KR101680433B1 - 롤대롤 그라비아 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법, 박막트랜지스터 백플랜 제조방법, 백플랜 압력센서 및 스마트 장판의 제조방법 - Google Patents

롤대롤 그라비아 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법, 박막트랜지스터 백플랜 제조방법, 백플랜 압력센서 및 스마트 장판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그라비아 인쇄장비(R2R,R2P gravure printing)를 이용하여 저가 및 대량생산이 가능한 100% 인쇄 박막트랜지스터 백플랜 제조 및 센서 배열에 관한 것이다.
본 발명은 그라비아 프린팅 장비를 이용하여 제조하는데, 롤투롤 방식을 이용할 경우 유연한 기판 위에 소스 및 드레인 전극, 절연층, 활성층, 게이트 전극을 각각 중첩 인쇄하여 백플랜을 제조하고, 롤투피 방식을 이용할 경우 유연한 기판 위에 활성층 코팅 후 소스 및 드레인 전극, 절연층, 게이트 전극을 각각 중첩 인쇄하여 백플랜을 제조한다.
본 발명에 의하면 기존의 리소그라피나 에칭 및 고온공정에 비해 많은 장점을 가진 그라비아 인쇄공정을 적용함으로써 저온 및 상압 공정이 가능하며, 대면적 인쇄 및 제조방법이 간단하고, 높은 생산성과 저비용 생산이 가능하다.

Description

롤대롤 그라비아 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법, 박막트랜지스터 백플랜 제조방법, 백플랜 압력센서 및 스마트 장판의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF ROLL-TO-ROLL GRAVURE PRINTED THIN FILM TRANSISTOR, THIN FILM TRANSISTOR BACKPLANE, BACKPLANE PRESSURE SENSOR AND SMART SHEET}
본 발명은 대량생산이 가능한 롤대롤 그라비아 인쇄를 이용하여 박막트랜지스터(이하, 'TFF'라 함), 박막트랜지스터 백플랜(이하, 'TFT-백플랜'이라 함), 백플랜 압력센서를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 에칭, 리소그라피 공정에 의해 TFT-백플랜을 제조하지 않고 롤대롤 그라비아 인쇄방식으로 TFT-백플랜을 제조하여 저가로 대량 생산이 가능하고 연속 롤대롤 공정을 통한 높은 생산성 등의 장점을 가진 TFT-백플랜 제조 기술과 이를 이용한 백플랜 압력센서와 이를 이용한 스마트 장판 제조방법에 관한 것이다.
TFT-백플랜 제조는 지금까지 주로 무결정의 실리콘을 반도체로 하여, 증착 기술과 에칭 공정을 혼용하여 제조하는 TFT 어레이 형태로 제조되는 것이 주된 방법이며, 현재 이렇게 제조된 TFT-백플랜은 디스플레이 한 픽셀의 스위치로 온-오프(on-off)를 수행하여 대면적 LCD TV에서 UHD급 스마트폰에 이르기까지 디스플레이 산업 전반의 핵심 기술로 사용되고 있고, 최근 AM-OLED에는 무정형 실리콘 반도체를 대체하여 보다 전류밀도가 높은 결정형 실리콘 또는 IGZO와 같은 산화물 반도체도 사용되고 있다.
그런데 이러한 TFT-백플랜들은 초대형 벽지 형태의 디스플레이나, 두루마리 형태의 디스플레이, 자유롭게 휨이 가능한 디스플레이에 적용하기에는 물질과 제조 공정 자체가 지닌 고비용과 기계적 유연성의 부족이라는 근본적인 한계가 있어, 21세기 유비쿼터스 사회의 수요에 부응하기 어렵다.
이에 따라 전 세계적으로 제조 비용과 기계적 유연성을 동시에 부여할 수 있는 인쇄 방법을 이용한 TFT-백플랜 제조 기술에 대한 연구가 활발히 수행되고 있는데, 현재까지는 증착과 에칭 방법을 혼용하고 유기 반도체를 이용하여 유연한 TFT-백플랜 제조기술에 대한 보고 외에는, 보다 대량 생산성이 우수하고 생산 비용이 저렴한 TFT-백플랜 제조기술이 제시되지 않고 있다.
