KR100817933B1 - 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다음 화학식 1로 표시되는 신규 화합물로서 열적, 화학적 안정성이 우수하여 단량체 상태에서 용액공정이 가능하고, 이를 열중합한 고분자는 유기 용매에 대한 저항성이 우수하며, 이들이 적용된 절연막은 열적, 물리적 특성이 향상되는 특징을 나타내므로, 유기 소자에 적용할 경우 대면적 접촉 등의 간단한 방법으로 유기 소자의 제조가 가능하여 우수한 점멸비를 나타내는 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
상기 화학식 1에서, R1, R2, R3, Z1, Z2 및 Z3는 발명의 상세한 설명에 기재된 바와 같다.
유기 박막 트랜지스터, 게이트, 절연재
Description
도 1은 실시예 1에 의하여 합성된 화학식 1b로 표시되는 화합물의 1H-NMR 스펙트럼이다.
도 2는 실시예 1에 의하여 합성된 화학식 1b로 표시되는 화합물의 19F-NMR 스펙트럼이다.
도 3은 실시예 1에 의하여 합성된 화학식 1b로 표시되는 화합물이 열중합된 화학식 2b 로 표시되는 고분자의 상태를 DSC(differential scanning calorimeters)를 통하여 확인한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 의하여 합성된 화학식 1b로 표시되는 화합물이 열중합된 화학식 2b로 표시되는 고분자를 포함하여 이루어진 필름(절연막)을 유기용매로 씻은 전후 두께를 측정한 UV-Vis 흡광 스펙트럼이다.
도 5는 실시예 1에 의하여 합성된 화학식 1b로 표시되는 화합물이 열중합된 화학식 2b로 표시되는 고분자를 포함하여 이루어진 필름(절연막)을 유기용매로 씻 은 전후의 고분자의 표면구조를 나타낸 원자힘 현미경(Atomic force microscopy, AFM)의 형상 이미지를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 화학식 1로 표시되는 화합물이 중합된 화학식 2로 표시되는 고분자가 적용된 유기 게이트 절연재 위에 사진석판술을 이용하여 전극을 제작한 후 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 소자를 제조하는 방법의 일례를 도시화한 흐름도이다.
도 7은 실시예 2에 의하여 사진석판술로 제조한 전극이 적용된 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 소자의 이미지 사진을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 2에 의하여 제조된 유기 절연막의 전기적 성질을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 2에 의하여 제조된 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 소자의 전기적 성질을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 열적, 화학적 안정성이 우수하여 단량체 상태에서 용액공정이 가능한 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물과, 이를 열중합한 것으로 유기용매에 대한 저항성이 높은 고분자 및 이들을 적용한 용도에 관한 것이다.
제작 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 충격에 의해 깨지지 않고 구부리거나 접을 수 있는 전자 회로 기판이 미래의 산업에 필수적인 요소가 될 것으로 예상되고 있으며, 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 유기 트랜지스터의 개발은 아주 중요한 연구 분야로 대두되고 있다.
상기 유기 트랜지스터는 넓은 면적 위에 소자를 제작할 필요가 있을 때나 낮은 공정 온도를 필요로 하는 경우, 또한 구부림이 가능해야 하는 경우, 특히 저가 공정이 필요한 경우 유용하게 쓰일 수 있으나, 유기반도체의 특성상 전하 이동도가 낮아 규소(Si)나 게르마늄(Ge) 등이 쓰이는 빠른 속도를 필요로 하는 소자에는 쓰일 수 없다.
우수한 성능의 트랜지스터 소자가 되기 위해서는 점멸비와 전하이동도가 커야 하고, 낮은 온도에서 박막 형성이 가능해야 한다. 이는 플라스틱 기판의 특성상 유리전이 온도가 낮아(폴리이미드의 경우 250 ℃ 부근) 가공 온도를 높이기가 힘들기 때문이다. 또한, 낮은 누설 전류는 소자신뢰성 면에서 필수적이라 하겠다.
