WO2012047042A2 - 미세 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 미세 채널 트랜지스터 및 미세 채널 발광트랜지스터의 형성방법 - Google Patents

미세 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 미세 채널 트랜지스터 및 미세 채널 발광트랜지스터의 형성방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method of forming a fine pattern using an organic wire or an organic-inorganic hybrid wire, and more particularly, to a method of forming a fine pattern using an organic wire or an organic-inorganic hybrid wire as a patterning mask and an electronic device using the same. It relates to a method of forming.
  • the nanowire electrode made through this method has a nanogap having a size of at least 5 nm, which is advantageous in terms of fabrication of high resolution nanoscale devices.
  • the process has the following problems. 1) The process can not accurately control the position and direction of the nano-gap because the nano-wires are randomly sprayed. The process cannot be used for the integration of nanoscale devices because the arrangement and orientation of nanoscale devices must be adjustable to regularly arrange the nanoscale devices. 2) In order to make a device using the metal nanowires produced by the above process, it is necessary to deposit a probe electrode at both ends of the metal nanowires. This requires the use of expensive E-beam lithography techniques, making the process unsuitable for large area or mass production. 3) The above process is poor in reproducibility, so it is difficult to apply to actual devices.
  • a method of forming a fine pattern may include forming an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section on a substrate; Forming a material layer on an entire surface of the substrate on which the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern is formed; And removing the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern from the substrate such that only the material layer of the portion where the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern is not formed remains. It includes.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or oval cross section may include electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing, meniscus-guided direct writing, It can be prepared using melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning, or electrospinning.
  • the electric field assisted robotic nozzle printer used in the electric field assisted robotic nozzle printing method includes a solution storage device for supplying a solution for discharging, a nozzle for discharging a solution supplied from the solution storage device, and a voltage for applying a high voltage to the nozzle Device, a flat and movable collector, in which organic wires or organic-inorganic hybrid wires formed by discharge from the nozzles are aligned, robot stages installed under the collector and capable of moving the collector in the xy direction (horizontal direction), a micro-range adjuster for adjusting the distance between the nozzle and the collector in a z-direction (vertical direction), and a stone platform under the robot stage to maintain a plan view of the collector and to suppress vibrations generated during operation of the robot stage. It may include.
  • Forming an organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern through the electric field assisted robotic nozzle printing equipment comprises the steps of preparing an organic solution by mixing an organic or organic-inorganic hybrid material in distilled water or an organic solvent; Placing the organic solution in the solution storage device of the electric field assisted robotic nozzle printer; Discharging the organic solution in the solution storage device from the nozzle while applying a high voltage to the nozzle through the voltage application device of the electric field assisting robotic nozzle printer; And aligning an organic wire or an organic-inorganic hybrid wire formed from the organic solution discharged from the nozzle onto the substrate on the collector while moving the collector; It may include.
  • a method of forming a fine pattern is provided. Forming a pattern forming layer on the substrate; Forming an organic wire or organic-inorganic hybrid wire etching mask pattern having a circular or elliptical cross section on the substrate; Etching the pattern forming layer using the organic wire or organic / inorganic hybrid wire etching mask pattern as an etching mask; And selectively removing the organic wire or organic / inorganic hybrid wire etching mask pattern from the substrate. It includes.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire etch mask pattern having a circular or elliptical cross section can be used for electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing, meniscus guided direct writing, melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning. Or electrospinning.
  • a method of forming a microchannel transistor having a bottom-gate structure may include forming a gate electrode on a substrate; Forming a gate insulating film on the gate electrode; Forming an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section on the gate insulating film; Forming a material layer for a source electrode and a drain electrode on the gate insulating layer and the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern; Lifting off the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern from the substrate to form a source electrode and a drain electrode; And forming an active layer on the source electrode and the drain electrode.
  • a method of forming a microchannel transistor having a top-gate structure may include forming an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section on a substrate; Forming a material layer for a source electrode and a drain electrode on the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern; Lifting off the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern from the substrate to form a source electrode and a drain electrode; Forming an active layer on the source electrode and the drain electrode; Forming a gate insulating film on the active layer; Forming a gate electrode on the gate insulating film; It includes.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or oval cross section may be used for electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing, meniscus guided direct writing, melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning, Or by electrospinning.
  • the active layer is thermal evaporation, E-beam evaporation, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, spin-coating, dip-coating. It may be formed by coating, drop-casting or sputtering. Alternatively, the active layer may be formed in the form of an organic wire using an electric field assisted robotic nozzle printer.
  • a method of forming a microchannel light emitting transistor having a bottom-gate structure may include forming a gate electrode on a substrate; Forming a gate insulating film on the gate electrode; Forming an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section on the gate insulating film; Forming a material layer for a source electrode and a drain electrode on the gate insulating layer and the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern; Lifting off the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern from the substrate to form a source electrode and a drain electrode; Forming a light emitting active layer on the source electrode and the drain electrode; It includes.
  • a method of forming a microchannel light emitting transistor having a top-gate structure may include forming an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section on a substrate; Forming a material layer for a source electrode and a drain electrode on the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern; Lifting off the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern from the substrate to form a source electrode and a drain electrode; Forming a light emitting active layer on the source electrode and the drain electrode; Forming a gate insulating film on the light emitting active layer; Forming a gate electrode on the gate insulating film; It includes.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or oval cross section may be used for electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing, meniscus guided direct writing, melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning, Or by electrospinning.
  • the light emitting active layer may include particles, quantum dots, rods, wires, and thin films of an inorganic light emitting semiconductor selected from the group consisting of GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, GaN, InGaN, ZnSe, CdSe, CdTe and CdS; Poly (9-vinylcarbazole) or derivatives thereof, F8T2 (poly (9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)) or derivatives thereof, F8BT (poly (9,9-dioctylfluorene-) co-benzothiadiazole)) or derivatives thereof, poly (p-phenylenevinylene) or derivatives thereof, poly (p-phenylene) or derivatives thereof, polyaniline (polyaniline) or derivatives thereof, polythiophene or derivatives thereof, polypyrrole or derivatives thereof, polyfluorene or derivatives thereof and poly
  • the light emitting active layer may further include an ionic dopant to facilitate the injection of holes and electrons.
  • the ionic dopant may include TPABF 4 (Tetrapropylammonium tetrafluoroborate), TBABF 4 (Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), LiOTf (Lithium trifluoromethanesulfonate), KTf (Potassium trifluoromethanesulfonate) or NaTf (Sodium trifluoromethanesulfonate).
  • the luminescent active layer may be formed by thermal deposition, electron beam deposition, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, spin coating, dip coating, drop casting or sputtering.
  • the light emitting active layer may be formed in the form of an organic wire by using an electric field assisted robotic nozzle printer.
  • a pattern forming method having a fine gap.
  • An organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or oval cross section is formed, and a material layer is formed thereon.
  • the hybrid wire mask pattern By removing the hybrid wire mask pattern, it is possible to accurately form a pattern having a large spacing at a desired position in a large area. Since the formation of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire mask pattern may be performed at room temperature and atmospheric pressure, it is possible to replace conventional expensive fine pattern formation methods such as photolithography or electron beam lithography.
  • a high-performance transistor device having a microchannel can be manufactured by forming source and drain electrodes having a fine spacing through the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern.
  • a method of forming a microchannel light emitting transistor forms a source and drain electrode having a fine spacing through the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern, thereby forming holes and electrons through the source and drain electrodes.
  • a source and drain electrode having a fine spacing through the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern, thereby forming holes and electrons through the source and drain electrodes.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of forming a fine pattern in order according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate an electric field assisted robotic nozzle printer 100 used to form an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask by electric field assisted robotic nozzle printing, respectively, in forming a fine pattern according to one embodiment of the present invention. Schematic perspective and side views.
  • 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern having a fine interval according to one embodiment of the present invention in order of process.
  • FIGS. 3A to 3C are perspective views corresponding to FIGS. 3A to 3C.
  • 5A through 5D are cross-sectional views illustrating a method of forming a micro-channel transistor having a bottom-gate structure according to an embodiment of the present invention.
  • 6A through 6D are cross-sectional views illustrating a method of forming a microchannel transistor having a top-gate structure according to an embodiment of the present invention.
  • 7A to 7D are cross-sectional views for describing a method of forming a fine pattern according to an embodiment of the present invention in order of process.
  • FIG. 8 is a scanning electron microscopic micrograph of a gold pattern having nano-gaps formed by Example 1.
  • FIG. 9 is an SEM photograph of a square pattern made of gold having nano-gaps formed by Example 2.
  • FIG. 10A and 10B are SEM images of the nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 10A and 10B are SEM images of the nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 11 is a graph of drain current versus gate voltage of a nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 11 is a graph of drain current versus gate voltage of a nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 12 is a SEM photograph of the nanochannel organic nanowire transistor formed in Example 4.
  • FIG. 13 is a graph of nanochannel organic nanowire drain current versus gate voltage formed in Example 4.
  • FIG. 14 is an optical micrograph of the nanochannel F8T2 thin film light emitting transistor formed in Example 6.
  • organic-inorganic hybrid means that an organic material and an inorganic material are mixed.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of forming a fine pattern in order according to an embodiment of the present invention.
  • an organic wire or an organic / inorganic hybrid wire mask pattern is formed on a substrate (S110).
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern may be formed to have a uniform diameter.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern can be formed to have a diameter in the range of about 10 nm to about 100 ⁇ m.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern may be formed by selecting from a random orientated pattern and an aligned pattern.
  • the alignment pattern of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire has an angle error range of 0 ° to 10 ° between two parallel wires. It also has a straightness in the range of 0% to 10% with respect to the printing direction of each wire.
  • the alignment pattern of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire may be formed at uniform intervals.
  • the alignment pattern of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire may be formed to have an interval in the range of about 10 nm to about 100 cm.
  • patterns that do not satisfy the above conditions are called random patterns.
  • the random pattern can be a combination of various forms, such as round, elliptical, curved, straight and curved.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern is formed to have a circular or oval cross section. If the cross section of the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern is not circular or elliptical, when the material layer is formed on the mask pattern, the material layer on the mask pattern and the material layer on the portion where the mask pattern is not formed are connected. do. In this case, when the mask pattern is removed, some material layers around the mask pattern of the material layer of the portion where the mask pattern is not formed are removed together with the material layer on the mask pattern, so that an accurate fine pattern may not be formed. In addition, when the cross section of the mask pattern is not circular or elliptical, since the contact area between the mask pattern and the substrate is widened, the mask pattern may not be removed properly. Therefore, organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section is preferable.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or elliptical cross section may be used for electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing (J. Shi, M. Guo, B. Li, Appl. Phys Lett, 93, 121101 (2008)), Meniscus-guided Direct Writing (JT Kim, SK Seol, J. Pyo, JS Lee, JH Je, G. Margaritondo, Adv. 23, 1968-1970 (2011)), melt spinning (see S. Kase, T. Matsuo, J. Polymer Sci.Part A, 3, 2541-2554 (1965)), wet spinning (Wet spinning) (see GC East, Y. Qin, J. Appl. Polymer Sci.
  • the material layer may be formed of, for example, a metal, a semiconductor inorganic material, a conductive inorganic material, an insulating inorganic material, an organic polymer semiconductor, an organic low molecular semiconductor, an organic conductive polymer, an organic insulating polymer, or a blend thereof.
  • the organic wire or the organic / inorganic hybrid wire mask pattern is removed from the substrate on which the material layer is formed.
  • the portions on the organic wires or organic-inorganic hybrid wires of the material layer are then also lifted off to form a pattern having a fine spacing corresponding to the diameter of the organic wires or organic-inorganic hybrid wires.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate an electric field assisted robotic nozzle printer 100 used to form an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask by electric field assisted robotic nozzle printing, respectively, in forming a fine pattern according to one embodiment of the present invention. Schematic perspective and side views.
  • the electric field assisted robotic nozzle printer 100 includes a solution storage device 10, a discharge controller 20, a nozzle 30, a voltage applying device 40, and a collector ( 50), the robot stage 60, stone plate 61 and the micro distance adjuster 70.
  • the solution storage device 10 is a portion containing an organic solution and supplying the organic solution to the nozzle 30 so that the nozzle 30 can discharge the organic solution.
  • the solution storage device 10 may be in the form of a syringe.
  • the solution storage device 10 may be made of plastic, glass, stainless steel, or the like, but is not limited thereto.
  • the storage capacity of the solution storage device 10 may be selected within the range of about 1 ⁇ l to about 5,000 mL, but is not limited thereto.
  • the storage capacity of the solution storage device 10 may be selected within the range of about 10 ⁇ l to about 50 mL.
  • the solution storage device 10 made of stainless steel, there is a gas injection hole (not shown) for injecting gas into the solution storage device 10 to discharge the organic solution out of the solution storage device using the pressure of the gas.
  • a gas injection hole (not shown) for injecting gas into the solution storage device 10 to discharge the organic solution out of the solution storage device using the pressure of the gas.
  • an organic wire or organic-inorganic hybrid wire of the core shell structure may be a plurality of solution storage device 10.
  • the discharge controller 20 is a portion that applies pressure to the organic solution in the solution storage device 10 to discharge the organic solution in the solution storage device 10 through the nozzle 30 at a constant speed.
  • a pump or a gas pressure regulator can be used as the discharge regulator 20.
  • the discharge controller 20 may adjust the discharge rate of the organic solution within the range of 1 nL / min to 50 mL / min.
  • each of the solution storage device 10 is provided with a separate discharge controller 20 can be operated independently.
  • a gas pressure regulator (not shown) may be used as the discharge regulator 20.
  • the nozzle 30 receives the organic solution from the solution storage device 10 and discharges the organic solution.
  • the discharged organic solution may form a drop at the end of the nozzle 30.
  • the diameter of the nozzle 30 may range from about 100 nm to about 1.5 mm, but is not limited thereto.
  • the nozzle 30 may include a single nozzle, dual-concentric nozzles, and triple-concentric nozzles.
  • two or more kinds of organic solutions can be discharged by using a double nozzle or a triple nozzle.
  • two or three solution reservoirs 10 may be connected to double or triple nozzles.
  • the voltage applying device 40 is for applying a high voltage to the nozzle 30 and may include a high voltage generating device.
  • the voltage applying device 40 may be electrically connected to the nozzle 30 via, for example, the solution storage device 10.
  • the voltage applying device 40 may apply a voltage of about 0.1 kV to about 50 kV, but is not limited thereto.
  • An electric field exists between the nozzle 30 to which the high voltage is applied by the voltage applying device 40 and the collector 50 grounded, and droplets formed at the end of the nozzle 30 by the electric field are Taylor cone.
  • the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire is formed continuously at this end.
  • the collector 50 is a portion to which organic wires or organic-inorganic hybrid wires formed from the organic solution discharged from the nozzle 30 are aligned and bonded.
  • the collector 50 is flat and movable on a horizontal plane by the robot stage 60 below it.
  • the collector 50 is relatively grounded with respect to the high voltage applied to the nozzle 30.
  • Reference numeral 51 denotes that the collector 50 is grounded.
  • the collector 50 may be made of a conductive material, for example a metal, and may have a flatness in the range of 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m (a plan view is complete when the plan view of a completely horizontal plane has a value of zero). Represents the maximum error value of the actual plane from the horizontal plane, for example, the plan view of one plane is the distance between the lowest and highest points of that plane).
  • the robot stage 60 is a means for moving the collector 50.
  • the robot stage 60 is driven by a servo motor to move at a precise speed.
  • the robot stage 60 may be controlled to move in two directions, for example on the horizontal plane, on the x and y axes.
  • the robot stage 60 may include, for example, an x-axis robot stage 60a moving in the x-axis direction and a y-axis robot stage 60b moving in the y-axis direction.
  • the robot stage 60 may move the distance at intervals within the range of 10 nm or more and 100 cm, but is not limited thereto.
  • the distance of the robot stage 60 is in the range of 10 ⁇ m or more and 20 cm or less.
  • the moving speed of the robot stage 60 can be adjusted in the range of 1 mm / min to 60,000 mm / min, but is not limited thereto.
  • the robot stage 60 may be installed on a base plate 61, and the stone stage 61 may have a plan view of 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the distance between the nozzle 30 and the collector 50 may be constantly adjusted by the plan view of the stone plate 61. That is, since the top view of the stone plate 61 is high, the distance between the collector 50 and the nozzle 30 positioned on the robot stage 60 moving on the stone plate 61 may be constantly adjusted.
  • the stone platform 61 can adjust the precision of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire pattern by suppressing the vibration generated by the operation of the robot stage 60.
  • the micro distance controller 70 is a means for adjusting the distance between the nozzle 30 and the collector 50.
  • the micro distance controller 70 may adjust the distance between the nozzle 30 and the collector 50 by moving the solution storage device 10 and the nozzle 30 vertically.
  • the micro distance controller 70 may include a jog 71 and a micrometer 72.
  • the jog 71 may be used to roughly adjust the distance in millimeters or centimeters, and the fine adjuster 72 may be used to adjust the fine distance of at least 10 ⁇ m.
