KR100820077B1 - 유-무기 혼합 절연체를 사용한 유기 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 절연층으로서 고분자와 무기 입자의 유-무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: OTFT)로서, 상기 유-무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 높은 유전상수의 무기 입자가 고르게 분산되어 있는 구조(A), 또는 고분자 층 상에 높은 유전상수의 무기 막이 형성되어 있는 구조(B)로 이루어져 있어서, 상기 고분자의 낮은 유전 특성을 보상하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터를 제공한다.
Description
도 1 및 2는 각각 종래의 LBL(Layer-by-Layer) Nano-assembly와 분산법에 의해 제조된 유기 박막 트랜지스터의 단면도이다;
도 3은 하부 게이트 중에서 소스-드레인 전극을 반도체층 위에 형성한 형태(top-contact)의 유기 박막 트랜지스터의 단면도이다;
도 4a 및 4b는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 계면활성제로 첨가되는 Tween80의 분자구조와 Tween80으로 표면 처리한 TiO2 입자의 결합 모습을 나타낸 모식도이다;
도 5a 및 5b는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 첨가되는 TTIP의 분자구조와 이를 이용해 제조한 유기 박막 트랜지스터의 단면도이다;
도 6은 비교예 2에서 계면활성제를 사용하지 않은 PVP-TiO2 혼합체를 절연층으로 사용한 유기 박막 트랜지스터에 대한 출력 특성을 나타낸 그래프이다;
도 7은 본 발명의 실험예 1에 의한 PVP와 PVP-TiO2 혼합체의 주파수에 따른 충전 용량 특성을 나타낸 그래프이다;
도 8a 및 8b는 실험예 1에 의한 절연층에 따른 소자의 출력 특성과 유전 특성을 나타낸 그래프이다;
도 9는 실험예 2에 의한 PMMA-co-MMA와 PMMA-co-MMA/TiO2 혼합체의 주파수 특성에 따른 충전 용량 특성을 나타낸 그래프이다;
도 10a 및 10b는 실험예 2에 의한 절연층에 따른 소자의 출력 특성과 유전 특성을 나타낸 그래프이다;
도 11은 실험예 3에 의한 PMMA-co-MMA와 TTIP를 혼합한 PMMA-co-MMA를 사용하여 형성된 막의 주파수에 따른 충전 용량 특성을 나타낸 그래프이다;
도 12a 및 12b는 단일 PMMA-co-MMA와 TTIP를 혼합한 PMMA-co-MMA를 절연체로 사용한 유기 박막 트랜지스터의 출력 특성과 유전 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 고분자와 무기 입자의 유-무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: OTFT)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 유-무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 높은 유전상수의 무기 입자가 고르게 분산되어 있는 구조, 또는 고분자 층 상에 높은 유전상수의 무기 막이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 상기 고분자의 낮은 유전 특성을 보상하여 문턱 전압을 낮추고 부문턱 기울기를 향상시킬 수 있는 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
반도체 산업 등에서 가장 기본적이고도 광범위하게 사용되고 있는 TFT(thin-film field-effect transistor)에 유기물질을 도입하려는 노력은 이미 1980년대부터 시작되었고, 향후 관련 기술의 발전에 따라 유기 박막 트랜지스터(OTFT)를 채용한 집적회로(integrated circuit)가 전자 태그(electronic price tag), 우표, RFID(radio frequency identification) 태그, 스마트 카드 뿐 아니라 전자종이 등 디스플레이 소자에까지도 활용 범위가 확대되고 있다.
최근, 유기 반도체를 사용한 전자 소자는 유기막의 유연성과 저온 증착 가능성 등의 이유로 많은 관심과 연구가 집중되어 있다. 그 중에서 유기 박막 트랜지스터(OTFT)는 기존의 무기 박막 트랜지스터를 대체하여 플라스틱 기판을 사용한 디스플레이 소자의 구동 회로 및 집적회로로의 응용범위를 확대할 것으로 기대된다. 기존의 유기 박막 트랜지스터(OTFT)는 SiO2, SiNx 등의 무기 절연층을 사용하는 기술이 연구 및 제작되었으나, 현재는 무기 절연막 형성시 수반되는 높은 공정 온도 및 제조공정의 복잡성으로 인해 고분자 기반의 절연체를 사용하고 있다.
