KR101106532B1 - 플라스틱 인쇄전자소자를 위한 고유전상수를 갖는 하이브리드 절연잉크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고유전상수를 갖는 세라믹과 폴리머의 복합체를 이용한 유전체 잉크제조에 관한 것으로, 세라믹 필러의 표면을 다양한 기능기를 갖는 물질로 개질시켜 폴리머 매트릭스 구조의 안정성을 높이고, 20이상의 유전율을 가지며 공정이 단순한 잉크젯, 그라비아 인쇄기법으로 상온, 대기 중에서 안정한 플라스틱 인쇄전자소자를 제작하고 소자의 성능을 월등히 향상시킬 수 있는 절연잉크 개발에 관한 것이다.

유전체 잉크, 고유전상수, 그라비아용 절연잉크, 잉크젯용 절연잉크, 유전막인쇄

Description

플라스틱 인쇄전자소자를 위한 고유전상수를 갖는 하이브리드 절연잉크{Hybrid isolation ink with high dielectric constant for plastic printed electronic device}

본 발명은 공정이 단순한 인쇄기법을 통한 높은 유전율을 가지며 필름특성이 우수한 하이브리드된 절연막을 형성하는 절연잉크 개발에 관한 것으로 구체적으로 ⅰ)표면에 고분자 중합된 나노크기의 바륨티타네이트, ⅱ)고분자 바인더, ⅲ)유기용제를 포함하는 유전체 잉크 제조용 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 바륨티타네이트 나노입자의 함량을 상분리 없이 높여 높은 유전상수를 얻도록 하는 유전체 잉크에 관한 것이다.

유전특성, 강유전성, 압전성 및 초전성 등 뛰어난 광전자물성에 기인하여 유전재료, 압전재료 및 반도성재료 등에 이용되고있는 대표적인 전자재료인 바륨티타네이트(BaTiO3)와 고분자를 가교시켜 만든 세라믹/고분자 매트릭스 구조는 바륨티타네이트의 함량이 증가할 수록 유전율은 높아지나 100이상의 유전율을 얻기 힘들고, 절연막의 유연성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 유기박막트랜지스터는 비정질 실리콘 박막트랜지스터와 비교할 때, 전하이동도가 낮고, 구동전압 및 문턱전압이 매우 높은 문제점이 있다. 따라서, Barium Strontium Titanate(BST), Ta₂O₅, Y₂O₃, TiO₂와 같은 무기금속산화물 또는 PbZr_x Ti_1-x O₃(PZT), BaMgF, Ba(Zr_1-x Ti_x)O₃(BZT), BaTiO3 등의 강유전성 절연체로 만든 화학증착, 물리증착, 스퍼터링, 졸-겔코팅 방법에 의해 제조된 유기트랜지스터의 경우 구동전압을 5V이하로 낮출 수 있다고 보고된바 있다. 이는 대부분 제조 공정이 고온을 요구하므로 다양한 소재의 기판을 사용할 수 없고, 소자제작시 단순 코팅 또는 프린팅 등의 용액공정이 어려운 문제가 있다. 유기절연막으로 폴리이미드(PI), 폴리비닐페놀(PVP), 폴리메틸메타아크릴레이트 (PMMA) 등은 무기 절연막을 대체할 정도의 소자 특성을 나타내지 못하고 있다.

최근 ,액정표시소자(LCD)뿐만 아니라 유기 EL을 이용한 플랙시블 디스플레이의 구동소자에 이르기까지 다양한 소자에서 유기박막트랜지스터(OTFT)를 이용하려는 시도가 이루어지고 있는 바, 이를 위해서는 OTFT의 전하이동도가 5㎠·V^-1·sec^-1 이상이어야하고, 구동전압 및 문턱전압이 낮아야 하며 절연막의 절연특성도 좋아야 한다. 특히, 공정의 단순화 및 비용 절감을 위해 그 제조가 플라스틱기판상의 all-printing 방식에 의해 이루어질 것이 요구되고 있다. 이러한 필요성 때문에 유기 게이트 절연막을 간단한 공정으로 수행하는 연구가 활발히 진행되고 있으나 아직까지 만족할 만한 대안이 없는 상태이다.

따라서, 박막전자소자의 성능을 향상시키고 모든 소자제작 공정을 용액공정에 의해 달성될 수 있도록 절연성이 우수한 절연잉크의 개발이 절실히 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 박막전자소자의 성능을 향상시키고 모든 소자제작 공정을 용액공정에 의해 달성될 수 있도록 절연성이 우수한 절연잉크 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 세라믹 물질로는 높은 유전율을 가지는 바륨티타네이트 나노입자와 고분자는 PMMA, EPOXY 수지 등을 이용하여 유전체 잉크를 제조하였다. 본 발명의 특징은 바륨티타네이트의 함량을 높이는데 한계가 있어 도 1에 도시한 방법으로 바륨티타네이트의 표면에 기능기를 갖는 물질을 화학적 방법을 이용하여 표면을 개질 시킨 후 모노머를 넣어 중합하여 쉽고 안전하게 고분자에 분산되도록 하는데 있다. 본 발명에서 제조된 잉크는 점도 8~100cP 정도로 잉크젯, 그라비아 인쇄용 잉크로 적합하고, 20~40정도의 유전상수를 갖는다.

본 발명에서 사용한 바륨티타네이트 나노입자는 용매에 분산시켜 Ultrasonicator와 원심분리기를 이용하여 200nm이하의 균일한 입자만 모아 나노입자의 크기를 균일하게 제어하였고, 이를 통해서 트랜지스터의 전하이동도와 밀접한 관련이 있는 나노복합체의 표면거칠기를 제어하고자 하였다.

