KR102051519B1 - 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터가 개시된다. 개시된 박막 트랜지스터는 파이버와 파이버 상에 형성된 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극과 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성된 채널을 포함하며, 상기 파이버, 제 1전극, 제 2전극, 게이트 전극 및 채널 상부를 봉지하는 봉지재; 및 상기 봉지재 내부의 일부 영역에 형성된 게이트 절연층; 을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 실시예는 파이버 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 파이버 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전자소자의 응용 분야가 넓어지면서 종래의 Si, 글래스 등의 기판 위에 존재하는 전자소자의 한계를 극복할 수 있는 구조를 지닌 전자소자에 대한 요구가 커지고 있다.
가요성 디스플레이, 스마트 의복, 유전체 엘라스토머 액츄에이터(DEA), 생체적합성 전극, 생체내 전기적 신호 감지 등과 같은 분야에 사용되는 박막 트랜지스터는 그 사용 용도에 따라 다양한 특성을 지닐 수 있어야 한다. 예를 들어, 장갑, 의복 또는 모자 등의 직물류에 형성되는 전자 소자의 경우, 유연하고 접을 수 있는 구조를 지니면서, 생체의 움직임에 따른 원하는 동작 특성을 지니도록 설계될 수 있다.
선행문헌으로는 한국공개특허 2009-0086199가 있다.
선행문헌으로는 한국공개특허 2009-0086199가 있다.
본 발명의 일 측면은 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에서는,
파이버 상에 형성된 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극;
상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성된 채널;
상기 파이버, 제 1전극, 제 2전극, 게이트 전극 및 채널 상부를 봉지하는 봉지재; 및
상기 봉지재 내부의 일부 영역에 형성된 게이트 절연층; 을 포함하는 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 게이트 절연층은 액상으로 형성되여, 상기 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극 중 적어도 어느 하나와 비접촉 상태가 될 수 있다.
상기 게이트 절연층은 이온성 액체(ionic liquids)을 포함하여 형성된 것일 수 있다.
상기 게이트 절연층은 윤활제를 더 포함할 수 있다.
상기 게이트 절연층은 마찰 계수(coefficient of friction)가 0.1 이하인 물질로 형성된 것일 수 있다.
상기 파이버는 천연 섬유, 화학 섬유 또는 이들의 혼합물로 형성된 것일 수 있다.
상기 채널은 유기 반도체 물질로 형성된 반도체 박막이나 섬유 형태의 나노 구조체로 형성된 것일 수 있다.
상기 봉지재는 수지나 몰드용 물질로 형성된 파이버 상에 형성된 것일 수 있다.
상기 수지는 열경화 가능하거나 UV 경화가 가능한 아크릴계 수지, 열경화가 가능한 에폭시 수지, 또는 탄성체 수지일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는, 파이버 상에 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 있어서,
파이버 상에 전도성 물질을 도포하고 이를 패터닝하여 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 채널을 형성하는 단계; 및
상기 제 1전극, 제 2전극, 게이트 전극 및 채널이 형성된 파이버를 게이트 절연층이 담긴 봉지재와 결합하는 단계;를 포함하는 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 파이버 상에 형성되며, 사용자의 의도적인 또는 비의도적으로 기울이는 동작에 따라 작동을 할 수 있는 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 파이버 상에 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 기울어진 상태의 단면도 및 평면도를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트래지스터의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 기울어진 상태의 단면도 및 평면도를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트래지스터의 구조를 나타낸 평면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터에 대해 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 구조의 단면도 및 평면도를 나타낸 도면이다. 도 1-(a)는 단면도를 나타낸 것이며, 도 1-(b)는 평면도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터는 파이버(100)와 파이버(100) 상에 형성된 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)을 포함할 수 있다. 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)은 서로 이격되어 형성된 것일 수 있으며, 제 1전극(110) 및 제 2전극은 각각 소스(source) 및 드레인(drain)일 수 있으며 또한 그 반대일 수 있다. 제 1전극(110) 및 제 2전극(130) 사이에는 채널(140)이 형성될 수 있다. 그리고, 파이버(100), 제 1전극(110), 제 2전극(120), 게이트 전극(130) 및 채널(140) 상부를 봉지하는 봉지재(160)가 형성될 수 있으며, 봉지재(160)에 의해 봉지된 영역(170) 내의 파이버(100), 제 1전극(110), 제 2전극(120), 게이트 전극(130) 및 채널(140) 상에는 게이트 절연층(150)이 형성될 수 있다.
게이트 절연층(150)은 액상 물질로 형성된 것일 수 있으며, 게이트 절연층(150)은 봉지재(160)에 의해 봉지된 영역(170) 내의 전 영역이 아닌 일부 영역에만 형성된 것일 수 있으며, 빈공간을 포함한 것일 수 있다. 게이트 절연층(150)은 파이버(100) 상의 제 1전극(110), 제 2전극(120), 게이트 전극(130) 및 채널(140)이 모두 접할 수 있는 높이까지 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(150)이 봉지된 영역(170) 내에서 제 1전극(110) 및 제 2전극(120)이 형성된 높이까지 형성될 수 있으며, 이 경우, 게이트 절연층(150)은 제 1전극(110) 및 제 2전극(120) 상에 형성된 채널(140)의 하면과 접할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 구동 원리에 대해 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 기울어진 상태의 단면도 및 평면도를 나타낸 도면이다.
도 1과 같이 게이트 절연층(150)이 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)과 모두 접촉하는 상태에서 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)에 전원을 인가하는 경우, 제 1전극(110) 및 제 2전극(120) 사이의 채널(140)을 통하여 전자가 이동하면서 ON 상태가 될 수 있다. 그리고, 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(140)을 통하여 전원이 인가된 상태에서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 파이버(100)를 기울여 게이트 절연층(150)이 제 1전극(110), 제 2전극(120) 또는 게이트 전극(130) 중 적어도 하나와 비접촉 상태가 될 수 있으며, 이 경우 제 1전극(110) 및 제 2전극(120) 사이의 채널(140)을 통한 전자의 이동이 중지되어 OFF 상태가 된다. 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터는 모자, 장갑, 의복 등에 형성될 수 있는 것으로서, 사용자의 의도적인 또는 비의도적인 움직임에 따라 ON 상태 및 OFF 상태로 용이하게 변경될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 각층의 물질에 대해 살펴보고자 한다. 본 발명의 실시예에 의한 박막 트랜지스터는 모자, 장갑 등을 포함하는 각종 의류 상에 형성된 것일 수 있다
파이버(100)는 기판 역할을 할 수 있는 것으로, 가요성을 지닌 천연 섬유, 화학 섬유 또는 이들의 혼합물로 형성된 것을 포함할 수 있다. 그리고, 파이버(100)는 평활성, 내수성, 인장 강도, 접이성이 우수한 물질일 수 있다. 여기서, 천연 섬유는 목재 펄프, 마, 라미, 삼베, 또는 모로부터 생성된 것일 수 있으며, 화학 섬유는 비닐론, 나일론, 아크릴, 레이온, 폴리프로필렌, 또는 아스베스토 섬유로부터 생성된 것일 수 있다. 또한, 파이버(100)는 단일 섬유로 형성된 것일 수 있으며, 그 단면은 원형, 타원형, 사각형을 포함하는 다각형 등 다양한 형태를 지닌 것일 수 있다. 파이버(100) 단면의 폭(width)에 비해 그 길이가 수배 또는 수십배 이상, 예를 들어 100 내지 1000배인 것일 수 있다.
제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)은 반도체 소자의 전극으로 사용될 수 있는 전도성 물질로 형성된 것일 수 있으며, 낮은 표면 에너지를 지닌 물질로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 금속, 전도성 금속 산화물, 전도성 금속 질화물 또는 전도성 고분자로 형성된 것일 수 있다. 여기서, 금속은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며 제한은 없다. 전도성 금속 산화물은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(polyethylene dioxythiophene: polystyrene sulphonate), 폴리아닐린, 폴리피롤 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
채널(140)은 유기 반도체 물질로 형성된 반도체 박막이나 나노 구조체로 형성된 것일 수 있다. 여기서, 나노 구조체는 나노 로드, 나노 와이어 등의 형태를 지닐 수 있으며 제한되지는 않으며, 예를 들어 1차원 구조로 그 단면 형상이 원형, 다각형일 수 있다. 그리고, 유기 반도체 물질은 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리티에닐 비닐리덴(polythienyl vinylidene), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리플루로렌(polyfluorene) 또는 폴리티오펜비닐렌(polythiovinylene) 등을 포함할 수 있다.
게이트 절연층(150)은 액상 물질로 형성된 것으로, 이온성 액체(ionic liquids) 또는 전해질 물질(eletrolytes) 등과 수지의 혼합물로 형성된 것일 수 있다. 이온성 액체와 혼합된 수지는 유전체 성질을 가지면서 유연성이 있고 기재에 대한 밀착성이 우수한 특성일 지닌 것일 수 있다.
이온성 액체는 양이온과 음이온으로 이루어진 액체상태의 염이다. 예를 들어, 이온성 액체의 양이온은 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 구아니디늄(guanidinium), 유로늄(uronium), 티오유로늄(thiouronium), 피리디늄(pyridinium), 피롤리디늄(pyrroldinium) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 그리고, 이온성 액체의 음이온은 할라이드, 보레이트계 음이온, 포스페이트계 음이온, 포스피네이트계 음이온, 이미드계 음이온, 술포네이트계 음이온, 아세테이트계 음이온, 설페이트계 음이온, 시아네이트계 음이온, 티오시아네이트계 음이온, 탄소계 음이온, 착물계 음이온 또는 ClO4- 일 수 있다.
이와같은 이온성 액체에는 윤활제 등의 첨가제(lubricant additives)가 더 포함될 수 있으며, 예를 들어 카르복실산 유도체(Carboxylic Acid Derivatives)가 첨가제로 사용될 수 있으며, 또한, d-12CA(Perdeuteriododecanoic acid, C11D12COOH) 등의 물질도 첨가제로 사용될 수 있다. 이 같은 첨가제는 게이트 절연층(150)의 유연성을 향상시킬 수 있다. 게이트 절연층(150)은 마찰 계수(coefficient of friction)가 0.1 이하인 물질로 형성된 것일 수 있다.
봉지재(16)는 게이트 절연층(15)의 물질을 봉지할 수 있으며, 수지나 몰드용 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 수지는 열경화 가능하거나 UV 경화가 가능한 아크릴계 수지, 열경화가 가능한 에폭시 수지, 또는 탄성체 수지일 수 있으며, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate), 트리메틸올프로판트리아크릴레이트(Trimethylolpropane Triacrylate), 디펜타에리치올 헥사아크릴레이트(Dipentaerythritol Hexa Acrylate)를 포함할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 먼저 파이버(100) 상에 전도성 물질을 도포하여 전도성 물질층을 형성하고, 전도성 물질층을 패터닝하여 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)을 형성한다. 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)은 동일 또는 다른 물질로 형성시킬 수 있으며 제한은 없다. 여기서, 파이버(100)는 천연 섬유, 화학 섬유 또는 이들의 혼합물로 형성된 것일 수 있으며, 파이버(100)는 그 폭에 비해 길이가 월등히 긴 것을 준비할 수 있다. 그리고, 박막 트랜지스터는 단일 가닥 또는 다중 가닥의 파이버(100) 상에 형성시킬 수 있다. 전도성 물질은 금속, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 고분자 물질로 형성된 것일 수 있다. 전도성 물질층은 물리 기상 증착법 또는 화학 기상 증착법 등을 사용하여 증착시킬 수 있으며, 그 방법은 제한은 없다.
도 3b를 참조하면, 제 1전극(110) 및 제 2전극(130) 사이에 채널(140)을 형성시킨다. 채널(140)은 유기 반도체 물질로 형성된 반도체 박막이나 섬유 형태의 나노 구조체로 형성될 수 있다. 유기 반도체로는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌(polyphenylene), 폴리티에닐 비닐리덴(polythienyl vinylidene), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리플루로렌(polyfluorene) 또는 폴리티오펜비닐렌(polythiovinylene) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어 전기방사법으로 P3HT(poly-3(hexylthiophene))의 나노 섬유를 형성시켜 사용할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 봉지재(160) 내에 게이트 절연층(150) 물질을 원하는 양만큼 담근다. 여기서 게이트 절연층(150)은 액상의 물질로서 봉지재(160)는 게이트 절연층(150) 물질이 외부로 누출되는 것을 막을 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 봉지재(160)는 수지나 몰드용 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 수지는 UV 경화가 가능한 아크릴계 수지, 열경화가 가능한 에폭시 수지, 또는 탄성체 수지일 수 있으며, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(poly(ethylene glycol) diacrylate), 트리메틸올프로판트리아크릴레이트(Trimethylolpropane Triacrylate), 디펜타에리치올 헥사아크릴레이트(Dipentaerythritol Hexa Acrylate)를 사용하여 형성될 수 있다.
그리고, 도 3d를 참조하면, 게이트 절연층(150) 물질이 담긴 봉지재(160)에 제 1전극(110), 제 2전극(120), 게이트 전극(130) 및 채널(140)이 형성된 파이버(110)를 결합시킨다. 이와 같은 공정에 따라서, 도 3e에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
도 4는 다수의 파이버 중 하나의 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터(200)를 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 다수의 파이버 중 하나의 파이버(100)의 일영역(D) 상에 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)이 형성되어 있으며, 제 1전극(110) 및 제 2전극(120) 상에 채널(140)이 형성되어 있다. 그리고, 파이버(100), 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130) 상에는 게이트 절연층(150)이 형성되어 있으며, 게이트 절연층(150)은 봉지재(160)에 의해 봉지되어 있다. 그리고, 외부 버스 라인인 제 1전극 버스라인(10), 제 2전극 버스 라인(20) 및 게이트 전극 버스 라인(30)은 제 1전극(110), 제 2전극(120) 및 게이트 전극(130)과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100: 파이버 110: 제 1전극
120: 제 2전극 130: 게이트 전극
140: 채널 150: 게이트 절연층
160: 봉지재
120: 제 2전극 130: 게이트 전극
140: 채널 150: 게이트 절연층
160: 봉지재
Claims (13)
- 파이버 상에 형성된 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극;
상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 형성된 채널;
상기 파이버, 제 1전극, 제 2전극, 게이트 전극 및 채널 상부를 봉지하는 봉지재; 및
상기 봉지재 내부의 일부 영역에 형성된 게이트 절연층; 을 포함하고,
상기 게이트 절연층은 액상으로 형성되여, 상기 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극 중 적어도 어느 하나와 비접촉 상태가 될 수 있도록 구성된, 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 이온성 액체(ionic liquids)을 포함하여 형성된 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 3항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 윤활제를 더 포함하는 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 3항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 마찰 계수(coefficient of friction)가 0.1 이하인 물질로 형성된 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 1항에 있어서,
상기 파이버는 천연 섬유, 화학 섬유 또는 이들의 혼합물로 형성된 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 1항에 있어서,
상기 채널은 유기 반도체 물질로 형성된 반도체 박막이나 섬유 형태의 나노 구조체로 형성된 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 1항에 있어서,
상기 봉지재는 수지나 몰드용 물질로 형성된 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 제 8항에 있어서,
상기 수지는 열경화 가능하거나 UV 경화가 가능한 아크릴계 수지, 열경화가 가능한 에폭시 수지, 또는 탄성체 수지인 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터. - 파이버 상에 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 있어서,
파이버 상에 전도성 물질을 도포하고 이를 패터닝하여 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 채널을 형성하는 단계; 및
상기 제 1전극, 제 2전극, 게이트 전극 및 채널이 형성된 파이버를 게이트 절연층이 담긴 봉지재와 결합하는 단계;를 포함하고,
상기 게이트 절연층은 액상으로 형성되며, 상기 파이버를 기울여 상기 제 1전극, 제 2전극 및 게이트 전극 중 적어도 어느 하나와 상기 게이트 절연층이 비접촉 상태가 될 수 있도록 구성된, 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 이온성 액체(ionic liquids)을 포함하는 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 윤활제를 더 포함하는 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법. - 제 10항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 마찰 계수(coefficient of friction)가 0.1 이하인 물질인 파이버 상에 형성된 박막 트랜지스터의 제조 방법.
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