KR101040320B1 - 절연막 및 절연막의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시는 유기 절연성 물질의 매트릭스와, 매트릭스 내에 위치하는, 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부 상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 포함하는 절연막을 제공한다.

Description

절연막 및 절연막의 제조 방법{DIELECTRIC FILM AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

본 개시는 절연막 및 절연막의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 유기 전자 소자가 기존의 실리콘 기반의 무기 전자 소자를 대체할 대안으로 활발히 연구되고 있다. 유기 전자 소자는 유기물이 무기물에 비해 다양한 종류의 신물질 개발에 용이하고, 물질에 따라 다양한 전도성을 가지며, 비교적 재료의 가격이 저렴하다는 등의 장점을 갖는다. 현재 응용 가능성이 점쳐지고 있는 유기 전자 소자로는 유기 전계효과 트랜지스터(OTFT), 유기 전기발광 소자, 유기 태양 전지, 유기 센서 등이 있다. 유기 전자 소자는 소재의 특성상 유연성을 확보하기가 용이하므로, 예컨대 플렉서블 디스플레이의 핵심 부품으로서 전망이 밝다.

유기 전자 소자의 제조에는 각 구성요소의 기능에 적합한 소재의 이용이 요구된다. 예컨대, 트랜지스터의 게이트 절연막 또는 캐패시터의 절연막 등으로 쓰일 수 있는 절연성 소재의 개발이 필요하다. 종래의 이산화규소(SiO₂) 게이트 절연막은 절연성은 어떤 재료와 비교하여도 우수하지만 유전율이 작고, 플라스틱 기판과 호 환성이 떨어질 뿐 아니라 고온에서 형성되기 때문에 플라스틱 기판에 적용하기에는 적합하지 않으며, 플렉서블 디스플레이에 필요한 유연성이 떨어진다.

한편, 전계 효과 트랜지스터나 캐패시터는 전하를 축적하거나 저장하는 방식으로 작동하기 때문에 절연막은 일반적으로 높은 유전상수의 물질(고-k 유전물질)로 이루어지거나 두께가 얇은 것이 유리하다. 예컨대, 트랜지스터의 경우, 게이트 절연막의 두께가 얇을수록 소스와 드레인간에 흐르는 전류가 강해진다. 그러나, 절연막의 두께가 지나치게 얇으면, 절연이 제대로 이루어지지 않아서 절연막을 통해 전하가 직접 이동하는 터널링 현상으로 누설전류가 증가하고 발열도 늘어나는 문제점이 발생한다. 고-k 유전물질로 연구되고 있는 대표적인 것은 란탄족 금속 산화물 및 티탄산바륨(BaTiO₃) 등을 들 수 있다.

종래의 SiO₂ 층을 다른 단일 물질로 대체하는 것은 절연층에 요구되는 물리적 성질, 예컨대 전기적, 광학적 및 기계적 성질 및 화학적 성질, 예컨대 열적 안정성 및 공정 처리성(processibility)을 모두 얻는 데 한계가 있다. 따라서, 원하는 정확한 물리적 성질 및 화학적 성질을 갖는 절연층을 얻기 위해 둘 이상의 물질의 복합 재료의 이용이 연구되고 있다.

본 개시는 유기 절연성 물질의 매트릭스, 및 매트릭스 내에 위치하는, 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부 상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 포함하는 절연막을 제공한다.
또한, 본 개시는 본 개시의 절연막을 게이트 절연막으로서 포함하는 반도체 소자를 제공한다.
또한, 본 개시는 본 개시의 절연막을 캐패시터 절연막으로서 포함하는 반도체 소자를 제공한다.
또한, 본 개시는 본 개시의 반도체 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 본 개시는 금속 산화물 나노입자의 표면상에서 단량체의 중합을 일으켜 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 제조하고, 유기 절연성 물질의 용액 또는 용융물과 상기 복합 나노입자를 혼합하여 혼합물을 얻고, 혼합물을 기재상에 도포한 뒤 건조하는 것을 포함하는 본 개시의 복합 나노입자를 포함하는 절연막의 제조방법을 제공한다.
전술한 요약은 이하 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용에서 더 상세하게 기술된 사항을 단순화한 형태로서 기술적 개념의 선택된 일 예를 소개하기 위해 제공된 것이다. 이러한 요약은 특허청구범위의 청구 대상의 중요 특징 또는 필수적인 특징들을 지시하는 것으로 의도된 것이 아닐 뿐만 아니라, 특허청구범위의 청구 대상의 범위를 제한하는 데 사용하도록 의도된 것이 아니다.