Pak Heung Lau, Kuniharu Takei, Chuan Wang, Yeonkyeong Ju, Junseok Kim, Gyoujin Cho, and Ali Javey, "Fully printed, flexible high performance carbon nanotube top gated thin fim transistor" nano Letters, Vol. 13, 3864-3869, (2013).
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 저가, 고속, 대면적, 양산에 있어서 큰 장점을 가진 롤대롤 그라비아 인쇄 기술을 사용한 TFT 및 TFT-백플랜을 제조하는 기술을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조된 TFT-백플랜을 이용한 압력센서와, 이 압력센서를 이용한 스마트 장판을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1측면은, 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식으로, (a) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 게이트 전극 위에 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 절연층 위에 활성층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 박막트랜지스터의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2측면은, 그라비아 잉크 인쇄방식으로, (a) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 게이트 전극 위에 절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 절연층 위에 활성층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 박막트랜지스터의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3측면은, 상기 제1측면 또는 제2측면에 의해 제조된 다수의 박막트랜지스터를 종횡으로 배열해서 게이트 전극과 소스 전극을 연결시키는 방식으로 배선하는 박막트랜지스터 백플랜 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제4측면은, 상기 제3측면에 의해 제조된 박막트랜지스터 백플랜을 구성하는 다수의 박막트랜지스터의 활성층 부위에 압력에 따라 저항이 변하는 물질을 부착하고, 나머지 노출된 부위는 코팅하는 백플랜 압력센서 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제5측면은, 제4측면에 의해 제조된 백플랜 압력센서를 포함하는 시트와 이 시트를 보호할 수 있는 커버 시트를 라미네이팅 하는 스마트 장판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 롤투롤 그라비아 인쇄장비와 롤투피 그라비아 인쇄장비를 이용해서 100% 인쇄공정을 통해 TFT 및 TFT-백플랜을 제조할 수 있어, 종래에 비해 저비용 고생산성의 구현이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 종래의 실리콘 기반 기술을 대체할 수 있을 뿐 아니라, 탄소나노튜브와 각종 인쇄잉크의 활용을 통해, 유연한 디바이스에 적합한 TFT-백블랜을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 제조된 TFT-백블랜을 이용하여 압력센서를 만들 수 있고, 이와 같이 만들어진 압력센서를 이용하여 사람이나 동물의 움직임을 실시간으로 모니터링할 수 있는 스마트 장판을 제조할 수 있다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 사용된 롤투롤 그라비아 장비와 롤투피 그라비아 장비의 도면 대용 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막트랜지스터의 제조공정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 제조공정에 의해 제조된 버텀(bottom) 게이트 구조 박막트랜지스터의 모식도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 제조공정에 의해 기판 위에 인쇄된 게이트 전극, 절연층, 소스 및 드레인 전극을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 5는 도 2의 제조공정에 의해 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 이용해서 인쇄된 박막트랜지스터 및 백플랜을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막트랜지스터의 제조공정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 제조공정에 의해 제조된 톱(top) 게이트 구조 박막트랜지스터의 모식도이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터의 드레인 전압이 -20V일 때, P-type 특성의 IDS-VGS 그래프 및 수율에 대한 모식도이다.
도 9는 본 발명에 의해 제조된 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터의 드레인 전압이 -20V일 때 ION/Ioff 비율(ratio) 분포도이다.
도 10은 본 발명에 의해 제조된 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터의 드레인 전압이 -20V일 때 전도성(Transconductance) 분포도이다.
도 11은 본 발명에 의해 제조된 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터의 드레인 전압이 -20V일 때 문턱 전압(Threshold Voltage) 분포도이다.
도 12는 본 발명에 의해 제조된 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터의 드레인 전압이 -20V일 때 이동성(Mobility) 분포도이다.