  • the jog 71 allows the nozzle 30 to approach the collector 50, and then the fine adjuster 72 can precisely adjust the distance between the nozzle 30 and the collector 50.
  • the distance between the nozzle 30 and the collector 50 may be adjusted in the range of 10 ⁇ m to 20 mm by the micro distance adjuster 70.
  • the collector 50 parallel to the xy plane can be moved on the xy plane by the robot stage 60 and between the nozzle 30 and the collector 50 in the z-axis direction by the micro distance adjuster 70. You can adjust the distance.
  • organic wires or organic-inorganic hybrid wires which are produced and elongated from the droplets at the nozzle end, are almost straight in the z direction perpendicular to the collector near the nozzle from which the wires are produced.
  • the lateral velocity of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire increases, and the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire is bent.
  • the electric field assisted robotic nozzle printer 100 used in the embodiments of the present invention can sufficiently narrow the distance between the nozzle 30 and the collector 50 by tens to tens of micrometers so that the collector before the nanowires are disturbed Allow 50 to fall on a straight line. Therefore, a pattern of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire may be formed by the movement of the collector 50.
  • Forming the pattern of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire by the movement of the collector reduces the disturbance parameter of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire pattern compared to the movement of the nozzle to form a more precise organic wire or organic-inorganic hybrid wire pattern To do it.
  • the electric field assisted robotic nozzle printer 100 may be placed in the housing 80.
  • the housing 80 may be formed of a transparent material.
  • the housing 80 may be sealed, and gas may be injected into the housing 80 through a gas injection hole (not shown).
  • the gas to be injected may be nitrogen, dry air, or the like, and the organic solution, which is easily oxidized by moisture, may be stably maintained by the injection of the gas.
  • the housing 80 may be provided with a ventilator 81 and a lamp 82.
  • the fan 81 and the lamp 82 may be installed at an appropriate position.
  • the ventilator 81 may control the evaporation rate of the solvent in forming the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire by adjusting the vapor pressure (generated from the solvent) in the housing 80.
  • the speed of the fan 81 may be adjusted to help evaporation of the solvent.
  • the rate of evaporation of the solvent can affect the shape and electrical properties of the organic wire or organic-inorganic hybrid wire. If the evaporation rate of the solvent is too fast, the solution may dry out at the nozzle tip before the organic wire or organic-inorganic hybrid wire is formed, and the nozzle may be blocked, and if the solvent evaporation rate is too slow, the solid organic wire or organic-inorganic hybrid The wire is not formed and can be placed in the collector in the liquid state. The organic solution line in the liquid state has poor electrical properties and thus cannot be used for device fabrication. Since the evaporation rate of the solvent affects the formation and characteristics of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire, the fan 81 may play an important role in the formation of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire.
  • FIGS. 4A to 4C are perspective views corresponding to FIGS. 3A to 3C.
  • 3A and 4A together show the electric field assisted robotic nozzle printer 100 used to form the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern 111.
  • the method of forming the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire mask pattern 111 is not limited to the method using the electric field assisted robotic nozzle printer.
  • the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is formed on the substrate 101 using the electric field assisted robotic nozzle printer 100 described with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • the substrate 101 may be formed of a conductive material such as aluminum, copper, nickel, iron, chromium, titanium, zinc, lead, gold, silver, semiconductor materials such as silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), It may be made of an insulator material such as glass, plastic film, paper or the like, but is not limited thereto.
  • the substrate 101 may have a thickness in the range of 50 ⁇ m to 50 mm, but is not limited thereto.
  • the organic material is mixed with distilled water or an organic solvent to prepare an organic solution.
  • the organic material may be an organic low molecular semiconductor, an organic polymer semiconductor, a conductive polymer, an insulating polymer or a blend thereof, but is not limited thereto.
  • the organic low molecular weight semiconductor material is, for example, 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene (6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene), triethylsilylethynyl anthradithiophene (TES ADT) Or [6,6] -phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM), but is not limited thereto.
  • the organic polymer semiconductor or conductive polymer material may be a polythiophene derivative including P3HT (Poly (3-hexylthiophene)) or PEDOT (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)), PVK (Poly (9-vinylcarbazole)) or a derivative thereof, Poly (p-phenylene vinylene) or derivatives thereof, polyfluorene or derivatives thereof, polyaniline or derivatives thereof, or polypyrrole or derivatives thereof Insulating polymer materials include, but are not limited to, polyethylene oxide (PEO), polystyrene (PS), polycaprolactone (PCL), polyacrylonitrile (PAN), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polyimide (Polyimide), and PVDF (PolyDF). (vinylidene fluoride) or polyvinylchloride (PVC), but is not limited thereto.
  • P3HT Poly (3-hexylthiophene)
  • PEDOT Poly (3,
  • organic-inorganic hybrid materials that contain inorganic materials are called organic-inorganic hybrid materials.
  • these organic materials include nano-sized particles, wires, ribbons, or rod-shaped semiconductors, metals, metal oxides, precursors of metal or metal oxides, and carbon nanotubes (CNTs).
  • Inorganic materials such as quantum dots, which are composed of reduced graphene oxide, graphene, or graphite, and nanoscale semiconductor particles (CdSe, CdTe, CdS, etc.) It may include.
  • the organic solvent is a solvent capable of dissolving organic materials, for example, dichloroethylene, trichloroethylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, styrene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, xylene, toluene , Cyclohexene, isopropyl alcohol, ethanol, acetone or a mixed solvent thereof may be used, but is not limited thereto.
  • the concentration and viscosity of the organic solution may be selected as a concentration and viscosity suitable to be discharged from the nozzle 30 in consideration of the size of the nozzle 30 used in the electric field assisted robotic nozzle printer 100.
  • a substance for viscosity control may be added to the organic solution.
  • Materials for controlling the viscosity may include, but are not limited to, polyethylene oxide (PEO), poly (9-vinylcarbazole) (PVK), polycaprolactone (PCL) or polystyrene (PS).
  • the organic solution in which the organic material is mixed in distilled water or an organic solvent is contained in the solution storage device 10 and then discharged from the nozzle 30 by the discharge controller 20, droplets are formed at the end of the nozzle 30.
  • Applying a voltage in the range of 0.1 kV to 50 kV using the voltage applying device 40 to the nozzle 30 prevents the droplets from scattering due to the electrostatic force between the charges formed on the droplets and the grounded collector 50. Without being stretched in the direction of the electric field, it will stick to the substrate 101 on the collector 50.
  • the substrate 101 may constitute the collector 50.
  • organic wires or organic-inorganic hybrid wires having a length in one direction longer than the other directions may be formed from the droplets.
  • the diameter of this organic wire or organic-inorganic hybrid wire can be adjusted in the range of 10 nm to 100 ⁇ m by adjusting the applied voltage and the nozzle size. In the present specification, a wire of less than 1 ⁇ m is called a nanowire, and more is called a microwire.
  • the organic wire or organic / inorganic hybrid wire formed from the charged discharge of the nozzle 30 is aligned with the substrate 101 on the collector 50 to form an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern.
  • the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire may be formed on the substrate on the collector 50 in a separated form instead of being tangled. Can be.
  • the distance between the nozzle 30 and the collector 50 may be adjusted using the micro distance controller 70.
  • an organic wire or an organic-inorganic hybrid wire mask pattern may be formed on a substrate 101 on the collector 50 in a desired direction and a desired number.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire by precisely moving the collector 50 in the range of 10 nm to 100 cm by the robot stage 60 driven by the servo motor.
  • the width of the pattern having a fine interval and the width of the mask pattern can be adjusted in the range of 10nm to 100cm.
  • the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire may be formed in various forms as well as a straight line by the movement of the collector 50.
  • the material layer 120 to form a pattern having a fine gap is formed on the substrate 101 on which the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is formed.
  • a shadow mask may be used to deposit the material layer 120 in a desired shape.
  • the material layer 120 may be formed on the substrate 101 and on the fine wire mask pattern 111.
  • the material layer 120 may be formed of various materials according to the use of the pattern having a fine spacing.
  • a pattern having a fine interval as the electrode can be formed of a conductive material.
  • the material layer may be, for example, gold, platinum, silver, nickel, copper, aluminum, titanium, cobalt, iron, tungsten, ruthenium, rhodium, palladium, molybdenum, cadmium, vanadium, chromium, zinc, indium, yttrium, lithium, It may be formed of a conductive material such as tin, lead or alloys thereof, p-doped or n-doped silicon, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO).
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • the material layer 120 may use an organic polymer semiconductor or an organic low molecular semiconductor, a conductive polymer, an insulating polymer, or a blend thereof.
  • the organic polymer semiconductor or conductive polymer material is poly 3-hexylthiophene (P3HT), poly 3-octlythiophene (P3OT), poly butylthiopehene (PBT), polyethylenedioxythiophene (PESOT) / polystyrenesulfonate (PSS), poly (9,9'-dioctylfluorene) poly-thiophene derivatives), polyphenylenevinylene or derivatives thereof, poly (thienylene vinylene) or derivatives thereof, polyacetylene or derivatives thereof, polyaniline ) Or derivatives thereof, polypyrrole or derivatives thereof, or polyfluorene or derivatives thereof, but is not limited thereto.
  • the organic low molecular weight semiconductor material may be TIPS pentacene (triisopropylsilylethynyl pentacene), pentacene (pentacene), tetracene (tetracene), anthracene, rubrene or ⁇ -6T (alpha-hexathienylene) It doesn't happen.
  • Insulating polymer materials include polyethylene oxide (PEO), polystyrene (PS), polycaprolactone (PCL), polyacrylonitrile (PAN), poly (methyl methacrylate) (PMMA), polyimide, polyvinylidene fluoride (PVDF), or It may include, but is not limited to, polyvinylchloride (PVC).
  • the material layer 120 may be formed of an organic, inorganic, or metallic material other than the above material, and may be a semiconductor, conductive, or insulating material.
  • the material layer 120 may include, for example, drop casting, spin-coating, E-beam evaporation, atomic layer deposition, and chemical vapor deposition. It may be formed using a method such as deposition, thermal evaporation or sputtering. In addition, the material layer 120 may be formed to a thickness of 1nm to 10 ⁇ m, but is not limited thereto.
  • the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is removed from the substrate 101. Removal of the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern 111 may be performed by a method using an adhesive force of the adhesive tape or a method using decomposition by high frequency sound in an organic solvent, but is not limited thereto. It doesn't happen.
  • an organic wire is formed by attaching an adhesive tape to a portion of the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 on which the material layer 120 is not formed and lifting the adhesive tape.
  • the organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 may be removed. As the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is separated from the substrate 101, the material layer 120 deposited on the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 falls together.
  • the substrate 101 is placed in an organic solvent for sonication that can selectively dissolve the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern 111, and sonication.
  • the organic solvent for sonication may be dichloroethylene, trichloroethylene or chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, styrene, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, xylene, toluene, cyclohexene, isopropyl alcohol, ethanol , Acetone or a mixed solvent thereof may be used, but is not limited thereto. While the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is selectively melted by the organic solvent, the material layer 120 formed on the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is separated.
  • the fine pattern 121 having a gap equal to the diameter of the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern 111 is formed. Is formed. Therefore, the fine spacing of the fine pattern 121 can be easily adjusted by the diameter of the organic wire or organic-inorganic hybrid wire mask pattern 111.
  • an array of transistors having a micrometer or less size may be manufactured in a large area by forming electrodes having a minute gap in the transistor and forming a microchannel at the minute gap.
  • the electrode by forming the electrode with a conductive polymer such as polythiophene in addition to the metal material, it is possible to manufacture a transistor element of a micrometer or less size having a very low mobility and high mobility.
  • 5A through 5D are cross-sectional views illustrating a method of forming a micro-channel transistor having a bottom-gate structure according to an embodiment of the present invention.
  • a gate electrode 221 is formed on a substrate 211.
  • Substrate 211 is a conductor material selected from the group consisting of aluminum, copper, nickel, iron, chromium, titanium, zinc, lead, gold, silver, stainless steel, etc., silicon (Si), germanium (Ge), and gallium acetate.
  • a semiconductor material selected from the group containing nit (GaAs), an insulator material selected from the group containing glass, plastic film, and paper, and the like may be selected, but are not limited thereto.
  • a buffer layer (not shown) may be formed on the substrate 211.
  • the gate electrode 221 may be formed of, for example, gold, platinum, silver, nickel, copper, aluminum, titanium, cobalt, iron, tungsten, ruthenium, rhodium, palladium, molybdenum, cadmium, vanadium, chromium, zinc, indium, yttrium, Conductive material selected from the group consisting of lithium, tin, lead or alloys thereof, p-doped or n-doped silicon, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO) It is possible to form, but is not limited to this.
  • a gate insulating layer 222 is formed on the gate electrode 221.
  • the gate insulating film 222 may be formed of, for example, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, an aluminum oxide film, or the like, or an organic insulating film such as an ion-gel polymer electrolyte.
  • a source electrode and a drain electrode 231 having fine intervals are formed on the gate insulating layer 222.
  • the material of the source electrode and the drain electrode 231 is similar to the material of the gate electrode 221, and may be formed of gold, platinum, silver, nickel, copper, aluminum, titanium, cobalt, iron, tungsten, ruthenium, rhodium, palladium, molybdenum, cadmium, Vanadium, chromium, zinc, indium, yttrium, lithium, tin, lead or alloys thereof, p-doped or n-doped silicon, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO) It may be formed of a conductive material selected from the group containing.
  • the source electrode and the drain electrode 231 having fine spacing may be formed using the method of forming a fine pattern as described above with reference to the embodiments of FIGS. 2, 3A to 3C, and 4A to 4C. That is, the source electrode and the drain electrode 231 are formed by forming the material layer on the organic wire or the organic / inorganic hybrid wire mask pattern with the material of the source electrode and the drain electrode 231 and removing the organic wire or the organic / inorganic hybrid wire mask pattern. Can be formed. In addition, field assisted nozzle printing, direct tip drawing, meniscus guided direct writing, melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning or electrospinning for organic or organic-inorganic hybrid wire mask pattern formation and source and drain electrode formation. Etc.
  • the source electrode and the drain electrode 231 may be formed to a thickness of 1nm to 10 ⁇ m.
  • An interval between the source electrode 231 and the drain electrode 231 may have a range of 10 nm to 100 ⁇ m.
  • an active layer 241 forming a channel is formed on the source electrode and the drain electrode 231.
  • the active layer 241 is an inorganic semiconductor material selected from the group containing silicon, germanium, and ZnO, and a carbon material selected from the group containing carbon nanotubes (CNT), fullerenes, and grepenes.
  • CNT carbon nanotubes
  • the organic low molecular semiconductor material and the organic polymer semiconductor material may be formed, but are not limited thereto.
  • the organic polymer semiconductor material may be poly3-hexylthiophene (P3HT), poly 3-octlythiophene (P3OT), poly butylthiopehene (PBT), polythiophene derivatives, polypyrrole or derivatives thereof or polyacetylene Or a derivative thereof, but is not limited thereto.
  • P3HT poly3-hexylthiophene
  • P3OT poly 3-octlythiophene
  • PBT poly butylthiopehene
  • polythiophene derivatives polypyrrole or derivatives thereof or polyacetylene Or a derivative thereof, but is not limited thereto.
  • the organic low molecular weight semiconductor material may be TIPS pentacene (triisopropylsilylethynyl pentacene), pentacene (pentacene), or anthracene (anthracene), but is not limited thereto.
  • TIPS pentacene triisopropylsilylethynyl pentacene
  • pentacene pentacene
  • anthracene anthracene
  • the active layer 241 is thermally evaporated, e-beam evaporation, spin-coating or dip-coating, drop-casting, In the case of forming by sputtering or the like, a fine thin film channel may be formed between the source electrode and the drain electrode 231 having fine spacing.
  • the active layer 241 may be formed by forming an organic wire channel (not shown) between the source electrode and the drain electrode 231 having fine spacing using an electric field assisted robotic nozzle printer. That is, an organic wire channel (not shown) may be formed by depositing the organic semiconductor material in the form of an organic wire on a substrate on the collector which discharges and moves the organic semiconductor material in the electric field assisted robotic nozzle printer.
  • 6A through 6D are cross-sectional views illustrating a method of forming a fine channel transistor having a top gate structure according to an embodiment of the present invention.
  • the method of forming the top-gate structure of the microchannel transistor of the embodiment of FIGS. 6A to 6D is the embodiment of FIGS. 5A to 5D in that the gate electrode 221 is formed on the source electrode and the drain electrode 231 and the active layer 241.
  • the source electrode and the drain electrode 231 are first formed on the substrate 211, the active layer 241 is formed on the source electrode and the drain electrode 231, and then the gate insulating layer 222 is formed, and the gate is formed on the gate insulating layer 222.
  • An electrode 221 is formed.
