KR101291320B1 - 유기 박막 트랜지스터 및 그 형성방법 - Google Patents

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Abstract

유기 박막 트랜지스터 및 그 형성방법이 제공된다. 이 유기 박막 트랜지스터는 기판, 기판 상의 소오스 전극과 드레인 전극, 상기 소오스 전극 및 드레인 전극 사이의 상기 기판 상의 활성층, 활성층 상의 게이트 전극, 및 활성층과 게이트 전극 사이의 유기 절연층을 포함한다. 이 유기 절연층은 나노 입자, 나노 입자를 둘러싸는 친수성 중합체들, 및 소수성 중합체들을 포함할 수 있다.
박막 트랜지스터(TFT), 이중 블록 공중합체, 자기 조립(self assembly)

Description

유기 박막 트랜지스터 및 그 형성방법{ORGANIC THIN FILM TRANSITOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 트랜지스터 및 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 박막 트랜지스터 및 그 형성방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-052-01, 과제명: 개별물품 단위 응용을 위한 차세대 RFID 기술 개발].
전자 기기의 다기능화 경향에 따라 이러한 전자 기기에 적합한 메모리 소자의 수요가 급증하고 있다. 특히, 최근에는 휴대 가능한 전자 기기에 적합한 가볍고 값싼 메모리 소자가 필요하게 되었다.
이러한 요구에 부응하여 기존의 메모리 소자와 다른 성질을 갖는 메모리 소자가 연구되고 있다. 예를 들어, 기존의 무기 재료 대신 유기 재료를 사용한 메모리 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 유기 재료를 사용한 메모리 소자는 비교적 낮은 온도의 공정 조건에서 값싼 재료로 형성될 수 있는 장점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 일 기술적 과제는, 신뢰성이 향상된 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 공정 효율성이 향상된 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 유기 박막 트랜지스터가 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터는, 기판, 상기 기판 상의 소오스 전극과 드레인 전극, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 기판 상의 활성층, 상기 활성층 상의 게이트 전극, 및 상기 활성층과 게이트 전극 사이의 유기 절연층을 포함할 수 있다. 상기 유기 절연층은 나노 입자, 상기 나노 입자를 둘러싸며 친수성기를 포함하는 친수성 중합체들, 및 소수성기를 포함하는 소수성 중합체들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 중합체는 친수성기가 상기 나노 입자를 향하도록 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 입자는 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 입자는 복수개가 그룹을 이루어 존재할 수 있다. 상기 유기 절연층 내에는 복수의 나노 입자 그룹들이 서로 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 입자는 상기 활성층 및 상기 게이트 전극으로부터 이격될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 중합체의 유전율은 상기 소수성 중합체의 유전율보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터의 형성방법은, 기판 상에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 것, 상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 기판 상에 활성층을 형성하는 것, 상기 활성층 상에 게이트 전극을 형성하는 것 및 상기 활성층과 상기 게이트 전극 사이에 유기 절연층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 친수성기(hydrophilic group)를 포함하는 친수성 중합체와 소수성기(hydrophobic group)를 포함하는 소수성 중합체로 구성된 이중 블록 공중합체를 포함하는 유기 절연층용 조성물을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기 절연층용 조성물은, 상기 이중 블록 공중합체의 친수성기 및 소수성기 중 선택된 제1 기(first group)와 인접한 나노 전구체, 및 상기 이중 블록 공중합체의 친수성기 및 소수성기 중 선택된 제2 기(second group)에 친화력을 갖는 용매를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 기는 친수성 기이고, 상기 용매는 비극성 유기 용매일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 상기 이중 블록 공중합체가 자기 조립(self-assembly)되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자기 조립된 이중 블록 공중합체는 상기 나노 전구체를 둘러쌀 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 상기 나노 전구체를 산화 또는 환원시키는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기 절연층용 조성물 내의 상기 이중 블록 공중합체의 농도는 임계미셀농도(critical micelle concentration) 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이중 블록 공중합체 내에서, 친수성기를 갖는 중합체의 부피비는 0.05보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 상기 유기 절연 조성물에 유리 전이 온도보다 높은 온도를 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 보다 단순화된 공정에 의해 유기 박막 트랜지스터가 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 유기 박막 트랜지스터는 우수한 절연 특성을 갖는 유기 절연층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 신뢰성이 향상된 유기 박막 트랜지스터가 제공될 수 있다.
