KR100933033B1 - 신규한 유기박막 트랜지스터 보호막용 혼합조성물 및 이를이용한 유기박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기박막트랜지스터 (OTFT)의 소자 장기 신뢰성을 위한 수분 및 산소의 차단 특성이 향상된 신규 유기보호막의 제조를 위한 혼합조성물 및 상기 혼합조성물을 이용하여 제조된 유기보호막이 구비된 유기박막트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명의 혼합조성물에 의해 제조된 유기보호막은 유기보호막에 의한 유기박막트랜지스터의 전기적 특성저하가 방지되며, 효과적인 수분 및 산소의 차단으로 동작시간에 따른 열화가 적으며, 기존의 수용성 고분자만을 이용한 유기보호막과 유사한 표면 거칠기를 가지는 장점이 있다.
유기보호막, 층상실리케이트, 폴리비닐알코올, 유기박막트랜지스터, 디스플레이
Description
도 1은 친수성 층상실리케이트를 포함하지 않는 종래의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조되는 보호막(도 1(a))과 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조되는 보호막(도 1(b))의 효과를 비교 도시한 개념도이며,
도 2는 펜타센 유기활성층 상부로 형성된 보호막의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)의 명시야상(Bright Field Image)이고, 도 2(a)는 종래의 PVA 보호막이며, 도 2(b)는 본 발명의 층상 실리케이트를 포함하는 보호막이며,
도 3은 펜타센 유기활성층 상부로 형성된 보호막의 원자현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 사진이고, 도 3(a)는 종래의 PVA 보호막이며, 도 3(b)는 본 발명의 층상 실리케이트를 포함하는 보호막이며,
도 4는 하 게이트 구조를 갖는 일반적인 유기박막트랜지스터의 단면도이며,
도 5는 -10 V의 드레인 전압(Vd) 조건에서 게이트 전압(Vgs)에 따른 드레인 전류(Ids)의 측정결과이고, 도 5(a)는 bare OTFT, PVA OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이며, 도 5(b)는 bare OTFT, 본 발명의 혼합조성물로 제조된 보호막을 포함하는 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이며,
도 6은 시간에 따른 전계효과 전하이동도의 열화특성을 측정한 것으로, 도 6(a)는 80시간의 동작시간 동안 bare OTFT, PVA OTFT, 본 발명의 혼합조성물로 제조된 보호막을 포함하는 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이며, 도 6(b)는 2200시간의 동작시간 동안 bare OTFT, PVA OTFT, 본 발명의 혼합조성물로 제조된 보호막을 포함하는 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이다.
본 발명은 유기박막 트랜지스터(OTFT; Organic Thin Film Transistor)의 보호막용 혼합조성물 및 상기 혼합조성물에 의해 제조된 보호막이 구비된 유기박막 트랜지스터에 관한 것이다.
유기박막 트랜지스터는 차세대 플렉시블디스플레이등에서 구동스위칭 소자로서 응용이 활발히 연구되고 있다. 이러한 유기박막 트랜지스터에서 소자 안정성을 결정하는 가장 중요한 요소는 유기박막 트랜지스터의 유기활성층을 보호하는 유기보호막이다.
기존의 보호막은 진공장비를 이용한 유기, 무기층을 다층으로 형성하는 방법이 주로 이용되어 왔으나 (J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 20. No. 3. 958, 2002. IBM 연구소 및 Vitex 기업의 Barix System) 최근에는 전유기 소자 실현을 위해서 보호막 자체도 용액공정이 가능한 유기물을 이용하고 있다 (UV curable Resin, Appl. Phys. Lett., 83, 1644, 2003; Polyvinyl Alcohol, Appl. Phys. Lett., 88, 073519, 2006; PMMA, self encapsulation, Adv. Mater., 18, 2900, 2006).
하지만 유기보호막을 도입하기 위한 소자 자체가 유기활성층을 사용하는 유기물이기 때문에 유기용제를 이용한 유기보호막 형성은 불가능하다.
