KR101200582B1 - Manufacturing method for OTFT using corona discharge - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 반도체/고분자의 복합박막의 제조방법과, 상기 복합박막의 제조방법을 적용하여 유기박막트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 기술이다. 본 발명에서는 코로나방전을 이용하여 유기 반도체와 고분자가 수직 상분리를 일으키며, 이 과정에서 유기 반도체의 바람직한 결정성장이 이루어지며, 박막의 표면이 균일하게 성장하여 유기박막트랜지스터의 반도체층으로서 소자 성능을 높일 수 있다. 상기 유기 반도체의 대표적인 예로 TIPS-PEN, 올리고티오펜 등을 적용할 수 있다.The present invention relates to a method of manufacturing an organic semiconductor / polymer composite thin film and a method of manufacturing an organic thin film transistor by applying the method of manufacturing the composite thin film. In the present invention, the organic semiconductor and the polymer are subjected to vertical phase separation using corona discharge, and in this process, desirable crystal growth of the organic semiconductor is achieved, and the surface of the thin film is uniformly grown to improve device performance as a semiconductor layer of the organic thin film transistor. Can be. As a representative example of the organic semiconductor, TIPS-PEN, oligothiophene, or the like may be applied.

Description

코로나 방전을 이용한 유기박막트랜지스터의 제조방법{Manufacturing method for OTFT using corona discharge} Manufacturing method of organic thin film transistor using corona discharge {Manufacturing method for OTFT using corona discharge}

본 발명은 유기박막트랜지스터의 제조방법에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 유기박막트랜지스터의 반도체층으로 사용되는 TIPS-PEN과 올리고티오펜과 같은 유기 용매에 용해되는 유기 반도체와 바인더 역할을 하는 고분자를 포함하는 복합박막을 제조하는 방법에 있어서, 박막의 표면이 균일하고, 전기적 물성이 우수하도록 제조할 수 있는 방법에 관한 기술이다.
The present invention relates to a method for manufacturing an organic thin film transistor, and more particularly, an organic semiconductor dissolved in an organic solvent such as TIPS-PEN and oligothiophene used as a semiconductor layer of an organic thin film transistor, and a polymer serving as a binder. In the method for producing a composite thin film containing, it is a technique of a method that can be produced so that the surface of the thin film is uniform, and excellent electrical properties.

본 발명은 유기박막트랜지스터의 반도체층으로 사용되며, 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체, 특히, 결정성 유기 반도체, 예를 들어, TIPS-PEN, 올리고티오펜 등에 바인더 고분자를 더 포함하는 박막에 관한 기술이다.
The present invention is used as a semiconductor layer of an organic thin film transistor, a technique related to a thin film further comprising a binder polymer, such as an organic semiconductor, in particular, crystalline organic semiconductor, for example, TIPS-PEN, oligothiophene, soluble in an organic solvent to be.

유기박막트랜지스터(OTFT, Organic Thin Film Transistor)는 차세대 디스플레이장치의 구동소자로서 각광을 받고 있다. 유기박막트랜지스터는 반도체 활성층으로 종래 실리콘막 대신에 유기막을 사용하는 것으로서, 유기막의 재료는 올리고티오펜(oligothiophene), 펜타센(phentacene) 등과 같은 저분자 유기물 박막 트랜지스터와, 폴리티오펜(polythiophene)과 같은 고분자 유기물 박막 트랜지스터로 분류된다.
Organic thin film transistors (OTFTs) are in the spotlight as driving devices of next generation display devices. The organic thin film transistor uses an organic film instead of a conventional silicon film as a semiconductor active layer, and the material of the organic film is a low molecular organic thin film transistor such as oligothiophene, penttacene, or polythiophene. It is classified as a polymer organic thin film transistor.

상기 저분자 유기물 반도체 활성층 중 펜타센은 분자 전체가 π공액계의 평면적인 구조이므로, 유기용매에 대한 용해성이 현저하게 낮아, 진공증착을 사용하여 제막된다. 펜타센에 알킬기 등의 가용성 부위를 도입하면 가용화가 가능하나, 액정성 분자가 되기 쉽기 때문에 저분자의 결정성박막에 비하여 트랜지스터 성능이 낮다. 상기 결점을 보완하기 위해 저분자 반도체에 도입되는 가용성기의 위치와 종류를 선택하여 박막 중의 분자배열을 제어하는 방법으로 우수한 특성의 박막 트랜지스터가 다수 발견되고 있다. 대표적인 사례로 펜타센의 경우, 이소프로필실릴기를 도입하여 가용화시킨 TIPS-PEN(triisopropylsilylethynyl pentacene, 이하 "TIPS-PEN"이라 약칭함)은 용해도 및 전계효과이동도가 증가하는 것으로 보고되고 있다. 또한, 올리고티오펜은 유기용매에 용해되어 용액공정을 통해 제막화가 가능하다. 상기 TIPS-PEN, 올리고티오펜과 같이 유기용매에 용해 가능한 유기 반도체는 주로 결정성을 갖는다.
Pentacene in the low-molecular organic semiconductor active layer has a π-conjugated planar structure in its entirety, so that its solubility in organic solvents is remarkably low, and is formed using vacuum deposition. Solubilization is possible by introducing a soluble moiety such as an alkyl group into pentacene, but the transistor performance is lower than that of a low molecular crystalline thin film because it is likely to be a liquid crystalline molecule. In order to compensate for the above drawbacks, many thin film transistors having excellent characteristics have been found in a method of controlling the arrangement of molecules in a thin film by selecting a position and a type of a soluble group introduced into a low molecular semiconductor. For example, in the case of pentacene, TIPS-PEN (triisopropylsilylethynyl pentacene, hereinafter abbreviated as "TIPS-PEN") solubilized by introducing isopropylsilyl group has been reported to increase solubility and field effect mobility. In addition, the oligothiophene is dissolved in an organic solvent can be formed into a film through a solution process. Organic semiconductors soluble in organic solvents such as TIPS-PEN and oligothiophene have mainly crystallinity.

유기 용매에 용해 가능한 TIPS-PEN, 올리고티오펜 등은 스핀 캐스팅, 잉크젯 프린팅, 드롭 코팅 또는 스트립 캐스팅 등의 용액 공정 후, 상대적으로 저온에서 용매의 증발에 의하여 박막을 제조할 수 있는 상업화 공정을 통하여 유기박막트랜지스터의 반도체 활성층으로 적용할 수 있다. 그러나 용매가 증발함에 따라 용액의 어느 농도에서는 TIPS-PEN이 강하게 결정화되어, 크기가 매우 다양한 큰 결정 도메인들을 형성시켜, 트랜지스터에 안정적으로 사용할 수 없는 거친 표면을 갖는다. 그러나 게이트절연체와 접촉하는 반도체의 처음 수 분자층에 형성된 전도성 채널에 의해 유기박막트랜지스터의 성능이 크게 의존하는 것을 고려하면, 유기 박막 반도체와 게이트 절연체 사이의 균일한 접촉 계면을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
TIPS-PEN and oligothiophene, which are soluble in organic solvents, can be manufactured by thin film production by evaporation of solvent at relatively low temperature after solution process such as spin casting, inkjet printing, drop coating or strip casting. It can be applied as a semiconductor active layer of an organic thin film transistor. However, as the solvent evaporates, at some concentration of the solution, TIPS-PEN crystallizes strongly, forming large crystal domains of varying sizes, with rough surfaces that cannot be used stably in transistors. However, considering that the performance of the organic thin film transistor is largely dependent on the conductive channel formed in the first few molecular layers of the semiconductor in contact with the gate insulator, it is desirable to have a uniform contact interface between the organic thin film semiconductor and the gate insulator.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래 기술에서는 용매를 조절하거나, 기판 표면의 개질을 통하여 박막 제조시 TIPS-PEN의 결정성장을 제어하는 방법을 사용하기도 하였으나, 만족할 만한 결과를 얻지는 못하였다. 또한, TIPS-PEN 박막이 외부 환경에 노출되면, 주변 환경(습도, 산소 등)에 전기적 특성이 변하므로, 보호 역할을 할 수 있는 보호층이 별도로 필요하였다.
In order to solve this problem, in the prior art, a method of controlling crystal growth of TIPS-PEN during thin film manufacturing by adjusting a solvent or modifying a substrate surface was used, but satisfactory results were not obtained. In addition, when the TIPS-PEN thin film is exposed to the external environment, the electrical properties of the surrounding environment (humidity, oxygen, etc.) are changed, so a protective layer that can play a protective role is required separately.