이하, 참조된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터 및 그 형성방법이 설명된다. 설명되는 실시예들은 본 발명의 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는 다. 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 다른 형태로 변형될 수 있다. 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 명세서에서 일 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 위치한다는 것은 일 구성요소 상에 다른 구성요소가 직접 위치한다는 의미는 물론, 상기 일 구성요소 상에 제3 의 구성요소가 더 위치할 수 있다는 의미도 포함한다. 본 명세서 각 구성요소 또는 부분 등을 제1, 제2 등의 표현을 사용하여 지칭하였으나, 이는 명확한 설명을 위해 사용된 표현으로 이에 의해 한정되지 않는다. 도면에 표현된 구성요소들의 두께 및 상대적인 두께는 본 발명의 실시예들을 명확하게 표현하기 위해 과장된 것일 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터가 설명된다. 도 1b는 도 1a에 도시된 A영역을 확대한 도면이다. 기판(110) 상에 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122)이 배치된다. 상기 기판(110)은 실리콘과 같은 반도체 기반의 반도체 기판, 유리 기판, 또는 플라스틱 기판 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 반도체 물질, 도핑된 반도체 물질, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이드(polyethyleneterepthalate)를 포함할 수 있다. 상기 기판(110)의 상부면은 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 인듐틴옥사이드(indium tin oxide:ITO)로 코팅될 수 있다.
상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 상기 기판(110) 상에 서로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 각각 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 금속, 금속화합물 또는 전도성 유기고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO), PEDOT:PSS(polyethylenedioxythiophene:polystyrene sulfonate), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리피롤(polypyrrole) 에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 기판(110) 상에 활성층(131)이 배치될 수 있다. 상기 활성층(131)의 적어도 일부는 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 활성층(131)은 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)을 덮을 수 있다. 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 상기 활성층(131)에 의해 연결될 수 있다. 유기 박막 트랜지스터의 동작시, 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122) 사이의 상기 활성층(131) 내에서 채널이 형성될 수 있다.
상기 활성층(131)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 활성층(131)은 유기 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(131)은 폴리티오펜(polythiophene)과 그 유도체들(derivatives), TIPS 펜타센(triisopropylsilyl pentacene)과 그 유도체들, 싸이아노티오펜(thieno thiophene)과 그 유도체들, 펜타센 전구체(pentacene precursor)와 그 유도체들, 알파-6-티오펜(α-6-thiophene)과 그 유도체들, 폴리 플루오렌(polyfluorene)과 그 유도체들, 펜타센(penthacene)과 그 유도체들, 테트라센(tetracene)과 그 유도체들, 안트라센(anthracene)과 그 유도체들, 페릴렌(perylene)과 그 유도체들, 루브렌(rubrene)과 그 유도체들, 코로렌(cororene)과 그 유도체들, 페닐렌 테트라카르복실릭디이미드(phenylene tetracarboxylic diimide)와 그 유도체들, 폴리파라페닐렌비닐렌(polyparaphenylenevinylene)과 그 유도체들, 폴리티오펜비닐렌(polythiophenvinylene) 및 그 유도체들, 알파-5-티오펜(α-5-thiophene)과 이들의 유도체들, 올리고티오펜(oligothiophene) 및 이들의 유도체들, 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 이들의 유도체들, 나프탈렌 테트라 카르복시산디이미드(naphthalene tetra carboxlic acid diimide)와 이들의 유도체들 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되지 않는다.
상기 활성층(131) 상에 유기 절연층(141)이 배치될 수 있다. 상기 유기 절연층(141)은 친수성기(hydrophilic group)를 갖는 친수성 중합체(hydrophilic polymer, 145)와 소수성기(hydrophobic group)를 갖는 소수성 중합체(hydrophobic polymer, 147)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 친수성 중합체와 소수성 중합체는 하나의 이중 블록 공중합체를 구성할 수 있다.