한편, 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터는 탑 컨텍 유기 박막 트랜지스터에 비하여 전극 패터닝 과정에서 유기반도체 고분자의 오염을 막기 때문에, 소자성능을 저하시키지 않는 구조로서 유용하다. 따라서, 대면적 소자 제작을 위해 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 개발이 요구되며, 그러기 위해서는 용액 저항성이 우수한 게이트 절연재의 개발이 필요하다.
그러나, 현재까지 개발된 고분자 절연재는 점멸비가 낮은 문제점을 지니고 있다. 따라서, 상기 제시된 유기 박막 트랜지스터 성질을 충족시키는 새로운 유기물의 개발이 요구된다.
이에 본 발명의 발명자들은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물이 펜에틸기(phenethyl)를 가지고 있어 단량체 상태에서 용액공정이 가능하고, 200 ℃ 이하의 온도에서 열을 가할 경우 단량체가 중합되면서 플루오로시클로부탄기(fluorocyclobutane, PFCB)를 주축으로 하는 고분자 중합반응이 일어나며, 이렇게 얻어진 고분자는 유기용매에 대한 높은 저항성을 나타냄을 알게되어 본 발명을 완성하였다.
상기한 본 발명의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물은 유기용매에 대한 저항성이 높기 때문에 용액공정을 적용할 수 있으며, 이를 열중합한 고분자도 유기용매에 대한 저항성을 비롯하여 열적, 물리적 저항성이 높음을 확인하였다. 또한, 상기한 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 단량체로 하는 고분자는 절연막에 적용될 경우 상기한 특성에 기인하여 용액공정이 가능함을 확인하였으며, 특히 유기 박막 게이트 절연재에 적용시 열적, 물리적 저항성이 우수하여 사진석판술을 이용하여 대면적 제조방법을 적용할 수 있음을 확인하였으며, 상기 유기 박막 게이트 절연재가 적용된 유기 박막 트랜지스터는 우수한 점멸비(on/off ratio)를 나타냄을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 신규한 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기한 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물이 중합된 고분자를 제공한다.
또한, 본 발명은 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 단량체로 하는 고분자가 적용된 절연막을 포함한다.
또한, 본 발명은 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 단량체로 하는 고분자가 적용된 유기 박막 트랜지스터용 게이트 절연재 및 유기 박막 트랜지스터를 포함한다.
본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 특징으로 한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1, R2 및 R3은 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 플루오로원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 및 플루오로원자가 1 내지 6개 치환된 탄소수 1 내지 4의 플루오로알킬기 중에서 선택되고, 또한 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자 또는 플루오로알킬기이며; Z1, Z2 및 Z3는 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되고; n은 0, 1, 2 또는 3을 나타낸다.
이하 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물에 관한 것으로서, 제조된 신규 화합물의 열적, 화학적 안정성 등이 우수함을 확인하며, 이를 유기 박막 트랜지스터의 유기 게이트 절연재에 적용할 경우, 유기용매에 대한 높은 저항성으로 인해 유기반도체 물질의 스핀코팅이 가능하며, 또한 상기 신규 화합물의 높은 열적, 물리적 저항성에 의하여 전극의 사진석판술을 이용하여 대면적 제작이 가능하고, 이렇게 제조된 유기 박막 트랜지스터는 높은 점멸비(on/off ratio) 특성을 나타내는 효과를 기대할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 본 발명의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물에 있어서 상기 플루오로알킬렌옥시기는 열가교에 의하여 막(film)을 형성시 반드시 필요한 작용기이므로, 구조식 내에 플루오로알킬렌옥시기가 반드시 하나 이상 치환되어야 한다. 즉, 상기 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자이어야 하며, 다음 화학식 1a로 표시되는 화합물일 수 있다.
