KR100965434B1 - 졸-겔 및 광경화 반응에 의해 광경화 투명고분자 내에금속산화물 나노입자를 포함하는 게이트 절연층을 이용한유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법 - Google Patents
졸-겔 및 광경화 반응에 의해 광경화 투명고분자 내에금속산화물 나노입자를 포함하는 게이트 절연층을 이용한유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 졸-겔(sol-gel) 및 광경화 반응에 의해 광경화 투명고분자 내에 금속산화물 나노입자를 형성 및 결합시켜 전기유전율의 변화가 용이한 조성물을 게이트 절연체로 사용하는 유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 기판, 이 기판 위에 형성되는 전극층, 전극 위에 형성되는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층, 유기활성층, 및 소스 및 드레인 전극층을 포함하고, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층이 금속산화물 전구체와 광경화 투명고분자를 혼합하여 스핀캐스팅(spin casting)을 통해 유기막을 형성시킨 후 졸-겔 및 광경화 반응을 통해 그의 일부가 나노무기입자로 전환되어 유전성을 가지게 되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명에 따른 유기박막 트랜지스터는 게이트 절연체의 유전율이 종래 사용되는 게이트 절연체에 비해 월등히 높고 조절이 용이하며, 광경화 투명고분자의 특성을 그대로 유지하여 투명할 뿐만 아니라, 광경화로 미세패턴 형성이 가능하여 공정성이 매우 우수하다는 장점을 갖는다.
졸-겔 반응, 광경화, 나노기술, 나노 복합소재, 투명유기 게이트 절연체, 유 기박막 트랜지스터
Description
본 발명은 졸-겔 및 광경화 반응에 의해 광경화 투명고분자 내에 금속산화물 나노입자를 형성 및 결합시켜 전기유전율의 변화가 용이한 투명 무기/고분자 복합층을 게이트 절연층으로 사용하는 유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전도성 고분자에 관한 연구가 1977년에 최초로 발표된 이후(H. Shirakawa, 등, Chem. Commun. 578, 1977), 기존의 절연체 성질에서 벗어나 유기물 및 고분자의 전도체 혹은 반도체적인 특성을 규명하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 유기전자소자 중 한 분야인 유기박막 트랜지스터는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 게이트 전극에 전압이 인가되면 게이트 절연층의 유전적 특성에 의한 국부적 분극 효과에 의해 전하가 축적되고, 축적된 전하에 의해 게이트 절연층과 유기활성층 사이에 채널이 형성되어 소스와 드레인 사이에 전압이 인가되면 전하가 흐르는 구동상태(on 상태)가 되는 반면, 게이트 전극에 0 전압 및 역전압이 인가되면 소스와 드레인 사이에 전압이 인가되더라도 전하가 흐르지 않는 비구동상태(off 상태)가 되는 원리로 디스플레이(display)와 같은 유기소자의 구동회로 역할을 한다.
또한 유기박막 트랜지스터는 기존의 실리콘 기반의 트랜지스터와는 달리 구성요소들이 저분자 유기물 혹은 고분자와 같은 재료를 사용하기 때문에, 차세대 유연성(flexible) 디스플레이와 같은 유연성 유기소자에 다양하게 적용될 수 있다는 장점을 갖는다.
이러한 유기박막 트랜지스터에서는 게이트 절연층의 유전적 성질이 매우 중요한데, 이의 유전적 성질을 제어함으로써 국부적 분극 효과를 극대화시켜 저전압 하에서의 전하 축적을 증가시킬 수 있고, 이는 결과적으로 저전압 구동을 가능하게 한다. 또한 고유전율의 게이트 절연층을 사용하면 전기용량의 저하 없이 게이트 절연층의 두께를 증가시킬 수 있어 유기소자의 고질적 문제인 누설전류를 방지하면서 높은 출력전류를 안정적으로 유지하게 되므로 구동반도체로서의 상용화에도 유리하다.