  • the method of forming the source electrode and the drain electrode 231 and the active layer 241 is the same as the method of forming the bottom-gate microchannel transistor of the embodiment of FIGS. 5A to 5D. That is, an organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern having a circular or oval cross section is formed on the substrate 211, and a material layer for source electrode and drain electrode is formed on the organic wire or organic / inorganic hybrid wire mask pattern. The organic wire or the organic / inorganic hybrid wire mask pattern is lifted off from the substrate 211 to form a source electrode and a drain electrode 231. An active layer 241 is formed on the source electrode and the drain electrode 231.
  • a light emitting microchannel transistor may be manufactured.
  • the light emitting microchannel transistor can be produced by selecting a light emitting active layer as an active layer.
  • the light emitting transistor has a structure similar to that of a general microchannel transistor, and holes and electrons are injected from the source and drain electrodes to emit light from the light emitting active layer. If it does not have a microchannel, since the holes and electrons are not effectively injected, the luminescence property does not appear properly. In order to solve this problem, a separate hole transport layer and an electron transport layer are required, and the structure of the device is complicated.
  • the microchannel light emitting transistor may also be manufactured in a bottom-gate structure or a top-gate structure.
  • the light emitting active layer may be formed of an inorganic light emitting semiconductor, poly (particle), quantum dot, rod or thin film, for example, selected from the group consisting of GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, GaN, InGaN, ZnSe, CdSe, CdTe and CdS.
  • 9-vinylcarbazole (Poly (9-vinylcarbazole)) or derivatives thereof, F8T2 (poly (9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)) or derivatives thereof, F8BT (poly (9,9-dioctylfluorene-co-) benzothiadiazole)) or derivatives thereof, poly (p- (phenylenevinylene)) or derivatives thereof, poly (p- (phenylene)) (poly (p-phenylene)) or their Derivatives, polyaniline or derivatives thereof, polythiophene or derivatives thereof, polypyrrole or derivatives thereof, polyfluorene or derivatives thereof, and poly (spiro-fluorene) or derivatives thereof
  • Organic luminescent polymer semiconductor material selected from the group comprising: tetracene (tetracene), rub Rubrene, BP3T ( ⁇ , ⁇ -Bis (bi
  • any fluorescent material, phosphorescent material, or a mixture thereof may be included as the light emitting active layer material, and therefore it is not particularly limited to the specific light emitting material.
  • the luminescent active layer may include nano-sized particles, quantum dots, rods of the materials.
  • the light emitting active layer may further include an ionic dopant (ionic dopant).
  • ionic dopant may form a dipole moment in the light emitting active layer to facilitate the injection and movement of holes and electrons.
  • the ionic dopant may be selected from the group including but not limited to TPABF 4 (Tetrapropylammonium tetrafluoroborate), TBABF 4 (Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), LiOTf (Lithium trifluoromethanesulfonate), KTf (Potassium trifluoromethanesulfonate) and NaTf (Sodium trifluoromethanesulfonate) no.
  • TPABF 4 Tetrapropylammonium tetrafluoroborate
  • TBABF 4 Tetrabutylammonium tetrafluoroborate
  • LiOTf Lithium trifluoromethanesulfonate
  • KTf Potassium trifluoromethanesulfonate
  • NaTf sodium trifluoromethanesulfonate
  • the luminescent active layer is thermal evaporation, E-beam evaporation, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, spin-coating, dip coating. It may be formed by -coating, drop-casting or sputtering.
  • the light emitting active layer may be formed in the form of an organic wire using an electric field assisted robotic nozzle printer, thereby forming an organic wire light emitting channel.
  • 7A to 7D are cross-sectional views illustrating a method of forming a fine pattern according to another embodiment of the present invention in order of process.
  • the pattern forming layer 321 is formed of a material on which a pattern is to be formed on the substrate 311.
  • the substrate 311 is not particularly limited and any material that can withstand the deformation in dry or wet etching may be used.
  • the substrate 311 may be, for example, doped or undoped silicon, silicon oxide, silicon nitride, SrTiO. 3 , Nb-doped SrTiO 3 , Glass, polymers, metals or combinations thereof may be used, but is not limited thereto.
  • the pattern forming layer 321 may be a thin film or a pattern of a metal, a conductor, a semiconductor, or an insulator made of a conventional organic polymer and an organic low molecule, an inorganic material, and an organic / inorganic hybrid material.
  • the pattern forming layer 321 may also be formed of any 0-dimensional material (e.g., quantum dot semiconductor, fullerene, graphene quantum dots), one-dimensional, which is the core of nanoscale II-VI semiconductor particles (CdSe, CdTe, CdS, etc.) Materials (eg carbon nanotubes, nanowires, nanoribbons) or two-dimensional materials (eg graphene, MoS 2 , hexagonal BN).
  • the pattern forming layer 321 may also be an already formed photoresist pattern. However, the pattern forming layer 321 is not limited to these.
  • the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire 331 having a circular or elliptical cross section is formed on the pattern forming layer 321.
  • the organic wire or organic-inorganic hybrid wire having a circular or elliptical cross section may include electric field assisted robotic nozzle printing, direct tip drawing, meniscus guided direct writing, melt spinning, wet spinning, dry spinning, gel spinning or electrospinning. It can be prepared using, but is not limited thereto.
  • the material of the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire 331 may be an organic material as described above, that is, an organic low molecular semiconductor, an organic polymer semiconductor, a conductive polymer, an insulating polymer, a blend thereof, or a mixture of these and the inorganic materials described above. Can be used but is not limited to this.
  • the organic wire or organic / inorganic hybrid wire 331 may be formed to have a diameter in the range of 10 nm to 100 ⁇ m.
  • the pattern forming layer 321 is etched using the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire 331 as an etching mask.
  • the etching process may use dry etching or wet etching.
  • the dry etching process may use, for example, a conventional gas plasma etching process, a reactive ion etching process, or an ion beam milling process, but is not limited thereto.
  • the wet etching process may be performed by selecting an appropriate etchant according to the type of the pattern forming layer 321.
  • a solution containing hydrofluoric acid such as a buffered oxide etch (BOE) solution
  • a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid may be used for etching silicon.
  • Chromium can be etched with ammonia nitrate solution and gold (Au) can be etched with a mixed solution of KI and I 2 .
  • Ti can be etched with FeCl 3 solution or Marble's reagent solution (typically 50 mL HCl: 50 mL deionized distilled water: 10 g CuSO 4 solution).
  • the etchant may include hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ).
  • the final pattern 322 may be formed from the pattern forming layer 321 by removing the organic wire or the organic / inorganic hybrid wire 331.
  • the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire 331 can be removed and removed by using the adhesive force of the adhesive tape as in the taping method, or the organic wire or the organic-inorganic hybrid wire 331 can be selectively removed. Can be removed by dissolving in
  • the method for forming a fine pattern according to the present invention may be applied to both form a pattern having a fine interval and a pattern having a fine diameter.
  • the micro-pattern or nano-ribbon from a metal, an inorganic semiconductor, an organic semiconductor or a graphene sheet, or a quantum dot material, or an electronic device or an optoelectronic device using the same may be manufactured by the method for forming a fine pattern according to the present invention. have.
  • a pattern made of gold (Au) having a nano-interval was produced.
  • a nanowire mask pattern made of a polymer material was formed on a substrate.
  • PVK Poly (N-vinylcarbazole)
  • the PVK solution was placed in a syringe of an electric field assisted robotic nozzle printer, and the PVK solution was discharged from the nozzle while applying voltage to the nozzle.
  • PVK nanowire mask patterns were formed on the substrate on the collector moved by the robot stage.
  • the diameter of the nozzle used at this time was 100 ⁇ m, the distance between the nozzle and the collector was 2.5 mm, the applied voltage was 4 kV and the discharge rate of the solution was 500 nL / min.
  • the movement distance in the y-axis direction of the robot stage was 50 ⁇ m, and the moving distance in the x-axis direction was 15 cm.
  • the y-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min, and the x-axis movement speed was 8,000 mm / min.
  • a nanowire mask pattern was formed extending in the x-axis direction and having a spacing of about 50 ⁇ m in the y-axis direction and having a diameter of about 450 nm.
  • an Au layer was formed on the entire surface of the substrate on which the nanowire mask pattern was formed by a thermal deposition method.
  • the gold layer was formed to a thickness of about 100 nm.
  • the PVK nanowire mask pattern was removed from the board
  • FIG. 8 is an SEM photograph of a gold pattern having nanogaps formed by Example 1.
  • FIG. 8 As a result of measuring in the SEM photograph of FIG. 8, the width of the gold pattern with nano-gap was 50 ⁇ m, which is consistent with that of the PVK nanowire mask pattern, and the average spacing between the gold-patterns with nano-gap was also about 460 nm. It closely matched the diameter of the mask pattern.
  • an orthogonal pattern of the polymer nanowire mask pattern having a thickness of about 460 nm and an interval of about 50 ⁇ m was formed on the substrate.
  • the polymer nano wire mask pattern was formed of a PVK material.
  • PVK solution was prepared by first dissolving PVK in styrene as described in Example 1. The PVK solution was placed in a syringe of an electric field assisted robotic nozzle printer and discharged from the nozzle while applying a voltage of 4 kV to the nozzle.
  • the robot stage was moved in the x-axis direction to form a nanowire pattern in the x-axis direction, and the robot stage was moved in the y-axis direction to form a nanowire pattern in the y-axis direction to form a nanowire mask orthogonal pattern.
  • the diameter of the nozzle used was 100 ⁇ m
  • the distance between the nozzle and the collector was 2.5 mm
  • the applied voltage was 4 kV
  • the discharge rate of the solution was 500 nL / min.
  • the moving distance in the y-axis direction of the robot stage was 50 ⁇ m
  • the moving distance in the x-axis direction was 15 cm.
  • the y-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min
  • the x-axis movement speed was 8,000 mm / min.
  • the movement distance of the robot stage in the X-axis direction was 50 micrometers, and the movement distance of the Y-axis direction was 15 cm.
  • the X-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min, and the Y-axis movement speed was 8,000 mm / min.
  • a gold layer was formed on the entire surface of the substrate on which the polymer nanopattern was formed by a thermal deposition method.
  • the gold layer was formed to a thickness of 100 nm.
  • the PVK nanowire mask pattern was removed from the board
  • FIG. 9 is a scanning electron microscopic micrograph of a square pattern made of gold having nano-gap formed by Example 2.
  • FIG. 9 As a result of measuring in the SEM photograph of FIG. 9, the width of the square gold pattern was 50 ⁇ m, which coincided with the spacing of the nanowire mask pattern, and the average spacing between the square gold patterns was also about 460 nm, which almost coincided with the diameter of the nanowire mask pattern. .
  • a nanochannel thin film transistor was manufactured by the method of forming a fine pattern according to an embodiment of the present invention.
  • a titanium (Ti) gate electrode having a width of 600 ⁇ m and a thickness of 30 nm was formed on the silicon wafer.
  • As the source drain electrode a gold electrode having a thickness of 340 nm and a thickness of 70 nm was formed on the gate insulating film.
  • a nanowire mask pattern having a diameter of about 350 nm and a gap of about 5.5 mm was first formed on a substrate on which a titanium gate electrode and an aluminum oxide gate insulating film were formed.
  • the nano wire mask pattern was formed of a PVK material.
  • PVK was first dissolved in styrene to prepare a PVK solution.
  • the PVK solution was placed in a syringe of an electric field assisted robotic nozzle printer and discharged from the nozzle while applying voltage to the nozzle.
  • the PVK nanowire mask pattern was formed on the substrate of the collector moved by the robot stage.
  • a gold layer was formed on the PVK nanowire mask pattern by thermal evaporation.
  • the PVK nanowire mask pattern was removed from the substrate by the method using the adhesive force of the adhesive tape. As the PVK nanowire mask pattern fell from the substrate, the gold layer on the PVK nanowire mask pattern was removed together to form a rectangular pattern of gold having nano-gap.
  • the diameter of the nozzle used was 100 ⁇ m
  • the distance between the nozzle and the collector was 2.5 mm
  • the applied voltage was 4 kV
  • the discharge rate of the solution was 500 nL / min.
  • the movement distance in the y-axis direction of the robot stage was 5.5 mm
  • the movement distance in the x-axis direction was 15 cm.
  • the y-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min
  • the x-axis movement speed was 8,000 mm / min.
  • a pentacene active layer having a thickness of 50 nm was formed on the gate insulating layer and the gold electrode having the nano-gap through thermal deposition using a shadow mask.
  • FIG. 10A and 10B are SEM images of the nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 10A and 10B are SEM images of the nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • a titanium gate electrode 211 is formed on a silicon substrate, and an aluminum oxide gate insulating layer 213 is formed on the entire surface of the substrate over the gate electrode 211.
  • the source and drain gold electrodes 221 having nano gaps are formed on the gate insulating layer 213.
  • the SEM photograph of FIG. 10B is an enlarged photograph of the gap between the source and drain gold electrodes 221 in the SEM photograph of FIG. 10A.
  • the gap between the source and drain gold electrodes 221 is approximately 340 nm, which is almost consistent with the thickness of the polymer nanowire mask pattern.
  • the pentacene active layer on the gold electrode 221 is transparent and cannot be identified.
  • FIG. 11 is a graph of drain current versus gate voltage of a nanochannel pentacene thin film transistor formed in Example 3.
  • FIG. 11 it can be seen that for a specific drain voltage, increasing the gate voltage (absolute value) increases the drain current and increasing the drain voltage (absolute value) at the specific gate voltage increases the drain current. From the graph of FIG. 11, the mobility of the nano-gap thin film transistor was measured at 0.041 cm 2 / V ⁇ s, and it can be seen that the transistor operates stably.
  • the nanochannel organic nanowire transistor was manufactured by the method of forming the micropattern according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the active layer was formed by depositing pentacene on the source drain electrode having nano-gap, but the active layer, that is, the channel was formed by forming the organic semiconductor nanowire on the source-drain electrode having the nano-gap. .
  • a nano-gap source drain electrode made of gold having a thickness of 340 nm and a thickness of 100 nm was formed in the same manner as in Example 3. It was. At this time, the p-doped silicon wafer and the silicon oxide film were used as the gate electrode and the gate insulating film, respectively.
  • P3HT nanowire channels were formed on the nano-gap source drain electrodes.
  • P3HT solution was prepared.
  • the concentration of P3HT in the P3HT solution was 2.6% by weight based on the total solution and the concentration of PEO was 1.1% by weight.
  • the P3HT solution was placed in a syringe of an electric field assisted robotic nozzle printer, and the P3HT solution was discharged from the nozzle while applying a voltage of 1.5 mA to the nozzle.
  • P3HT nanowire channels were formed on a silicon wafer on which a gate electrode, a gate insulating film, and a source drain electrode were formed on the collector moved by the robot stage.
  • the diameter of the nozzle used was 100 ⁇ m
  • the distance between the nozzle and the collector was 5.5 mm
  • the applied voltage was 1.5 kV
  • the discharge rate of the solution was 200 nL / min.
  • the movement distance in the y-axis direction of the robot stage was 5.5 mm
  • the movement distance in the x-axis direction was 15 cm.
  • the y-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min, and the x-axis movement speed was 30,000 mm / min.
  • the size of the collector was 20 cm x 20 cm, and the size of the substrate on the collector was 8 cm x 8 cm.
  • FIG. 12 is a SEM photograph of the nanochannel organic nanowire transistor formed in Example 4.
  • FIG. 12 an organic wire channel can be seen crossing the source and drain electrodes with nanogap spacing.
  • the gap between the source and drain electrodes is enlarged by a rectangle, and the distance between the source and drain electrodes corresponding to the channel length is 337.5 nm and corresponds to the channel width.
  • the width of the P3HT: PEO nanowire is 309.0 nm.
  • FIG. 13 is a graph of drain current versus gate voltage of the nanochannel organic nanowire thin film transistor formed in Example 4.
  • the mobility of charge (hole) was 0.0021 cm 2 / V ⁇ s, and the ratio of on / off current was calculated as 5.25 ⁇ 10 2 .
  • Cu-foil (9 cm ⁇ 15 cm) was mounted in a tubular furnace and heated to 1000 ° C. with 8 sccm of H 2 at a pressure of 90 mtorr, and then maintained at that temperature for 30 minutes. To produce copper grain on the copper foil. In Thereafter, a temperature of 1000 °C, after supplying the H 2 in the CH 4 and 8sccm of 24sccm for 30 minutes at a pressure of 460mtorr, while supplying H 2 of 8sccm at a pressure of 90mtorr to cool to room temperature on the copper foil Monolayer graphene was formed.
  • the polymethyl methacrylate (PMMA) layer was contacted and pressed on the single layer graphene to form a film of a copper foil / single layer graphene / PMMA layer.
  • the film of the formed copper foil / single layer graphene / PMMA layer was immersed for 5-6 hours in an aqueous solution of ammonium persulfate (2 wt%), which is a copper etchant, and then washed with deionized water to remove the copper foil.
  • a film of layer graphene / PMMA layer was obtained.
  • the single layer graphene / PMMA layer is placed on a silicon substrate such that the single layer graphene is in contact with the surface of the 5-inch silicon substrate, and then pressurized on top of the PMMA layer at a temperature of about 100 ° C.