상기 친수성 중합체(145)의 친수성기에 인접한 영역 또는 상기 소수성 중합체의 소수성기에 인접한 영역에 나노 입자(143)가 더 배치될 수 있다. 상기 나노 입자(143)는 복수의 친수성 중합체들(145) 또는 소수성 중합체들(147)에 의해 둘러싸일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 나노 입자(143)는 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 친수성 중합체들(145)에 의해 둘러싸일 수 있다. 상기 친수성 중합체들(145) 은 상기 친수성기가 상기 나노 입자(143)를 향하도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 친수성 중합체(145)와 소수성 중합체(147)가 하나의 이중 블록 공중합체에 포함되는 경우, 상기 소수성 중합체(147)의 소수성기가 상기 친수성기의 반대 방향을 향하도록 배열될 수 있다.
상기 나노 입자(143)는 전하를 트랩할 수 있는 물질들 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 입자(143)는 금속 및 금속 산화물 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들면, 상기 나노 입자(143)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철산화물(FeO), 하프늄산화질화물(HfON), 텅스텐산화물(WO), 니켈산화물(NiO), 바륨티탄산화물(BaTiO3) 또는 스트론튬티탄산화물(SrTiO3)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 전하를 트랩할 수 있고 나노 사이즈로 형성되는 물질이면 어느 것이든 가능하다.
복수의 나노 입자(143)들과 이 나노 입자들(143)을 둘러싸는 복수의 친수성 중합체들(145)은 하나의 전하 저장 그룹을 구성할 수 있다. 상기 유기 절연층(141) 내에는 복수의 전하 저장 그룹들이 배치될 수 있다. 상기 전하 저장 그룹들은 상기 나노 입자들(143)에 의해 구성되는 전하 저장부와 상기 친수성 중합체들(145) 및/또는 상기 소수성 중합체들(147)로 구성되는 절연부를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 나노 입자들(143)은 상기 친수성 중합체들(145) 및/또는 상기 소수성 중합체들(147)에 의해 둘러싸이므로, 상기 나노 입자들(143)은 상기 활성 층(131) 및/또는 후술할 게이트 전극(151)과 공간적으로 이격될 수 있다. 따라서, 상기 유기 절연층(141)의 절연 특성이 향상될 수 있다.
상기 전하 저장 그룹은 도시된 바와 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상기 전하 저장 그룹은 로드 형태로 배열되는 나노 입자들(143)과 이를 둘러싸는 친수성 중합체들로 구성될 수 있다. 다른 예를 들면, 상기 전하 저장 그룹은 나노 입자들(143)이 평판 형태로 배열되고, 상기 평판 형태의 나노 입자들(143)을 둘러싸는 친수성 중합체들로 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 친수성 중합체의 유전율은, 상기 소수성 중합체의 유전율보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 친수성 중합체는 poly (4-vinyl phenol), poly(2-vinylpyridine), polyacrylonitrile, polychloroprene, poly(vinylidene flouride) 및 poly(vinylidene chloride) 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이에 따라, 상기 유기 절연층(141)의 절연 특성이 보다 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소수성 중합체의 유전율은, 상기 친수성 중합체(145)의 유전율보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 소수성 중합체는 polybutadiene, polystyrene, polyisobutylene, poly(methyl methacrylate), polycarbonate, polychlorotrifluoroethylene), polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene(teflon), CYTOP™ 및 polypropylene-co-butene에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 유기 절연층(141) 상에 게이트 전극(151)이 배치될 수 있다. 상기 게이트 전극(151)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극(151)은 금속, 금 속화합물 또는 전도성 유기고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 게이트 전극(151)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 인듐틴옥사이드(ITO), PEDOT:PSS(polyethylenedioxythiophene:polystyrene sulfonate), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리피롤(polypyrrole) 에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 기판(110), 소오스 전극(121), 드레인 전극(122), 활성층(131), 유기 절연층(141) 및 게이트 전극(151)은 다른 형태로 배치될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 상기 기판(110) 상에 게이트 전극(151)이 배치될 수 있다. 상기 게이트 전극(151) 상에 유기 절연층(141)이 배치될 수 있다. 상기 유기 절연층(141)은 상기 게이트 전극(151)의 상부면을 덮을 수 있다. 상기 유기 절연층(141)은 도시된 바와 달리, 상기 게이트 전극(151)의 상부면으로부터 연장되어, 상기 게이트 전극(151)의 측벽을 덮을 수 있다. 상기 유기 절연층(141)은 도 1에서 설명된 바와 같이, 나노 입자들, 상기 나노 입자들을 둘러싸는 친수성 중합체들(145) 및 상기 유기 절연층(141)의 가장자리 영역의 소수성 중합체들을 포함할 수 있다.