일반적으로, 유기 박막 트랜지스터(OTFT)의 구동은 게이트 전압의 인가에 의해 절연층과 유기 반도체층 계면에 전도성 채널을 유기하게 되고, 이러한 전도성 채널의 형성은 인가된 게이트 전압의 크기 뿐만 아니라 절연층의 충전용량에 의해서도 직접적인 영향을 받는다. 특히, 절연층의 충전용량은 하기 식 1에 나타내듯 이 절연체의 유전상수에 비례한다.
상기 식에서, C: 충전용량; ε0: 진공 또는 자유공간 유전율; εr: 유전상수; A: 단위 면적; 및 d: 막의 두께를 나타낸다.
하기 식 2와 3은, OTFT 비포화 영역과 포화 영역에서 드레인 전류가 절연체의 충전용량에 비례함을 보여 준다.
상기 식에서, ID: 드레인 전류; W: 채널 폭; L: 채널 길이; Cins: 단위 면적당 절연층의 충전 용량; VGS: 게이트-소스 전압; VDS: 드레인-소스 전압; 및, VT: 문턱전압을 나타낸다.
상기 식 2와 3에서 보는 바와 같이, 유전상수가 큰 절연체를 사용할 경우, 동일 전압에서 더 큰 드레인 전류를 얻을 수 있으며, 유전상수가 작은 절연체와 비교하여 동일한 크기의 드레인 전류를 얻는데 요구되는 전압이 작아지므로 저전압 구동이 가능하다.
이와 같은 이유로, 상기 절연체는 유기 박막 트랜지스터의 성능을 결정짓는 요인으로 작용하게 되지만, 일반적으로 고분자 절연체를 사용하는 경우에는 고분자 절연재료의 낮은 유전 특성으로 인해 높은 문턱 전압과 부문턱 기울기의 저하의 문제점이 나타난다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여, 유-무기 혼합 절연체를 사용하는 기술이 일부 알려져 있다.
우선, LBL(Layer-by-Layer) Nano-assembly 기술에서는, 기판을 poly (dimethyldiallylammnium chloride) (PDDA) 용액에 20 분간 담근 후, 2차 증류수에 1 분간 세정을 하고, 질소를 이용해 건조를 한다. 그 후, 기판을 poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) 용액에 10 분간 담근 후 앞서의 세정 공정과 동일한 방법으로 세정 및 건조를 행한다. 기판을 다시 PDDA 용액에 10 분간 담근 후 세정을 하고, SiO2 분산 용액에 5 분간 담근 후 세정 및 건조 작업을 행한다. 이후, 다시 PDDA 용액에 10 분간 담근 후 세정 작업을 하여, 도 1에 나타낸 바와 같은 구조의 단일막을 형성하게 되고, 상기의 순서를 반복하여 원하는 두께의 막을 형성하게 된다.
또 다른 예로서, 분산법을 사용하는 기술에서는, 절연체로 사용 가능한 고분자 용액에 나노 입자를 직접 분산하여 액상 공정이 가능한 유-무기 혼합체를 합성한다. Fang-Chung Chen 등에 의해, poly-4-vinylphenol (PVP)와 TiO2 나노 입자를 혼합한 혼합체를 사용하여 유기 박막 트랜지스터의 성능을 향상시킬 수 있음이 알려져 있다. 도 2에는 PVP와 TiO2 나노 입자가 혼합된 절연체를 사용하여 제작한 유기 박막 트랜지스터의 모식도가 도시되어 있는 바, 게이트 전극으로의 누설 전류를 막기 위해 보호층으로 3,4-polyethylenedioxythiophene-polystyrenesulfonate (PEDOT) 막을 사용한 것을 확인할 수 있다.
그러나, 상기의 기술들은 다음과 같은 다양한 문제점들을 안고 있다.
구체적으로, 상기 LBL-assembly 기술은 균일한 막을 얻을 수 있는 장점은 있지만, 막 형성에 많은 시간이 소요되기 때문에 현실적으로 상업화에 적용하기 어렵다는 치명적인 단점이 있다. 또한, 상기 분산법은 나노 입자와 고분자 재료 사이에 부가적인 처리가 없는 간단한 방법이지만, 절연층을 통한 게이트 전극으로의 누설 전류의 발생이 문제가 된다. 즉, 나노 입자들의 엉김 현상으로 인해 절연 특성이 약화되어 안정적인 소자 구현에 어려움이 따르게 된다.