여기에서 개괄적으로 설명된 구성요소들이, 넓은 범위의 상이한 구성들로 배열되고 설계될 수 있음은 바로 이해될 것이다. 따라서, 본 개시사항에 따른 물질 및 방법의 실시예들에 대한 다음의 더 상세한 설명이, 청구된 바와 같은 본 개시사항의 범위를 한정하도록 의도된 것이 아니라, 단지 본 개시사항에 따른 실시예들의 몇 가지 예들을 표시하는 것일 뿐이다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 유기 절연성 물질의 매트릭스, 및 매트릭스 내에 위치하는, 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 포함하는 절연막이 제공된다. 유기 절연성 물질의 매트릭스가 절연막의 기본 구조를 형성한다.

유기 절연성 물질은 절연성을 갖는 임의의 유기 물질이 될 수 있다. 본 개시에서 '유기'라는 용어는 탄소 원자(들)의 존재를 지칭하지만, 유기 절연성 물질은 질소, 산소, 황, 규소, 할로겐 등과 같은 하나 이상의 비금속 헤테로원자를 포함할 수 있다. 본 개시에서 '절연성 물질'이란 실온에서 10¹⁰Ω·m 이상의 비저항을 갖는 물질을 의미한다.

유기 절연성 물질의 예는 폴리에스테르, 폴리비닐부티랄, 폴리아세탈, 폴리아릴레이트, 폴리아마이드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리에테르케톤, 폴리프탈아마이드, 폴리에테르니트릴, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보디이미드, 폴리실록산, 폴리메타크릴아마이드, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 폴리부텐, 폴리펜텐, 폴리비닐페놀, 폴리스티렌, 카복실화 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리(알파-메틸스티렌), 시아노에틸풀루란(CyEPL), 폴리노보넨, 폴리비닐피롤리돈, 가교 폴리비닐피롤리돈, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄, 폴리이미드, 폴리이미드아마이드, 폴리비닐카보네이트, 폴리카프로락탐, 폴리자일릴렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부텐-디엔 공중합체, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 부틸 고무, 폴리메틸펜텐, 스티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 스티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 폴리이소프렌, 또는 수소화 폴리부타디엔을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

금속 산화물은 IIA족, IIIB족, IVB족, VB족, IIB족, IIIA족, IVA족, VA족 및 란탄족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단일 금속 또는 다중 금속의 산화물일 수 있다.

금속 산화물의 구체적인 예는 Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, CeO₂, Pr₂O₃, Gd₂O₃, Ba_xSr_{1 - x}TiO₃ (BST), PbZr_xTi_{1 - x}O₃ (PZT), Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂(Ta_{1 - x}Nb_x)₂O₉ (SBT), Ba(Zr_{1 - x}Ti_x)O₃ (BZT), Pb(Sc_{1 /2- x}Ta_{1 /2+x})O_3+x, Pb(Zn_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PZN), Pb(Mg_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PMN)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

금속 산화물의 유전 상수(k)는 5 이상일 수 있다. 금속 산화물의 유전 상수가 유기 절연성 물질보다 클 경우, 복합 나노입자를 포함하는 절연막은 유기 절연성 물질로만 이루어진 절연막보다 큰 유전 상수를 갖게 된다. 따라서, 복합 나노입자를 포함하는 절연막은 유기 절연성 물질이 갖는 우수한 가공성 및 유연성과 더불어, 금속 산화물에 기인하여 높은 유전 상수라는 우수한 전기적 특성을 갖는 장점이 있다.

금속 산화물 나노입자의 직경은 TEM으로 측정시 약 5 내지 약 900 nm 범위일 수 있고, 예컨대 약 20 nm 내지 약 300 nm 또는 약 40 nm 내지 약 250 nm 범위일 수 있다. 금속 산화물의 나노입자는 가시광선에 대해 투명한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 본 개시의 중합체가 코팅된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 절연막은 투명한 층들을 필요로 하는 예컨대 플렉서블 디스플레이의 절연막으로서 이용될 수 있다. 본 개시에서, '투명'이란 가시광선을 70% 이상 투과시키는 특성을 의미한다.