그러나 현재 유기박막 트랜지스터는 기존 실리콘 기반의 트랜지스터보다 캐리어의 전하 이동도가 낮을 뿐만 아니라, on 상태의 전류값은 낮은 반면 off 상태의 전류값은 높아 전체적으로 낮은 on/off 전류비를 갖는다. 이는 고유전성 게이트 절연층을 유기 고분자 물질로는 만들기 어렵기 때문이며, 결과적으로는 고유전 성 무기물질을 게이트 절연체로 사용하면서 유기박막 트랜지스터의 최대 장점인 유연성은 포기해야 하는 문제점이 발생하고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 광경화 투명고분자 내에 금속산화물 나노입자를 형성 및 결합시켜 전기유전율의 변화가 용이한 투명 무기/고분자 복합층을 게이트 절연체로 사용하여 저전압 구동이 가능하고, 누설전류가 적어 on/off 전류비가 높으면서도 게이트 절연체의 미세패턴 형성이 가능한 유기박막 트랜지스터 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 광경화 투명고분자 내의 금속산화물 나노입자의 크기와 농도를 조절하고 전기유전율 크기를 조절하는 다양하고 구체적인 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 이 기판 위에 형성되는 전극층, 전극 위에 형성되는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층, 유기활성층, 및 소스 및 드레인 전극층으로 이루어지며, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층이 금속산화물 전구체와 광경화 투명고분자를 혼합하여 스핀캐스팅(spin casting)을 통해 유기막을 형성시킨 후 졸-겔 및 광경화 반응을 통해 그의 일부가 나노무기입자로 전환되어 유전성을 가지게 되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 기판 및 게이트 전극 위에 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계;
3) 상기 광경화 투명 무기고분자 복합층 위에 유기활성층을 형성하는 단계; 및
4) 상기 유기활성층 위에 소스와 드레인 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 단계 2)가 금속산화물 전구체, 반응조절제, 촉매 및 광경화 고분자를 혼합하고, 그 혼합용액을 기판 위에 코팅한 후, 졸-겔 및 광경화 반응을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 상기 유기박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기박막 트랜제스터는 게이트 절연체로서 기존 게이트 절연체에 비해 월등히 높고 조절이 용이한 유전율을 갖는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 사용하여 구동전압은 낮추면서 on/off 전류비를 증가시킬 수 있고, 높은 유전율에 의한 전기용량의 저하 없이 게이트 절연체의 두께를 넓힐 수 있어 누설전류를 최소화함으로써 유기박막 트랜지스터로서의 우수한 특성을 발휘할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 유기박막 트랜지스터는 광경화 투명고분자의 특성을 그대로 유지하므로 광경화 및 미세패턴 형성이 가능하여 높은 공정성을 나타낸다.
본 발명은 기판, 이 기판 위에 형성되는 게이트 전극층, 전극 위에 형성되는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층, 유기활성층, 및 소스 및 드레인 전극층을 포함하고;
상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층이 금속산화물 전구체와 광경화 투명고분자를 혼합하여 스핀캐스팅을 통해 유기막을 형성하고, 형성된 유기막의 일부가 졸-겔 및 광경화 반응을 통해 나노무기입자로 전환되어 유전성을 가지게 되는 것을 특징으로 하는, 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명에서는 종래 기술과의 비교를 용이하게 하기 위하여 금속산화물 나노입자로서 산화티타늄 나노입자를 예로서 설명하나, 본 발명의 내용은 산화티타늄 외에 산화아연, 산화주석, 산화니오븀, 산화텅스텐, 산화스트론튬, 산화지르코늄, 또는 이들의 혼합물 등을 사용한 경우에도 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명에서는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하기 위한 방법으로서 스핀코팅법을 이용하나, 본 발명의 내용은 이에 한정되지 않고, 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명에서의 스핀코팅은 스크린 프린팅법, 바코팅법, 잉크젯법, 딥핑법 등에 의해 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 유기박막 트랜지스터를 도면을 이용하여 보다 상세하 게 설명한다.
도 1에 의하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기박막 트랜지스터는 기판(10), 게이트 전극(20), 게이트 절연층(30), 유기활성층(40), 및 소스와 드레인 전극(50, 60)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(10)과 게이트 전극(20)은 유리 기판 또는 투명한 유연성(flexible) 고분자 기판 위에 금속전극이 증착된 형태일 수 있다. 여기서, 상기 투명한 유연성 고분자 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌설폰(PES) 등이 사용될 수 있고, 상기 전극으로는 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 이들의 합금 및 복합으로 사용될 수 있다.
