KR101720626B1 - 폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터는 전압에 따른 누설전류밀도를 현저하게 감소시켜 전기적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 0 - 5 V의 낮은 전압에서도 구동될 수 있어 전자 소자용으로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 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 유기 반도체 또는 금속산화물 반도체 박막을 입혀 만든 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로 정의할 수 있다.
특히 유기 반도체를 이용하는 유기 박막 트랜지스터의 경우, 가격이 저렴하고, 넓은 면적에 적용가능할 뿐만 아니라, 충격에 의해 깨지지 않으며 구부리거나 접을 수 있어 차세대 플렉시블(flexible) 디스플레이 등에서 구동스위칭 소자로서 각광받고 있다.
또한, 저가의 플렉시블 유기 박막 트랜지스터의 실현을 위해서는 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 좌우하는 핵심적인 부분인 유기 절연체가 중요하며, 상기 유기 절연체는 유기 반도체와 계면을 형성함으로써, 절연체의 계면 특성에 따라 그 반도체 결정의 형태, 크기 등이 달라진다. 따라서, 높은 소자 성능을 가능하게 하는 절연체(insulator)의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
종래 유기 박막 트랜지스터를 형성하는 유기 절연체로서 다양한 유기물질에 대해 연구가 이루어져왔다.
비특허문헌 1에서는 폴리(4-비닐페놀), 폴리메타아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리비닐알콜 등과 같은 유기 절연체를 사용한 박막 트랜지스터가 개시되어 있으나, 상기 유기 절연체를 박막 트랜지스터에 적용한 경우 구동이 불량하거나 구동되지 않는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 1에서는 실란계(Si) 화합물을 포함하는 유기 절연체 조성물 및 이를 이용한 유기 박막 트랜지스터를 개시하여 히스테리시스(Hysterisis: 이력현상)를 개선시켰음을 서술하고 있으나, 개선된 범위가 10 V 내외로 여전히 히스테리시스가 발현된다는 문제가 있다.
반면, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐페놀(PVP) 등의 유기 물질은 하이드록시 그룹에 의해 전계이동도가 감소하고 히스테리시스(Hysterisis: 이력현상)가 발현되어 누설전류가 많아 박막 트랜지스터로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 폴리이미드(PI)계의 절연체는 전기 절연 특성이 우수하고, 불용 및 불융의 초고내열성 수지로서 화학적, 열적 안정성이 뛰어나며, 표면이 부드러워 쉽게 개질할 수 있어 유기 절연체로 많이 사용되고 있으나, 유기 박막 트랜지스터의 절연체로 적용하기에는 낮은 유전 상수를 가지고 있어, 낮은 전압일 경우 구동되지 않는다는 단점이 있어 박막 트랜지스터로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 유기 절연체의 단점을 보완하여 이를 포함하는 박막 트랜지스터의 절연 특성, 전기적 특성 등을 향상시키기 위한 다양한 연구가 시도되고 있으나, 아직까지 낮은 전압에서의 성능 불량, 히스테리시스 발현에 의한 누설전류 증가 등을 효과적으로 개선한 유기 절연체에 대해서 보고된 바가 없다.
이에, 본 발명자들은 박막 트랜지스터의 낮은 전압에서의 구동이 불가능한 단점을 개선할 수 있는 유기 절연체에 대해 연구를 진행하던 중, 폴리이미드계 고분자 및 폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 이중층의 유기절연체가 5 V 이하의 낮은 전압에서 구동이 가능할 뿐만 아니라, 전압에 따른 누설전류밀도를 현저하게 감소시킬 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
J. Mater. Chem. 2011. 21. 11879-11885
본 발명의 목적은 폴리이미드계 고분자 및 폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 조성물로 형성된 박막 트랜지스터 유기 절연체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 폴리이미드계 고분자; 및
폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 폴리이미드층; 및
폴리비닐알콜층;을 포함하되, 상기 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체를 제공한다.