본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 중합하여 제조된 플루오로 고분자를 포함하는데, 이는 열가교시 시클로다이머리제이션(cyclodimerization)되어 막을 형성할 수 있게 된다.
즉, 본 발명은 다음 화학식 2로 표시되는 반복단위 구조를 갖는 플루오로 고분자를 포함한다.
상기 화학식 2에서, R1, R2, R3, Z1, Z2, Z3, 및 n은 각각 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
더욱 바람직하기로, 본 발명은 다음 화학식 2a로 표시되는 반복단위 구조를 갖는 플루오로 고분자를 포함한다.
상기 화학식 2a에서, R1, R2, 및 R3은 각각 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다.
상기 고분자는 유기용매에 대한 저항성이 우수하며, 따라서 상기 고분자를 포함하여 제조된 막은 유기용매에 녹지 않게 되므로 스핀코팅 등의 용액공정이 가능하게 되는데, 이러한 특성은 막의 제조공정을 용이하게 하는 효과가 있다. 특히 상기 고분자를 절연막의 원료물질로 적용시에는 용액공정이 가능하게 되므로 제조공정상의 잇점을 기대할 수 있다.
본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 단량체로 하는 화학식 2의 고분자가 도입된 유기 박막 트랜지스터용 게이트 절연재를 포함한다. 즉, 상기 화학식 2의 고분자는 유기용매에 대한 높은 저항성을 가지며, 열적 및 물리적으로 안정하기 때문에 유기 박막 트랜지스터용 게이트 절연재를 제조할 경우 매우 유리하다.
상기 게이트 절연재는 화학식 1의 화합물이 단량체로 용해된 용액을 기판에 도포하고 건조한 다음 열처리하여 제조할 수 있다.
상기 열처리는 150 ∼ 250 ℃ 조건에서 수행되는 것이 고분자 중합도를 증가시키는 측면에서 바람직하며, 상기 열처리는 진공 조건 또는 당분야에서 통상적으로 사용하는 질소, 알곤 등의 불활성 가스 존재하에 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 게이트 절연재가 도입된 유기 박막 트랜지스터를 포함한다.
이때, 상기 게이트 절연재는 유기 박막 트랜지스터를 구성하는 유기 반도체 층의 상부에 형성되거나(top gate), 하부에 형성되어질 수 있다(bottom gate).
즉, 기판과; 상기 기판상에 형성되며, 상기 화학식 2로 표시되는 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 게이트 절연재층과; 상기 게이트 절연재층 상에 형성된 소스(source)/드레인(drain) 전극; 및, 게이트 절연재층 상에 형성되고, 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극과 이들의 사이에 걸쳐 형성되는 채널층을 구비한 반도체 층을 포함하여 이루어진 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터를 포함한다.
또한 본 발명은 기판과; 상기 기판상에 형성된 형성된 소스(source)/드레인(drain) 전극; 기판상 상에 형성되고, 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극과 이들의 사이에 걸쳐 형성되는 채널층을 구비한 반도체 층; 및, 상기 반도체층 상에 형성된 상기 화학식 2로 표시되는 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 게이트 절연재층을 포함하여 이루어진 탑 컨텍 유기 박막 트랜지스터를 포함한다.
상기 기판으로는 당업계에서 통상적으로 사용하는 기판을 사용할 수 있으며, 한정하는 것은 아니지만 구체적으로 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 기판, ITO(idium tin oxide) 기판 등을 사용할 수 있다.
상기 소스(source)/드레인(drain) 전극을 구성하는 금속박막으로는 통상적으 로 당업계에서 사용하는 전극 형성용 금속 또는 전도성 고분자를 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬 (Cr) 및 백금(Pt) 등을 포함하는 금속 또는 전도성 고분자를 사용할 수 있다.
