KR100965178B1 - 유기반도체 패턴의 형성 방법과 이를 이용한 유기 박막트랜지스터의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

프린팅 방법에 의한 유기반도체 패턴의 형성 방법과 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조방법이 개시되어 있다. 제1 기판상에 음의 패턴을 형성하도록 한다. 이후 형성된 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착한다. 유기반도체 패턴을 형성하고자 하는 제2 기판상에 유기반도체 물질층을 형성하도록 한다. 제1 기판과 제2 기판을 접착하여 제1 기판상의 음의 패턴상에 점착된 점착제 성분에 의해 제2 기판상의 유기반도체 물질층의 유기반도체 물질을 부착하여 제거하여 유기반도체 패턴을 형성하도록 한다. 기존의 a-Si 대신에 유기반도체 물질을 적용하는 것이 용이하여 공정이 단순화되고 특히 플랙시블 디스플레이의 제조가 매우 용이하다. 특히 기존에 증착 공정의 진행시 섀도우 마스크와 기판간의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 해상도 저하의 문제, 수㎛ 두께의 섀도우 마스크를 핸들링 하는 어려움 등의 문제를 해결할 수 있다.

Description

유기반도체 패턴의 형성 방법과 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법{Method Of Forming Organic Semiconductor Pattern And Method Of Manufacturing Organic Thin Film Transistor Using The Same}

도 1은 펜타센의 구조식을 나타내는 도면이다.

도 2는 종래의 섀도우 마스크를 이용한 증착 공정을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 섀도우 마스크에 형성된 슬롯의 형상을 예시한 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 6a 내지 6f는 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 7은 본 발명의 방법에 따라 제조된 유기 박막 트랜지스터를 모식적으로 나타낸 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 적용하여 제조가 가능한 기본적인 형태의 디스플레이 소자를 모식적인 단면도로 나타내었다.

도 9는 본 발명의 방법을 적용 가능한 액티브 매트릭스형 유기전계발광 표시 장치의 단면도이다.

도 10은 본 발명의 방법을 적용 가능한 액정 표시 장치의 단면도이다.

도 11은 본 발명의 방법을 적용 가능한 전기영동 표시층을 포함하는 인쇄 가능한 디스플레이 소자에 대한 모식적인 단면도이다.

본 발명은 유기반도체 패턴의 형성 방법 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 섀도우 마스크를 사용하지 않고 패터닝 할 수 있는 용이한 패턴 형성 방법 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 음극선관(cathode ray tube)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 각종 평판 표시 장치들이 개발되고 있다. 이러한 평판 표시 장치는 액정 표시 장치(liquid crystal display; LCD), 전계 방출 표시 장치(field emission display; FED), 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP), 일렉트로루미네센스 표시 장치 (electro-luminescence display; EL) 등이 있다. 이와 같은 평판 표시 장치의 표시 품질을 높이고 대화면화를 시도하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

이들 중 PDP는 구조와 제조 공정이 단순하기 때문에 경박 단소하면서도 대화면화에 가장 유리한 표시 장치로 주목받고 있지만 발광 효율과 휘도가 낮고 소비 전력이 크다는 단점이 있다. 이에 비하여, 스위칭 소자로서 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT)가 적용된 액티브 매트릭스 LCD는 반도체 공정을 이용하기 때문에 대화면화에는 어려움이 있지만 노트북 컴퓨터의 표시 소자로 주로 이용되면서 수요가 늘고 있다. 또한 LCD는 백라잇 유니트로 인하여 소비 전력이 크다는 단점이 있다. 이에 더하여 LCD는 편광 필터, 프리즘시트, 확산판 등의 광학 소자들에 의해 광손실이 많고 시야각이 좁다는 단점이 있다. 이에 비하여 EL 표시 소자는 발광층의 재료에 따라 무기 EL와 유기 EL로 대별되며 스스로 발광하는 자발광 소자로서 응답속도가 빠르고 발광 효율, 휘도 및 시야각이 크다는 장점이 있다.

상술한 각종 디스플레이 소자에 대한 미래 정보화 사회의 경향은 모바일 영역에서 표시 품질의 고성능화와 함께 편리함을 추구할 수 있는, 종이같은 플렉시블 디스플레이(paper-like flexible display) 라는 새로운 시장이라고 할 수 있다. 이러한 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 능동 구동 소자 어레이 개발에 있어서는 저원가 공정 적용이 용이하면서 소자의 유연성과 내구성이 우수할 것이 요구된다. 이러한 요건을 갖춘 소자로서 유기반도체 소자를 예로 들 수 있다. 현재 연구되고 있는 유기반도체 재료로서는 폴리페닐렌(poly(phenylene)s), 단부가 치환된 티오펜 올리고머(end-substituted thiophene oligomers), 펜타센(pentacene), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 레지오레귤러 폴리(3-알킬티오펜)(regioregular poly(3-alkylthiophene)s) 등을 들 수 있다.

플렉시블 디스플레이의 개발에 있어서 중요한 분야중 하나가 바로 상기 유기 반도체 재료를 이용한 패터닝 공정이라고 할 수 있다. 유기반도체는 반도체 특성을 나타내는 공액성 유기 고분자인 폴리아세틸렌이 개발된 후, 유기물의 특성 즉 합성 방법의 다양함, 섬유나 필름 형태로의 성형이 용이함, 유연성, 전도성, 저렴한 생산비 때문에 새로운 전기 전자 재료로서 기능성 전자 소자 및 광소자 등 광범위한 분야에서 활발한 연구가 이루어지고 있다.