나아가, 본 발명은 기판; 게이트 전극; 유기 반도체층; 소스 및 드레인 전극; 및 상기 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 폴리비닐알콜층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 형성된 폴리이미드층 상부에 유기 반도체층을 증착시키는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 유기 반도체층 상부에 소스 및 드레인 전극을 증착시키는 단계(단계 5);를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜을 포함하는 이중층 유기 절연체 및 이를 이용한 박막 트랜지스터는 전압에 따른 누설전류밀도를 현저하게 감소시켜 전기적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 0 - 5 V의 낮은 전압에서도 구동될 수 있어 전자 소자용으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 2는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 (c) 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체에 대하여 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경)으로 표면의 이미지를 촬영한 사진이다.
도 3은 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 진동수에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 전기장에 따른 누설전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 6은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 7은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센을 유기 반도체로 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류의 측정하여 나타낸 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 (a) 비교예 3에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 2에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
도 9는 (a) 비교예 4에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 3에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
도 2는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 (c) 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체에 대하여 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경)으로 표면의 이미지를 촬영한 사진이다.
도 3은 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 진동수에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 전기장에 따른 누설전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 6은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 7은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센을 유기 반도체로 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류의 측정하여 나타낸 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 (a) 비교예 3에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 2에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
도 9는 (a) 비교예 4에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 3에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 폴리이미드계 고분자; 및
폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 박막 트랜지스터 유기 절연체용 고분자 조성물을 제공한다.
바람직하게는, 상기 폴리이미드계 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
상기 
는 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
이고,
상기 R은 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
이고,
상기 n은 10 내지 3000의 정수이다.
보다 바람직하게는, 상기 화학식 1에 있어서,
상기 
은 
, 
또는 
이고,
상기 R은 
또는 
이고, 및
상기 n은 10 내지 2000의 정수이다.
또한, 상기 폴리비닐알콜계 고분자는 100,000 - 200,000 범위의 분자량일 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
본 발명은 폴리이미드층; 및
폴리비닐알콜층;을 포함하되, 상기 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체를 제공한다.
바람직하게는,
상기 폴리이미드층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
상기 
는 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
이고,
상기 R은 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
또는 
이고,
상기 n은 10 내지 3000의 정수이다.
보다 바람직하게는,
상기 화학식 1에 있어서,
상기 
은 
, 
또는 
이고,
상기 R은 
또는 
이고, 및
상기 n은 10 내지 2000의 정수이다.
또한, 상기 폴리비닐알콜계 고분자는 100,000 - 200,000 범위의 분자량일 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
나아가, 상기 폴리이미드층은 상기 폴리비닐알콜층의 상부와 계면을 형성함으로써 이중층의 유기 절연체를 형성한다.
또한, 상기 폴리비닐알콜층 및 폴리이미드층을 포함하는 이중층의 유기 절연체는 10 - 300 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 50 - 200 nm의 두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 상기 폴리비닐알콜층 및 폴리이미드층을 포함하는 이중층 유기 절연체의 두께가 10 nm 미만이면 절연 특성이 급격하게 감소하는 문제점이 있고, 300 nm를 초과하면 최종 소자의 구동 전압이 높아지는 문제점이 발생한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층의 유기 절연체는 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층이 형성됨으로써 폴리이미드 단일층인 경우보다 표면에너지가 상승하였음을 알 수 있고, 폴리비닐알콜 단일층인 경우보다 표면 거칠기가 감소하였음을 알 수 있다(실험예 1 참조).
또한, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층의 유기 절연체는 정전용량 및 유전상수가 높은 폴리비닐알콜과 정전용량 및 유전상수가 낮은 폴리이미드가 이중층으로 형성됨으로써 폴리이미드 단일층인 경우보다 정전용량이 2배 이상 향상되었을 뿐만 아니라, 폴리이미드 또는 폴리비닐알콜 단일층인 경우보다 누설전류밀도가 현저하게 감소되었음을 알 수 있다(실험예 2 참조).
나아가, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 박막 트랜지스터에 적용한 경우, 0 - 5 V의 게이트 전압 및 드레인 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있으나, 폴리이미드 또는 폴리비닐알콜 단일층을 박막 트랜지스터에 적용한 경우에는 0 - 5 V의 게이트 전압에서 전혀 구동되지 않는 것을 알 수 있다(실험예 3 참조).
