KR20120090380A - 다층 봉지막의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

다층 봉지막의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막의 제조방법, 이를 포함하는 플렉시블 유기 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 다층 봉지막의 유기층은 플라즈마 보강 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 박막으로 증착되고, 무기층은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)에 의해 박막으로 증착되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따라 플라즈마 보강 화학기상증착법과 원자층 증착법을 조합 사용하여 제조된 다층 봉지막은 유연성이 뛰어나고, 이러한 다층 봉지막으로 밀봉된 플렉시블 유기 반도체 소자는 공기 중의 수분이나 산소로부터 안정적인 전기적 특성을 가지는 동시에 굽힘 강도 등의 기계적 특성이 매우 우수하다.

Description

다층 봉지막의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법{METHOD FOR FORMING THIN FILM ENCAPSULATION MULTILAYER AND METHOD FOR FABRICATING FLEXIBLE ORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 유기층/무기층/유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막의 제조방법,이를 포함하는 플렉시블 유기 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유기 반도체 소자는 유기물을 포함하므로 수분이나 산소에 취약하며, 특히 유기물 반도체의 경우 공기 중의 수분이나 산소에 의해 쉽게 산화되거나 도핑되는 효과로 인해 전기적 특성이 열화된다. 이를 방지하기 위해 금속 재질의 캔이나 컵 형태로 제작된 용기 또는 유리나 플라스틱 등으로 이루어진 봉지 기판을 유기 반도체 소자가 형성된 기판과 대향되도록 배치한 후 에폭시와 같은 실런트로 밀봉시킨다.
그러나 이와 같이 용기나 봉지 기판을 사용하는 봉지 기술은 두께가 얇거나 플렉시블한 반도체 소자에는 적용이 어려운 단점이 있다. 이에 두께가 얇거나 플렉시블한 반도체 소자의 밀봉을 위한 박막 봉지 기술 및 봉지막이 제안되었다.
반도체 소자의 밀봉을 위한 봉지막 중 단일층으로 이루어진 봉지막의 경우, 진공증착법, 원자층 증착법 또는 스핀 코팅법을 통해 알루미늄, 알루미나 등의 무기물 소재 또는 폴리비닐알코올, 파릴렌 등의 유기물 소재를 박막으로 형성하는 것이 일반적이나, 무기층으로만 이루어진 봉지막은 유연성이 떨어지는 단점이 있고, 유기층으로만 이루어진 봉지막은 유연하지만 무기물 소재에 비해 수분이나 산소의 침투를 방지하는 베리어 특성이 현저히 떨어지는 단점이 있다. 이후, 무기층과 유기층을 모두 포함하는 다층으로 이루어진 봉지막이 보고되었지만, 이 역시 기계적 벤딩 하에서는 충분한 유연성 확보가 어려웠다. 또한, 이러한 다층 봉지막의 유기층의 성분은 자외선 경화 물질인 경우가 대부분이며, 자외선 경화를 이용한 유기 봉지막은 용액 공정을 이용하기 때문에 용매에 의한 유기 반도체층의 특성 저하로 인해 유기 반도체 소자의 전기적 특성이 변화되거나 경화된 정도에 따라 소자의 굽힘 정도에 따른 유기 봉지막의 유연성이 떨어지고 수명이 감소되는 단점이 있었다. 또한, 세라믹 나노입자와 유기물을 이용한 나노복합 소재의 경우, 박막의 두께를 두껍게 하여 좋은 배리어 특성을 확보하였으나 두꺼운 박막이 유연성 특성을 현저히 떨어뜨린다는 단점이 있다.