도 13은 본 발명에 의해 제조된 인쇄 백플랜을 이용한 압력센서 제조방법 및 적용 방안을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 인쇄 백플랜을 이용해서 제조된 압력센서의 구동 방식을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명에 의해 제조된 압력센서의 활용 방안을 보여주는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 사용된 롤투롤 그라비아 장비와 롤투피 그라비아 장비의 도면 대용 사진이다.
본 발명은 도 1a와 도 1b에 나타낸 롤투롤(R2R) 그라비아 인쇄장비와 롤투피(R2P) 그라비아 인쇄장비를 이용해서 100% 인쇄공정으로 박막트랜지스터와 백플랜을 제조한다.
이와 같이 롤투롤 그라비아 인쇄장비와 롤투피 그라비아 인쇄장비 두 가지 인쇄장비를 이용해서 박막트랜지스터와 백플랜을 제조하는 이유로는 각 인쇄장비가 가진 장점과 단점이 다르기 때문이다.
각 인쇄장비에 대해 간략히 설명하자면 도 1a의 롤투롤 그라비아 인쇄장비는 패턴이 새겨진 롤(Roll) 제판과 압력을 가하는 롤을 이용해서 롤과롤 사이로 지나가는 필름에 패턴을 인쇄하는 장비로, 고속공정, 연속공정, 다층구조 제조가 가능하고 사용되는 잉크 소모량도 적다.
도 1b의 상기 롤투피 그라비아 인쇄장비는 패턴이 새겨진 평면(Plate) 제판과 압력을 가하는 롤을 이용해서 인쇄하는 장비로, 롤투롤 공정에 비해 공정상 비효율적이고 소모 잉크가 많지만 더 높은 중첩 정밀도와 다양한 실험적 접근과 활용에 용이하다.
여기서는 도 1a의 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 이용해서 버텀 게이트(bottom gate) 구조 박막트랜지스터와 백플랜을 제조하는 것을 예를 들어 설명한다.
상기 롤투롤 그라비아 인쇄장비는 2개의 인쇄층을 연속으로 중첩 인쇄할 수 있고, 박막트랜지스터는 총 4개의 인쇄층이 필요하기 때문에 최초 2개 층을 중첩 인쇄 후, 나머지 2개 층을 중첩 인쇄하는 방법으로 박막트랜지스터를 제조한다.
이때 열처리 공정은 각각의 층이 인쇄된 후 롤투롤 그라비아 인쇄장비에 장착된 오븐을 통해서 150℃에서 진행한다.
상기 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 통해 제조되는 박막트랜지스터(10a)는 도 3에 나타낸 바와 같이 플라스틱 기판(1) 위에 게이트 전극(5), 절연층(4), 활성층(2), 소스 및 드레인 전극(3)으로 구성된 버텀(bottom) 게이트 구조를 한다.
제조 순서로는 도 2에 도시된 바와 같이 플라스틱 기판(1)에 게이트 전극(5)을 먼저 인쇄한(S202) 후에 연속적으로 절연층(4)을 인쇄한다(S204).
이때 게이트 전극(5)과 절연층(4) 잉크의 물성이 다르기 때문에 인쇄 압력이나 속도, 블레이딩 조건을 각 층에 맞게 최적화하고, 중첩 인쇄는 마크를 이용해서 진행되므로 선명한 마크 패턴을 인쇄한다.
절연층(4)까지 인쇄가 진행된 필름은 최초 인쇄가 시작된 곳에 다시 세팅 후 추가적으로 활성층(2)과 소스 및 드레인 전극(3)을 중첩 인쇄한다(S206,S208).
활성층(2) 인쇄시(S206) 탄소나노튜브 잉크가 제대로 블레이딩 되지 않고 필름에 묻거나 번지는 문제가 발생하게 되는데, 이는 박막트랜지스터 쇼트특성에 영향을 주기 때문에 블레이딩 조건을 최적화함으로써 박막트랜지스터 채널 영역 이외에 인쇄되는 부분이 없도록 한다.
다음으로 인쇄되는 소스 및 드레인 전극(3)은 채널 영역과 배선에서 번지는 문제가 없도록 잉크 조건 및 인쇄조건을 조정하여 인쇄를 진행한다.