중합체는 당업계에 공지된 임의의 합성 중합체가 될 수 있다. 예컨대, 중합체는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리염화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리실록산, 폴리카보네이트, 폴리노보넨 및 폴리이미드로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

중합체는 금속 산화물 나노입자의 표면의 면적의 70% 이상, 예컨대 80% 이상 또는 90% 이상에 코팅될 수 있다. 예컨대, 중합체는 금속 산화물 나노입자의 표면의 면적 전부에 코팅되어 금속 산화물 코어 및 중합체 외피를 포함하는 코어-외피 구조의 복합 나노입자를 형성할 수 있다.

또한, 금속 산화물 나노입자상의 중합체의 두께는 특별히 제한되지 않으나, TEM으로 측정시 0.5 내지 500 nm, 예컨대 5 내지 300 nm 또는 10 내지 200 nm일 수 있다.

유기 절연성 물질의 유전 상수와, 복합 나노입자 즉, 금속 산화물 및 중합체의 유전 상수를 적절히 선택함으로써, 복합 나노입자를 포함하는 절연막의 유전 상수를 조절할 수 있다. 또한, 특정 유전 상수를 갖는 유기 절연성 물질 및 복합 나노입자에 대해서도, 유기 절연성 물질에 대한 복합 나노입자의 비율을 조정함으로써 복합 나노입자를 포함하는 절연막의 유전 상수를 조절할 수 있다. 이 방식으로, 일반적으로 절연성은 뛰어나지만 유전 상수가 비교적 작은 유기 절연성 물질의 절연막의 유전 상수를 증가시키는 것이 가능하다. 예컨대, 복합 나노입자를 포함하는 절연막의 유전 상수는 유기 절연성 물질, 금속 산화물 및 중합체의 부피비에 의해 좌우될 수 있다. 복합 나노입자를 포함하는 절연막 내에서 복합 나노입자의 부피비는 0.1 내지 30%일 수 있고, 예컨대 0.1 내지 20%, 또는 0.5 내지 10%일 수 있다.

본 개시의 복합 나노입자는 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부상에 코팅된 중합체를 포함한다. 이 중합체에 기인하여, 본 개시의 복합 나노입자는 금속 산화물 나노입자와 비교하여 유기 절연성 물질과의 적합성(compatibility) 또는 혼화성(miscibility)이 뛰어나다. 그러므로, 본 개시의 복합 나노입자를 포함하는 절연막은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 절연막에 비해 물질의 일체성 또는 완전성(integrity)가 우수하여, 외부의 기계적 충격에 대해 높은 저항성을 가질 수 있다.

또한, 본 개시는 위에서 설명한 바와 같은 구성을 갖는 본 개시의 절연막을 게이트 절연막으로서 포함하는 반도체 소자를 제공한다. 본 개시의 절연막은 금속 산화물 나노입자를 그 내부의 중앙부에 포함하는 복합 나노입자를 포함하기 때문에, 게이트 절연막에 일반적으로 요구되는 높은 유전 상수를 가질 수 있다. 따라서, 본 개시의 반도체 소자의 게이트 절연막은 유기 절연성 물질 또는 SiO₂로만 이루어진 게이트 절연막의 두께보다 두껍더라도 소스와 드레인 전극 사이에 상당한(comparable) 전하 축적을 달성할 수 있으므로, 게이트 절연막 두께의 소형화에 따른 누설 전류의 위험을 감소시킬 수 있다. 본 개시의 반도체 소자에서 게이트 절연막 이외의 요소들 예컨대 기판, 게이트 전극 및 소스/드레인 전극은 당업계에 공지된 재료와 공정을 이용하여 제조할 수 있다.

본 개시의 반도체 소자가 유기 박막 트랜지스터인 경우, 그 구조는 특별히 제한되지 않고, 탑 컨택 구조, 바텀 컨택 구조 또는 탑 게이트 구조 등 임의의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 유기 박막 트랜지스터는 기판 위에 게이트 전극, 복합 나노 입자를 포함하는 게이트 절연막, 유기 반도체층, 소스 전극-드레인 전극이 차례로 적층된 구조를 가지거나, 기판 위에 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스-드레인 전극 및 유기 반도체층이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다.