상기의 용액공정에서의 결정성장의 불균일로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위하여, TIPS-PEN과 함께 용매에 혼합될 수 있는 고분자 바인더를 사용하는 기술이 제안되었으며, 이 방법을 통해 대면적에 걸쳐 안정적이며 균일한 소자 성능을 보일 수 있도록 균일한 TIPS-PEN/고분자 박막을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 고분자의 사용으로 인하여 TIPS-PEN을 적게 사용할 수 있어, 제조 비용을 절감할 수 있다. TIPS-PEN과 혼합되는 고분자는 TIPS-PEN 반도체층에 대한 산소와 수증기의 직접적인 접촉을 크게 줄여, 소자의 작동 환경에 대한 안정성을 향상시킨다.
In order to solve the problem of deterioration of performance due to uneven growth of the crystal in the solution process, a technique using a polymer binder that can be mixed with a solvent with TIPS-PEN has been proposed and stable over a large area through this method. In addition to producing uniform TIPS-PEN / polymer thin film to show uniform device performance, the use of polymers can reduce TIPS-PEN, thereby reducing manufacturing costs. The polymer blended with TIPS-PEN significantly reduces the direct contact of oxygen and water vapor to the TIPS-PEN semiconductor layer, improving the stability of the device's operating environment.

예를 들어, T.D. Anthopoulos 등의 최근 연구에서는 TIPS-PEN/PαMS의 스핀코팅에 의해 제조된 복합박막을 반도체층으로 하여 유기박막트랜지스터를 제조하였다. 상기 방법을 통해 TIPS-PEN/PαMS 용액이 기판에 캐스팅된 후 약 100℃에서 15분 동안 열적 어닐링된 경우, 바텀게이트 유기박막트랜지스터 및 탑게이트형 유기박막트랜지스터에서 전계효과이동도가 각각 0.1 cm2/Vs과 0.5 cm2/Vs였다. 하지만, 여전히 대부분의 연구에서는 수백 나노미터 이하의 두께를 갖는 TIPS-PEN/고분자 복합박막은 안정적인 소자 성능을 보이는 반도체층으로 유기박막트랜지스터에 사용되지 못하고 있다.
For example, in a recent study by TD Anthopoulos et al., An organic thin film transistor was manufactured using a composite thin film prepared by spin coating of TIPS-PEN / PαMS as a semiconductor layer. When the TIPS-PEN / PαMS solution is thermally annealed at about 100 ° C. for 15 minutes after being cast on the substrate through the above method, the field effect mobility is 0.1 cm 2 in the bottom gate organic thin film transistor and the top gate organic thin film transistor, respectively. / Vs and 0.5 cm 2 / Vs. However, in most studies, TIPS-PEN / polymer composite thin films with thicknesses of several hundred nanometers or less are not used in organic thin film transistors as semiconductor layers showing stable device performance.

또한, 유기 반도체물질 P3HT와 고분자 PMMA의 혼합용액을 제막화하여, P3HT와 PMMA가 기판에 수직으로 상분리되어, 반도체 P3HT층 위에 PMMA가 보호층으로 오게 한 연구 결과가 발표되기도 하였다. 한편, 대한민국특허공개 제10-2010-70749호에서는 유기반도체(P3HT, PQT-12 등)와 절연성 고분자(PS, PMMA 등)가 용해된 용액의 용해도를 저하시켜 유기 반도체가 상호 연결되도록 분산된 고분자 박막을 유기박막트랜지스터의 반도체층으로 형성하는 방법에 대하여 개시하고 있다.
In addition, research results have been published in which a mixed solution of the organic semiconductor material P3HT and the polymer PMMA is formed into a film, whereby P3HT and PMMA are phase-separated perpendicularly to the substrate, so that PMMA is a protective layer on the semiconductor P3HT layer. Meanwhile, Korean Patent Publication No. 10-2010-70749 discloses polymers dispersed to interconnect organic semiconductors by reducing solubility of a solution in which organic semiconductors (P3HT, PQT-12, etc.) and insulating polymers (PS, PMMA, etc.) are dissolved. A method of forming a thin film from a semiconductor layer of an organic thin film transistor is disclosed.

상기와 같이 바인더 고분자를 유기 반도체 물질과 혼합하여 혼합박막을 만드는 경우, 유기 반도체물질과 절연성 고분자 물질 사이에 수직으로 상분리가 일어나며, 이러한 수직의 상분리가 일어나는 동안 유기반도체 물질이 절연층에 대하여 바람직하게 결정성장하여 적은 함량으로도 전하가 이동할 수 있는 통로를 유지하며, 이동도 및 점멸비 등의 전기적 물성이 증가할 뿐만 아니라, 유기 반도체 층 위로 상승한 절연체 고분자층으로 인하여 외부 환경 요인으로부터 보호층의 효과도 얻을 수 있다. 따라서, 여러 연구 그룹에서 유기 반도체 물질과 적절한 바인더 고분자를 혼합한 혼합 용액을 사용하여 박막화를 진행하는 동안 수직으로 상분리를 일으키려는 연구를 진행하고 있다. 그러나 이러한 수직 상분리를 시키는 데는 용매증발속도, 기판의 계면에너지 등이 영향을 미치기 때문에 기판에 수직방향으로 상분리를 시키는 데는 많은 제약이 있다. 또한, 고분자 복합 용액에서 수직방향으로 상분리가 일어나는 힘과 더불어, 수평방향으로 상분리가 일어는 힘이 동시에 존재하므로 대면적으로 균일하게 수직방향 상분리를 일으키는 것이 어려웠다.
As described above, when the binder polymer is mixed with the organic semiconductor material to form a mixed thin film, phase separation occurs vertically between the organic semiconductor material and the insulating polymer material, and the organic semiconductor material is preferably used for the insulating layer during the vertical phase separation. It maintains a path through which crystals can move due to crystal growth, and increases electrical properties such as mobility and flashing ratio, as well as the effect of a protective layer from external environmental factors due to an insulator polymer layer that rises above the organic semiconductor layer. Can also be obtained. Therefore, several research groups are using a mixed solution of an organic semiconductor material and an appropriate binder polymer to conduct vertical phase separation during thinning. However, there are many limitations to the phase separation in the vertical direction to the substrate because the solvent evaporation rate, the interfacial energy of the substrate affects the vertical phase separation. In addition, in the polymer composite solution, in addition to the force in which the phase separation occurs in the vertical direction at the same time, it is difficult to cause the vertical phase separation uniformly in a large area because there is a force that occurs in the horizontal direction.

본 발명의 목적은 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체와 고분자의 혼합용액을 박막화하는 방법에 있어서, 유기반도체의 바람직한 결정성장의 제어가 가능하도록 하는 유기반도체/고분자 복합박막의 신규한 제조방법을 제공하는 데 있다. 특히 제막시 유기반도체과 바인더 역할을 하는 고분자의 수직 상분리가 일어나며, 박막의 표면이 균일하게 형성되도록 하는 기술을 제공하는 데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel method for producing an organic semiconductor / polymer composite thin film in which a method for thinning a mixed solution of an organic semiconductor and a polymer that can be dissolved in an organic solvent enables control of desirable crystal growth of an organic semiconductor. There is. In particular, the vertical phase separation of the organic semiconductor and the polymer acting as a binder occurs during the film forming, and to provide a technology for forming a uniform surface of the thin film.

또한, 본 발명의 다른 목적은 유기 반도체룰 사용하는 유기박막트랜지스터에 있어서, 유기 반도체의 결정성장을 바람직하게 제어하여, 절연층과 매우 균일한 계면을 형성하여, 유기박막트랜지스터의 성능을 개선할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
In addition, another object of the present invention is to improve the performance of an organic thin film transistor in an organic thin film transistor using an organic semiconductor, preferably by controlling the crystal growth of the organic semiconductor to form a very uniform interface with the insulating layer. To provide a way.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 결정성장이 제어된 유기 반도체/고분자 복합박막을 반도체층으로 사용하는 유기박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide an organic thin film transistor using the organic semiconductor / polymer composite thin film in which the crystal growth is controlled as a semiconductor layer.

