KR101627585B1 - 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재; 기재상에 형성된 게이트 전극; 기재상에 형성되고, 게이트 전극과 전기적으로 절연된 소스 전극 및 드레인 전극; 기재상에 형성되고, 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하며, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층; 및 기재상에 형성되고, 게이트 전극을 소스 전극, 드레인 전극, 및 유기 반도체층과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 포함하는 유기 트랜지스터가 제공된다. 이에 의하여, 착용자의 움직임에 따른 휘어짐 및 늘어남에도 소자의 기계적 안정성이 보장되어 소자 변형이 최소화되고 전기적 특성도 유지될 수 있으며, 유기 트랜지스터의 유기 반도체층을 구성하는 유기반도체 파이버를 광반응성 또는 화학반응성을 구비한 것으로 사용함으로써 의복이나 인체에 착용하는 보호장구 등에 광센서 또는 화학센서의 기능을 부여할 수 있다.
Description
본 발명은 유기 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 텍스타일 기반의 기재 및 유기 반도체 파이버를 이용한 유기 반도체층을 포함하여 유연성을 향상시킨 유기 트랜지스터 및 그 제조방법, 이를 이용한 광센서 및 화학센서에 관한 것이다.
움직임이 동반되는 상태에서 구동이 가능해야 하는 인체 부착형 전자기기는 반드시 플렉서블 일렉트로닉스 기술이 필요하다. 전자기기를 사람의 몸에 부착하거나, 유연성 있는 전자기기로 특별히 제작된 옷 등은 입거나, 몸에 접촉함으로써 착용자의 체온, 혈압, 심전도 등의 바이탈 사인을 체크하여 건강상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있고, 외부환경을 실시간으로 감지하여 착용자로 하여금 쾌적한 환경에서 생활할 수 있도록 하는 등 활용도가 높다.
이와 같은 기술은, 도입기 또는 도입기에서 성장기로 접어드는 단계에 있는 것으로 판단되고, 관련 기술들의 개발 및 상용화가 진행 중에 있어 상용화 가능성은 높은 것으로 판단된다. 또한 본 기술은 파이버를 사용하는 의류, 의약, 전자 분야의 모든 제품과 서비스에 적용 가능하고 타 산업에 대한 파급효과도 비교적 클 것으로 여겨진다.
그러나, 인체 부착형 또는 의류형 전자기기를 제조하기 위해서는 유연성 기판 연구가 최우선적으로 선행되어야 하고, 특히, 의류형 전자기기를 제조하기 위해서는 텍스타일 형태의 기판 위에서 제조하는 것이 필요하다. 하지만, 현재까지 개발된 기술은 기존 텍스타일 소재 위에 완성된 전자소자를 붙이는 수준에 불과하여 착용자의 움직임에 따른 휘어짐, 늘어남에 따라 소자가 훼손되는 등 기계적 물성이 떨어지고, 결과적으로 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 의복 등에 적용할 수 있는 텍스타일을 기재로 도입하고, 유기 반도체층에 유기반도체 나노파이버를 도입함으로써 착용자의 움직임에 따른 휘어짐 및 늘어남에도 소자의 기계적 안정성이 보장되어 소자 변형이 최소화되고 전기적 특성도 유지될 수 있는 유기 트랜지스터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터를 이용하여 광센서 또는 화학센서를 제조함으로써 의복이나 인체에 착용하는 보호장구 등에 광센서 또는 화학센서의 기능을 부여할 수 있도록 하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재; 상기 기재상에 형성된 게이트 전극; 상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 절연된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 기재상에 형성되고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하며, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층; 및 상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극을 상기 소스 전극, 드레인 전극, 및 상기 유기 반도체층과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 포함하는 유기 트랜지스터가 제공된다.
상기 기재는 상기 완충부가 상기 파이버의 표면 및 상기 파이버 간의 공간에 형성되어 평탄화될 수 있다.
상기 유기 트랜지스터가, 파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재; 상기 기재 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 위치하고, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층;을 포함할 수 있다.