따라서, 유연성을 확보하면서 대기중 수분이나 산소로부터 플렉시블 유기 반도체 소자를 효과적으로 밀봉할 수 있는 봉지막의 그 제조방법에 대한 추가 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 유기물 기반의 플렉시블 반도체 소자의 대기 중 수분이나 산소에 의한 특성 저하에 따른 장기적 불안정성을 보완할 수 있는 유연한 다층 봉지막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다층 봉지막을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 봉지 효과와 함께 유연성을 제공할 수 있도록 플라즈마 보강 화학기상증착법과 원자층 증착법을 통해 형성된 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법 및 이에 의해 제조된 플렉시블 유기 반도체 소자를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막의 제조방법으로서, 유기층은 플라즈마 보강 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)에 의해 박막으로 증착되고, 무기층은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition: ALD)에 의해 박막으로 증착되는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제1 유기층 박막; 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성된 무기층 박막; 및 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제2 유기층 박막이 차례로 적층된 다층 봉지막을 제공한다.
본 발명은, 플렉시블 기판 상에 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체, 소스-드레인 전극을 차례로 형성하는 단계; 및 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막을 형성하는 단계로서, 제1 유기층 박막 및 제2 유기층 박막은 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성하고, 무기층 박막은 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 플렉시블 기판; 상기 기판 상에 차례로 형성된 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체 및 소스-드레인 전극으로 이루어지는 유기 전자 소자; 및 상기 유기 전자 소자가 밀봉되도록 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제1 유기층 박막, 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성된 무기층 박막 및 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제2 유기층 박막이 차례로 적층된 다층 봉지막을 포함하는 플렉시블 유기 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 다층 봉지막은, 대기 중의 산소와 수분에 민감한 유기물 기반의 반도체 소자를 효과적으로 밀봉하여 장시간 동안 전기적 특성이 저하되지 않으면서, 투명성과 유연성이 뛰어나 플렉시블 반도체 소자, 예컨대, OLED(유기 발광 다이오드), OTFT(유기 박막 트랜지스터) 등 디스플레이 분야, 유기 센서소자 및 박막 전지 등의 전지 분야에 적용이 가능하다.
본 발명의 다층 봉지막의 제조방법은 비교적 저온에서 제조 공정을 수행할 수 있고, 특히 용액 공정이 필요하지 않아 제조 공정 중 소자의 전기적 특성 저하와 같은 용매로 인한 악영향을 고려할 필요가 없다.
본 발명에 따라 플라즈마 보강 화학기상증착법과 원자층 증착법을 조합 사용하여 제조된 봉지막으로 밀봉된 플렉시블 유기 반도체 소자는 전기적 특성이 안정되고, 굽힘 강도 등의 기계적 특성이 매우 우수하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 유기물 반도체 소자를 제조하는 과정을 설명하는 공정도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 실시예 1과 2에서 제조된 유기 박막 트랜지스터 소자와 적용되지 않은 유기 박막 트랜지스터 소자의 전류 전달 특성을 측정한 그래프이다.
도 2b는 본 발명에 따른 다층 봉지막의 적층 순서에 따라서 X선 회절 분광법(X-Ray Diffraction, XRD)을 이용하여 유기 반도체 층인 펜타센의 결정성을 분석한 그래프이다. 이 결과에서, (1)은 봉지막이 적용되지 않은 경우; (2)는 제1 유기층 증착 후; (3)은 제1 유기층 위에 무기층 증착 후; (4)는 제1 유기층/무기층 위에 제2 유기층 증착 후; (5) 다층 봉지막 증착 후에 150℃에서 3시간 동안 어닐링 한 후의 펜타센의 결정성에 대한 그래프이다.