이러한 전도성 고분자를 이용한 소자 중에서 유기물을 활성층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스터(Organic TFT; OTFT)에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으며, 근래에는 전 세계에서 많은 연구가 진행중에 있다. 상기 OTFT는 Si-TFT와 구조적으로 거의 같은 형태로서, 반도체 영역에 Si 대신에 유기물을 사용한다는 차이점이 있다. 하지만 제작 공정면에서 Si-TFT에 비하여 간단하고 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 이와 같이 무기 물질을 저렴한 유기 화합물로 대체하는 것이 현재 큰 관심이 되고 있다. π-컨쥬게이트된 다수의 유기 물질이 TFT 내의 활성층으로 사용되어 왔으나 이들 물질은 불량한 전기적 성능을 갖고 있고, 대량 생산 공정으로 제조하기가 곤란하거나 대기중의 산소 및 물의 공격에 대한 불충분한 내성으로 인하여 장치의 수명이 단축되는 등의 문제점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.

유기반도체 물질을 이용한 공정은 크게 폴리머 반도체(polymer semiconductor) 공정과 유기 반도체(organic semiconductor) 공정의 두 분야로 나눌 수 있다. 폴리머 반도체 공정은 고분자를 반도체 재료로 이용하는데, 고분자 물질을 용매에 용해시킨 후 기판상에 스핀 코팅 등의 기술로 적용하고 용매를 증발시킨 후 패터닝하는 기술이다. 이에 비하여, 유기 반도체 공정은 고분자가 아닌 저분 자량의 유기물을 이용하는 공정인데, 현재까지는 적용 가능한 재료를 용이하게 용해시킬 수 있는 용매가 없다. 대표적인 유기물로서는 펜타센을 예로 들 수 있다. 펜타센은 도 1에 나타난 바와 같이 다섯 개의 벤젠 고리를 가진 작은 방향성 탄화 수소 물질이다. 이 구조는 이중과 단일 결합을 가진 펜타센 분자가 연속적으로 결합되어 있고, 분자내에서 전자의 움직임은 매우 빠르나 분자간이 이동은 전자의 호핑(hopping)으로 이루어지므로 분자의 밀집도(close-packing)가 캐리어의 이동도에 직접적인 영향을 주게 된다. 펜타센은 매우 높은 전계 효과 이동도(mobility)를 제공하나 이는 고진공하에서 증착된 경우에만 그러한 것으로 보고되어 있다(Syn. Metals, 41-43, 1991, p1127). 또한 용해 가능한 전구체는 액체 공정을 가능하게 하는 치환된 펜타센에 대하여 보고되어 있다. 그러나 증착된 패턴에 비하여 성능이 월등하게 저하되며, 활성층 형성을 위해서 이 물질을 액체 공정으로 적용한 이후, 진공하에서 상대적으로 높은 온도(140∼180℃)로 가열할 필요가 있다.

결국, 이러한 유기 반도체 물질을 기판상에 적용하기 위한 공정은 섀도우 마스크(shadow mask)를 개재한 증착 공정(evaporation)으로 한정되어 있다. 이 방법은 반도체 공정의 사진 식각 공정을 수행하지 않아도 된다는 장점은 있지만 섀도우 마스크를 사용해야 하는데 따르는 많은 단점을 가지고 있다.

즉, 미세한 패턴을 형성하기 위해서 섀도우 마스크의 두께가 매우 얇아야 하기 때문에 이를 핸들링하기 어렵다는 문제가 있고, 유기반도체 물질의 증착시 패턴의 형성을 위해서 증착되는 기판상에 섀도우 마스크를 밀착시켜야 하기 때문에 반복적인 사용이 수회로 제한된다. 이에 더하여, 정밀한 증착 패턴을 형성하기 위해 서 매회 세정 작업을 진행해야 하는 점등이 있다. 무엇보다도 대형 기판용 섀도우 마스크는 대응이 쉽지 않으며 가격이 매우 비싸기 때문에 저원가 공정이라는 취지에 부합하지 못하는 것이 사실이다.

상술한 섀도우 마스크를 이용한 유기반도체 물질의 일반적인 패터닝 방법에 대하여 종래의 저항 가열법에 의한 진공 증착 공정을 투명한 애노드 전극상에 유기반도체 패턴을 형성하는 것을 예로하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래의 섀도우 마스크를 이용한 증착 공정을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 2를 참고하면, 진공 증착장치는 진공 챔버(15)와, 진공 챔버(15) 내부에 설치되며 내부에 유기 물질(10)이 담긴 가열 용기(12)와, 투명한 애노드 전극(2)이 형성된 유리 기판(1)과, 가열 용기(12)와 유리 기판(1) 사이에 거리차를 두고 대면되게 설치되는 섀도우 마스크(13)를 구비한다. 이러한, 섀도우 마스크(13)는 홀더(17)에 고정되어 증착 장치에 장착된다.