유기 FET(field effect transistor)의 채널로 사용되는 상기 반도체 층을 구성하는 유기 반도체 물질은 당업계에서 통상적으로 사용하는 유기 반도체 층 용 단분자 또는 고분자 물질을 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 펜타센(pentacene) 등을 포함하는 단분자(Small molecules) 물질과 폴리(3-헥실티오펜)[Poly(3-hexylthiophene)] 등을 포함하는 고분자 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 화학식 1의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물이 적용된 게이트 절연재가 도입된 유기 박막 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터를 제조하는 방법을 설명한다. 또한, 도 6은 상기 화학식 1의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물이 중합된 화학식 2로 표시되는 고분자를 사용하여 제조된 유기 게이트 절연재 위에 사진석판술로 전극을 제작한 후 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 소자를 제조하는 방법의 일례를 도시화한 흐름도이다.
즉, 기판에, 상기 화학식 1의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 포함하는 용액을 도포하고 건조한 다음 열처리하여 게이트 절연재 층을 형성한다. 게이트로 기판은 실리콘 웨이퍼 기판, ITO(indium tin oxide)기판 등을 사용할 수 있으며, 그 위에 상기 화학식 1의 화합물을 용매에 용해시켜 코팅한 후 고온에서 중합한다. 상기한 용매로는 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 아세톤, 클로로포름, 디클로로에탄, 테트라클로로에탄(tetrachloroethane), 및 사이클로헥사논 (cyclohexanone) 등을 선택 사용할 수 있으며, 코팅방법은 스핀코팅, 딥 코팅, 드랍 케스팅 및 닥터 블레이드 등의 통상의 용액공정을 적용할 수 있는 방법을 선택할 수 있다. 종래의 경우에는 게이트 절연재를 구성함에 있어 위층을 도포할 때 그 용액에 하부 층이 손상되는 이유로 용액공정이 곤란하였으며, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 신규 화합물인 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 사용함으로써 이러한 용액공정이 가능하게 된다. 상기한 코팅 후 진공 또는 불활성 기체 환경에서 열중합시키는데, 상기 열중합은 150 ∼ 250 ℃ 조건, 1 ∼ 3 시간(또는 열중합이 완료되는 시점을 확인할 수 있는 지점) 동안 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 절연재 층 상부에 소스(source)/드레인(drain) 전극용 금속막을 패터닝하고 자외선 중합용 도료를 코팅한 다음 자외선을 조사하여 소스(source)/드레인(drain) 전극을 형성한다.
전극은 사진석판술을 이용하여 제작한다. 더욱 바람직하기로는 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극은 그림자 마스크(shadow mask)법에 의하여 형성되는 것이 낮은 누전전류 측면에서 좋다.
소스와 드레인 전극으로 이용될 금을 사진석판술을 이용하여 패터닝한다. 방법은 사진석판술을 위한 광중합 도료(PR6612)를 코팅한 후, 자외선 빛을 이용하여 광 중합하여 전극 형태를 제작한 한다. 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극에 전극용 금속을 증착하고 전개(develope)하여 전극을 형성한다. 사진석판술을 이용하여 전극을 형성하려면, 유기절연재의 용액 저항성 및 우수한 기계적 성질이 요구되며, 기존 보고되고 있는 유기 절연재, 폴리비닐페놀[poly(vinylphenol)], 폴리스타이렌[poly(styrne)], 폴리메틸메타아크릴레이트[poly methyl methacrylate] 등은 공정 과정 중 누전전류의 증가로 절연 특성이 저하된다. 또한, 사진석판술이 용이한 폴리이미드[poly(imide)]계열의 절연재 고분자는 저가의 용액 공정이 용이하지 않으며, 300 ℃ 이상의 고온의 열처리를 필요로 하기 때문에 구부림이 가능한 소자 제작에 적당한 절연재 물질이 아니다. 본 발명의 유기절연재는 용액 공정으로 도포가 가능하고 열중합 후 고분자 상태에서 큰 누전전류의 증가 없이 대면적 사진석판술을 이용한 전극 제작이 가능하다.