본 발명은 일정한 속도와 방향으로 이동이 가능한 무빙스테이지; 상기 무빙스테이지 위에 놓여 무빙스테이지와 같은 속도와 방향으로 이동하는 기판; 상기 무빙스테이지 위에 고정 설치되어 이동하지 않으며, 양극 또는 음극으로서, 전압의 전가에 의하여 코로나 방전을 일으키는 팁 형상의 코로나 상부전극; 및 상기 무빙 스테이지와 기판 사이에 위치하며, 상기 팁 형상의 코로나 전극과 반대의 극성을 갖는 판 형태의 코로나 하부전극을 포함하는 코로나 방전을 이용한 박막 제조장치를 제공한다.The present invention is a moving stage capable of moving at a constant speed and direction; A substrate placed on the moving stage and moving in the same speed and direction as the moving stage; A tip-shaped corona upper electrode which is fixedly installed on the moving stage and does not move, and is a positive electrode or a negative electrode, which causes corona discharge by imputation of voltage; And a corona lower electrode positioned between the moving stage and the substrate and having a plate-shaped corona lower electrode opposite to the tip-shaped corona electrode.

특히, 상기 판 형태의 코로나 하부전극이 별도로 없이, 상기 무빙스테이지가 판형태로서, 판 형태의 코로나 하부전극 역할을 동시에 수행하는 것이 바람직하다.
In particular, without the corona lower electrode in the form of a plate, the moving stage is preferably in the form of a plate, corona lower electrode in the form of a plate at the same time.

또한, 본 발명은 기판을 준비하는 단계(I); 상기 기판 위에 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체와 고분자의 복합용액을 도포하는 단계(II); 및 코로나 방전이 일어나는 팁(tip) 형태의 상부전극 하에서 상기 기판을 일정 속도로 이동하여 상기 도포된 유기 반도체/고분자 복합용액이 코로나 방전에 순차적으로 노출됨과 동시에 용매가 증발하는 과정을 통해 박막이 형성되는 단계(III)를 포함하는 유기반도체/고분자 복합박막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of (I) preparing a substrate; Applying a complex solution of an organic semiconductor and a polymer soluble in an organic solvent on the substrate (II); And a thin film is formed by moving the substrate at a constant speed under a tip-shaped upper electrode where a corona discharge occurs so that the coated organic semiconductor / polymer composite solution is sequentially exposed to corona discharge and the solvent evaporates. It provides a method for producing an organic semiconductor / polymer composite thin film comprising the step (III).

특히, 상기 유기 반도체가 결정성 유기 반도체인 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that the organic semiconductor is a crystalline organic semiconductor.

특히, 상기 유기 반도체가 TIPS-PEN 또는 올리고티오펜인 것이 바람직하다.In particular, the organic semiconductor is preferably TIPS-PEN or oligothiophene.

특히, 상기 기판을 일정속도로 이동시키기 위하여, 상기 기판을 무빙스테이지(moving stage) 위에 올려놓는 것이 바람직하다.In particular, in order to move the substrate at a constant speed, it is preferable to place the substrate on a moving stage.

특히, 상기 무빙스테이지가 코로나 방전을 일으키기 위한 판형(plate)의 하부전극인 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that the moving stage is a plate-shaped lower electrode for causing corona discharge.

특히, 상기 고분자는 PS, PMMA 또는 PαMS인 것이 바람직하다.In particular, the polymer is preferably PS, PMMA or PαMS.

특히, 상기 고분자 1 중량부에 대하여 유기 반도체는 1 ~ 9 중량부인 것이 바람직하다.
In particular, the organic semiconductor is preferably 1 to 9 parts by weight based on 1 part by weight of the polymer.

또한, 본 발명은 기판 위에 형성된 게이트 전극, 절연층, 유기박막 반도체층, 소스 및 드레인 전극이 적층되어 이루어진 유기박막트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 절연층 위에 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체와 고분자의 복합용액을 도포한 후, 코로나 방전이 일어나는 팁(tip) 형태의 상부전극 하에서 상기 기판을 일정속도로 이동하여 반도체층으로서 유기 반도체/고분자 복합박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method of manufacturing an organic thin film transistor formed by laminating a gate electrode, an insulating layer, an organic thin film semiconductor layer, a source and a drain electrode formed on a substrate, the organic semiconductor and a polymer that can be dissolved in an organic solvent on the insulating layer After applying the composite solution, a method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that the organic semiconductor / polymer composite thin film is formed as a semiconductor layer by moving the substrate at a constant speed under a tip-shaped upper electrode where corona discharge occurs. To provide.

특히, 상기 유기 반도체가 결정성 유기 반도체인 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that the organic semiconductor is a crystalline organic semiconductor.

특히, 상기 유기 반도체가 TIPS-PEN 또는 올리고티오펜인 것이 바람직하다.In particular, the organic semiconductor is preferably TIPS-PEN or oligothiophene.

특히, 상기 기판을 일정속도로 이동시키기 위하여, 상기 기판을 무빙스테이지(moving stage) 위에 올려놓는 것이 바람직하다.In particular, in order to move the substrate at a constant speed, it is preferable to place the substrate on a moving stage.

특히, 상기 무빙스테이지는 코로나 방전을 일으키기 위한 판형(plate)의 하부전극인 것이 바람직하다.In particular, the moving stage is preferably a plate-shaped lower electrode for causing corona discharge.

특히, 상기 고분자는 PS, PMMA 또는 PαMS인 것이 바람직하다.In particular, the polymer is preferably PS, PMMA or PαMS.

특히, 상기 고분자 1 중량부에 대하여 유기반도체는 1 ~ 9 중량부인 것이 바람직하다.
In particular, the organic semiconductor is preferably 1 to 9 parts by weight based on 1 part by weight of the polymer.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 유기박막트랜지스터를 제공한다.
The present invention also provides an organic thin film transistor prepared by the above method.

본 발명의 방법인 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN 복합박막은 표면이 균일하고, TIPS-PEN과 고분자가 수직으로 상분리된 층을 이루고 있어, 유기박막트랜지스터의 반도체층으로 사용되는 경우 종래의 스핀 코팅에 의해 제조된 TIPS-PEN 박막을 반도체층으로 사용하는 유기박막트랜지스터에 비하여 매우 우수한 소자 성능을 보인다. 예를 들어, SCDC에 의해 TIPS-PEN/PS(90/10 중량%) 복합박막을 반도체층으로 갖는 유기박막트랜지스터는 0.23 cm2/Vs의 전계효과이동도와 104 점멸비를 보이는데, 이는 비슷한 조건에서 스핀코팅 블렌드 필름에서의 값보다는 약 100배 정도 큰 값이다.
The TIPS-PEN composite thin film manufactured by SCDC, which is the method of the present invention, has a uniform surface and forms a vertically separated layer of TIPS-PEN and a polymer, and when used as a semiconductor layer of an organic thin film transistor, conventional spin coating Compared to the organic thin film transistor using the TIPS-PEN thin film manufactured by the semiconductor layer, the device performance is excellent. For example, an organic thin film transistor having a TIPS-PEN / PS (90/10 wt.%) Composite thin film as a semiconductor layer by SCDC has a field effect mobility and a 10 4 flashing ratio of 0.23 cm 2 / Vs. Is about 100 times larger than that in the spin-coated blend film.