도 3a는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자에 굽힘 반경 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성을 측정하여 전기적 특성의 이력 현상의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 소자에 굽힘 반경 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성을 측정하여 전기적 특성의 이력 현상의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3c는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자에 굽힘 반경 5 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성을 측정하여 전기적 특성의 이력 현상의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3d는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 소자에 굽힘 반경 5 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성을 측정하여 전기적 특성의 이력 현상의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자에 굽힘 반경 5와 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 점멸비를 측정하여 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 소자에 굽힘 반경 5와 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 점멸비를 측정하여 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자에 굽힘 반경 5와 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성으로부터 분석한 이력 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 소자에 굽힘 반경 5와 10 mm에서 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성으로부터 분석한 이력 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
본 발명은 유기층이 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 박막으로 증착되고, 무기층이 원자층 증착법(ALD)에 의해 박막으로 증착되는 것을 특징으로 하는 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다층 봉지막의 제조방법에 있어서, 유기층은 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의해 박막의 형태로 증착되는 것을 특징으로 하고, 무기층은 원자층 증착법에 의해 박막의 형태로 증착되는 것을 특징으로 하며, 각각의 방법은 이 분야에서 공지된 구체적인 방법에 따라 특별한 제한 없이 수행할 수 있다. 특히, 무기층의 증착 방법에서 원자층 증착법 뿐만 아니라 플라즈마 보강 원자층 증착법(PEALD)을 이용하여 방법도 가능하다.
유기층은 예를 들어, 플라즈마 보강 화학기상증착법을 통해 상온에서 증착하며 메틸시클로헥산(methylcyclohexane, C7H14, MCH)을 13.56MHz의 RF파워의 축전 결합형 플라즈마(CCP)에서 플라즈마 중합화(plasma polymerization)의 방법으로 유기층을 박막 형태로 형성한다. MCH 선구체의 유입은 실린더에 담긴 MCH 용액을 실린더에 감긴 히팅 자킷(heating jacket)으로 온도를 40 내지 60℃, 바람직하게는 약 50℃로 맞추고, 뒤쪽에서 캐리어가스를 통하여 가열된 SUS라인으로 이루어진다. 유기물의 증착은 캐리어가스로 Ar 250~350 sccm(바람직하게 약 300 sccm), 챔버 압력 0.5~1.5 Torr(바람직하게 약 1 Torr), MCH 선구체, RF(약 13.56MHz) 파워를 1000W의 조건에서 실행할 수 있다.
무기층은 상기 유기 봉지막층 일면에 원자 증착법(Atomic Layer Deposition)을 이용하여 얇은 무기물 절연체 층을 증착하여 박막 형태로 형성할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 전구체로서 TMA(Trimethyl Aluminum, Al2(CH3)6)와 산화제(Oxidant)로 순수 증류수(H2O)를 사용하여 기판 온도 150℃를 유지하면서 일정한 주기로 반응기 내로 흘려주면서 알루미늄 산화물 층을 증착할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 유기층, 무기층, 제2 유기층의 순서로 적층하여야 한다. 플라즈마 보강 화학 기상 증착법을 통해 제1 유기층을 형성하는 동안 소자가 플라즈마 분위기에 노출되는 이유로 인해 소자의 특성이 다소 저하된다고 하더라도, 이후 원자층 증착법을 이용하는 무기물 박막을 형성하는 동안의 열처리 효과에 의해 저하된 소자 특성이 다시 향상되기 때문이다. 또한, 제2 유기층의 증착 시에 이미 형성된 제1 유기층과 무기층으로 인하여 플라즈마 분위기에 노출됨으로 인한 소자의 특성 저하의 정도가 극히 미미할 뿐만 아니라, 그로 인한 특성 저하는 추가 열처리 공정을 통해 보완할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 봉지막의 제조방법에 있어서, 유기층은 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의해 박막으로 증착되어야 하므로 유기층의 재료로서 플라즈마 중합이 가능한 물질을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 헥사플루오로프로필렌(hexafluoropropylene), 플루오로카본(fluorocarbon), 폴리테트라플루오로에틸렌(poly-tetrafluoroethylene), 폴리테트라프루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 등을 사용할 수 있다. 특히 바람직하게는 메틸사이클로헥산을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 봉지막의 제조방법에 있어서, 무기층의 재료로서 본 기술 분야에서 반도체 소자의 효과적인 배리어 특성을 제공할 수 있는 것으로 공지된 물질이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, Al2O3, SiO2, Si3N4, TiO2 및 Ta2O5로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 사용한다.