상기 유기 절연층(141) 상에 활성층(131)이 배치될 수 있다. 상기 활성층(131) 상에 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122)이 배치될 수 있다. 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122)은 상기 활성층(131) 상에 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 게이트 전극(151)에 전압이 인가되는 경우, 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이의 상기 활성층(131) 내에 채널이 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2와 달리, 상기 유기 절연층(141)과 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122) 사이에 활성층(131)이 개재되지 않을 수 있다. 이 경우, 상기 활성층(131)은 상기 유기 절연층(141) 상의 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에 배치될 수 있다. 상기 유기 절연층(141)은 도 1에서 설명된 바와 같이, 나노 입자들, 상기 나노 입자들을 둘러싸는 친수성 중합체들 및 상기 유기 절연층(141)의 가장자리 영역의 소수성 중합체들을 포함할 수 있다.
다시 도 1a, 도 1b 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 형성방법이 설명된다. 도 4는 도 1a 및 도 1b의 유기 절연층(141)의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다. 앞서, 설명된 내용들은 일부 생략될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 기판(110) 상에 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122)이 형성될 수 있다. 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 상기 기판(110) 상에 도전성막을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)은 전도성 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅을 이용하여 형성될 수도 있다.
상기 기판(110) 상에 활성층(131)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(131)은 상 기 기판(110) 상의 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122) 사이에 형성될 수 있다. 상기 활성층(131)은 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)을 덮을 수 있다. 상기 활성층(131)은 상기 소오스 전극(121) 및 드레인 전극(122)이 형성된 상기 기판(110) 상에 유기 반도체 중합체, 무기 반도체 중합체 또는 반도체 단분자를 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 또는 진공 증착을 통해 도포하여 형성될 수 있다.
상기 활성층(131) 상에 유기 절연층(141)이 형성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 유기 절연층(141)을 형성하는 것은, 친수성기를 갖는 친수성 중합체와 소수성기를 포함하는 소수성 중합체를 사용하여 이중 블록 공중합체를 형성하는 것(S201), 상기 친수성기에 인접하는 나노 전구체를 부착시키는 것(S202) 및 상기 나노 전구체를 산화 또는 환원시키는 것(S203)을 포함하는 유기 절연층용 조성물 형성 공정과 상기 유기 절연층용 조성물을 열처리하는 것(S204)을 포함할 수 있다.
용매에 친수성 중합체와 소수성기 중합체를 용해시켜 이중 블록 공중합체를 형성한다(S201). 일 실시예에서, 상기 용매는 톨루엔(toluene) 및 자일렌(xylene)을 포함하는 비극성 유기 용매들 중에서 선택될 수 있다. 상기 용매에 용해되는 친수성 중합체와 소수성 중합체의 비율은 0.05<m/(m+n)<0.65일 수 있다. m은 친수성 중합체의 부피비이고, n은 소수성 중합체의 부피비이며, m+n=1이다.
상기 친수성 중합체는 poly (4-vinyl phenol), poly(2-vinylpyridine), polyacrylonitrile, polychloroprene, poly(vinylidene flouride) 및 poly(vinylidene chloride) 에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 친수성 중합체의 평균 분자량은 10000 내지 100000 일 수 있다.
상기 소수성 중합체는 polybutadiene, polystyrene, polyisobutylene, poly(methyl methacrylate), polycarbonate, polychlorotrifluoroethylene), polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene(teflon), CYTOP™ 및 polypropylene-co-butene에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 소수성 중합체의 평균 분자량은 10000 내지 100000 일 수 있다.
상기 이중 블록 공중합체들은 상기 용매를 포함하는 용액 내에서 소정의 그룹을 이루도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 이중 블록 공중합체들은 상기 용매 내에서 미셸(micelle), 로드(rod) 또는 라멜라(lamella) 구조로 배열될 수 있다. 이를 위해, 상기 이중 블록 공중합체와 용매를 포함하는 용액 내의 상기 이중 블록 공중합체의 농도가 임계 미셸 농도(critical micelle concentration)이상이 되도록, 상기 이중 블록 공중합체와 용매의 양을 조절할 수 있다. 상기 이중 블록 공중합체는 상기 친수성기 또는 소수성기 중 어느 한 기가 상기 그룹의 중심을 향하고, 다른 한 기가 상기 그룹의 가장자리를 향하도록 배열될 수 있다.