상기 유기 반도체 파이버가 하기 구조식 1로 표시되는 중합체일 수 있다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1 내지 C20 알킬기이고,
n이 반복단위의 반복수이고,
상기 중합체의 중량평균 분자량(Mw)이 10,000 내지 1,000,000이다.
상기 유기 반도체 파이버가 PQT-12(poly(3,3-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), 및 PNDI(poly(naphthalene diimide)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기 반도체 파이버가 PEO(poly(ethylene oxide)), PCL(poly(-caprolactone)), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PS(polystyrene), 및 PVP (poly(vinyl pyrrolidone)) 중에서 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
상기 유기 반도체 파이버는 직경이 0.01 내지 100㎛일 수 있다.
상기 텍스타일이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스터(polyester), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane) 및 나일론(Nylon 6-6) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 완충부가 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 에코플렉스(Ecoplex®) 및 SBS(poly(styrene-block-butadiene-styrene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 완충부가 가교된 고분자 화합물 또는 탄성 고분자 화합물일 수 있다.
상기 기재는 두께가 10 내지 500㎛일 수 있다.
상기 절연층이 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 페릴렌(perylene), Cytop(CTL-809M, Asahi Glass), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), PI(polyimide) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 절연층은 두께가 0.1 내지 10㎛일 수 있다.
상기 게이트 전극이 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 파이버를 포함하는 텍스타일을 준비하는 단계(단계 a); 상기 파이버의 표면 및 상기 파이버 간의 공간에 완충부를 형성하여 표면이 평탄화된 기재를 제조하는 단계(단계 b); 상기 기재 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 c); 상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 절연층을 형성하는 단계(단계 d); 상기 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(단계 e); 및 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층을 형성하는 단계(단계 f);를 포함하는 유기 트랜지스터의 제조방법이 제공된다.
단계 b가 모노머 및 올리고머 중에서 선택된 1종 이상, 가교제 및 용매를 혼합한 혼합물을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 가교시킴으로써 고체의 완충부를 포함하는 기재를 제조하는 단계일 수 있다.
단계 b가 탄성 고분자가 포함된 용액을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 용매를 증발시킴으로써 완충부를 포함하는 기재를 제조하는 단계일 수 있다.
단계 f가, 반도체 고분자 및 유기용매를 혼합하여 유기 반도체 고분자 용액을 제조하는 단계(단계 f-1); 상기 유기 반도체 고분자 용액을 전기방사하여 유기 반도체 파이버를 제조하는 단계(단계 f-2); 및 상기 유기 반도체 파이버를 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 부착하여 유기 반도체층을 형성하는 단계(단계 f-3);를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 유기 트랜지스터를 포함하는 전자소자가 제공된다.
상기 전자소자가 광센서 또는 화학센서일 수 있다.
본 발명은 의복 등에 적용할 수 있는 텍스타일을 기재로 도입하고, 유기 반도체층에 유기반도체 나노파이버를 도입한 유기 트랜지스터를 제조함으로써 착용자의 움직임에 따른 휘어짐 및 늘어남에도 소자의 기계적 안정성이 보장되어 소자 변형이 최소화되고 전기적 특성도 유지될 수 있다.
또한, 유기 트랜지스터의 유기 반도체층을 구성하는 유기반도체 파이버를 광반응성 또는 화학반응성을 구비한 것으로 사용함으로써 의복이나 인체에 착용하는 보호장구 등에 광센서 또는 화학센서의 기능을 부여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 유기 트랜지스터의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 유기 트랜지스터의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 개략적인 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 10×10 광센서 어레이(array)의 개략도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 측단면 SEM 이미지(a) 및 광학 이미지(b)이다.