  • the pins were transferred onto a silicon substrate.
  • Graphene in large-area silicon can be formed according to the Nano Letters , 10, 490-493 (2010) paper published by Younbin Lee and eight co-workers.
  • PVK nanowire mask pattern was formed on the single layer graphene on the silicon substrate formed in step (a).
  • the PVK nanowire mask pattern was formed in the same manner as described in Example 1.
  • Single layer graphene was selectively etched using the PVK nanowire mask pattern as an etch mask through an oxygen plasma etching process (70 mTorr, 100 W, 3 sec).
  • the PVK nanowire mask pattern was dissolved in a chlorobenzene solvent and subjected to sonication to selectively remove the PVK nanowire mask pattern from the substrate. As a result, graphene nano ribbons having a width of 10 nm were formed.
  • An F8T2 thin film light emitting transistor having nanochannels was manufactured by a method of forming a fine pattern according to an embodiment of the present invention.
  • the nano-gap source drain electrode was fabricated using PVK nanowires having a diameter of 300 nm as a nano wire mask pattern.
  • PVK was first dissolved in styrene to prepare a PVK solution.
  • the PVK solution was placed in a syringe of an electric field assisted robotic nozzle printer and discharged from the nozzle while applying voltage to the nozzle.
  • the PVK nanowire mask pattern was formed on the substrate of the collector moved by the robot stage.
  • a gold layer was formed on the PVK nanowire mask pattern by thermal evaporation.
  • the PVK nanowire mask pattern was removed from the substrate by the method using the adhesive force of the adhesive tape. As the PVK nanowire mask pattern was dropped from the substrate, the gold layer on the PVK nanowire mask pattern was removed together to form a source drain electrode made of gold having nano-gap.
  • the diameter of the nozzle used was 100 ⁇ m
  • the distance between the nozzle and the collector was 2.5 mm
  • the applied voltage was 4.2 kV
  • the discharge rate of the solution was 500 nL / min.
  • the movement distance in the y-axis direction of the robot stage was 5.5 mm
  • the movement distance in the x-axis direction was 15 cm.
  • the y-axis movement speed of the robot stage was 1,000 mm / min
  • the x-axis movement speed was 8,000 mm / min.
  • an F8T2 thin film channel was formed on the nano-gap source drain electrode by spin-coating.
  • the F8T2 solution used for spin coating was prepared by dissolving 1% by weight of F8T2 in dichlorobenzene, and adding 10% of FPAT4 with TPABF 4 as an ionic dopant. Spin coating was performed at 500 rpm for 5 seconds and then at 2000 rpm for 90 seconds.
  • FIG. 14 is an optical micrograph of the nanochannel F8T2 thin film light emitting transistor formed in Example 6.
  • FIG. 14 we can see the F8T2 channel shining between the source and drain with nano spacing.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따라 미세 패턴 형성 방법이 제공된다. 상기 미세 패턴 형성 방법은 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성된 상기 기판의 전면(全面) 위에 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 상기 물질층만 남도록 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거하는 단계; 를 포함한다.

Description

미세 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 미세 채널 트랜지스터 및 미세 채널 발광트랜지스터의 형성방법
본 발명은 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 이용한 미세 패턴의 형성 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 패터닝 마스크로 사용하여, 미세 패턴을 형성하는 방법 및 이를 이용한 전자 소자의 형성 방법에 관한 것이다.
현재 기판 상에 나노 스케일의 패턴들을 형성할 수 있는 공정들은 대부분 진공 기반의 기술들이어서 공정이 복잡하고 비싸다. 예를 들면 전자빔 리쏘그래피는 진공에서 미세 패턴 형성이 가능하지만, 패턴 형성이 가능한 영역이 아주 국소적이어서, 대면적에서 미세 패턴을 형성하기 위해서는 아주 많은 시간 및 비용이 발생한다. 또한 반도체 공정에서 사용되는 포토리쏘그래피에서는 패턴의 크기가 광원의 파장에 의해 영향을 받는다. 따라서 나노 스케일 패턴을 구현하기 위해서는 248㎚ KrF 엑시머 레이저 또는 193㎚ ArF 엑시머 레이저와 같은 딥(deep) UV 광원을 사용하는 고가의 장비를 구비해야 하지만, 그럼에도 불구하고 약 0.1㎛의 해상도 한계를 갖는다. 그러므로 패턴의 크기를 감소시키고 동시에 비용을 낮추기 위하여 새로운 기술적 접근들이 필요하다.
노쓰웨스턴(Northwestern) 대학의 Mirkin 및 그의 동료들은 나노 간격을 갖는 전극을 만드는데 있어서 금속 나노와이어를 이용했다(L. Qin, S. Park, L. Huang, C. A. Mirkin, Science, 309, 113-115 (2005) 참조). 이들은 금-은-금 (또는 금-니켈-금) 형태의 나노 와이어를 만들어서, 기판 위에 랜덤하게 뿌린 후, 그 위에 금/타이타늄 또는 실리카(SiO2)를 증착하였다. 음파 처리(sonication)을 통해 금-은-금 (또는 금-니켈-금) 나노 와이어를 기판으로부터 떼어낸 후, 금-은-금 (또는 금-니켈-금) 나노 와이어로부터 은만을 (또는 니켈 만을) 선택적으로 식각하여 금 사이의 은이 (또는 니켈이) 있던 자리에 나노 간격이 형성되도록 하였다. 이 방법을 통해 만들어진 나노 와이어 전극에는 최소 5㎚의 크기를 갖는 나노 간격이 형성되기 때문에 높은 해상도의 나노 스케일의 소자 제작 측면에서 이점을 갖는다.
그러나 상기 공정은 다음의 문제점들을 갖는다. 1) 상기 공정은 나노 와이어를 랜덤하게 뿌리기 때문에 나노 간격의 위치 및 방향을 정확히 조절할 수 없다. 나노 스케일의 소자들을 규칙적으로 배열시키기 위해서는 나노 간격의 위치 및 방향을 조절할 수 있어야 하기 때문에 상기 공정은 나노 스케일의 소자들의 집적에 이용될 수 없다. 2) 상기 공정에 의해 만들어진 금속 나노 와이어를 이용하여 소자를 만들기 위해서는, 금속 나노 와이어 양 끝에 정확히 탐침용 전극(probing electrode)을 증착해야 한다. 이를 위해서 고가의 전자빔 리쏘그래피(E-beam lithography) 기술을 이용해야 하므로, 상기 공정은 대면적 또는 대량 생산에 적합하지 않다. 3) 위 공정은 재현성이 나쁘므로 실제 소자에 적용하기가 어렵다.
노키아 연구소의 Colli와 캠브리지 대학의 Ferrari 및 그의 동료들은 무기물 나노와이어를 실리콘 기판위에 뿌려서 식각 마스크로 사용하였다 (A. Colli, A. Fasoli, S. Pisana, Y. Fu, P. Beecher, W. I. Milne, A. C. Ferrari, Nano Letters, 8, 1358-1362. (2008) 참조). 그러나 이 공정 역시 나노와이어가 기판 위에 랜덤하게 뿌려지므로 앞에서 언급한 3가지 단점을 모두 갖는다.
따라서 앞에서 논의한 정렬, 재현성, 대면적 또는 대량 생산의 문제를 극복한 미세 패턴의 형성 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 패턴의 위치 및 방향을 정확히 조절할 수 있고, 대면적에서 패턴을 형성할 수 있는 미세 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 전자 소자의 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 미세 패턴 형성 방법이 제공된다. 상기 미세 패턴 형성 방법은 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성된 상기 기판의 전면(全面) 위에 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 상기 물질층만 남도록 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거하는 단계; 를 포함한다.
상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉(Direct tip drawing), 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅(Meniscus-guided Direct Writing), 멜트 스피닝(Melt spinning), 웨트 스피닝(Wet spinning), 드라이 스피닝(Dry spinning), 겔 스피닝(Gel spinning), 또는 전기방사(Electrospinning)를 사용하여 제조될 수 있다.
상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅 방법에 사용되는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터는 토출용 용액을 공급하는 용액 저장 장치, 상기 용액 저장 장치로부터 공급받은 용액을 토출하는 노즐, 상기 노즐에 고전압을 인가하는 전압 인가 장치, 상기 노즐에서 토출되어 형성된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 정렬되는, 편평하고 이동가능한 콜렉터, 상기 콜렉터 밑에 설치되어 상기 콜렉터를 x-y 방향(수평 방향)으로 움직일 수 있는 로봇 스테이지(Robot Stage), z 방향(수직방향)으로 상기 노즐과 상기 콜렉터 사이의 거리를 조절하는 마이크로 거리 조절기, 및 상기 콜렉터의 평면도를 유지하고 상기 로봇 스테이지의 작동 중 발생하는 진동을 억제하도록 상기 로봇 스테이지 밑에 위치한 석정반을 포함할 수 있다.
상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅 장비를 통해 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계는 유기 또는 유무기 하이브리드 재료를 증류수 또는 유기 용매 중에 혼합하여 유기 용액을 준비하는 단계; 상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 용액 저장 장치 내에 상기 유기 용액을 담는 단계; 상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 전압 인가 장치를 통하여 상기 노즐에 고전압을 인가하면서 상기 노즐로부터 상기 용액 저장 장치 내의 상기 유기 용액을 토출시키는 단계; 및 상기 노즐로부터 토출되는 상기 유기 용액으로부터 형성되는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 상기 콜렉터를 이동하면서 상기 콜렉터 위의 상기 기판 위에 정렬시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따른 미세 패턴 형성 방법이 제공된다. 기판 위에 패턴형성층을 형성하는 단계; 상기 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 패턴형성층을 식각하는 단계; 및 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 선택적으로 제거하는 단계; 를 포함한다.
상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법이 제공된다. 상기 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법은 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 활성층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법이 제공된다. 상기 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법은 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함한다.
상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조될 수 있다.
상기 활성층은 열증착(Thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 원자층 증착(Atomic Layer Depostion), 화학기상 증착 (Chemical Vapor Deposition), 스핀코팅(Spin-coating), 딥코팅(Dip-coating), 드랍캐스팅(Drop-casting) 또는 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 형성할 수 있다. 또는 상기 활성층은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 이용하여 유기 와이어 형태로 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법이 제공된다. 상기 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법은 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 발광성 활성층을 형성하는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법이 제공된다. 상기 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법은 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계; 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계; 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 발광성 활성층을 형성하는 단계; 상기 발광성 활성층 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함한다.
상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조될 수 있다.
상기 발광성 활성층은 GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, GaN, InGaN, ZnSe, CdSe, CdTe 및 CdS을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 발광성 반도체의 입자, 양자점, 막대, 와이어, 박막 재료; 폴리(9-비닐카바졸)(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, F8T2(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)) 또는 이의 유도체, F8BT(poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)) 또는 이들의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체, 폴리타이오펜(polythiophene) 또는 이의 유도체, 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이들의 유도체, 폴리플로렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체 및 폴리(스피로-플루오렌)(poly(spiro-fluorene)) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 고분자 반도체 재료; 테트라센(tetracene), 루브렌(rubrene), BP3T(α,ω-Bis(biphenylyl)terthiophene), α-5T(α-quinquethiophene), α-6T(α-sexithiophene) 및 P13(N,N'-ditridecylperylene-3,4,9,10-tetracarboxylic　diimide)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 저분자 반도체 재료; 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 모든 형광 및 인광 재료 및 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 발광 재료에 제한되지 않는다.
상기 발광성 활성층은 정공과 전자의 주입을 용이하게 하는 이온성 도펀트(ionic dopant)를 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 도펀트(ionic dopant)는 TPABF4(Tetrapropylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), LiOTf(Lithium trifluoromethanesulfonate), KTf(Potassium trifluoromethanesulfonate) 또는 NaTf(Sodium trifluoromethanesulfonate)를 포함할 수 있다.
상기 발광성 활성층은 열증착, 전자빔 증착, 원자층 증착, 화학기상 증착, 스핀코팅, 딥코팅, 드랍캐스팅 또는 스퍼터링에 의하여 형성할 수 있다.
상기 발광성 활성층을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 이용하여 유기 와이어 형태로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 의한 미세 간격을 갖는 패턴 형성 방법은 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하고, 그 위에 물질층을 형성한 후 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거함으로써 미세 간격을 갖는 패턴을 대면적으로 원하는 위치에 정확하게 형성할 수 있다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴의 형성은 상온, 상압에서 이루어질 수 있으므로, 포토리쏘그래피나 전자빔 리쏘그래피 등의 기존의 고가의 미세 패턴 형성 방법을 대체할 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태에 의한 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법은 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 통해 미세 간격을 갖는 소스 및 드레인 전극을 형성함으로써 미세 채널을 갖는 고성능 트랜지스터 소자를 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 일 형태에 의한 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법은 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 통해 미세 간격을 갖는 소스 및 드레인 전극을 형성하여, 소스 및 드레인 전극을 통해 정공 및 전자가 발광성 활성층으로 더욱 잘 주입되게 함으로써, 고발광효율을 갖는 발광 트랜지스터 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 순서대로 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 구현예에 의한 미세 패턴 형성시 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅에 의하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크를 형성하는데 사용되는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)의 개략적인 사시도 및 측면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세 간격을 갖는 패턴의 형성 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3c에 대응되는 사시도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 구현예에 따른 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 구현예에 따른 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 실시예 1에 의하여 형성된 나노 간격을 갖는 금 패턴의 SEM 사진(scanning electron microscopic micrograph)이다.
도 9는 실시예 2에 의하여 형성된 나노 간격을 갖는 금으로 이루어진 정사각형 패턴의 SEM 사진이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 3에 의하여 형성한 나노 채널 펜타센 박막 트랜지스터의 SEM 사진들이다.
도 11은 실시예 3에 의하여 형성한 나노 채널 펜타센 박막 트랜지스터의 드레인 전류 대 게이트 전압의 그래프이다.
도 12는 실시예 4에서 형성한 나노 채널 유기 나노 와이어 트랜지스터의 SEM 사진이다.
도 13는 실시예 4에서 형성한 나노 채널 유기 나노 와이어 드레인 전류 대 게이트 전압의 그래프이다.
도 14는 실시예 6에서 형성한 나노 채널 F8T2 박막 발광트랜지스터의 광학현미경 사진이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 "유무기 하이브리드"란 유기 물질과 무기 물질이 혼합되어 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 순서대로 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 기판 위에 형성한다(S110). 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 균일한 직경(diameter) 으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 약 10㎚ 내지 약 100 ㎛ 범위의 직경을 갖도록 형성할 수 있다.
유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 무작위(random orientated) 패턴과 정렬(aligned) 패턴 중에서 선택하여 형성할 수 있다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴은 2개 이상의 평행인 와이어들이 이루는 각도가 0° 내지 10° 의 각도 오차 범위를 갖는다. 또한, 각 와이어의 프린팅 방향에 대해 0% 내지 10% 의 범위에서 직진도(straightness)를 갖는다. 또한, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴은 균일한 간격으로 형성할 수 있다. 예를 들면 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴은 약 10㎚ 내지 약 100㎝ 범위의 간격을 갖도록 형성할 수 있다. 한편, 상기 조건들을 만족시키지 않는 패턴들을 무작위 패턴이라 한다. 무작위 패턴은 원형, 타원형, 곡선, 직선 및 꺽어진 형등의 다양한 형태의 조합이 될 수 있다.
유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 원형 또는 타원형의 단면을 갖도록 형성한다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴의 단면이 원형 또는 타원형이 아닐 경우, 마스크 패턴 위에 물질층을 형성하면 마스크 패턴 위의 물질층과 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 물질층이 이어져 있는 형태로 형성된다. 이때, 마스크 패턴을 제거하면, 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 물질층 중 마스크 패턴 주변의 일부 물질층이 마스크 패턴 위의 물질층과 함께 제거됨으로써, 정확한 미세 패턴 형성이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 마스크 패턴의 단면이 원형 또는 타원형이 아닐 경우, 마스크 패턴과 기판 사이의 접촉 면적이 넓어지기 때문에, 마스크 패턴의 제거 또한 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 원형 또는 타원형의 단면을 갖는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 바람직하다.
상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉(Direct tip drawing)(J. Shi, M. Guo, B. Li, Appl. Phys. Lett, 93, 121101 (2008) 참조), 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅(Meniscus-guided Direct Writing) (J. T. Kim, S. K. Seol, J. Pyo, J. S. Lee, J. H. Je, G. Margaritondo, Adv. Mater. 23, 1968-1970 (2011) 참조), 멜트 스피닝(Melt spinning) (S. Kase, T. Matsuo, J. Polymer Sci. Part A, 3, 2541-2554 (1965) 참조), 웨트 스피닝(Wet spinning) (G. C. East, Y. Qin, J. Appl. Polymer Sci. 50, 1773-1779 (1993) 참조), 드라이 스피닝(Dry spinning) (S. Gogolewski, A. J. Pennings, Polymer, 26, 1394-1400 (1985) 참조), 겔 스피닝(Gel spinning) (R. Fukae a, A. Maekawa, O. Sangen, Polymer, 46, 11193-11194 (2005) 참조) 또는 전기방사(Electrospinning) (V. Thavasi, G. Singh, S. Ramakrishna, Energy Environ. Sci., 1, 205-221 (2008) 참조) 등을 사용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성된 기판의 전면에 패턴을 형성하고자 하는 물질층을 형성한다(S120). 물질층은 예를 들면 금속, 반도체 무기물, 전도성 무기물, 절연성 무기물, 유기 고분자 반도체, 유기 저분자 반도체, 유기 전도성 고분자, 유기 절연성 고분자 또는 이들의 블렌드로 형성할 수 있다.