따라서, 본 발명에 따른 유기 절연체는 상기 폴리이미드 및 폴리비닐알콜이 이중층으로 형성됨으로써, 0 - 5 V의 낮은 전압에서도 전하 이동이 가능하여 구동될 수 있을 뿐만 아니라, 누설전류밀도를 현저하게 감소시켜 전기적 특성이 우수하게 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명은 기판; 게이트 전극; 유기 반도체층; 소스 및 드레인 전극; 및 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 상기 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대해 상세히 설명한다.
구체적으로, 상기 기판은 박막 트랜지스터의 다양한 구성들을 집적시키기 위한 것으로, 유리 기판, 폴리카보네이트 및 폴리이미드 등의 고분자 기판 등을 사용할 수 있으며, 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한하지 않는다.
상기 게이트 전극은, ITO(indium-tin oxide:인듐-틴 옥사이드), IZO(Indium Zinc Oxide) 등을 사용할 수 있으며, ITO(indium-tin oxide:인듐-틴 옥사이드)를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한하지 않는다.
상기 유기 반도체 층은, Cn-BTBT(n은 4 - 20의 정수이다), 펜타센, 금속 프탈로시아닌, 금속 포르피린, 폴리티오펜, 페닐렌비닐렌, C60, 페닐렌테트라카르복실릭디언하이드라이드(phenylenetetracarboxylicdianydride), 나프탈렌테트라카르복실릭디언하이드라이드(naphthalenetetracarboxylic dianydride), 플루오르화 프탈로시아닌(fluorophthalocyanine) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극은 금(Au), 은(Au), 알루미늄(Al) 등을 사용할 수 있으며, 금(Au)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는, 0 - 5 V의 게이트 전압 및 드레인 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있고, 이 때, 상기 박막 트랜지스터는 전계이동도가 0.01 - 100 ㎠/V·s 범위인 것을 알 수 있다. 또한, 0 - 5 V의 게이트 전압에서 입력 및 출력되는 드레인 전류의 값은 거의 일치하여 히스테리시스 현상이 발현되지 않아 누설전류밀도가 현저하게 감소해 전기적 특성이 우수하게 향상되었음을 알 수 있다(실험예 3 참조).
나아가, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 유기 반도체는, 상기 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 절연체에 의해 유기 반도체의 표면이 전하 이동에 유리한 수지상(dendritic) 구조 또는 2차원 층상 결정 구조를 가지게 되어 전계이동도가 향상되어 전기적 특성이 향상됨을 알 수 있다(실험예 4 참조).
따라서, 본 발명에 따른 박막 트랜지스터는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 절연체를 포함함으로써 0 - 5 V의 낮은 전압에서도 박막 트랜지스터가 구동될 수 있다. 또한, 상기 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는 전압에 따라 입력 및 출력되는 전류의 값이 거의 일치하여 누설전류밀도가 현저하게 감소되어 전기적 특성이 우수하게 향상되었음을 알 수 있다.
나아가, 본 발명은 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 폴리비닐알콜층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 형성된 폴리이미드층 상부에 유기 반도체층을 증착시키는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 유기 반도체층 상부에 소스 및 드레인 전극을 증착시키는 단계(단계 5);를 포함하는 제10항의 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계로, ITO(indium-tin oxide:인듐-틴 옥사이드), IZO(Indium Zinc Oxide;인듐 징크 옥사이드) 등을 기판 상부에 코팅한 후, 게이트 전극 형상으로 패터닝함으로써 게이트 전극을 형성해, 전압을 인가할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 게이트 전극 상에 폴리비닐알콜층을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 단계 2는 폴리비닐알콜계 고분자를 용매에 용해시킨 후, 스핀코팅법, 잉크젯 프린팅법, 딥핑법 등의 방법을 사용해 코팅하고, 50 - 150 ℃에서 경화시킴으로써 폴리비닐알콜층을 형성한다. 온도가 50 ℃ 미만일 경우, 상기 폴리비닐알콜층에 수분이 남아있게 되고, 150℃를 초과하는 경우에는 상기 폴리비닐알콜층의 절연 특성이 감소하여 전하 이동이 저해되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 폴리비닐알콜층 상부에 폴리이미드층을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 단계 3은 폴리이미드계 고분자를 용매에 용해시킨 후, 스핀코팅법, 잉크젯 프린팅법, 딥핑법 등의 방법을 사용해 코팅하고, 50 - 150 ℃로 열처리하여 잔류 용매를 일부 제거한다. 그 다음 자외선을 조사해 폴리이미드를 경화한 후, 100 - 200 ℃에서 열처리함으로써 잔류 용매를 제거하여 상기 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 형성한다.