따라서, 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 유기 박막 트랜지스터(OTFT)에서 고분자 절연체와 높은 유전상수를 갖는 무기 입자/막을 혼합하여 합성함으로써, 공정의 복잡성과 나노 입자들의 엉김 현상으로 인한 덩어리 형성의 문제점을 해결하고, 문턱 전압을 낮추고 부문턱 기울기를 향상시켜 소자의 온/오프(on/off) 특성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 차세대 전자소자로서 의 응용 가능성을 극대화할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터(OTFT)는, 절연층으로서 고분자와 무기 입자의 유-무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터로서, 상기 유-무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 높은 유전상수의 무기 입자가 고르게 분산되어 있는 구조(A), 또는 고분자 층 상에 높은 유전상수의 무기 막이 형성되어 있는 구조(B)로 이루어져 있어서, 상기 고분자의 낮은 유전 특성을 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 유-무기 혼합 절연체의 절연층 구조(A)는, 바람직하게는, 상기 무기 입자를 계면활성제가 표면 처리하여 제조되거나, 측쇄에 산기를 포함하고 있는 고분자에 상기 무기 입자를 결합시켜 제조될 수 있다.
반면에, 상기 유-무기 혼합 절연체의 절연층 구조(B)는 수분을 포함하지 않는 고분자를 용매에 용해시킨 용액과 상기 무기 입자의 전구체를 혼합하여 반응시킴으로써 제조될 수 있다.
즉, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터에서 절연층은 (1) 계면활성제를 사용하여 나노 무기 입자의 표면을 처리하는 방법, (2) 고분자의 측쇄와 나노 입자의 반응을 이용하는 방법, 및 (3) 졸-겔(sol-gel) 공정을 이용하여 유-무기 혼합막을 형성하는 방법으로 제조될 수 있다.
그 중, 계면활성제를 사용하여 나노 입자의 표면을 처리하는 방법(1)은, TiO2 등의 나노 입자가 일반적으로 표면에 친수성 또는 소수성을 띄게 되는 점을 이용하여, 친수기와 소수기를 분자의 양 말단에 포함하는 Tween80, SDS, CTAB 등을 계면활성제로 사용한다. 즉, 친수성을 띄는 입자의 표면에는 분자의 친수기가 달라붙고, 소수성을 띄는 입자의 표면에는 분자의 소수기가 달라붙도록 함으로써, 인접한 나노 입자 사이에는 계면활성제간 방해(hindrance)로 균일한 분산을 이룰 수 있다. 도 4a 및 4b에는 각각 본 발명에서 상기 계면활성제로 사용될 수 있는 Tween80의 분자 구조와 Tween80으로 표면처리한 TiO2 입자의 개략적인 모습이 도시되어 있다.
고분자의 측쇄(side chain)와 나노 입자의 반응을 이용하는 방법(2)은, PMMA-co-MMA (poly(methyl metacrylate-co-metacrylic acid))와 같이 측쇄에 산기(acid group)을 포함하는 고분자가 TiO2와 반응하여 고분자 사슬(chain)에 TiO2 입자를 결합시키는 특성을 이용한다. 이를 유-무기 혼합 재료의 개발에 적용할 경우, 계면활성제와 같은 제3의 물질을 사용하지 않고, 합성 과정을 단순화할 수 있는 장점이 있다. 상기 유-무기 혼합 재료는 산기를 측쇄에 포함하는 고분자 용액에 나노 입자를 혼합한 뒤, 예를 들어, 초음파(ultra-sonic) 처리를 한 시간 정도 실시하여 제조할 수 있다.
졸-겔 공정을 이용하여 유-무기 혼합막을 형성하는 방법(3)은, 용액 상태의 TiO2 전구체인 TTIP(titanium tetraisopropoxide)의 가수 분해(hydrolysis)에 의해 TiO2 박막을 형성하는 것이다. 구체적으로, PMMA-co-MMA 또는 polystyrene 등과 같이 수분을 포함하지 않은 고분자를 클로로포름(chloroform)과 같이 수분을 포함하지 않은 용매에 녹인 용액과 TTIP 용액을 일정 비율로 혼합하여 유-무기 혼합 용액을 제조한다. 여기서, TiO2 입자는 고분자 박막에 분산된 형태로 존재하는 것이 아니라, 고분자 박막 위에서 TiO2 박막이 형성된다. 형성된 TiO2 박막의 두께는 혼합비에 의해 제어할 수 있으며, 초음파(ultra-sonic) 처리와 같은 부가적인 공정을 필요로 하지 않으므로 제조 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다. 도 5a 및 5b에는 각각 본 발명에서 사용될 수 있는 TTIP의 분자 구조와 TTIP를 사용하여 회전 도포법에 의해 형성된 혼합막의 단면이 도시되어 있다.
