KR101685035B1 - 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 - Google Patents

박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 Download PDF

Info

Publication number
KR101685035B1
KR101685035B1 KR1020140135189A KR20140135189A KR101685035B1 KR 101685035 B1 KR101685035 B1 KR 101685035B1 KR 1020140135189 A KR1020140135189 A KR 1020140135189A KR 20140135189 A KR20140135189 A KR 20140135189A KR 101685035 B1 KR101685035 B1 KR 101685035B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film transistor
thin film
organic insulator
polymer compound
formula
Prior art date
Application number
KR1020140135189A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150048034A (ko
Inventor
장광석
가재원
이미혜
김진수
김윤호
위두영
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Publication of KR20150048034A publication Critical patent/KR20150048034A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101685035B1 publication Critical patent/KR101685035B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
    • C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G73/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups C08G12/00 - C08G71/00
    • C08G73/06—Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain of the macromolecule
    • C08G73/10—Polyimides; Polyester-imides; Polyamide-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/38—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes condensation products of aldehydes with amines or amides
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Abstract

본 발명은 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제공한다. 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 종래 알려진 유기 절연체 물질보다 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기적 절연성을 나타내는 효과가 있다. 이에 따라, 높은 공정 온도를 요구하는 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 유기 절연체의 재료로 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 유기 절연체층으로 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타내는 효과가 있다.