이와 같은 상기 이중 블록 공중합체의 배열은 상기 이중 블록 공중합체의 양친매성(amphiphilic character)에 기인할 수 있다. 구체적으로, 상기 이중 블록 공중합체의 어느 한 기는 용매에 대해 친화력을 가지므로 용매를 향해 배열되고, 상기 이중 블록 공중합체의 다른 기는 상기 용매에 대해 친화력을 갖지 않으므로 상기 용매와 인접하지 않는 방향으로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용매가 비극성 유기 용매인 경우, 상기 이중 블록 공중합체들은 상기 친수성기가 상기 이중 블록 공중합체의 그룹의 중심을 향하도록 배 열될 수 있다. 예를 들어, 상기 이중 블록 공중합체 그룹이 미셸 구조로 배열되는 경우, 상기 미셸의 코어(core)를 향해 상기 친수성기들이 배열될 수 있다. 이에 의해 상기 소수성기들은 상기 코어의 반대방향 즉, 상기 용매 쪽을 향하게 된다. 다른 예를 들면, 상기 이중 블록 공중합체 그룹이 로드 형태로 배열되는 경우, 상기 로드의 길이 방향을 따라 형성되는 중심 축을 향해, 상기 이중 블록 공중합체들의 친수성기들이 배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 소수성기는 상기 로드의 중심 축의 반대 방향, 즉 용매를 향해 배열될 수 있다. 또한, 상기 이중 블록 공중합체들이 라멜라 구조로 형성되는 경우, 상기 친수성기는 상기 라멜라 구조의 중심을 향해 배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 소수성기는 상기 용매를 향해 배열될 수 있다.
상기 이중 블록 공중합체가 용해된 상기 용매에 나노 전구체를 첨가한다. 상기 나노 전구체는 상기 이중 블록 공중합체의 어느 한 기에 부착될 수 있다(S202). 상기 나노 전구체는, 전하를 트랩할 수 있는 물질의 전구체일 수 있다. 또한, 상기 나노 전구체는 이온 상태일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 전구체는, 금속 이온 또는 금속 화합물 이온을 포함할 수 있다. 상기 나노 전구체는 상기 금속 이온 또는 금속 화합물이온의 짝이온과 함께 상기 용매에 첨가될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노 전구체는 상기 이중 블록 공중합체의 친수성기에 부착될 수 있다. 즉, 상기 나노 전구체는 이중 블록 공중합체들이 이루는 그룹의 중심에 배열될 수 있다. 이는 상기 친수성 중합체의 친수성기와 상기 나노 전구체 모두 극성을 갖는 것에 기인할 수 있다.
상기 나노 전구체가 상기 친수성기에 부착되는 것에 의해, 상기 나노 전구체 의 상기 용액 내에서의 용해도가 향상될 수 있다. 상기 나노 전구체 및 상기 나노 전구체의 짝이온이 비극성 용매 내에 제공되는 경우, 상기 나노 전구체의 상기 용매에 대한 용해도는 현저히 떨어질 수 있다. 이에 따라, 용해되지 못한 복수의 나노 전구체들이 응집(aggregation)될 수 있다. 이에 의해 상기 나노 전구체들을 이용하여 형성되는 유기 절연층의 절연 특성이 현저하게 저하될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예들에 따라, 친수성기와 소수성기를 갖는 이중 블록 공중합체들 및 용매를 포함하는 용액 내에 상기 나노 전구체들을 제공하는 경우, 유기 절연층의 절연 특성이 크게 향상될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 나노 전구체들이 이온 상태인 경우, 상기 나노 전구체들은 상기 이중 블록 공중합체 내의 친수성 기에 친화력을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 전구체들은 상기 용매에 용해되어 용액 내에 적절하게 분산될 수 있다. 따라서, 상기 나노 전구체들에 의해 형성되는 나노 입자들도 상기 유기 절연층용 조성물 내에서 응집되지 않으므로, 이후 형성되는 유기 절연층의 절연 특성이 향상될 수 있다.