도 6은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 채널층을 이루는 유기 반도체 파이버의 광학 현미경 이미지(a) 및 SEM 이미지(b)를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 전달(transfer)특성(a) 및 출력특성(b)을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 기계적 안정성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 유기반도체 물질의 다양한 형태에 따른 광흡수 파장의 비교 분석결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 다양한 광조건에서의 전달특성(a) 및 실시간 광센싱 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 광센싱 매트릭스(10×10)의 한 지점에 다색광 소스를 노출시키는 그림(a), 및 빛의 노출에 따른 광센싱 매트릭스의 광센싱 맵(b)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 유기 트랜지스터의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 개략적인 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 10×10 광센서 어레이(array)의 개략도이다.
도 5는 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 측단면 SEM 이미지(a) 및 광학 이미지(b)이다.
도 6은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 채널층을 이루는 유기 반도체 파이버의 광학 현미경 이미지(a) 및 SEM 이미지(b)를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 전달(transfer)특성(a) 및 출력특성(b)을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 기계적 안정성을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 유기반도체 물질의 다양한 형태에 따른 광흡수 파장의 비교 분석결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 다양한 광조건에서의 전달특성(a) 및 실시간 광센싱 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 광센싱 매트릭스(10×10)의 한 지점에 다색광 소스를 노출시키는 그림(a), 및 빛의 노출에 따른 광센싱 매트릭스의 광센싱 맵(b)을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 "알킬(alkyl)기"란 별도의 정의가 없는 한, 직쇄형, 분쇄형 또는 환형의 지방족 탄화수소기를 의미한다. 알킬기는 어떠한 이중결합이나 삼중결합을 포함하고 있지 않은 "포화알킬(saturated alkyl)기"일 수 있다.
알킬기는 적어도 하나의 이중결합 또는 삼중결합을 포함하고 있는 "불포화알킬(unsaturated alkyl)기"일 수도 있다.
예를 들어, C1 내지 C4 알킬기는 알킬쇄에 1 내지 4개의 탄소원자, 즉, 알킬쇄는 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, n-부틸, 이소-부틸, sec-부틸 및 t-부틸로 이루어진 군에서 선택됨을 나타낸다.
구체적인 예를 들어 상기 알킬기는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 에테닐기, 프로페닐기, 부테닐기, 시클로프로필기, 시클로부틸기, 시클로펜틸기, 시클로헥실기 등을 의미한다.
이하, 본 발명의 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터는 파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재; 상기 기재상에 형성된 게이트 전극; 상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 절연된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 기재상에 형성되고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하며, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층; 및 상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극을 상기 소스 전극, 드레인 전극, 및 상기 유기 반도체층과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 포함한다.
본 발명의 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터는 바텀-게이트 바텀-컨텍트(bottom-gate bottom-contact), 바텀-게이트 탑-컨텍트(bottom-gate top-contact bottom-contact), 탑-게이트 바텀-컨텍트(top-gate bottom-contact) 또는 탑-게이트 탑-컨텍트(top-gate top-contact) 일 수 있으며, 경우에 따라 다양한 형태로 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터의 측단면도이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 유기 트랜지스터의 설명은 바텀-게이트 바텀-컨텍트(bottom-gate bottom-contact)을 기준으로 설명하나 본 발명이 범위가 여기에 한정되지 않는다.
본 발명의 텍스타일 기반의 유기트랜지스터는 파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재; 상기 기재 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 및 상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 위치하고, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층;이 포함된다.
상기 유기 반도체 파이버가 하기 구조식 1로 표시되는 중합체를 포함할 수 있다.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자 또는 C1 내지 C20 알킬기이고,
n이 반복단위의 반복수이고,
상기 중합체의 중량평균 분자량(Mw)이 10,000 내지 1,000,000이다.
바람직하게는, 상기 유기반도체 파이버는 상기 유기 반도체 파이버가 PQT-12(poly(3,3-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), PNDI(poly(naphthalene diimide)) 등일 수 있고, 더욱 바람직하게는 PQT-12일 수 있다.
유기반도체 파이버로서 구조식 1로 표시되는 화합물을 예시하였으나, 전기방사가 가능하여 파이버 형태로 형성될 수 있는 유기반도체는 모두 적용될 수 있으며, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
상기 유기반도체 파이버는 상기 유기반도체 파이버가 PEO(poly(ethylene oxide)), PCL(poly(-caprolactone)), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PS(polystyrene), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)) 등을 추가로 포함할 수 있다. 이에 따라, 전기방사에 따른 파이버의 제조에서 점성을 향상시켜 파이버의 제조를 용이하게 할 수 있다.