진공 챔버(15)는 외부로부터 이물질이 유입되지 않도록 진공 상태가 되고, 내부의 압력이 적절하게 조절된다. 가열 용기(12)는 진공 챔버(15)의 저면에 유기물질을 수용하며 상부쪽에 개구부가 있고, 이 개구부에 유기 물질(10)을 수용하게 된다. 또한, 가열 용기(12)에는 수용된 유기 물질(10)을 승화시키기 위한 저항(18)이 감싸여진다. 이 저항(18)은 흐르는 전압에 의해 가열 용기(12)를 가열하게 된다.

유리 기판(1) 상에는 투명한 전극인 애노드 전극(2)이 형성되어 있다. 섀도 우 마스크(13)는 애노드 전극(2) 상에 일정한 패턴으로 유기 물질(10)이 증착되도록 하는 역할을 한다. 이 섀도우 마스크(13)는 다양한 형상을 가질 수 있다.

도 3 및 도 4는 도 2에 나타난 섀도우 마스크에 형성된 슬롯의 형상을 예시한 사시도이다.

섀도우 마스크(13)는 도 3에 나타난 바와 같이 스트라이프(stripe) 형태의 슬롯(14)들을 일정한 간격으로 배열하여 형성하는 것이 가능하다. 이러한, 섀도우 마스크(13)는 유리 기판(1) 상에 스트라이프 형태의 픽셀 배열로 유기 물질(10)이 성막되게 한다. 또한, 도 4에 나타난 바와 같이 섀도우 마스크(13) 픽셀 형태는 장방형의 픽셀들이 매트릭스 형태로 배열되어 형성되는 것도 가능하다.

이와 같은 유기 물질 증착 장치의 증착 공정을 설명하면, 유기 물질 증착 장치는 진공 챔버(15) 내에 설치된 가열 용기(12)를 저항(18)에 의해 가열하게 된다. 이는 가열 용기(12)에 수용된 유기 물질(10)은 상온에서는 증발되지 않고 일정한 온도 대략 200℃ 이상의 온도에서 증발한다.

이에 따라, 가열된 가열 용기(12)에서 증발되는 유기 물질(20)이 분자 또는 원자 상태로 증발되고, 유리 기판(1)과 가열 용기(12) 사이에 섀도우 마스크(13)의 슬롯들(14)을 통과한 유기 물질(10)만이 상대적으로 온도가 낮은 유리 기판(1)의 애노드 전극(2) 상에 증착된다. 증착되는 유기 물질의 패턴 형상은 섀도우 마스크의 슬롯 형상에 의해 결정된다.

이러한 증착 공정에 의하면 상술한 문제점 외에도 하기와 같은 문제가 있다. 증착 공정중 유기 물질(10)을 증발시키기 위하여 진공 챔버(15) 내에서 가열 용기(12)를 가열하게 되는데, 이 가열되는 열에 의한 복사에너지가 섀도우 마스크(13)에 전달되어 섀도우 마스크(13)의 온도가 증가하게 된다. 증가하는 섀도우 마스크(13)의 온도로 인해 섀도우 마스크(13)가 열팽창하게 되고, 이 열팽창에 의해 섀도우 마스크(13)가 하방으로 처지는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 처짐 현상은 화면이 대면적화 될수록 더욱 커진다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 증착 공정에 따르는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저분자량 유기 반도체 재료를 이용한 패터닝 방법에 있어서, 섀도우 마스크를 사용하지 않고 프린팅 방식에 의해 유기반도체를 패터닝할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 유기반도체 패턴의 형성 방법을 응용하는 것에 의해 저원가로 플렉시블 디스플레이의 제조를 가능케 해주는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상술한 방법에 의해 제조된 유기 박막 트랜지스터를 표시 기구와 포함하는 디스플레이 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 유기 반도체 패턴의 형성 방법을 적용하는 것에 의한 디스플레이 소자의 용이한 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는

제1 기판상에 음의 패턴을 형성하는 단계;

형성된 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착하는 단계;

유기반도체 패턴을 형성하고자 하는 제2 기판상에 유기반도체 물질층을 형성하는 단계; 및

상기 제1 기판과 제2 기판을 접착하여 제1 기판상의 음의 패턴상에 점착된 점착제 성분에 의해 제2 기판상의 유기반도체 물질층의 유기반도체 물질을 부착하여 제거하는 단계를 포함하는 유기반도체 패턴의 형성 방법을 제공한다.

특히, 상기 점착제 성분과 유기반도체 물질이 부착된 제1 기판을 세정하는 단계를 더 수행하고, 이후 형성된 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착하는 단계의 수행을 위해 재투입하는 것에 의해 제1 기판은 연속적인 사용이 가능하다.

이 때, 상기 점착제 성분은 물을 이용한 세정 공정, 아세톤을 이용한 세정 공정, 초음파를 이용한 세정 공정, 이들의 조합에 의한 세정 공정 등을 통하여 제거하는 것이 가능하다.