이에 소자의 유기물의 특성 저하 및 박막을 손상시키지 않는 수용성 고분자재료를 이용한 유기보호막이 많이 이용되고 있다. 대표적인 예로 수용성인 폴리비닐알코올(PVA)와 아크릴레이트 (acrylate) 수지이다. 이러한 유기보호막용 물질들은 하부층의 유기물이 비극성을 띠는 표면 성질임에도 불구하고 하부층의 손상을 방지하기 위해 극성인 물과같은 용매에 녹여서 수용액상에서 보호막형성공정을 진행하였다.
이러한 유기보호막이 적용된 유기박막 트랜지스터의 경우 외부의 산소와 수분에 1차적으로 차단효과를 가진다. 그러나 유기보호막에 존재하는 박막의 미세 핀홀이나 크랙이 발생된 부분 등을 통해서 수분이나 산소가 지속적으로 투입되어서 소자 특성이 저하되는 문제점이 있다.
뿐만 아니라 수용성 고분자의 경우 공정성 때문에 수용액 용매에 녹여서 보호막을 형성하지만 수용성 고분자의 경우 산소 차단 효과는 어느 정도 있으나 수분 차단 효과는 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
즉 수용성 고분자의 수분 차단 효과를 향상시키고 궁극적으로 소자 특성 저하를 저지할 수 있는 신규 유기보호막의 개발 및 이의 적용기술이 필요한 상황이다.
이에 본 발명에서는 수용성 용매에 녹여진 유기보호막 용액에 층상실리케이트를 도입하여 산소 및 수분의 차단성이 우수한 유기박막 트랜지스터 보호막용 혼합조성물을 제공하고, 상기 혼합조성물을 이용하여 제조된 유기보호막이 구비된 유기박막트랜지스터를 제공하며, 상기 유기박막트랜지스터가 구비된 디스플레이 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물은 극성 용매, 수용성 고분자 및 친수성 층상실리케이트(layered silicate)를 포함하는 특징을 갖는다.
본 발명의 핵심 사상은 종래의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물인 극성 용매에 용해된 수용성 고분자 용액에 친수성 층상실리케이트를 첨가하여 산소 및 수분의 차단성을 향상시켜 유기박막트랜지스터의 열화(degradation)를 방지하는 것이다. 도 1은 친수성 층상실리케이트를 포함하지 않는 종래의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조되는 보호막(도 1(a))과 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조되는 보호막(도 1(b))의 효과를 비교 도시한 개념도이다. 도 1(b)에서 알 수 있듯이 본 발명의 혼합조성물에 고르게 분산되어 있는 친수성 층상실리케이트에 의해 산소는 물론 종래의 보호막의 취약점인 수분에 대한 투과 또한 억제되는 효과를 갖게 된다.
상기 친수성 층상실리케이트는 극성용매에 분산 가능한 모든 친수성 층상실리케이트가 사용가능하나 몬모릴로나이트, 스멕타이트, 카올리나이트, 마가다이트, 케냐이트, 헥토라이트, 버미큘라이트, 사포나이트, 마이카, 일라이트 또는 탈크, 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 몬모릴로나이트, 카올리나이트, 스멕타이트, 헥토라이트를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 가장 바람직하게는 스멕타이트를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한 상기 친수성 층상실리케이트는 일반적인 제조방법을 통하여 제조될 수 있으며, SWN(합성된 스멕타이트)과 같은 LUCENTITE 상용명의 제품을 구입하여 사용할 수도 있다.
상기 수용성 고분자는 통상적으로 유기박막트랜지스터의 유기보호막에 사용되는 수용성 고분자는 모두 사용가능하나 수용성 폴리우레탄, 폴리비닐알코올, 폴리비닐알코올 공중합 고분자, 수용성 아크릴레이트 수지 또는 폴리에틸렌글리콜, 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리비닐알코올, 폴리비닐알코올 공중합 고분자를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 가장 바람직하게는 폴리비닐알코올을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이때, 사용되는 수용성 고분자는 질량평균 분자량이 5000 내지 1000000 사이인 수용성 고분자인 것이 바람직하다.