그리고 물질층이 형성된 기판으로부터 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거한다(S130). 그러면 물질층의 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 위의 부분도 함께 제거(lift off)되어 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 직경에 해당하는 미세 간격을 갖는 패턴이 형성된다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 구현예에 의한 미세 패턴 형성시 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅에 의하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크를 형성하는데 사용되는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)의 개략적인 사시도 및 측면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)는 용액 저장 장치(10), 토출 조절기(20), 노즐(30), 전압 인가 장치(40), 콜렉터(50), 로봇 스테이지(60),　석정반(61) 및 마이크로 거리 조절기(70)를 포함한다.
용액 저장 장치(10)는 유기 용액을 담고, 노즐(30)이 유기 용액을 토출할 수 있도록 노즐(30)에 상기 유기 용액을 공급하는 부분이다. 용액 저장 장치(10)는 시린지(syringe) 형태일 수 있다. 용액 저장 장치(10)는 플라스틱, 유리 또는 스테인리스 스틸 등으로 이루어질 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 용액 저장 장치(10)의 저장 용량은 약 1㎕ 내지 약 5,000㎖의 범위 내에서 선택될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 용액 저장 장치(10)의 저장 용량은 약 10㎕ 내지 약 50㎖의 범위 내에서 선택될 수 있다. 스테인리스 스틸 재질의 용액 저장 장치(10)의 경우에는 용액 저장 장치(10)에 가스를 주입할 수 있는 가스 주입구(미도시)가 있어서, 가스의 압력을 이용하여 유기 용액을 용액 저장 장치 밖으로 토출시킬 수 있다. 한편, 코어 쉘 구조의 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 형성하기 위하여 용액 저장 장치(10)는 복수 개로 이루어질 수 있다.
토출 조절기(20)는 용액 저장 장치(10) 내의 유기 용액을 노즐(30)을 통해 일정한 속도로 토출시키기 위하여 용액 저장 장치(10) 내의 유기 용액에 압력을 가하는 부분이다. 토출 조절기(20)로서 펌프 또는 가스 압력 조절기가 사용될 수 있다. 토출 조절기(20)는 유기 용액의 토출 속도를 1nℓ/min 내지 50㎖/min의 범위 내에서 조절할 수 있다. 복수 개의 용액 저장 장치(10)를 사용하는 경우 각각의 용액 저장 장치(10)에 별개의 토출 조절기(20)가 구비되어 독립적으로 작동할 수 있다. 스테인리스 스틸 재질의 용액 저장 장치(10)의 경우에 토출 조절기(20)로서 가스 압력 조절기(미도시)가 사용될 수 있다.
노즐(30)은 용액 저장 장치(10)로부터 유기 용액을 공급받아 유기 용액이 토출되는 부분으로서, 토출되는 유기 용액은 노즐(30) 끝단에서 액적(drop)을 형성할 수 있다. 노즐(30)의 직경(diameter)은 약 100 ㎚ 내지 약 1.5㎜의 범위를 가질 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
노즐(30)은 단일 노즐, 이중(dual-concentric) 노즐, 삼중(triple-concentric) 노즐을 포함할 수 있다. 코어 쉘 구조의 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 형성할 경우, 이중 노즐 또는 삼중 노즐을 사용하여 2 종류 이상의 유기 용액을 토출시킬 수 있다. 이 경우, 이중 또는 삼중 노즐에 2개 또는 3개의 용액 저장 장치(10)가 연결될 수 있다.
전압 인가 장치(40)는 노즐(30)에 고전압을 인가하기 위한 것으로 고전압 발생 장치를 포함할 수 있다. 전압 인가 장치(40)는 예를 들면 용액 저장 장치(10)를 통하여 노즐(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 전압 인가 장치(40)는 약 0.1㎸ 내지 약 50㎸의 전압을 인가할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 전압 인가 장치(40)에 의하여 고전압이 인가된 노즐(30)과 접지된 콜렉터(50) 사이에 전기장이 존재하게 되며, 상기 전기장에 의하여 노즐(30) 끝단에서 형성된 액적이 테일러콘(Taylor cone)을 형성하게 되고 이 끝단에서 연속적으로 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 형성된다.
콜렉터(50)는 노즐(30)에서 토출된 유기 용액으로부터 형성된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 정렬되어 붙는 부분이다. 콜렉터(50)는 편평한 형태이며, 그 아래의 로봇 스테이지(60)에 의하여 수평면 위에서 이동 가능하다. 콜렉터(50)는 노즐(30)에 가해진 고전압에 대하여 상대적으로 접지되어 있다. 참조번호 51은 콜렉터(50)가 접지된 것을 나타낸다. 콜렉터(50)는 전도성 재질, 예를 들면 금속으로 이루어질 수 있고, 0.5㎛ 내지 10㎛ 범위의 평면도(flatness)를 가질 수 있다(평면도는 완전히 수평인 면의 평면도가 0의 값을 가질 때, 완전한 수평면으로부터의 실제 면의 최대 오차값을 나타낸다. 예를 들면 하나의 면의 평면도는 그 면의 최저점과 최고점 사이의 거리이다).
로봇 스테이지(60)는 콜렉터(50)를 이동시키는 수단이다. 로봇 스테이지(60)는 서보 모터(servo motor)에 의하여 구동되어 정밀한 속도로 이동할 수 있다. 로봇 스테이지(60)는 예를 들면 수평면 위에서 x축과 y축의 2개의 방향으로 이동하도록 제어될 수 있다. 로봇 스테이지(60)는 예를 들면 x축 방향으로 이동하는 x축 로봇 스테이지(60a)와 y축 방향으로 이동하는 y축 로봇 스테이지(60b)로 이루어질 수 있다. 로봇 스테이지(60)는 거리를 10㎚ 이상 100㎝ 이내의 범위의 간격으로 이동할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 로봇 스테이지(60)의 거리는 10㎛ 이상 20㎝ 이내의 범위이다. 로봇 스테이지(60)의 이동속도는 1㎜/min 내지 60,000 mm/min 의 범위에서 조절할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 로봇 스테이지(60)는 석정반(base plate)(61) 위에 설치될 수 있고, 석정반(61)은 0.1㎛ 내지 5㎛ 이내의 평면도를 가질 수 있다. 석정반(61)의 평면도에 의해 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리가 일정하게 조절될 수 있다. 즉, 석정반(61)의 평면도가 높으므로, 석정반(61) 위를 이동하는 로봇 스테이지(60) 위에 위치한 콜렉터(50)와 노즐(30) 사이의 거리가 일정하게 조절될 수 있다. 또한, 석정반(61)은 로봇 스테이지(60)의 작동에 의해 발생하는 진동을 억제함으로써, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 패턴의 정밀도를 조절할 수 있다.
마이크로 거리 조절기(micro distance controller)(70)는 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 조절하기 위한 수단이다. 마이크로 거리 조절기(70)가 용액 저장 장치(10)과 노즐(30)을 수직으로 이동시킴으로써 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
마이크로 거리 조절기(70)는 조그(jog)(71)와 미세 조절기(micrometer)(72)로 이루어질 수 있다. 조그(71)는 밀리미터 단위 또는 센티미터 단위의 거리를 대략적으로 조절하는데 쓰일 수 있고, 미세 조절기(72)는 최소 10㎛ 의 미세한 거리를 조정하는데 쓰일 수 있다. 조그(71)로 노즐(30)을 콜렉터(50)에 접근시킨 다음, 미세 조절기(72)로 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 정밀하게 조절할 수 있다. 마이크로 거리 조절기(70)에 의하여 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리는 10㎛ 내지 20㎜의 범위에서 조절될 수 있다. 예를 들어, x-y 평면에 평행한 콜렉터(50)를 로봇 스테이지(60)에 의하여 x-y 평면 상에서 이동할 수 있고, 마이크로 거리 조절기(70)에 의하여 z축 방향으로 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
전기방사에서 노즐로부터 방사되는 나노 섬유의 3차원 경로를 계산한 D. H. Reneker, A. L. Yarin, H. Fong, S. Koombhongse, "Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning" J. Appl. Phys., 87, 9, 4531-4546(2000)의 논문에 콜렉터와 노즐 사이의 거리가 클 수록 나노 섬유의 교란(perturbation)이 커지는 것이 개시되어 있다. 상기 논문에 의하면,
Figure PCTKR2011007413-appb-I000001
‥‥‥‥‥‥‥ 식 (1a)
Figure PCTKR2011007413-appb-I000002
‥‥‥‥‥‥‥ 식 (1b) 이다.
여기에서 x, y는 콜렉터와 수평인 면에서 x축과 y축 방향의 위치이고, L은 길이 스케일을 나타내는 상수이고, λ는 교란 파장(perturbation wavelength)이고, z는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 콜렉터(z=0)에 대한 수직 위치이고, h는 노즐과 콜렉터 사이의 거리이다. 위의 식 (1a) 및 식 (1b)로부터 동일한 z 값에 대하여 콜렉터와 노즐 사이의 거리 h가 클수록 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 교란을 나타내는 x, y 값이 커짐을 알 수 있다.
실제로, 노즐 끝단의 액적으로부터 생성되어 신장되어 나가는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어는 와이어가 생성되는 노즐 가까이에서는 콜렉터에 수직인 z 방향으로 거의 직선 형태이다. 그러나 노즐로부터 멀어질수록 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 수평 방향의 속도(lateral velocity)가 증가하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 휘어지게 된다.
본 발명의 구현예들에서 사용된 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)는 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 십 내지 수십 마이크로미터 단위로 충분히 좁힐 수 있어서 나노 와이어가 교란되기 전에 콜렉터(50) 위에 직선으로 떨어질 수 있게 한다. 따라서 콜렉터(50)의 이동에 의하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 패턴이 형성될 수 있다.
콜렉터의 이동에 의하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 패턴을 형성하는 것은 노즐이 이동하는 것에 비하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 패턴의 교란 변수를 줄임으로써 더욱 정밀한 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 패턴을 형성할 수 있게 한다.
한편, 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)는 하우징(80) 안에 놓일 수 있다. 상기 하우징(80)는 투명한 재질로 형성될 수 있다. 하우징(80)는 밀폐 가능하며, 가스 주입구(미도시)를 통해 하우징(80) 내로 가스를 주입할 수 있다. 주입되는 가스는 질소, 건조 공기 등일 수 있으며, 상기 가스의 주입에 의하여 수분에 의해 산화되기 쉬운 유기 용액이 안정적으로 유지될 수 있게 한다. 또한, 하우징(80)에는 환풍기(ventilator)(81)와 전등(82)이 설치될 수 있다. 환풍기(81)와 전등(82)은 적절한 위치에 설치될 수 있다. 환풍기(81)는 하우징(80)내의 (용매로부터 발생하는) 증기압을 조절하여서 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 형성 시에 용매의 증발 속도를 조절할 수 있다. 용매의 빠른 증발을 요하는 로보틱 노즐 프린팅에서는 환풍기(81)의 속도를 조절하여 용매의 증발을 도울 수 있다. 용매의 증발 속도는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 형태와 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다. 용매의 증발 속도가 너무 빠를 경우, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 형성되기 전에 노즐 끝에서 용액이 말라버려서 노즐이 막힐 수 있고, 용매의 증발 속도가 너무 느릴 경우, 고체의 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 형성되지 않고, 액체 상태로 콜렉터에 놓일 수 있다. 액체 상태의 유기 용액 라인은 전기적 특성이 나쁘므로 이를 소자 제작에 사용할 수 없다. 이처럼 용매의 증발 속도가 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 형성 및 특성에 영향을 주므로, 환풍기(81)는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 형성에 중요한 역할을 할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 단면도들이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3c에 대응되는 사시도들이다. 도 3a 및 도 4a에는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)을 형성하는데 사용한 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)를 함께 도시하였다. 그러나 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)을 형성하는 방법이 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 사용한 방법에 한정되는 것은 아니다.
도 3a 및 도 4a를 참조하면, 도 1a 및 도 1b에서 설명한 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)를 이용하여 기판(101) 위에 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)을 형성한다.
기판(101)은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 크롬, 타이타늄, 아연, 납, 금, 은 등의 전도체 재료, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨아세나이드(GaAs) 등의 반도체 재료, 유리, 플라스틱 필름, 종이 등의 절연체 재료 등으로 이루어질 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 기판(101)은 50 ㎛ 내지 50 ㎜ 범위의 두께를 가질 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)를 이용하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 유기 재료를 증류수 또는 유기 용매에 혼합하여 유기 용액을 준비한다. 유기 재료로는 유기 저분자 반도체, 유기 고분자 반도체, 전도성 고분자, 절연성 고분자 또는 이들의 블렌드를 사용할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 유기 저분자 반도체 재료는 예를 들면 6,13-비스(트리아이소프로필실릴에티닐)펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene), 트리에틸실릴에티닐 안트라디타이오펜(triethylsilylethynyl anthradithiophene: TES ADT) 또는 [6,6]-페닐 C61 부티르산메틸에스테르([6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester: PCBM)일 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 유기 고분자 반도체 또는 전도성 고분자 재료는 P3HT(Poly(3-hexylthiophene)) 또는 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))를 포함하는 폴리타이오펜 유도체, PVK(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene) 또는 이의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체, 또는 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체들일 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 절연성 고분자 재료는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리이미드(Polyimide), PVDF(Poly(vinylidene fluoride)) 또는 PVC(Polyvinylchloride)를 포함할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
유기 재료에 무기 재료가 포함 되어 있는 재료를 유무기 하이브리드 재료라고 한다. 유무기 하이브리드 와이어를 형성하는 경우 이들 유기 재료에 나노 크기의 입자, 와이어, 리본(ribbon) 또는 막대(rod) 형태를 갖는 반도체, 금속, 금속 산화물, 금속 또는 금속 산화물의 전구체, 탄소나노튜브(CNT), 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀(graphene), 또는 그래파이트(graphite), 나노크기의 반도체 입자(CdSe, CdTe, CdS 등)이 중심(core)을 이루는 양자점 등의 무기 재료를 포함시킬 수 있다. 유기 용매로는 유기 재료를 녹일 수 있는 용매로서, 예를 들면 다이클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센, 이소프로필알콜, 에탄올, 아세톤 또는 이들의 혼합 용매 등이 사용될 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
유기 용액의 농도와 점도는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터(100)에 사용되는 노즐(30)의 크기를 고려하여 노즐(30)로부터 토출되기 적합한 농도와 점도로 선택될 수 있다. 유기 용액 내에 점도 조절을 위한 물질이 첨가될 수도 있다. 점도를 조절하기 위한 물질은 예를 들면 PEO(Polyethylene oxide), PVK(Poly(9-vinylcarbazole)), PCL(Polycaprolactone) 또는 PS(Polystyrene)를 포함할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
유기 재료가 증류수 또는 유기 용매 중에 혼합된 상기 유기 용액을 용액 저장 장치(10)에 담은 후 토출 조절기(20)에 의하여 노즐(30)로부터 토출시키면 노즐(30)의 끝부분에 액적이 형성된다. 이 노즐(30)에 전압 인가 장치(40)을 이용하여 0.1㎸ 내지 50㎸ 범위의 전압을 인가하면 액적에 형성된 전하와 접지된 콜렉터(50) 사이의 정전기력(electrostatic force)에 의해 액적이 흩어지지 않고 전기장의 방향으로 늘어나면서 콜렉터(50) 위의 기판(101)에 달라붙게 된다. 또는 기판(101)이 콜렉터(50)를 구성할 수도 있다.
이때, 액적이 늘어남에 따라 액적으로부터 한 방향의 길이가 다른 방향보다 긴 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 형성될 수 있다. 이 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 직경은 인가 전압 및 노즐 크기를 조절함에 따라 10㎚ 내지 100㎛ 의 범위에서 조절할 수 있다. 본 명세서에서 1㎛ 미만의 와이어를 나노 와이어라고 하고 그 이상을 마이크로 와이어라고 명명한다.
노즐(30)의 하전된 토출물로부터 형성된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 콜렉터(50) 위의 기판(101)에 정렬시켜서 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성한다. 이때 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리를 10㎛ 내지 20㎜의 사이로 조절함으로써 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 엉켜있는 형태가 아니라 분리된 형태로 콜렉터(50) 위의 기판 위에 형성할 수 있다. 이때 노즐(30)과 콜렉터(50) 사이의 거리는 마이크로 거리 조절기(70)를 이용하여 조절할 수 있다.