이와 같이 인쇄 조건을 최적화하면 롤투롤 그라비아 인쇄장비가 가진 연속 공정을 이용해서 한번에 많은 박막트랜지스터를 인쇄하여 제조할 수 있다.
상술한 박막트랜지스 제조공정을 좀 더 자세히 설명하면, 먼저 본 발명에 사용된 플라스틱 기판(1)은 PET(polyethylene terephtalate) 소재로써 유연하고 100-150℃에서 내열성이 우수하다.
상기 PET 이외에 폴리메타크릴산메틸(Poly(methylmethacrylate))(PMMA), 폴리이미드(Polyimide(PI)), 폴리카보네이트(Polycarbonate(PC))와 같은 고분자 물질을 기판(1)으로 사용하여 우수한 유연성과 내열성을 갖게 할 수 있다.
이와 같이 PET 기판(필름)(1)을 도 1a의 롤투롤 그라비아 인쇄장비에 장착시킨 후, PET 기판(1)을 롤투롤 그라비아 인쇄장비의 끝까지 보낸다.
그리고 제어시스템을 통해서 PET 기판(1)과 롤투롤 그라비아 인쇄장비 간에 장력을 제어하되, 그 값은 5~7kgf으로 설정한다.
이와 같이 장력이 최적화된 후에 패턴이 새겨진 롤 제판과 잉크가 블레이딩 되는 조건을 최적화한다. 본 발명의 실시예에서는 블레이드 조립조건 : 백블레이드 5mm, 블레이드 5mm , 블레이드 장착 길이 : 11mm, 높이 : 41mm의 조건으로 수행하였다.
이때 블레이딩 조건은 인쇄 롤과 블레이드 간의 마찰력에 따라 잉크가 전이되는 특성에 영향을 주기 때문에 블레이드 소재나 롤과 접촉되는 각도를 고려해서 마찰을 최소화하고, 패턴 이외에 잉크가 누수되는 현상이 없도록 한다.
이렇게 조건을 맞춘 후에 제판 롤과 압력 롤을 접촉시켜서 인쇄압력이 0.6~0.8MPa이 되도록 설정함으로써 인쇄 준비를 완료한다.
도 2에서 PET 기판(1) 위에 인쇄되는(S202) 층은 게이트 전극(5)으로, 사용되는 잉크는 Ag 잉크(제품명: PG-007 Paru Co, Korea)이다.
Ag 잉크를 인쇄하는데 있어서 중요한 요소로는 PET 기판(1)에 제대로 인쇄되기 위한 최적의 점도와 표면 에너지를 맞추는 것이다.
이를 위해서 다양한 표면 활성제나 유기용매를 이용해서 잉크 조건을 설정하게 된다. Ag잉크 최적의 점도와 표면장력은 R2R 그라비아 인쇄시 인쇄속도 6~12 m/min에서 각각 200~500cP, 40~48 N/㎡ 이다.
점도를 맞추기 위해 첨가되는 용매는 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 그리고 표면장력은 에틸아세테이트(Ethyl Acetate)와 같은 표면장력이 낮은 물질을 이용해서 잉크조건을 최종 튜닝한다.
이 Ag 잉크를 이용해서 제판 롤에 공급시키고 인쇄속도를 6~8m/min로 설정해서 인쇄를 진행하여 게이트 전극(5)을 형성한다.
도 4a는 상기 S202단계에 의해 인쇄된 게이트 전극을 보여주는 것으로, 그 두께는 100nm 내지 2000nm인 것이 바람직하다.
또한, 도 2에는 절연층(4)을 게이트 전극(5) 위에 중첩 인쇄시키는데(S204), 이때 사용되는 잉크는 절연 잉크(제품명: PD-100, Paru Co, Korea)이다.
이 경우, 먼저 인쇄된 게이트 전극(5)이 오븐을 거쳐 열처리된 다음, 절연층(4)이 인쇄되는 곳으로 가게 되고, 이때 카메라가 PET 기판(1)에 인쇄된 게이트 전극 마크를 인식해서 그 위에 절연층(4)이 중첩되도록 제어한다.