도 1a는 본 발명의 SCDC를 설명하는 도면이며, 도 1b는 본 발명의 SCDC를 구현하기 위하여 실제로 사용한 실험장치의 사진이며, 도 1c는 본 발명의 SCDC 과정에서 스캔 방향에 따라 결정의 성장방향을 나타내는 도면이며, 도 1d는 다양한 기판 위에서 SCDC에 의하여 TIPS-PEN/PS 복합박막을 제작한 샘플의 사진이다.
도 2a는 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 박막을 반도체층으로 사용하는 유기박막트랜지스터의 교차편광 OM 이미지이며, 도 2b는 도 2a 샘플의 전달특성곡선이며, 도 2c는 도 2a 샘플의 출력특성곡선이다.
도 3a는 SiO2 기판 위에 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합박막의 교차편광 OM 이미지이며, 도 3b는 도 3a 샘플에 대한 AFM 이미지이며, 도 3c는 도 3a 샘플의 절단면에 대한 SEM이미지이며, 도 3d는 비교예로서 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합용액을 스핀코팅하여 제조된 박막의 교차편광 OM 이미지이며, 도 3e는 도 3d 샘플에 대한 AFM 이미지이며, 도 3f는 도 3d 샘플의 절단면에 대한 SEM이미지이다.
도 4a는 TIPS-PEN/PMMA(70/30 중량%) 박막의 교차편광OM 이미지, 도 4b는 도 4a의 OM 이미지의 확대이미지이며, 도 4c는 도 4a 샘플의 SEM 이미지이며, 도 4d는 TIPS-PEN/PαMS(70/30 중량%) 박막의 교차편광OM 이미지, 도 4e는 도 4d의 OM이미지의 확대이지미이며, 도 4f는 도 4d 샘플의 SEM 이미지이다.
Figure 1a is a diagram illustrating the SCDC of the present invention, Figure 1b is a photograph of the experimental apparatus actually used to implement the SCDC of the present invention, Figure 1c is a direction of crystal growth according to the scan direction in the SCDC process of the present invention 1D is a photograph of a sample of fabricating a TIPS-PEN / PS composite thin film by SCDC on various substrates.
FIG. 2A is a cross-polarized OM image of an organic thin film transistor using a TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) thin film manufactured by SCDC as a semiconductor layer, and FIG. 2B is a transfer characteristic curve of the sample of FIG. 2c is an output characteristic curve of the sample of FIG. 2a.
FIG. 3A is a cross-polarized OM image of a TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) composite thin film made by SCDC on a SiO 2 substrate, FIG. 3B is an AFM image for the FIG. 3A sample, and FIG. 3C is FIG. 3A SEM image of the cut surface of the sample, Figure 3d is a cross-polarized OM image of a thin film prepared by spin coating a TIPS-PEN / PS (70/30% by weight) composite solution as a comparative example, Figure 3e is a 3d sample 3F is an SEM image of the cut surface of the sample of FIG. 3D.
4A is a cross-polarized OM image of a TIPS-PEN / PMMA (70/30 wt.%) Thin film, FIG. 4B is an enlarged image of the OM image of FIG. 4A, FIG. 4C is an SEM image of the sample of FIG. 4A, and FIG. 4D is a TIPS Cross-polarized OM image of the PEN / PαMS (70/30 wt.%) Thin film, FIG. 4E is an enlarged image of the OM image of FIG. 4D, and FIG. 4F is an SEM image of the sample of FIG. 4D.

본 발명에서 코로나 방전 하에, 기판에 도포된 유기 반도체/고분자 복합 용액의 박막화 과정을 "스캐닝 코로나 방전 코팅(Scanning Corona Discharge Coating)"이라고 칭하며, 이하에서 약어로 "SCDC"라고 칭한다.
In the present invention, under the corona discharge, the thinning process of the organic semiconductor / polymer composite solution applied to the substrate is referred to as "Scanning Corona Discharge Coating", hereinafter abbreviated as "SCDC".

본 발명은 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체 물질과 바인더 고분자를 사용하여 수직 상분리를 일으키는 기술로서, 유기 용매에 용해 가능하다면, 유기 반도체에 제한이 없이 본 발명의 코로나 방전을 이용하여 박막을 제조할 수 있다. 예를 들어, TIPS-PEN, 올리고티오펜 등이 대표적인 것으로서, 이러한 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체는 주로 결정성 유기 반도체에 해당한다.
The present invention is a technique for causing vertical phase separation using an organic semiconductor material and a binder polymer soluble in an organic solvent, if the organic solvent is soluble in organic solvent, can be prepared using the corona discharge of the present invention without limitation to the organic semiconductor. have. For example, TIPS-PEN, oligothiophene, etc. are typical, and the organic semiconductor soluble in such an organic solvent mainly corresponds to a crystalline organic semiconductor.

이하 본 발명의 상세한 설명에서는 유기 반도체 물질 중 대표적인 TIPS-PEN을 예로 들어 본 발명의 내용에 대하여 설명하기로 한다.
In the following description, the contents of the present invention will be described by taking a representative TIPS-PEN among organic semiconductor materials as an example.

본 발명의 방법을 통해 TIPS-PEN/고분자 혼합 용액으로부터 수백 나노미터 이하 두께의 복합박막을 제조함에 있어서, 상기 복합박막의 상층으로는 고분자층이 하층으로 TIPS-PEN층이 형성되도록, 수직으로 상분리되어 두 개의 마이크로구조를 이루게 제조할 수 있다. 특히, TIPS-PEN 층은 수직으로 상분리되는 과정에서 표면이 균일하게 제조되게 결정 성장하여, 절연체층과의 계면 특성이 좋아지며, 따라서, 유기박막트랜지스터의 반도체층으로 사용되어 전기적, 물리적 소자 물성을 향상시킬 수 있다.
The In manufacturing a composite thin film of several hundred nanometers or less from the TIPS-PEN / polymer mixed solution through the method, the upper layer of the composite thin film is vertically separated so that the TIPS-PEN layer is formed as a lower layer of the polymer layer It can be produced to form a microstructure. In particular, the TIPS-PEN layer grows crystals to be uniformly manufactured in the process of vertical phase separation, and thus improves interfacial characteristics with the insulator layer. Therefore, the TIPS-PEN layer is used as a semiconductor layer of an organic thin film transistor, so that electrical and physical element Can be improved.

이하 본 발명의 설명에서 특별한 언급이 없이 사용되는 "복합용액"은 TIPS-PEN과 고분자가 용매에 용해된 용액을 의미하며, "복합박막"은 본 발명의 방법에 따라 TIPS-PEN과 고분자의 복합용액을 기판에 도포한 후, 일정한 속도로 이동하면서 코로나 방전에 노출시켜 제조된 수직으로 상분리가 일어난 TIPS-PEN/고분자 박막을 의미한다.
In the following description of the present invention, "complex solution" used without special reference means a solution in which TIPS-PEN and a polymer are dissolved in a solvent, and "composite thin film" refers to a composite of TIPS-PEN and a polymer according to the method of the present invention. It refers to a vertically separated TIPS-PEN / polymer thin film prepared by applying a solution to a substrate, and then exposed to corona discharge while moving at a constant speed.

또한, 본 발명의 하기 설명에는 바텀게이트형 유기박막트랜지스터를 실시예로 하여 설명하나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 탑게이트형 유기박막트랜지스터에도 본 발명의 방법이 적용 가능하므로, 본 발명의 권리범위는 게이트 전극의 위치에 한정하지 않고 모두 포함한다.
In addition, in the following description of the present invention, a bottom gate type organic thin film transistor is described as an embodiment, which is for convenience of description, and the method of the present invention can be applied to a top gate type organic thin film transistor, and therefore, the right of the present invention. The range is not limited to the position of the gate electrode but includes all.

SCDCSCDC (( ScanningScanning CoronaCorona DischargeDischarge CoatingCoating ) 방법) Way

본 발명은 코로나 방전을 이용하여 TIPS-PEN/고분자 복합박막을 제조하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에서는 코로나 방전 하에서 기판이 일정 속도로 이동하면서, 기판에 도포된 TIPS-PEN/고분자 복합용액의 끝부분부터 순차적으로 팁 형태의 코로나 전극에서 발생하는 하전된 가스 분자의 전자동력학적 흐름(electrodynamic flow)에 의해 충돌이 일어나도록 하여, 스캔 방향을 따라 TIPS-PEN의 내부 결정이 평행하게 성장하도록 하는 것을 특징으로 한다.
The present invention is characterized by producing a TIPS-PEN / polymer composite thin film using a corona discharge. In addition, in the present invention, the electrokinetic flow of charged gas molecules generated in the tip-shaped corona electrode sequentially from the end of the TIPS-PEN / polymer composite solution applied to the substrate while moving the substrate at a constant speed under corona discharge collision is caused by electrodynamic flow so that the internal crystals of the TIPS-PEN grow in parallel along the scanning direction.