상기 열처리 온도가 100 ℃ 미만일 경우, 상기 폴리이미드층 내에 용매가 남아있는 문제가 있고, 200℃를 초과하는 경우에는 상기 폴리이미드층의 절연 특성이 감소하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 형성된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층의 유기 절연체층 상부에 유기 반도체층을 증착시키는 단계로, 상기 유기 반도체는 전압에 따라 전류의 입력 및 출력을 조절한다.
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4의 유기 반도체층 상부에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계로, 상기 소스 및 드레인 전극은 전압을 인가해 전류가 흐를 수 있도록 한다.
이하, 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예, 비교예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예, 비교예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
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제조예
1> 폴리이미드 조성물의 제조
4,4'-(헥사플루오로이소프로필리덴)디프탈릭 언하이드라이드(6FDA, 0.01 mol) 및 3,5-디아미노벤질시나메이트(DABC, 0.01mol)를 m-크레솔(28.54 g)에 용해시킨 후, 이소퀴놀린(0.01 mol)을 첨가하고 130 ℃로 가열하였다. 상기 가열된 용액의 점도가 포화단계에 이르면 가열을 중단하고, 과량의 메탄올을 첨가해 여과하여 얻은 고형물을 감압 하에 건조하여 폴리이미드 조성물을 얻었다.
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실시예
1> 폴리이미드 및
폴리비닐알콜
이중층
유기 절연체의 제조 1
폴리비닐알콜(시그마-알드리치 사, 미국, 제품번호:363065, 0.3 g)을 물(3 중량%)에 용해시킨 용액을 준비하고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 120 nm 두께로 스핀 코팅한 후, 100℃에서 60분간 열처리하여 폴리비닐알콜층을 형성하였다. 그 다음, 상기 폴리비닐알콜층 위에 상기 제조예 1에서 제조된 폴리이미드 조성물(0.1 g)을 사이클로헥사논(1 중량%)에 용해시킨 용액을 30 nm 두께로 스핀코팅하였다. 그 다음, 90℃에서 2분간 열처리하고, 자외선(365 nm, 3 J/㎠)을 조사한 다음, 130℃로 30분간 열처리하여 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 제조하였다.
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비교예
1> 폴리이미드
단일층
유기 절연체의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 폴리이미드 조성물(0.3 g)을 사이클로헥사논(3 중량%)에 용해시키고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 150 nm 두께로 스핀 코팅하였다. 그 후, 90℃에서 2분간 열처리하고, 자외선(365 nm, 3 J/㎠)을 조사한 다음, 130℃로 30분간 열처리하여 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에, 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 제조하였다.
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비교예
2>
폴리비닐알콜
단일층
유기 절연체의 제조
폴리비닐알콜(시그마-알드리치 사, 미국, 제품번호:363065, 0.4 g)을 물(4 중량%)에 용해시킨 용액을 준비하고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 150 nm 두께로 스핀 코팅한 후, 100℃에서 60분간 열처리하여 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체를 제조하였다.
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실시예
2> 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 1
폴리비닐알콜(시그마-알드리치 사, 미국, 제품번호:363065, 0.3 g)을 물(3 중량%)에 용해시킨 용액을 준비하고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 120 nm 두께로 스핀 코팅한 후, 100℃에서 60분간 열처리하여 폴리비닐알콜층을 형성하였다. 그 다음, 상기 폴리비닐알콜층 위에 상기 제조예 1에서 제조된 폴리이미드 조성물(0.1 g)을 사이클로헥사논(1 중량%)에 용해시킨 용액을 30 nm 두께로 스핀코팅하였다. 그 후, 90℃에서 2분간 열처리하고, 자외선(365 nm, 3 J/㎠)을 조사한 다음, 130℃로 30분간 열처리하여 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에, 폴리이미드 및 폴리비닐알콜이 순차적으로 스핀코팅된 이중층의 절연체를 형성하고, 상기 절연체의 상부에 펜타센(pentacene)을 섀도우마스크를 이용하여 3 X 10-6torr의 진공에서 60 nm 두께로 증착시켰다. 그 다음 금(Au)을 섀도우마스크를 이용하여 1 X 10-5 torr의 진공에서 50 nm두께로 증착시켜 1000 ㎛ 너비의 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하고 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터를 제조하였다.