상기 극성 용매는 유극성을 갖는 액체는 모두 가능하나 바람직하게는 물(증류수), 이소프로필알코올, 다이옥산, 에탄올 또는 메탄올을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 물(증류수) 또는 이소프로필알코올을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물의 조성은 수용성 고분자의 종류, 극성 용매의 종류 및 친수성 층상실리케이트의 종류에 따라 최적화되어야 한다. 바람직하게는 상기 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물은 상기 수용성 고분자 100중량에 대하여 상기 극성용매가 100 내지 10000 중량부를 가지며, 상기 수용성 고분자 100중량에 대하여 상기 친수성 층상실리케이트가 1 내지 100중량부를 가지는 것이 바람직하다. 상기의 범위에서 층상실리케이트가 균일하게 분산성을 가지며 수분 및 산소의 투과 억제 효과가 뛰어나다.
이하, 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.
(실시예 1)
유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물
파우더 (powder) 형태의 폴리비닐알코올(PVA, Aldrich, 360627, 질량평균 분자량 10,000) 고분자를 10wt% 농도로 물에 녹여 폴리비닐 알코올 수용액을 제조하 였다. 불순물등의 제거를 위해 0.45 ㎛ 포어사이즈(pore size)를 갖는 수용액 멤브레인용 필터를 이용하여 제조된 폴리비닐 알코올 수용액을 필터링하였다. 필터된 폴리비닐알코올(PVA) 수용액에 층상실리케이트(LUCENTITE, SWN)를 상기 수용액상의 폴리비닐알코올(PVA) 질량 100을 기준으로 3 중량부 첨가하여 폴리비닐알코올(PVA)-층상실리케이트 나노복합용액을 제조하였다.
(비교예 1)
층상실리케이트를 포함하지 않는 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물
본 발명의 우수함을 증명하기 위한 비교예로 층상실리케이트를 제외하고 상기의 제조방법과 동일한 방법으로 폴리비닐알코올(PVA) 수용액을 제조하였다.
상기의 실시예 1과 비교예 1의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물의 물성을 측정하기 위하여 하기와 같이 펜타센 유기활성층을 제조하고, 펜타센 유기활성층 상부로 실시예 1과 비교예 1의 혼합조성물을 이용하여 보호막을 형성시켰다.
절연체로 SiO2가 실리콘 단결정 웨이퍼 상부로 형성되어 있는 기판에 절연체 표면 특성 향상을 위하여 표면처리제인 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane (HMDS)를 처리한 후 120℃에서 건조하였다. 상기의 HMDS 처리된 SiO2 위에 유기반도체 층(유기활성층)으로 특성이 우수한 펜타센(Aldrich)을 1 x 10-6 torr의 진공에서 진공 증착을 통하여 50 nm 두께로 증착하였다. 이때 펜타센의 결정화에 큰 영향을 미치는 기판의 온도는 90 ℃로 일정하게 유지하였다.
상기 증착된 펜타센 유기활성층 상부로 상기 실시예 1에서 제조된 혼합조성물을 1000 rpm 코팅속도로 스핀코팅하여 1.0 ㎛ 두께의 보호막(이하 실리케이트 보호막으로 칭함)을 형성하였다.
비교대상으로 상기와 동일한 방법으로 제조된 펜타센 유기활성층 상부로 비교예 1에서 제조된 실리케이트가 포함되지 않은 폴리비닐알코올(PVA) 수용액을 1000 rpm 코팅속도로 스핀코팅하여 보호막(이하 PVA 보호막으로 칭함)을 형성하였다.
도 2는 펜타센 유기활성층 상부로 형성된 보호막의 투과전자현미경(TEM; Transmission Electron Microscope)의 명시야상(Bright Field Image)이다. 도 2(a)는 종래의 PVA 보호막이며, 도 2(b)는 본 발명의 실리케이트 보호막이다. 도 2(b)에서 알 수 있듯이 층상 형태의 실리케이트가 뭉침없이 서로 분리되어 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있으며, 층상실리케이트의 경우 약 300 nm 정도의 폭을 가지는 것으로 알려져 있으나 투과전자 현미경 상에서는 300 nm 이하의 폭을 보여주고 있다. 이것은 층상 실리케이트가 표면과 완벽한 평형형태로 분산되어 있는 것이 아니고 랜덤하게 분산되어 있음을 말해주고 있다.