상기 용액에 산화제 또는 환원제가 첨가될 수 있다(S203). 상기 산화제 또는 환원제에 의해 상기 나노 전구체가 산화 또는 환원되어 나노 입자(143)가 형성될 수 있다. 이에 의해 형성되는 나노 입자(143)는 중성 원자 또는 중성 분자일 수 있다. 이와 달리, 상기 나노 입자(143)는 이온 상태로 존재할 수도 있다. 상기 나노 입자(143)는 상기 이중 블록 공중합체에 둘러싸일 수 있다. 이에 의해, 이중 블록 공중합체와 나노 입자를 포함하는 유기 절연층용 조성물이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 형성된 상기 유기 절연층용 조성물은 상기 활성층(131) 상 에 도포될 수 있다. 상기 유기 절연층용 조성물은 스핀 코팅 공정에 의해 상기 활성층(131) 상에 도포될 수 있다.
이후, 열처리 공정이 수행될 수 있다(S204). 상기 열처리 공정에 의해, 상기 유기 절연층(141)이 형성될 수 있다. 상기 열처리 공정은 상기 이중 블록 공중합체 고분자의 유리 전이 온도(Tg)와 같거나 높은 온도를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 열처리 공정에 의해, 상기 이중 블록 공중합체의 친수성 중합체(145)와 소수성 중합체(147)가 상분리 될 수 있다. 상기 친수성 중합체(145) 그룹과 이에 둘러싸인 나노 입자들(143)은 상기 유기 절연층(141) 내의 중심부에 배치될 수 있다. 상기 소수성 중합체(145)는 상기 유기 절연층(141)의 가장자리부분에 배치될 수 있다. 즉, 상기 친수성 중합체(143)와 소수성 중합체(147)의 자기 조립(self-assembly)에 의해, 나노 입자들(143)과 이를 둘러싸는 친수성 중합체들(145)이 유기 절연층(141)의 중심부로 이동하고, 소수성 중합체들(147)은 상기 유기 절연층(141)의 가장자리로 이동할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유기 절연층(141)의 형성방법은 공정 효율성을 향상시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 유기 절연층(141)은 상기 활성층(131) 상에 유기 절연층용 조성물을 도포하고 열처리 공정을 수행하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이 때 형성되는 상기 유기 절연층(141)은 전하를 저장할 수 있는 전하 저장부와 상기 전하가 외부의 도전 요소들과 연결되지 않도록 둘러싸는 절연부를 모두 가질 수 있다. 전하 저장부와 절연부를 모두 갖춘 막을 형성하기 위해서는 전하 저장물질층을 형성하는 공정과 상기 전하저장물질층을 다른 전기적 요소들로부터 절연시키기 위한 복수개의 절연막을 형성하는 공정들이 수행되어야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 유기 절연막의 형성 방법에 의하면, 최소화된 공정으로 전하 저장부와 절연부를 모두 갖는 막이 형성될 수 있다. 이에 따라서, 공정 효율성이 향상될 수 있다.
상기 유기 절연층(141) 상에 게이트 전극(151)이 형성될 수 있다. 상기 게이트 전극(151)은 상기 유기 절연층(141) 상에 도전막을 형성한 후, 상기 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다.
이하에서, 상술한 유기 절연층용 조성물의 제조방법이 상세하게 설명된다. 설명되는 제조방법은 본 발명의 기술적 사상이 구현되는 일 예를 설명하는 것이다.
용매에 친수성기와 소수성기를 포함하는 이중 블록 공중합체를 용해시켜 절연막 용액을 제조한다. 본 실시예에서는 톨루엔(toluene) 및 자일렌(xylene)을 포함하는 비극성 유기 용매에서 선택된 용매가 사용되었다. 상기 친수성 중합체와 소수성 중합체는 다양한 중합체들 중에서 선택될 수 있으나, 본 실시예에서는, 평균 분자량이 약 10,000인 poly(2-vinyl pyridine)을 친수성 중합체로, 평균 분자량이 약 55,000인 polystyrene을 소수성 중합체로 사용하였다. 상기 중합체들을 상기 용매에 완전히 용해시켜 형성된 용액을 필터링한다. 상기 필터링에 의해, 상기 용액에 잔류하는 불순물들이 제거될 수 있다. 이 실시예에서 형성되는 이중 블록 공중합체는 하기의 화학식 1으로 표현될 수 있다. 이와 달리, 상기 친수성 중합체로 poly(4-vinyl pyridine)을 사용한 경우, 하기의 화학식 2의 이중 블록 공중합체가 형성될 수 있다. 하기 식에서 n은 이중 블록 공중합체 내의 소수성 중합체의 부피비이고, m은 친수성 중합체의 부피비이며 n+m=1을 만족한다.