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실시예
3> 폴리이미드 및
폴리비닐알콜
이중층
유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 2
상기 실시예 1에서, 펜타센(pentacene) 대신에 C8-BTBT(2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다.
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비교예
3> 폴리이미드
단일층
유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 1
상기 제조예 1에서 제조된 폴리이미드 조성물(0.3 g)을 사이클로헥사논(3 중량%)에 용해시키고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 150 nm 두께로 스핀 코팅하였다. 그 후, 90℃에서 2분간 열처리하고, 자외선(365 nm, 3 J/㎠)을 조사한 다음, 130℃로 30분간 열처리하여 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에, 폴리이미드 및 폴리비닐알콜가 순차적으로 스핀코팅된 단일층의 유기 절연체를 형성하고, 상기 폴리이미드 단일층 유기 절연체 위에 펜타센(pentacene)을 섀도우마스크를 이용하여 3 X 10-6torr의 진공에서 60 nm 두께로 증착시켰다. 그 다음 금(Au)을 섀도우마스크를 이용하여 1 X 10-5 torr의 진공에서 50 nm두께로 증착시켜 1000 ㎛ 너비의 소스 및 드레인 전극을 형성하여 폴리이미드 단일층 유기 절연체가 형성된 박막 트랜지스터를 제조하였다.
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비교예
4> 폴리이미드
단일층
유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 제조 2
상기 비교예 3에서, 펜타센(pentacene) 대신에 C8-BTBT(2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다.
<
비교예
5>
폴리비닐알콜
단일층
유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 제조 1
폴리비닐알콜(시그마-알드리치 사, 미국, 제품번호:363065, 0.4 g)을 물(4 중량%)에 용해시킨 용액을 준비하고, 상기 용액을 게이트 전극으로 ITO(indium tin oxide;인듐 틴 옥사이드)가 패터닝된 유기 기판에 150 nm 두께로 스핀 코팅한 후, 100℃에서 60분간 열처리하여 폴리비닐알콜층을 형성하고, 상기 폴리비닐알콜층 상부에 펜타센(pentacene)을 섀도우마스크를 이용하여 3 X 10-6torr의 진공에서 60 nm 두께로 증착시켰다. 그 다음 소스 전극 및 드레인 전극으로 금(Au)을 섀도우마스크를 이용하여 1 X 10-5 torr의 진공에서 50 nm두께로 증착시켜 1000 ㎛ 너비의 소스 및 드레인 전극을 형성하여 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체가 형성된 트랜지스터를 제조하였다.
<
비교예
6> 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 제조 2
상기 비교예 5에서, 펜타센(pentacene) 대신에 C8-BTBT(2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였다.
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실험예
1> 폴리이미드 및
폴리비닐알콜
이중층
유기 절연체의 표면 특성 평가
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 표면 특성을 알아보기 위해 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체, 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체 및 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체에 대하여 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경)으로 표면의 이미지를 촬영하여 그 결과를 도 2에 나타내고, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2의 절연체 표면에 대한 표면거칠기 및 표면에너지를 측정하여 표 1에 나타내었다.
도 2는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 (c) 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체에 대하여 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경)으로 촬영한 표면의 이미지이다.
| 유기 절연체 | 표면거칠기 (nm) |
표면에너지 (dyne/cm) |
| 비교예 1 | 0.49 | 46.3 |
| 비교예 2 | 1.10 | 59.3 |
| 실시예 1 | 0.71 | 47.4 |
도 2를 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체가 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체와 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체의 표면보다 현저하게 균일한 것을 육안으로 확인할 수 있다.
또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 표면거칠기는 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체보다 크나, 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체보다 작은 것을 알 수 있다. 나아가, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 표면에너지는 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체보다 높고, 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체보다 낮은 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체는 폴리이미드 단일층 유기 절연체보다 표면거칠기가 크고 표면에너지가 크나, 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체보다 표면거칠기가 작고 표면에너지가 낮으므로, 표면 특성으로는 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체보다 우수하다.