중첩 설정 완료 후에 게이트 전극(5) 상부에 절연층(4)이 중첩 인쇄된(S204) 후 다시 오븐을 거쳐 열처리되고 끝 부분에서 인쇄를 마치게 된다.
도 4b는 상기 S204단계에 의해 인쇄된 절연층(4)을 보여주는 것으로, 그 두께는 1000nm 내지 3000nm인 것이 바람직하다.
다음으로, 게이트 전극(5)과 절연층(4)이 인쇄된 PET 기판(1)을 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 통해 처음 시작점으로 다시 감기도록 한다.
감긴 필름은 인쇄된 중첩 부분으로 다시 보내져서 활성층(2)을 인쇄한다(S206).
상기 활성층(2)에 사용되는 잉크는 상용화된 단분자 유기반도체, 고분자 유기반도체, 탄소나노튜브와 같은 P타입 특성을 나타내는 물질을 활성 물질로 사용하여 이들을 분산 용해하거나 분산 시킬수 있는 용매에 1-4 wt% 범위로 첨가하여 사용할 수 있으며, N타입 특성을 나타 내기 위해서는 MoS 나노쉬트, ZnSe 나노쉬트를 적합한 용매에 1-4 wt%로 분산하여 활성층 잉크로 사용한다.
상기한 P타입 및 N타입 잉크에는 분산 안정성 및 특성을 높이며 동시에 절연층(4) 표면과의 표면 에너지와 인쇄성을 높이기 위해 사용한 활성 물질의 무게 대비 0.5~1% 범위안에서 고분자 에틸렌옥사이드-블록-고분자 프로필렌 옥사이드 또는 고분자 스티렌-블록-고분자 에틸렌옥사이드를 효과적으로 혼합함으로써 활성층 잉크를 최적화시킨다. 이때, 반도체 물질:반도체 용해용 용매:첨가제의 중량비는 1~4:99~96:0.5~1이 바람직하다.
활성층 잉크는 점도가 낮기 때문에 인쇄시 잉크가 번지는 문제가 발생할 수 있으므로, 블레이딩과 전이시 번지는 문제를 최소화시켜야지만 트랜지스터 제조시 발생되는 쇼트 특성을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 절연층(4) 위에 활성층(2)을 인쇄하는 인쇄 조건으로, 장력 5~7kgf, 인쇄압력 0.6~0.8MPa, 인쇄속도 6~8m/min이다.
상기 S206단계에서 사용되는 잉크로 전술한 P타입 특성의 활성층 대신에 n타입 특성의 무기산화물 또는 챨코젠나이드 형태의 활성층 물질을 사용할 수도 있다.
상기 활성층(2)까지 인쇄된 필름을 S206단계의 설명과 마찬가지로 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 통해 처음 시작점으로 다시 감고 소스 및 드레인 전극(3)을 최종적으로 인쇄하게 한다(S208).
소스 및 드레인 전극(3) 또한 중첩부분을 통해서 인쇄를 진행하고 인쇄 조건 역시 동일하다.
소스 및 드레인 전극(3)에 사용되는 잉크 역시 게이트 전극 인쇄(5)시 사용된 Ag 잉크인데, 게이트 전극(5)과는 다르게 채널영역에서 번지는 문제나 배선이 번지게 되는 문제를 고려하여 점도와 표면 에너지를 새롭게 설정한다.
도 4c는 S208단계에 의해 인쇄된 소스 및 드레인 전극(3)을 보여주는 것으로, 그 두께는 500nm 내지 2000nm인 것이 바람직하다.
이렇게 4개 층을 모두 중첩 인쇄하여 버텀 게이트 구조의 인쇄 박막트랜지스터(10a)를 제조한다.
이와 같이 제조된 박막트랜지스터(10A)는 구동 게이트전압 -20~10V, 드레인 전압 -20V에서 동작 전류(On current) 0.1~10uA, Ion/off 103~5, 이동도 0~10㎠/us이다.