본 발명의 방법으로 제조된 TIPS-PEN층은 거의 단결정구조로 발현되며, 하부전극 상의 TIPS-PEN 복합용액은 날카로운 금속 팁에서 생성된 후, 높은 전기장 하에서 하부전극을 향해 하전된 가스 분자의 전자동력학적 흐름 의해 스캔(scaning)된다. 본 발명의 실험장치에서는 코로나방전은 뾰족한 바늘형상 양극과 평판 형상 음극 사이에 전압이 최소 약 4 kV이 전가되었을 때 발생하였다. 양으로 이온화된 가스 분자는 양극과 반발하여 결과적으로 하부전극(양극)으로 이동하였다. 하전되지 않은 주변 가스분자로의 코로나 방전에 의해 이온화된 가스의 모멘텀 전달(momentum transfer)은 소위 전기바람(electric wind)을 일으키고, 상기 전기바람의 하전된 가스 분자의 방향성 전기역학적 흐름에 의해 TIPS-PEN/고분자 블렌드 필름을 제조할 수 있다. 하전된 가스 분자와 충돌된 고분자 용액은 용매의 증발과 함께 박막이 형성된다. 물론 필요에 따라 바늘형상의 음극과 평판 형상의 양극을 이용하여 코로나 방전을 일으킬 수도 있음은 당연하다.
The TIPS-PEN layer prepared by the method of the present invention is expressed almost in a single crystal structure, and the TIPS-PEN composite solution on the lower electrode is generated at a sharp metal tip, and then the electromotive force of the gas molecules charged toward the lower electrode under a high electric field is obtained. Scanned by a scientific flow. In the experimental apparatus of the present invention, corona discharge occurred when a voltage of at least about 4 kV was transferred between the pointed needle-shaped anode and the plate-shaped cathode. The positively ionized gas molecules reacted with the anode and eventually moved to the lower electrode (anode). Momentum transfer of the ionized gas by corona discharge to uncharged ambient gas molecules results in a so-called electric wind, which is induced by the directional electrodynamic flow of charged gas molecules in the electric wind. PEN / polymer blend films can be made. The polymer solution collided with the charged gas molecules forms a thin film with evaporation of the solvent. Of course, it is natural that a corona discharge can be caused by using a needle-shaped cathode and a plate-shaped anode as necessary.

도 1a는 본 발명의 SCDC를 설명하는 도면이며, 도 1b는 본 발명의 SCDC를 구현하기 위하여 실제로 사용한 실험장치의 사진이며, 도 1c는 본 발명의 SCDC 과정에서 스캔 방향에 따라 결정의 성장방향을 설명하는 도면이며, 도 1d는 다양한 기판 위에서 SCDC에 의하여 TIPS-PEN/PS 복합박막을 제작한 샘플의 사진이다.
Figure 1a is a diagram illustrating the SCDC of the present invention, Figure 1b is a photograph of the experimental apparatus actually used to implement the SCDC of the present invention, Figure 1c is a direction of crystal growth according to the scan direction in the SCDC process of the present invention It is a figure explaining and FIG. 1D is a photograph of the sample which produced TIPS-PEN / PS composite thin film by SCDC on various board | substrates.

도 1a와 같이, 무빙스테이지(moving stage)를 채택하였다. 무빙스테이지는 스텝모터 등을 이용하여 원하는 일정한 속도를 유지하며 좌우로 움직일 수 있다. 상기 무빙스테이지 자체가 코로나 방전을 위한 하부전극 역할을 동시에 수행할 수도 있으나, 무빙스테이지와 별도로 코로나 방전을 위한 하부전극의 역할을 하는 평판형 전극을 더 구비할 수도 있다. 10 kV의 전압이 코로나 방전을 만드는 날카로운 텅스텐 바늘(양극)과 평판형 하부전극(음극) 사이에 가해졌다. SCDC는 상기 하부전극 위에 있는 기판 위에 TIPS-PEN/고분자 용액을 적하시키는 것으로부터 시작하였으며, 상기 텅스텐 바늘(양극)은 초기에 용액의 에지로부터 멀리 위치하도록 하였다. 다음으로, 높은 전압 하에서 코로나방전이 일어나도록 하고, 상기 용액이 코팅된 기판은 천천히 움직이고, 스텝모터에 의해 코로나방전 가스 플로우(flow, 흐름)에 가깝게 위치된다. 코로나방전 가스 플로우(flow)로 이동할 때, TIPS-PEN/고분자 복합용액은 기판의 에지로부터 확실히 후퇴(withdrawal)하고, 이것은 코로나방전에 의해 발생된 하전 가스 분자의 플로우(flow)와 고분자용액 사이의 상호작용이 일어나고 있음을 의미한다. 도 1b는 실제로 제작하여 실험에 사용한 SCDC 장치의 사진이다. 본 발명의 실험에서 모든 유기박막트랜지스터는 음극 팁에서 샘플까지의 거리가 1.5 cm 이고, 전압이 10kV, 무빙스테이지의 속도가 0.5 mm/sec에서 복합박막을 제조하였다.
As shown in Fig. 1A, a moving stage is adopted. The moving stage can move from side to side while maintaining a desired constant speed by using a step motor. Although the moving stage itself may simultaneously serve as a lower electrode for corona discharge, the moving stage may further include a flat electrode that serves as a lower electrode for corona discharge separately from the moving stage. A voltage of 10 kV was applied between the sharp tungsten needle (anode) and the planar bottom electrode (cathode), which produced the corona discharge. SCDC began by dropping the TIPS-PEN / polymer solution onto the substrate above the bottom electrode, with the tungsten needle (anode) initially positioned far from the edge of the solution. Next, corona discharge occurs under high voltage, and the solution-coated substrate moves slowly and is placed close to the corona discharge gas flow by a step motor. When moving to the corona discharge gas flow, the TIPS-PEN / polymer composite solution withdrawal certainly from the edge of the substrate, which is the difference between the flow of charged gas molecules generated by the corona discharge and the polymer solution. It means that interaction is taking place. 1B is a photograph of an SCDC device actually manufactured and used in an experiment. In the experiment of the present invention, all organic thin film transistors produced a composite thin film at a distance from the cathode tip to the sample of 1.5 cm, a voltage of 10 kV, and a moving stage of 0.5 mm / sec.

도 1c와 같이 기판의 에지로부터 형성된 초기 얇은 필름은 용매 증발에 따라 무빙스테이지의 이동방향을 따라 성장한다. 고전압 하에서 코로나방전이 발생할 때, 용액은 초기 단계에 니들과 가까운 영역에서는 점차 평평해지고 얇아진다. 몇 초 후에, 필름은 에지에서 용매의 증발로부터 형성되며, 도 1c와 같이 일정한 속도로 전개된다.
The initial thin film formed from the edge of the substrate as shown in Figure 1c grows along the moving direction of the moving stage as the solvent evaporates. When corona discharge occurs under high voltage, the solution gradually becomes flat and thin in the area close to the needle in the initial stage. After a few seconds, the film is formed from evaporation of the solvent at the edges and develops at a constant rate as shown in FIG. 1C.

방향성 전자 바람의 하전된 극성 물성은 고체 기판 위의 복합 필름의 웨팅(wetting)에 효과적이며, 소위 전자적 웨팅(electro wetting)이라고 한다. 도 1d는 Au, SiO2, Si, Al의 다양한 기판 위에 본 발명의 방법에 의해 50 ~ 200 nm 두께의 얇고 균일한 TIPS-PEN/고분자 박막을 제조할 수 있음을 보여주고 있다.
The charged polar properties of directional electron winds are effective for wetting composite films on solid substrates, and are called electro wetting. FIG. 1D shows that a thin, uniform TIPS-PEN / polymer thin film of 50-200 nm thickness can be prepared by the method of the present invention on various substrates of Au, SiO 2 , Si, Al.