<
실험예
2> 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 절연특성 및 유전특성 평가
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 절연 특성 및 유전 특성을 알아보기 위해 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체, 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체 및 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체에 대하여, 하부 전극으로 ITO 전극을, 상부 전극으로 금(Au)을 사용하였으며, 최종 소자의 활성면적은 50.24 ㎟인 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조의 커패시터 소자를 제작한 후, 임피던스 계전기(impedance analyzer)를 이용하여 정전용량 및 누설전류밀도를 측정하고, 유전상수를 계산하여 절연특성 및 유전특성을 비교 평가하였다. 그 결과를 도 3, 도 4 및 표 2에 나타내었다.
도 3은 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 진동수에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 (a) 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체, (b) 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체 및 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 전기장에 따른 누설전류밀도를 나타낸 그래프이다.
| 유기 절연체 | 유전상수 | 정전용량(pF/㎟) | 누설전류밀도(A/㎠) |
| 비교예 1 | 2.7 | 160 | 4.8 X 10-5 |
| 비교예 2 | 7.2 | 426 | 1.9 X 10-5 |
| 실시예 1 | 6.4 | 378 | 2.3 X 10-9 |
도 3을 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 정전용량은 100 Hz 일 때 328 pF/㎟로, 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체의 100 Hz 일 때의 정전용량인 426 pF/㎟보다는 약 50 pF/㎟ 가량 낮게 측정되었으나, 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체의 100 Hz 일 때의 정전용량인 160 pF/㎟보다 2배 이상 높게 측정된 것을 알 수 있다.
또한, 도 4를 살펴보면, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 누설전류밀도는 2.3 X 10-9 A/㎠로, 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체의 누설전류밀도 4.8 X 10-5 A/㎠ 및 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체의 누설전류밀도 1.9 X 10-5 A/㎠에 비해 현저하게 낮은 것을 알 수 있다.
나아가, 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체의 유전상수는 6.4로, 비교예 2에서 제조된 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체의 유전상수 7.2보다 0.8 작은 값을 갖지만, 비교예 1에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체의 유전상수 2.7보다 2배 이상 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체을 사용하는 경우에는 정전용량이, 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 사용하는 경우보다 2배 이상 향상됨을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체을 사용하는 경우 누설전류밀도는 폴리이미드 단일층 유기 절연체 및 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체보다 현저하게 감소되어 전기적 특성이 향상됨을 알 수 있다.
<
실험예
3> 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 전기적
특성 평가
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체을 포함하는 트랜지스터의 성능을 알아보기 위해, 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 반도체 분석기(에질런트 테크날리지사, E5272)를 이용하여 게이트 전압에 따른 전이특성(드레인 전류(Ids) vs 게이트 전압(Vgs); 드레인 전류1 /2(Ids 1 /2 ) vs 게이트 전압(Vgs); 및 드레인 전압에 따른 출력특성(드레인 전류(Ids) vs 드레인 전압(Vgs))을 측정하였다. 그 결과를 도 5, 도 6 및 도 7에 그래프로 나타내었다.
도 5는 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 6은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 측정한 그래프이다.
도 7은 (a) 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류의 측정하여 나타낸 그래프이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터에 대하여 게이트 전압에 따라 입력 및 출력되는 드레인 전류를 측정하여 나타낸 그래프이다.
또한, 도 5 내지 7에 따른 그래프 결과에 대하여 전계이동도(μ), 문턱전압(Vt), 서브스레스홀드전압(V/decade) 및 전류점멸비(Ion/Ioff)를 산출하여 표 3에 나타내었다. 구체적으로, 상기 전계이동도(μ)는 드레인 전류1 /2와 게이트 전압의 그래프의 기울기로부터 산출하였고, 문턱전압(Vt) 및 서브스레스홀드전압(V/decade)은 각각 드레인 전류와 게이트 전압 및 드레인 전류1 /2와 게이트 전압의 그래프로부터 드레인 전류 = 0 및 드레인 전류1/2 = 0 일 때의 게이트 전압을 측정하였으며, 전류점멸비(Ion/Ioff)는 온(on) 상태의 최대 전류 값과 오프(off) 상태의 최소 전류 값의 비로 구하였다.