도 3는 펜타센 유기활성층 상부로 형성된 보호막의 원자현미경(AFM; Atomic Force Microscope) 사진이다. 도 3(a)는 종래의 PVA 보호막이며, 도 3(b)는 본 발명의 실리케이트 보호막이다. 실제 유기 보호막이 소자제작에 응용되기 위해서는 유기보호막의 수분 및 산소에 대한 차단 효과뿐만 아니라 유기보호막 자체의 표면 균일도(Surface Roughness) 또한 중요하다. 도 3(a)에서 보는 바와 마찬가지로 일반적으로 유기보호막으로 사용되어 지고 있는 폴리비닐알코올 (PVA)의 경우는 표면거칠기가 1.018 nm의 수치를 가지며, 도 3(b)에서 알 수 있듯이 본 발명의 실리케이트 보호막의 경우에는 1.148 nm정도의 거의 동일한 표면거칠기 수치를 가짐을 알 수 있다.
따라서 상기의 측정예를 통해 본 발명의 혼합조성물은 수분 및 산소의 차단 효과를 가지는 층상실리케이트가 유기보호막내에 뭉침없이 서로 분리되어 균일하고 랜덤하게 분포됨을 알 수 있으며, 상기 층상실리케이트에 의해 수분 및 산소의 차단 효과를 가지면서도 유기보호막의 코팅성 즉 박막 균일도에는 전혀 나쁜 효과를 주지 않는 매우 우수한 유기보호막을 형성시키는 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 층상실리케이트가 도입된 폴리비닐알코올(PVA) 유기보호막이 기존에 소자제작에 많이 사용되어진 폴리비닐알코올 (PVA)과 마찬가지로 실제 소자에 충분히 활용될 수 있음을 의미한다.
상기의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 혼합조성물은 유기박막트랜지스터의 보호막을 형성시키기 위한 조성물이므로, 본 발명의 조성물에 의해 제조된 보호막을 구비한 유기박막트랜지스터는 하기와 같은 특징을 가진다.
본 발명의 유기박막트랜지스터는 전계에 의한 전하 캐리어의 이동이 일어나는 유기활성층, 상기 유기활성층에 수직 전계(유기활성층의 두께방향)를 형성시키 는 게이트 전극, 상기 유기활성층에 수평전계를 형성시키는 소스/드레인 전극 및 상기 유기 활성층을 보호하는 보호막을 포함하여 구성되는 유기박막트랜지스터로, 상기 보호막은 상술한 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조된 특징을 갖는다.
본 발명의 유기박막트랜지스터는 공기와 접촉하는 상부에 층상실리케이트를 포함하는 보호막이 형성되어 수분 및 산소를 효과적으로 차단하여 상기 유기활성층을 보호하는 것이다. 따라서 본 발명의 보호막이 구비된 유기박막트랜지스터는 상기 게이트 및 소스/드레인 전극의 물리적 구조 및 상기 유기활성층, 게이트 전극 및 소스/드레인 전극을 지지하는 기판의 종류 및 상기 기판과 유기활성층 사이에 형성될 수 있는 절연층의 존재 유/무에 관계없이 본 발명의 권리에 포함되는 것은 자명한 사실이다.
따라서 본 발명의 유기박막 트랜지스터는 상기 보호막이 소스/드레인 전극 상부에 위치하며 상기 게이트 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 구조(bottom gate-top contact)를 가질 수 있으며, 상기 보호막이 게이트 전극 상부에 위치하며 상기 소스/드레인 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 구조(top gate-bottom contact)를 가질 수 있으며, 상기 보호막이 유기활성층 상부에 위치하며, 상기 게이트 전극 및 소스/드레인 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 구조(bottom gate-bottom contact)를 가질 수 있으며, 상기 보호막이 상기 게이트 전극 및 소스/드레인 전극의 상부에 위치하며 상기 게이트 전극 및 소스/드레인 전극 하부로 유기활성층이 위치하는 구조(top gate-top contact)를 가질 수 있다.