상기 기판(10)과 게이트 전극(20)은 또한 투명 전도성 기판일 수 있는데, 이 투명 전도성 기판은 투명한 유리 기판 또는 투명한 유연성 고분자 기판 위에 전도성 박막이 코팅된 형태일 수 있다. 여기서, 상기 투명한 유연성 고분자 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌설폰(PES) 등이 사용될 수 있고, 상기 전도성 박막으로는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), IZTO(Indium zinc Tin oxide), FTO(F-doped SnO2), 또는 ITO 위에 ATO(Antimony Tin Oxide)나 FTO가 코팅된 박막이 사용될 수 있다.
상기 게이트 절연층(30)은 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층으로서, 이 금속산화물 나노입자는 금속산화물 전구체, 반응조절제, 촉매 및 광경화 고분자를 혼합한 용액을 기판과 게이트 전극 위에 코팅한 후 졸-겔 반응과 광경화 반응을 거쳐 형성된다.
본 발명에서, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층(30)의 단위 부피당 금속산화물 나노입자의 무게비로 정의되는 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 밀도는 0.9 내지 3.0 g/㎤이 바람직하다. 만약 상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 밀도가 0.9 g/㎤ 미만인 경우에는 금속산화물 나노입자가 형성되지 않은 상태로 기저고분자의 동일한 유전율을 나타내는 문제점이 발생할 수 있고, 3.0 g/㎤를 초과하는 경우에는 과도한 금속산화물 나노입자의 형성으로 침전 및 응고현상으로 인해 균일하지 못해 투명도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 밀도는, 1) 상기 혼합용액 내 금속산화물 전구체와 광경화 고분자의 함량비를 조절하거나, 2) 반응조절제 및 촉매의 함량비를 달리하여 반응속도를 조절하거나, 3) 상기 졸-겔 및 광경화 반응의 반응온도를 조절하거나, 4) 상기 1) 내지 3) 중 적어도 2가지의 방법을 병용하여 달성된다.
상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층에 포함되는 금속산화물 나노입자는 단결정 형태로 입자의 직경이 5 내지 50 ㎚인 것이 바람직한데, 상기 범위 미만인 경우에는 금속산화물 나노입자가 유전적 성질을 가지기 어려운 반면, 상기 범위를 초 과하는 경우에는 복합층이 뷸균일해져 누설전류가 과다해지거나 복합층이 불투명하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 두께는 400 내지 2000 ㎚인 것이 바람직한데, 상기 범위 미만인 경우에는 누설전류가 과다해지고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 전기용량의 저하라는 문제점이 발생할 수 있다. 이 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층(30)의 제조에 관한 자세한 내용은 후술하기로 한다.
상기 유기활성층(40)은 저분자 유기반도체 물질 또는 고분자 반도체 물질의 형태일 수 있는데, 상기 물질로는 펜타센(pentacene), 올리고티오펜(oligothiophenes), 위치규칙적(regioregular) 폴리(3-알킬티오펜)[poly(3-alkylthiophene)], 폴리(3-헥실티오펜)[poly(3-hexylthiophene)] 등이 사용될 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극(50, 60)으로는 금(Au), 은(Ag), 리튬 플로라이드(LiF), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 이들의 합금 및 복합이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 게이트 절연층으로서, 금속산화물 나노입자로 산화 티타늄을 사용하고, 광경화 투명고분자로 광경화 아크릴계 고분자를 사용하여 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 제조한다.
본 발명에서 상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 유전율 및 누설전류는 하기의 다양한 방법에 의해 조절되고 제어될 수 있다.
첫째, 코팅용액의 금속산화물 전구체와 광경화 투명고분자의 함량비를 조절하여 유전율을 제어할 수 있다. 광경화 투명고분자의 함량비가 높으면, 졸-겔 및 광경화 반응 후 금속산화물의 농도가 낮아져 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 유전율이 낮아지는 반면, 광경화 투명고분자의 함량비가 낮으면 금속산화물의 농도가 높아져 광경화 투명무기/고분자 복합층의 유전율이 높아지게 된다.