유기 박막 트랜지스터(OTFT)의 기본 구조 및 구동 원리는 절연 게이트를 결정 또는 비정질 무기물로 제작한 FET(field-effect transistor)와 동일하다. 소자의 세가지 기본 요소는 전극(소스, 드레인, 게이트)과 반도체층, 절연층으로 구성되며, 크게 하부 게이트(bottom-gate) 구조와 상부 게이트(top-gate) 구조로 구분된다. 하부 게이트 구조에서는 소스-드레인 전극을 반도체층 위에 형성하거나(top-contact), 반도체층을 소스-드레인 전극과 절연층 상부에 증착하여(bottom-contact) 제작하는 형태가 있다. 상부 게이트 구조는 게이트가 절연층과 반도체층의 상부에 위치하는 형태로 이루어 진다.
본 발명의 절연층에서 상기 고분자와 무기 입자의 함량비는 바람직하게는 100:1 내지 1:1이며, 고분자의 함량이 너무 많으면 소망하는 수준으로 유전 특성의 보상을 달성하기 어려우며, 반대로 고분자의 함량이 너무 적으면 절연 강도가 약해지는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상술하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
하기에서는, 절연층에 따른 유기 박막 트랜지스터(OTFT)의 성능 평가를 위하여, 예시적으로 도 3에서와 같이, 하부 게이트 구조 중에서 소스-드레인 전극을 반도체층 위에 형성한 형태(top-contact)로 이루어진 소자를 제작하였다. 도 3에서 절연층(insulator)에는 각각 단일 고분자 절연체와 본 발명에 의해 제조된 다양한 형태의 유-무기 혼합 절연체를 사용하여 유기 박막 트랜지스터(OTFT)의 성능을 비교 평가하였다.
[실시예 1]
유리 기판에 게이트 전극을 형성하였다. PVP와 Tween80을 혼합한 용액에 TiO2를 분산시켜 제조한 유-무기 혼합 용액을 회전 도포법을 사용하여 상기 게이트 전극 상에 절연막을 형성하였다. 그런 다음, 유기 반도체 막으로서 펜타센(pentacene)을 열층착하여 형성하고, 마지막으로 Au를 열증착하여 소오스/드레인 전극을 형성함으로써 OTFT를 제조하였다.
[실시예 2]
PMMA-co-MMA와 TiO2 혼합 용액을 사용하여 절연막을 형성하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 OTFT를 제조하였다.
[실시예 3]
PMMA-co-MMA와 TTIP 혼합 용액을 사용하여 절연막을 형성하였고, 유-무기 혼합층의 형성을 위해 회전 도포 후 대기 중의 수분과의 가수 분해 과정을 추가로 거쳤다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 OTFT를 제조하였다.
[비교예 1]
절연체(insulator) 제조시 TiO2를 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 박막 트랜지스터(OTFT)를 제조하였다.
[비교예 2]
절연체(insulator) 제조시 계면활성제를 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 박막 트랜지스터(OTFT)를 제조하였다.
계면활성제를 사용하지 않고 TiO2를 PVP에 분산시킨 절연체를 사용한 유기 박막 트랜지스터의 출력(output) 특성을 측정하여 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 계면활성제를 사용하지 않을 경우 TiO2 입자의 뭉 침(aggregation)으로 인해 덩어리(cluster)가 형성되고, 이를 통한 게이트 전극으로의 누설 전류가 발생하여 출력 특성이 구현되지 않음을 알 수 있다.
[비교예 3]
절연체 제조시 TiO2를 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 유기 박막 트랜지스터를 제조하였다.
[비교예 4]
절연체 제조시 TiO2의 전구체인 TTIP를 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 박막 트랜지스터를 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 1과 비교예 1에 의한 혼합체의 주파수에 따른 충전 용량 특성을 측정하여 도 7에 나타내었고, 상기 각 혼합체에 따른 소자 특성으로 (a) 출력 특성과 (b) 유전(transfer) 특성을 측정하여 도 8에 나타내었다. 상기의 결과들을 종합하여 또한 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
본 실험예에서 사용된 TiO2는 유전상수가 약 50 정도의 것으로서, 유전상수가 4.0 정도 되는 것으로 측정된 고분자 PVP와 혼합시킬 경우에 유-무기 혼합체의 유전상수를 5.8 까지 증가시킨다는 것을 측정 결과로 확인할 수 있었다. 도면과 표를 중심으로 실험 결과를 확인하면, 다음과 같다.