상기한 금속으로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬 (Cr) 및 백금(Pt) 등을 선택 사용할 수 있다. 상기 전극 상에 유기 반도체를 녹인 용액을 도포한 후 열처리하여 반도체 층을 형성하는 과정을 포함하여 유기 박막 트랜지스터를 제조한다. 상기 반도체는 잘 알려진 펜타센(pentacene), 쿠퍼피씨(CuPc) 계열, 티오펜계의 유기 단분자(sexithiophene) 및 플로렌 계열(fullerene derivative) 등의 유기단분자 및 티오펜계의 고분자, 폴리(3-헥실티오펜)[poly(3-hexylthiophene)], 플로렌 계의 고분자[poly(9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene)]등의 유기 반도체를 사용할 수 있으며, 이들을 클로로포름(chloroform), 톨루엔(toluene), 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 다음 코팅하고, 열처리하여 반도체 층을 형성한다.
상기한 유기 반도체 용액의 코팅은 스핀코팅, 딥코팅, 드랍 케스팅 및 닥터 블레이드 등의 방법을 선택할 수 있으며, 열처리 조건은 80 ∼ 150 ℃, 10 ∼ 60 분간(또는 반응의 종료시점) 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기한 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터와 유사한 방법으로 탑 컨택 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있으며, 상이한 점은 절연재 층이 반도체 층 상에 위치되는 점이다.
상기한 방법으로 제조된 유기 소자의 사진을 도 7에 나타내었는데, 도전극이 유기 절연재 층 위에서 깨끗하게 패터닝 되었음을 확인할 수 있다. 투명한 기판을 이용하여 제작한 소자는 투명전기소자로 적용 가능함을 보여준다.
도 8은 제조된 유기 절연막의 전기적 성질을 나타낸 그래프로서, 전기전류가 10-9 A이하에서 흐름을 보여주며, 절연 효과가 우수함을 알 수 있다. 도 9는 실시예 2에 의하여 제조된 바텀 컨텍 유기 박막 트랜지스터 소자의 전기적 성질을 나타낸 그래프이며, 고분자 티오펜을 사용하였을 때, 1.8 x 10-3 ㎠/Vs의 전하이동도와 8.3 x 106의 우수한 전멸비를 보여줌을 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 화합물의 합성
본 발명의 화학식 1로 표시되는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸신란 화합물 및 이를 중합한 화학식 2로 표시되는 고분자를 합성하는 일례를 다음 반응식 1로 표시하였다.
시작물질로서 트리플루오로비닐옥시브로모벤젠(4-(trifluorovinyloxy)bromobenzene)은 널리 알려진 방법(미국특허 5,066,746호 참조)을 이용하여 합성되었으며, Oakwood 회사에서 판매하는 물질을 사용하였다.
다음 반응은 저온반응기를 이용하여 -78 ℃에서 진행하였다.
즉, 3 g (12 mmol)의 트리플루오로비닐옥시브로모벤젠을 디에틸에테르 50 mL에 녹이고 질소 분위기를 유지한 상태에서 7 ml (12 mmol)의 1.7M-부틸리튬(butyllithium)을 천천히 적가하였다. 리튬 치환된 트리플루오로비닐옥시브로모벤젠은 펜에틸트리클로로실란(phenethyltrichlorosilane)과의 반응성을 가지게 된다. 용액을 1시간 정도 교반한 후 1 g (4 mmol)의 펜에틸트리클로로실란을 적가하고, 1 시간 정도 교반한 후 온도를 상온으로 올렸다. 여기에 50 mL의 물을 부어서 층 분리하여 물층을 버리고 남은 유기 용매를 증발시킨 다음 실리카겔분리장치를 이용하여 정제하여 화합물 1b를 얻었다(수율 15 %).
상기 화합물 1b는 유기용매로서 THF(tetrahydrofuran), 아세톤, 클로로포름, 디클로로에탄에 40 중량% 이상의 용해도를 가진다.