둘째, 누설전류는 유전율과 달리 그의 조절과 제어가 복잡한데, 금속산화물 나노입자의 함량은 감소하는 반면 광경화 투명고분자의 함량이 증가하면 누설전류가 감소하지만 금속산화물 나노입자의 크기와 분포도에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 누설전류를 줄이기 위해 금속산화물 나노입자의 함량을 무조건 낮추는 것은 바람직하지 않다. 이에 본 발명에서는 광경화 투명고분자에 대한 금속산화물 전구체의 질량비를 10:0.5 내지 10:4의 범위로 유지한다.
또한 본 발명은 상기 유기박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기박막 트랜지스터의 제조방법은
1) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
2) 상기 기판 및 게이트 전극 위에 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계;
3) 상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층 위에 유기활성층을 형성하는 단계; 및
4) 상기 유기활성층 위에 소스와 드레인 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 단계 2)가 금속산화물 전구체, 반응조절제, 촉매 및 광경화 고분자를 혼합하고, 그 혼합용액을 기판 위에 코팅한 후, 졸-겔 및 광경화 반응을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계를 제외한 나머지 단계들은 당분야의 공지 기술을 적용한 것이므로, 이하에서는 본 발명의 특징인 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계만을 더욱 구체적으로 설명한다.
구체적으로, 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계는
a) 금속산화물 전구체의 알콕사이드기를 치환시키는 단계;
b) 졸-겔 반응 전에 금속산화물 전구체와 반응조절제를 혼합하는 단계;
c) 상기 혼합물에 촉매와 광경화 투명고분자를 혼합하는 단계;
d) 상기 혼합용액을 기판 및 게이트 전극 위에 코팅한 후 졸-겔 반응을 수행하는 단계;
e) 상기 기판을 패턴 마스크 하에서 광경화 반응을 수행한 후 디벨로핑(developing)하여 패턴화된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형 성하기 위하여 금속산화물 전구체와 적정량의 반응조절제를 혼합한 용액을 먼저 제조하게 되는데, 이는 상기 금속산화물 전구체의 알콕사이드기를 치환시켜 반응속도를 조절하고 졸-겔 반응 전에 금속산화물의 침전을 방지하기 위해서이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 금속산화물 전구체로는 티타늄(Ti), 아연(Zn), 주석(Sn), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 스트론튬(Sr), 또는 지르코늄(Zr) 이온의 알콕사이드를 예로 들 수 있으며, 이들은 광경화 투명고분자와 혼합되어 코팅된 후 졸-겔 반응을 통해 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화니오븀, 산화텅스텐, 산화스트론튬, 또는 산화지르코늄의 금속산화물을 형성할 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 반응조절제로는 아세트산, 아세틸아세톤(acac) 등이 있으며 상기 금속산화물 전구체의 알콕사이드기와 치환될 수 있는 킬레이트화제(chealating agent)라면 어느 것이나 사용가능하다.
상기 금속산화물 전구체와 반응조절제의 몰비는 1:0.5 내지 1:1.5인 것이 바람직한데, 상기 범위 미만일 경우에는 알콕사이드기와 치환이 충분히 이루어지지 못하여 반응속도의 조절이 용이하지 않다는 문제점이 발생할 수 있으며, 이를 초과하는 경우에는 잉여의 반응조절제가 분순물로 작용하는 문제점이 발생할 수 있다.
그 다음, 상기 금속산화물 전구체와 반응조절제의 혼합용액에 촉매 및 광경화 투명고분자를 혼합하여 코팅용액을 제조한다. 이때, 금속산화물 전구체가 반응성이 강한 것이라면, 광경화 투명고분자와 먼저 혼합하여 안정화시킨 후 그 후에 촉매를 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용하기에 적합한 광경화 투명고분자로는 불포화 폴리에스테르 계, 아크릴계, 에폭시계, 폴리비닐알콜계 등을 예로 들 수 있다.
또한 본 발명에 사용하기에 적합한 촉매로는 염산, 황산, 질산, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아 등을 예로 들 수 있으며, 이러한 촉매는 0.01 내지 0.5 N의 농도로 첨가되는 것이 바람직하다.