상기 유기반도체 파이버는 직경이 0.01 내지 100㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 5㎛일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 0.1 내지 3㎛일 수 있다.
상기 기재는 완충부가 상기 텍스타일의 파이버 표면 및 파이버간의 공간에 형성되어 표면이 평탄화된 것일 수 있다. 이에 따라 기재상에 게이트 전극, 소스 및 드레인 전극 등의 구조가 용이하게 부착될 수 있다.
상기 기재에 포함되는 상기 텍스타일은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스터(polyester), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane), 나일론(Nylon 6-6) 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않고, 텍스타일을 제조할 수 있고, 트랜지스터를 부착할 수 있는 가능한 모든 고분자 물질을 적용할 수 있다.
상기 완충부는 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 에코플렉스(Ecoplex®)등이나, SBS(poly(styrene-block-butadiene-styrene))와 같은 탄성 블록 공중합체를 적용될 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며, 텍스타일의 파이버상 및 파이버간의 공간에 들어가 텍스타일의 표면을 평탄화하고, 트랜지스터가 부착될 수 있는 가능한 모든 물질이 적용될 수 있다.
상기 완충부는 저분자 화합물이 가교제에 의해 가교된 고분자 화합물인 것이 바람직하다.
상기 완충부를 포함한 기재는 그 두께가 10 내지 500㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 400㎛, 더욱 더 바람직하게는 30 내지 300㎛일 수 있다.
상기 절연층은 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 페릴렌(perylene), Cytop(CTL-809M, Asahi Glass), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), PI(polyimide), 산화알루미늄(Al2O3) 등일 수 있다.
상기 절연층은 두께가 0.1 내지 10㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 5㎛, 더욱 더 바람직하게는 0.5 내지 2㎛일 수 있다.
상기 게이트 전극은 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금 및 니켈 등의 금속이나, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 전도성 고분자 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며 전극의 기능을 수행할 수 있는 물질이 적용될 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금 및 니켈 등의 금속이나, 그래핀, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 전도성 고분자 등일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며 전극의 기능을 수행할 수 있는 물질이 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터의 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 파이버를 포함하는 텍스타일을 준비한다(단계 a).
다음으로, 상기 파이버의 표면 및 상기 파이버 간의 공간에 완충부를 형성하여 표면이 평탄화된 기재를 제조한다(단계 b).
구체적으로, 상기 완충부를 구성하는 모노머 및 올리고머 중에서 선택된 1종 이상, 가교제 및 용매를 혼합한 혼합물을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 가교시킴으로써 고체의 완충부를 제조할 수 있다.
또한, 다른 방법으로는 탄성 고분자가 포함된 용액을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 용매를 증발시킴으로써 완충부를 형성할 수도 있으며, 완충부를 형성하는 방법은 상기 방법에 한정되지 않는다.
다음으로, 상기 기재 상에 게이트 전극을 형성한다(단계 c).
이후, 상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 절연층을 형성한다(단계 d).
상기 절연층은 별도의 기판에 코팅하여 열처리에 의해 박막을 형성하고, 이를 상기 기판에 전사하는 방법으로 수행할 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
다음으로, 상기 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한다(단계 e).
이후, 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층을 형성한다(단계 f).
구체적으로, 반도체 고분자 및 유기용매를 혼합하여 유기 반도체 고분자 용액을 제조한다(단계 f-1).
이후, 상기 유기 반도체 고분자 용액을 전기방사하여 유기 반도체 파이버를 제조한다(단계 f-2).
다음으로, 상기 유기 반도체 파이버를 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 부착하여 유기 반도체층을 형성한다(단계 f-3).