실험예Experimental Example 1 : One : 유기박막트랜지스터의Of organic thin film transistor 제조 및 물성 실험 Manufacture and property test

본 발명에서는 바텀게이트 탑컨텍트형 유기박막트랜지스터(bottom gate-top contact OTFT)를 본 발명의 방법에 의해 제조하였고, 비교예로서 종래 스핀 코팅 방법에 의하여 제조하였다. 유기박막트랜지스터의 제조를 위하여, 200 nm 두께의 SiO2를 절연층으로 갖는 고농도로 도핑된 p-타입 실리콘 웨이퍼를 게이트전극으로 사용하였다. TIPS-PEN/고분자용액은 각 혼합비율별로 동일하게 스핀코팅(비교예) 또는 SCDC 방법에 의하여 상기 SiO2 절연층에 코팅되었다. 상기 비교예로서의 스핀코팅은 1000 rpm에서 60초 동안 행해졌으며, 이후 100℃에서 2시간 동안 건조하였다. Au 소스 및 드레인 전극(두께 100 nm, 폭 1 mm, 길이 200 ㎛)은 상기 TIPS-PEN/고분자 필름 위에 섀도마스크(shadow mask)를 통해 열증착되었다. 각 혼합비율의 박막당 18개의 유기박막트랜지스터를 제조하였다. 디바이스의 전기적 물성은 반도체시스템(E5270B, HP4284A, Agilent Technologies)를 이용하여 측정하였다. 모든 측정은 대기중 실내 온도에서 금속보호박스(metallic shielded box)에서 이루어졌다.
In the present invention, a bottom gate top contact organic thin film transistor (bottom gate-top contact OTFT) was manufactured by the method of the present invention, and was prepared by a conventional spin coating method as a comparative example. For fabrication of the organic thin film transistor, a heavily doped p-type silicon wafer having 200 nm thick SiO 2 as an insulating layer was used as a gate electrode. TIPS-PEN / polymer solution is the same for each mixing ratio by the spin coating (comparative example) or the SCDC method by the SiO 2 Coated on insulating layer. Spin coating as a comparative example was carried out at 1000 rpm for 60 seconds, and then dried at 100 ° C. for 2 hours. Au source and drain electrodes (thickness 100 nm, width 1 mm, length 200 μm) were thermally deposited through a shadow mask on the TIPS-PEN / polymer film. 18 organic thin film transistors were prepared per thin film of each mixing ratio. The electrical properties of the device were measured using semiconductor systems (E5270B, HP4284A, Agilent Technologies). All measurements were made in a metallic shielded box at room temperature in the atmosphere.

실험에 사용한 고분자는 매우 다양하게 사용 가능하지만, 모든 고분자에 대상으로 실험할 수 없으므로, 본 발명에서는 PMMA(poly(methyl methacrylate), Mw=47,600 g/mol) 및 PS(polystyrene, Mw=48,000g/mol), PαMS(poly(α-methyl styrene), Mw=48,000 g/mol)를 Polymer Source Inc.로부터 구입하여 별도의 가공처리 없이 그대로 사용하였다. TIPS-PEN/고분자 블렌드 용액은 용매 톨루엔에 용해하여 사용하였으며, 본 발명에서 TIPS-PEN과 고분자의 복합용액을 제조하기 위한 용매는 통상의 방법에 의하여 제한없이 사용가능하므로, 본 발명의 권리범위는 용매를 한정하지 않는다. TIPS-PEN과 고분자 용액의 함량비율은 고분자 1 중량부에 대하여 TIPS-PEN는 1 ~ 9중량부로 변화하면서 실험하였다. 특히, 표 1의 실험에서는 고분자 대 TIPS-PEN의 함량이 10/90, 30/70 및 50/50의 3가지 혼합비에서 실험하였다. 또한, 용매에 대한 TIPS-PEN/고분자의 함량은 0.5 ~ 2 중량%의 범위에서 SCDC 또는 스핀코팅에 사용되었다. 상기 용액은 완전한 용해를 위하여 50℃에서 1 시간 가열되었다.
The polymer used in the experiment can be used in a wide variety, but because it can not be tested on all polymers, in the present invention PMMA (poly (methyl methacrylate), Mw = 47,600 g / mol) and PS (polystyrene, Mw = 48,000 g / mol), PαMS (poly (α-methyl styrene), Mw = 48,000 g / mol) was purchased from Polymer Source Inc. and used as it is without further processing. TIPS-PEN / polymer blend solution was used by dissolving in solvent toluene, the solvent for preparing the composite solution of TIPS-PEN and the polymer in the present invention can be used without limitation by conventional methods, the scope of the present invention is It does not limit a solvent. The content ratio of TIPS-PEN and the polymer solution was tested by changing the TIPS-PEN from 1 to 9 parts by weight with respect to 1 part by weight of the polymer. In particular, in the experiment of Table 1, the polymer to TIPS-PEN content was tested at three mixing ratios of 10/90, 30/70, and 50/50. In addition, the content of TIPS-PEN / polymer to the solvent was used for SCDC or spin coating in the range of 0.5 to 2% by weight. The solution was heated at 50 ° C. for 1 hour for complete dissolution.

총 18가지의 샘플에 대하여, 각 샘플마다 18개의 유기박막트랜지스터를 제조하여, 평균을 낸 성능 결과치가 하기의 표 1이다. 표 1에서 "SCDC"는 본 발명의 코로나 방전을 이용하여 제조된 복합박막을 적용한 유기박막트랜지스터를 의미하며, "as cast"는 비교예로서, 복합용액의 스핀캐스팅 후 2 시간 동안 100℃에서 어닐링하여 제조된 복합박막을 적용한 유기박막트랜지스터를 의미한다.
For 18 samples in total, 18 organic thin film transistors were prepared for each sample, and the averaged results are shown in Table 1 below. In Table 1, "SCDC" means an organic thin film transistor to which a composite thin film manufactured using the corona discharge of the present invention is applied, and "as cast" is a comparative example, after spincasting of the composite solution. An organic thin film transistor to which a composite thin film prepared by annealing at 100 ° C. for 2 hours is applied.

Figure 112010079475018-pat00001
Figure 112010079475018-pat00001

표 1과 같이 TIPS-PEN/PS의 함량비 90/10, 70/30 및 50/50의 3가지 함량의 복합필름은 모두 매우 안정적인 소자 성능을 보여주고 있다. 전계효과이동도는 표 1과 같이 TIPS-PEN/PS(90/10 중량%)일때는 약 0.23 cm2/Vㆍs로 가장 높게 나타났다. 한편, 선형 구간에서 계산된 서브문턱스윙(subthreshold swing)은 TIPS-PEN/PS(90/10 중량%) 복합필름을 적용한 유기박막트랜지스터에서 약 0.9 V/dec로 매우 낮은 수치를 보였다.
As shown in Table 1, the composite films having three content ratios of 90/10, 70/30 and 50/50 of TIPS-PEN / PS showed very stable device performance. As shown in Table 1, the field effect mobility was the highest when the TIPS-PEN / PS (90/10 wt%) was about 0.23 cm 2 / V · s. On the other hand, the subthreshold swing calculated in the linear range was very low, about 0.9 V / dec, in the organic thin film transistor using TIPS-PEN / PS (90/10 wt.%) Composite film.

표 1과 같이, 각 조성 및 고분자별로 종래방법에 의하여 스핀코팅에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합박막을 반도체층으로 사용하는 유기박막트랜지스터는 스핀 캐스팅 후 추가적인 열적 어닐링처리를 통해서도 만족할만한 성능을 나타내지 못하였다. 예를 들어, 스핀코팅된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%)을 적용한 유기박막트랜지스터는, 표 1과 같이 2 시간 동안 100℃에서 어닐링을 함에도 불구하고, 0.0006 cm2/Vㆍs의 낮은 전계효과이동도와, 4.7 x 102의 낮은 점멸비를 나타냈다.
As shown in Table 1, the organic thin film transistor using the TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) composite thin film manufactured by spin coating by conventional method for each composition and polymer is an additional thermal annealing after spin casting. Treatment did not give satisfactory performance. For example, an organic thin film transistor applied with spin-coated TIPS-PEN / PS (70/30 wt%), despite being annealed at 100 ° C. for 2 hours as shown in Table 1, has a value of 0.0006 cm 2 / V · s. It showed low field effect mobility and low flashing ratio of 4.7 x 10 2 .