상기에서, 반응조절제와 촉매의 질량비는 1:0.1 내지 1:1인 것이 바람직한데, 이 범위 미만이거나 이를 초과하는 경우에는 반응이 일어나지 않거나 과도한 촉매로 인해 불균일한 복합층이 형성되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 광경화 투명고분자와 금속산화물 전구체의 질량비는 1:0.01 내지 1:0.5인 것이 바람직한데, 이 범위 미만이거나 이를 초과하는 경우에는 금속산화물 나노입자의 형성이 적어서 유전율이 높은 복합층이 형성되기 어렵거나 과도한 금속산화물 나노입자의 형성으로 불균일하고 불투명한 복합층이 형성되는 문제점이 발생할 수 있다.
이와 같이 제조된 금속산화물 전구체, 반응조절제, 촉매 및 광경화 투명고분자의 혼합용액을 기판 및 게이트 전극 위에 코팅한 후 적정 온도에서 졸-겔 반응을 수행하고 패턴 마스크 하에서 적정 파장의 광세기로 광경화 반응을 수행하고 디벨로핑하여 패턴화된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 얻는다.
이 단계에서 졸-겔 반응은 80 내지 150℃의 온도에서 1분 내지 300분간 수행되는 것이 바람직하다. 만약 졸-겔 반응이 80℃ 미만 또는 150℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 반응이 일어나지 않거나 졸-겔 반응 전에 경화반응이 먼저 일어나서 금속산화물 나노입자가 형성되지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
또한 상기 광경화 반응은 200 내지 400 nm의 파장에서 100 내지 400 mJ의 선량(Dose)으로 수행되는 것이 바람직하다. 만약 광경화 파장과 그의 세기가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 광경화 반응이 이루어지지 않아 복합층이 형성되지 않는다는 문제점이 발생할 수 있다.
이로부터 수득되는 금속산화물 나노입자는 단결정 형태로 입자의 직경이 5 내지 20 ㎚인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 두께는 400 내지 2000 ㎚인 것이 바람직하고, 이의 밀도는 0.9 내지 3.0 g/㎝인 것이 바람직하며, 이의 유전상수는 4 내지 15인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명의 실시예에서는 상기에 기술한 방법에 따라 졸-겔 및 광경화 반응을 통해 광경화 투명 유기고분자 내에 산화티타늄 나노입자를 형성 및 결합시켜 전기유전율의 변화가 용이한 조성물을 게이트 절연층으로 사용하는 유기박막 트랜지스터를 제조한다.
실시예 1
티타늄 n-부톡사이드(titanium n-butoxide, Aldrich사) 0.8 g와 아세틸아세 톤(Aldrich사) 0.235 g를 상온에서 마그네틱 바를 사용하여 1시간 동안 교반 하에 혼합한 후 이 혼합물에 UV 경화 아크릴계 수지(Dongjin Semichem Co.,Ltd) 8.454 g를 첨가하고 다시 2시간 동안 교반 하에 혼합하였다. 그 결과 혼합물에 0.1 N HCl(Junsei사) 0.08247 g를 첨가하고 교반과 초음파 분해로 1시간 동안 분산시켜 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 200 ㎚ 두께의 금(Au)이 게이트 전극으로 패턴 증착된 유리 기판에 2000 rpm으로 30초간 스핀코팅하여 투명 유기막을 형성하였다. 상기 투명 유기막이 형성된 유리 기판을 오븐에서 100℃로 20분간 가열하여 졸-겔 반응을 진행하고, 365 nm 자외선 광을 300 mJ의 선량으로 조사하여 광경화시킨 후 120℃에서 30분 후경화시켜 게이트 절연층을 형성하였다. 상기 게이트 절연층 위에 유기활성층인 펜타센 80 nm를 증착하고 상기 펜타센 위에 소스/드레인 전극을 금(AU)으로 증착하여 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
이와 같이 제작된 유기박막 트랜지스터의 전기적 특성을 다음과 같이 조사하였다. 먼저, 유기박막 트랜지스터에 형성된 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 나노무기입자 조성 증가에 따른 유전율 변화를 조사하기 위하여 고정된 광경화 고분자 질량에 금속산화물 전구체를 일정량씩 추가하여 유전상수값을 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
또한 상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 누설전류를 측정하기 위하여 금속층-저항층-금속층(MIM) 방법을 이용하였다. 구체적으로 MIM 방법을 설명하면, 먼저 ITO 유리의 ITO를 일정한 면적으로 패턴화한 후 ITO 층 위에 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 코팅하였다. 이 복합층 위에 그와 동일한 면적으로 금(Au) 층을 증착하여 상기 ITO 층과 금 층이 각각의 전극층으로 작용하게 만든 후 이 두 전극층 사이에 전기장을 가하고 전류밀도를 측정함으로써 저항층에 흐르는 누설전류를 측정하였다. MIM 방법에 따라 측정된 누설전류를 도 4에 나타내었다.