| 전계이동도 (㎠/V·s) |
문턱전압 (Vt) |
서브스레스홀드전압 (V/decade) |
전류섬멸비 (Ion/Ioff) |
|
| 비교예3 | 비활성 | - | - | - |
| 비교예4 | 비활성 | - | - | - |
| 비교예5 | 비활성 | - | - | - |
| 비교예6 | 비활성 | - | - | - |
| 실시예2 | 0.20 | -2.2 | 0.21 | 3.0 X 105 |
| 실시예3 | 0.88 | -3.4 | 0.20 | 1.7 X 105 |
도 5를 살펴보면, 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 전이특성을 나타내는 그래프에서는 상기 트랜지스터가 0 - 5 V의 낮은 게이트 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있고, 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 그래프를 보면, 상기 트랜지스터가 0 - 5 V의 낮은 게이트 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6을 살펴보면, 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 그래프를 보면, 전형적인 p-타입 반도체의 곡선을 보이는 것을 알 수 있고, 0 - 5 V의 드레인 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있으며, 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 그래프 역시 전형적인 p 타입 반도체의 곡선을 보이고, 0 - 5 V의 낮은 드레인 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 알 수 있다.
나아가, 도 7을 살펴보면, 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 그래프을 보면, 0 - 1 V의 게이트 전압에서 입력 및 출력되는 전류의 값에서 차이를 보이며 히스테리시스 현상이 보이지만 그 오차율이 매우 적고, 그 외의 구간에서는 입력 및 출력되는 전류의 값이 거의 일치하여 누설전류밀도가 미비한 수준임을 알 수 있다. 또한, 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 그래프에서도, 0 - 2 V의 게이트 전압에서 히스테리시스 현상이 보이지만 그 오차율이 매우 적고, 그 외의 구간에서는 입력 및 출력되는 전류의 값이 거의 일치하여 누설전류밀도가 미비한 수준임을 알 수 있다.
또한, 표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 3 내지 6에서 제조된 폴리이미드 또는 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터는 0 - 5 V 범위 내에서 구동되지 않아, 전계이동도, 문턱전압, 서브스레스홀드전압 및 전류섬멸비가 측정되지 않았다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 2에서 제조된 펜타센 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터 및 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는 전계이동도가 0.20 ㎠/V·s 및 0.88 ㎠/V·s이고, 문턱전압은 -2.2 V 및 -3.4 V, 서브스레스홀드전압은 0.21 V/dec 및 0.20 V/dec, 전류섬멸비는 3.0 X 105, 1.7 X 105으로 측정되어 0 - 5 V의 낮은 드레인 전압에서도 구동되고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는 폴리이미드 또는 폴리비닐알콜 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터에 비해 0 - 5 V의 낮은 전압에서도 구동될 수 있으며, 입력 및 출력되는 전류의 값이 거의 일치하여 히스테리시스 현상이 발현되지 않아 누설전류밀도가 현저하게 감소하였으므로 전기적 특성이 우수하게 향상되었음을 알 수 있다.
<
실험예
4> 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의
유기반도체층
표면 특성 평가
본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체가 그 위에 형성된 유기 반도체의 표면에 미치는 영향을 알아보기 위해 다음과 같이 실험하였다.
구체적으로, 펜타센 유기 반도체를 적용한 경우인 실시예 2에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터 및 비교예 3에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터; 및 C8-BTBT 유기 반도체를 적용한 경우인 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터 및 비교예 4에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터;에 대해 유기 반도체의 표면을 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경)으로 촬영하여 그 이미지를 각각 도 8 및 9에 나타내었다.
도 8은 (a) 비교예 3에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 2에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
도 9는 (a) 비교예 4에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이고, (b) 실시예 3에서 제조된 C8-BTBT 유기 반도체를 포함하는 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면의 AFM(Atomic Force Microscope;원자힘 현미경) 이미지를 촬영한 사진이다.
도 8을 살펴보면, 비교예 3에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터 및 실시예 2에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 펜타센 유기 반도체 표면에서 수지상(dendritic) 구조를 갖는 타원형의 결정을 육안으로 확인할 수 있다.