Description

박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터{Polymer compound for forming organic gate insulator of thin-film transistor and thin-film transistor using the same}
본 발명은 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
디스플레이 산업이 급속히 발전하면서, 디스플레이 산업의 핵심 기술인 박막 트랜지스터를 제작하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 박막 트랜지스터는 절연성 기판 위에 유기반도체 또는 금속산화물 반도체 박막, 절연체 박막 및 전도체 박막을 입혀 만든 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로 정의할 수 있다.
특히 금속산화물을 반도체로 이용하는 박막 트랜지스터의 경우, 성능이 우수하고 제작공정 측면에서 유리하여 차세대 디스플레이 백플레인 소재로 각광받고 있다. 금속산화물 박막 트랜지스터를 제작하는 방법에는 크게 진공 장비를 이용한 증착 방법과 용액 공정을 이용한 방법으로 나눌 수 있다.
구체적으로, 진공 장비로 형성된 박막은 전기적 특성이 좋고 낮은 온도에서 제작할 수 있다는 장점이 있으나 진공 장비의 가격이 비싸다는 단점이 있다.
반면, 용액 공정을 이용한 증착 방법은 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 등 다양한 방법에 의해 구현할 수 있다. 상기 용액 공정 방법은 진공 증착 방식에 비해 전기적 특성이 다소 떨어지지만 경제적으로 저렴하게 구현이 가능하고, 공정 단계를 줄일 수 있는 장점이 있다.
한편, 박막 트랜지스터의 구성에 있어서 절연체층은 반도체층과 계면을 형성하게 되므로 절연체의 계면 특성에 따라 반도체의 결정성, 형태 등이 좌우된다. 따라서, 박막 트랜지스터의 구성에 있어서 절연체는 최종 박막 트랜지스터의 소자 특성에 핵심적인 부분이다.
일반적으로, 박막 트랜지스터의 절연체로 높은 유전상수를 갖는 무기 박막, 예를 들면, 실리콘 질화물(Silicon nitride), 바륨 스트론튬(Barium strontium), 바륨 티타네이트(Barium titanate) 등이 사용되고, 유기 박막, 예를 들어 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐 페놀(PVP), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 등이 사용되고 있다.
구체적으로, Kim, M.-G 등의 논문에서는 SiO2 게이트 절연막을 이용한 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터가 개시된 바 있으며, 이는 높은 전하이동도와 점멸비를 나타내며 훌륭한 소자 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다(Nat. Mater. 2011, 10, 382-388). 다만, SiO2 게이트 절연막은 진공 증착에 의해 Si 기판상에 형성되는데, 전기소자에 저비용으로 프린팅 공정을 수행하기 위해서는 용액 공정 가능한 게이트 절연체 물질의 개발이 필요한 실정이다.
이에 최근에는 상기 무기 절연체의 대안으로서 유기 절연체는 저온에서 용액공정이 가능하고, 유연한 기판에 적용할 수 있기 때문에 박막 트랜지스터의 절연체 물질로 많이 연구되고 있다. 그러나, 상기 유기 절연체는 유기 박막 트랜지스터에의 절연체 물질로는 폭넓게 연구되고 사용되고 있으나, 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 절연체 물질로 사용한 경우 우수한 소자 특성을 보이지 않는 것으로 보고되고 있다.
상기와 같은 유기 절연체를 적용한 종래 기술을 살펴보면, Moon 등의 논문에서는 폴리(4-비닐페놀), 폴리메타아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리비닐 알코올 등과 같은 유기 절연체를 사용한 박막 트랜지스터가 개시된 바 있다(J. Mater. Chem. 2011, 21, 11879-11885.). 하지만, 상기와 같은 고분자를 사용한 유기 절연체의 경우에는 ZnO 반도체층이 형성되는 과정에서 손상되는 문제점이 있다. 이러한 문제점 때문에 유기절연체를 적용한 ZnO 박막트랜지스터는 불활성이거나 그 성능이 좋지 않은 것으로 보고되고 있다.
이러한 유기 절연체를 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터에 적용하기 위해서는 금속 산화물 반도체층을 적층하기 위한 열처리 공정을 견뎌야 하며, 공정 후에 밀착 계면이 형성되어야 한다. 지금까지는 이러한 내열성을 가지는 고분자 절연체에 관한 연구가 보고되어 있지 않거나, 박막 트랜지스터의 성능이 매우 떨어지는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 유기 절연체를 이용한 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 소자 특성을 향상시키기 위한 방법에 대해 관심을 가지고 연구를 진행하던 중, 뛰어난 내열성을 가지는 폴리(이미드-벤족사졸) 화합물을 이용하여 유기 절연체를 형성하였으며, 이로부터 향상된 성능을 가지는 박막 트랜지스터를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제공한다.
<화학식 1>
Figure 112014095735211-pat00001
(상기 화학식 1에 있어서,
상기 Ar1, Ar3, Ar5 및 Ar7은 각각 독립적으로
Figure 112014095735211-pat00002
또는
Figure 112014095735211-pat00003
인 4가기이고;
이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00004
,
Figure 112014095735211-pat00005
또는 결합이고;
상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
상기 Ar2, Ar4, Ar6 및 Ar8는
Figure 112014095735211-pat00006
,
Figure 112014095735211-pat00007
또는
Figure 112014095735211-pat00008
이고;
이때, 상기 Y는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00009
,
Figure 112014095735211-pat00010
또는 결합이고;
상기 R9 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
상기 a 및 b는 0 또는 1의 정수이고;
상기 m은 10 내지 3,000의 정수이고;
상기 n은 10 내지 3,000의 정수이다.)
또한, 본 발명은
기판, 게이트 전극, 금속 산화물 반도체층, 유기 절연체층, 소스/드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,
상기 유기 절연체층은 상기의 고분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
나아가, 본 발명은
기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 유기 절연체층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체 상부에 금속 산화물 반도체층을 형성하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 소스/드레인 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하는 상기의 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 종래 알려진 유기 절연체 물질보다 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기적 절연성을 나타내는 효과가 있다. 이에 따라, 높은 공정 온도를 요구하는 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 유기 절연체의 재료로 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 유기 절연체층으로 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 3 및 비교예 1의 고분자 화합물의 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 그래프이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5 및 비교예 2의 고분자 화합물의 적외선 분광 분석법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 그래프이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 5 및 비교예 2의 고분자 화합물의 νC-N 및 νC-C의 적외선 흡광도 비를 나타낸 그래프이고;
도 4는 본 발명에 따른 화학식 2의 고분자 화합물이 포함된 전극-유전체-전극(MIM, metal-insulator-metal) 구조 소자의 주파수에 따른 유전 상수를 나타낸 그래프이고;
도 5는 본 발명에 따른 화학식 4의 고분자 화합물이 포함된 전극-유전체-전극(MIM, metal-insulator-metal) 구조 소자의 주파수에 따른 유전 상수를 나타낸 그래프이고;
도 6은 본 발명에 따른 실시예 3의 고분자 화합물의 원자힘 현미경(Atomic force microscope, AFM) 사진이고;
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 실시예 6, 실시예 8 및 비교예 4에서 제조된 박막 트랜지스터의 누설전류밀도 분석 결과 그래프이고;
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 실시예 6 및 실시예 13에서 제조된 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
하기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제공한다.
<화학식 1>
Figure 112014095735211-pat00011
(상기 화학식 1에 있어서,
상기 Ar1, Ar3, Ar5 및 Ar7은 각각 독립적으로
Figure 112014095735211-pat00012
또는
Figure 112014095735211-pat00013
인 4가기이고;
이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00014
,
Figure 112014095735211-pat00015
또는 결합이고;
상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
상기 Ar2, Ar4, Ar6 및 Ar8는
Figure 112014095735211-pat00016
,
Figure 112014095735211-pat00017
또는
Figure 112014095735211-pat00018
이고;
이때, 상기 Y는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00019
,
Figure 112014095735211-pat00020
또는 결합이고;
상기 R9 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
상기 a 및 b는 0 또는 1의 정수이고;
상기 m은 10 내지 3,000의 정수이고;
상기 n은 10 내지 3,000의 정수이다.)
이하, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 종래 알려진 유기 절연체 물질보다 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기적 절연성을 나타내는 장점이 있다.
이에 따라, 높은 공정 온도를 요구하는 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 유기 절연체의 재료로 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 유기 절연체층으로 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타내는 장점이 있다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물에 있어서, 상기 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 하기 화학식 2 내지 화학식 8로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
<화학식 2>
Figure 112014095735211-pat00021