바람직하게는 상기 bottom gate-top contact, 상기 top gate-bottom contac 또는 상기 bottom gate-bottom contact 구조를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기의 유기박막 트랜지스터 구조에서 상기 유기활성층 하부 또는 상부에 위치한다는 의미는 유기활성층을 기준으로 한 하부 또는 상부를 의미하는 것으로 유기활성층과 맞닿아 접하여 있다는 의미로 한정되어서는 안 된다. 유기활성층과 맞닿아 접하는 상부 또는 하부의 위치에 절연층이 형성될 경우, 상기 bottom gate-top contact, top gate-bottom contact, bottom gate-bottom contact 또는 top gate-top contact의 구조를 갖는 게이트 전극 및 소스/드레인 전극의 위치는 상기 절연층의 하부 또는 상부에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 유기박막트랜지스터의 구조를 좀 더 상세히 설명하면 물리적 지지를 위한 기판, 전계에 의한 전하 캐리어의 이동이 일어나는 유기활성층, 상기 유기활성층에 수직 전계(유기활성층의 두께방향)를 형성시키는 게이트 전극, 상기 유기활성층에 수평전계를 형성시키는 소스/드레인 전극, 상기 유기활성층과 상기 기판사이에 형성된 절연층 및 상기 유기 활성층을 보호하는 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조된 보호막을 포함하여 구성되는 유기박막트랜지스터이다.
일반적인 유기박막트랜지스터의 구조는 상 게이트 (top gate), 하 게이트 (bottom gate), 상 접촉 (top contact) 또는 하 접촉 (bottom contact)구조를 갖는데, 도 4에 하 게이트 구조를 갖는 일반적인 유기박막트랜지스터의 단면도로, 물리적 지지를 위한 기판(1), 기판 상부로 형성된 게이트 전극(2), 절연막(3), 절연막 상부에 형성된 유기활성층(4), 유기활성층 상부로 형성된 소스/드레인 전극(5, 6) 및 최상부에 형성된 보호막(6)으로 구성된다.
이때, 상기 게이트 전극(2)은 유기활성층에 두께 방향의 수직 전계를 형성시켜 이동 가능한 전하 캐리어의 채널을 형성시키고, 상기 소스/드레인 전극(5, 6)은 이동 가능한 전하 캐리어의 수평방향 이동을 유도하는 수평 전계를 형성시킨다.
상기 보호막은 본 발명의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물을 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이, 닥터 블레이드, 메니스커스, 스크린 프린팅 또는 스텐실 프린팅을 이용하여 도포 후 건조를 통해 제조될 수 있다. 하 게이트 구조에서는 소스/드레인 전극 상부로 상기 혼합조성물이 도포되어 소스/드레인 전극 상부로 상기 보호막이 형성되고, 상 게이트 구조에서는 게이트 전극 상부로 상기 혼합조성물이 도포되어 게이트 전극 상부로 상기 보호막이 형성되게 된다.
상기 보호막의 두께는 100nm 내지 3000nm인 것이 바람직한데, 보호막이 100nm보다 얇을 경우 수분 및 산소 투과 억제 효과가 미미하며, 3000nm보다 두꺼울 경우 수분 및 산소 투과 억제 효과의 증가는 미미한 반면 유기박막트랜지스터의 고집적화 및 초박막화에 걸림돌로 작용하게 된다.
상기 유기활성층은 펜타센, 테트라센(tetracene), 올리고 티오펜 (oligo thiophene), 폴리티오펜(polythiophene), 금속 프탈로시아닌, 폴리 페닐렌 (polyphenylene), 폴리비닐렌페닐렌 (polyvinylenephenylene), 폴리플루오렌 (polyfluorene), C60, 플루오르화 프탈로시아닌 및 이들의 유도체로부터 선택되는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 올리고 티오펜, 펜타센, 폴리티오펜 또는 폴리 풀루오렌을 사용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 올리고 티오펜 또는 펜타센을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 유기박막 트랜지스터는 전계효과 전하이동도가 0.01 내지 10 cm2/Vs인 특징을 갖는다.
이하, 본 발명의 유기박막트랜지스터의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 유기박막트랜지스터는 이하 설명되는 실시예들의 제조방법, 트랜지스터의 구조 및 물질에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 일 예로 하기의 실시예에서 기판인 실리콘 웨이퍼가 게이트 전극의 역할을 동시에 수행하며, 절연막으로 실리콘 산화막을 사용하였지만, 기판으로 유리 기판을 사용하고 유리 기판 상부로 유기절연체 층을 형성시켜 사용해도 무방하며, 게이트 전극용 마스크를 이용하여 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 물질로 따로 게이트 전극을 형성시켜도 무방하다. 또한 p 도핑된 실리콘 웨이퍼를 사용하였으나 n 도핑된 실리콘 웨이퍼를 사용하여도 무방하다.