또한, 표 1의 결과와 같이, PS 함량이 증가할수록 전계효과이동도와 점멸비가 감소하였다. 서브문턱스윙값은 블렌드 필름에서 PS가 증가함에 따라 증가한다. TIPS-PEN/PS(70/30 중량%)와 TIPS-PEN/PS(50/50중량%) 블렌드 필름에서의 서브문턱스윙은 각각 2.52 V/dec, 2.72 V/dec였다. SCDC에서는 50 중량% 이상의 PS를 포함하는 TIPS-PEN/PS 블렌드 필름에서는 신뢰할만한 디바이스 성능을 나타내지 못하였다. 이는 PS의 함량이 증가하면 반도체 활성층으로 작용하는 TIPS-PEN의 상대적으로 적어지면, TIPS-PEN이 바람직한 결정성장을 하더라도 반도체 채널층으로 연결되지 못하기 때문이다.
In addition, as shown in Table 1, as the PS content increased, the field effect mobility and the flashing ratio decreased. The sub-threshold swing value increases with increasing PS in the blend film. Sub-threshold swings in TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) and TIPS-PEN / PS (50/50 wt%) blend films were 2.52 V / dec and 2.72 V / dec, respectively. SCDC did not show reliable device performance with TIPS-PEN / PS blend films containing more than 50 wt.% PS. This is because when the PS content increases, the TIPS-PEN, which acts as a semiconductor active layer, becomes relatively small, but TIPS-PEN is not connected to the semiconductor channel layer even though it has desirable crystal growth.

전반적으로 같은 함량비에서, 본 발명의 SCDC에 의하여 제조된 TIPS-PEN/PS의 복합박막을 적용한 경우 TIPS-PEN/PMMA 또는 TIPS-PEN/PαMS 복합박막보다 점멸비 및 전계효과이동도가 모두 우수하였다. 그러나 여전히 본 발명의 방법으로 제조한 TIPS-PEN/PMMA와 TIPS-PEN/PαMS 박막이, 종래의 스핀 코팅에 의해 제조된 박막을 적용한 것보다 모든 조성비에서 점멸비 및 전계효과이동도에서 우수한 결과를 보여, 본 발명의 효과를 입증하였다.
Overall, the same content ratio, when the TIPS-PEN / PS composite thin film manufactured by the SCDC of the present invention is applied, both the flashing ratio and the field effect mobility is superior to the TIPS-PEN / PMMA or TIPS-PEN / PαMS composite thin film It was. However, the TIPS-PEN / PMMA and TIPS-PEN / PαMS thin films produced by the method of the present invention still show superior results in flashing ratio and field effect mobility at all composition ratios than those applied by conventional spin coating. Showed the effectiveness of the present invention.

도 2a는 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 박막을 반도체층으로 사용하는 유기박막트랜지스터의 교차편광 OM 이미지이며, 도 2b는 도 2a 샘플의 전달특성곡선이며, 도 2c는 도 2a 샘플의 출력특성곡선이다.
FIG. 2A is a cross-polarized OM image of an organic thin film transistor using a TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) thin film manufactured by SCDC as a semiconductor layer, and FIG. 2B is a transfer characteristic curve of the sample of FIG. 2c is an output characteristic curve of the sample of FIG. 2a.

도 2a 내지 도 2c를 참고하여, 상기 표 1의 18가지 복합박막 중 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합박막을 적용한 유기박막트랜지스터를 예로 하여 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명하기로 한다. 도 2a와 같이, 교차편광OM 이미지는, 얇고 균일한 TIPS-PEN/PS 반도체 채널이 소스와 드레인 전극 사이에 특징적인 결정 구조를 갖으면서 형성된 것을 보여주었다. 도 2b와 2c는 각각 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 반도체 활성층을 갖는 육기박막트랜지스터로부터의 대표적인 전달특성곡선(transfer curve)와 출력곡선(output curve)로서, 점멸비 약 104 전형적인 p형 전류변조(current modulation)를 보였다. 본 발명과 같이 TIPS-PEN/고분자 복합용액의 단순한 전기동력학적 캐스팅에 의해, 상기와 같은 좋은 소자 성능을 나타낸다는 것은 매우 놀라운 결과이다.
2A to 2C, the present invention will be described in more detail by taking an organic thin film transistor to which a TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) composite thin film is applied among the 18 composite thin films of Table 1 as an example. . As shown in FIG. 2A, cross-polarized OM images showed that a thin, uniform TIPS-PEN / PS semiconductor channel was formed with a characteristic crystal structure between the source and drain electrodes. 2B and 2C are representative transfer curves and output curves from a meat thin film transistor having a TIPS-PEN / PS (70/30 wt.%) Semiconductor active layer, respectively, with a flashing ratio of about 10 4 typical. p-type current modulation was shown. It is a surprising result that by the simple electrodynamic casting of TIPS-PEN / polymer composite solution as shown in the present invention, such a good device performance.

실험예Experimental Example 2 :  2 : SCDCSCDC 에 의해 제조된 복합박막의 마이크로 구조 분석Microstructure analysis of composite thin films prepared by

상기 유기박막트랜지스터에서의 본 발명의 방법으로 제조된 박막의 우수한 성능을 이해하기 위하여, 본 발명의 복합박막의 마이크로구조를 조사하였다. 그 결과는 도 3a 내지 도 3f에 나타냈으며, 도 3a는 SiO2 기판 위에 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합박막의 교차편광 OM 이미지이며, 도 3b는 도 3a 샘플에 대한 AFM 이미지이며, 도 3c는 도 3a 샘플의 절단면에 대한 SEM이미지이며, 도 3d는 비교예로서 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합용액을 스핀코팅하여 제조된 박막의 교차편광 OM 이미지이며, 도 3e는 도 3d 샘플에 대한 AFM 이미지이며, 도 3f는 도 3d 샘플의 절단면에 대한 SEM이미지이다.
In order to understand the excellent performance of the thin film manufactured by the method of the present invention in the organic thin film transistor, the microstructure of the composite thin film of the present invention was investigated. The results are shown in FIGS. 3A-3F, where FIG. 3A is a cross-polarized OM image of a TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) composite thin film made by SCDC on a SiO 2 substrate, and FIG. 3B is FIG. 3A. AFM image of the sample, Figure 3c is a SEM image of the cut surface of the sample of Figure 3a, Figure 3d is a cross-section of the thin film prepared by spin coating a TIPS-PEN / PS (70/30% by weight) composite solution as a comparative example 3E is an AFM image of the sample of FIG. 3D, and FIG. 3F is an SEM image of the cut plane of the sample of FIG. 3D.

SiO2 기판 위에 본 발명의 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%)의 교차편광 OM 이미지는 도 3a와 같이 넓은 면적에 걸쳐서 스캐닝 방향(화살표 참고)을 따라서 결정성 TIPS-PEN 도메인들의 방향성 성장을 보여주고 있다.
Cross-polarized OM images of TIPS-PEN / PS (70/30 wt.%) Made by the SCDC of the present invention on SiO 2 substrates are crystalline TIPS- along the scanning direction (see arrow) over a large area as shown in FIG. 3A. PEN domains show directional growth.

대조적으로 3d와 같이, 도 3a와 같은 함량비(TIPS-PEN/PS 70/30 중량%)로 스핀 캐스팅된 후 2시간 동안 100℃에서 어닐링한 경우 전형적인 구형 결정조직(spherulitic texture)을 보였다. 코로나방전에 의한 전기동력학적 플로우(electrodynamic flow)의 방향성 스캐닝(directional scanning)은 용매 증발시 TIPS-PEN 결정의 바람직한 성장을 유발하고 PS와 수직 상분리를 일으켰다. 이러한 수직 상분리는 다른 연구그룹의 결과와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 반도체 박막이 트랜지스터에 적용하는 경우 좋은 소자 성능을 발휘하는 이유이다.
In contrast, as shown in 3d, the spherulitic texture was typical when spin-cast at the content ratio (TIPS-PEN / PS 70/30 wt%) as shown in FIG. 3A and then annealed at 100 ° C. for 2 hours. Directional scanning of electrodynamic flow by corona discharge caused desirable growth of TIPS-PEN crystals upon solvent evaporation and caused vertical phase separation from PS. This vertical phase separation is the reason why the semiconductor thin film manufactured by the method of the present invention exhibits good device performance when applied to transistors, as the results of other research groups.