한편, 백플랜 구동을 위해 예를 들어 총 400개의 인쇄 박막트랜지스터를 종횡으로 배열하여(20x20) 게이트 전극과 소스 전극을 연결시키는 방식으로 배선한다.
이때, 백플랜 배선이 중첩되는 부위에 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephtalate), 폴리메타크릴산메틸(Poly(methyl methacrylate), PMMA), 에폭시와 같은 고분자 물질이나 기타 절연 물질을 이용해 절연층을 인쇄한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 인쇄 박막트랜지스터와 백플랜을 보여준다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막트랜지스터의 제조공정을 나타내는 순서도이고, 도 7은 도 6의 제조공정에 의해 제조된 톱(top) 게이트 구조 박막트랜지스터(10b)의 모식도이다.
도 1a나 도 1b에 나타낸 그라비아 인쇄장비를 이용하여 플라스틱 기판(1) 위에 활성층(2)을 인쇄하고, 그 위에 소스 및 드레인 전극(3)을 인쇄한다.
상기 소스 및 드레인 전극(3) 위에 절연층(4)을 형성하고, 그 위에 게이트 전극(5)을 인쇄하여 톱 게이트 구조의 박막트랜지스터(10b)를 제조한다.
이와 같이 제조된 인쇄 박막트랜지스터 다수를 종횡으로 배열해서 게이트 전극과 소스 전극을 연결시키는 방식으로 배선하여 백플랜을 제조한다.
도 2의 제조공정에 의해 롤투롤 그라비아 인쇄장비를 이용해서 인쇄된 백플랜은 예를 들어 총 400(20x20)개의 트랜지스터로 구성된다.
인쇄된 박막트랜지스터에 특성을 평가하기 진행하는데 있어서 P타입 특성과 드레인 전압에 따른 박막트랜지스터 특성 및 총 400개의 박막트랜지스터 특성 평가 및 수율은 도 8에 나타내고, 각 박막트랜지스터의 특성 평가는 도 9 내지 12에 나타낸다.
도 8에서 본 발명에 의해 인쇄된 총 400개의 박막트랜지스터의 수율이 99%임을 알 수 있다.
도 9에서 본 발명에 의해 인쇄된 총 400개의 박막트랜지스터의 온-오프 비율(Log10(ION/IOFF))이 2.4±1.5인 것을 알 수 있다.
도 10에서 본 발명에 의해 인쇄된 총 400개의 박막트랜지스터의 전도도는 64.3±13.0㎲/mm인 것을 알 수 있다.
도 11에서 본 발명에 의해 인쇄된 총 400개의 박막트랜지스터의 문턱전압은 2.4±3.7V인 것을 알 수 있다.
도 12에서 본 발명에 의해 인쇄된 총 400개의 박막트랜지스터의 이동도는 0.12±0.05㎠/Vㆍs 인 것을 알 수 있다.
이러한 특성 평가를 정리하면 아래의 표 1과 같다.
수율 커패시턴스
(nF/㎠)		 채널
L/W(㎛)		 on/off
비율		 전도도
(㎲/mm)		 문턱전압
(V)		 이동도
(㎠/Vㆍs)
99% 7 130/1400 2.4±1.5 64.3±13.0 2.4±3.7 0.12±0.05
도 13은 본 발명에 의해 제조된 인쇄 백플랜을 이용한 압력센서 제조방법 및 적용 방안을 보여주는 도면이고, 도 14는 본 발명의 인쇄 백플랜을 이용해서 제조된 압력센서의 구동 방식을 보여주는 도면이며, 도 15는 본 발명에 의해 제조된 압력센서의 활용 방안을 보여주는 도면이다.
도 15에서 8은 인쇄 백플랜이고, 7은 압력에 민감한 물질이며, 6은 장판, 벽지 또는 내장재이다.
이렇게 제조된 백플랜을 이용해서 디바이스로써 활용가능 여부를 확인하기 위한 다양한 방법들이 존재한다.
예를 들어 백플랜(8)을 압력센서(20)로써 활용할 수 있다.