상기 화학식 1b의 구조는 1H-NMR과 19F-NMR을 통하여 분석하였으며, 도 1과 도 2에 각각 1H-NMR과 19F-NMR 스펙트럼의 그 결과를 나타내었다. 상기 제시된 반응식 1과 같이 불소비닐기를 함유하는 펜에틸실란에 열을 가할 경우 열에 의해서 불소비닐기(trifluorovinyl)기가 2p + 2p 사이클로다이머리제이션이 형성되면서 화학식 1b가 열가교되어 중합체인 고분자 화학식 2b를 형성하게 된다.
도 3은 상기 화학식 1b가 열에 의하여 시클로다이머리제이션되어 고분자인 화학식 2b를 형성한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 화학식 2b의 유기용매에 대한 저항성을 나타내는 그래프로서, 유기용매(클로로포름)로 세척한 후 중합체인 화학식 2b으로 이루어진 고분자 필름의 두께가 변하지 않음을 UV-Vis 흡광 스펙트럼으로 확인할 수 있다.
도 5는 상기한 유기용매로 세척 후에도 화학식 2b의 고분자의 표면구조가 변하지 않음을 원자힘 현미경(Atomic force microscopy, AFM) 형상 이미지로 확인한 결과를 나타낸 것이다.
실시예 2 : 유기 박막 트랜지스터의 제조
실리콘이나 아이티오(indium tin oxide) 기판 위에, 절연재 층의 단량체인 상기 실시예 1에서 합성된 화학식 1b의 단량체를 테트라클로로에탄용매에 20 중량% 농도로 녹여 1000 rpm의 회전속도로 60초간 스핀코팅 후, 건조시켰으며, 질소분위기에서 180 ℃ 이상 온도를 가하여 열가교시켜 화학식 2b의 고분자를 합성하였다.
소스와 드레인 전극으로 이용될 금을 사진석판술을 이용하여 패터닝한다. 방법은 사진석판술을 위한 광중합 도료(PR6612)를 코팅한 후, 자외선 빛을 이용하여 광 중합하여 전극 형태를 제작한 후 전극용 금속을 e-빔(beam) 이나 열적(thermal) 증착 방법으로 증착하고 디벨로프(develop)과정을 통하여 전극을 제작하였다.
전극용 금속은 e-빔(beam) 증착 방법을 통해 10-6 Torr 분위기의 고진공 상태에서 0.3 Å/s의 낮은 속도로 형성하였다. 이때, 폭 1 mm, 너비 5 ㎛의 패턴을 만들었다.
상기 패턴 위에 유기 반도체 물질인 폴리헥실티오펜을 클로로포름에 1mg/ml로 녹인 후 2000 rpm의 회전속도로 40초간 스핀코팅하고, 결정도를 증가시키기 위해서 120 ℃에서 10분간 열을 가하였다.
실험예 : 소자의 특성 분석
상기 실시예 2에 의하여 제조된 소자를 반도체 특성 분석장비[Keithley4200]를 사용하여 유기전계효과 트랜지스터 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9에 의하면 전류비 106이상의 좋은 트랜지스터 성능을 보이는 소자를 제작하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제시된 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물은 열적, 화학적 특성이 우수하여 단량체 상태에서 용액공정이 가능하고, 이를 열가교시킨 고분자 상태에서는 열적, 물리적 안정성이 우수하여 유기용매에 녹지 않는 특성을 가진다.
상기한 특성으로 인하여 본 발명에서 제시된 상기 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자를 막으로 제조시에는 용액공정이 가능한 이점이 있으며, 상기 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자를 유기 박막 트랜지스터용 게이트 절연재로 사용시에는 반도체 물질을 코팅시 용액공정을 적용할 수 있는 잇점이 있으며, 유연성이 높은 재질의 기판을 사용시에도 용이하게 도입이 가능하다.