<화학식 3>
Figure 112014095735211-pat00022

<화학식 4>
Figure 112014095735211-pat00023

<화학식 5>
Figure 112014095735211-pat00024

<화학식 6>
Figure 112014095735211-pat00025

<화학식 7>
Figure 112014095735211-pat00026

<화학식 8>
Figure 112014095735211-pat00027
(상기 화학식 2 내지 화학식 8에 있어서,
상기 m 및 n은 10 내지 3,000의 정수이다.)
또한, 본 발명은
기판, 게이트 전극, 금속 산화물 반도체층, 유기 절연체층, 소스/드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,
상기 유기 절연체층은 상기의 고분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 대하여 상세히 설명한다.
구체적으로, 본 발명에 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 절연체층은 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 고분자 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 화학식 2 내지 화학식 8로 표시되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유기 절연체용 고분자 화합물은 종래 알려진 유기 절연체 물질보다 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 우수한 전기적 절연성을 나타내는 장점이 있다. 이에 따라, 높은 공정 온도를 요구하는 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 유기 절연체의 재료로 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 유기 절연체층으로 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타내는 장점이 있다.
이때, 본 발명에 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 절연체층의 두께는 50 내지 1,000 nm인 것이 바람직하다. 상기 유기 절연체층의 두께가 50 nm 미만일 경우에는 절연 특성을 나타내기 어려운 문제가 있으며, 1,000 nm를 초과하는 경우에는 너무 두꺼운 절연체층으로 인해 박막 트랜지스터 소자의 구동 전압이 높아지는 문제가 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 이때, 저온 용액공정이 가능한 유기 절연체를 사용하므로 폴리카르보네이트(Polycarbonate), 폴리설폰(Polysulfone) 및 폴리에테르설폰(Polyethersulfone) 등의 플라스틱 기판 위에서도 적용이 가능하며, 일례로써 폴리이미드(Polyimide) 기판을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 전극은 ITO(indium-tin oxide)), IZO(Indium Zinc Oxide), 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있으며, 일례로써, ITO를 사용할 수 있다. 상기 기판에 ITO 층을 코팅한 후 게이트 전극의 형상으로 패터닝하여 기판 상에 ITO 게이트 전극을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 금속 산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 구리 산화물, 카드뮴 산화물, 마그네슘 산화물 및 망간 산화물 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 일례로써, 저온 용액공정용으로 가장 널리 사용되고 상대적으로 좋은 성능을 가진 아연 산화물을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 소스/드레인 전극은 ITO(indium-tin oxide), IZO(indium- zinc oxide), 금(Au), 은(Au) 및 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은
기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 유기 절연체층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체 상부에 금속 산화물 반도체층을 형성하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 소스/드레인 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하는 상기의 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 1의 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 이때, 저온 용액공정이 가능한 유기 절연체를 사용하므로 폴리카르보네이트(Polycarbonate), 폴리설폰(Polysulfone) 및 폴리에테르설폰(Polyethersulfone) 등의 플라스틱 기판 위에서도 적용이 가능하며, 일례로써 폴리이미드(Polyimide) 기판을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 게이트 전극은 ITO(indium-tin oxide)), IZO(Indium Zinc Oxide), 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다. 일례로써, 상기 기판 상부에 ITO 층을 코팅한 후 게이트 전극의 형상으로 패터닝하여 기판 상부에 ITO 게이트 전극을 형성할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 유기 절연체층을 형성하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 유기 절연체층을 형성하는 단계로써, 상기 유기 절연체층으로 폴리(이미드-벤족사졸) 화합물을 사용하여 성능이 향상된 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 2에서 유기 절연체층은 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 갖는 고분자 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 화학식 2 내지 화학식 8로 표시되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유기 절연체용 고분자 화합물은 종래 알려진 유기 절연체 물질보다 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 낮은 유전상수를 가짐으로써 우수한 전기적 절연성을 나타내는 장점이 있다. 이에 따라, 높은 공정 온도를 요구하는 용액 공정용 금속 산화물 박막 트랜지스터의 유기 절연체의 재료로 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 유기 절연체층으로 포함하는 박막 트랜지스터는 우수한 성능을 나타내는 장점이 있다.
이때, 상기 단계 2의 유기 절연체층의 형성은 일례로써,
안하이드라이드기를 포함하는 화합물 및 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머를 혼합하는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 혼합된 혼합 용액을 게이트 전극 상부에 코팅하는 단계(단계 b); 및
상기 단계 b에서 코팅된 화합물을 열처리하는 단계(단계 c);를 수행하여 형성하는 것이 바람직하다.
먼저, 단계 a는 안하이드라이드기를 포함하는 화합물 및 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머를 혼합하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 a의 안하이드라이드기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 9로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
<화학식 9>
Figure 112014095735211-pat00028
(상기 화학식 9에 있어서,
상기 Ar9는 각각 독립적으로
Figure 112014095735211-pat00029
또는
Figure 112014095735211-pat00030
인 4가기이고;
이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00031
,
Figure 112014095735211-pat00032
또는 결합이고;
상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이다.)