본 발명에서는 기능기를 갖는 물질로는 바륨티타네이트 나노입자가 유기용매에 잘 분산될 수 있고, 개시제에 의해 반응이 잘가는 스티렌 또는 메틸메타크릴레 이트 화합물과 같이 이중겹합이 있는 구조로 폴리머와의 가교가 용이한 물질을 선택하였다. 3-trimethoxysilylpropylmethacrylate와 바륨티타네이트 나노입자를 70℃에서 교반함으로 인해 methacrylate계열로 표면개질된 바륨티타네이트 입자를 얻을수 있었다.

표면개질된 바륨티타네이트 입자는 도 2에 도시한 바와 같이 모노머 MMA(methyl methacrylate), 개시제와 함께 중합되면서 바륨티타네이트와 고분자가 하이브리드된 구조의 형태로 곧바로 절연잉크로 제조된다. 바륨티타네이트와 고분자의 중량비율은 8:1~1:1로 각각 용매 100중량부에 대하여 4 중량부 일때 유전율이 가장 높았다. 잉크 도포후 150℃에서 10분 열처리 후 하이브리드된 절연막을 얻을 수 있었다. 이 절연막은 필름 형성시 세라믹의 단점인 유연성을 보완하면서 동시에 유전율을 높일 수 있었다.

제조된 잉크는 metal/insulator/metal구조의 5㎜×5㎜ 면적과 20-30㎛ 두께의 캐퍼시터를 제작하여 유전상수를 구하였다. 측정장비는 Agilent E4980A LCR Meter로 측정하였다.

위에서 살표본 바와 같이, 본 발명의 유전체 잉크 제조용 조성물은 용액분산 잉크로서 잉크젯 또는 그라비아 인쇄용으로 사용가능하며, 고분자 유전체 잉크가 지닌 10 이하의 낮은 유전 상수 문제를 해결하여 유전상수 40까지 얻을 수 있을 뿐만 아니라 점도를 쉽게 조절하여 다양한 인쇄 기술에 적용이 가능하다.

이하 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위함이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

실시예 1

유기용매 에탄올 10㎖에 200㎚평균 입도 크기를 갖는 바륨티타네이트 2g을 넣어 Ultrasonic을 이용하여 분산 후 3-trimethoxysilylpropylmethacrylate 2g을 넣고 70℃에서 1시간 교반한 후, rpm 9000에서 10분간 원심분리기를 이용하여 표 면개질된 바륨티타네이트를 분리 한 후 80℃ 오븐에서 2시간 건조한다.건조된 바륨티타네이트 입자 0.4g을 N-methyl pyrrolidone(NMP) 10g에 넣고 다시 재분산 시킨 후 모노머 MMA(methyl methacrylate) 0.05g 첨가하고 개시제로서 AIBN 0.0005g을 첨가하고 온도를 60℃로 올려서 바륨티타네이트입자 표면에서 MMA가 중합되도록 한 후, 최종 혼합물에 NMP를 적당량 넣어 다양한 점도를 지닌 유전체 잉크로 사용한다.

실시예 2

실시예 1과 동일하며 단지 바륨티타네이트입자 0.25g을 사용하여 잉크를 제조하였다.

실시예 3

실시예 1과 동일하며 단지 바륨티타네이트입자 0.1g을 사용하여 잉크를 제조하였다.

실시예 4

실시예 1과 동일하며 단지 바륨티타네이트입자 0.05g을 사용하여 잉크를 제조하였다.

실시예 5

실시예 1~4에서 제조된 유전체 잉크를 잉크젯 또는 그라비아 인쇄기를 이용하여 은 전극이 인쇄된 플라스틱 기판에 인쇄한 후 150℃에서 30분간 건조 후 다시 은 잉크를 이용하여 상위전극을 인쇄하여 도 3과 같은 구조로 인쇄하여 캐패시턴스를 측정하고 하기 식을 이용하여 유전상수를 계산하여 도 4에 결과를 도시하였다.

C₀=εε₀(A/d)

(상기 식에서, A는 측정소자 면적, d는 유전체 두께, ε및 ε₀ 는 각각 유전체 및 진공의 유전상수이다.)

도 1은 바륨티타네이트의 표면개질 메카니즘을 나타낸 것이고,

도 2는 표면개질된 바륨티타네이트와 폴리머 하이브리드 메카니즘을 나타낸 것이고,

도 3은 MIM구조 캐퍼시터를 도시한 것이고,

도 4는 세라믹 필러(BaTiO3)의 함량에 따른 유전율 변화를 나타낸 그래프이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. a) 바륨티타네이트 나노입자를 3-트리메톡시실릴프로필메타크릴레이트와 교반함으로써 표면을 개질하는 단계와 상기 표면이 개질된 바륨티타네이트 나노입자및 메틸메타크릴레이트(MMA)를 8:1 ~ 1:1 중량비로 중합 반응시키는 단계;를 포함하는 유전체 잉크 조성물을 제조하는 단계;

   b) 상기 유전체 잉크 조성물을 은 전극이 형성된 기판 상에 잉크젯 또는 그라비아 인쇄하여 유전체를 형성하는 단계; 및

   c) 상기 유전체 상에 상위전극을 형성하는 단계;를 포함하여 제조된 캐퍼시터의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 a) 단계에서 제조된 유전체 잉크 조성물은 8 ~ 100cP 점도인 캐퍼시터의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 a) 단계의 바륨티타네이트 나노입자는 200nm 이하의 입자로 균일하게 제어된 것을 특징으로 하는 캐퍼시터의 제조방법.

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