봉지막의 유연성 확보를 위하여 무기층의 두께는 얇을수록 바람직하며, 특히 약 20 ㎚ 두께 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 유연성을 제공하는 유기층 사이에 효과적인 배리어 특성을 제공하는 무기층을 얇은 두께로 도입함으로써 최대한의 유연성 확보가 가능하다.
또한, 다층 봉지막의 두께는 300 ㎚ 이하로 제한하되, 제1 유기층과 제2 유기층의 두께가 동일하면 좋다. 이는 기계적 변형 시 다층 봉지막 내의 무기층에 가해지는 변형력(stress)을 최소화하기 위함이다. 또한, 유기층의 증착 두께가 두꺼워질수록 증착시간 및 플라즈마 내 소자의 노출 시간이 길어짐으로 인한 소자의 전기적 특성 저하를 막기 위함이다.
또한, 본 발명은, 플렉시블 기판 상에 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체, 소스-드레인 전극을 차례로 형성하는 단계; 및 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막을 형성하는 단계로서, 제1 유기층 박막 및 제2 유기층 박막은 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성하고, 무기층 박막은 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 다층 봉지막을 형성한 후, 2×10-6 torr 이하의 진공 챔버내 기판 온도 150℃에서 2?3시간 동안 어닐링하는 단계를 포함한다. 이러한 추가 어닐링 단계는 제 2유기막 증착 후 저하된 전기적 특성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기물 반도체 소자 제조 공정의 일 실시예를 나타낸 공정도이다. 이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 플렉시블 기판(10)을 준비한다. 플렉시블 기판으로서, 플렉시블 특성을 가진 폴리머 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리노보넨(PNB), 사이클로올레핀 폴리머(COP), 사이클로올레핀 코폴리머(COC), 올리고페닐렌 설파이드(OPS), 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 및 산화 다공성 실리콘(OPS)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 사용한다. 이 중 특히 폴리이미드는, 열적, 화학적 안정성, 낮은 유전상수, 높은 전기적 저항, 평면적인 구조, 큰 유연성을 가지면서도 코팅성과 필름 가공성이 좋기 때문에 유연성이 필요한 금속 박막의 기판이나 유기 전자 소재, 보호 코팅 소재로 많이 이용되는 소재이다. 이러한 특성을 갖는 폴리이미드를 전도 금속의 기판이나 대면적 디스플레이의 구동 소자로 사용되는 유기 반도체의 기판으로 사용하면 전기적 신호를 빨리 전할 수 있고, 유연성이 좋기 때문에 플렉시블 디스플레이 소자나 저온 공정을 통한 유기 반도체 소자 제작이 가능하므로 기존의 비슷한 전하 이동도를 가지는 무기물 반도체 소자가 적용되었던 분야에도 응용될 수 있다.
이후, 준비된 플렉시블 기판(10) 상에 게이트 전극(20), 유기물 절연체(30), 유기물 반도체(40), 소스-드레인 전극(50)을 차례로 형성한다. 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체, 소스-드레인 전극은 이 분야에서 공지된 것이라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 유기물 절연체로서는 가교 PVP, PI, PVA 및 에폭시 중 선택된 유기물 폴리머를 사용하는 것이 바람직하고, 유기물 반도체로서는 펜타센을 사용하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 최적의 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명은 하기 실시예에 의하여 그 범위가 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 수정 및 변경이 가능하다.
실시예 1: 본 발명에 따른 다층 봉지막으로 봉지된 유기 박막 트랜지스터의 제조
(1) 기판 준비
125 ㎛의 두께를 가지는 폴리이미드 필름(Du Pont사의 Kapton)을 유기물 기판(10)으로 준비하였다. PMDAODA(Pyromellitic diahydride and oxy dianiline)구조로 되어있는 Kapton H 제품을 사용하였으며, 물리적 성질을 하기 표 1에 나타내었다.