또한, 콜렉터(50)를 이동시킴으로써 콜렉터(50) 위의 기판(101) 위에 원하는 위치에 원하는 방향, 원하는 개수만큼 정렬된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성할 수 있다. 정렬된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 형성할 때 서보 모터에 의하여 구동되는 로봇 스테이지(60)에 의하여 콜렉터(50)를 10㎚ 내지 100㎝의 범위에서 정밀하게 이동시킴으로써 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴의 폭과 미세 간격을 갖는 패턴의 폭을 10㎚ 내지 100㎝의 범위에서 조절할 수 있다.
한편, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어는 콜렉터(50)의 이동에 의하여 직선 형태뿐만 아니라 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어 구부러진 직선형, 곡선형, 콤형(comb), 서펜타인형(serpentine), 정사각형, 직사각형, 마름모, 삼각형, 원형, 타원형, 그리드형, 텍스트 형태, 또는 이들의 임의 혼합형 등의 구조를 포함할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
도 3b 및 도 4b를 참조하면, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)이 형성된 기판(101) 위에 미세 간격을 갖는 패턴을 형성하고자 하는 물질층(120)을 형성한다. 이때 예를 들면 셰도우 마스크를 사용하여 원하는 형태로 물질층(120)을 증착할 수 있다. 물질층(120)은 기판(101) 위와 미세 와이어 마스크 패턴(111) 위에 형성될 수 있다.
물질층(120)은 미세 간격을 갖는 패턴의 용도에 따라서 다양한 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 미세 간격을 갖는 패턴을 전극으로 사용하는 경우에는 전도성 물질로 형성할 수 있다. 이때 물질층은 예를 들면, 금, 백금, 은, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 코발트, 철, 텅스텐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 몰리브덴, 카드뮴, 바나듐, 크롬, 아연, 인듐, 이트륨, 리튬, 주석, 납 또는 이들의 합금, p-도핑된 또는 n-도핑된 실리콘, 산화 아연, 산화 인듐, 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물(IZO) 등의 전도성 물질로 형성할 수 있다.
또는 물질층(120)은 유기 고분자 반도체 또는 유기 저분자 반도체, 전도성 고분자, 절연성 고분자 또는 이들의 블렌드 등을 사용할 수 있다. 유기 고분자 반도체 또는 전도성 고분자 재료는 P3HT(poly 3-hexylthiophene), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene), PEDOT(polyethylenedioxythiophene)/PSS(polystyrenesulfonate), F8T2(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene))을 포함하는 폴리타이오펜 유도체, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene) 또는 이의 유도체, PTV(poly(thienylene vinylene)) 또는 이의 유도체,　 폴리아세틸렌(polyacetylene) 또는 이의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체, 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체, 또는 폴리플로렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체 일 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 유기 저분자 반도체 재료는 TIPS펜타센(triisopropylsilylethynyl pentacene), 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(anthracene), 루브렌(rubrene) 또는 α-6T(alpha-hexathienylene) 일 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 절연성 고분자 재료는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리이미드(Polyimide), PVDF(Poly(vinylidene fluoride)), 또는 PVC(Polyvinylchloride)를 포함할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 물질층(120)은 상기 물질 이외의 유기, 무기 또는 금속 물질로 형성될 수 있고, 반도체, 전도성 또는 절연성 물질일 수 있다.
상기 물질층(120)은 예를 들면, 드랍캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin-coating), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 원자층 증착법 (Atomic layer deposition), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition), 열증착(thermal evaporation) 또는 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 물질층(120)은 1㎚ 내지 10㎛ 의 두께로 형성할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
도 3c 및 도 4c를 참조하면, 기판(101)으로부터 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)를 제거한다. 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)의 제거는 접착성 테이프의 부착력(adhesive force)을 이용한 방법 또는 유기 용매 내에서 고주파음에 의한 분해를 이용한 방법에 의하여 수행될 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 접착 테이프의 부착력을 이용한 방법은 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111) 중 그 위에 물질층(120)이 형성되어 있지 않은 부분에 접착 테이프를 붙이고 상기 접착 테이프를 들어올림으로써 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)를 떼어낼 수 있다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)이 기판(101)으로부터 떨어지면서, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111) 위에 증착된 물질층(120)이 함께 떨어진다.
상기 유기 용매 내에서 고주파음에 의한 분해를 이용한 방법은 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)을 선택적으로 녹일 수 있는 음파 처리용 유기 용매에 기판(101)을 넣고 음파 처리(sonication)를 수행한다. 이때 음파 처리용 유기 용매는 다이클로로에틸렌, 트라이클로로에틸렌 또는 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 스타이렌, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 자일렌, 톨루엔, 사이클로헥센, 이소프로필알콜, 에탄올, 아세톤 또는 이들의 혼합 용매 등이 사용될 수 있지만 이것으로 제한되는 것은 아니다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)이 상기 유기 용매에 의해 선택적으로 녹으면서 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111) 위에 형성된 물질층(120)이 떨어져 나가게 된다.
유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111) 위의 물질층(120)이 선택적으로 제거됨에 의하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)의 직경만큼의 간격을 갖는 미세 패턴(121)이 형성된다. 따라서 미세 패턴(121)의 미세 간격은 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴(111)의 직경에 의하여 용이하게 조절될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 패턴 형성방법에 따라 트랜지스터에 미세 간격을 갖는 전극을 형성하고 미세 간격에 미세 채널을 형성함으로써 마이크로미터 이하 크기를 갖는 트랜지스터의 배열을 대면적으로 제조할 수 있다. 또한, 금속 물질 이외에도 폴리타이오펜과 같은 전도성 고분자로 전극을 형성함으로써, 제조 단가가 매우 낮으면서 고이동도를 갖는 마이크로미터 이하 크기의 트랜지스터 소자를 제조할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 구현예에 따른 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(211) 위에 게이트 전극(221)을 형성한다. 기판(211)은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 크롬, 타이타늄, 아연, 납, 금, 은 및 스테인리스 스틸 등을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도체 재료, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 갈륨아세나이드(GaAs)을 포함하는 군으로부터 선택되는 반도체 재료, 유리, 플라스틱 필름 및 종이를 포함하는 군으로부터 선택되는 절연체 재료 등을 선택할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 기판(211) 위에 버퍼층(미도시)가 형성될 수도 있다. 게이트 전극(221)은 예를 들면, 금, 백금, 은, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 코발트, 철, 텅스텐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 몰리브덴, 카드뮴, 바나듐, 크롬, 아연, 인듐, 이트륨, 리튬, 주석, 납 또는 이들의 합금, p-도핑된 또는 n-도핑된 실리콘, 산화 아연, 산화 인듐, 인듐 주석 산화물(ITO) 및 인듐 아연 산화물(IZO)을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도성 물질로 형성할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
도 5b를 참조하면, 게이트 전극(221) 위로 게이트 절연막(222)을 형성한다. 게이트 절연막(222)은 예를 들면, 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막 등과 같은 무기 절연막, 또는 이온-젤 고분자전해질과 같은 유기 절연막으로 형성할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 게이트 절연막(222) 위로 미세 간격을 갖는 소스 전극 및 드레인 전극(231)을 형성한다. 소스 전극 및 드레인 전극(231)의 물질은 게이트 전극(221)의 물질과 마찬가지로 금, 백금, 은, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 코발트, 철, 텅스텐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 몰리브덴, 카드뮴, 바나듐, 크롬, 아연, 인듐, 이트륨, 리튬, 주석, 납 또는 이들의 합금, p-도핑된 또는 n-도핑된 실리콘, 산화 아연, 산화 인듐, 인듐 주석 산화물(ITO) 및 인듐 아연 산화물(IZO)을 포함하는 군으로부터 선택되는 전도성 물질로 형성할 수 있다. 미세 간격을 갖는 소스 전극 및 드레인 전극(231)은 도 2, 도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도4c의 구현예와 관련하여 위에서 설명한 바와 같은 미세 패턴의 형성 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위의 물질층을 소스 전극 및 드레인 전극(231)의 물질로 형성하고 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거함으로써 소스 전극 및 드레인 전극(231)을 형성할 수 있다. 또한, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 형성과 소스 및 드레인 전극 형성에 전기장 보조 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝 또는 전기방사 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 소스 전극 및 드레인 전극(231)은 1㎚ 내지 10㎛ 의 두께로 형성할 수 있다. 소스 전극(231)과 드레인 전극(231) 사이의 간격은 10㎚ 내지 100㎛ 의 범위를 가질 수 있다.
도 5d를 참조하면, 소스 전극 및 드레인 전극(231) 위로 채널을 형성하는 활성층(241)을 형성한다. 활성층(241)은 실리콘, 게르마늄(Germanium) 및 ZnO을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 반도체 재료, 탄소나노튜브(CNT), 풀러렌(Fullerene) 및 그레펜(Graphene)을 포함하는 군으로부터 선택되는 탄소 재료, 유기 저분자 반도체 재료, 유기 고분자 반도체 재료로 형성할 수 있으나, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 유기 고분자 반도체 재료로는 P3HT(poly 3-hexylthiophene), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene), 를 포함하는 폴리타이오펜 유도체, 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체 또는 폴리아세틸렌(polyacetylene) 또는 이의 유도체일 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 유기 저분자 반도체 재료는 TIPS 펜타센(triisopropylsilylethynyl pentacene), 펜타센(pentacene), 또는 안트라센(anthracene)일 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
활성층(241)을 열증착(Thermal evaporation)법, 전자빔 증착(E-beam evaporation)법, 스핀코팅(Spin-coating)법 또는 딥코팅(Dip-coating)법, 드랍캐스팅(Drop-casting)법, 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법으로 형성할 경우, 미세 간격을 갖는 소스 전극 및 드레인 전극(231) 사이에서 미세 박막 채널을 형성할 수 있다.
또한, 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터을 사용하여 미세 간격을 갖는 소스 전극 및 드레인 전극(231) 사이에 유기 와이어 채널(미도시)을 형성함으로써 활성층(241)을 형성할 수 있다. 즉, 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터에서 상기 유기 반도체 재료를 토출하여 이동하는 콜렉터 위의 기판 위에 유기 와이어 형태로 증착시킴으로써 유기 와이어 채널(미도시)을 형성할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 구현예에 따른 탑-게이트(top gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6d의 구현예의 탑-게이트 구조의 미세 채널 트랜지스터 형성 방법은 게이트 전극(221)이 소스 전극 및 드레인 전극(231) 및 활성층(241) 위에 형성되는 점에서 도 5a 내지 도 5d의 구현예의 바텀-게이트 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법과 차이가 있다. 즉, 기판(211) 위에 먼저 소스 전극 및 드레인 전극(231)을 형성하고 소스 전극 및 드레인 전극(231) 위에 활성층(241)을 한 후 게이트 절연막(222)을 형성하고 게이트 절연막(222) 위에 게이트 전극(221)을 형성한다.
그러나 소스 전극 및 드레인 전극(231)과 활성층(241)을 형성하는 방법은 도 5a 내지 도 5d의 구현예의 바텀-게이트 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법과 동일하다. 즉, 기판(211) 위에 원형 또는 타원형의 단면을 갖는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하고, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하고, 상기 기판(211)으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극(231)을 형성한다. 그리고 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극(231) 위에 활성층(241)을 형성한다.
본 발명의 일 구현예에 따라 발광성 미세 채널 트랜지스터를 제작할 수 있다. 발광성 미세 채널 트랜지스터는 활성층으로서 발광성 활성층을 선택하여 제작할 수 있다. 발광성 트랜지스터는 일반적인 미세 채널 트랜지스터와 유사한 구조를 가지며, 소스와 드레인 전극에서 각각 정공과 전자가 주입되어 발광성 활성층에서 빛을 내는 특성을 갖는다. 만약 미세 채널을 갖지 않을 경우, 정공 및 전자가 효과적으로 주입되지 못하기 때문에 발광 특성이 제대로 나타나지 못한다. 이를 해결하기 위해서 별도의 정공 수송층 및 전자 수송층이 필요하여 소자의 구조가 복잡해진다. 미세 채널을 형성하여 발광 트랜지스터를 제작하면 채널이 매우 작기 때문에 정공과 전자가 효과적으로 주입되어 발광 특성이 뛰어난 고성능 발광 트랜지스터를 제작할 수 있다. 상기 미세 채널 발광트랜지스터도 바텀-게이트 구조 또는 탑-게이트 구조로 제작할 수 있다.
상기 발광성 활성층은 예를 들어 GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, GaN, InGaN, ZnSe, CdSe, CdTe 및 CdS을 포함하는 군으로부터 선택되는 입자, 양자점, 막대 또는 박막 형태의 무기 발광성 반도체, 폴리(9-비닐카바졸)(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, F8T2(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)) 또는 이의 유도체, F8BT(poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-(페닐렌비닐렌))(poly(p-phenylenevinylene)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-(페닐렌))(poly(p-phenylene)) 또는 이들의 유도체, 폴리아닐린 또는 이의 유도체, 폴리타이오펜 또는 이의 유도체, 폴리피롤 또는 이들의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체, 및 폴리(스피로-플루오렌)(poly(spiro-fluorene)) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 고분자 반도체 재료, 테트라센(tetracene), 루브렌(rubrene), BP3T(α,ω-Bis(biphenylyl)terthiophene), α-5T(α-quinquethiophene), α-6T(α-sexithiophene) 및 P13 (N,N'-ditridecylperylene-3,4,9,10-tetracarboxylic　diimide)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 저분자 반도체 재료, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 발광성 활성층 재료로서 모든 형광 재료, 인광 재료 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있으므로 특별히 특정 발광 재료에 제한되지 않는다. 상기 발광성 활성층은 상기 재료들의 나노크기의 입자, 양자점, 막대 형태를 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광성 활성층은 이온성 도펀트(ionic dopant)를 더 포함할 수 있다. 상기 이온성 도펀트는 발광성 활성층 내에서 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 형성하여 정공과 전자의 주입 및 이동을 더욱 용이하게 할 수 있다.
상기 이온성 도펀트는 TPABF4(Tetrapropylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), LiOTf(Lithium trifluoromethanesulfonate), KTf(Potassium trifluoromethanesulfonate) 및 NaTf(Sodium trifluoromethanesulfonate)를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 발광성 활성층은 열증착(Thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 원자층 증착(Atomic Layer Depostion), 화학기상 증착 (Chemical Vapor Deposition), 스핀코팅(Spin-coating), 딥코팅(Dip-coating), 드랍캐스팅(Drop-casting) 또는 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 발광성 활성층도 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 이용하여 유기 와이어 형태로 형성함으로써, 유기 와이어 발광 채널을 형성할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 미세 패턴의 형성 방법을 공정 순서대로 설명하기 위한 단면도들이다.
도 7a를 참조하면, 기판(311) 위에 패턴을 형성하고자 하는 물질로 패턴형성층(321)을 형성한다.
기판(311)은 특별히 제한되지 않으며 건식 또는 습식 식각에서 변형되지 않고 견딜 수 있는 재료는 모두 가능하다. 기판(311)은, 예를 들어, 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, SrTiO3, Nb 도핑된 SrTiO3, 유리, 고분자, 금속 또는 이들의 조합 등이 가능하지만 이것으로 제한되는 것은 아니다.
패턴형성층(321)은 통상의 유기 고분자 및 유기 저분자, 무기 재료, 유무기 하이브리드 재료로 이루어진 금속, 전도체, 반도체 또는 절연체의 박막 또는 패턴일 수 있다. 패턴형성층(321)은 또한 임의의 0차원 재료(예: 나노크기의 II-VI 반도체 입자(CdSe, CdTe, CdS 등)이 중심(core)을 이루는 양자점 반도체, 풀러렌, 그래핀 양자점), 1차원 재료(예: 탄소나노튜브, 나노와이어, 나노리본) 또는 2차원 재료(예: 그래핀, MoS2, 육방정계(hexagonal) BN)를 포함할 수도 있다. 패턴형성층(321)은 또한 이미 형성된 포토레지스트 패턴일 수도 있다. 그러나 패턴형성층(321)은 이들로 제한되는 것은 아니다.
도 7b를 참조하면, 패턴형성층(321) 위에 앞에서 설명한 바와 같이 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)를 형성한다. 상기 원형 또는 타원형의 단면을 갖는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝 또는 전기방사 등을 사용하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)의 물질은 위에서 설명한 바와 같은 유기 재료, 즉, 유기 저분자 반도체, 유기 고분자 반도체, 전도성 고분자, 절연성 고분자, 이들의 블렌드, 또는 이들과 앞에서 설명한 무기 재료의 혼합 재료를 사용할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)는 10㎚ 내지 100㎛ 범위의 직경을 갖도록 형성할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)을 식각 마스크로 사용하여 패턴형성층(321)을 식각한다. 식각 공정은 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching)을 이용할 수 있다. 건식 식각 공정은 예를 들면 통상의 가스 플라즈마 식각 공정, 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 공정, 이온 빔 밀링(ion beam milling) 공정을 사용할 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 습식 식각 공정은 패턴형성층(321)의 종류에 따라 적절한 식각액(etchant)를 선택하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 무기물 옥사이드의 식각에 BOE(buffered oxide etch) 용액과 같이 불산(HF)을 함유하는 용액을 사용할 수 있고, 실리콘의 식각에 불산과 질산의 혼합용액을 사용할 수 있다. 크롬은 암모니아 질산염 용액으로 식각이 가능하고, 금(Au)은 KI와 I2의 혼합용액으로 식각이 가능하다. Ti는 FeCl3 용액이나 Marble's reagent 용액(통상 50㎖ HCl : 50㎖ 탈이온 증류수 : 10g CuSO4 용액)으로 식각이 가능하다. 식각액에 과산화수소수(H2O2)가 포함될 수도 있다.