바람직하게, 상기 점착제 성분은 액상으로서, 상기 제1 기판을 액상의 점착제 성분에 디핑하는 것에 의해 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착하는 것이 바람직하며, 상기 유기반도체 물질은 용해되는 용매가 없는 유기 반도체 물질(organic semiconductor)인 경우에 본 발명의 방법이 용이하게 적용된다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는

게이트 전극, 절연막, 소스/드레인 전극 및 유기반도체 물질로 형성된 유기 활성층을 포함하여 이루어지는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서,

상기 유기 활성층이

제1 기판상에 음의 패턴을 형성하는 단계;

형성된 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착하는 단계;

유기반도체 패턴을 형성하고자 하는 제2 기판상에 유기반도체 물질층을 형성하는 단계; 및

상기 제1 기판과 제2 기판을 접착하여 제1 기판상의 음의 패턴상에 점착된 점착제 성분에 의해 제2 기판상의 유기반도체 물질층의 유기반도체 물질을 부착하여 제거하는 단계를 포함하는 유기반도체 패턴의 형성 방법에 의해 형성되는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공한다.

특히, 상기 기판이 가요성 플라스틱인 경우에 플랙시블 소자의 제조가 가능하게 된다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 제조 방법에 따른 유기 박막 트랜지스터를 포함하는 디스플레이 소자의 제조 방법에 의해 달성되는데, 이러한 디스플레이 소자로서는 EL(electro-luminescence) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자 및 전기영동형 인쇄 디스플레이 소자 등을 예로 들 수 있다.

본 발명에 의하면 저분자량의 유기반도체 물질을 이용하여 플랙시블 소자를 제작하는데 있어서, 종래 필수 공정인 섀도우 마스크를 통한 유기반도체 재료의 증착 공정을 획기적으로 개선하여 점착제를 이용한 프린팅 공정으로 대체함으로써 향후 이를 이용한 플랙시블 소자의 제작 공정을 한 단계 개선시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 5에는 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 나타내는 흐름도이 고, 도 6a 내지 6f는 상기 방법을 설명하기 위한 단면도들을 나타내었다.

먼저, 도 5를 참고하면, 제2 기판상에 형성하고자 하는 패턴의 형상과 반대로, 제1 기판상에 음의 패턴을 형성하도록 한다(단계 S10). 이후 형성된 음의 패턴상에 점착제 성분을 묻히도록 한다(단계 S20). 유기반도체 패턴을 형성하고자 하는 제2 기판상에 유기반도체 물질층을 형성하도록 한다(단계 S30). 상기 유기반도체 물질층은 바람직하게 전면 증착 공정을 수행함으로써 균일한 두께로 형성하도록 한다. 이후, 상기 점착제 성분이 묻은 제1 기판과 유기반도체 물질층이 형성된 제2 기판을 접착하여 제1 기판상의 음의 패턴상에 점착된 점착제 성분에 의해 유기반도체 물질층의 유기반도체 물질을 부착하여 제거하도록 한다(단계 S40). 이러한 일련의 공정을 통하여 제2 기판상에는 양의 유기반도체 패턴이 형성되는 것이다(단계 S50). 한편, 점착제 성분과 유기반도체 물질이 부착된 제1 기판에 대하여는 세정 공정을 수행하도록 한다(단계 S60). 세정을 통하여 음의 패턴이 형성된 제1 기판으로 회수되므로 이는 다시 상기 단계 S20으로 투입되는 것이다.

상술한 공정을 도 6a 내지 6f에 나타난 단면도들을 참고하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

도 6a를 참고하면, 제1 기판(10a)상에 포토리소그라피 공정 등을 이용하여 형성하고자 하는 패턴에 대하여 음의 패턴(10b)을 형성하도록 한다. 제1 기판의 성분으로서는 목적에 따라서 금속, 유리, 플라스틱 등 어떠한 물질이든지 적용 가능하다.

도 6b를 참고하면, 음의 패턴(10b)이 형성된 상기 제1 기판(10a)상에 점착제 성분을 부착하도록 한다. 바람직하게, 점착제 성분은 액상으로서, 제1 기판(10a)을 액상의 점착제(20)에 디핑 등의 방법으로 접촉시켜 부착하도록 한다. 점착제 성분으로는 점착 특성을 갖는 일반적인 성분이 모두 적용 가능한데, 바람직한 점착제 성분으로는 3M 사에서 스크린 프린터블 어드히시브(screen printable adhesive)로 개발한 점착제 성분이 있다. 예를 들면 상품명은 SP7533 이라는 모델의 점착제 성분을 용이하게 적용할 수 있다. 이 점착제 성분은 액상으로 존재하며 물에 용해가능하기 때문에 작업 후에 세정이 용이하다는 특징이 있다. 다른 예로서는 쉘 케미컬(shell chemical)사에서 크라톤(Kraton)이라는 상품명으로 시리즈로 개발한 성분을 들 수 있다. 이들은 유기 용매를 포함하는 다른 용매에 용이하게 용해되기 때문에 이 또한 사용후 제거가 용이하다.

도 6c를 참고하면, 음의 패턴(10b) 상에 점착제 성분을 패턴의 형상에 따라 부착시키면 도시한 바와 같이 점착제 패턴(20a)이 형성된다.