Figure 112009017501939-pat00001
Figure 112009017501939-pat00002
상기 용액 내의 상기 이중 블록 공중합체의 농도는 임계 미셸 농도(critical micelle concentration) 이상일 수 있다. 상기 이중 블록 공중합체들은 상기 용액 내에서 그룹을 지어 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 이중 블록 공중합체들은 미셸(micelle), 로드(rod) 또는 라멜라(lamella) 구조로 배열될 수 있다. 상기 이중 블록 공중합체 내에서 상기 친수성기를 포함하는 중합체의 부피비는 0.05 내지 0.65 일 수 있다.
상기 이중 블록 공중합체들의 소수성기들은 상기 이중 블록 공중합체 그룹의 가장자리를 향하도록 배열될 수 있다. 이러한 현상은 상기 친수성기를 포함하는 부분과 소수성기를 포함하는 부분 사이의 상호 척력에 의해 서로 밀어내려는 특성과, 두 부분들 사이의 계면 면적을 최소화하려는 특성에 기인할 수 있다. 이에 따라, 상기 친수성기는 상기 그룹의 중심을 향하게 된다. 일 실시예에서, 상기 이중 블록 공중합체들이 미셸 구조로 배열되는 경우, 상기 이중 블록 공중합체들은 상기 친수성기들은 상기 미셸 구조의 중심을 향할 수 있다.
상기 이중 블록 공중합체를 포함하는 용액에 나노 전구체를 첨가한다. 상기 나노 전구체는 이온 상태의 나노 입자를 포함할 수 있다. 상기 나노 전구체는, 상기 나노 전구체의 짝이온과 이온 결합된 상태로 상기 용액 내에 제공될 수 있다. 본 실시예에서는 사염화금산(tetrachloroauric acid, HAuCl4·3H2O)을 상기 용액에 첨가하였다. 상기 사염화금산은 나노 전구체인 금 이온(Au3+)과 이의 짝이온들로 구성된 화합물이다. 상기 나노 전구체는 상기 친수성 중합체의 친수성 기에 부착될 수 있다. 상기 나노 전구체는 나노 전구체 단독 또는 짝이온과 결합을 이룬 채로 상기 친수성기에 부착될 수 있다. 상기 부착에 의해 나노 전구체-친수성 중합체 유닛(unit)이 형성될 수 있다. 상기 나노 전구체의 첨가량은, 상기 용액 내에서의 나노 전구체-친수성 중합체 유닛의 몰농도가 0.1 내지 0.3이 되도록 조절될 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 효과가 설명된다. 도 4는 도 1a 및 도 1b에 도시된 유기 박막 트랜지스터의 전류-전압 특성을 보여주는 그래프이다. 그래프의 x축은 게이트 전압(Vg)를, y축은 드레인 전류(Id)를 나타낸다. 상기 유기 박막 트랜지스터의 유기 절연층(141)은 상술한 제조방법에 의해 형성된 유기 절연층용 조성물을 사용하여 형성하였다. 본 실시예에서는 PMOS형 트랜지스터가 사용되었다.