이 압력센서(20) 활용에 있어서 중요한 것은 압력 유무에 따라 저항이 변하는 재료(물질)(7)인데, 인쇄된 백플랜에는 활성층(8) 역할을 할 수 있는 부분이 각각 박막트랜지스터(10a,10b) 별로 존재하므로 이 활성층에 어떠한 물질을 조합하느냐에 따라 다양한 센서구동과 디스플레이의 역할을 수행할 수 있게 된다.
압력에 따라 저항이 변하는 물질(7)을 백플랜의 활성층(2)에 부착하고 나머지 노출된 부분은 라미네이션이나 페시베이션(passivation) 물질을 이용해서 코팅하게 되면 인쇄 백플랜 압력센서(20)가 만들어진다.
예를 들어, 폴리스틸렌(Polystylene), 폴리메타크릴산메틸(Poly(methyl methacrylate)), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)과 같은 고분자 물질과 유기용매 혼합물을 이용하여 인쇄함으로써 코팅을 할 수 있다.
이렇게 제조된 압력센서의 구동방식은 압력 유무에 따른 박막트랜지스터 전류 특성을 이용해서 구동되게 되는데, 인쇄 압력센서에 압력을 가하게 되면 압력센서 물질의 저항이 작아진다. 그리고 이 물질을 통해 소스 전극으로 전류가 들어가게 되고, 박막트랜지스터가 구동한다.
반면에 압력이 가해지지 않을 경우에는 압력센서 물질에 저항이 증가되게 되고, 전류가 소스전극으로 전달되지 못하기 때문에 박막트랜지스터는 구동되지 않는다.
이렇게 압력에 따라 박막트랜지스터의 구동 여부가 결정되게 되고, 다양한 패턴을 가진 물체를 이 압력센서 위에 올려서 압력을 가하게 되면 패턴이 가진 형태에 따라 압력이 가해지는 부분과 가해지지 않는 부분으로 나뉘게 되는데, 이때 구동되는 박막트랜지스터와 그렇지 않은 박막트랜지스터를 종합하게 되면 압력센서 위에 올려놓은 물체의 형체를 이미지화할 수 있게 된다.
이와 같이 제조된 압력센서의 표층에 압력센서를 보호하는 커버층, 예를 들어 장판이나 벽지와 같은 내장재층을 라미네이팅하게 되면, 장판이나 카펫, 벽지 또는 내장재에 압력센서를 적용할 경우, 어린 아이나 몸이 불편한 환자들의 움직임을 확인할 수 있고, 집에서 혼자 쓰러지는 것과 같은 비상상황이 발생하는 경우 이를 확인하여 신속하게 대처할 수 있다.
또한 다양한 센서(온도센서, 광센서)나 디스플레이 분야(OLED)에 적용이 가능하고, 인쇄전자 기술이 가진 많은 장점과 부합하여 높은 수준의 기술력을 실생활이나 산업 전반적으로 쉽고 편리하게 이용할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 기판 2: 활성층
3: 소스 및 드레인 전극 4: 절연층
5: 게이트 전극 6: 장판, 벽지 또는 내장재
7: 압력에 민감한 물질 8: 백플랜
10a,10b: 박막트랜지스터 20: 압력센서

Claims (21)

  1. 그라비아 잉크 인쇄방식으로,
    (a) 기판 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 게이트 전극 위에 절연층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 절연층 위에 활성층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 그라비아 잉크 인쇄방식은 패턴이 새겨진 롤 제판과 압력을 가하는 롤을 이용하는 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식이거나, 패턴이 새겨진 평면(Plate) 제판과 압력을 가하는 롤을 이용하는 그라비아 롤투피 잉크 인쇄방식이며,
    상기 (b)단계에서 카메라가 상기 기판에 인쇄된 게이트 전극 마크를 인식해서 그 위에 절연층이 중첩되도록 제어하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  2. 그라비아 잉크 인쇄방식으로,
    (e) 기판 위에 활성층을 형성하는 단계;
    (f) 상기 활성층 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    (g) 상기 소스 및 드레인 전극 위에 절연층을 형성하는 단계; 및
    (h) 상기 절연층 위에 게이트 전극을 인쇄하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 그라비아 잉크 인쇄방식은 패턴이 새겨진 롤 제판과 압력을 가하는 롤을 이용하는 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식이거나, 패턴이 새겨진 평면(Plate) 제판과 압력을 가하는 롤을 이용하는 그라비아 롤투피 잉크 인쇄방식이며,