또한, 상기 단계 a의 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머는 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
<화학식 10>
Figure 112014095735211-pat00033
(상기 화학식 10에 있어서,
상기 Ar11는 각각 독립적으로
Figure 112014095735211-pat00034
또는
Figure 112014095735211-pat00035
인 4가기이고;
이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00036
,
Figure 112014095735211-pat00037
또는 결합이고;
상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
상기 Ar10 및 Ar12는
Figure 112014095735211-pat00038
,
Figure 112014095735211-pat00039
또는
Figure 112014095735211-pat00040
이고;
이때, 상기 Y는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
Figure 112014095735211-pat00041
,
Figure 112014095735211-pat00042
또는 결합이고;
상기 R9 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이다.)
나아가, 상기 단계 a에서 상기 화합물들을 혼합하는 혼합 용매는 부티로락톤, N-디메틸포르마이드(N-Dimethylformamide), N-메틸피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide) 및 디메틸설폭사이드(Dimethylsulfoxide) 등의 용매를 사용할 수 있으나, 상기 화합물들을 용해시킬 수 있는 용매이면 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 a에서 혼합된 혼합 용액은 1 내지 30 중량%의 화합물들을 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 a에서 혼합된 혼합 용액 내에 1 중량% 미만의 화합물들이 포함되어 있는 경우에는 코팅되는 화합물의 양이 미미하여 절연체층을 형성하기 어려운 문제가 있으며, 30 중량%를 초과하는 화합물들이 포함되어 있는 경우에는 과량의 화합물로 인하여 점도가 매우 높아지기 때문에 코팅하기 어려운 문제가 있다.
다음으로, 단계 b는 상기 단계 a에서 혼합된 혼합 용액을 게이트 전극 상부에 코팅하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 b에서 혼합 용액의 코팅은 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 롤코팅, 스크린 프린팅 또는 딥핑법 등의 용액공정을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 단계 c는 상기 단계 b에서 코팅된 화합물을 열처리하는 단계이다.
상기 단계 c는 상기 단계 b에서 코팅된 화합물로 이루어진 층을 열처리하여 열이미드화 반응을 수행한다. 이에 따라 고분자 화합물이 형성되며, 상기 고분자 화합물로 이루어진 유기 절연체층을 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 c의 열처리는 150 내지 400 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 200 내지 350 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 만약, 상기 단계 c의 열처리 온도가 150 ℃ 미만일 경우에는 상기 화합물에서 이미드화 반응이 일어나지 않는 문제가 있으며, 400 ℃를 초과하는 경우에는 형성된 유기 절연체층의 절연 특성이 감소하는 문제가 있다.
이때, 상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체층의 두께는 50 내지 1,000 nm인 것이 바람직하다. 상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체층의 두께가 50 nm 미만일 경우에는 절연 특성을 나타내기 어려운 문제가 있으며, 1,000 nm를 초과하는 경우에는 너무 두꺼운 절연체층으로 인해 박막 트랜지스터 소자의 성능이 감소하는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체 상부에 금속 산화물 반도체층을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 3의 금속 산화물 반도체층은 아연 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 구리 산화물, 카드뮴 산화물, 마그네슘 산화물 및 망간 산화물 등의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 일례로써, 저온 용액공정용으로 가장 널리 사용되고 상대적으로 좋은 성능을 가진 아연 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 3의 금속 산화물 반도체층은 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 롤코팅, 스크린프린팅, 전사법 또는 딥핑법 등의 용액공정 방법으로 형성할 수 있으나, 상기 금속 산화물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 스핀코팅법을 사용하여 금속 산화물 반도체층을 형성시킬 수 있다.
이때, 상기 용액공정법은 진공 증착 방식에 비해 경제적으로 저렴하게 구현이 가능하고, 공정 단계를 줄일 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 소스/드레인 전극을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 4의 소스/드레인 전극은 ITO(indium-tin oxide), IZO(indium- zinc oxide), 금(Au), 은(Au) 및 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머의 제조 1
단계 1: 디아미노디하이드록시벤젠 디하이드로클로라이드(Diaminodihydroxybenzene dihydrochloride, DADHB) 0.011 몰을 폴리포스포릭산(Polyphosphoric acid, PPA) 50 g에 첨가하고, 100 ℃의 온도에서 2 시간 동안 교반하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 용액에 아미노벤조산(Aminobenzoic acid, ABA) 0.022 몰을 첨가하고, 120 ℃의 온도에서 4 시간 동안 교반하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 용액을 150 ℃의 온도까지 1 시간 동안 승온시킨 후, 170 ℃의 온도까지 1 시간 동안 승온시킨다.
그 후, 2 시간 동안 교반하고, 500 mL의 증류수를 첨가하였다.
단계 4: 상기 단계 3에서 형성되는 침전물을 5 중량%의 탄산 수소 나트륨(NaHCO3) 수용액과 증류수로 반복하여 세척하고, 건조시킨 후, 다시 20 mL의 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide)에 용해시켰다.
그 후, 상기 용액을 톨루엔(Toluene) 500 mL에 적가하여 침전물을 형성시키고, 상기 형성된 침전물은 톨루엔으로 세척하고 감압 건조시켜 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머를 제조하였다.
1H-NMR (300 MHz, DMSO-d6): δ 8.1-6.7 (10H, 아로마틱 H), 6.0 (4H, 아로마틱 아민).
<제조예 2> 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머의 제조 2
상기 제조예 1의 단계 1에서 디아미노디하이드록시벤젠 디하이드로클로라이드(Diaminodihydroxybenzene dihydrochloride, DADHB) 대신 Diaminodihydroxybiphenyl dihydrochloride, DADHBP)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머를 제조하였다.
<실시예 1> 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 제조 1
단계 1: 상기 제조예 1에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 4,4'-옥시디프탈릭 디안하이드라이드(4,4'-Oxydiphthalic dianhydride ,ODPA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조한다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 용액을 충분히 교반하여 적정 점도를 형성한 후, 유리 기판에 스핀 코팅하여 필름을 형성하였다.