단계 f-2 및 단계 f-3은 별도로 순차적으로 수행될 수 있으나, 전기방사에 따른 유기 반도체 파이버의 제조와 함께 동시에 부착시킬 수도 있다.
본 발명은 상술한 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터를 포함하는 광센서를 제공한다. 이때, 상기 유기 트랜지스터에 포함되는 유기반도체 파이버는 광 반응성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상술한 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터를 포함하는 화학센서를 제공한다. 이때, 상기 유기 트랜지스터에 포함되는 유기반도체 파이버는 특정 화학물질에 대해 반응성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
[실시예]
실시예
1:
텍스타일
기반의 유기 트랜지스터 제조
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유기 트랜지스터의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 유기 트랜지스터의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
평직 Poly(ethylene terephthalate) (PET) 텍스타일 상에 polydimethylsiloxane PDMS 모노머 및 가교제(Sylgard® 184, silicon elastomer curing agent (Dow Corning Corporation)) 10:1 중량비로 섞은 액체 상태의 혼합물을 놓고 80℃에서 6시간 동안의 열처리를 통하여 가교(crosslinking)시킴으로써 고체 상태의 PDMS 버퍼 층을 형성시켰다. 버퍼 층이 형성된 PET 텍스타일 기판 위에 크롬(5 nm) 및 금(100 nm)을 순서대로 섀도우 마스크(shadow mask)를 통하여 열증착함으로써 게이트 전극을 형성하였다. PDMS 절연층 형성을 위하여 PDMS 저중합체, 가교제, 및 트리클로로에틸렌 용매를 10:1:3의 중량비로 섞은 용액을 옥타데실트라이메톡시실레인(octadecyltrimethoxysilane, OTS) 처리된 실리콘 옥사이드 기판 위에 스핀코팅하였고, 이를 150℃에서 1시간 동안 열처리하여 가교시킴으로써 PDMS 절연체 박막을 형성하였다.
이후, 상기 PDMS 절연체 박막을 게이트 전극이 형성된 기판 위에 전사하였다. 전사 후 섀도우 마스크를 통하여 열증착법으로 금 박막 (40 nm)을 형성하여 소스/드레인 전극으로 사용하였다.
이후, 소스/드레인 전극이 형성된 기판상에 PQT-12와 poly(ethylene oxide) (PEO)가 2:1의 중량비로 섞여 있는 혼합물과 클로로벤젠 용매를 사용한 혼합용액(10 wt%)을 직접 전기 방사하여 채널층을 형성하였다. 전기 방사 시, 내부 직경이 0.33 mm인 단일 노즐을 이용하여 15kV의 전압 하에서 10㎕ min-1의 속도로 용액을 공급하며 진행되었다. 이때, 시편과 노즐 사이의 거리는 약 10cm를 유지하였다.
실시예
2: 광센서의 제조
실시예 1의 유기 트랜지스터가 10×10 어레이로 형성된 텍스타일 기반의 광센서 매트릭스를 제조하였다. 유기 트랜지스터가 10×10 어레이로 이루어진 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
실시예 2에 따라 제조된 10×10 광센서 어레이(array)의 개략도를 도 4에 나타내었다.
비교예
1
PDMS 처리한 PET 텍스타일 기재 대신에, PET 필름을 기재로 사용한 것으로 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
비교예
2
PDMS 처리한 PET 텍스타일 기재 대신에, PDMS 필름을 기재로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
비교예
3
PQT-12와 PEO의 유기반도체 파이버 대신에 PQT-12 박막을 유기 반도체층으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
비교예
4
PQT-12와 PEO의 유기반도체 파이버 대신에 PQT-12와 PEO로 이루어진 박막을 유기 반도체층으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예
1: 유기 트랜지스터의 이미지 및 유기 반도체 파이버의
채널층의
이미지
도 5는 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 측단면 SEM 이미지(a) 및 광학 이미지(b)이고, 도 6은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 채널층을 이루는 유기 반도체 파이버의 광학 현미경 이미지(a) 및 SEM 이미지(b)를 나타낸 것이다.