도 6d를 참고하면, 유기반도체 패턴을 형성하고자 하는 제2 기판상(100)에 전면 증착 등의 방법에 의해 유기반도체 물질층(101)을 형성하도록 한다. 제2 기판의 성분 또한 목적에 따라서 금속, 유리, 플라스틱 등 어떠한 물질이든지 적용 가능하다. 그러나 플랙시블 디스플레이 소자의 제조를 위해서는 가요성을 갖는 기판을 적용해야 할 것이다. 그리고 유기반도체 물질로서는 도 1에 도시된 바와 같은 펜타센이 용이하게 적용 가능하며, 그 외에도 프탈로시아닌, 레지오레귤라 폴리(3-알킬티오펜), 단부 치환된 티오펜 올리고머 등과 같은 저분자량의 유기 반도체 물질이 모두 적용 가능하다.

도 6e를 참고하면, 음의 패턴(10b)과 점착제 패턴(20a)이 형성된 제1 기판(10a)과 유기반도체 물질층(101)이 형성된 제2 기판(100)을 접촉시키도록 한다.

도 6f를 참고하면, 제1 기판(10a)과 제2 기판(100)을 분리하면 제1 기판상에 형성된 점착제 패턴(20a)의 점착 성분에 의해 제2 기판(100)의 유기반도체 물질층(101)의 일부분이 제거되어 점착제 패턴(20a) 상에 부착되어 음의 유기반도체 패턴(101b)을 형성함과 동시에 제2 기판(100) 상에는 소망하는 유기반도체 패턴(101a)이 형성된다.

제1 기판(10a)의 반복 사용을 위하여 기판상에 형성된 점착제 패턴(20a) 및 음의 유기반도체 패턴(101b)을 세정 등의 방식으로 제거하고, 음의 패턴(10b)이 형성된 제1 기판(10a)으로 회수하여 도 6b의 공정에 재투입하도록 한다. 세정은 주로 물을 이용한 세정 공정, 아세톤을 이용한 세정 공정, 초음파를 이용한 세정 공정 등으로 수행되며, 특히 물이나 아세톤을 이용한 세정 공정에 초음파를 이용한 세정 공정을 추가하여 수행하는 것도 가능하다.

상기한 본 발명의 방법에 의하면 제1 기판상에 음의 패턴을 형성하기 위하여 한번의 포토리소그라피 공정이나 몰딩 공정을 수행해야 하지만, 충분한 두께를 갖도록 형성하면 작업이 용이하고 반복성이 우수하기 때문에, 섀도우 마스크를 이용한 작업에 비하면 원가 절감 효과가 월등하게 우수한 것이다.

이제, 이상과 같은 유기반도체 패턴의 형성 방법을 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

더욱 구체적으로 설명하면 도 7은 본 발명의 방법에 의한 유기반도체 패턴 형성 방법을 적용하여 제조되는 유기 박막 트랜지스터를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 이 유기 박막 트랜지스터는 예를 들어 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.

우선, 글래스 또는 플라스틱 기판, 바람직하게는 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등이 가요성 플라스틱 재료의 기판(100) 위에 적절한 도전성 물질을 스퍼터링 및 에칭 등의 적당한 방법을 적용하여 게이트 전극(111)을 형성한다. 그 후, 게이트 전극(111)을 포함하는 기판(100) 표면에 폴리아크릴로니트릴, 폴리불화비닐리덴, 시아노에틸화 플루란 등의 고유전율 유기물을 도포하여, 경화시키고 게이트 절연막(120)을 형성한다. 다음으로 이 게이트 절연막(120) 위에 소스 전극(131) 및 드레인 전극(132)을 배치하여, 트랜지스터 기판으로 한다. 여기에서, 트랜지스터의 게이트, 소스 및 드레인의 전극 재료는 얻어지는 트랜지스터의 기능에 악영향을 미치지 않는 한 어느 재료이어도 되며 예를 들어 금속 물질, 인듐 주석 산화물(ITO), 산화 주석(SnO₂) 등의 무기 화합물계 재료 및 도핑된 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜 등의 도전성 고분자 재료를 전극 재료로 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이 하여 트랜지스터 기판을 제작한 후, 도전성 유기반도체 화합물을 사용하여 기판상에 채널층인 유기반도체 패턴(142)을 형성한다. 유기 반도체 패턴(142)의 막 두께는 트랜지스터의 종류 등에 따라 변동이 있지만 통상, 약 10 내지 500 mm이다. 이러한 유기 반도체 패턴은 도 5 및 도 6a 내지 6f에 도시된 공정 순서에 따라 프린팅법으로 제조하도록 한다.

이에 더하여, 도시하지는 않았으나 형성된 유기 반도체 패턴 (142)의 불순물 혼입이나 투습을 방지하기 위해 트랜지스터의 동작을 저해하지 않는 한 방습막 등의 보호층을 설치할 수 있다.

이상과 같은 일련의 제조 공정을 거쳐 제조된 유기 박막 트랜지스터에서 소스-드레인 전극간에 흐르는 전류량은 게이트 전압에 의해서 조절할 수 있다. 또한, 여기에서 설명하기 위해 사용된 기판은 가요성 플라스틱 기판이지만, 실리콘 기판 및 그 밖의 가요성이 없는 기판에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 플라스틱 기판상에 제작된 전계 효과 트랜지스터뿐만 아니라, 고이동화와 간편한 공정으로 저비용화가 요구되는 다른 전자 소자에도 본 발명의 유기 박막 트랜지스터 형성 방법은 응용이 가능하다.