그 후, 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 200 ℃의 온도에서 40 분간 열처리하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<실시예 2> 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 250 ℃의 온도에서 40 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<실시예 3> 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 300 ℃의 온도에서 40 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<실시예 4> 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 350 ℃의 온도에서 40 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<실시예 5> 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 제조 5
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 400 ℃의 온도에서 40 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<실시예 6> 박막트랜지스터의 제조 1
단계 1: 상기 제조예 1에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 4,4'-옥시디프탈릭 디안하이드라이드(4,4'-Oxydiphthalic dianhydride ,ODPA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조한다.
상기 용액을 충분히 교반하여 적정 점도를 형성한 후, 게이트 전극으로 ITO가 패터닝된 유리 기판을 준비하고, 상기 기판에 스핀 코팅하여 필름을 형성하였다.
그 후, 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 300 ℃의 온도에서 40 분간 열처리하여 유기 절연체층을 형성하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 유기 절연체층 상부에 0.05 몰농도의 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2·6H2O)와 0.05 몰농도의 인듐 나이트레이트 하이드레이트(In(NO3)3·xH2O)를 안하이드로스 2-메톡시에탄올에 용해시킨 IZO 전구체 용액을 4,000 rpm으로 30 초 동안 스핀코팅 하였다.
그 후, 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 열처리하여 금속 산화물 반도체층을 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 100 nm 두께의 소스 및 드레인 알루미늄 전극을 열기상증착법 및 쉐도우 마스크를 이용하여 증착시켰으며, 이로부터 제조된 최종 박막 트랜지스터는 체널길이가 50 ㎛ ,채널너비가 1000 ㎛였다.
<실시예 7> 박막 트랜지스터의 제조 2
상기 실시예 6의 단계 1에서 제조예 1에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 4,4-바이프탈릭 안하이드라이드(4,4-biphthalic anhydride, BPAD) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 8> 박막 트랜지스터의 제조 3
단계 1: 상기 제조예 2에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 4,4-바이프탈릭 안하이드라이드(4,4-biphthalic anhydride, BPAD) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조한다.
상기 용액을 충분히 교반하여 적정 점도를 형성한 후, 게이트 전극으로 ITO가 패터닝된 유리 기판을 준비하고, 상기 기판에 스핀 코팅하여 필름을 형성하였다.
그 후, 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 350 ℃의 온도에서 40 분간 열처리하여 유기 절연체층을 형성하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 유기 절연체층 상부에 0.05 몰농도의 징크 나이트레이트 헥사하이드레이트(Zn(NO3)2·6H2O)와 0.05 몰농도의 인듐 나이트레이트 하이드레이트(In(NO3)3·xH2O)를 안하이드로스 2-메톡시에탄올에 용해시킨 IZO 전구체 용액을 4,000 rpm으로 30 초 동안 스핀코팅 하였다.
그 후, 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 300 ℃의 온도에서 2 시간 동안 열처리하여 금속 산화물 반도체층을 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 100 nm 두께의 소스 및 드레인 알루미늄 전극을 열기상증착법 및 쉐도우 마스크를 이용하여 증착시켰으며, 이로부터 제조된 최종 박막 트랜지스터는 체널길이가 50 ㎛ ,채널너비가 1000 ㎛였다.
<실시예 9> 박막 트랜지스터의 제조 4
상기 실시예 6의 단계 1에서 제조예 2에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 피로멜리틱 디안하이드라이드(pyromellitic dianhydride, PMDA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 10> 박막 트랜지스터의 제조 5
상기 실시예 6의 단계 1에서 제조예 1에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.005 몰, 제조예 2에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.005 몰과 4,4-바이프탈릭 안하이드라이드(4,4-biphthalic anhydride, BPAD) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 11> 박막 트랜지스터의 제조 6
상기 실시예 6의 단계 1에서 제조예 1에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.005 몰, 제조예 2에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.005 몰과 피로멜리틱 디안하이드라이드(pyromellitic dianhydride, PMDA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 12> 박막 트랜지스터의 제조 7
상기 실시예 6의 단계 1에서 제조예 2에서 제조된 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 0.01 몰과 4,4-바이프탈릭 안하이드라이드(4,4-biphthalic anhydride, BPAD) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실시예 13> 박막 트랜지스터의 제조 8
상기 실시예 6의 단계 1에서 게이트 전극으로 게이트 전극으로 ITO가 패터닝된 플렉서블 기판인 Kapton 기판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 2에서 90 ℃의 온도에서 10 분간 열처리하고, 130 ℃의 온도에서 40 분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 단계 1에서 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머 대신에 p-페닐렌디아민(p-Phenylenediamine, pDPA) 0.01 몰과 4,4'-옥시디프탈릭 디안하이드라이드(4,4'-Oxydiphthalic dianhydride ,ODPA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 고분자 화합물을 제조하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 6의 단계 1에서 p-페닐렌디아민(p-Phenylenediamine, pDPA) 0.01 몰과 4,4'-옥시디프탈릭 디안하이드라이드(4,4'-Oxydiphthalic dianhydride ,ODPA) 0.01 몰을 디메틸아세트아마이드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜 20 중량%의 용액을 제조하여 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하였다.
<실험예 1> 열중량 분석 및 FT-IR 분석