여기서, 기판은 예컨대, 플라스틱 기판, 유리 기판, 석영 기판 또는 실리콘 기판이 될 수 있고, 유기 반도체층은 펜타센, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌 또는 이들의 유도체가 될 수 있고, 게이트 및 소스/드레인 전극은 금, 은, 알루미늄, 니켈, 인듐주석산화물(ITO)로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 개시는 본 개시의 절연막을 캐패시터 절연막으로서 포함하는 반도체 소자를 제공한다. 본 개시의 절연막은 금속 산화물 나노입자를 그 내부의 중앙부에 포함하는 복합 나노입자를 포함하기 때문에, 캐패시터 절연막에 일반적으로 요구되는 높은 유전 상수를 가질 수 있다. 따라서, 본 개시의 반도체 소자의 캐패시터 절연막은 유기 절연성 물질 또는 SiO₂로만 이루어진 캐패시터 절연막의 두께보다 두껍더라도 상당한(comparable) 충전 용량을 달성할 수 있으므로, 캐패시터 절연막 두께의 소형화에 따른 누설 전류의 위험을 감소시킬 수 있다. 본 개시의 반도체 소자에서 캐패시터 절연막 이외의 요소들 예컨대 캐패시터 전극은 당업계에 공지된 재료와 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 예컨대, 캐패시터 전극은 알루미늄, 탄탈륨, 은, 금, 백금, 팔라듐 또는 이들의 산화물로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 개시는 전술한 바와 같은 반도체 소자를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 본 개시의 디스플레이 장치에서 본 개시의 반도체 소자 이외의 요소들은 당업계에 공지된 재료와 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 예컨대, 기판 전사 법을 이용하여 디스플레이 장치를 제조하는 경우, 기판 상에 본 개시의 일 실시예에 따라 형성된 반도체 소자를 이용하여 절연층을 형성한다. 이어서, 이 절연층 상에 표시 소자를 형성하고, 표시 소자 상에 임시 기판을 부착한다. 다음으로, 기판 및 절연층을 제거하고, 플렉서블 기판을 부착한 뒤, 임시 기판을 제거하여 본 개시의 디스플레이 장치를 제조할 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 복합 나노입자를 포함하는 절연막은, 금속 산화물 나노입자의 표면 상에서 단량체의 중합을 일으켜 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부 상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 제조하고, 절연성 물질의 용액 또는 용융물과 복합 나노입자를 혼합하여 혼합물을 얻고, 이 혼합물을 기재 상에 도포한 뒤 건조하는 것을 포함하여 제조할 수 있다.

금속 산화물 나노입자는 상업적 제조업자들로부터 입수가능하다. 상업적 금속 산화물 나노입자의 예는 미국 텍사스주 휴스턴의 Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.의 Al₂O₃, Bi₂O₃, CeO₂, Dy₂O₃, Er₂O₃, Eu₂O₃, Gd₂O₃, HfO₂, In₂O₃, La₂O₃, Nb₂O₅, Nd₂O₃, Pr₆O₁₁, Sm₂O₃, Ta₂O₅, Tb₄O₇, TiO₂, V₂O₃, V₂O₅, Y₂O₃, ZrO₂, BaTiO₃, SrTiO₃ 나노입자, 미국 유타주 솔트레이크 시티의 Nano-Oxides, Inc.의 CeO₂, TiO₂, BaTiO₃ 나노입자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

대안적으로, 금속 산화물 나노입자를 직접 제조할 수도 있다. 금속 산화물 나노입자는 당업자에게 공지된 방법으로 제조할 수 있다. 금속 산화물 나노입자는 예컨대 고상 반응(혼합 산화물 방법, 기계화학적(mechanochemical) 방법), 액상 반 응 (열수 반응, 졸-겔법, 침전 반응, 유화 반응), 또는 기상 반응(에어로졸 열분해, 플라즈마 원자화, 기상 증착, 분무 열분해)을 이용하여 제조할 수 있다.