도 5에 따르면, 유기 트랜지스터가 결함 없이 제조되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예 1에 따른 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터가 높은 유연성을 가진 것을 확인할 수 있다.
도 6에 따르면, 광학현미경 이미지(a)는 유기 반도체 나노파이버가 규칙적으로 배열되고 높은 결정성을 보이는 것으로 나타났다. SEM 이미지(b)는 광학 현미경으로 보는 것과는 달리 거친 표면을 갖는 것으로 나타났고, 이는 PQT-12와 PEO의 조성에 따라 나타난 형태인 것으로 판단된다.
시험예
2: 전기적 특성 분석
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 전달(transfer)특성(a) 및 출력특성(b)을 나타낸 것이다.
도 7에 따르면, 최대 전하이동도는 2.96 x 10-3 cm2 V-1 s-1, I on/I off = 1.86 x 103으로 나타났다.
시험예
3: 기계적 안정성 분석
도 8은 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 기계적 안정성을 분석한 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로 (a)는 구부림 곡률반경 변화에 따른 전달특성, (b)는 다양한 구부림 곡률반경에 따른 온-전류(on-current) 및 오프-전류(off-current)의 변화, (c)는 구부림 반복에 따른 온-전류 및 오프-전류의 변화, (d)는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따른 유기 트랜지스터의 구부림 곡률반경에 따른 온-전류 변화를 비교하여 나타낸 것이다.
도 8의 (a) 및 (b)에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터의 구부림 곡률반경을 6.7, 4.6, 3.5, 2.7, 1.6, 0.75 mm로 변화시키면서 전기적 전달 특성을 분석해 보면, 0.75 mm의 곡률반경까지 구부렸을 때에도 전기적 특성이 유지되는 것으로 나타났다. 다시 말해, 특정의 곡률반경까지 구부렸을 때에도 전기적 특성은 구부리지 않은 때와 거의 차이 없이 유지되어 본 발명의 유기 트랜지스터가 플렉서블한 특성을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 8의 (c)에 따르면, 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터를 1000회까지 구부림을 반복하면서 전기적 특성을 비교하였으나, 1000회의 구부림을 반복하는 동안 전기적 특성의 변화가 거의 나타나지 않았다. 다시 말해, 본 발명의 유기 트랜지스터는 기계적 안정성이 매우 우수함을 알 수 있다.
도 8의 (d)에 따르면, 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터는 다양한 곡률반경의 구부림 시험에서 PET 필름을 사용한 비교예 1, 및 PDMS 필름을 기재로 사용한 비교예 2의 유기 트랜지스터에 비하여 기계적 안정성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
구체적으로, 실시예 1의 유기 트랜지스터는 구부림 시험 이후에도 90.5 %의 온-전류를 유지하는 것으로 나타났으나, 비교예 1은 40.5%만이 유지되었다. PET 기재는 상대적으로 딱딱한 표면을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 비교예 2는 3.5 mm의 곡률반경으로 구부렸을 때 전극이 손상되는 현상이 나타나 기계적 안정성이 매우 낮은 것으로 나타났다. 도 8의 (d)의 결과를 아래의 표 1에 정리하여 나타내었다.
| 구부림 곡률반경 [mm] |
온-전류(on-current)의 상대적 감소율 [%] | ||
| 실시예 1 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 구부림 전 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
| 6.7 | 108.5 | 80.2 | 71.9 |
| 4.6 | 104.9 | 76.3 | 84.0 |
| 3.5 | 102.7 | 66.1 | 깨짐 |
| 2.7 | 98.8 | 58.0 | - |
| 1.6 | 92.4 | 48.2 | - |
| 0.75 | 92.4 | 38.9 | - |
| 구부림 후 회복 | 90.5 | 40.5 | - |
시험예
4:
광흡수
파장 비교
도 9는 다양한 유기반도체 물질의 형태에 따른 광흡수 파장의 비교 분석결과를 나타낸 것이다.