(실시예 2)
층상실리케이트가 포함된 보호막이 구비된 유기박막트랜지스터
보론 도핑된 실리콘웨이퍼 상부에 SiO2가 60 nm 형성된 기판(폴텍, 4inch (100) orientation, < 0.005 ohm-cm)을 2cm x 2cm 절단하여 상 접촉 (top-contact) 하 게이트 (bottom gate)구조를 갖는 유기박막트랜지스터를 제작하였다.
기판 청결도는 전자 소자를 제작할 때 가장 중요한 요소 중의 하나이므로 세제, 증류수, 아세톤 그리고 아이소프로필알코올을 이용하여 초음파 세척을 한 후 오븐에서 충분히 건조시킨 것을 사용하여 사용하였다. 상기 절연체(SiO2)의 표면 특성 향상을 위하여 표면처리제인 1,1,1,3,3,3 - hexamethyldisilazane(HMDS)를 처리한 후 120℃에서 건조하였다. 상기의 HMDS 처리된 SiO2 위에 유기반도체(유기활성층)인 펜타센을 1 x 10-6 torr의 진공에서 진공 증착을 통하여 50 nm 두께로 증착하였다. 이때 펜타센의 결정화에 큰 영향을 미치는 기판의 온도는 90 ℃로 일정하게 유지하였다. 마지막으로 새도우 마스크를 이용하여 증착 방법으로 금을 60 nm의 두께로 증착하여 소스와 드레인 전극을 형성하였다.
상기의 펜타센 유기박막트랜지스터의 소스와 드레인 전극의 상부로 실시예 1에서 제조된 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물을 1000 rpm 코팅속도로 스핀코팅하여 1.0 ㎛ 두께의 보호막을 형성하여 본 발명의 유기박막트랜지스터(이하 실리케이트 OTFT로 칭함)를 제조하였다.
비교대상으로 상기와 동일한 방법으로 제조된 펜타센 유기박막트랜지스터의 소스와 드레인 전극의 상부로 비교예 1에서 제조된 실리케이트가 포함되지 않은 폴리비닐알코올(PVA) 수용액을 1000 rpm 코팅속도로 스핀코팅하여 동일한 공정을 통해 유기박막트랜지스터(이하 PVA OTFT로 칭함)를 제조하였다.
또 다른 비교대상으로 보호막이 형성되지 않은 것을 제외하고 상기와 동일한 방법으로 제조된 펜타센 유기박막트랜지스터(이하 bare OTFT로 칭함)를 제조하였다.
상기 실시예 2를 통해 제조된 실리케이트 OTFT와 비교 대상물인 PVA OTFT 및 bare OTFT의 전기적 특성을 측정하였다. 소자의 전기적 특성은 에질런트 테크날리지(Agilent Technology)사의 프루브 스테이션(probe station, E5272)장비를 이용하여 게이트 전압에 따른 드레인 전압-드레인 전류 및 드레인 전압에 따른 게이트 전압-드레인 전류 곡선들을 측정하여 포화영역(saturation region)에서 하기의 전류-전압식을 이용하여 제반 특성들을 평가하였다.
상기의 식에서 VT 는 문턱전압(Threshold voltage), Vgs는 소스의 전압을 기준으로 한 인가된 게이트 전압, μ는 전계효과 전하이동도, W와 L은 채널의 너비와 길이, Ci는 절연막의 커패시턴스이고, Ids는 소스에서 드레인쪽으로 흐르는 전 류의 양이다. 전극문턱전압은 
와 Vgs 의 그래프로부터 Ids가 0인 게이트 전압으로 결정되고 전계효과 전하이동도는 
와 Vgs의 그래프의 기울기로부터 산출하였다.