금속 산화물 나노입자의 액상 합성법에서는 계면활성제를 이용할 수 있다. 계면활성제를 이용하면, 생성되는 나노입자의 크기 및 형상이 단분산성(monodispersity)를 가지게 된다. 따라서, 복합 나노입자를 포함하는 절연막의 최종 생성물이 신뢰성있고 일관성있는 전기적 및 기계적 특성을 보유하게 된다. 이용할 수 있는 계면활성제는 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 임의의 계면활성제가 될 수 있다. 계면활성제는 예컨대 음이온성 계면활성제(예컨대, 지방산염, 알킬술폰산 에스테르염, 알킬벤젠 술포네이트, 알킬나프탈렌 술포네이트, 디알킬술포숙시네이트, 알킬인산 에스테르염, 나프탈렌술폰산-포르말린 축합물, 폴리옥시에틸렌 알킬황산 에스테르염 등), 양이온성 계면활성제(예컨대, 지방아민염, 4급 암모늄염, 알킬피리디늄염 등), 비이온성 계면활성제(예컨대, 폴리옥시에틸렌 알킬에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬알릴에테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 알킬아민, 글리세린 지방산 에스테르, 옥시에틸렌-옥시프로필렌 블럭 공중합체, 아세틸렌계 폴리옥시에틸렌옥사이드 등), 아미노산형, 베타인형 등의 양성 계면활성제, 불소계 화합물, 규소계 화합물을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.

졸-겔법에서는 예컨대, 금속 염화물 또는 금속 질산염과 같은 금속 염 수용액에 암모니아수를 첨가하여 금속 염의 가수분해 및 축합을 일으켜 겔 상태의 입자를 얻고, 이를 건조 및 하소 또는 소결하여 금속 산화물 나노입자를 생성한다. 금 속 산화물 나노입자의 제조방법으로서 이용할 수 있는 다른 한 방법은 Pechini 공정이다. 이 공정에서는, 먼저 금속 염의 수용액을 시트르산과 같은 알파-히드록시카복실산과 혼합하여 금속 킬레이트물을 만든다. 다음으로, 이 킬레이트물을 에틸렌 글리콜과 같은 다가 알코올과 반응시켜 에스테르화 반응에 의하여 금속 주위의 가교된 그물망을 얻는다. 이를 건조 및 가열하면 유기물의 분해에 의해 금속 산화물 나노입자가 얻어진다. 이는 예컨대 다중금속 산화물의 나노입자 제조에 이용할 수 있다. 금속 산화물 나노입자 제조방법으로는, 예컨대, 금속 염 용액과 중탄산암모늄을 혼합하여 금속 수산화물을 포함하는 혼합물을 얻고, 이를 가열하여 금속 산화물 나노입자를 생성하는 방법도 있다.

전술한 바와 같이, 중합체는 당업계에 공지된 임의의 합성 중합체가 될 수 있다. 예컨대, 중합체는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리염화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리실록산, 폴리카보네이트, 폴리노보넨 및 폴리이미드로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 각 중합체의 제조를 위한 단량체의 선택 및 반응 조건은 당업자에게 널리 공지되어 있으며, 예컨대 D. Braun et al., “Polymer Synthesis: Theory and Practice”, 4th ed., Springer-Verlag, 2005 또는 Malcolm P. Stevens, “Polymer Chemistry: An Introduction”, 3rd ed., Oxford University Press, 1999를 참조할 수 있다.

단량체의 공급원으로서, 액체 상태의 벌크 단량체, 단량체 용액 또는 용융물 을 이용할 수 있다. 단량체 용액을 만들기 위한 용매는 단량체의 종류에 따라 당업자가 적절히 선택할 수 있고, 물 또는 통상의 유기 용매를 이용할 수 있다.

금속 산화물 나노입자 표면 상에서의 단량체의 중합은 라디칼 중합, 축합 중합, 음이온 중합, 양이온 중합, 개환 중합(ring-opening polymerization) 또는 개환 복분해 중합(ring-opening metathesis polymerization: ROMP) 등을 이용할 수 있다.

그리고 단량체의 중합 시에, 중합 반응의 개시를 위한 개시제를 이용할 수 있다. 개시제를 이용하는 경우, 단량체의 중합은, 1) 금속 산화물 나노입자와 단량체 용액 또는 용융물을 혼합한 뒤 개시제를 투입하는 방법, 또는 2) 금속 산화물 나노입자와 개시제를 반응시켜 금속 산화물 나노입자-개시제 접합체를 먼저 얻고, 이 접합체가 일종의 "거대개시제"(macroinitiator)로서 작용하도록 단량체를 투입하는 방법 중 어느 것이나 이용할 수 있다. 개시제의 선택은 이용할 중합 방법 및 중합할 단량체의 종류에 좌우된다.