    상기 (g)단계에서 카메라가 상기 기판에 인쇄된 소스 및 드레인 전극 마크를 인식해서 그 위에 절연층이 중첩되도록 제어하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 기판의 재질은 폴리메타크릴산 메틸, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 또는 폴리카보네이트인 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 상기 (a)단계나 (h)단계에서 게이트 전극의 두께를 100nm 내지 2000nm로 형성하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 상기 (a)단계에서 Ag 잉크를 인쇄하여 게이트 전극을 형성하되, 표면 활성제나 유기용매를 이용해서 기판에 인쇄되기 위한 점도와 표면 에너지를 조절하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 상기 (b)단계나 (g)단계에서 절연층의 두께를 1000nm 내지 3000nm로 형성하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우,
    상기 (c)단계나 (e)단계의 활성층 형성에 사용되는 잉크는, 단분자 유기반도체, 고분자 유기반도체, 또는 탄소나노튜브를 포함하는 P타입 특성을 나타내는 물질이나, MoS 또는 ZnSe를 포함하는 N타입 특성을 나타내는 물질을 포함하는, 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 활성층 형성에 사용되는 잉크에는, 고분자 에틸렌 옥사이드-블록-고분자 프로필렌 옥사이드 또는 고분자 스티렌-블록-고분자 에틸렌옥사이드를 포함하는, 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 상기 (d)단계나 (f)단계에서 소스 및 드레인 전극의 두께를 500nm 내지 2000nm로 형성하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 인쇄 조건은 인쇄장비와 기판의 장력 5~7kgf, 인쇄 압력 0.6~0.8MPa, 인쇄 속도 6~8m/min인 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 그라비아 롤투롤 잉크 인쇄방식인 경우 상기 박막트랜지스터는 구동 게이트전압 -20~10V, 드레인 전압 -20V에서 동작 전류(On current) 0.1~10uA, Ion/off 103~5, 이동도 0~10cm2/us인 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각각의 층이나 전극이 형성된 후에 열처리 공정을 더 수행하는 인쇄기반 박막트랜지스터 제조방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 의해 제조된 다수의 박막트랜지스터를 종횡으로 배열하고, 일 박막트랜지스터를 다른 박막트랜지스터에 연결시키는 백플랜 배선을 행하는, 박막트랜지스터 백플랜 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 박막트랜지스터 백플랜 배선이 중첩되는 부위에서, 백플랜 배선 사이에 고분자나 절연 물질을 이용해 절연층을 인쇄하는 박막트랜지스터 백플랜 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제1항에 의해 제조된 다수의 박막트랜지스터를 종횡으로 배열하고, 일 박막트랜지스터를 다른 박막트랜지스터에 연결시키는 백플랜 배선을 행하는, 박막트랜지스터 백플랜을 제조하고,
    상기 다수 박막트랜지스터는 바텀 게이트 구조를 가지며,
    상기 다수 박막트랜지스터 중 노출된 활성층 부위에 압력에 따라 저항이 변하는 물질을 부착하고 소스 및 드레인 전극은 코팅하는 백플랜 압력센서 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 코팅은 라미네이션 기법이나, 폴리스틸렌, 폴리메타크릴산메틸 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 물질과 유기용매 혼합물을 이용하여 인쇄하는, 백플랜 압력센서 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 백플랜 압력센서는 압력의 정도에 따라 각각 박막트랜지스터의 전류가 달라지고, 스위칭되는 특성을 이용해서 특정한 패턴을 이미지화할 수 있도록 하는 백플랜 압력센서 제조방법.
  21. 제18항에 기재된 방법에 의해 제조된 백플랜 압력센서에 상기 백플랜 압력센서를 보호하는 커버시트를 라미네이팅하는 스마트 장판의 제조방법.
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