먼저, 도 7을 참조하면, 단일 PVP와 PVP-TiO2 혼합체의 주파수에 따른 충전 용량을 측정하였는 바, 이를 통해 혼합체가 단일 PVP에 비해 상대적으로 더 많은 전하를 전도성 채널에 유기시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8과 상기 표 1을 참조하면, 혼합 절연체를 사용하여 문턱 전압을 낮출 수 있었고, 부문턱 기울기도 향상되는 것을 볼 수 있다. 이러한 성능의 향상은 TiO2를 표면 처리하지 않고 사용할 경우에는 관찰되지 않는다.
본 실험예에서는 PVP와 TiO2의 혼합 질량비를 100:1로 하였으나, 질량비 조절을 통해 보다 최적화된 성능의 소재 확보가 가능할 것이며, 본 출원의 발명자들이 반복적으로 행한 실험 결과, 10:1 미만으로 혼합할 경우 최적의 성능을 발휘함을 확인하였다.
[실험예 2]
실시예 2과 비교예 3에 의한 혼합체의 주파수에 따른 충전 용량 특성을 측정하여 도 9에 나타내었고, 상기 각 혼합체에 따른 소자 특성으로 (a) 출력 특성과 (b) 유전 특성을 측정하여 도 10에 나타내었다. 상기의 결과들을 종합하여 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
본 실험예에서 사용된 TiO2는 유전상수가 약 50 정도의 것으로, 유전상수가 약 3.3 정도인 것으로 측정된 고분자 PMMA-co-MMA와 혼합시킬 경우에 유-무기 혼합체의 유전상수를 4.5까지 증가시킨다는 것을 측정결과 확인할 수 있었다. 도면과 표를 중심으로 실험 결과를 확인하면 다음과 같다.
먼저, 도 9을 참조하면, 단일 PMMA-co-MMA와 PMMA-co-MMA/TiO2 혼합체의 주파수에 따른 충전 용량을 측정하였는 바, 이를 통해 혼합체가 단일 PMMA-co-MMA에 비해 상대적으로 더 많은 전하를 전도성 채널에 유기시킬 수 있음을 확인하였다.
도 10과 상기 표 2를 참조하면, 혼합 절연체를 사용하여 문턱 전압을 낮출 수 있었고, 부문턱 기울기도 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 성능의 향상은 TiO2를 표면 처리하지 않고 사용할 경우에는 관찰되지 않는다.
본 실험예에서는 PVP와 TiO2의 혼합 질량비를 100:1로 하였으나, 질량비 조절을 통해 보다 최적화된 성능의 소재 확보가 가능할 것이며, 본 출원의 발명자들이 반복적으로 행한 실험 결과, TiO2 입자의 뭉침 방지를 위해 20:1 미만으로 혼합할 경우에 최적의 성능을 발휘함을 확인하였다.
[실험예 3]
실시예 3과 비교예 4에 의해 형성된 막의 주파수에 따른 충전 용량 특성을 측정하여 도 11에 나타내었고, 상기 형성된 막에 따른 소자 특성으로 (a) 출력 특성과 (b) 유전 특성을 측정하여 도 12에 나타내었다. 상기의 결과들을 종합하여 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
본 실험예에서 TTIP의 가수 분해에 의해 형성된 TiO2 막은 antase 구조를 가지고 있으며, TiO2 입자의 유전상수(약 50)보다 작은 약 30 정도의 유전상수를 가지고 있다. 본 실험예를 실험예 2와 비교할 때, PMMA-co-MMA의 유전상수는 약 4.0 정도로 측정되었는 바, 이는 용매의 제거가 열의 인가가 아닌 진공 분위기에서 실시하였기 때문인 것으로 판단된다. 측정결과, TiO2 막의 높은 유전상수는 혼합막의 유전상수를 9.3까지 증가시키는 것으로 확인되었다. 도면과 표를 중심으로 실험 결과를 확인하면, 다음과 같다.