도 7d를 참조하면, 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)를 제거하여 패턴형성층(321)으로부터 최종 패턴(322)을 형성할 수 있다. 앞서 기술한 방법과 같이 테이핑 방법과 같이 접착 테이프의 부착력을 이용하여 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)를 떼어내어 제거할 수 있고, 또는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어(331)를 선택적으로 용매에 녹여서 제거할 수 있다.
앞에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 미세 패턴 형성방법은 미세한 간격을 갖는 패턴 및 미세한 직경을 갖는 패턴을 형성하는데 모두 적용될 수 있다. 본 발명에 의한 미세 패턴 형성방법에 의하여 금속, 무기 반도체, 유기 반도체 또는 그래핀 면소재(graphene sheet)로부터의 마이크로 리본 또는 나노 리본, 또는 양자점 소재, 또는 이를 이용한 전자 소자 또는 광전자 소자 등을 제조할 수 있다.
실시예 1
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 패턴 형성 방법에 의하여 나노 간격을 갖는, 금(Au)으로 이루어진 패턴을 제작하였다.
먼저 기판 위에 고분자 물질로 이루어진 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다. 상세하게는, 먼저 PVK(Poly(N-vinylcarbazole))를 스티렌에 용해시켜서 PVK 용액을 제조하였다. PVK 용액을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 시린지에 담고, 노즐에 전압을 인가하면서 노즐로부터 상기 PVK 용액을 토출하였다. 로봇 스테이지에 의하여 이동되는 콜렉터 상의 기판 위에 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다.
이때 사용한 노즐의 직경은 100㎛이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 2.5㎜이고, 인가전압은 4㎸이고 용액의 토출 속도는 500 nℓ/min 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향의 이동 간격은 50㎛ 이고, x축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향 이동속도는 1,000mm/min 이었고, x축 방향 이동속도는 8,000mm/min 이었다. x축 방향으로 신장하고 y축 방향으로 약 50㎛의 간격을 가지며, 약 450㎚의 직경을 갖는 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다.
이어서 상기 나노 와이어 마스크 패턴이 형성된 기판의 전면에 열증착 방법에 의하여 금(Au)층을 형성하였다. 금층은 약 100㎚의 두께로 형성하였다.
그리고 접착 테이프의 부착력을 이용한 방법에 의하여 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 제거하였다. PVK 나노 와이어 마스크 패턴은 기판과 최소한의 면적으로 접촉하고 있고, 금층의 두께는 PVK 나노 와이어 마스크 패턴의 직경 보다 얇으므로, PVK 나노 와이어 마스크 패턴은 끊어지거나 남지 않고 기판으로부터 깨끗하게 제거되었다. 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴이 떨어지면서 상기 PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위의 금층이 함께 제거되어 나노 간격을 갖는 금 패턴이 형성되었다.
도 8은 실시예 1에 의하여 형성된 나노 간격을 갖는 금 패턴의 SEM 사진이다. 도 8의 SEM 사진에서 측정한 결과 나노 간격을 갖는 금 패턴의 폭은 50㎛ 로 PVK 나노 와이어 마스크 패턴의 간격과 일치하였으며, 나노 간격을 갖는 금 패턴 사이의 평균 간격 또한 약 460㎚로 PVK 나노 와이어 마스크 패턴의 직경과 거의 일치하였다.
실시예 2
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴의 형성 방법에 의하여 나노 간격을 갖는 금으로 이루어진 정사각형 패턴을 제작하였다.
먼저 기판 위에 약 460㎚의 굵기와 약 50㎛의 간격을 갖는 고분자 나노 와이어 마스크 패턴의 직교 패턴을 형성하였다. 상기 고분자 나노 와이어 마스크 패턴은 PVK 물질로 형성하였다. 상세하게는, 실시예 1에서 설명한 바와 같이 먼저 PVK를 스티렌에 용해시켜서 PVK 용액을 제조하였다. 상기 PVK 용액을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 시린지에 담고, 노즐에 4㎸의 전압을 인가하면서 노즐로부터 토출하였다. 로봇 스테이지를 x축 방향으로 이동시켜 x축 방향의 나노 와이어 패턴을 형성하고, 로봇 스테이지를 y축 방향으로 이동시켜 y축 방향의 나노 와이어 패턴을 형성하여 나노 와이어 마스크 직교 패턴을 형성하였다.
이때, 사용한 노즐의 직경은 100㎛이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 2.5㎜이고, 인가전압은 4㎸ 이고 용액의 토출 속도는 500 nℓ/min 이었다. x축 방향의 나노 와이어 마스크 패턴을 형성할 때 로봇 스테이지의 y축 방향의 이동 간격은 50㎛ 이고, x축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 이 때, 로봇 스테이지의 y축 방향 이동속도는 1,000 mm/min 이었고, x축 방향 이동속도는 8,000 mm/min 이었다. 마찬가지로 Y축 방향의 나노 와이어 마스크 패턴을 형성할 때 로봇 스테이지의 X축 방향의 이동 간격은 50㎛ 이고, Y축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 이 때, 로봇 스테이지의 X축 방향 이동속도는 1,000 mm/min 이었고, Y축 방향 이동속도는 8,000 mm/min 이었다.
이어서 상기 고분자 나노 패턴이 형성된 기판의 전면에 열증착 방법에 의하여 금층을 형성하였다. 금층은 100㎚의 두께로 형성하였다.
그리고 유기 용매 내의 음파 처리 방법에 의하여 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 제거하였다. 유기 용매로는 클로로포름을 사용하였다. 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴이 떨어지면서 상기 PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위의 금층이 함께 제거되어서 금층의 나노 간격의 정사각형 패턴이 형성되었다.
도 9는 실시예 2에 의하여 형성된 나노 간격을 갖는 금으로 이루어진 정사각형 패턴의 SEM 사진(scanning electron microscopic micrograph)이다. 도 9의 SEM 사진에서 측정한 결과 정사각형 금 패턴의 폭은 50㎛ 로 나노 와이어 마스크 패턴의 간격과 일치하였으며, 정사각형 금 패턴 사이의 평균 간격 또한 약 460㎚로 나노 와이어 마스크 패턴의 직경과 거의 일치하였다.
실시예 3
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 형성 방법에 의하여 나노 채널 박막 트랜지스터를 제작하였다.
실리콘 웨이퍼 위에 600㎛의 폭과 30㎚의 두께를 갖는 타이타늄(Ti) 게이트 전극을 형성하였다. 상기 게이트 전극 위에 원자증착법(Atomic Layer Deposion)에 의하여 50㎚ 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 게이트 절연막을 형성하였다. 상기 게이트 절연막 위에 소스 드레인 전극으로서 340㎚의 간격과 70㎚의 두께를 갖는 금 전극을 형성하였다.
나노 간격을 갖는 금 전극을 형성하기 위하여 먼저 타이타늄 게이트 전극과 산화알루미늄 게이트 절연막이 형성된 기판 위에 약 350㎚의 직경과 약 5.5㎜의 간격을 갖는 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다. 상기 나노 와이어 마스크 패턴은 PVK 물질로 형성하였다.
상세하게는, 상기 실시예 1에서 설명한 바와 같이 먼저 PVK를 스티렌에 용해시켜서 PVK 용액을 제조하였다. 상기 PVK 용액을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 시린지에 담고, 노즐에 전압을 인가하면서 노즐로부터 토출하였다. 로봇 스테이지에 의하여 이동되는 콜렉터의 기판 위에 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다. PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위에 열증착법에 의하여 금층을 형성하였다. 접착 테이프의 부착력을 이용한 방법에 의하여 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 제거하였다. 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴이 떨어지면서 상기 PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위의 금층이 함께 제거되어서 나노 간격을 갖는 금으로 이루어진 사각형 패턴이 형성되었다.
이때, 사용한 노즐의 직경은 100㎛이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 2.5㎜이고, 인가전압은 4㎸ 이고 용액의 토출 속도는 500 nℓ/min 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향의 이동 간격은 5.5㎜ 이고, x축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향 이동속도는 1,000 mm/min 이었고, x축 방향 이동속도는 8,000 mm/min 이었다.
그리고 상기 게이트 절연막과 상기 나노 간격을 갖는 금 전극 위에 셰도우 마스크를 사용하여 열증착을 통해 50㎚ 두께의 펜타센 활성층을 형성하였다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 3에 의하여 형성한 나노 채널 펜타센 박막 트랜지스터의 SEM 사진들이다.
도 10a의 SEM 사진을 참조하면, 실리콘 기판 위에 타이타늄 게이트 전극(211)이 형성되어 있고, 게이트 전극(211) 위로 기판 전면에 산화알루미늄 게이트 절연막(213)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(213) 위로 나노 간격을 갖는 소스 및 드레인 금 전극(221)이 형성되어 있다.
도 10b의 SEM 사진은 도 10a의 SEM 사진에서 소스 및 드레인 금 전극(221)의 간격 부분을 확대한 사진이다. 도 10b의 SEM 사진에서 소스 및 드레인 금 전극(221)의 간격이 약 340㎚ 로서 고분자 나노 와이어 마스크 패턴의 두께와 거의 일치하였다. 도 10a 및 도 10b에서 금 전극(221) 위의 펜타센 활성층은 투명하여 식별되지 않는다.
도 11은 실시예 3에 의하여 형성한 나노 채널 펜타센 박막 트랜지스터의 드레인 전류 대 게이트 전압의 그래프이다. 도 11의 그래프로부터 특정 드레인 전압에 대해서, 게이트 전압(절대값)을 증가시키면 드레인 전류가 증가하는 것과 특정 게이트 전압에서 드레인 전압(절대값)을 증가시키면 드레인 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 11의 그래프로부터 나노 간격 박막 트랜지스터의 이동도가 0.041 cm2/V·s 로 측정되었고, 트랜지스터가 안정적으로 작동하는 것을 알 수 있다.
실시예 4
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴의 형성 방법에 의하여 나노 채널 유기 나노 와이어 트랜지스터를 제작하였다. 실시예 3에서는 나노 간격을 갖는 소스 드레인 전극 위에 펜타센을 전면 증착하여 활성층을 형성하였으나, 본 실시예에서는 나노 간격을 갖는 소스 드레인 전극 위에 유기 반도체 나노 와이어를 형성함으로써 활성층, 즉, 채널을 형성하였다.
100㎚의 두께로 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 p-도핑된 실리콘 웨이퍼 위에 실시예 3에서와 같은 방법으로 340㎚의 간격과 100㎚의 두께를 갖는 금으로 이루어진 나노 간격의 소스 드레인 전극을 형성하였다. 이 때, p-도핑된 실리콘 웨이퍼와 실리콘 산화막은 각각 게이트 전극과 게이트 절연막으로 사용되었다.
나노 간격의 소스 드레인 전극 위에 P3HT 나노 와이어 채널을 형성하였다. P3HT 나노 와이어 채널을 형성하기 위하여, 먼저 P3HT와 PEO(Polyethylene oxide: 폴리에틸렌 옥사이드)(분자량 ~400,000)을 7:3 중량비로 섞은 분말을 클로로벤젠:트리클로로에틸렌 = 2:1 중량비의 혼합 용액에 용해시켜서 P3HT 용액을 제조하였다. P3HT 용액에서 P3HT의 농도는 전체 용액에 대하여 2.6 중량 % 이고 PEO의 농도는 1.1 중량 % 이었다.
P3HT 용액을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 시린지에 담고, 노즐에 1.5 ㎸의 전압을 인가하면서, P3HT 용액을 노즐로부터 토출하였다. 로봇 스테이지에 의하여 이동되는 콜렉터 위의, 게이트 전극, 게이트 절연막 및 소스 드레인 전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 P3HT 나노 와이어 채널이 형성되었다. 이때, 사용한 노즐의 직경은 100㎛이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 5.5㎜이고, 인가전압은 1.5㎸ 이고 용액의 토출 속도는 200 nℓ/min 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향의 이동 간격은 5.5㎜ 이고, x축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향 이동속도는 1,000 mm/min 이었고, x축 방향 이동속도는 30,000 mm/min 이었다. 콜렉터의 크기는 20㎝×20㎝이고, 콜렉터 위의 기판의 크기는 8㎝×8㎝이었다.
도 12는 실시예 4에서 형성한 나노 채널 유기 나노 와이어 트랜지스터의 SEM 사진이다. 도 12를 참조하면, 나노 간격을 갖는 소스 및 드레인 전극 위를 가로지르는 유기 와이어 채널을 볼 수 있다. 도 12에서 소스 및 드레인 전극의 간격 부분을 사각형으로 표시하여 확대하였으며, 확대한 사진에서 채널 길이(channel length)에 해당하는 소스 및 드레인 전극의 간격이 337.5㎚ 이고, 채널 폭(channel width)에 해당하는 P3HT:PEO 나노 와이어의 폭이 309.0㎚ 인 것을 확인할 수 있다.
도 13은 실시예 4에서 형성한 나노 채널 유기 나노 와이어 박막 트랜지스터의 드레인 전류 대 게이트 전압의 그래프이다. 상기 그래프로부터 전하(정공)의 이동도가 0.0021cm2/V·s 이고, 온/오프 전류의 비가 5.25 x 102로 계산되었다.
실시예 5
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴의 형성 방법에 의하여 나노 간격을 갖는 그래핀 나노 리본으로 이루어진 패턴을 제작하였다.
(a) 단일층 그래핀의 형성 및 전사
구리 포일(Cu-foil) (9㎝×15㎝)을 튜불라 노(tubular furnace) 내에 장착하고 90mtorr의 압력에서 8sccm의 H2를 공급하면서 1000℃까지 승온시킨 후, 30분 동안 상기 온도를 유지하여 상기 구리 포일 상에 구리 그레인을 생성시켰다. 이 후, 1000℃의 온도에서, 460mtorr의 압력에서 24sccm의 CH4 및 8sccm의 H2를 30분 동안 공급한 후, 90mtorr의 압력에서 8sccm의 H2를 공급하면서 실온까지 냉각시켜 상기 구리 포일 상에 단일층 그래핀(monolayer graphene)을 형성하였다.
이 후, 상기 단일층 그래핀 위에 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)층을 접촉시키고 가압하여 구리 포일/단일층 그래핀/PMMA층의 필름을 형성하였다. 형성된 구리 포일/단일층 그래핀/PMMA층의 필름을 구리 식각액인 과산화황산암모늄(ammonium persulfate) 수용액(2 중량%)에 5-6 시간 동간 침지시킨 후 탈이온수로 세척하여 구리 포일을 제거함으로써 단일층 그래핀/PMMA층의 필름을 수득하였다.
이어서, 상기 단일층 그래핀이 5인치 실리콘 기판의 표면과 접촉하도록 실리콘 기판 상에 상기 단일층 그래핀/PMMA층을 배치한 후, 약 100℃의 온도 하에서 PMMA층의 상부를 가압함으로써 단일층 그래핀을 실리콘 기판 상에 전사하였다.
한편, 대면적 실리콘에 그래핀은 Younbin Lee 외 8명의 공동연구자가 발표한 Nano Letters, 10, 490-493 (2010) 논문에 따라서 형성할 수 있다.
(b) 유기 나노와이어 형성
(a) 단계에서 형성된 실리콘 기판 상의 단일층 그래핀 위에 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다. PVK 나노 와이어 마스크 패턴은 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 방법으로 형성하였다.
(c) 단일층 그래핀의 패터닝
산소 플라즈마 식각 공정(70mTorr, 100W, 3sec)을 통하여 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 단일층 그래핀을 선택적으로 식각하였다.
PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 클로로벤젠 용매에 녹인 후 음파 처리를 하여 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 선택적으로 제거하였다. 결과로서 10㎚ 의 너비를 갖는 그래핀 나노 리본을 형성하였다.
실시예 6
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴의 형성 방법에 의하여 나노 채널을 갖는 F8T2 박막 발광 트랜지스터를 제작하였다.
300㎚의 두께로 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 p-도핑된 실리콘 웨이퍼 위에 실시예 3 과 실시예 4와 같은 방법으로 300㎚의 간격과 100㎚의 두께를 갖는 금으로 이루어진 나노 간격의 소스 드레인 전극을 형성하였다. 이 때, p-도핑된 실리콘 웨이퍼와 실리콘 산화막은 각각 게이트 전극과 게이트 절연막으로 사용되었다. 상기 나노 간격의 소스 드레인 전극은 300㎚ 의 직경을 갖는 PVK 나노와이어를 나노 와이어 마스크 패턴으로 이용해 제작하였다.