성질 폴리이미드 타입
Kapton H
유전상수(et) 3.5
CTE(10-6/K) 20-36
흡습률(%) 2.0-4.0
인장강도(MPa) 25
연신률(%) 70-75
탄성률(x 106psi) 0.4-0.5
제로-세기 온도(℃) >600
(2) 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체, 소스-드레인 전극의 형성
니켈(Ni)을 사용하여 e-beam 진공 증착 방식을 이용하여 게이트 전극(20)을 형성하였다. 상온에서 진공도 1×10-5 torr이하에서 100 nm 두께로 게이트 전극을 형성하였다. 유기물 절연체(30)로서 가교 PVP(폴리-4-비닐 페놀)를 약 400 nm의 두께로 스핀 코팅하였고, 이때, 유기물 절연체 물질인 가교 PVP는 Sigma-aldrich사의 PVP를 사용하였으며, 가교 PVP는 고순도의 PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate)인 용매에 10wt%의 분말 상태의 PVP 폴리머와 5wt%의 가교-환원제(poly(melamine-co-formaldehyde) methylated)를 용해한 후 스핀 코터로 2000 rpm의 스피드로 코팅함으로써 형성하였다. 이후, 유기물 반도체층(40)으로서 펜타센을 패턴이 형성된 금속 마스크를 사용하여 진공 증착법(thermal evaporator)으로 약 70 ㎚의 두께로 증착하였다. 상기 유기물 반도체층의 증착은 챔버 압력 2×10-6 Torr 이하, DC 전류 15.8 A, 기판 온도 80℃를 유지하는 조건을 가지는 진공 증착법에 의하여 이루어진다.
소스-드레인 전극층(50)은 패턴이 형성된 금속 마스크를 사용하여 진공 증착법을 통해 금(Au)을 약 70 ㎚의 두께로 증착함으로써 형성하였다. 상기 소스-드레인 전극층의 증착은 챔버 압력 2×10-6 Torr 이하, AC 전류 85 A, 상온 증착 조건을 가지는 진공 증착법에 의하여 이루어진다.
(3) 다층 봉지막의 형성
소스-드레인 전극층(50)이 최종적으로 형성된 기판의 상부 전체에 pp-MCH(플라즈마-중합된 메틸사이클로헥산)을 사용하여 실온에서 플라즈마 보강 화학기상증착법을 통해 제1 유기층(60)을 약 100 ㎚의 두께의 박막으로 형성하였다. pp-MCH는 Sigma-aldrich사로부터 입수한 것을 사용하였으며, 제1 유기층의 증착은 챔버 압력 1 Torr, 캐리어가스로 Ar 300 sccm, RF(약 13.56MHz) 파워를 1000W, 상온 증착 조건을 가지는 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의하여 이루어진다. 상기 제1 유기층이 형성된 기판에 Al2O3를 사용하여 원자층 증착법을 통해 무기층(70)을 약 20㎚의 두께로 증착하였다. Al2O3 박막 증착을 위한 알루미늄 프리커서로 TMA는 테크노세미켐사로부터 입수한 것을 사용하였으며, 무기층은 기판 온도 150℃를 유지하는 원자층 증착법에 의하여 이루어진다. 상기 무기층이 형성된 기판에 제1 유기층과 동일한 방식으로 제2 유기층(60)을 약 100 ㎚의 두께로 증착하였다.
실시예 2: 추가 어닐링 처리
실시예 1에서 제조된 봉지막을 진공도 2×10-6 Torr 이하에서 150℃의 온도에서 3시간 동안 추가 어닐링 처리를 실시하였다.