상술한 방법에 의해 제조된 유기 박막 트랜지스터의 경우, 기판이 가요성을 갖는다면 TFT도 가요성이 있으므로 소자 전체가 가요성을 갖게 된다. 따라서 본 발명의 방법을 적용하면 플랙시블 디스플레이 소자를 용이하게 제조할 수 있는 것이다.

본 발명의 방법에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 응용하는 것에 의해 상술한 바와 같은 유기 박막 트랜지스터의 용이한 제조가 가능할 뿐만 아니라 각종 전자 디스플레이 소자의 제조시 유기층의 용이한 형성이 또한 가능하게 된다.

도 8에는 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 적용하여 제조가 가능한 기본적인 형태의 디스플레이 소자를 모식적인 단면도로 나타내었다.

도 8을 참고하면, 디스플레이 소자(200)는 표시 기능층(302)과 전원층(300)을 포함한다. 표시 기능층(302)은 여러 가지 원리에 의해 표시 기능을 발휘하는 다양한 소자로 형성할 수 있고, 이 도면의 디스플레이 소자(200)에서는 표시 기능층(302)은 표시층(302a)과 이것을 중심으로 대향되는 한쌍의 전극(302b, 302c)으로 구성되어 있다. 표시 기능층(302)의 형성에 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 적용할 수 있는 것이다.

결국, 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법은 유기 박막 트랜지스터의 형성시 활성층의 형성시에 적용 가능하고, 각종 디스플레이 소자의 유기층의 형성시에 용이하게 적용 가능함을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 방법이 적용 가능한 몇 가지 디스플레이 소자에 대하여 알아보기로 한다.

도 9에는 본 발명의 방법을 적용 가능한 액티브 매트릭스형 유기 전계 발광 표시장치의 단면도를 나타내었다.

평판 디스플레이 장치의 하나로서 주목받고 있는 전계발광 소자는 사용하는 재료에 따라 무기전계발광 소자와 유기 전계발광소자로 크게 나뉘어진다. 무기전계발광 소자는 일반적으로 발광부에 높은 전계를 인가하고 전자를 높은 전계 중에서 가속하여 발광 중심으로 충돌시켜 이에 의해 발광 중심을 여기 함으로써 발광하는 소자이다.

유기 전계발광소자는 음극(cathode) 전극과 양극(anode) 전극으로부터 각각 전자(electron)와 정공(hole)을 발광부 내로 주입시켜 주입된 전자와 정공이 결합 하여 여기자(exciton)를 생성하고, 이 여기자가 여기상태로부터 기저상태로 떨어질 때 발광하는 소자이다.

상기와 같은 동작원리로 인해 무기전계발광 소자는 100∼200V의 높은 구동전압을 필요로 하는 반면, 유기 전계발광소자는 5∼20V정도의 낮은 전압으로 구동할 수 있다는 장점 때문에 이에 대한 연구가 더욱 활발하게 진행되고 있다. 또한, 유기 전계발광소자는 넓은 시야각, 고속 응답성, 고 콘트라스트(high contrast) 등의 우수한 특징을 갖고 있다.

유기 전계발광소자는 액티브 매트릭스형 디스플레이 장치와 패시브 매트릭스형 디스플레이 장치에 모두 적용할 수 있다. 액티브 매트릭스형 유기전계발광 표시장치는 박막 트랜지스터와 같은 스위칭 소자들에 의해 복수개의 화소들에 대응하는 유기 전계발광소자들을 서로 독립적으로 구동시키는 디스플레이 장치이다. 이러한 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 구조는 다음과 같다.

도 9를 참조하면, 유리, 석영, 사파이어와 같은 절연 기판(410) 상에 실리콘 산화물로 이루어진 차단막(blocking layer)(412)이 형성된다. 기판은 EL 소자의 지지체이고 유리, 플라스틱 등이 투명한 기판이 일반적으로 사용된다. 플라스틱인 경우에는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카르보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리술폰, 폴리부텐, 폴리메틸펜텐 등이 바람직하다. 상기 차단막(412)은 생략될 수 있지만, 후속의 비정질실리콘막의 결정화 동안에 상기 기판(410) 내의 각종 불순물들이 실리콘막으로 침투하는 것을 방지하기 위해 사용하는 것이 바람직하다.

상기 차단막(412) 상에는 액티브 패턴(414), 게이트 절연막(416), 게이트 전 극(418), 층간 절연막(420) 및 소오스/드레인 전극(426, 428)으로 이루어진 박막 트랜지스터(430)가 형성된다. 박막 트랜지스터의 형성시 액티브 패턴은 본 발명의 유기반도체 패턴 형성 방법을 적용하여 형성하도록 한다.

상기 박막 트랜지스터(430)를 포함한 기판(410)의 전면에 보호막(432)이 형성된다. 상기 보호막(432) 상에는 비어홀(434)을 통해 상기 소오스/드레인 전극(426, 428) 중 하나, 예를 들어 드레인 전극(428)과 연결되는 화소 전극(436)이 형성된다. 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide) 또는 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide)과 같은 투명 도전막으로 이루어진 화소 전극(436)은 유기 전계발광소자(450)의 양극(anode) 전극으로 제공된다.