SCDC에 의한 TIPS-PEN/PS 복합박막의 보다 자세한 마이크로구조는 AFM에 의하여 확인되었는데, 리본형상 단결정형 TIPS-PEN 결정은 도 3b와 같이 스캐닝 방향에 평행하게 성장하였다. 상기 리본형상 결정은 다양하지만, 평균적으로 약 수 마이크론 폭 넓이를 갖는다. 본 발명의 필름은 TIPS-PEN과 PS의 마이크로 상분리에 의하여 형성되었지만, 필름의 표면은 RMS 러프니스가 약 5 nm로 매우 평평했다. 반면에, 스핀코팅된 복합박막은 도 3e와 같이 TIPS-PEN 사이에 비결정질 PS가 균일하게 분포되어 있으며, 핵성장과 동결 과정에서 약 200 nm 사이즈의 TIPS-PEN 결정을 보인다. 당연히 본 발명의 SCDC를 이용하여 평평하고 유연한 TIPS-PEN 결정을 갖는 균일한 표면을 갖는 박막이, 스핀코팅에 의한 불균일하게 TIPS-PEN과 PS가 서로 혼합된 박막에 비하여, 유기박막트랜지스터 반도체 액티브층으로서 매우 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
More detailed microstructure of the TIPS-PEN / PS composite thin film by SCDC was confirmed by AFM. Ribbon-shaped single crystal TIPS-PEN crystals were grown parallel to the scanning direction as shown in FIG. 3B. The ribbon crystals vary, but on average have a width of about a few microns. The film of the present invention was formed by micro phase separation of TIPS-PEN and PS, but the surface of the film was very flat with RMS roughness of about 5 nm. On the other hand, in the spin-coated composite thin film, amorphous PS is uniformly distributed between TIPS-PENs as shown in FIG. 3E, and shows a TIPS-PEN crystal having a size of about 200 nm during nuclear growth and freezing. Naturally, a thin film having a uniform surface having a flat and flexible TIPS-PEN crystal using the SCDC of the present invention is an organic thin film transistor semiconductor active layer, compared to a thin film in which TIPS-PEN and PS are mixed with each other unevenly by spin coating. As a result, it was found to be very effective.

도 3c와 같이 SCDC에 의해 제조된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 복합박막의 단면도는 본 발명의 SCDC에 의해 제조한 복합박막이 반도체 활성층으로서의 효용성에 대하여 증명해준다. 이중층으로 적층된 구조는 SiO2 기판 위에 명백하게 보인다. 이는 용매 증발 과정에서 코로나방전시 하전된 가스분자의 전기바람(electric wind)의 도움을 받아 복합용액 내에서 수직 상분리가 일어났다는 것을 의미한다. 즉, 용액에서, 박막의 PS 필름이 SiO2 게이트절연체 위의 TIPS-PEN 위에 형성되었다. 반대로 스핀코팅된 TIPS-PEN/PS(70/30 중량%) 블렌드 필름은 TIPS-PEN 도메인이 PS 도메인이 도 3f와 같이 랜덤하게 혼합되어 있는 랜덤 상분리층을 보인다. SCDC에 의해 얻어진 이중층 구조는 100 nm 두께의 TIPS-PEN/PS 필름에서도 높은 디바이스 성능을 보인다.
The cross-sectional view of the TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) composite thin film manufactured by SCDC as shown in FIG. 3C demonstrates the effectiveness of the composite thin film produced by the SCDC of the present invention as a semiconductor active layer. The bilayer stacked structure is clearly visible on the SiO 2 substrate. This means that vertical phase separation occurred in the composite solution with the help of the electric wind of charged gas molecules during corona discharge during solvent evaporation. That is, in solution, a thin PS film was formed on the TIPS-PEN over the SiO 2 gate insulator. In contrast, the spin-coated TIPS-PEN / PS (70/30 wt%) blend film shows a random phase separation layer in which the TIPS-PEN domains are randomly mixed with the PS domains as shown in FIG. 3F. The bilayer structure obtained by SCDC shows high device performance even for 100 nm thick TIPS-PEN / PS films.

도 4a는 TIPS-PEN/PMMA(70/30 중량%) 박막의 cross-polarized OM이미지, 도 4b는 도 4a의 OM 이미지의 확대이미지이며, 도 4c는 도 4a 샘플의 SEM 이미지이며, 도 4d는 TIPS-PEN/PαMS(70/30 중량%) 박막의 cross-polarized OM이미지, 도 4e는 도 4d의 OM이미지의 확대이지미이며, 도 4f는 도 4d 샘플의 SEM 이미지이다.
4A is a cross-polarized OM image of TIPS-PEN / PMMA (70/30 wt%) thin film, FIG. 4B is an enlarged image of the OM image of FIG. 4A, FIG. 4C is an SEM image of the sample of FIG. 4A, and FIG. 4D is Cross-polarized OM image of TIPS-PEN / PαMS (70/30 wt.%) Thin film, FIG. 4E is an enlarged image of the OM image of FIG. 4D, and FIG. 4F is an SEM image of the sample of FIG. 4D.

상기 도 4의 결과와 같이 고분자로 PMMA 또는 PαMS를 사용한 경우에도 PS를 사용한 것과 같이 스캔 방향을 따라 TIPS-PEN이 평행하게 결정성장하였으며, TIPS-PEN과 PMMA 또는 PαMS와 수직으로 상분리가 되었음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4, even when PMMA or PαMS were used as the polymer, TIPS-PEN was grown in parallel along the scanning direction as in PS, and phase separation was performed vertically with TIPS-PEN and PMMA or PαMS. there was.

Claims (17)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판 위에 형성된 게이트 전극, 절연층, 유기박막 반도체층, 소스 및 드레인 전극이 적층되어 이루어진 유기박막트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 상기 절연층 위에 유기 용매에 용해 가능한 유기 반도체와 고분자의 복합용액을 도포한 후, 코로나 방전이 일어나는 팁(tip) 형태의 이동하지 않는 코로나 상부전극 하에서 상기 기판을 일정속도로 이동하여 반도체층으로서 유기 반도체/고분자 복합박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
In a method of manufacturing an organic thin film transistor, in which a gate electrode, an insulating layer, an organic thin film semiconductor layer, a source and a drain electrode are formed on a substrate, a composite solution of an organic semiconductor and a polymer, which is soluble in an organic solvent, is coated on the insulating layer. And then moving the substrate at a constant speed under a non-moving corona upper electrode in the form of a tip in which corona discharge occurs to form an organic semiconductor / polymer composite thin film as a semiconductor layer.
제10항에서,
상기 유기 반도체가 결정성 유기 반도체인 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The organic semiconductor is a method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that the crystalline organic semiconductor.
제10항에서,
상기 유기 반도체가 TIPS-PEN 또는 올리고티오펜인 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The organic semiconductor is a method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that the TIPS-PEN or oligothiophene.
제10항에서,
상기 기판을 일정속도로 이동시키기 위하여, 상기 기판을 무빙스테이지(moving stage) 위에 올려놓는 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that the substrate is placed on a moving stage (moving stage) in order to move the substrate at a constant speed.
제13항에서,
상기 무빙스테이지가 상기 팁 형태의 상부전극에 대응하는 반대의 극성을 갖는 판(plate) 형태의 하부전극의 역할을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
In claim 13,
The moving stage is a method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that at the same time serves as a lower electrode of the plate (plate) shape having the opposite polarity corresponding to the upper electrode of the tip shape.
제10항에서,
상기 고분자는 PS, PMMA 또는 PαMS인 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The polymer is a method of manufacturing an organic thin film transistor, characterized in that the PS, PMMA or PαMS.
제10항에서,
상기 고분자 1 중량부에 대하여 유기반도체는 1 ~ 9 중량부인 것을 특징으로 하는 유기박막트랜지스터의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The organic semiconductor is a manufacturing method of the organic thin film transistor, characterized in that 1 to 9 parts by weight based on 1 part by weight of the polymer.
삭제delete
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