구체적으로, PQT-12 클로로벤젠 용액, PQT-12:PEO(2:1 중량비) 클로로벤젠 용액, PQT-12 박막(비교예 3), PQT-12:PEO(2:1 중량비) 박막(비교예 4) 및 PQT-12:PEO(2:1 중량비) 나노파이버(실시예 1)의 광파장에 따른 흡수율을 비교하여 나타내었다.
도 9에 따르면, 순수한 PQT-12의 용액과 박막의 최대흡수파장(λmax)은 각각 470 nm 및 535 nm로 나타났다. PQT-12:PEO 혼합용액, PQT-12:PEO 박막은 PEO를 첨가하였으나, 최대흡수 파장은 각각 470 nm 및 535 nm로 변화하지 않는 것으로 나타났다. 그러나, PQT-12:PEO 나노파이버는 585 nm로 최대흡수파장이 커져 동일한 성분의 박막에 비해 적색측으로 흡수파장이 이동한 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 전기방사 과정에서 폴리머의 백본이 펴지면서 정렬되어 결정성이 높아졌기 때문인 것으로 판단된다.
아래의 표 2에 유기 반도체의 형태 및 성분에 따른 광흡수 파장을 비교한 결과를 정리하였다.
| 샘플 형태 | 광흡수 파장 λmax [nm] |
|
| 용액(Chlorobenzene) | PQT-12 | 470 |
| PQT-12+PEO | 470 | |
| 박막(Spin-coating) | PQT-12 | 500, 535, 570 |
| PQT-12+PEO | 500, 535, 570 | |
| 싱글 나노파이버 (Electrospinning) |
PQT-12:PEO | 545, 585 |
시험예
5: 다양한
광조건에서의
전달특성 및
광센싱
그래프
도 10은 실시예 1에 따른 유기 트랜지스터의 다양한 광조건에서의 전달특성(a) 및 실시간 광센싱 그래프(b)를 나타낸 것이다.
도 10의 (a)에 따르면, 유기 트랜지스터의 유기 반도체 나노파이버의 광전특성을 암조건, 470, 535, 585, 670 nm의 다양한 파장의 빛을 100μW cm-2 강도로 고정된 단색 레이저 소스와, 공기 중에서 6 mW cm-2의 강도를 갖는 다색의 광소스에서 전달 곡선(transfer curve)을 측정한 것이다.
유기 트랜지스터의 on-current 값은 585 nm 파장 미만에서 현저히 증가하는 것으로 나타났으며, 585 nm 파장은 PQT-12:PEO 나노파이버의 최대 흡수파장이다.
도 10의 (b)에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 유기 트랜지스터에 670 nm 및 470 nm 파장의 광을 각각 켰다 껐다를 반복하며 실시간 광센싱 시험을 한 결과, 670 nm 파장의 광보다 470 nm 파장의 광에서 더 우수한 광반응이 나타났다. 따라서 본 발명의 유기 트랜지스터를 이용하여 광센서로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
시험예
6:
광센싱
매트릭스의
광반응
시험
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 광센싱 매트릭스(10×10)의 한 지점에 다색광 소스를 노출시키는 그림(a), 및 빛의 노출에 따른 광센싱 매트릭스의 광센싱 맵(b)을 나타낸 것이다.