도 5는 -10 V의 드레인 전압(Vd) 조건에서 게이트 전압(Vgs)에 따른 드레인 전류(Ids)의 측정결과이다. 도 5(a)는 bare OTFT, PVA OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이며, 도 5(b)는 bare OTFT, 본 발명의 실리케이트 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이다.
도 5(a)에서 알 수 있듯이 PVA OTFT의 경우 동일한 게이트 전압에서 bare OTFT에 비해 전류가 감소된 것을 알 수 있다. 즉 bare OTFT의 경우 전계효과 전하이동도(mobility) 특성이 0.372 cm2/Vs였으나 PVA OTFT의 경우에는 0.314 cm2/Vs로 전계효과 전하이동도 특성이 15.6% 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 전계효과 전하이동도 감소현상은 유기보호막 도입 이후 소자 특성 저하에 따른 일반적인 현상이며 유기반도체의 손상을 고려한 수용성 고분자를 이용하는 보호막 제조공정에서 발생한다고 볼 수 있다. 즉 유기보호막 용매에 의해 펜타센의 결정성 및 배향이 손상을 입었음을 알 수 있다.
도 5(b)는 bare OTFT, 본 발명의 실리케이트 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것으로, bare OTFT의 전계효과 전하이동도 (mobility) 특성이 0.423 cm2/Vs 이었으나 본 발명의 실리케이트 OTFT의 경우 0.452 cm2/Vs로 전계효과 전하이동도 특성이 6.8% 정도 향상된 결과를 얻었다. 즉 본 발명의 혼합조성물을 사용하여 제조된 유기보호막이 구비된 실리케이트 OTFT의 경우, 유기보호막 적용 후 초기에 발생하는 현저한 특성 저하가 방지 되었음을 알 수 있다.
도 6은 시간에 따른 전계효과 전하이동도의 열화특성을 측정한 것으로, 도 6(a)는 80시간의 동작시간 동안 bare OTFT, PVA OTFT, 본 발명의 실리케이트 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이며, 도 6(b)는 2200시간의 동작시간 동안 bare OTFT, PVA OTFT, 본 발명의 실리케이트 OTFT의 측정 결과를 함께 도시한 것이다.
도 6(a)에서 알 수 있듯이 80시간까지의 전계효과 전하이동도 특성 변화를 관찰한 결과에서는 bare OTFT의 경우에는 지속적으로 전계효과 전하이동도 특성 감소가 관찰되었으며 PVA OTFT의 경우에도 초기 특성 저하를 볼 수 있다. 본 발명의 실리케이트 OTFT의 경우 80시간까지 특성의 저하가 전혀 없는 것을 알 수 있다. 이는 역시 층상실리케이트의 도입으로 유기박막 트랜지스터의 특성 저하의 가장 큰 요인인 수분이나 산소의 침투를 막아 준 결과라고 해석할 수 있다.
도 6(b)의 2000시간 이상 측정한 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 실리케이트 OTFT의 전계효과 전하이동도 감소폭이 제일 낮음을 알 수 있다. 소자의 열화를 정량적으로 관찰하는 일반적인 방법으로 포화영역의 전류값인 Ion의 감소, 항복전압(Threshold Voltage)의 변화 또는 누설전류의 증가 등을 살펴볼 수 있는데, 본 발명의 유기보호막이 구비된 유기박막 트랜지스터의 열화(degradation)특성을 보다 정량적으로 관찰하기 위해서 초기 소자의 전계효과 전하이동도 수치에서 그 수치의 절반으로 전계효과 전하이동도가 감소하는 시간을 반감기 (Tf) 라고 정의하고 상기 반감기를 이용하여 열화특성을 관찰하였다. 열화시 측정조건은 상온에서 Vd=-10V, Vs=0V 및 -10V < Vg < 10V의 sweep 조건이다,
bare OTFT의 경우에는 200시간 정도에서 소자가 파괴되어 더 이상 전기적 특 성이 나타나지 않았으며, PVA OTFT의 경우에는 전계효과 전하이동도 특성 반감기가 960 시간으로 나타났다. 그러나 수분 및 산소의 차단특성이 향상된 본 발명의 실리케이트 OTFT의 경우에는 전계효과 전하이동도 특성 반감기가 1500 시간 정도로 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.