상기한 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자는 기계저항성이 우수하므로 전극 제조시 사진석판술 등의 대면적 접촉에 의한 패터닝 방법을 도입할 수 있어 보다 간단한 공정으로 대량생산이 가능한 효과를 나타내며, 일회용 전자제품이나, 스마트 테그, RFID, 등과 같은 향후 도래할 것으로 예상되는 유비쿼터스 사회에 필수적인 구성요소로서 작용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 본 발명의 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 및 이를 중합한 고분자가 도입된 유기 박막 트랜지스터는 우수한 점멸비(on/off ratio)를 나타낸다.
Claims (10)
- 다음 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물 :[화학식 1]
상기 화학식 1에서,R1, R2 및 R3은 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 플루오로원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 및 플루오로원자가 1 내지 6개 치환된 탄소수 1 내지 4의 플루오로알킬기 중에서 선택되고, 또한 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자 또는 플루오로알킬기이며; Z1, Z2 및 Z3는 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되고; n은 0, 1, 2 또는 3을 나타낸다. - 제 1 항에 있어서, 상기 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자인 것을 특징으로 하는 화합물.
- 제 1 항에 있어서, 다음 화학식 1a로 표시되는 것을 특징으로 하는 화합물.[화학식 1a]
- 다음 화학식 1로 표시되는 플루오로알킬렌옥시기가 치환된 페닐에틸실란 화합물을 중합하여 제조된 플루오로 고분자 :[화학식 1]
상기 화학식 1에서,R1, R2 및 R3은 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 플루오로원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 및 플루오로원자가 1 내지 6개 치환된 탄소수 1 내지 4의 플루오로알킬기 중에서 선택되고, 또한 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자 또는 플루오로알킬기이며; Z1, Z2 및 Z3는 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 및 탄소수 1 내지 4의 알킬기 중에서 선택되고; n은 0, 1, 2 또는 3을 나타낸다. - 제 4 항에 있어서, 다음 화학식 2로 표시되는 반복단위 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플루오로 고분자 :[화학식 2]
상기 화학식 2에서,R1, R2 및 R3은 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 플루오로원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 및 플루오로원자가 1 내지 6개 치환된 탄소수 1 내지 4의 플루오로알킬기 중에서 선택되고, 또한 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자 또는 플루오로알킬기를 나타낸다. - 제 5 항에 있어서, 다음 화학식 2a로 표시되는 반복단위 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플루오로 고분자 :[화학식 2a]
상기 화학식 2a에서,R1, R2 및 R3은 서로 같거나 다른 것으로서 수소원자, 플루오로원자, 탄소수 1 내지 4의 알킬기, 및 플루오로원자가 1 내지 6개 치환된 탄소수 1 내지 4의 플루오로알킬기 중에서 선택되고, 또한 R1, R2 및 R3 중 적어도 하나 이상이 플루오로원자 또는 플루오로알킬기를 나타낸다. - 상기 청구항 4 내지 6 중에서 선택된 어느 한 항의 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 절연막.
- 상기 청구항 4 내지 6 중에서 선택된 어느 한 항의 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터용 게이트 절연재.
- 기판과;상기 기판상에 형성되며, 상기 청구항 4 내지 6 중에서 선택된 어느 한 항의 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 게이트 절연재층과;상기 게이트 절연재층 상에 형성된 소스(source)/드레인(drain) 전극; 및,게이트 절연재층 상에 형성되고, 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극과 이들의 사이에 걸쳐 형성되는 채널층을 구비한 반도체 층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 기판과;상기 기판상에 형성된 형성된 소스(source)/드레인(drain) 전극;기판상 상에 형성되고, 상기 소스(source)/드레인(drain) 전극과 이들의 사이에 걸쳐 형성되는 채널층을 구비한 반도체 층; 및,상기 반도체층 상에 형성된 청구항 4 내지 6 중에서 선택된 어느 한 항의 플루오로 고분자가 포함되어 이루어진 게이트 절연재층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
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