상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 표면 형태와 거칠기를 원자 현미경(Atomic Force Microscope(AFM))으로 측정하여 그 결과를 도 5에 나타내었으며, 이 광경화 투명 무기고분자 복합층을 포함하는 유기박막 트랜지스터의 전류전달 특성을 1620TM IEEE 표준 시험 방법(1620TM IEEE Standard Test Methods for the Characterization of Organic Transistors and Materials, IEEE Std 1620TM-2004)에 따라 측정하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 3 내지 6에 나타난 바와 같이, 상기의 금속산화물 나노입자를 포함한 투명 무기/고분자 복합층(80)은 누설전류가 적고, 기저고분자(70)에 비해 높은 유전율을 나타내며, 금속산화물 나노입자의 형성정도에 따라 유전율의 조절이 가능할 뿐만 아니라, 균일한 표면 거칠기를 나타내어 유기박막 트랜지스터로서 구동할 수 있는 우수한 전류전달특성을 나타내었다. 상기 결과로부터 본 발명에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 투명 무기고분자 복합층이 유기박막 트랜지스터의 게이트 절연체로서 유용한 조성물이고, 이 조성물을 사용한 유기박막 트랜지스터의 제조방법이 효율성이 있음을 확인하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 조건으로 ITO 유리를 에칭하여 게이트 전극으로 사용한 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 조건으로 유리 기판이 아닌 PES 기판에 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
실시예 4
티타늄 n-부톡사이드(titanium n-butoxide, Aldrich사) 0.8 g와 아세틸아세톤(Aldrich사) 0.282 g를 상온에서 마그네틱 바를 사용하여 1시간 동안 교반 하에 혼합한 후 이 혼합물에 UV 경화 아크릴계 수지(Dongjin Semichem Co.,Ltd) 10.125 g를 첨가하고 다시 2시간 동안 교반 하에 혼합하였다. 그 결과 혼합물에 0.1 N HCl(Junsei사) 0.09896 g를 첨가하고 교반과 초음파 분해로 1시간 동안 분산시켜 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 200 ㎚ 두께의 몰리브데늄(Mo)이 게이트 전극으로 패턴 증착된 유리 기판에 2000 rpm으로 30초간 스핀코팅하여 투명 유기막을 형성하였다. 상기 투명 유기막이 형성된 유리 기판을 오븐에서 100℃로 20분간 가열하여 졸-겔 반응을 진행하고, 365 nm 자외선 광을 300 mJ의 선량으로 조사하여 광경화시킨 후 120℃에서 30분 후경화시켜 게이트 절연층을 형성하였다. 상기 게이트 절연층 위에 유기활성층인 펜타센 80 nm를 증착하고 상기 펜타센 위에 소스/드레인 전극을 금(AU)으로 증착하여 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
이상으로 본 발명 내용의 특정 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 유기박막 트랜지스터의 개략적인 도면을 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 유기박막 트랜지스터의 실제 모형을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층의 나노무기입자의 조성 증가에 따른 유전율 변화를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층에 가해진 전기장에 따른 누설전류밀도를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층 표면 거칠기를 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 유기박막 트랜지스터의 전류전달 특성을 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 유리 기판, 20: 게이트 전극층
30: 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층
40: 유기활성층, 50: 소스 전극층
60: 드레인 전극층, 70: 광경화 고분자층
Claims (22)
- 기판, 이 기판 위에 형성되는 게이트 전극층, 전극 위에 형성되는 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층, 유기활성층, 및 소스 및 드레인 전극층을 포함하고;상기 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층이 금속산화물 전구체와 광경화 투명고분자를 혼합하여 스핀캐스팅을 통해 유기막을 형성하고, 형성된 유기막의 일부가 졸-겔 및 광경화 반응을 통해 나노무기입자로 전환되어 유전성을 가지게 되는 것을 특징으로 하는, 유기박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 기판과 게이트 전극층이 투명한 유리 기판 또는 투명한 유연성(flexible) 고분자 기판 위에 금속전극이 증착된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 기판과 게이트 전극층이 투명한 유리 기판 또는 투명한 유연성 고분자 기판 위에 전도성 박막이 코팅된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제2항에 있어서,상기 금속전극이 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 코발트(Co), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 몰리브데늄(Mo), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제3항에 