개시제는 단량체 1 mol당 0.01 내지 100 mmol의 함량으로 사용할 수 있으며, 예컨대 0.01 내지 10 mmol, 예컨대 0.01 내지 1 mmol의 함량으로 사용할 수 있다. 개시제의 함량이 0.01 mmol 미만인 경우에는 개시 반응이 신속히 일어나지 못하며, 100 mmol을 초과하는 경우에는 충분한 분자량 및 중합도의 중합체가 생성되지 않는다.

라디칼 중합을 위한 개시제는 퍼옥사이드계 화합물 (예컨대 알카노일, 아로일, 알카로일 및 아랄카노일 다이퍼옥사이드 및 모노하이드로퍼옥사이드), 아조 화 합물, 퍼옥시에스테르, 퍼카보네이트, 퍼설페이트 및 산화 환원계, (예컨대 과산화수소 또는 상기 언급한 퍼옥사이드계 화합물과 철(II) 이온 및 알코올과 세륨(IV) 이온)을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

음이온 중합을 위한 개시제는 금속 아미드 (예컨대 KNH₂), 금속 알킬 (예컨대 n-부틸리튬 및 트리페닐메틸나트륨) 및 그리냐드 시약 (예컨대 알킬 마그네슘 브로마이드를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

양이온 중합을 위한 개시제는 예컨대 브뢴스테드 산 (예컨대 염산, 황산 및 과염소산), 루이스 산 (예컨대 BF₃, AlCl₃, TiCl₄, SnCl₄ 및 ZnCl₂), 또는 카보늄 이온 (예컨대 (C₆H₅)₃C⁺X^- 및 C₇H₇ ⁺X^-(식 중, X^-는 ClO₄ ^-, SbCl₆ ^- 또는 PF₆ ^-))을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

개환 중합을 위한 개시제는 음이온 개환 중합을 위한 개시제로서 염기 예컨대 알칼리 금속 수산화물 및 알콕사이드 및 양이온 개환 중합을 위한 개시제로서 상기 언급한 양이온 중합을 위한 개시제를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

개환 복분해 중합을 위한 개시제는 예컨대 그럽스(Grubbs) 촉매 즉 벤질리덴-비스(트리사이클로헥실포스핀)다이클로로루테늄 또는 벤질리덴[1,3- 비스(2,4,6-트리메틸페닐)-2-이미다졸리디닐리덴] 다이클로로(트리사이클로헥실포스핀)루테늄, 또는 슈록(Schrock) 촉매 즉 (R"O)₂(R'N)Mo(CHR) (식 중, R은 tert-부틸, R'은 2,6- 다이아이소프로필페닐, 그리고 R"은 C(CH₃)(CF₃)₂임)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

중합 과정을 거쳐 제조된 나노 복합입자와 혼합되는 유기 절연성 물질의 용액을 위한 용매는 각 유기 절연성 물질의 용해를 위해 당업자가 적절히 선택할 수 있다. 용매는 예컨대 헥산 등의 지방족 탄화수소; 아니솔, 메시틸렌, 자일렌 등의 방향족 탄화수소; 메틸이소부틸케톤, 1-메틸-2-피롤리디논, 아세톤 등의 케톤류; 시클로헥산온, 테트라하이드로퓨란, 이소프로필 에테르 등의 에테르류; 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 등의 아세테이트류; 이소프로필 알코올, 부틸 알코올 등의 알코올류; 다이메틸아세트아미드, 다이메틸포름아마이드 등의 아마이드류; 실리콘계 용매 또는 이들의 혼합물이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 유기 절연성 물질의 용융물을 복합 나노입자와 혼합할 수도 있다.

이러한 유기 절연성 물질의 용액 또는 용융물과 복합 나노입자의 혼합은, 예컨대 초음파 처리를 이용하여 이루어질 수 있다. 초음파 처리에 의해, 복합 나노입자의 응집이 억제되고, 복합 나노입자와 유기 절연성 물질의 긴밀한 혼합이 가능하다.

유기 절연성 물질과 복합 나노입자의 혼합물을 기재 상에 도포 및 건조하여 본 개시의 절연막을 얻는다. 혼합물을 기재 상에 도포하는 방법으로는 스핀 코팅, 딥 코팅, 롤 코팅, 스크린 코팅, 분무 코팅, 스핀 캐스팅, 흐름 코팅, 스크린 인 쇄, 잉크젯 또는 드롭 캐스팅 등의 코팅 방법을 사용할 수 있다. 편의성 및 균일성의 측면에서 스핀 코팅 또는 프린팅 공정이 전형적으로 이용될 수 있다. 스핀 코팅의 경우, 스핀 속도는 400 내지 5000 rpm, 예컨대 500 내지 4000 rpm 또는 1000 내지 3000 rpm의 범위 내에서 조절할 수 있다. 건조는 예컨대 80 내지 200℃ 또는 100℃ 내지 180℃의 온도에서 12 내지 40시간, 예컨대 18시간 내지 30시간 동안 혼합물이 도포된 기재를 가열하여 이루어질 수 있다.

