들에게는 동적인 위치 선정을 위한 정보가 필요하다. 즉 네트워크 배치 및 계획을 위한 규칙이나 경험적 학습 기법이 요구되고 있다. 이는 기본적으로 지연 노들들이 소스나 목표 노드에 근접할수록 도움을 줄 것이다.
QoS의 제공과 분석
프로토콜 설계 시 기본 목표는 산업용 QoS 수준을 만족해야 한다. 산업용 무선 채널 환경과 그에 따른 실험 측정 및 분석이 선행되어야 하며 전력, 주파수, 데이터율 등의 자원 관리를 위한 이론과 관리 도구가 필요하다. 자원 관리 프레임 워크는 초기 네트워크 배치를 위한 사전 배치 계획과 외란 등의 변화에도 불구하고 적절한QoS 제공이 가능하도록 하는 동적 적응 및 재설정 기능에도 도움을 줄 수 있다.
네트워크 계획 단계에서 자원 관리부는 노드와 다른 네트워크 관계, 가능 대역의 할당, 상호 간섭이 고려된 전송 전력 및 데이터율 등을 초기 할당한다. 여러 가지의 초기 후보 설정이 가능하며 요구되는 QoS 제공이 가능한 지 점검해야 한다. 이를 위해 전체 네트워크에 대해서 비용과 주파수 사용을 최소화하도록 설계해야 한다.
동적 할당을 위한 스케줄링 기법을 위해서는 확률적 측면에서 산업용 QoS를 측정하고 전개해야 하며, 시간 스케일과 페이딩, 쉐도우잉 등의 다양한 채널 특성이 반영되어야 한다. 유한 상태 마르코프 과정(FSMC) 모델은 단기적 페이딩에 적용이 가능하다. 그러나 모델링이 복잡하고 여전히 간단한 모델만 분석 가능하다.
따라서 FSMC를 위한 확률적 스케줄링을 위한 체계적 연구가 필요하다. 산업계 적용을 위해서는 사용할 설계 플랜트에서 사용하는 채널을 표현하는 네트워크 계획 과정을 고려하여 변수화시키는 방법론적 개발이 바람직하다. 네트워크 동작 시에 대해서는 가변적인 무선 채널의 특성에 적응하는 구조가 필요하다. 이를 위해 노드에서 QoS를 관측 및 변화를 검출하는 기능들을 제공하여 네트워크 스스로 재설정 기능을 가지게 해야 한다.
인지적 무선 기술(Cognitive Radio) 을 이용한 간섭 완화
동일 또는 다른 무선 기술로 동작하는 수신기들이 동일 또는 인접 대역을 사용할 경우 다중 경로 페이딩과 외란(간섭) 등에 의해 채널 에러가 발생한다. 특히 이러한 문제는 자유롭게 사용이 허용된 대역 (ISM 대역)에서 중요할 수 있다. 서로 다른 기술로 동일 대역을 공유하여 사용함으로써 산업계 QoS 제공이 어려울 수밖에 없다. 현재 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으나 매우 중요한 응용에서는 이러한 간섭 문제를 피하는 것이 유리할 수도 있다. FCC처럼 상호 배타적 대역을 할당하면 되나 너무 비용이 많이 들고 시간적 소모가 큰 해결 방법이다. 인지적 무선 기술은 이러한 문제를 피할 수 있는 좋은 접근법이 될 수 있다.
인지적 무선 기술의 개념은 기본적으로 SDR 개념에서 나온 것이다. SRD은 모든 물리 계층의 신호 처리 기법들을 소프트웨어적으로 실행하게 한다. 이러한 기능은 현재 채널 상태에 따른 무선 재설정과 현재 대역에 신호가 존재 유무를 확인하는 감지 기능까지 제공하는 등 매우 유용하다. 이 중 기회주의적 스펙트럼 접근기법이 주요한 응용이다.