우선, 도 11을 참조하면, 단일 PMMA-co-MMA와 TTIP를 혼합한 PMMA-co-MMA를 절연체로 사용하여 형성된 막의 주파수에 따른 충전 용량을 측정하였는 바, 이를 통해 혼합체가 단일 PMMA-co-MMA에 비해 상대적으로 더 많은 전하를 전도성 채널에 유기시킬 수 있음을 확인하였다.
도 12과 하기 표 3을 참조하면, 혼합 절연체를 사용하여 문턱 전압을 낮출 수 있었고, 부문턱 기울기도 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 성능의 향상은 TTIP를 혼합하지 않고 사용할 경우에는 관찰되지 않는다.
본 실험예에서는 PVP와 TiO2의 혼합 질량비를 15:1로 하였으나, 질량비 조절을 통해 보다 최적화된 성능의 소재 확보가 가능할 것이며, 본 출원의 발명자들이 반복적으로 행한 실험 결과, 15:1 미만으로 혼합할 경우에 최적의 성능을 발휘함을 확인하였다.
이상, 본 발명에 따른 몇몇 실시예들을 참조하여 발명의 내용을 상술하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터는, 고분자 절연체와 높은 유전상수를 갖는 무기입자/막의 혼합 재료를 사용함으로써, 공정의 복잡성과 나노 입자들의 엉김 현상으로 인한 덩어리 형성 문제를 해결하고, 유기 박막 트랜지스터의 문턱 전압을 낮추며, 부문턱 기울기를 향상시켜 소자의 on/off 특성 을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 차세대 전자소자로서의 응용 가능성을 극대화할 수 있다.
Claims (9)
- 삭제
- 절연층으로서 고분자와 무기 입자의 유 무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터(OTFT)로서, 상기 유 무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 비해 상대적으로 높은 유전 상수의 무기 입자가 상기 절연성 고분자에 고르게 분산되어 있는 구조(A)로 이루어져 있고, 상기 유 무기 혼합 절연체의 절연층 구조(A)는 상기 무기 입자를 계면활성제가 표면 처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 절연층으로서 고분자와 무기 입자의 유 무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터(OTFT)로서, 상기 유 무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 비해 상대적으로 높은 유전상수의 무기 입자가 상기 절연성 고분자에 고르게 분산되어 있는 구조(A)로 이루어져 있고, 상기 유 무기 혼합 절연체의 절연층 구조(A)는 측쇄에 산기를 포함하고 있는 고분자에 상기 무기 입자를 결합시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 절연층으로서 고분자와 무기 입자의 유 무기 혼합 절연체를 포함하고 있는 유기 박막 트랜지스터(OTFT)로서, 상기 유 무기 혼합 절연체는 절연성 고분자에 비해 상대적으로 높은 유전상수의 무기 막이 상기 고분자 층 상에 형성되어 있는 구조(B)로 이루어져 있고, 상기 유 무기 혼합 절연체의 절연층 구조(B)는 수분을 포함하지 않는 고분자를 용매에 용해시킨 용액과 상기 무기 입자의 전구체를 혼합하여 반응시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 고분자는 PVP(poly-4-vinylphenol)이고, 상기 무기 입자는 TiO2인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 3 항에 있어서, 상기 고분자는 PMMA-co-MMA이고, 상기 무기 입자는 TiO2인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서, 상기 고분자는 PMMA-co-MMA 또는 폴리스틸렌이고, 상기 무기 입자의 전구체는 TTIP(titanium tetraisopropoxide)인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서, 상기 용매는 클로로포름(chloroform)인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 고분자와 무기 입자의 함량비(중량비)는 100:1 내지 1:1인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
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Citations (4)
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| KR20050004565A (ko) * | 2003-07-03 | 2005-01-12 | 삼성전자주식회사 | 다층구조의 게이트 절연막을 포함한 유기 박막 트랜지스터 |
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Patent Citations (4)
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| KR20050004565A (ko) * | 2003-07-03 | 2005-01-12 | 삼성전자주식회사 | 다층구조의 게이트 절연막을 포함한 유기 박막 트랜지스터 |
| KR20050036171A (ko) * | 2003-10-15 | 2005-04-20 | 삼성전자주식회사 | 유기 절연체 형성용 조성물 및 이를 이용하여 제조된 유기절연체 |
| KR20050060513A (ko) * | 2003-12-16 | 2005-06-22 | 주식회사 미뉴타텍 | 개선된 절연막 구조를 갖는 유기물 트랜지스터 |
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