기재는 임의의 재료가 될 수 있다. 예컨대, 유기 반도체 소자의 기판, 전극 등의 요소의 재료로 쓰이는 유리, 플라스틱, 금속 또는 금속 산화물 또는 산화규소 또는 질화규소 등의 규소 화합물 등이 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

실시예

본 개시는 이하 실시예에 의해 더 자세히 설명되지만, 이는 본 개시의 예증을 위한 것일 뿐이며 본 개시의 범위가 어떠한 목적으로든 본 실시예에 의해 제한되어서는 아니된다.

실험예 1 : 복합 나노입자의 제조

소듐 도데실 설페이트 0.1 g 및 메타크릴산 0.5 g의 수용액(200 mL)에 BaTiO₃ 나노입자(평균 직경: 30 nm, 미국 텍사스주 휴스턴의 Nanostructured & Amorphous Materials, Inc.사 제조) 0.3 g을 첨가하고 상온에서 교반한다. 혼합물에 K₂S₂O₈ 0.05 g을 첨가하고 70℃에서 5시간 동안 더 교반하여 중합을 일으킨다. 혼합물을 원심분리하고 헥산으로 세척 후 건조하여 복합 나노입자를 얻는다.

실험예 2 : 절연막 형성용 조성물의 제조

나일론 6의 2,2,2-트리클로로에탄올 2 중량% 용액 100 mL를 준비한다. 이 용액에 실시예 1의 복합 나노입자를 첨가하고 상온에서 1시간 동안 교반하여 절연막 형성용 조성물을 얻는다.

실험예 3 : 유기 박막 트랜지스터의 제조

폴리카보네이트 기판 상에 게이트 전극으로 사용되는 알루미늄을 스퍼터링법으로 1000 Å 두께로 증착한다. 이 기판 상에 실시예 2의 절연막 형성용 조성물을 3000 rpm으로 스핀코팅하고 1시간 동안 100℃에서 열처리하여 두께 10 nm의 절연막을 형성한다. 절연막 상에 펜타센의 클로로벤젠 용액을 코팅한 후, 1시간 동안 100℃에서 열처리하여 유기 반도체층을 형성한다. 유기 반도체층상에 금을 진공증착법으로 새도우 마스크를 이용하여 증착하여 소스 드레인 전극을 형성하여 유기 박막 트랜지스터를 제조한다.

상기 사항들로부터, 본 개시 사항의 특정 실시예들이 여기에서 예시의 목적으로 설명되었고, 본 개시 사항의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 다양한 변경들이 행해질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 설명된 실시예들은 모든 점에서 예시적인 것으로서, 그리고 제한적이지 않은 것으로서, 고려된다. 그러므로, 본 개시 사항의 범위는, 상기 설명에 의해서가 아니라, 첨부된 청구항들에 의해서만 지정된다. 첨부된 청구항들의 균등의 의미와 범위 내의 모든 변형들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함될 수 있다.

Claims (19)

1. 유기 절연성 물질의 매트릭스; 및

   상기 매트릭스 내에 위치하는, 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부 상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 포함하고,