보통 자유롭게 사용이 허용된 대역이 번잡하고 독립적으로 할당된 대역이 단속적으로 사용될 시 스펙트럼 홀이 발생한다. 이 홀을 탐색하여 그 슬롯을 활용하며 여기서 성능이 저하되면 다른 홀을 감지하여 사용한다. 이러한 기법의 중요 이슈는 인지적 무선 기술을 지원하는 노드들이 기존 허가된 사용자들에게 간섭이 없어야 한다는 것이다. 이를 위해 매우 짧은 시간에 원사용자의 복귀가 이루어 져야 한다. 이러한 기술은 무선 산업 네트워크에 매우 적합하며, 물리 계층에서 외부 간섭에 대처하는 것이 매우 용이하다. 특히 서로 다른 무선 네트워크들이 동일 대역을 공동으로 활용할 경우 아주 유용하며 스펙트럼 감지를 위한 기법들에 대한 연구도 매우 유용할 것이다. 지그비에서는 채널이 한정되나 인지적 무선 기술에서는 한정되지 않는다.
UWB 기술들
UWB 기술은 협대역 간섭에 대한 다른 해법을 제공할 수 있다. UWB 기기들은 3.1~10GHz대역에서 통신과 측정 등을 위해 사용하도록 FCC에 의해 규정되었다. UWB스테이션들은 간섭 신호 자체가 다른 원사용자가 수용할 만한 수치 이하로 유지되므로 원사용자와의 간섭 문제가 쉽게 해결되며 특히 단거리 전송에 한정된다. 따라서 큰 대역폭에 의해 간섭에 강인하며 이론적으로 높은 데이터율로 전송이 가능하다.
UWB 무선 기술은 두 가지의 접근법이 존재한다: 임펄스 무선 기술 접근법과 다중 대역 접근법.
임펄스 무선 기술 접근법에서는 중심 주파수를 사용하지 않는다. 매우 짧은 임펄스를 사용하여 매우 넓은 주파수 대역을 사용하며, 시간적 위치에 따른 조절이 가능하다. IEEE 802.15.4a에서 정의된 물리 계층 기술이다. 또한 ALHOA 매체 접근 제어 프로토콜과 연동되도록 정의하고 있다.
다중 대역 접근법에서는 가용한 대역을 작은 부대역(sub-band)으로 분할한다. 각 부대역 안에서 서로 다른 변조 방법을 사용하며 동일 장소에서 다른 UWB 네트워크 공존 시는 주파수 홉핑 기법이 사용된다.
UWB 기술을 산업 환경에서 활용하기 위하여 UWB를 위한 물리 계층 모델이 제안되어야 하며, 다른 단거리 네트워크 기술을 위한 기반으로 UWB 물리 계층과 프로토콜 계층이 WiMedia 연합 기구에 의해 추진되고 있다(현재 부분적으로 ECMA 표준으로 완성되었다).
결 론
이 글에서는 다양한 무선 통신 기술에 대한 소개와 실제 산업 영역에서 자동화나 관측 시스템을 위해서 이러한 기술들이 어떻게 적용될 수 있을 것인가에 대하여 살펴보았다. 우선적으로는 무선 센서네트워크나 UWB 기술들의 적용 시 고려 사항 및 장단점을 분석하였다. 그리고 프로토콜 설계 시 변화하는 작업 환경에 대처하기 위해 현재 연구가 진행 중인 다양성 기반의 기법에 대해 논했다. 이를 바탕으로 앞으로는 네트워크 채널 코딩 기법들에 대한 보다 체계적인 연구가 요구된다.
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참고문헌
1. Andreas Willig, "Recent and Emerging Topics in Wireless Industrial Communi- cations: A Selection," IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS, vol. 4, No. 2, 2007.2. D. Miorandi and S. Vitturi, "Hybrid wired/wireless implementations of PROFIBUS DP: A Feasibility study based on Ethernet and Bluetooth," Comput. Commun., vol. 27, Jun. 2004.3. E. Felemban, C.-G. Lee, and E. Ekici, "MMSPEED: Multipath multispeed protocol for QoS guarantee of reliability and timeliness in wireless sensor networks," IEEE Trans. Mobile Comput., vol. 5, no. 6, pp. 738?754, Jun. 2006.
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