시험예: 전류 전달 특성 및 유연성 평가
본 발명에 따른 플렉시블 유기 반도체 소자에 적용하기 위한 다층 봉지막의 전류 전달 특성을 평가하기 위해, 실시예 1과 2를 통하여 제조된 본 발명의 다층 봉지막이 적용된 유기 박막 트랜지스터 소자와 적용되지 않은 유기 박막 트랜지스터 소자의 전류 전달 특성을 측정하여, 도 2a에 나타내었다. 도 2a에 나타낸 전류밀도-전압 특성 곡선에서 보는 바와 같이, 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자와 적용된 소자를 비교하였을 때 본 발명의 경우가 높은 전류점멸비와 함께 전류 전달 특성이 더 우수함을 알 수 있다. 또한, 다층 봉지막 증착 순서에 따른 유기 반도체 소자의 전기적 특성과 중요한 연관이 있는 펜타센 층의 결정성에 대한 분석을 위하여 각각의 봉지막 증착에 따른 펜타센 층의 결정성을 X선 회절 분광법(X-Ray Diffraction, XRD)을 이용하여 분석한 결과를 도 2b에 나타내었다. 도 2b에서 (1)은 봉지막 증착 전의 펜타센의 결정성을 나타내며 (2)는 제1 유기층 증착 후, (3)은 무기층 증착 후, (4)는 제2 유기층 증착 후, (5)는 열처리 공정 후 펜타센의 결정성을 나타낸다. 결과에서 알 수 있듯이 제1 유기층과 제2 유기층 증착 후에 "(001)" 결정에 대한 피크의 강도가 줄어들었음을 결과로부터 알 수 있다. 이는 유기막 증착 후에 펜타센의 결정성이 저하됨을 나타내며 이에 따라 전체적인 소스-드레인 전류가 감소하는 경향을 보였다. 반면에, 무기막 증착과 열처리 공정 후에 "(001)" 결정에 대한 피크의 강도가 다시 커짐을 확인 할 수 있으며 이로 인해 저하된 전기적 특성이 다시 향상되는 결과를 확인하였다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 소자의 유연성 특성을 평가하기 위해, 본 발명에 따른 다층 봉지막이 적용된 실시예 1에서 제조된 유기 박막 트랜지스터 소자와 적용되지 않은 유기 박막 트랜지스터 소자에 반복적인 굽힘 변형을 인가하면서 전류 전달 특성을 측정하여, 도 3a 내지 도 3d에 각각 나타내었다. 본 발명에서 소자의 반복적인 굽힘 변형을 인가하기위하여 이용된 장치로는 굽힘 속도 분당 120회, 굽힘 횟수 0~105번, 굽힘 반경 10 mm와 5 mm에서 진행하였다. 도 3a 및 도 3b에 나타낸 굽힘 반경 10 mm에서 전류밀도-전압 특성 곡선에서 보는 바와 같이, 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자와 적용된 소자를 비교하였을 때 본 발명의 경우가 반복적인 굽힘 변형에 대해 전류 전달 특성이 안정적임을 확인할 수 있다. 또한, 도 3c 및 도 3d에 나타낸 굽힘 반경 5 mm에서 전류밀도-전압 특성 곡선에서 보는 바와 같이, 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자와 적용된 소자를 비교하였을 때 본 발명의 경우가 반복적인 굽힘 변형에 대해 전류 전달 특성 및 이력 특성이 훨씬 안정적임을 확인할 수 있다.
좀 더 자세한 특성 분석을 위하여, 도 4a 및 도 4b에서는 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자와 적용된 소자에 대한 반복적인 굽힘 변형에 따른 전류 점멸비 특성의 변화를 비교하였다. 이 결과로부터 알 수 있듯이, 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자의 경우 굽힘 반경에 상관없이 전류 점멸비 특성이 저하됨을 보였으나, 다층 봉지막이 적용된 소자는 굽힘 반경 10 mm에서 전류 점멸비 특성이 변화 되지 않는 안정성을 보였다. 그러나 굽힘 반경 5 mm에서는 굽힘 횟수 103번까지는 안정적인 특성을 보였으나 굽힘 횟수 104번부터 전류 점멸비 특성이 저하됨을 확인 하였다.