상기와 같은 측정결과를 바탕으로 본 발명의 유기박막트랜지스터는 기존의 보호막을 구비한 유기박막트랜지스터에서 문제가 되는 유기보호막에 의한 트랜지스터의 전기적 특성저하가 방지되며, 효과적인 수분 및 산소의 차단으로 동작시간에 따른 열화가 적으며, 기존의 수용성 고분자만을 이용한 유기보호막과 유사한 표면 거칠기를 가지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 유기박막트랜지스터는 유기발광디스플레이, 전자종이, 액정디스플레이와 같은 디스플레이 소자에 구비될 수 있으며, 차세대 플렉시블디스플레이등에서 구동스위칭 소자에 구비될 수 있다.
본 발명은 유기박막트랜지스터 (OTFT)의 소자 장기 신뢰성을 위한 수분 및 산소의 차단 특성이 향상된 신규 유기보호막의 제조를 위한 혼합조성물 및 상기 혼합조성물을 이용하여 제조된 유기보호막이 구비된 유기박막트랜지스터에 관한 것이다. 본 발명의 유기보호막의 수분 및 산소의 차단 특성을 향상시키는 새로운 방법으로서 유기박막트랜지스터의 소자 수명의 향상을 가져올 수 있는 발명이다.
본 발명의 유기보호막은 기존의 보호막을 구비한 유기박막트랜지스터에서 문제가 되는 유기보호막에 의한 트랜지스터의 전기적 특성저하가 방지되며, 효과적인 수분 및 산소의 차단으로 동작시간에 따른 열화가 적으며, 기존의 수용성 고분자만을 이용한 유기보호막과 유사한 표면 거칠기를 가지는 장점이 있는 것을 알 수 있다.
또한 본 발명의 층상실리케이트를 도입한 유기보호막의 경우 수분 및 산소 투과 차단성 개선을 통해 소자 장기신뢰성 및 유기보호막의 코팅성 향상, 박막 균일도 향상, 보호막 소자의 전기적 특성 향상의 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
이러한 기술은 기존에 보고가 되지 않은 신규 기술로서 현재 차세대 유기 전자 소자 (organic electronics) 부분에서 유기박막트랜지스터가 실제 소자에 응용될 때 필수적으로 적용이 필요한 기술이다. 즉 소자의 특성 신뢰성 향상을 위해 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.
Claims (13)
- 친수성 층상실리케이트인 스멕타이트; 수용성 고분자인 폴리비닐알코올; 및 극성용매인 물;을 함유하는 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 수용성 고분자 100 중량에 대하여 상기 극성 용매가 100 내지 10000 중량부, 상기 친수성 층상실리케이트가 1 내지 100 중량부를 가지는 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물.
- 유기활성층, 상기 유기활성층에 수직 전계를 형성시키는 게이트 전극, 상기 유기활성층에 수평전계를 형성시키는 소스/드레인 전극 및 상기 유기 활성층을 보호하는 보호막을 포함하여 구성되는 유기박막트랜지스터에서,상기 보호막은 제 1항 또는 제 4항에서 선택되는 어느 한 항의 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물로 제조된 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 보호막은 상기 유기박막트랜지스터 보호막용 혼합조성물을 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이, 닥터 블레이드, 메니스커스, 스크린 프린팅 또는 스텐실 프린팅하여 제조된 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 보호막은 소스/드레인 전극 상부에 위치하며 상기 게이트 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 보호막은 게이트 전극 상부에 위치하며 상기 소스/드레인 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 보호막은 유기활성층 상부에 위치하며, 상기 게이트 전극 및 소스/드레인 전극은 유기활성층 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 보호막의 두께는 100nm 내지 3000nm인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 유기활성층은 펜타센인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 유기박막 트랜지스터의 전계효과 전하이동도가 0.01 내지 10 cm2/Vs인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 5 항의 유기박막 트랜지스터가 구비된 디스플레이 소자.
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| JP2001316612A (ja) | 2000-04-28 | 2001-11-16 | E I Du Pont De Nemours & Co | 水性コーティング組成物の調製に用いるコーティング系 |
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2007
- 2007-06-12 KR KR1020070057105A patent/KR100933033B1/ko not_active IP Right Cessation
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