상세하게는, 상기 실시예 1에서 설명한 바와 같이 먼저 PVK를 스티렌에 용해시켜서 PVK 용액을 제조하였다. 상기 PVK 용액을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 시린지에 담고, 노즐에 전압을 인가하면서 노즐로부터 토출하였다. 로봇 스테이지에 의하여 이동되는 콜렉터의 기판 위에 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 형성하였다. PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위에 열증착법에 의하여 금층을 형성하였다. 접착 테이프의 부착력을 이용한 방법에 의하여 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴을 제거하였다. 기판으로부터 PVK 나노 와이어 마스크 패턴이 떨어지면서 상기 PVK 나노 와이어 마스크 패턴 위의 금층이 함께 제거되어서 나노 간격을 갖는 금으로 이루어진 소스 드레인 전극이 형성되었다.
이때, 사용한 노즐의 직경은 100㎛이고, 노즐과 콜렉터 사이의 거리는 2.5㎜이고, 인가전압은 4.2㎸ 이고 용액의 토출 속도는 500 nℓ/min 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향의 이동 간격은 5.5㎜ 이고, x축 방향의 이동 거리는 15㎝ 이었다. 로봇 스테이지의 y축 방향 이동속도는 1,000 ㎜/min 이었고, x축 방향 이동속도는 8,000 ㎜/min 이었다.
그리고 상기 나노 간격의 소스 드레인 전극 위에 스핀코팅(spin-coating)을 통해 F8T2 박막 채널을 형성하였다. 이때, 스핀코팅에 사용한 F8T2 용액은 다이클로로벤젠(Dichlorobenzene)에 F8T2 를 1 중량% 용해시키고, 이온성 도펀트로 TPABF4 를 F8T2 의 10 % 만큼 넣어서 제조하였다. 스핀코팅은 500 rpm 에서 5 초간 시행후, 2000 rpm 에서90 초간 시행하였다.
도 14는 실시예 6에서 형성한 나노 채널 F8T2 박막 발광 트랜지스터의 광학현미경 사진이다. 도 14에서 나노 간격을 갖는 소스 및 드레인 사이에서 빛을 내는 F8T2 채널을 볼 수 있다.

Claims (39)

  1. 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성된 상기 기판의 전면(全面) 위에 물질층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴이 형성되지 않은 부분의 상기 물질층만 남도록 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거하는 단계; 를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉(Direct tip drawing), 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅(Meniscus-guided Direct Writing), 멜트 스피닝(Melt spinning), 웨트 스피닝(Wet spinning), 드라이 스피닝(Dry spinning), 겔 스피닝(Gel spinning), 또는 전기방사(Electrospinning)를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅은 토출용 용액을 공급하는 용액 저장 장치, 상기 용액 저장 장치로부터 공급받은 용액을 토출하는 노즐, 상기 노즐에 고전압을 인가하는 전압 인가 장치, 상기 노즐에서 토출되어 형성된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 정렬되는, 편평하고 이동가능한 콜렉터, 상기 콜렉터 밑에 설치되어 상기 콜렉터를 x-y 방향(수평 방향)으로 움직일 수 있는 로봇 스테이지(Robot Stage), z 방향(수직방향)으로 상기 노즐과 상기 콜렉터 사이의 거리를 조절하는 마이크로 거리 조절기, 및 상기 콜렉터의 평면도를 유지하고 상기 로봇 스테이지의 작동 중 발생하는 진동을 억제하도록 상기 로봇 스테이지 밑에 위치한 석정반을 포함하는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 사용하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 노즐과 상기 콜렉터 사이의 거리는 10㎛ 내지 20㎜ 의 범위에 있는 미세 패턴 형성 방법.
  5. 제1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅을 통해 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계는,
    유기 또는 유무기 하이브리드 재료를 증류수 또는 유기 용매 중에 혼합하여 유기 용액을 준비하는 단계;
    상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 용액 저장 장치 내에 상기 유기 용액을 담는 단계;
    상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 전압 인가 장치를 통하여 상기 노즐에 고전압을 인가하면서 상기 노즐로부터 상기 용액 저장 장치 내의 상기 유기 용액을 토출시키는 단계; 및
    상기 노즐로부터 토출되는 상기 유기 용액으로부터 형성되는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 상기 콜렉터를 이동하면서 상기 콜렉터 위의 상기 기판 위에 정렬시키는 단계; 를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 유기 재료는 유기 저분자 반도체, 유기 고분자 반도체, 전도성 고분자, 절연성 고분자 또는 이들의 블렌드를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 유기 재료는 6,13-비스(트리아이소프로필실릴에티닐)펜타센(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene), 트리에틸실릴에티닐 안트라디타이오펜(triethylsilylethynyl anthradithiophene: TES ADT) 및 [6,6]-페닐 C61 부티르산메틸에스테르([6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester: PCBM)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 저분자 반도체 재료, polythiophene,P3HT(Poly(3-hexylthiophene)), PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PVK(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(poly(p-phenylene vinylene) 또는 이의 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체, poly(spiro fluorine) 또는 이의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체 및 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 고분자 반도체/전도성 고분자 재료, 또는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리이미드(Polyimide), PVDF(Poly(vinylidene fluoride)) 및 PVC(Polyvinylchloride)를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 절연성 고분자를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 유무기 하이브리드 재료는 나노 크기의 입자, 와이어, 리본(ribbon), 막대(rod) 형태를 갖는 반도체, 금속, 금속 산화물, 금속 또는 금속 산화물의 전구체(precursor), 탄소나노튜브(CNT), 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide), 그래핀(graphene), 그래핀 양자점, 그래핀 나노리본, 그래파이트(graphite) 또는 나노크기의 화합물 반도체 입자가 중심(core)을 이루는 양자점을 적어도 하나 이상을 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 10㎚ 내지 100㎛ 의 직경을 갖는 미세 패턴 형성 방법.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 무작위 패턴 또는 정렬 패턴을 갖는 미세 패턴 형성 방법.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴은 2 개 이상의 평행인 와이어들이 이루는 각도가 0° 내지 10° 의 각도 오차 범위을 갖는 미세 패턴 형성 방법.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴은 각 와이어의 직경에 대해 0 % 내지 10 % 의 범위에서 직진도(straightness)를 갖는 미세 패턴 형성 방법.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 물질층은 금속, 반도체 무기물, 전도성 무기물, 절연성 무기물, 유기 고분자 반도체, 유기 저분자 반도체, 유기 전도성 고분자, 유기 절연성 고분자 또는 이들의 블렌드를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 물질층은 금, 백금, 은, 니켈, 구리, 알루미늄, 타이타늄, 코발트, 철, 텅스텐, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 몰리브덴, 카드뮴, 바나듐, 크롬, 아연, 인듐, 이트륨, 리튬, 주석, 납 및 이들의 합금을 포함하는 군으로부터 선택되는 금속 또는 전도성 무기물, p- 또는 n- 도핑된 실리콘, 산화 아연, 산화 인듐, 인듐 주석 산화물(ITO), 또는 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물 (ZnO), 실리콘 및 게르마늄을 포함하는 군으로부터 선택되는 반도체 무기물, SiO2및 SiN을 포함하는 군으로부터 선택되는 절연성 무기물, P3HT(poly 3-hexylthiophene), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene), PEDOT(polyethylenedioxythiophene)/ PSS(polystyrenesulfonate), F8T2(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene) 또는 이의 유도체, PTV(poly(thienylene vinylene)) 또는 이의 유도체,　 폴리아세틸렌(polyacetylene) 또는 이의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체, 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체, 및 폴리플로렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 고분자 반도체/유기 전도성 고분자, TIPS 펜타센(triisopropylsilylethynyl pentacene), 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(anthracene), 및 루브렌(rubrene), α-6T(alpha-hexathienylene)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 저분자 반도체, 또는 PEO(Polyethylene oxide), PS(Polystyrene), PCL(Polycaprolactone), PAN(Polyacrylonitrile), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), Polyimide, PVDF(Poly(vinylidene fluoride)) 및 PVC(Polyvinylchloride)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 절연성 고분자 및 이들의 블렌드를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거하는 단계는 접착성 테이프를 사용하여 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 들어올리는(lift off) 단계를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  16. 제1 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 제거하는 단계는 상기 물질층이 증착된 상기 기판을 음파 처리용 유기 용매 내에 담그고 상기 음파 처리용 유기 용매를 고주파로 음파 처리(sonication)하는 단계를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  17. 제1 항 및 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어의 정렬 패턴을 이용하여 형성된 상기 미세 패턴은 10㎚ 내지 100㎝의 폭을 갖는 미세 패턴 형성 방법.
  18. 기판 위에 패턴형성층을 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 패턴형성층을 식각하는 단계; 및
    상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴을 선택적으로 제거하는 단계; 를 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 식각 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
  20. 제18 항에 있어서, 상기 패턴형성층은 금속, 전도체, 유기 반도체, 무기 반도체, 나노크기의 산화물 반도체 입자가 중심(core)을 이루는 양자점 반도체, 유기 절연체, 무기 절연체 물질 및 풀러렌(fullerene)을 포함하는 군으로부터 선택된 물질로 형성되는 0차원 소재, 반도체 리본, 금속 나노 리본, 탄소나노튜브, 반도체 나노와이어 및 금속 나노와이어을 포함하는 군으로부터 선택되는 1차원 소재, 그래핀, MoS2 및 육방정계(hexagonal) BN을 포함하는 군으로부터 선택되는 물질로 형성되는 2차원 소재, 또는 유기 재료, 고분자 재료, 무기 재료 및 유무기 하이브리드 재료를 포함하는 군으로부터 선택되는 전도체, 반도체 또는 절연체 특성을 지니는 박막 또는 패턴, 또는 포토레지스트 패턴을 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
  21. 제18 항에 있어서, 상기 패턴형성층을 식각하는 단계는 가스 플라즈마 식각 공정, 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 공정 또는 이온 빔 밀링(ion beam milling) 공정을 포함하는 건식 식각(dry etching) 공정, 또는 습식 식각(wet etching) 공정을 사용하는 미세 패턴 형성 방법.
  22. 제18 항 내지 제 21항 중 어느 한 항의 미세 패턴 형성 방법을 통하여 금속, 무기 반도체, 유기 반도체 또는 그래핀 면소재로부터 형성된 마이크로 리본 또는 나노 리본 소재, 또는 양자점 소재.
  23. 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  24. 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  25. 제23 항 또는 제24 항에 있어서, 상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  26. 제23 항 내지 제25 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅을 통해 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계는
    유기 또는 유무기 하이브리드 재료를 증류수 또는 유기 용매 중에 혼합하여 유기 용액을 준비하는 단계;
    토출용 용액을 공급하는 용액 저장 장치, 상기 용액 저장 장치로부터 공급받은 용액을 토출하는 노즐, 상기 노즐에 고전압을 인가하는 전압 인가 장치, 상기 노즐에서 토출되어 형성된 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어가 정렬되는, 편평하고 이동가능한 콜렉터, 상기 콜렉터 밑에 설치되어 상기 콜렉터를 x-y 방향(수평 방향)으로 움직일 수 있는 로봇 스테이지(Robot Stage), z 방향(수직방향)으로 상기 노즐과 상기 콜렉터 사이의 거리를 조절하는 마이크로 거리 조절기, 및 상기 콜렉터의 평면도를 유지하고 상기 로봇 스테이지의 작동 중 발생하는 진동을 억제하도록 상기 로봇 스테이지 밑에 위치한 석정반을 포함하는 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 용액 저장 장치 내에 상기 유기 용액을 담는 단계;
    상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 전압 인가 장치를 통하여 상기 노즐에 고전압을 인가하면서 상기 노즐로부터 상기 용액 저장 장치 내의 상기 유기 용액을 토출시키는 단계; 및
    상기 노즐로부터 토출되는 상기 유기 용액으로부터 형성되는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어를 상기 콜렉터를 이동하면서 상기 콜렉터 위의 상기 기판 위에 정렬시키는 단계; 를 포함하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  27. 제23 항 또는 제24 항에 있어서, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 간격이 10㎚ 내지 100㎛의 범위를 갖는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  28. 제23 항 또는 제24 항에 있어서, 상기 활성층은 실리콘, 게르마늄 및 산화아연(ZnO)을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 반도체 재료, P3HT(poly 3-hexylthiophene), P3OT(poly 3-octlythiophene), PBT(poly butylthiopehene) 및 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 고분자 반도체 재료, 또는 TIPS 펜타센(triisopropylsilylethynyl pentacene), 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene)를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 저분자 반도체 재료를 포함하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  29. 제23 항 또는 제24 항에 있어서, 상기 활성층은 열증착(Thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 원자층 증착(Atomic Layer Depostion), 화학기상 증착 (Chemical Vapor Deposition), 스핀코팅(Spin-coating), 딥코팅(Dip-coating), 드랍캐스팅(Drop-casting) 또는 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 형성하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  30. 제23 항 또는 제24 항에 있어서, 상기 활성층을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 이용하여 유기 와이어 형태로 형성하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  31. 제30 항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계는 활성층 재료를 증류수 또는 유기 용매 중에 혼합하여 활성층 재료 용액을 준비하는 단계;
    상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 용액 저장 장치 내에 상기 활성층 재료 용액을 담는 단계;
    상기 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터의 상기 전압 인가 장치를 통하여 상기 노즐에 고전압을 인가하면서 상기 노즐로부터 상기 용액 저장 장치 내의 상기 활성층 재료 용액을 토출시키는 단계; 및
    상기 노즐로부터 토출되는 상기 활성층 재료 용액으로부터 형성되는 유기 와이어를 상기 콜렉터를 이동하면서 상기 콜렉터 상의 상기 기판 위에 정렬시키는 단계; 를 포함하는 미세 채널 트랜지스터의 형성 방법.
  32. 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 및 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 발광성 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 바텀-게이트(bottom-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  33. 기판 위에 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴 위에 소스 전극 및 드레인 전극용 물질층을 형성하는 단계;
    상기 기판으로부터 상기 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴을 리프트 오프하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 발광성 활성층을 형성하는 단계;
    상기 발광성 활성층 위에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 를 포함하는 탑-게이트(top-gate) 구조의 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  34. 제32 항 또는 제33 항에 있어서, 상기 원형 또는 타원형의 단면을 가지고 있는 유기 와이어 또는 유무기 하이브리드 와이어 마스크 패턴은 전기장 보조 로보틱 노즐 프린팅, 다이렉트 팁 드로잉, 메니스커스 가이디드 다이렉트 라이팅, 멜트 스피닝, 웨트 스피닝, 드라이 스피닝, 겔 스피닝, 또는 전기방사를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  35. 제32 항 또는 제33 항에 있어서, 상기 발광성 활성층은 GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, GaN, InGaN, ZnSe, CdSe, CdTe 및 CdS 을 포함하는 군으로부터 선택되는 무기 발광성 반도체 입자, 양자점, 막대, 와이어, 박막 재료, 폴리(9-비닐카바졸)(Poly(9-vinylcarbazole)) 또는 이의 유도체, F8T2(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bithiophene)) 또는 이의 유도체, F8BT(poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)) 또는 이의 유도체, 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)) 또는 이들의 유도체, 폴리아닐린(polyaniline) 또는 이의 유도체, 폴리타이오펜(polythiophene) 또는 이의 유도체, 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이들의 유도체, 폴리플로렌(polyfluorene) 또는 이의 유도체 및 폴리(스피로-플루오렌)(poly(spiro-fluorene)) 또는 이의 유도체를 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 고분자 반도체 재료, 테트라센(tetracene), 루브렌(rubrene), BP3T(α,ω-Bis(biphenylyl)terthiophene), α-5T(α-quinquethiophene), α-6T(α-sexithiophene) 및 P13(N,N'-ditridecylperylene-3,4,9,10-tetracarboxylic　diimide)을 포함하는 군으로부터 선택되는 유기 발광성 저분자 반도체 재료, 또는 이들의 블렌드를 포함하는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  36. 제32 항 또는 제33 항 에 있어서, 상기 발광성 활성층은 정공과 전자의 주입을 용이하게 하는 이온성 도펀트(ionic dopant)를 더 포함하는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  37. 제36 항에 있어서, 상기 이온성 도펀트(ionic dopant)는 TPABF4(Tetrapropylammonium tetrafluoroborate), TBABF4(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate), LiOTf(Lithium trifluoromethanesulfonate), KTf(Potassium trifluoromethanesulfonate) 및 NaTf(Sodium trifluoromethanesulfonate)를 포함하는 군으로부터 선택되는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  38. 제32 항 또는 제33 항에 있어서, 상기 발광성 활성층은 열증착(Thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation), 원자층 증착(Atomic Layer Depostion), 화학기상 증착 (Chemical Vapor Deposition), 스핀코팅(Spin-coating), 딥코팅(Dip-coating), 드랍캐스팅(Drop-casting) 또는 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 형성하는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
  39. 제32 항 또는 제33 항에 있어서, 상기 발광성 활성층을 전기장 보조 로보틱 노즐 프린터를 이용하여 유기 와이어 형태로 형성하는 미세 채널 발광트랜지스터의 형성 방법.
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