또한, 도 9를 살펴보면, 비교예 4에서 제조된 폴리이미드 단일층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터 및 실시예 3에서 제조된 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터의 C8-BTBT 유기 반도체 표면에서 2차원 층상 결정(2D layer-by-layer)을 육안으로 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는 상기 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체에 의해 펜타센 또는 C8-BTBT 유기 반도체의 표면이 전하이동에 유리한 수지상 또는 2차원 층상 결정 구조를 가지게 됨을 알 수 있다. 이에 본 발명에 따른 폴리이미드 및 폴리비닐알콜 이중층 유기 절연체를 포함하는 박막 트랜지스터는 전계이동도가 향상되어 전기적 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
Claims (14)
- 기판, 상기 기판 상부에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상부에 형성된 박막 트랜지스터 유기 절연체; 상기 유기 절연체층 상부에 형성된 유기 반도체층; 및 상기 유기 반도체층 상부에 형성된 소스 및 드레인 전극;을 포함하는 박막 트랜지스터에 포함되는 박막 트랜지스터 유기 절연체로서,
상기 박막 트랜지스터가 5V 이하의 게이트 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르게 하는 것을 특징으로 하며,
상기 게이트 전극 상부에 폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 폴리비닐알콜층; 및
상기 폴리비닐알콜층 상부에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 1 종 이상인 폴리이미드계 고분자를 포함하는 폴리이미드층;을 포함하는 박막 트랜지스터 유기 절연체:
[화학식 1]
(상기 화학식 1에 있어서,
상기는
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 R은
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 n은 10 내지 3000의 정수이다).
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서
상기는
,
또는
이고,
상기 R은또는
이고, 및
상기 n은 10 내지 2000의 정수인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 유기 절연체의 두께는 10 - 300 nm인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 절연체는 폴리이미드층 : 폴리비닐알콜층이 1 : 0.1 - 10 의 두께 비율인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 유기 절연체.
- 기판;
상기 기판 상부에 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상부에 형성된 폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 폴리비닐알콜층;
상기 폴리비닐알콜층 상부에 형성된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 1 종 이상인 폴리이미드계 고분자를 포함하는 폴리이미드층;
상기 폴리이미드층 상부에 형성된 유기 반도체층; 및
상기 유기 반도체층 상부에 형성된 소스 및 드레인 전극;을 포함하는 박막 트랜지스터이며,
상기 박막 트랜지스터는 5V 이하의 게이트 전압에서 구동되어 드레인 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터:
[화학식 1]
(상기 화학식 1에 있어서,
상기는
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 R은
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 n은 10 내지 3000의 정수이다).
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체 층은 Cn-BTBT(n은 4 - 20의 정수이다), 펜타센, 금속 프탈로시아닌, 금속 포르피린, 폴리티오펜, 페닐렌비닐렌, C60, 페닐렌테트라카르복실릭디언하이드라이드(phenylenetetracarboxylicdianydride), 나프탈렌테트라카르복실릭디언하이드라이드(naphthalenetetracarboxylic dianydride), 플루오르화 프탈로시아닌(fluorophthalocyanine) 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
- 제10항에 있어서,
상기 박막 트랜지스터는 전계이동도가 0.01 - 100 ㎠/V·s 범위인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
- 기판 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 게이트 전극 상부에 폴리비닐알콜계 고분자를 포함하는 폴리비닐알콜층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 폴리비닐알콜층 상부에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 적어도 1 종 이상인 폴리이미드계 고분자를 포함하는 폴리이미드층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 형성된 폴리이미드층 상부에 유기 반도체층을 증착시키는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 유기 반도체층 상부에 소스 및 드레인 전극을 증착시키는 단계(단계 5);를 포함하는 제10항의 박막 트랜지스터의 제조방법:
[화학식 1]
(상기 화학식 1에 있어서,
상기는
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 R은
,
,
,
,
,
,
,
,
,
또는
이고,
상기 n은 10 내지 3000의 정수이다).
- 제13항에 있어서,
상기 단계 2 및 단계 3은 스핀코팅법, 잉크젯 프린팅법 및 딥핑법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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