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 열적 손실 및 결합 구조를 살펴보기 위하여, 상기 실시예 1 내지 5, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 고분자 화합물을 열중량 분석법(Thermogravimetric Analysis) 및 적외선 분광 분석법(Fourier transform infrared spectroscopy)을 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 1 내지 3에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 90 ℃의 온도에서 열처리를 수행한 비교예 1의 고분자 화합물의 경우에는 이미드화가 되지 않았기 때문에, 약 120 내지 300 ℃의 온도에서 열손실이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 300 ℃의 온도에서 열처리를 수행한 실시예 3의 고분자 화합물의 경우에는 이미드화가 되었기 때문에, 약 530 ℃의 온도까지 열손실이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통해, 종래의 금속 산화물 반도체층 제조 공정의 온도보다 높은 온도에서도 우수한 내열성을 보일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 130 ℃의 온도에서 열처리를 수행한 비교예 2의 고분자 화합물의 경우에는 약 1505 cm-1의 파수에서 나타나는 아로마틱 고리의 스트레칭 밴드(νC=C)가 매우 크며, 약 1357 m-1의 파수에서 나타나는 이미드 밴드(νC=N)가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 반면, 200 내지 400 ℃의 온도에서 열처리를 수행한 실시예 1 내지 5의 경우에는 약 1357 m-1의 파수에서 나타나는 이미드 밴드(νC=N)가 점점 커지는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 유전 상수 측정
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 유기 절연소재로서의 유전성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 전극-유전체-전극(MIM, metal-insulator-metal) 구조의 소자를 제작하였다. 이때, 하부 전극으로 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 전극을, 상부전극으로 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 금(Au)을 증착하였으며, 유기절연체층의 두께는 500 nm로 조절하였다.
보다 구체적으로는, 실시예 6의 단계 1에서 제조된 용액을 ITO 전극 상부에 스핀코팅하고, 90 ℃에서 10 분 열처리한 다음, 이어서 300 ℃에서 40 분간 열처리하여 화학식 2의 고분자 화합물로 전환하였다. 그 후, 상기 고분자 화합물 위에 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 지름 2 cm, 두께 40 nm인 금(Au)을 약 10-6 토르(torr)의 진공 하에서 열 증착하여 전극-유전체-전극(MIM) 소자를 완성하였다. 제조된 전극-유전체-전극(MIM) 소자는 임피던스 계전기(Agilent Technologies 4294A Precision Impedence analyzer)를 이용하여 1 내지 1000 kHz의 주파수에서 전기용량(Capacitance)를 측정하여 유전상수 값을 도출하였다. 또한, 실시예 8의 단계 1에서 제조된 용액을 ITO 전극 상부에 스핀코팅하고, 90 ℃에서 10 분 열처리한 다음, 이어서 350 ℃에서 40 분간 열처리하여 화학식 4의 고분자 화합물로 전환하였으며, 상기와 동일한 실험을 수행하여 유전상수 값을 도출하였다. 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 2.7 내지 2.8의 우수한 유전 상수를 가지는 것을 알 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물은 2.9 이하의 낮은 유전상수를 가지므로 우수한 전기적 절연 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
<실험예 3> 원자힘 현미경 분석
본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물의 표면 상태를 확인하기 위하여, 상기 실시예 3에서 제조된 고분자 화합물을 원자힘 현미경(Atomic force microscope)를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물인 실시예 3의 경우에는 부드러운 표면을 확인할 수 있다. 또한, 상기 유기 절연체층의 5 ㎛ x 5 ㎛ 면적에 대한 표면 거칠기 값은 0.82 nm이며, 표면에너지는 50.4 dyn/cm로 나타났다.
<실험예 4> 누설 전류 밀도 분석
본 발명에 따른 고분자 화합물을 포함하는 박막 트랜지스터의 열처리에 대한 영향을 확인하기 위하여, 상기 실시예 6, 실시예 8 및 비교예 4에서 제조된 박막 트랜지스터의 제조 과정에서 유기 절연체층을 형성한 후, 300 내지 400 ℃의 온도에서 열처리를 더 수행하여 박막 트랜지스터를 제조하여 전기장에 따른 누설 전류를 측정하였으며, 그 결과를 도 7 내지 도 9에 나타내었다.
도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, 종래의 유기 절연체층을 사용한 비교예 4에서 제조된 박막 트랜지스터의 제조 과정에서 유기 절연체층을 형성한 후, 300 ℃의 온도에서 열처리를 더 수행하였을 경우에는 3.7 × 10-6 A/cm2 미만의 값을 나타내며, 350 및 400 ℃의 온도에서 열처리를 더 수행하였을 경우에는 절연파괴가 발생하였다.
반면, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 포함하는 유기 절연체층을 사용한 실시예 6에서 제조된 박막 트랜지스터의 제조 과정에서 유기 절연체층을 형성한 후, 300 및 350 ℃의 온도에서 열처리를 더 수행하였을 경우에는 2.3 × 10-10 A/cm2 미만의 매우 낮은 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 400 ℃의 온도에서 열처리를 더 수행하였을 경우에도, 1.2 × 10-5 A/cm2 미만의 값을 보임으로써, 우수한 내열성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물을 포함하는 유기 절연체층을 사용한 실시예 8에서 제조된 박막 트랜지스터의 경우에는 7.0 × 10-7 A/cm2 미만의 낮은 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 5> 박막 트랜지스터의 소자 특성 분석
본 발명에 따른 박막 트랜지스터의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 6, 실시예 8, 실시예 13 및 비교예 4에서 제조된 박막 트랜지스터를 사용하여 출력(output)특성(I ds vs. V ds) 및 전이(transfer)특성(I ds vs. Vgs 및 I ds 1 /2 vs. V gs)을 분석하였으며, 그 결과를 도 10, 도 11 및 표 1에 나타내었다.
도 10, 도 11 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 사용하여 제조된 박막 트랜지스터인 실시예 6의 경우에는 전하이동도 5.5 cm2/Vs, 전류 점멸비 2.7 x 105, 문턱전압 2.5 V/decade, 스레드홀드 전압 22.2 V의 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 사용하여 제조된 박막 트랜지스터인 실시예 8의 경우에는 전하이동도 6.2 cm2/Vs, 전류 점멸비 1.1 x 104, 문턱전압 7.9 V/decade, 스레드홀드 전압 25.1 V인 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 본 발명에 따른 고분자 화합물을 사용하였으며 유연 기판을 사용하여 제조된 박막 트랜지스터인 실시예 14의 경우에도 전하이동도 4.1 cm2/Vs, 전류 점멸비 2.0 x 105, 문턱전압 2.8 V/decade, 스레드홀드 전압 30.0 V의 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 4의 경우에는 매우 낮은 전하이동도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
전하 이동도
(cm2/Vs)		 점멸비
(Ion/Ioff)		 문턱전압
(V/decade)		 스레스홀드 전압 (V)
실시예 6 5.5 2.7 × 105 2.50 22.2
실시예 8 6.2 1.1 × 104 6.20 25.1
실시예 13 4.1 2.0 × 105 2.80 30.0
비교예 4 0.1 3.1 × 106 0.67 18.5