상기 화소 전극(436)을 포함한 보호막(432) 상에는 화소 전극(436)의 일부분을 노출시키는 개구부(442)를 갖는 유기 절연막(440)이 형성된다. 상기 개구부(442) 상에는 유기 전계발광층(444)이 형성되고, 그 위에 배면 발광을 위한 금속 전극(446)이 유기 전계발광소자(450)의 음극(cathode) 전극으로서 형성된다. 상기 유기 전계발광층(444)은 또한 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법인 프린팅 방법을 적용하여 형성하는 것이 가능하다.

박막 트랜지스터를 포함하는 디스플레이 소자의 일례로서 LCD 소자를 또한 예로 들 수 있다. 도 10에는 본 발명의 방법을 적용 가능한 액정 표시 장치의 단면도를 나타내었다.

도 10에 도시된 바와 같이, 액정표시장치는 박막 트랜지스터가 매트릭스 형태로 형성된 TFT 기판(500), TFT 기판(500)과 대향하여 구비되는 컬러필터 기판(540) 및 상기 TFT 기판(500)과 컬러필터 기판(540)과의 사이에 주입된 액정층(550)을 포함하여 이루어진다.

여기서, TFT 기판(500)은 제1 유리기판(502) 상에 형성된 TFT(510), TFT(510)를 포함하는 제1 유리기판(502) 상에 형성된 유기 절연막(520), 유기 절연막(520) 상에 형성된 화소 전극(532)으로 이루어진 단위 화소가 매트릭스 형태로 형성된 기판이다. 화소 전극(532)은 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되고, 내부광을 투과시키기 위한 투과 전극을 포함한다. 박막 트랜지스터는 복수개의 게이트 라인(도시되지 않음) 및 데이터 라인(도시되지 않음)으로부터 분기된 전극들로 이루어진다.

이때, TFT(510)는 게이트 전극(511), 소오스 전극(512) 및 드레인 전극(513)을 포함한다. 또한, 게이트 전극(511)은 게이트 절연막(514)을 통하여 소오스 전극(512) 및 드레인 전극(513)과 절연 상태를 유지한다. 게이트 절연막(514) 상에는 게이트 전극(511)에 전원이 인가됨에 따라 소오스 전극(512)으로부터 드레인 전극(513)으로 전원을 인가하기 위한 액티브 패턴(515)이 형성된다. 상기 액티브 패턴(515) 상에 소오스 전극(512) 및 드레인 전극(513)이 형성된다.

또한, TFT(510)와 화소 전극(532)과의 사이에는 유기 절연막(520)이 개재되고, 유기 절연막(520)에는 드레인 전극(513)을 노출시키기 위한 콘택홀(525)이 형성되어 있다. 여기서, 콘택홀(525)을 통해 드레인 전극(513)과 소오스 전극(512)이 전기적으로 연결된다.

이후, 상기 유기 절연막(520) 및 콘택홀(525)에 의해 노출된 드레인 전극(513)에는 화소 전극(532)이 균일한 두께로 도포된다.

구체적으로, 상기 유기 절연막(520) 및 콘택홀(525) 상에는 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: 이하, ITO라 칭함) 또는 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide : 이하, IZO라 칭함)로 이루어진 투명 전극(532)이 균일한 두께로 적층된다.

한편, 컬러필터 기판(540)은 제2 유리기판(542) 상에 광 누출을 방지하기 위한 블랙 매트릭스(543), 컬러필터(544), 평탄화막(546) 및 공통 전극(548)이 순차적으로 형성된 기판이다.

구체적으로, 상기 컬러필터(544)는 광에 의해서 적색으로 발현되는 R(Red) 색화소, 광에 의해서 녹색으로 발현되는 G(Green) 색화소 및 광에 의해서 청색으로 발현되는 B(Blue) 색화소로 이루어진다.

또한, 각각의 색화소들은 블랙 매트릭스(543)와 부분적으로 오버랩되면서 블랙 매트릭스(543)가 형성되지 않은 제2 유리 기판(542) 상에 형성되어, 컬러 필터(544)와 블랙 매트릭스(543) 사이에 단차가 형성된다. 이러한 단차를 제거하기 위한 평탄화막(546)이 형성되고, 상기 평탄화막(546) 상에는 균일한 두께로 공통 전극(548)이 형성된다. 상기 공통 전극(548)은 ITO 또는 IZO 막과 같은 투명성 도전막으로 이루어진다. 이때, 평탄화막(546)은 감광성 유기 절연막 중 하나인 아크릴 수지 또는 폴리 아미드 수지로 이루어진 유기막이다.

상기한 LCD 소자에서, 박막 트랜지스터의 형성시에 액티브 패턴의 형성시에 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 적용하는 것이 가능하다. 특히, 기존의 섀도우 마스크를 이용한 진공 증착 방법에 의한 유기반도체 패턴 형성 방법에 의하면, 섀도우 마스크와 기판간의 열팽창 계수의 차이 때문에 저하되는 해상도에 기인하여 사이즈의 대형화가 불가능하였으나, 본 발명의 프린팅 방법을 적용하면 사이즈의 대형화가 가능하다는 잇점이 있다.

이후, 본 발명의 유기반도체 패턴의 형성 방법이 매우 용이하게 적용 가능한 인쇄 가능한 디스플레이 소자, 소위 전자 페이퍼 형태의 소자에 대하여 설명하고자 한다.