도 5a 및 도 5b에서는 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자와 적용된 소자에 대한 반복적인 굽힘 변형에 따른 전류 전달 특성으로부터 분석한 이력 특성의 변화를 비교하였다. 이 결과로부터 알 수 있듯이, 다층 봉지막이 적용되지 않은 소자의 경우 굽힘 반경 5 mm에서 이력 특성이 현저히 저하됨을 보였으나, 다층 봉지막이 적용된 소자는 적용되지 않은 소자에 비교하여 굽힘 반경에 상관없이 이력 특성이 크게 변화 되지 않는 훨씬 안정성을 보였다.
10: 플렉시블 기판 20 : 게이트 전극
30: 유기물 절연체 40 : 유기물 반도체
50: 소스-드레인 전극 60: 제1 유기층/제2 유기층
70: 무기층

Claims (18)

  1. 제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막의 제조방법에 있어서,
    유기층은 플라즈마 보강 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의해 박막으로 증착되고,
    무기층은 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)에 의해 박막으로 증착되는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    유기층의 재료가 메틸사이클로헥산, 헥사플루오로프로필렌, 플루오로카본, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    무기층의 재료가 Al2O3, SiO2, Si3N4, TiO2 및 Ta2O5로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    유기층은 실온에서 플라즈마 보강 화학기상증착법에 의해 형성된 플라즈마-중합된 메틸사이클로헥산으로 구성된 박막인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    무기층은 150?200℃에서 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성된 Al2O3으로 구성된 박막인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    무기층은 플라즈마 보강 원자층 증착법(PEALD)에 의해 형성된 박막인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다층 봉지막의 두께가 300 nm 이하이고,
    제1 유기층과 제2 유기층의 두께가 동일한 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    무기층의 두께가 20 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층한 이후 기판 온도 150℃에서 2?3시간 동안 추가 어닐링하는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막의 제조방법.
  10. 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제1 유기층 박막; 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성된 무기층 박막; 및 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제2 유기층 박막이 차례로 적층된 다층 봉지막.
  11. 제10항에 있어서,
    유기층의 재료가 메틸사이클로헥산이고,
    무기층의 재료가 Al2O3인 것을 특징으로 하는 다층 봉지막.
  12. 플렉시블 기판 상에 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체, 소스-드레인 전극을 차례로 형성하는 단계; 및
    제1 유기층/무기층/제2 유기층이 차례로 적층된 다층 봉지막을 형성하는 단계로서, 제1 유기층 박막 및 제2 유기층 박막은 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성하고, 무기층 박막은 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 단계
    를 포함하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    다층 봉지막을 형성한 후, 150 ℃에서 2~3 시간 동안 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 플렉시블 기판은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리 카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리노보넨(PNB), 사이클로올레핀 폴리머(COP), 사이클로올레핀 코폴리머(COC), 올리고페닐렌 설파이드(OPS), 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 및 산화 다공성 실리콘(OPS)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 유기물 절연체로서, 가교 PVP, PVA 및 에폭시 중 선택된 유기물 폴리머를 사용하는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 유기물 반도체로서, 펜타센을 사용하는 것을 특징으로 하는 다층 봉지막으로 봉지된 플렉시블 유기 반도체 소자의 제조방법.
  17. 플렉시블 기판;
    상기 기판 상에 차례로 형성된 게이트 전극, 유기물 절연체, 유기물 반도체 및 소스-드레인 전극으로 이루어지는 유기 전자 소자; 및
    상기 유기 전자 소자가 밀봉되도록 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제1 유기층 박막, 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성된 무기층 박막 및 플라즈마 보강 화학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된 제2 유기층 박막이 차례로 적층된 다층 봉지막을 포함하는 플렉시블 유기 반도체 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다층 봉지막의 유기층의 재료가 메틸사이클로헥산이고,
    무기층의 재료가 Al2O3인 것을 특징으로 하는 플렉시블 유기 반도체 소자.
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