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 기판, 게이트 전극, 금속 산화물 반도체층, 유기 절연체층, 소스/드레인 전극을 포함하는 박막 트랜지스터에 있어서,
    상기 유기 절연체층은 하기 화학식 2 내지 화학식 8로 표시되는 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 유기절연체용 고분자 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터:
    <화학식 2>
    Figure 112016104205362-pat00086
    ;

    <화학식 3>
    Figure 112016104205362-pat00087
    ;

    <화학식 4>
    Figure 112016104205362-pat00088
    ;

    <화학식 5>
    Figure 112016104205362-pat00089
    ;

    <화학식 6>
    Figure 112016104205362-pat00090
    ;

    <화학식 7>
    Figure 112016104205362-pat00091
    ; 및

    <화학식 8>
    Figure 112016104205362-pat00092
    :
    (상기 화학식 2 내지 화학식 8에 있어서,
    상기 m 및 n은 10 내지 3,000의 정수이다).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유기 절연체층의 두께는 50 내지 1,000 nm인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
  5. 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 유기 절연체층을 형성하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 형성된 유기 절연체 상부에 금속 산화물 반도체층을 형성하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 형성된 금속 산화물 반도체층 상부에 소스/드레인 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하는 제3항의 박막 트랜지스터의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 2의 유기 절연체층의 형성은,
    안하이드라이드기를 포함하는 화합물 및 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머를 혼합하는 단계(단계 a);
    상기 단계 a에서 혼합된 혼합 용액을 게이트 전극 상부에 코팅하는 단계(단계 b); 및
    상기 단계 b에서 코팅된 화합물을 열처리하는 단계(단계 c);를 수행하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단계 a의 안하이드라이드기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 9로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법:

    <화학식 9>
    Figure 112014095735211-pat00060

    (상기 화학식 9에 있어서,
    상기 Ar9는 각각 독립적으로
    Figure 112014095735211-pat00061
    또는
    Figure 112014095735211-pat00062
    인 4가기이고;
    이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
    Figure 112014095735211-pat00063
    ,
    Figure 112014095735211-pat00064
    또는 결합이고;
    상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이다).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단계 a의 벤족사졸기를 포함하는 아로마틱 디아민 모노머는 하기 화학식 10으로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법:

    <화학식 10>
    Figure 112014095735211-pat00065

    (상기 화학식 10에 있어서,
    상기 Ar11는 각각 독립적으로
    Figure 112014095735211-pat00066
    또는
    Figure 112014095735211-pat00067
    인 4가기이고;
    이때, X는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
    Figure 112014095735211-pat00068
    ,
    Figure 112014095735211-pat00069
    또는 결합이고;
    상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이고;
    상기 Ar10 및 Ar12는
    Figure 112014095735211-pat00070
    ,
    Figure 112014095735211-pat00071
    또는
    Figure 112014095735211-pat00072
    이고;
    이때, 상기 Y는 ―O―, ―S―, ―C(CF3)2―, ―C(CH3)2―, ―CO―, ―CH2―, ―SO2―, ―SO― ,
    Figure 112014095735211-pat00073
    ,
    Figure 112014095735211-pat00074
    또는 결합이고;
    상기 R9 내지 R24는 각각 독립적으로 수소, 아민, C1 -5의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 C5 -6의 아릴이다).
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단계 b의 코팅은 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 롤코팅, 스크린프린팅, 전사법 및 딥핑법으로부터 선택되는 1 종 이상의 용액 공정법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 단계 c의 열처리는 150 내지 400 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조방법.
KR1020140135189A 2013-10-24 2014-10-07 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 KR101685035B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130127157 2013-10-24
KR20130127157 2013-10-24

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150048034A KR20150048034A (ko) 2015-05-06
KR101685035B1 true KR101685035B1 (ko) 2016-12-12

Family

ID=53386755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140135189A KR101685035B1 (ko) 2013-10-24 2014-10-07 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101685035B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109348718B (zh) * 2016-06-24 2021-03-12 东丽株式会社 聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂组合物及其用途

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100363508B1 (ko) * 1994-10-31 2003-03-03 미시간 몰레큘러 인스티튜트 폴리암산및폴리암산을폴리이미드벤즈옥사졸필름으로전환시키는방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100873992B1 (ko) * 2007-02-09 2008-12-17 한국화학연구원 저온공정용 가용성 폴리이미드 수지 혼합 조성물 및 이를절연막으로 사용하여 제조한 전유기 박막 트랜지스터 소자
CA2640545A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Industry-University Cooperation Foundation, Hanyang University Polyimides dope composition, preparation method of hollow fiber using the same and hollow fiber prepared therefrom
MX2011003617A (es) * 2008-10-09 2011-08-08 Iucf Hyu Polimero y metodo de preparacion del mismo.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100363508B1 (ko) * 1994-10-31 2003-03-03 미시간 몰레큘러 인스티튜트 폴리암산및폴리암산을폴리이미드벤즈옥사졸필름으로전환시키는방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150048034A (ko) 2015-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100995451B1 (ko) 다층 구조의 게이트 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터
US8580384B2 (en) Dielectric materials and methods of preparation and use thereof
KR101316291B1 (ko) 공중합체, 유기절연층 조성물 및 그를 이용하여 제조된유기 절연층 및 유기 박막 트랜지스터
KR100981558B1 (ko) 양극성 유기 전계 효과 박층 트랜지스터 및 그의 제조 방법
Ko et al. Electrically and thermally stable gate dielectrics from thiol–ene cross-linked systems for use in organic thin-film transistors
EP2157614B1 (en) Gate insulating film forming agent for thin-film transistor
US8471253B2 (en) Crosslinked hybrid gate dielectric materials and electronic devices incorporating same
Song et al. One‐Step Fabricated and Solution‐Processed Hybrid Gate Dielectrics for Low‐Voltage Organic Thin‐Film Transistors
KR101748612B1 (ko) 유전성 조성물 및 이를 포함하는 전자 소자
US9721697B2 (en) Organic polymeric bi-metallic composites
KR101685035B1 (ko) 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 화합물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터
KR101554943B1 (ko) 이트륨 산화물로 표면 처리된 폴리이미드 유기절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터
JP2010138395A (ja) ポリチオフェンおよびポリチオフェンを含む電子デバイス
KR101045783B1 (ko) 다층 박막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법 및이에 의하여 제조된 유기 박막 트랜지스터
KR101720626B1 (ko) 폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터
KR101607962B1 (ko) 저온-용액공정으로 제조된 알루미나/폴리이미드 게이트 절연체 및 이를 포함하는 박막 트랜지스터
KR101420768B1 (ko) 광경화 가능한 안트라센 포함 고내열 폴리벤즈옥사졸 화합물, 이를 포함하는 유기절연체 형성용 조성물 및 이를 이용한 박막 트랜지스터
KR102028437B1 (ko) 유기절연체 표면처리 기술 및 이를 이용한 박막 트랜지스터
US20100038630A1 (en) Semiconducting siloxane compositions for thin film transistor devices,and making and using the same
KR101140686B1 (ko) 유기 게이트 절연막 조성물 및 이를 이용한 유기 게이트절연막
KR101446712B1 (ko) 고내열 폴리이미드 화합물, 이를 포함하는 유기절연체 조성물 및 이를 이용한 박막트랜지스터
Tomatsu et al. Fabrication and characterization of poly (3-hexylthiophene)-based field-effect transistors with silsesquioxane gate insulators
KR101638431B1 (ko) 유기 전계 효과 트랜지스터 및 전자 소자
Jeong et al. A study on the preparation of aromatic polyimide Langmuir–Blodgett films
KR101783420B1 (ko) 박막 트랜지스터 절연막용 조성물, 이를 포함하는 절연막 및 유기박막 트랜지스터

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191001

Year of fee payment: 4