도 11에는 전기영동 표시층을 포함하는 인쇄 가능한 디스플레이 소자를 모식적으로 나타내었다.

전기영동형 표시 소자의 경우, 전기영동 입자를 봉입한 마이크로 캡슐을 투명 전극 사이에 개재하고 양전위와 음전위를 인가함으로써, 양전위로 하전된 전기영동 입자는 시야가 백색 모드로 인식하고, 음전위로 하전된 전기영동 입자는 흑색 모드로 인식하도록 한 소자이다. 이러한 표시 패널에 도 7에 도시된 바와 같은 OTFT를 연결하는 것에 의해 디스플레이 소자를 완성할 수 있다.

도 11을 참고로 하여 이러한 디스플레이 소자의 동작을 예시하기로 한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 이 전기영동형 표시 장치(700)는 개별 전극(702)과 이들의 개별 전극(702)에 대응하는 위치에 배치되어 접착제층(705)에 의해서 고정된 전기영동 입자(707)를 포함하는 마이크로 캡슐(703)과, 이들 마이크로 캡슐(703)과 접착제층(705)에 의해 구성되는 표시층(706)을 덮는 공통 전극(704)을 포함한다. 개별 전극(702)과 공통 전극 (704)은 한쌍의 대향 전극을 구성하고 있다. 표시 장치(700)의 표시면 측에 위치하는 공통 전극(704)은 통상은 투명하다. 상기한 개 별 전극(702)에는 유기 박막 트랜지스터가 연결되어 있다. 즉, 기판(600) 상에 형성된 게이트 전극(611), 게이트 절연막(620), 소스/드레인 전극(631, 632) 및 유기반도체 패턴(642)을 포함하는 유기 박막 트랜지스터가 비아 콘택(650)을 통하여 개별 전극(720)과 전기적으로 연결되어 있는 구조이다.

대향 전극 (702) 및 (704) 사이에 전위차를 인가함으로써 마이크로 캡슐(703) 내의 전기영동 입자(707)들이 일정한 배열을 이룸으로써 상을 표시하게 된다.

특히 이러한 페이퍼 형태의 전기영동형 디스플레이 소자의 경우, 유기 박막 트랜지스터를 적용할 경우, 기존의 섀도우 마스크를 이용한 증착 공정을 적용할 경우에는 사이즈가 최대 10cm x 10cm 정도 밖에 구현할 수 없었으나, 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법을 적용할 경우, 사이즈에 제한이 없이 대형화가 가능하다고 할 것이다..

이상과 같은 여러 가지 디스플레이 소자의 제조시에 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법 및 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 용이하게 적용하는 것이 가능하며, 그 외에도 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 응용이 가능하다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 기존의 a-Si 대신에 유기반도체 물질을 적용하는 것이 용이하여 공정이 단순화되고 특히 플랙시블 디스플레이의 제조가 매우 용이하다.

특히 본 발명에 따른 유기반도체 패턴의 형성 방법에 의하면 기존에 증착 공정의 진행시 섀도우 마스크와 기판간의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 해상도 저하의 문제, 수㎛ 두께의 섀도우 마스크를 핸들링 하는 어려움 등의 문제를 해결할 수 있게 된다.

이에 더하여, 본 발명의 방법을 적용하여 유기반도체 패턴을 형성하면, 기존의 섀도우 마스크를 이용한 증착 공정에 비하여 사이즈의 대형화가 가능하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (17)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;

   상기 게이트 전극을 포함하는 제1 기판 상에 절연막을 형성하는 단계;

   상기 절연막을 포함하는 제1 기판 상에 유기 반도체 물질을 포함하는 유기 활성층을 형성하는 단계;

   상기 유기 활성층을 포함하는 제1 기판 상에서 상기 유기 활성층을 향해, 음의 패턴 및 상기 음의 패턴 상에 점착제가 점착된 제2 기판을 압착시키는 단계;

   상기 제2 기판을 상기 제1 기판과 분리시킴으로써 상기 절연막 상에 형성된 상기 유기 활성층이 패터닝되어 유기 반도체 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 유기 반도체 패턴을 포함하는 제1 기판 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 기판이 가요성 플라스틱인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 점착제 성분과 유기반도체 물질이 부착된 제1 기판을 세정하는 단계를 더 수행하고, 이후 세정된 음의 패턴상에 점착제를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 점착제 성분은 물을 이용한 세정 공정, 아세톤을 이용한 세정 공정 및 초음파를 이용한 세정 공정을 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 공정에 의해 세정하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 제2 기판을 액상의 상기 점착제를 포함하는 용기에 디핑하는 것에 의해 상기 음의 패턴상에 점착제 성분을 부착하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 유기반도체 물질이 용해되는 용매가 없는 유기 반도체 물질(organic semiconductor)인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 유기반도체 물질이 펜타센(pentacene)인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법.
14. 청구항 7항의 제조 방법에 따른 유기 박막 트랜지스터를 포함하는 디스플레이 소자의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 디스플레이 소자가 EL(electro-luminescence) 소자, LCD(liquid crystal display) 소자 및 전기영동형 인쇄 디스플레이 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 소자의 제조 방법.
16. 삭제
17. 삭제

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