프로그램 동작을 설명하면, 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에 드레인 전압(Vd)이 인가된다. 상기 드레인 전압(Vd)의 인가에 의해, 상기 활성층(131) 내에 상기 전압에 비례하는 전하가 흐르게 된다. 상기 게이트 전극(151)에 게이트 전압(Vg)이 인가된다. 프로그램 동작시 상기 게이트 전극(151)는 양의 전압이 인가될 수 있다. 본 실시예에서는 90V가 상기 게이트 전극(151)에 인가되었다. 상기 게이트 전압(Vg)의 인가에 의한 전기장에 의해 상기 활성층(131) 내의 전하가 상기 유기 절연층(141)의 절연부를 터널링하여 상기 유기 절연층(141)의 전하 저장부에 트랩될 수 있다. 본 실시예에서, 전하는 전자일 수 있다. 상술한 바대로, 상기 유기 절연층(141)의 절연부는 소수성 중합체를 포함하고, 상기 유기 절연층(141)의 전하 저장부는 나노 입자(143) 및 상기 나노 입자(143)를 둘러싸는 친수성 중합체(145)를 포함할 수 있다. 전하들이 상기 전하 저장부로 트랩됨에 따라, 상기 유기 박막 트랜지스터를 포함하는 셀에 데이터가 저장될 수 있다. 이 때, 상기 소오스/드레인 전극(121, 122)에 전압을 인가하면, 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에는 상대적으로 높은 전류가 흐르게 된다.(도 5의 -●-)
소거 동작을 설명하면, 상기 게이트 전극(151)에 음의 전압이 인가된다. 본 실시예에서는 -90V가 상기 게이트 전극(151)에 인가되었다. 이 경우, 상기 유기 절연층(141)의 전하 저장부에 저장된 전하들이 다시 상기 활성층(131)으로 이동될 수 있다. 이에 의해, 상기 유기 박막 트랜지스터를 포함하는 셀의 데이터가 소거될 수 있다. 이때, 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에 전압을 인가하면, 상기 소오스 전극(121)과 드레인 전극(122) 사이에는 상대적으로 낮은 전류가 흐르게 된다.(도 5의 -▼-)
도 5의 그래프에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 트랜지스터로 동작하기에 적합한 전류-전압 커브 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 나타내는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 유기 박막 트랜지스터의 형성방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 소오스 전극과 드레인 전극;
    상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 기판 상의 활성층;
    상기 활성층을 제어하는 게이트 전극; 및
    상기 활성층과 게이트 전극 사이의 유기 절연층을 포함하되,
    상기 유기 절연층은 금속 나노 입자, 상기 금속 나노 입자를 둘러싸며 친수성기를 포함하는 친수성 중합체들, 및 소수성기를 포함하는 소수성 중합체들을 포함하는 유기 박막 트랜지스터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 입자를 포함하는 친수성 중합체와 상기 소수성 중합체는 이중 블록 공중합체를 구성하는 유기 박막 트랜지스터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 중합체들은, 상기 친수성기가 상기 금속 나노 입자를 향하도록 배열되는 유기 박막 트랜지스터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 금속 또는 금속 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소수성 중합체들은 상기 유기 절연층의 가장자리에 배치되는 유기 박막 트랜지스터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 복수개가 그룹을 이루어 존재하며,
    상기 유기 절연층 내에 복수의 나노 입자 그룹들이 서로 이격되어 배치되는 유기 박막 트랜지스터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 상기 활성층 및 상기 게이트 전극으로부터 이격된 유기 박막 트랜지스터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 중합체의 유전율은 상기 소수성 중합체의 유전율보다 높은 유기 박막 트랜지스터.
  9. 기판 상에 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 것;
    상기 소오스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 상기 기판 상에 활성층을 형성하는 것;
    상기 활성층 일 면 상에 게이트 전극을 형성하는 것; 및
    상기 활성층과 상기 게이트 전극 사이에 유기 절연층을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 금속 나노 전구체 및 친수성기(hydrophilic group)를 포함하는 친수성 중합체들과 소수성기(hydrophobic group)를 포함하는 소수성 중합체들로 구성된 이중 블록 공중합체들을 포함하는 유기 절연층용 조성물을 제공하는 것을 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기 절연층용 조성물은:
    상기 이중 블록 공중합체의 친수성기 및 소수성기 중 선택된 제1 기(first group)와 인접한 상기 금속 나노 전구체; 및
    상기 이중 블록 공중합체의 친수성기 및 소수성기 중 선택된 제2 기(second group)에 친화력을 갖는 용매를 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 기는 친수성 기이고, 상기 용매는 비극성 유기 용매인 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 상기 금속 나노 전구체를 산화 또는 환원시키는 것을 더 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 유기 절연층을 형성하는 것은, 상기 이중 블록 공중합체의 친수성 중합체들과 소수성 중합체들이 자기 조립(self-assembly)되는 것을 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속 나노 전구체는 상기 자기 조립된 친수성 중합체들에 의해 둘러싸인 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기 절연층용 조성물 내의 상기 이중 블록 공중합체의 농도는 임계미셀농도(critical micelle concentration) 이상인 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 이중 블록 공중합체 내에서, 친수성기를 갖는 중합체의 부피비는 0.05보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같은 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 유기 절연 조성물에 유리 전이 온도보다 높은 온도를 제공하는 것을 더 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 형성방법.
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