도 11에 따르면, 광센싱 매트릭스의 (2, 1) 위치에 빛을 노출시키자, 해당 위치에 반응이 명확히 나타나는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 유기 매트릭스는 광센서로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (21)
- 파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재;
상기 기재상에 형성된 게이트 전극;
상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 절연된 소스 전극 및 드레인 전극;
상기 기재상에 형성되고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하며, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층; 및
상기 기재상에 형성되고, 상기 게이트 전극을 상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 및 상기 유기 반도체층과 전기적으로 절연시키는 절연층;을 포함하고,
상기 유기 반도체 파이버는 하기 구조식 1로 표시되는 중합체를 포함하는 유기 트랜지스터.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R 2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원 자 또는 C1 내지 C20 알킬기이고,
n이 반복단위의 반복수이고,
상기 중합체의 중량평균 분자량(Mw) 이 10,000 내지 1,000,000이다. - 제1항에 있어서,
상기 기재는 상기 완충부가 상기 파이버의 표면 및 상기 파이버 간의 공간에 형성되어 평탄화된 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 유기 트랜지스터가,
파이버를 포함하는 텍스타일 및 완충부를 포함하는 기재;
상기 기재 상에 위치하는 게이트 전극;
상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 및
상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극 및 드레인 전극; 및
상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 위치하고, 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체 파이버가 PQT-12(poly(3,3-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), 및 PNDI(poly(naphthalene diimide)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체 파이버는 직경이 0.01 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 유기트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 텍스타일이 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에스터(polyester), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane) 및 나일론(Nylon 6-6) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 완충부가 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 에코플렉스(Ecoplex®) 및 SBS(poly(styrene-block-butadiene-styrene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 완충부가 가교된 고분자 화합물 또는 탄성 고분자 화합물인 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 기재는 두께가 10 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 절연층이 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 페릴렌(perylene), Cytop(CTL-809M, Asahi Glass), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), PI(polyimide) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 절연층은 두께가 0.1 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 게이트 전극이 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 구리, 알루미늄, 은, 금, 백금, 니켈, 그래핀, 탄소나노튜브, 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터. - 파이버를 포함하는 텍스타일을 준비하는 단계(단계 a);
상기 파이버의 표면 및 상기 파이버 간의 공간에 완충부를 형성하여 표면이 평탄화된 기재를 제조하는 단계(단계 b);
상기 기재 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 c);
상기 기재 및 상기 게이트 전극 상에 절연층을 형성하는 단계(단계 d);
상기 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(단계 e); 및
상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 유기 반도체 파이버를 포함하는 유기 반도체층을 형성하는 단계(단계 f);를 포함하고,
상기 유기 반도체 파이버는 하기 구조식 1로 표시되는 중합체를 포함하는 유기 트랜지스터의 제조방법.
[구조식 1]
구조식 1에서,
R1 및 R 2는 서로 같거나 다를 수 있고, R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원 자 또는 C1 내지 C20 알킬기이고,
n이 반복단위의 반복수이고,
상기 중합체의 중량평균 분자량(Mw) 이 10,000 내지 1,000,000이다. - 제16항에 있어서,
단계 b가 모노머 및 올리고머 중에서 선택된 1종 이상, 가교제 및 용매를 혼합한 혼합물을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 가교시킴으로써 완충부를 포함하는 기재를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터의 제조방법. - 제16항에 있어서,
단계 b가 탄성 고분자가 포함된 용액을 상기 텍스타일에 가한 후, 열처리에 의해 용매를 증발시킴으로써 완충부를 포함하는 기재를 제조하는 단계인 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터의 제조방법. - 제16항에 있어서,
단계 f가, 반도체 고분자 및 유기용매를 혼합하여 유기 반도체 고분자 용액을 제조하는 단계(단계 f-1);
상기 유기 반도체 고분자 용액을 전기방사하여 유기 반도체 파이버를 제조하는 단계(단계 f-2); 및
상기 유기 반도체 파이버를 상기 절연층, 상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 부착하여 유기 반도체층을 형성하는 단계(단계 f-3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 트랜지스터의 제조방법. - 제1항의 유기 트랜지스터를 포함하는 전자소자.
- 제20항에 있어서,
상기 전자소자는 광센서 또는 화학센서인 것을 특징으로 하는 전자소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150016210A KR101627585B1 (ko) | 2015-02-02 | 2015-02-02 | 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020150016210A KR101627585B1 (ko) | 2015-02-02 | 2015-02-02 | 텍스타일 기반의 유기 트랜지스터 및 그의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR101627585B1 true KR101627585B1 (ko) | 2016-06-07 |
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-
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| KR101893043B1 (ko) | 2017-01-05 | 2018-08-29 | 동국대학교 산학협력단 | 원통형 형상을 가지는 단일의 섬유 가닥에 형성된 자외선 센서 |
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