   상기 중합체는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리염화비닐리덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리노보넨 및 폴리이미드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 절연막.
2. 제1항에 있어서, 유기 절연성 물질은 폴리에스테르, 폴리비닐부티랄, 폴리아세탈, 폴리아릴레이트, 폴리아마이드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리에테르케톤, 폴리프탈아마이드, 폴리에테르니트릴, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보디이미드, 폴리실록산, 폴리메타크릴아마이드, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 폴리부텐, 폴리펜텐, 폴리비닐페놀, 폴리스티렌, 카복실화 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리(알파-메틸스티렌), 시아노에틸풀루란(CyEPL), 폴리노보넨, 폴리비닐피롤리돈, 가교 폴리비닐피롤리돈, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄, 폴리이미드, 폴리이미드아마이드, 폴리비닐카보네이트, 폴리카프로락탐, 폴리자일릴렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부텐-디엔 공중합체, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 부틸 고무, 폴리메틸펜텐, 스티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 수티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 폴리이소프렌, 수소화 폴리부타디엔으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 절연막.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 산화물은 IIA족, IIIB족, IVB족, VB족, IIB족, IIIA족, IVA족, VA족 및 란탄족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단일 금속 또는 다중 금속의 산화물인 절연막.
4. 제3항에 있어서, 금속 산화물은 Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, CeO₂, Pr₂O₃, Gd₂O₃, Ba_xSr_{1 - x}TiO₃ (BST), PbZr_xTi_{1 - x}O₃ (PZT), Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂(Ta_{1 - x}Nb_x)₂O₉ (SBT), Ba(Zr_{1 - x}Ti_x)O₃ (BZT), Pb(Sc_{1 /2- x}Ta_{1 /2+x})O_3+x, Pb(Zn_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PZN), Pb(Mg_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PMN)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 절연막.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 산화물의 유전 상수(k)는 5 이상인 절연막.
6. 삭제
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중합체는 금속 산화물 나노입자의 표면의 면적의 70% 이상에 코팅되는 절연막.
8. 제1항 또는 제2항의 절연막을 게이트 절연막으로서 포함하는 반도체 소자.
9. 제1항 또는 제2항의 절연막을 캐패시터 절연막으로서 포함하는 반도체 소자.
10. 제8항의 반도체 소자를 포함하는 디스플레이 장치.
11. 제9항의 반도체 소자를 포함하는 디스플레이 장치.
12. 금속 산화물 나노입자의 표면 상에서 단량체의 중합을 일으켜 상기 금속 산화물 나노입자의 표면의 적어도 일부 상에 코팅된 중합체를 포함하는 복합 나노입자를 제조하는 단계;

    유기 절연성 물질의 용액 또는 용융물과 상기 복합 나노입자를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계;

    상기 혼합물을 도포한 뒤 건조하는 단계를

    포함하는 청구항 1 기재의 절연막의 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 유기 절연성 물질은 폴리에스테르, 폴리비닐부티랄, 폴리아세탈, 폴리아릴레이트, 폴리아마이드, 폴리아마이드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르설폰, 폴리에테르케톤, 폴리프탈아마이드, 폴리에테르니트릴, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보디이미드, 폴리실록산, 폴리메타크릴아마이드, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 폴리부텐, 폴리펜텐, 폴리비닐페놀, 폴리스티렌, 카복실화 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리(알파-메틸스티렌), 시아노에틸풀루란(CyEPL), 폴리노보넨, 폴리비닐피롤리돈, 가교 폴리비닐피롤리돈, 벤조사이클로부텐(BCB), 퍼플루오로사이클로부탄, 폴리이미드, 폴리이미드아마이드, 폴리비닐카보네이트, 폴리카프로락탐, 폴리자일릴렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부텐-디엔 공중합체, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 부틸 고무, 폴리메틸펜텐, 스티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 스티렌-부타디엔 공중합체, 수소화 폴리이소프렌, 수소화 폴리부타디엔으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 금속 산화물은 IIA족, IIIB족, IVB족, VB족, IIB족, IIIA족, IVA족, VA족 및 란탄족으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 단일 금속 또는 다중 금속의 산화물인 방법.
15. 제14항에 있어서, 금속 산화물은 Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, CeO₂, Pr₂O₃, Gd₂O₃, Ba_xSr_{1 - x}TiO₃ (BST), PbZr_xTi_{1 - x}O₃ (PZT), Bi₄Ti₃O₁₂, SrBi₂(Ta_{1 - x}Nb_x)₂O₉ (SBT), Ba(Zr_{1 - x}Ti_x)O₃ (BZT), Pb(Sc_{1 /2- x}Ta_{1 /2+x})O_3+x, Pb(Zn_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PZN), Pb(Mg_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃ (PMN)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 방법.
16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 금속 산화물의 유전 상수(k)는 5 이상인 방법.
17. 삭제
18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 유기 절연성 물질의 용액 또는 용융물과 복합 나노입자를 혼합하는 단계는 초음파 처리를 이용하여 이루어지는 방법.
19. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 혼합물을 기재상에 도포하는 단계는 스 핀 캐스팅에 의해 이루어지는 방법.