있어서,상기 전도성 박막이 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium zinc oxide), FTO(F-doped SnO2), 또는 ITO 위에 ATO(Antimony Tin Oxide) 또는 FTO가 코팅된 박막인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 투명한 유연성 고분자 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌설폰(PES)으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 금속산화물 나노입자가 산화티타늄, 산화아연, 산화주석, 산화니오븀, 산화텅스텐, 산화스트론튬 및 산화지르코늄으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,상기 유기활성층이 저분자 유기반도체 물질 또는 고분자 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제8항에 있어서,상기 물질이 펜타센(pentacene), 올리고티오펜(oligothiophenes), 위치규칙적(regioregular) 폴리(3-알킬티오펜)[poly(3-alkylthiophene)], 및 폴리(3-헥실티오펜)[poly(3-hexylthiophene)]으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 1) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;2) 상기 기판 및 게이트 전극 위에 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 형성하는 단계;3) 상기 광경화 투명 무기/고분자 복합층 위에 유기활성층을 형성하는 단계; 및4) 상기 유기활성층 위에 소스와 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 단계 2)가 금속산화물 전구체, 반응조절제, 촉매 및 광경화 고분자를 혼합하고, 그 혼합용액을 기판 위에 코팅한 후, 졸-겔 및 광경화 반응을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 제1항에 따른 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 단계 2)가a) 금속산화물 전구체의 알콕사이드기를 치환시키는 단계;b) 졸-겔 반응 전에 금속산화물 전구체와 반응조절제를 혼합하는 단계;c) 상기 혼합물에 촉매와 광경화 투명고분자를 혼합하는 단계;d) 상기 혼합용액을 기판 및 게이트 전극 위에 코팅한 후 졸-겔 반응을 수행하는 단계;e) 상기 기판을 패턴 마스크 하에서 광경화 반응을 수행한 후 디벨로핑(developing)하여 패턴화된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광경화 투명 무기/고분자 복합층을 제조하는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 금속산화물 전구체가 티타늄(Ti), 아연(Zn), 주석(Sn), 니오븀(Nb), 텅스텐(W), 스트론튬(Sr), 및 지르코늄(Zr) 이온의 알콕사이드로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 반응조절제가 알콕사이드기와 치환되는 아세트산 또는 아세틸아세톤(acac)인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 금속산화물 전구체와 반응조절제의 몰비가 1:0.5 내지 1:1.5인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 촉매가 염산, 황산, 질산, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 암모니아로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제15항에 있어서,상기 촉매의 농도가 0.01 내지 0.5 N인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 반응조절제와 촉매의 질량비가 1:0.1 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 광경화 투명고분자가 불포화 폴리에스테르계, 아크릴계, 에폭시계, 및 폴리비닐알콜계로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 광경화 투명고분자와 금속산화물 전구체의 질량비가 1:0.01 내지 1:0.5인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 졸-겔 반응이 80 내지 150℃의 온도에서 1분 내지 300분간 수행되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 광경화 반응이 200 내지 400 nm 파장에서 100 내지 400 mJ의 선량(Dose)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 광경화 투명 무기고분자 복합층의 두께가 400 내지 2000 ㎚이고, 그의 밀도가 0.9 내지 3.0 g/㎝이고, 그의 유전상수가 4 내지 15이고, 5 내지 20 ㎚의 직경을 갖는 금속산화물 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지 스터의 제조방법.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130531 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140528 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150529 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160601 Year of fee payment: 7 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |