KR20110069772A - 유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터 - Google Patents

유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터 Download PDF

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유키 나카노
히로아키 나카무라
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이데미쓰 고산 가부시키가이샤
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Abstract

하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물:
[화학식 1]
Figure pct00047

화학식 1에서, R1과 R2, 및 R3과 R4는 각각 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여, 화학식 1의 구조는 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가 된다. R1과 R2, 및 R3과 R4가 형성하는 축합환은 치환기를 가져도 좋다.

Description

유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터{COMPOUND FOR ORGANIC THIN-FILM TRANSISTOR AND ORGANIC THIN-FILM TRANSISTOR USING SAME}
본 발명은 유기 박막 트랜지스터용 화합물, 및 그것을 유기 반도체층에 이용한 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(TFT)는 액정 표시 장치 등의 표시용 스위칭 소자로서 널리 이용되고 있다. 대표적인 TFT는 기판 상에 게이트 전극, 절연체층, 반도체층을 이 순서로 갖고, 반도체층 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 갖고 있다. 유기 반도체층이 채널 영역을 이루고 있고, 게이트 전극에 인가되는 전압으로 소스 전극과 드레인 전극간에 흐르는 전류가 제어됨으로써 온/오프(on-off) 동작한다.
종래, 이 TFT는 비정질이나 다결정의 실리콘을 이용하여 제작되고 있었지만, 이러한 실리콘을 이용한 TFT의 제작에 이용되는 CVD 장치는 매우 고액이이서, TFT를 이용한 표시장치 등의 대형화는 제조 비용의 대폭적인 증가를 수반한다는 문제점이 있었다. 또한, 비정질이나 다결정의 실리콘을 성막하는 프로세스는 매우 높은 온도하에서 행해지므로, 기판으로서 사용 가능한 재료의 종류가 한정되어 버리기 때문에, 경량인 수지 기판 등은 사용할 수 없다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 비정질이나 다결정의 실리콘 대신에 유기물을 이용한 TFT(이하, 유기 TFT로 약기하는 경우가 있다)가 제안되어 있다. 유기물로 TFT를 형성할 때에 이용하는 성막 방법으로서 진공 증착법이나 도포법 등이 알려져 있는데, 이들 성막 방법에 의하면, 제조 비용의 상승을 억제하면서 소자의 대형화가 실현 가능해지고, 성막시에 필요하게 되는 프로세스 온도를 비교적 저온으로 할 수 있다. 이 때문에, 유기 TFT에서는, 기판에 이용하는 재료 선택시의 제한이 적다는 이점이 있어 그의 실용화가 기대되고 있고, 활발히 연구 보고가 이루어지고 있다.
유기 TFT에 이용하는 유기물 반도체로서, p형 FET(전계 효과 트랜지스터)의 재료로서는 공액계 폴리머나 싸이오펜 등의 다량체, 금속 프탈로사이아닌 화합물, 펜타센 등의 축합 방향족 탄화수소 등이, 단일체 또는 다른 화합물과의 혼합물 상태로 이용되고 있다. 또한, n형 FET의 재료로서는 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카복실다이안하이드라이드(NTCDA), 11,11,12,12-테트라사이아노나프토-2,6-퀴노다이메테인(TCNNQD), 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카복실다이이미드(NTCDI) 또는 불소화 프탈로사이아닌이 알려져 있다.
한편, 마찬가지로 전기 전도를 이용하는 디바이스로서 유기 전기발광(EL) 소자가 있다. 유기 EL 소자에서는, 일반적으로 100nm 이하의 초박막의 막 두께 방향으로 105V/cm 이상의 강한 전계를 걸어 강제적으로 전하를 흘리고 있는 데 반하여, 유기 TFT의 경우에는, 수 ㎛ 이상의 거리를 105V/cm 이하의 전계에서 고속으로 전하를 흘릴 필요가 있어, 유기 TFT에 이용되는 유기물 자체에 한층 더 전도성이 필요하게 된다. 그러나, 종래의 유기 TFT에서의 상기 화합물은 전계 효과 이동도가 작고 응답 속도가 느려, 트랜지스터로서의 고속 응답성에 문제가 있었다. 또한, 온/오프 비도 작았다.
한편, 여기서 말하는 온/오프 비란, 게이트 전압을 걸었을 때(온)의 소스-드레인간에 흐르는 전류를, 게이트 전압을 걸지 않았을 때(오프)의 소스-드레인간에 흐르는 전류로 나눈 값이고, 온 전류란, 통상 게이트 전압을 증가시켜 소스-드레인간에 흐르는 전류가 포화되었을 때의 전류값(포화 전류)이다.
유기 TFT의 대표적인 재료로서 펜타센을 들 수 있다. 특허문헌 1 및 2에서는 펜타센을 유기 반도체층에 이용한 유기 TFT가 제작되고 있다. 펜타센은 대기 중에서의 안정성이 낮다는 결점이 있기 때문에, 소자 제작 직후에는 매우 높은 이동도를 나타내지만 시간의 경과와 함께 이동도가 저하되었다. 비특허문헌 1에는, 축합 방향환인 피센을 이용한 유기 TFT가 보고되어 있다. 피센은 펜타센보다도 이온화 포텐셜이 낮기 때문에 화합물의 대기 중에서의 산화 안정성이 우수하다는 것이 기재되어 있다. 그러나 피센을 이용하면, 이동도는 1.0cm2/Vs를 나타내지만, 소자의 구동 전압이 -67V로 높은 전압이 필요하다는 등의 결점이 있었다. 또한, 비특허문헌 2에는, 아센다이싸이오펜 화합물의 광학 특성이 나타나 있지만, 유기 TFT의 성능은 나타나 있지 않다.
일본 특허공개 평5-55568호 공보 일본 특허공개 2001-94107호 공보
Journal of the American Chemical Society, 130, 10470(2008) 0rganic Letters, 9, 3571(2007)
본 발명의 목적은, 높은 이동도를 갖고 구동 전압이 낮거나 또는 도포 프로세스에의 적용이 가능한 유기 박막 트랜지스터, 및 그 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해 이용하는 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 안트라센 구조에 방향환을 더 축합함으로써 화합물의 π 공액계를 확대한, 하기 화학식 1로 표시되는 유기 화합물이, 높은 이동도를 갖고 구동 전압이 낮은 유기 박막 트랜지스터의 재료로서 적합하다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
Figure pct00001
화학식 1에서, R1과 R2, 및 R3과 R4는 각각 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여, 화학식 1의 구조는 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가 된다. R1과 R2, 및 R3과 R4가 형성하는 축합환은 치환기를 갖고 있어도 좋고, 상기 치환기는 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 2의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
Figure pct00002
화학식 2에서, R5∼R10은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
R5와 R6, R6과 R7, R8과 R9, 또는 R9와 R10은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼54의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼54의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 3의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
Figure pct00003
화학식 3에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R11∼R16, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
R11과 R12, R12와 R13, R14와 R15, 또는 R15와 R16은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼52의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼52의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 재료는 상기 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함한다.
또한, 본 발명은 유기 박막 트랜지스터의 유기층용으로 사용할 수 있는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
또한, 상기 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은, 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층, 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 반도체층이, 상기 화학식 1∼3의 구조를 갖는 유기 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 4로 표시되는 축합환 화합물을 제공하는 것이다.
Figure pct00004
화학식 4에서, R20, R21은 각각 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 2∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가져도 좋다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 5로 표시되는 유기 화합물을 제공하는 것이다.
Figure pct00005
화학식 5에서, R30, R31은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R30, R31이 모두 수소 원자인 경우는 없다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 6으로 표시되는 유기 화합물을 제공하는 것이다.
Figure pct00006
화학식 6에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R40∼R41, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다.
R40과 R42, 또는 R41과 R43은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
또한, 본 발명은 하기 화학식 7로 표시되는 유기 화합물을 제공하는 것이다.
Figure pct00007
화학식 7에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R50, R51, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R50, R51이 모두 수소 원자인 경우는 없다.
본 발명에 의하면, 높은 이동도를 갖고 구동 전압이 낮거나 또는 도포 프로세스에의 적용이 가능한 유기 박막 트랜지스터, 및 그 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해 이용하는 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
[화학식 1]
Figure pct00008
화학식 1에서, R1과 R2, 및 R3과 R4는 각각 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여, 화학식 1의 구조는 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가 된다. R1과 R2, 및 R3과 R4가 형성하는 축합환은 치환기를 갖고 있어도 좋고, 상기 치환기는 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
바람직하게는, R1과 R2 및 R3과 R4가 결합한 5∼7의 방향족환이 축합된 구조이다.
인접하는 2개의 기가 결합해, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환을 형성할 때, 탄소수 6∼60은 이들 기가 결합되는 환의 탄소를 2개 포함한다. 인접하는 2개의 기가 결합해, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성할 때, 탄소수 3∼60은 이들 기가 결합되는 환의 탄소를 2개 포함한다.
상기 방향족 탄화수소환의 구체예로서는, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 크라이센, 페난트렌, 테트라센 등을 들 수 있다.
상기 방향족 헤테로환의 구체예로서는, 피리딘, 피라진, 퀴놀린, 나프티리딘, 퀴녹살린, 페나진, 다이아자안트라센, 피리도퀴놀린, 피리미도퀴나졸린, 피라지노퀴녹살린, 페난트롤린, 카바졸, 싸이오펜, 벤조싸이오펜, 다이벤조싸이오펜, 벤조다이싸이오펜, [1]벤조싸이에노[3,2-b]벤조싸이오펜, 싸이에노싸이오펜, 다이싸이에노싸이오펜, 퓨란, 벤조퓨란, 다이벤조퓨란, 벤조다이퓨란, 싸이아졸, 벤조싸이아졸, 다이싸이아인다센, 다이싸이아인데노인덴, 다이벤조셀레노펜, 다이셀레나인다센, 다이셀레나인데노인덴, 다이벤조실롤 등을 들 수 있다.
화학식 1에 나타내는 바와 같은, 5 이상의 방향족환이 축합되어 큰 π 공액 구조를 가져 π 공액 구조의 평면성이 높은 분자는, 분자간 상호작용이 강해지기 때문에, 유기 트랜지스터의 반도체층으로서 이용한 경우 높은 성능이 얻어진다. 이러한 관점에서, 치환기는 결정성을 손상시키지 않도록 축합환에 결합되는 것이 바람직하다.
화학식 1에서, 상기 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가, 하기에 나타내는 검은 동그라미를 중심으로 하여 점 대칭이면, 분자간 상호작용이 강해져 결정성이 높아지기 때문에 바람직하다.
Figure pct00009
나아가, 5 이상의 방향족환이 축합된 구조와, 거기에 결합되는 치환기도 포함시킨 화학식 1에 나타내는 구조가, 상기에 나타내는 검은 동그라미를 중심으로 하여 점 대칭이면 더 바람직하다.
축합환이 치환기를 가지면, 이 화합물을 용해하여 도포할 수 있게 되기 때문에 바람직하다. 직쇄상 치환기이면 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은 하기 화학식 2의 구조를 갖는다.
[화학식 2]
Figure pct00010
화학식 2에서, R5∼R10은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
R5와 R6, R6과 R7, R8과 R9, 또는 R9와 R10은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼54의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼54의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
상기 탄소수 6∼54의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼54의 방향족 헤테로환에 결합되는 치환기의 예로서, 화학식 1의 축합환에 결합되는 치환기와 동일한 것을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은 하기 화학식 3의 구조를 갖는다.
[화학식 3]
Figure pct00011
화학식 3에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R11∼R16, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
R11과 R12, R12와 R13, R14와 R15, 또는 R15와 R16은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼52의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼52의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
상기 탄소수 6∼52의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼52의 방향족 헤테로환에 결합되는 치환기의 예로서, 화학식 1의 축합환에 결합되는 치환기와 동일한 것을 들 수 있다.
본 발명의 축합환 화합물 하기 화학식 4의 구조를 갖는다. 이 화합물은 화학식 1의 화합물에 포함된다.
[화학식 4]
Figure pct00012
화학식 4에서, R20, R21은 각각 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 2∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가져도 좋다.
본 발명의 축합환 화합물은 하기 화학식 5의 구조를 갖는다. 이 화합물은 화학식 1의 화합물에 포함된다.
[화학식 5]
Figure pct00013
화학식 5에서, R30, R31은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R30, R31이 모두 수소 원자인 경우는 없다.
본 발명의 축합환 화합물은 하기 화학식 6의 구조를 갖는다. 이 화합물은 화학식 1의 화합물에 포함된다.
[화학식 6]
Figure pct00014
화학식 6에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R40∼R41, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다.
R40과 R42, 또는 R41과 R43은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.
본 발명의 축합환 화합물은 하기 화학식 7의 구조를 갖는다. 이 화합물은 화학식 1의 화합물에 포함된다.
[화학식 7]
Figure pct00015
화학식 7에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R50, R51, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R50, R51이 모두 수소 원자인 경우는 없다.
화학식 1∼7에서 축합환에 결합되는 치환기는 바람직하게는 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
이하, 화학식 1∼7에서 축합환에 결합되는 치환기의 구체예를 설명한다.
상기 할로젠 원자로서는, 불소, 염소, 브롬 및 요오드 원자를 들 수 있다.
상기 알킬기로서는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 아이소프로필기, n-뷰틸기, s-뷰틸기, 아이소뷰틸기, t-뷰틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-데실기, n-운데실기, n-도데실기, n-트라이데실기, n-테트라데실기, n-펜타데실기, n-헥사데실기, n-헵타데실기, n-옥타데실기, n-노나데실기, n-아이코세인기, n-헨아이코세인기, n-도코세인기, n-트라이코세인기, n-테트라코세인기, n-펜타코세인기, n-헥사코세인기, n-헵타코세인기, n-옥타코세인기, n-노나코세인기, n-트라이아콘테인기 등을 들 수 있다.
상기 할로알킬기로서는, 예컨대 클로로메틸기, 1-클로로에틸기, 2-클로로에틸기, 2-클로로아이소뷰틸기, 1,2-다이클로로에틸기, 1,3-다이클로로아이소프로필기, 2,3-다이클로로-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이클로로프로필기, 브로모메틸기, 1-브로모에틸기, 2-브로모에틸기, 2-브로모아이소뷰틸기, 1,2-다이브로모에틸기, 1,3-다이브로모아이소프로필기, 2,3-다이브로모-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이브로모프로필기, 요오도메틸기, 1-요오도에틸기, 2-요오도에틸기, 2-요오도아이소뷰틸기, 1,2-다이요오도에틸기, 1,3-다이요오도아이소프로필기, 2,3-다이요오도-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이요오도프로필기, 플루오로메틸기, 1-플루오로메틸기, 2-플루오로메틸기, 2-플루오로아이소뷰틸기, 1,2-다이플루오로에틸기, 다이플루오로메틸기, 트라이플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 퍼플루오로아이소프로필기, 퍼플루오로뷰틸기, 퍼플루오로사이클로헥실기 등을 들 수 있다.
상기 알콕실기는 -OY1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는 상기 알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있으며, 상기 할로알콕실기는 -OY2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는 상기 할로알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다.
상기 알킬싸이오기는 -SY1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는 상기 알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있으며, 상기 할로알킬싸이오기는 -SY2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는 상기 할로알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다.
상기 알킬아미노기는 -NHY1로 표시되는 기이고, 다이알킬아미노기는 -NY1Y3으로 표시되는 기이며, Y1 및 Y3의 예로서는 각각 상기 알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다. 한편, 다이알킬아미노기의 알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋고, 환 구조로서는 예컨대 피리딘, 피페리딘 등을 들 수 있다.
상기 알킬설폰일기는 -SO2Y1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는 상기 알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있으며, 상기 할로알킬설폰일기는 -SO2Y2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는 상기 할로알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다.
상기 방향족 탄화수소기 및 방향족 헤테로환기의 예로서는 방향족 탄화수소환 및 방향족 헤테로환에서 든 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다.
상기 알킬실릴기는 -SiY1Y3Y4로 표시되는 기이고, Y1, Y3 및 Y4의 예로서는 각각 상기 알킬기에서 설명한 것과 마찬가지의 예를 들 수 있다.
상기 알킬실릴아세틸렌기는 상기 알킬실릴기로 표시되는 기를 에타인일렌기로 결합한 기이고, 트라이메틸실릴아세틸렌기, 트라이에틸실릴아세틸렌기, 트라이아이소프로필실릴아세틸렌기 등을 들 수 있다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 이용하는 특정 구조를 갖는 유기 화합물은, 기본적으로는 p형(정공 전도) 및 n형(전자 전도)을 나타내는 양 극성이고, 후술하는 소스, 드레인 전극과의 조합으로 p형 소자로서도 n형 소자로서도 구동하는 것이 가능하다.
화학식 1∼7에서 축합환에 결합되는 치환기로서 전자 수용성 기를 이용함으로써, 최저 비점유 궤도(LUMO) 레벨을 낮춰 n형 반도체로서 기능시킬 수 있다. 전자 수용성 기로서 바람직한 것은 수소 원자, 할로젠 원자, 사이아노기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기이다. 또한, 화학식 1에서 축합환에 결합되는 치환기, 화학식 2에서 R6, R7로서 전자 공여성 기를 이용함으로써, 최고 점유 궤도(HOMO) 레벨을 높여 p형 반도체로서 기능시킬 수 있다. 전자 공여성 기로서 바람직한 것은 수소 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(아미노기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하고 있어도 좋다)이다.
화학식 1∼7에서 축합환에 결합되는 치환기가 나타내는 각 기를 더 치환하고 있어도 좋은 치환기로서는, 방향족 탄화수소기, 방향족 헤테로환기, 알킬기, 알콕시기, 할로알킬기, 알킬싸이오기, 알킬설폰일기, 아릴옥시기, 아릴싸이오기, 알콕시카보닐기, 아미노기, 할로젠 원자, 사이아노기, 나이트로기, 하이드록실기, 카복실기 등을 들 수 있다.
이하, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물의 구체예를 들지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
Figure pct00016
Figure pct00017
Figure pct00018
Figure pct00019
Figure pct00020
Figure pct00021
Figure pct00022
Figure pct00023
Figure pct00024
Figure pct00025
Figure pct00026
본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은 공지된 방법, 예컨대 하기 반응 (A)와 같은 전이 금속을 이용한 스즈키(Suzuki) 커플링 반응, (B)와 같은 구리 촉매를 이용한 소노가시라(Sonogashira) 반응 및 탈실릴화 반응, (C)와 같은 전이 금속을 이용한 고리화 반응, (D)와 같은 전이 금속을 이용한 네기시(Negishi) 커플링 반응에 의해 합성할 수 있다.
Figure pct00027
한편, 트랜지스터와 같은 전자 디바이스에 있어서는, 재료의 순도가 높은 것을 이용함으로써 전계 효과 이동도나 온/오프 비가 높은 디바이스를 얻을 수 있다. 따라서 필요에 따라, 컬럼 크로마토그래피, 재결정, 증류, 승화 등의 수법에 의해 정제를 가하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 이들 정제 방법을 반복 이용하거나 복수의 방법을 조합함으로써 순도를 향상시키는 것이 가능하다. 나아가 정제의 최종 공정으로서 승화 정제를 적어도 2회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 이들 수법을 이용함으로써 HPLC로 측정한 순도 90% 이상의 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 95% 이상, 특히 바람직하게는 99% 이상의 재료를 이용함으로써, 유기 박막 트랜지스터의 전계 효과 이동도나 온/오프 비를 높여, 본래 재료가 가지고 있는 성능을 도출할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성에 관하여 설명한다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성은, 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층, 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 박막 트랜지스터이다. 그리고, 유기 반도체층이 상술한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
트랜지스터의 구조는 특별히 한정되지 않고, 유기 반도체층의 성분 이외가, 공지된 소자 구성을 갖는 것이어도 좋다. 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 구체예를 도면을 이용하여 설명한다.
도 1∼도 4는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1의 유기 박막 트랜지스터(1)는 기판(10) 상에, 상호 소정의 간격을 두고 대향하도록 형성된 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다. 그리고, 소스 전극(11), 드레인 전극(12) 및 그들 사이의 간극을 덮도록 유기 반도체층(13)이 형성되고, 추가로 절연체층(14)이 적층되어 있다. 절연체층(14)의 상부이고, 또한 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12) 사이의 간극 상에 게이트 전극(15)이 형성되어 있다.
도 2의 유기 박막 트랜지스터(2)는 기판(10) 상에 게이트 전극(15) 및 절연체층(14)을 이 순서로 갖고, 절연체층(14) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖고, 그 위에 유기 반도체층(13)이 형성된다. 유기 반도체층(13)이 채널 영역을 이루고 있고, 게이트 전극(15)에 인가되는 전압으로 소스 전극(11)과 드레인 전극(12)간에 흐르는 전류가 제어됨으로써 온/오프 동작한다.
도 3의 유기 박막 트랜지스터(3)는 기판(10) 상에 게이트 전극(15), 절연체층(14) 및 유기 반도체층(13)을 이 순서로 갖고, 유기 반도체층(13) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다.
도 4의 유기 박막 트랜지스터(4)는 기판(10) 상에 유기 반도체층(13)을 갖고, 유기 반도체층(13) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다. 그리고, 추가로 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 이 순서로 갖고 있다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 구조를 갖고 있다. 상술한 바와 같이, 전극의 위치, 층의 적층 순서 등에 따라 몇 가지 구성이 있다. 유기 박막 트랜지스터는, 유기 반도체층(유기 화합물층)과, 상호 소정의 간격을 두고 대향하도록 형성된 소스 전극 및 드레인 전극과, 소스 전극, 드레인 전극으로부터 각각 소정의 거리를 두고 형성된 게이트 전극을 갖고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 소스-드레인 전극간에 흐르는 전류를 제어한다. 여기서, 소스 전극과 드레인 전극의 간격은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용하는 용도에 따라 결정되고, 통상은 0.1㎛∼1mm, 바람직하게는 1㎛∼100㎛, 더 바람직하게는 5㎛∼100㎛이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 상기의 소자 구성 외에도, 유기 박막 트랜지스터로서 여러 가지 구성이 제안되어 있고, 게이트 전극에 인가되는 전압으로 소스 전극과 드레인 전극간에 흐르는 전류가 제어됨으로써 온/오프 동작이나 증폭 등의 효과가 발현되는 기구이면 이들의 소자 구성에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 산업기술종합연구소의 요시다(Yoshida) 등에 의해 문헌 [제49회 응용물리학 관계 연합 강연회 강연예고집 27a-M-3(2002년 3월)]에서 제안된 상하부 콘택트(top and bottom contact)형 유기 박막 트랜지스터(도 5 참조)나, 지바(Chiba) 대학의 구도(Kudo) 등에 의해 문헌 [전기학회 논문지 118-A(1998) 1440페이지]에서 제안된 종형(縱形) 유기 박막 트랜지스터(도 6 참조)와 같은 소자 구성을 갖는 것이어도 좋다.
이하, 유기 박막 트랜지스터의 구성 부재에 관하여 설명한다.
(유기 반도체층)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 유기 반도체층은 상술한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함한다. 유기 반도체층의 막 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 통상 0.5nm∼1㎛이고, 2nm∼250nm이면 바람직하다.
또한, 유기 반도체층의 형성 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고 공지된 방법을 적용할 수 있으며, 예컨대 분자선 증착법(MBE법), 진공 증착법, 화학 증착, 재료를 용매에 녹인 용액의 디핑법, 스핀 코팅법, 캐스팅법, 바 코팅법, 롤 코팅법, 잉크 젯법 등의 인쇄, 도포법, 및 베이킹, 일렉트로폴리머라이제이션(electopolymerization), 분자빔 증착, 용액으로부터의 셀프 어셈블리, 및 이들을 조합한 수단에 의해, 상기한 바와 같은 유기 반도체층의 재료로 형성된다.
유기 반도체층의 결정성을 향상시키면 전계 효과 이동도가 향상되므로, 성막 방법에 불문하고 성막 후에 어닐링을 실시하면 고성능 디바이스가 얻어지기 때문에 바람직하다. 어닐링의 온도는 50∼200℃가 바람직하고, 70∼200℃이면 더 바람직하고, 시간은 10분∼12시간이 바람직하고, 1∼10시간이면 더 바람직하다.
본 발명에 있어서, 유기 반도체층에는, 화학식 1로 표시되는 화합물의 1종류를 이용하여도 좋고, 복수를 조합하거나, 펜타센이나 싸이오펜 올리고머 등의 공지된 반도체를 이용하여 복수의 혼합 박막으로 하여도 좋고, 또는 적층하여 사용하여도 좋다.
(기판)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 기판은 유기 박막 트랜지스터의 구조를 지지하는 역할을 담당하는 것이고, 재료로서는 유리 외에 금속 산화물이나 질화물 등의 무기 화합물, 플라스틱 필름(PET, PES, PC)이나 금속 기판 또는 이들의 복합체나 적층체 등도 이용하는 것이 가능하다. 또한, 기판 이외의 구성 요소에 의해 유기 박막 트랜지스터의 구조를 충분히 지지할 수 있는 경우에는, 기판을 사용하지 않는 것도 가능하다. 또한, 기판의 재료로서는 실리콘(Si) 웨이퍼가 이용되는 경우가 많다. 이 경우, Si 자체를 게이트 전극겸 기판으로서 이용할 수 있다. 또한, Si의 표면을 산화시켜 SiO2를 형성하여 절연층으로서 활용하는 것도 가능하다. 이 경우, 기판겸 게이트 전극의 Si 기판에 리드선 접속용의 전극으로서, Au 등의 금속층을 성막하는 경우도 있다.
(전극)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로서는, 도전성 재료이면 특별히 한정되지 않고, 백금, 금, 은, 니켈, 크로뮴, 구리, 철, 주석, 안티몬납, 탄탈럼, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 저마늄, 몰리브덴, 텅스텐, 산화주석·안티몬, 산화인듐·주석(ITO), 불소 도핑 산화아연, 아연, 탄소, 흑연, 글래시 카본, 은 페이스트 및 카본 페이스트, 리튬, 베릴륨, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 스칸듐, 타이타늄, 망간, 지르코늄, 갈륨, 니오븀, 나트륨, 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘, 리튬, 알루미늄, 마그네슘/구리 혼합물, 마그네슘/은 혼합물, 마그네슘/알루미늄 혼합물, 마그네슘/인듐 혼합물, 알루미늄/산화알루미늄 혼합물, 리튬/알루미늄 혼합물 등이 이용된다.
상기 전극의 형성 방법으로서는, 예컨대 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 대기압 플라즈마법, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 전착, 무전해 도금, 스핀 코팅, 인쇄 또는 잉크 젯 등의 수단을 들 수 있다. 또한, 필요에 따라 패터닝하는 방법으로서는, 상기 방법을 이용하여 형성한 도전성 박막을, 공지된 포토리쏘그래프법이나 리프트 오프법을 이용하여 전극 형성하는 방법, 알루미늄이나 구리 등의 금속박 상에 열 전사, 잉크 젯 등에 의해 레지스트를 형성하여 에칭하는 방법 등이 있다.
이렇게 하여 형성된 전극의 막 두께는 전류가 도통(導通)된다면 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는 0.2nm∼10㎛, 더 바람직하게는 4nm∼300nm의 범위이다. 이 바람직한 범위 내이면, 막 두께가 얇음에 따라 저항이 높아져 전압 강하가 생기는 일이 없다. 또한, 지나치게 두껍지 않기 때문에 막 형성에 시간이 걸리지 않고, 보호층이나 유기 반도체층 등 다른 층을 적층하는 경우에 단차가 생기는 일이 없이 적층막이 원활히 형성된다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 다른 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극 및 그의 형성 방법으로서는, 상기 도전성 재료를 포함하는 용액, 페이스트, 잉크, 분산액 등의 유동성 전극 재료를 이용하는 것, 특히 도전성 폴리머, 또는 백금, 금, 은, 구리를 함유하는 금속 미립자를 포함하는 유동성 전극 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 용매나 분산 매체로서는, 유기 반도체에의 손상을 억제하기 위해, 물을 60질량% 이상, 바람직하게는 90질량% 이상 함유하는 용매 또는 분산 매체인 것이 바람직하다. 금속 미립자를 함유하는 분산물로서는, 예컨대 공지된 도전성 페이스트 등을 이용하여도 좋지만, 통상 입자 직경이 0.5nm∼50nm, 1nm∼10nm인 금속 미립자를 함유하는 분산물이면 바람직하다. 이 금속 미립자의 재료로서는, 예컨대 백금, 금, 은, 니켈, 크로뮴, 구리, 철, 주석, 안티몬납, 탄탈럼, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 저마늄, 몰리브덴, 텅스텐, 아연 등을 이용할 수 있다. 이들 금속 미립자를, 주로 유기 재료로 이루어지는 분산 안정제를 이용하여 물이나 임의의 유기 용제인 분산매 중에 분산시킨 분산물을 이용하여 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 금속 미립자의 분산물 제조 방법으로서는, 가스 중 증발법, 스퍼터링법, 금속 증기 합성법 등의 물리적 생성법이나, 콜로이드법, 공침법 등의 액상에서 금속 이온을 환원시켜 금속 미립자를 생성하는 화학적 생성법을 들 수 있고, 바람직하게는 일본 특허공개 평11-76800호 공보, 동 11-80647호 공보, 동 11-319538호 공보, 일본 특허공개 2000-239853호 공보 등에 제시된 콜로이드법, 일본 특허공개 2001-254185호 공보, 동 2001-53028호 공보, 동 2001-35255호 공보, 동 2000-124157호 공보, 동 2000-123634호 공보 등에 기재된 가스 중 증발법에 의해 제조된 금속 미립자의 분산물이다.
이들 금속 미립자 분산물을 이용하여 직접 잉크 젯법에 의해 패터닝하여도 좋고, 도공막으로부터 리쏘그래프나 레이저 어브레이젼(abrasion) 등에 의해 형성하여도 좋다. 또한 볼록판, 오목판, 평판, 스크린 인쇄 등의 인쇄법으로 패터닝하는 방법도 이용할 수 있다. 상기 전극을 성형하고, 용매를 건조시킨 후, 필요에 따라 100℃∼300℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 범위에서 형상을 따라 가열함으로써 금속 미립자를 열 융착시켜, 원하는 형상을 갖는 전극 패턴을 형성할 수 있다.
나아가, 다른 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로서, 도핑 등으로 도전율을 향상시킨 공지된 도전성 폴리머를 이용하는 것도 바람직하고, 예컨대 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, 도전성 폴리싸이오펜(폴리에틸렌 다이옥시싸이오펜과 폴리스타이렌 설폰산의 착체 등), 폴리에틸렌 다이옥시싸이오펜(PEDOT)과 폴리스타이렌 설폰산의 착체 등도 적합하게 이용된다. 이들 재료에 의해 소스 전극과 드레인 전극의 유기 반도체층과의 접촉 저항을 저감할 수 있다. 이들의 형성 방법도 잉크 젯법에 의해 패터닝하여도 좋고, 도공막으로부터 리쏘그래프나 레이저 어브레이젼 등에 의해 형성하여도 좋다. 또한 볼록판, 오목판, 평판, 스크린 인쇄 등의 인쇄법으로 패터닝하는 방법도 이용할 수 있다.
특히 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 재료는, 전술한 예 중에서도 유기 반도체층과의 접촉면에서 전기 저항이 적은 것이 바람직하다. 이 때의 전기 저항은, 즉 전류 제어 디바이스를 제작했을 때 전계 효과 이동도와 대응하고 있어, 큰 이동도를 얻기 위해서는 가능한 한 저항이 작은 것이 필요하다. 이는 일반적으로 전극 재료의 일함수와 유기 반도체층의 에너지 준위의 대소 관계로 결정된다.
전극 재료의 일함수(W)를 a, 유기 반도체층의 이온화 포텐셜을(Ip)을 b, 유기 반도체층의 전자 친화력(Af)을 c로 하면, 이하의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다. 여기서, a, b 및 c는 모두 진공 준위를 기준으로 하는 양의 값이다.
p형 유기 박막 트랜지스터의 경우에는, b-a<1.5eV(식 (I))인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 b-a<1.0eV이다. 유기 반도체층과의 관계에 있어서 상기 관계를 유지할 수 있으면 고성능인 디바이스를 얻을 수 있지만, 특히 전극 재료의 일함수는 가능한 한 큰 것을 선택하는 것이 바람직하고, 일함수 4.0eV 이상인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 일함수 4.2eV 이상이다. 금속의 일함수 값은 예컨대 문헌 [화학편람 기초편 II-493페이지(개정 3판 일본화학회 편집 마루젠주식회사 발행 1983년)]에 기재되어 있는 4.0eV 또는 그 이상의 일함수를 갖는 유효 금속의 상기 리스트로부터 선별하면 좋고, 고일함수 금속은 주로 Ag(4.26, 4.52, 4.64, 4.74eV), Al(4.06, 4.24, 4.41eV), Au(5.1, 5.37, 5.47eV), Be(4.98eV), Bi(4.34eV), Cd(4.08eV), Co(5.0eV), Cu(4.65eV), Fe(4.5, 4.67, 4.81eV), Ga(4.3eV), Hg(4.4eV), Ir(5.42, 5.76eV), Mn(4.1eV), Mo(4.53, 4.55, 4.95eV), Nb(4.02, 4.36, 4.87eV), Ni(5.04, 5.22, 5.35eV), Os(5.93eV), Pb(4.25eV), Pt(5.64eV), Pd(5.55eV), Re(4.72eV), Ru(4.71eV), Sb(4.55, 4.7eV), Sn(4.42eV), Ta(4.0, 4.15, 4.8eV), Ti(4.33eV), V(4.3eV), W(4.47, 4.63, 5.25eV), Zr(4.05eV) 등이다.
이들 중에서도, 귀금속(Ag, Au, Cu, Pt), Ni, Co, Os, Fe, Ga, Ir, Mn, Mo, Pd, Re, Ru, V, W가 바람직하다. 금속 이외로는, ITO, 폴리아닐린이나 PEDOT:PSS와 같은 도전성 폴리머 및 탄소가 바람직하다. 전극 재료로서는 이들 고일함수의 물질을 1종 또는 복수 포함하고 있어도 일함수가 상기 식 (I)을 만족하면 특별히 제한을 받는 것은 아니다.
n형 유기 박막 트랜지스터의 경우에는 a-c<1.5eV(식 (II))인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 a-c<1.0eV이다. 유기 반도체층과의 관계에 있어서 상기 관계를 유지할 수 있으면 고성능인 디바이스를 얻을 수 있지만, 특히 전극 재료의 일함수는 가능한 한 작은 것을 선택하는 것이 바람직하고, 일함수 4.3eV 이하인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 일함수 3.7eV 이하이다.
저일함수 금속의 구체예로서는, 예컨대 문헌 [화학편람 기초편 II-493페이지(개정 3판 일본화학회 편집 마루젠주식회사 발행 1983년)]에 기재되어 있는 4.3eV 또는 그 이하의 일함수를 갖는 유효 금속의 상기 리스트로부터 선별하면 좋고, Ag(4.26eV), Al(4.06, 4.28eV), Ba(2.52eV), Ca(2.9eV), Ce(2.9eV), Cs(1.95eV), Er(2.97eV), Eu(2.5eV), Gd(3.1eV), Hf(3.9eV), In(4.09eV), K(2.28), La(3.5eV), Li(2.93eV), Mg(3.66eV), Na(2.36eV), Nd(3.2eV), Rb(4.25eV), Sc(3.5eV), Sm(2.7eV), Ta(4.0, 4.15eV), Y(3.1eV), Yb(2.6eV), Zn(3.63eV) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, Ba, Ca, Cs, Er, Eu, Gd, Hf, K, La, Li, Mg, Na, Nd, Rb, Y, Yb, Zn이 바람직하다. 전극 재료로서는 이들 저일함수의 물질을 1종 또는 복수 포함하고 있어도 일함수가 상기 식 (II)를 만족하면 특별히 제한을 받는 것은 아니다. 단, 저일함수 금속은 대기 중의 수분이나 산소에 닿으면 용이하게 열화되어 버리기 때문에, 필요에 따라 Ag나 Au와 같은 공기 중에서 안정한 금속으로 피복하는 것이 바람직하다. 피복에 필요한 막 두께는 10nm 이상 필요하며, 막 두께가 두꺼워질수록 과연 산소나 물로부터 보호할 수 있지만 실용상 생산성을 높이는 등의 이유에서 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에서는, 예컨대 주입 효율을 향상시킬 목적으로, 유기 반도체층과 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 버퍼층을 설치하여도 좋다. 버퍼층으로서는 n형 유기 박막 트랜지스터에 대해서는 유기 EL의 음극에 사용되는 LiF, Li2O, CsF, NaCO3, KCl, MgF2, CaCO3 등의 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 이온 결합을 가지는 화합물이 바람직하다. 또한, Alq 등 유기 EL에서 전자 주입층, 전자 수송층으로서 이용되는 화합물을 삽입하여도 좋다.
p형 유기 박막 트랜지스터에 대해서는 FeCl3, TCNQ, F4-TCNQ, HAT 등의 사이아노 화합물, CFx나 GeO2, SiO2, MoO3, V2O5, VO2, V2O3, MnO, Mn3O4, ZrO2, WO3, TiO2, In2O3, ZnO, NiO, HfO2, Ta2O5, ReO3, PbO2 등의 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 이외의 금속 산화물, ZnS, ZnSe 등의 무기 화합물이 바람직하다. 이들 산화물은 많은 경우 산소 결손을 일으키고, 이것이 정공 주입에 적합하다. 나아가 TPD나 NPD 등의 아민계 화합물이나 CuPc 등 유기 EL 소자에 있어서 정공 주입층, 정공 수송층으로서 이용되는 화합물이어도 좋다. 또한, 상기 화합물 2종류 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
버퍼층은 캐리어의 주입 장벽을 낮춤으로써 역치 전압을 낮춰 트랜지스터를 저전압 구동시키는 효과가 있다는 것이 알려져 있지만, 우리들은 본 발명의 화합물에 대해서는 저전압 효과뿐만 아니라 이동도를 향상시키는 효과가 있다는 것을 발견했다. 이는, 유기 반도체와 절연체층의 계면에는 캐리어 트랩(trap)이 존재하고 게이트 전압을 인가해 캐리어 주입이 일어나면 최초에 주입한 캐리어는 트랩을 메우는 데 사용되지만, 버퍼층을 삽입함으로써 저전압으로 트랩이 메워지고 이동도가 향상되기 때문이다. 버퍼층은 전극과 유기 반도체층 사이에 얇게 존재하면 좋고, 그 두께는 0.1nm∼30nm, 바람직하게는 0.3nm∼20nm이다.
(절연체층)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 절연체층의 재료로서는, 전기 절연성을 갖고 박막으로서 형성할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 금속 산화물(규소의 산화물을 포함함), 금속 질화물(규소의 질화물을 포함함), 고분자, 유기 저분자 등 실온에서의 전기 저항률이 10Ωcm 이상인 재료를 이용할 수 있고, 특히 비유전율이 높은 무기 산화물 피막이 바람직하다.
무기 산화물로서는, 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈럼, 산화타이타늄, 산화주석, 산화바나듐, 타이타늄산바륨스트론튬, 지르코늄산타이타늄산바륨, 지르코늄산타이타늄산납, 타이타늄산납란타늄, 타이타늄산스트론튬, 타이타늄산바륨, 불화바륨마그네슘, 란타늄 산화물, 불소 산화물, 마그네슘 산화물, 비스무트 산화물, 타이타늄산비스무트, 니오븀 산화물, 타이타늄산스트론튬비스무트, 탄탈럼산스트론튬비스무트, 오산화탄탈럼, 탄탈럼산니오븀산비스무트, 트라이옥사이드이트륨 및 이들을 조합한 것 등을 들 수 있고, 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈럼, 산화타이타늄이 바람직하다.
또한, 질화규소(Si3N4, SixNy(x, y>O)), 질화알루미늄 등의 무기 질화물도 적합하게 이용할 수 있다.
나아가, 절연체층은, 알콕사이드 금속을 포함하는 전구 물질로 형성되어 있어도 좋고, 이 전구 물질의 용액을, 예컨대 기판에 피복하고, 이를, 열 처리를 포함하는 화학 용액 처리를 함으로써 절연체층이 형성된다.
상기 알콕사이드 금속에 있어서의 금속은 예컨대 전이 금속, 란타노이드 또는 주족 원소로부터 선택되고, 구체적으로는 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 타이타늄(Ti), 비스무트(Bi), 탄탈럼(Ta), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 납(Pb), 란타늄(La), 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 니오븀(Nb), 탈륨(Tl), 수은(Hg), 구리(Cu), 코발트(Co), 로듐(Rh), 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 알콕사이드 금속에 있어서의 알콕사이드로서는, 예컨대 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 아이소뷰탄올 등을 포함하는 알코올류, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올, 뷰톡시에탄올, 펜톡시에탄올, 헵톡시에탄올, 메톡시프로판올, 에톡시프로판올, 프로폭시프로판올, 뷰톡시프로판올, 펜톡시프로판올, 헵톡시프로판올을 포함하는 알콕시알코올류 등으로부터 유도되는 것을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 절연체층을 상기한 바와 같은 재료로 구성하면, 절연체층 중에 분극이 발생하기 쉬워져 트랜지스터 동작의 문턱 전압을 저감시킬 수 있다. 또한, 상기 재료 중에서도, 특히 Si3N4, SixNy, SiONx(x, y>O) 등의 질화규소로 절연체층을 형성하면, 공핍층이 한층 더 발생하기 쉬워져 트랜지스터 동작의 문턱 전압을 더욱 저감시킬 수 있다.
유기 화합물을 이용한 절연체층으로서는, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리아크릴레이트, 광 라디칼 중합계, 광 캐티온(photocationic) 중합계의 광 경화성 수지, 아크릴로나이트릴 성분을 함유하는 공중합체, 폴리바이닐페놀, 폴리바이닐알코올, 노볼락 수지, 및 사이아노에틸 풀룰란 등을 이용할 수도 있다.
그 밖에, 왁스, 폴리에틸렌, 폴리클로로피렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리바이닐 클로라이드, 폴리불화 바이닐리덴, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리이미드사이아노에틸 풀룰란, 폴리(바이닐페놀)(PVP), 폴리(메틸 메타크레트)(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스타이렌(PS), 폴리올레핀, 폴리아크릴아마이드, 폴리(아크릴산), 노볼락 수지, 레졸 수지, 폴리이미드, 폴리자일릴렌, 에폭시 수지에 더하여, 풀룰란 등의 높은 유전율을 가지는 고분자 재료를 사용하는 것도 가능하다.
절연체층에 이용하는 유기 화합물 재료, 고분자 재료로서, 특히 바람직한 것은 발수성(撥水性)을 갖는 재료이다. 발수성을 가짐으로써 절연체층과 유기 반도체층의 상호작용을 억제하여, 유기 반도체가 본래 보유하고 있는 응집성을 이용해 유기 반도체층의 결정성을 높여 디바이스 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 예로서는, 문헌 [Yasuda 등 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42(2003) pp. 6614-6618]에 기재된 폴리파라자일릴렌 유도체나 문헌 [Janos Veres 등 Chem. Mater., Vol. 16(2004) pp. 4543-4555]에 기재된 것을 들 수 있다.
또한, 도 1 및 도 4에 나타내는 바와 같은 상부 게이트 구조를 이용할 때에 이러한 유기 화합물을 절연체층의 재료로서 이용하면, 유기 반도체층에 주는 손상을 적게 하여 성막할 수 있기 때문에 유효한 방법이다.
상기 절연체층은, 상술한 바와 같은 무기 또는 유기 화합물 재료를 복수 이용한 혼합층이어도 좋고, 이들의 적층 구조체이어도 좋다. 이 경우, 필요에 따라 유전율이 높은 재료와 발수성을 갖는 재료를 혼합하거나 적층함으로써 디바이스의 성능을 제어할 수도 있다.
또한, 상기 절연체층은 양극 산화막이거나, 또는 이 양극 산화막을 구성으로서 포함하여도 좋다. 양극 산화막은 구멍 밀봉 처리되는 것이 바람직하다. 양극 산화막은, 양극 산화가 가능한 금속을 공지된 방법에 의해 양극 산화시킴으로써 형성된다. 양극 산화 처리 가능한 금속으로서는, 알루미늄 또는 탄탈럼을 들 수 있고, 양극 산화 처리 방법에는 특별히 제한은 없고 공지된 방법을 이용할 수 있다. 양극 산화 처리를 행함으로써 산화 피막이 형성된다. 양극 산화 처리에 이용되는 전해액으로서는, 다공질 산화 피막을 형성할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 사용할 수 있고, 일반적으로는 황산, 인산, 옥살산, 크로뮴산, 붕산, 설팜산, 벤젠설폰산 등, 또는 이들을 2종 이상 조합한 혼합산 또는 그들의 염이 이용된다. 양극 산화의 처리 조건은 사용하는 전해액에 따라 여러 가지로 변화되기 때문에 일률적으로 특정할 수 없지만, 일반적으로는 전해액의 농도 1∼80질량%, 전해액의 온도 5∼70℃, 전류 밀도 0.5∼60A/cm2, 전압 1∼100볼트, 전해 시간 10초∼5분의 범위가 적당하다. 바람직한 양극 산화 처리는 전해액으로서 황산, 인산 또는 붕산의 수용액을 이용하여 직류 전류로 처리하는 방법이지만, 교류 전류를 이용할 수도 있다. 이들 산의 농도는 5∼45질량%인 것이 바람직하고, 전해액의 온도 20∼50℃, 전류 밀도 0.5∼20A/cm2로 20∼250초간 전해 처리하는 것이 바람직하다.
절연체층의 두께로서는, 층의 두께가 얇으면 유기 반도체에 인가되는 실효 전압이 커지기 때문에 디바이스 자체의 구동 전압, 문턱 전압을 낮출 수 있지만, 반대로 소스-게이트간 누설 전류가 커지기 때문에 적절한 막 두께를 선택할 필요가 있고, 통상 10nm∼5㎛, 바람직하게는 50nm∼2㎛, 더 바람직하게는 100nm∼1㎛이다.
또한, 상기 절연체층과 유기 반도체층 사이에 임의의 배향 처리를 실시하여도 좋다. 그의 바람직한 예는, 절연체층 표면에 발수화(撥水化) 처리 등을 실시하여 절연체층과 유기 반도체층의 상호작용을 저감시켜 유기 반도체층의 결정성을 향상시키는 방법이고, 구체적으로는 실레인 커플링제, 예컨대 헥사메틸다이실라제인, 옥타데실트라이클로로실레인, 트라이클로로메틸실라제인이나, 알케인인산, 알케인설폰산, 알케인카복실산 등의 자기 조직화 배향막 재료를, 액상 또는 기상 상태에서 절연막 표면에 접촉시켜 자기 조직화 막을 형성한 후, 적절히 건조 처리를 실시하는 방법을 들 수 있다. 또한, 액정의 배향에 이용되는 바와 같이, 절연막 표면에 폴리이미드 등으로 구성된 막을 설치하여, 그 표면을 러빙(rubbing) 처리하는 방법도 바람직하다.
상기 절연체층의 형성 방법으로서는, 진공 증착법, 분자선 에피택셜 성장법, 이온 클러스터 빔법, 저에너지 이온 빔법, 이온 플레이팅법, CVD법, 스퍼터링법, 일본 특허공개 평11-61406호 공보, 동 11-133205호 공보, 일본 특허공개 2000-121804호 공보, 동 2000-147209호 공보, 동 2000-185362호 공보에 기재된 대기압 플라즈마법 등의 건식 프로세스나, 스프레이 코팅법, 스핀 코팅법, 블레이드 코팅법, 딥 코팅법, 캐스팅법, 롤 코팅법, 바 코팅법, 다이 코팅법 등의 도포에 의한 방법, 인쇄나 잉크 젯 등의 패터닝에 의한 방법 등의 습식 프로세스를 들 수 있고, 재료에 따라 사용할 수 있다. 습식 프로세스는, 무기 산화물의 미립자를, 임의의 유기 용제 또는 물에 필요에 따라 계면 활성제 등의 분산 보조제를 이용하여 분산시킨 액을 도포, 건조하는 방법이나, 산화물 전구체, 예컨대 알콕사이드체의 용액을 도포, 건조하는, 이른바 졸 겔법이 이용된다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 형성 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고 공지된 방법에 의하면 좋지만, 원하는 소자 구성에 따라, 기판 투입, 게이트 전극 형성, 절연체층 형성, 유기 반도체층 형성, 소스 전극 형성, 드레인 전극 형성까지의 일련의 소자 제작 공정을 전혀 대기에 닿는 일 없이 형성하면, 대기와의 접촉에 의한 대기 중의 수분이나 산소 등에 의한 소자 성능의 저해를 방지할 수 있기 때문에 바람직하다. 부득이 한번 대기에 닿게 해야 할 때는, 유기 반도체층 성막 이후의 공정은 대기에 전혀 닿게 하지 않는 공정으로 하고, 유기 반도체층 성막 직전에는, 유기 반도체층을 적층하는 면(예컨대 소자 B의 경우는 절연층에 일부 소스 전극, 드레인 전극이 적층된 표면)을 자외선 조사, 자외선/오존 조사, 산소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 등으로 청정화·활성화한 후, 유기 반도체층을 적층하는 것이 바람직하다. 또한, p형 TFT 재료 중에는 일단 대기에 닿게 하여 산소 등을 흡착시킴으로써 성능이 향상되는 것도 있기 때문에, 재료에 따라서는 적절히 대기에 닿게 할 수 있다.
나아가, 예컨대 대기 중에 포함되는 산소, 물 등의 유기 반도체층에 대한 영향을 고려하여, 유기 트랜지스터 소자 외주면의 전체면 또는 일부에 가스 배리어층을 형성하여도 좋다. 가스 배리어층을 형성하는 재료로서는, 이 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있고, 예컨대 폴리바이닐알코올, 에틸렌-바이닐알코올 공중합체, 폴리염화바이닐, 폴리염화바이닐리덴, 폴리클로로트라이플루오로에틸렌 등을 들 수 있다. 나아가, 상기 절연체층에서 예시한, 절연성을 갖는 무기물도 사용할 수 있다.
본 발명에서는, 소스 전극-드레인 전극간을 흐르는 전류를 이용하여 발광하고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 발광을 제어하는 유기 박막 발광 트랜지스터를 제공할 수 있다. 즉, 유기 박막 트랜지스터를 발광 소자(유기 EL)로서 이용할 수 있다. 발광을 제어하기 위한 트랜지스터와 발광 소자를 통합할 수 있기 때문에, 디스플레이의 개구율 향상이나 제작 프로세스의 간이화에 의한 비용 절감이 가능해져 실용상 큰 장점을 부여한다. 유기 발광 트랜지스터로서 이용할 때는, 소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽으로부터 정공, 다른 한쪽으로부터 전자를 주입할 필요가 있고, 발광 성능을 향상시키기 위해 이하의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 박막 발광 트랜지스터에서는, 정공의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽은 정공 주입성 전극인 것이 바람직하다. 정공 주입 전극이란 상기 일함수 4.2eV 이상의 물질을 포함하는 전극이다.
또한, 전자의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽은 전자 주입성 전극인 것이 바람직하다. 전자 주입성 전극이란 상기 일함수 4.3eV 이하의 물질을 포함하는 전극이다.
더 바람직하게는 한쪽이 정공 주입성이고, 또한 다른 한쪽이 전자 주입성인 전극을 구비하는 유기 박막 발광 트랜지스터이다.
또한, 정공의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽의 전극과 유기 반도체층 사이에 정공 주입층을 삽입하는 것이 바람직하다. 정공 주입층에는 유기 EL 소자에서 정공 주입 재료, 정공 수송 재료로서 이용되는 아민계 재료를 이용할 수 있다.
또한, 전자의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽 전극과 유기 반도체층간에 전자 주입성 층을 삽입하는 것이 바람직하다. 정공과 마찬가지로 전자 주입층에는 유기 EL 소자에 이용되는 전자 주입 재료를 이용할 수 있다.
더 바람직하게는 한쪽의 전극에 정공 주입층을 구비하고, 또한 다른 한쪽의 전극에 전자 주입층을 구비하는 유기 박막 발광 트랜지스터이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용한 장치란, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용하는 장치이면 좋고, 예컨대 회로, 퍼스널 컴퓨터, 디스플레이, 휴대전화 등이다.
[실시예]
다음으로, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1(화합물 (A-3)의 합성)
화합물 (A-3)을 이하와 같이 하여 합성했다.
Figure pct00028
반응기에 다이브로모다이요오도벤젠 5.0g(10.3mmol), 테트라키스트라이페닐포스핀 팔라듐(0) 0.60g(0.515mmol), 4-에틸페닐보론산 3.1g(20.6mmol)의 다이메톡시에터 용액 62ml를 넣고, 여기에 2M 탄산나트륨 수용액 31ml를 가하고, 반응 혼합물을 70℃에서 8시간 가열 환류시켰다. 반응 혼합물을 여과하고, 물, 메탄올로 세정하여 화합물 (a)의 조(粗) 정제물 3.2g(수율 70%)을 얻었다. 이를 그대로 다음 반응에 이용했다.
Figure pct00029
반응기에 화합물 (a) 3.2g(7.2mmol), 테트라키스트라이페닐포스핀 팔라듐(0) 0.42g(0.36mmol), 요오드화구리(I) 0.12g(0.72mmol)의 트라이에틸아민 용액 15ml를 넣고, 여기에 트라이메틸실릴아세틸렌 1.56g(15.8mmol)을 가하고, 반응 혼합물을 80℃에서 16시간 가열 환류시켰다. 반응 혼합물을 여과하고, 메탄올, 헥세인으로 세정하여 조 정제물을 얻었다. 얻어진 조 정제물에 탄산칼륨 2.2g(15.8mmol)의 메탄올/테트라하이드로퓨란 혼합 용액 25ml와 물 1.0ml를 가하고, 실온에서 5시간 교반했다. 반응 혼합물을 여과하고, 여과액을 포화 식염수로 세정하고, 감압 증류 제거하여 조 정제물을 얻었다. 이 조 정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인:아세트산에틸)로 정제하여 화합물 (b) 1.9g(수율 80%)을 얻었다.
Figure pct00030
화합물 (b) 1.9g(5.68mmol)과 염화백금 0.076g(0.284mmol)의 톨루엔 용액 20ml를 혼합하고, 이를 120℃에서 20시간 가열 환류시켰다. 반응 혼합물을 여과하고, 다이클로로메테인으로 세정하여 조 정제물을 얻었다. 얻어진 조 정제물을 승화 정제하여 화합물 (A-3) 1.1g(수율 60%)을 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, C26H22에 대한 계산치=334, 실측치, m/z=334(M+, 100)
<FD-MS 측정>
장치: HX110(일본전자사제)
조건: 가속 전압 8kV
스캔 범위 m/z=50∼1500
실시예 2(화합물 (A-20)의 합성)
실시예 1에서 이용한 4-에틸페닐보론산 대신에 4-도데실옥시페닐보론산을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 화합물 (A-20)을 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, C46H62O2에 대한 계산치=646, 실측치, m/z=646(M+, 100)
<FD-MS 측정>
장치: HX110(일본전자사제)
조건: 가속 전압 8kV
스캔 범위 m/z=50∼1500
실시예 3∼12(화합물 (A-7)∼(A-16)의 합성)
실시예 1에서 이용한 4-에틸페닐보론산 대신에 대응하는 4-알킬페닐보론산을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 화합물 (A-7)∼(A-16)을 얻었다.
한편, 4-알킬페닐보론산은 문헌 [Journal of the American Chemical Society, 107, 2380(1985), Chemistry-A European Journal, 7, 2197(2001)]에 기재된 방법 등을 이용하여 합성할 수 있다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
화합물 (A-7)
FD-MS, C34H38에 대한 계산치=446, 실측치, m/z=446(M+, 100)
화합물 (A-8)
FD-MS, C36H42에 대한 계산치=474, 실측치, m/z=474(M+, 100)
화합물 (A-9)
FD-MS, C38H46=502에 대한 계산치, 실측치, m/z=502(M+, 100)
화합물 (A-10)
FD-MS, C40H50에 대한 계산치=530, 실측치, m/z=530(M+, 100)
화합물 (A-11)
FD-MS, C42H54에 대한 계산치=558, 실측치, m/z=558(M+, 100)
화합물 (A-12)
FD-MS, C44H58에 대한 계산치=586, 실측치, m/z=586(M+, 100)
화합물 (A-13)
FD-MS, C46H62에 대한 계산치=614, 실측치, m/z=614(M+, 100)
화합물 (A-14)
FD-MS, C48H66에 대한 계산치=642, 실측치, m/z=642(M+, 100)
화합물 (A-15)
FD-MS, C50H70에 대한 계산치=670, 실측치, m/z=670(M+, 100)
화합물 (A-16)
FD-MS, C52H74에 대한 계산치=698, 실측치, m/z=698(M+, 100)
실시예 13(화합물 (C-9)의 합성)
Figure pct00031
반응기에 2-브로모-6-옥틸나프탈렌 5.0g(16mmol)의 테트라하이드로퓨란 용액 100ml를 넣고, -78℃로 냉각하고, 노멀 뷰틸리튬(1.60M) 10ml를 적하하고, 1시간 교반했다. 반응 용액에 붕산트라이아이소프로필 3.0g(16.0mmol)을 적하하고, 1시간 교반한 후, 반응 혼합물에 묽은 염산을 가하고, 여과하고, 물로 세정한 후, 건조시켜 화합물 (c)의 조 정제물 2.5g(수율 55%)을 얻었다.
이하, 실시예 1에서 이용한 4-에틸페닐보론산 대신에 여기서 얻어진 보론산(c)을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 화합물 (C-9)를 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
화합물 (C-9)
FD-MS, C46H50에 대한 계산치=602, 실측치, m/z=602(M+, 100)
실시예 14(화합물 (C-13)의 합성)
실시예 13에서 이용한 2-브로모-6-옥틸나프탈렌 대신에 2-브로모-6-도데실나프탈렌을 이용한 것 이외는 실시예 13과 마찬가지로 하여 화합물 (C-13)을 얻었다.
한편, 2-브로모-6-알킬나프탈렌은 문헌 [Helvetica Chimica Acta, 68, 1406(1985)]에 기재된 방법 등을 이용하여 합성할 수 있다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
화합물 (C-13)
FD-MS, C54H66에 대한 계산치=714, 실측치, m/z=714(M+, 100)
실시예 15(화합물 (B-9)의 합성)
Figure pct00032
반응기에 5-브로모벤조싸이오펜 15g(72mmol), 테트라키스트라이페닐포스핀 팔라듐(0) 1.0g(0.86mmol), 요오드화구리(I) 0.29g(1.7mmol)의 트라이에틸아민 용액 150ml를 넣고, 여기에 옥타인 11g(100mmol)을 가하고, 반응 혼합물을 80℃에서 16시간 가열 환류시켰다. 반응 혼합물을 여과하고, 여과액을 포화 식염수로 세정하고, 용매를 감압 증류 제거하여 조 정제물을 얻었다. 이 조 정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인)로 정제하여 화합물 (d) 13g(수율 75%)을 얻었다.
Figure pct00033
반응기에 화합물 (d) 13g(54mmol)의 톨루엔 150ml를 넣고, 5% 탄소 담지 팔라듐 1.0g을 가하고, 수소(1기압)하 반응 혼합물을 80℃에서 10시간 교반했다. 반응 혼합액을 여과하고, 여과액으로부터 용매를 감압 증류 제거하여 조 정제물을 얻었다. 이 조 정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인)로 정제하여 화합물 (e) 12g(수율 92%)을 얻었다.
Figure pct00034
반응기에 화합물 (e) 12g(49mmol)의 테트라하이드로퓨란 용액 100ml를 넣고, -78℃로 냉각하고, 노멀 뷰틸리튬(1.60M) 31ml를 적하하고, 1시간 교반했다. 반응 용액에 붕산트라이아이소프로필 9.2g(49mmol)을 적하하고, 1시간 교반한 후, 반응 혼합물에 묽은 염산을 가하고, 여과하고, 물로 세정한 후, 건조시켜 화합물 (f)의 조 정제물 8.5g(수율 60%)을 얻었다.
이하, 실시예 1에서 이용한 4-에틸페닐보론산 대신에 여기서 얻어진 보론산(f)을 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 화합물 (B-9)를 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
화합물 (B-9)
FD-MS, C42H46S2에 대한 계산치=614, 실측치, m/z=614(M+, 100)
실시예 16(화합물 (B-44)의 합성)
실시예 15에서 이용한 5-브로모벤조싸이오펜 대신에 6-브로모벤조싸이오펜을 이용한 것 이외는 실시예 15와 마찬가지로 하여 화합물 (B-44)를 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
화합물 (B-44)
FD-MS, C50H62S2에 대한 계산치=726, 실측치, m/z=726(M+, 100)
실시예 17(화합물 (D-9)의 합성)
Figure pct00035
반응기에 4-브로모-2-옥틸싸이오펜 21.0g(76.3mmol), 탈수 테트라하이드로퓨란 200ml를 가하여-78℃로 냉각하고, 터셔리-뷰틸리튬(1.76M) 100ml를 적하했다. -78℃에서 2시간 반 동안 교반한 후, 염화아연 62.3g(457mmol)을 탈수 테트라하이드로퓨란 300ml에 용해시켜 적하하고, -78℃에서 30분 교반하여 실온으로 되돌렸다. 반응기에 추가로 다이브로모다이요오도벤젠 16.8g(34.4mmol), 테트라키스트라이페닐포스핀 팔라듐(0) 5.3g(4.6mmol)을 가하고, 5시간 가열 환류시켰다. 반응 혼합물에 순수(純水)를 가하고, 다이클로로메테인에 의해 추출함으로써 화합물 (g)의 조 정제물을 얻었다. 이 조 정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인)로 정제하여 화합물 (g) 11.4g(수율 53%)을 얻었다.
실시예 1에서 이용한 화합물 (a) 대신에 상기에서 합성한 화합물 (g)를 이용한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 화합물 (D-9)를 얻었다.
FD-MS(장 탈착 질량 분석)의 측정에 의해 목적물임을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, C34H42S2에 대한 계산치=514, 실측치, m/z=514(M+, 100)
실시예 18(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 박막 트랜지스터를 이하의 순서로 제작했다. 우선, Si 기판(p형 비저항 1Ωcm 게이트 전극 겸용)을 열 산화법으로 표면을 산화시켜 기판 상 300nm의 열 산화막을 제작해 절연체층으로 했다. 추가로 기판의 한쪽에 성막한 SiO2막을 드라이 에칭으로 완전히 제거한 후, 스퍼터링법으로 크로뮴을 20nm의 막 두께로 성막하고, 추가로 그 위에 금(Au)을 100nm 스퍼터링에 의해 성막하여 취출 전극으로 했다. 이 기판을, 중성 세제, 순수, 아세톤 및 에탄올로 각 30분 초음파 세정하고, 추가로 오존 세정을 행했다.
다음으로, 상기 기판을 헥사메틸다이실라제인 분위기하에서 3시간 가열함으로써 기판의 표면 처리를 행했다. 이 표면 처리를 행한 기판을 진공 증착 장치(ULVAC사제, EX-400)에 설치하고, 절연체층 상에 상기 화합물 (A-3)을 0.05nm/s의 증착 속도로 50nm 막 두께의 유기 반도체층으로서 성막했다. 이어서, 금속 마스크를 통해 금을 50nm의 막 두께로 성막함으로써, 서로 접하지 않는 소스 전극 및 드레인 전극을, 간격(채널 길이 L)이 75㎛가 되도록 형성했다. 그 때 소스 전극과 드레인 전극의 폭(채널 폭 W)은 5mm가 되도록 성막하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다(도 3 참조).
얻어진 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 -70V의 게이트 전압 VG를 인가하고, 소스-드레인간에 전압을 인가하여 전류를 흘렸다. 이 경우, 정공이 유기 반도체층의 채널 영역(소스-드레인간)에 유발되어 p형 트랜지스터로서 동작했다. 그 결과, 전류 포화 영역에서의 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프 비는 2×106이었다. 또한, 정공의 전계 효과 이동도 μ, 및 게이트 역치 전압 VT를 하기 식 (A)로부터 산출한 바, 각각 1.5cm2/Vs, 및 -50V였다.
ID=(W/2L)·Cμ·(VG-VT)2 (A)
식 중, ID는 소스-드레인간 전류, W는 채널 폭, L은 채널 길이, C는 게이트 절연체층의 단위 면적당 전기 용량, VT는 게이트 역치 전압, VG는 게이트 전압이다.
실시예 19(도포 프로세스에 의한 유기 박막 트랜지스터의 제조)
실시예 18과 마찬가지로 기판 세정, 게이트 전극 성막, 절연체층 성막을 행했다. 이어서, 화합물 (A-20)을 클로로폼에 0.5질량% 용해시키고, 상기 절연체층까지 성막한 기판 상에 스핀 코터(미카사(Mikasa)사제: 1H-D7)로 성막하여, 질소 분위기하 80℃에서 건조시켜 유기 반도체층으로서 성막했다. 이어서, 진공 증착 장치로 금속 마스크를 통해 금(Au)을 50nm의 막 두께로 성막함으로써, 서로 접하지 않는 소스 및 드레인 전극 형성하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 얻어진 유기 박막 트랜지스터에 대해, 실시예 18과 마찬가지로 하여 -70V의 게이트 전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프를 측정하고, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 20(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유리 기판을 중성 세제, 순수, 아세톤 및 에탄올로 각 30분 초음파 세정한 후, 스퍼터링법으로 금(Au)을 40nm 성막하여 게이트 전극을 제작했다. 이어서, 이 기판을 열 CVD 장치의 성막부에 세팅했다. 한편, 원료의 증발부에는, 절연체층의 원료인 폴리파라자일렌 유도체[폴리파라염화자일렌(Parylene)](상품명: diX-C, 다이산 가세이제) 250mg을 페트리 접시에 넣어 설치했다. 열 CVD 장치를 진공 펌프로 진공으로 하여 5Pa까지 감압한 후, 증발부를 180℃, 중합부를 680℃까지 가열하고 2시간 방치하여 게이트 전극 상에 두께 1㎛의 절연체층을 형성했다.
다음으로, 기판을 진공 증착 장치(ULVAC사제, EX-400)에 설치하고, 절연체층 상에 화합물 (A-9)를 0.05nm/s의 증착 속도로 50nm 막 두께의 유기 반도체층으로서 성막했다. 이후는 실시예 18과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하고, -70V의 게이트 전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프를 측정하고, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 21∼25
화합물 (A-9) 대신에 화합물 (A-13), (A-14), (A-15), (B-9), (C-9)를 각각 이용한 것 외는 실시예 20과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하고, 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 26(도포 프로세스에 의한 유기 박막 트랜지스터의 제조)
실시예 20과 마찬가지로 기판 세정, 게이트 전극 성막, 절연체층 성막을 행했다. 이어서 화합물 (A-13)을 클로로폼에 0.5중량% 용해시키고, 상기 절연체층까지 성막한 기판 상에 스핀 코터(미카사사제: 1H-D7)로 성막하고, 질소 분위기하 80℃에서 건조시켜 유기 반도체층으로서 성막했다. 이후는 실시예 20과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하고, -70V의 게이트 전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프를 측정하고, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 27∼29
화합물 (A-13) 대신에 화합물 (A-14), (A-15), (D-9)를 각각 이용한 것 외는 실시예 26과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하고, 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 1(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 반도체층의 재료로서 화합물 (A-3) 대신에 하기 비교 화합물 (1)을 이용한 것 이외는 실시예 18과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 얻어진 유기 박막 트랜지스터에 대해, 실시예 18과 마찬가지로 하여 -70V의 게이트 전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프 비를 측정하고, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00036
비교예 2(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 반도체층의 재료로서 화합물 (A-20) 대신에 상기 비교 화합물 (1)을 이용한 것 이외는 실시예 19와 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 단, 비교 화합물 (1)은 클로로폼에 완전히 용해되지 않기 때문에 현탁액을 이용하여 성막을 행했다. 얻어진 소자는 유기 박막 트랜지스터로서의 특성을 나타내지 않았다.
비교예 3(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 반도체층의 재료로서 화합물 (A-9) 대신에 상기 비교 화합물 (1)을 이용한 것 이외는 실시예 20과 마찬가지로 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 얻어진 유기 박막 트랜지스터에 대해, 실시예 18과 마찬가지로 하여 -70V의 게이트 전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극간 전류의 온/오프 비를 측정하고, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00037
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 화합물은 유기 박막 트랜지스터의 유기 반도체층의 재료로서 사용할 수 있다. 본 발명의 화합물을 유기 반도체층에 이용하면, 이동도가 높고, 응답 속도(구동 속도)가 고속이고, 게다가 온/오프 비가 큰 유기 박막 트랜지스터가 얻어진다. 또한, 이 유기 박막 트랜지스터는, 발광 가능한 유기 박막 발광 트랜지스터로서도 이용할 수 있다.
상기에 본 발명의 실시형태 및/또는 실시예를 몇 가지 상세하게 설명했지만, 당업자는 본 발명의 신규한 교시 및 효과로부터 실질적으로 벗어나는 일 없이 이들 예시적인 실시형태 및/또는 실시예에 많은 변경을 가하는 것이 용이하다. 따라서, 이들 많은 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 명세서에 기재된 문헌의 내용을 모두 여기에 원용한다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    [화학식 1]
    Figure pct00038

    [화학식 1에서, R1과 R2, 및 R3과 R4는 각각 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여, 화학식 1의 구조는 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가 된다. R1과 R2, 및 R3과 R4가 형성하는 축합환은 치환기를 갖고 있어도 좋고, 상기 치환기는 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.]
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 5 이상의 방향족환이 축합된 구조가, 하기에 나타내는 검은 동그라미를 중심으로 하여 점 대칭인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    Figure pct00039
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 구조가, 하기에 나타내는 검은 동그라미를 중심으로 하여 점 대칭인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    Figure pct00040
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 구조가, 5∼7의 방향족환이 축합된 구조인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  5. 하기 화학식 2의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    [화학식 2]
    Figure pct00041

    [화학식 2에서, R5∼R10은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
    R5와 R6, R6과 R7, R8과 R9, 또는 R9와 R10은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼54의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼54의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.]
  6. 하기 화학식 3의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    [화학식 3]
    Figure pct00042

    [화학식 3에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R11∼R16, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 더 가져도 좋다.
    R11과 R12, R12와 R13, R14와 R15, 또는 R15와 R16은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼52의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼52의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.]
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터용 재료.
  8. 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층, 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 반도체층이, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터
  9. 제 8 항에 있어서,
    소스-드레인간을 흐르는 전류를 이용하여 발광하고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 발광을 제어하는 유기 박막 트랜지스터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    소스 전극 및 드레인 전극 중 한쪽이 일함수 4.2eV 이상의 물질로 이루어지고, 다른 쪽이 일함수 4.3eV 이하의 물질로 이루어지는 유기 박막 트랜지스터.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소스 및 드레인 전극과 유기 반도체층 사이에 버퍼층을 갖는 유기 박막 트랜지스터.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터를 구비한 장치.
  13. 하기 화학식 4로 표시되는 축합환 화합물.
    [화학식 4]
    Figure pct00043

    [화학식 4에서, R20, R21은 각각 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 2∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가져도 좋다.]
  14. 하기 화학식 5로 표시되는 유기 화합물.
    [화학식 5]
    Figure pct00044

    [화학식 5에서, R30, R31은 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R30, R31이 모두 수소 원자인 경우는 없다.]
  15. 하기 화학식 6로 표시되는 유기 화합물.
    [화학식 6]
    Figure pct00045

    [화학식 6에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R40∼R41, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다.
    R40과 R42, 또는 R41과 R43은 서로 결합하여, 이들 기가 결합되는 환에 축합되는 치환 또는 비치환된 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소환 또는 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환을 형성하여도 좋다.]
  16. 하기 화학식 7로 표시되는 유기 화합물.
    [화학식 7]
    Figure pct00046

    [화학식 7에서, X는 각각 O, S 또는 N-Z이다. R50, R51, Z는 각각 수소 원자, 할로젠 원자, 탄소수 1∼30의 알킬기, 탄소수 1∼30의 할로알킬기, 탄소수 1∼30의 알콕실기, 탄소수 1∼30의 할로알콕실기, 탄소수 1∼30의 알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 할로알킬싸이오기, 탄소수 1∼30의 알킬아미노기, 탄소수 2∼60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하여도 좋다), 탄소수 1∼30의 알킬설폰일기, 탄소수 1∼30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6∼60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3∼60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3∼20의 알킬실릴기, 탄소수 5∼60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 갖고 있어도 좋다. 단, R50, R51이 모두 수소 원자인 경우는 없다.]
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