KR101729686B1 - 레이저 직접 묘화로 양각 패턴의 형성 방법 및 전도성 고분자막 - Google Patents

레이저 직접 묘화로 양각 패턴의 형성 방법 및 전도성 고분자막 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 양각 패턴의 형성 방법은 고분자막을 준비하는 단계, 고분자막에 레이저 빔을 조사하여 고분자막의 표면으로부터 돌출되는 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저 빔의 에너지 밀도는 레이저 빔에 의해서 고분자막이 삭마되는 삭마 임계점 미만으로 조사하여 패턴을 형성할 수 있다.

Description

레이저 직접 묘화로 양각 패턴의 형성 방법 및 전도성 고분자막{METHOD FOR FORMING EMBOSSED PATTERN BY LASER DIRECT WRITING AND CONDUCTIVE POLYMER FILM}
본 발명은 양각 패턴의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 레이저를 이용한 양각 패턴 및 이의 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 성질을 갖는 유기물은 유기 발광 다이오드, 유기 태양전지, 유기 트랜지스터 또는 유기 발광 트랜지스터와 같은 광, 전기적 장치 분야에 있어서 그들의 높은 응용 가능성으로 인해 산업적인 관심이 증대되고 있다.
특히 유기 반도체 물질은 가격이 저렴하고 대면적에 적용 가능할 뿐 아니라 충격에 의해 깨지지 않으며 구부러지거나 접을 수 있어 차세대 가요성(flexible) 디스플레이 등에서 구동 스위칭 장치 또는 가요성 태양 전지 등으로서 각광받고 있다.
그러나 유기 반도체 물질을 이용한 전자 장치들은 이러한 장점에도 불구하고, 실리콘 기반 전자 장치들에 비해서 장치 성능이 떨어진다.
한편, 유기 반도체를 포함하는 다수의 전자 장치들은 포토 리소 그래피 또는 임프린트 공정 등을 이용하여 패터닝된다.
포토 리소 그래피 공정은 광마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 통해서 감광막 패턴을 형성하고, 이를 마스크로 식각 공정을 진행하여 패턴을 형성하는 것으로 공정이 복잡하고 이에 따른 시간 및 비용이 증가한다.
그리고 임프린트 공정은 패턴을 형성하기 위한 몰드를 별도로 형성해야 하며, 주로 고분자 물질 등에 임프린트 공정을 적용하므로 높은 압력을 사용하는 접촉식 공정이라는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서, 복잡한 포토 리소 그래피 공정 및 임프린트 공정을 사용하지 않으면서도, 패턴을 용이하게 형성할 수 있는 양각 패턴 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서, 용이하게 패턴을 형성하면서도 반도체 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 용이하게 제어할 수 있는 양각 패턴 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
따라서 상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 양각 패턴의 형성 방법은 고분자막을 준비하는 단계, 고분자막에 레이저 빔을 조사하여 상기 고분자막의 표면으로부터 돌출되는 패턴을 형성하는 단계를 포함하고, 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 레이저 빔에 의해서 상기 고분자막이 삭마되는 삭마 임계점 미만으로 조사하여 상기 패턴을 형성한다.
상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 40% 내지 95%로 조사할 수 있다.
상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 80% 내지 90%로 조사할 수 있다.
상기 패턴을 형성하는 단계에서, 레이저는 파장이 3,000nm미만이고, 펄스 지속 시간이 1ns미만인 초단펄스를 조사할 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 양각 패턴의 형성 방법은 기판 위에 전도성 고분자막을 형성하는 단계, 그리고 전도성 고분자막에 편광된 레이저 빔을 조사하여 돌출부를 형성하는 단계를 포함하고, 돌출부를 형성하는 단계에서, 상기 전도성 고분자막의 고분자 사슬은 일방향으로 정렬될 수 있다.
상기 돌출부를 형성하는 단계에서, 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 이동하는 방향에 평행인 P편광, 상기 레이저 빔이 이송되는 방향에 수직인 S 편광, 또는 상기 P 편광과 상기 S편광 사이의 방향으로 편광된 편광을 조사할 수 있다.
상기 돌출부를 형성하는 단계에서, 고분자 사슬은 상기 레이저 빔의 편광 방향으로 정렬할 수 있다.
상기 돌출부를 형성하는 단계에서, 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 레이저 빔에 의해서 상기 전도성 고분자막이 삭마되는 삭마 임계점 미만일 수 있다.
상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 40% 내지 95%로 조사할 수 있다.
상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 80% 내지 90%로 조사할 수 있다.
상기 레이저 빔의 파장은 3000nm미만이며, 펄스 지속 시간이 1ns 미만인 초단파 펄스를 조사할 수 있다.
상기한 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 양각 패턴은 고분자막, 고분자막의 표면으로부터 돌출되어 있는 돌출부를 포함하고, 고분자막은 상기 돌출부와 대응하는 제1 부분과 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분을 포함하고, 고분자막은 복수의 고분자 사슬을 포함하고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 고분자 사슬 배열 형태가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 부분에 위치하는 상기 고분자 사슬은 일방향으로 정렬되는 복수의 선형 고분자 그룹을 포함할 수 있다.
상기 고분자막은 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS 또는 P3HT:PCBM일 수 있다.
상기 돌출부의 두께는 상기 고분자막의 두께 이하의 두께부터 상기 고분자막 두께의 수배로 돌출되어 있을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서와 같이 패턴을 형성하면, 포토 리소 그래피 공정과 같은 복잡한 공정 없이 용이하게 양각 패턴을 형성하여, 패턴 형성 공정 시간 및 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 한 실시예에서와 같이 패턴을 형성하면 유기 반도체의 고분자 사슬의 정렬을 용이하게 변경시켜, 유기 반도체의 전하 이동 효율을 증가시킬 수 있고, 이로 인해서 본 발명에 따른 양각 패턴을 포함하는 반도체 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서와 같이 유기 반도체의 고분자 사슬의 방향이 원하는 방향으로 다양하게 배열된 양각 패턴을 형성함으로써, 이를 포함하는 유기 반도체를 가지는 반도체의 전기적 특성 및 광학적 특성을 원하는 특성으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라서 형성한 양각을 포함하는 박막 패턴의 개략적인 단면도이다.
도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라서 형성한 박막 패턴의 고분자 사슬 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 양각 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 빔 파워에 따른 패턴의 높이를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 빔 파워에 따라 형성된 패턴의 사진이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따라서 엑스레이 산란 강도를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 및 레이저 이동 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 15a 및 도 16a는 각각 S 편광 및 P편광 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 결정의 격자 상수의 크기 분포를 나타내는 엑스레이(X-ray) 산란 강도를 보여주는 1차원 그래프이다.
도 15b는 도 15a의 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 사슬 배열을 도시한 도면이다.
도 16b는 도 16a의 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 사슬 배열을 도시한 도면이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자 사슬의 배열을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜지스터의 단면도이다.
도 19은 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜지스터의 단면도이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 반도체 트랜지스터 제조 공정의 중간 단계에서의 단면도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 한 실시예의 편광에 따른 고분자 사슬 배열을 설명하기 위한 유기 반도체 트랜지스터의 개략적인 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 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.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라서 형성한 양각을 포함하는 박막 패턴의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 패턴은 기판(100) 위에 형성된 고분자막(120)으로 이루어지며, 고분자막(120)의 표면으로부터 돌출되어 있는 돌출부(200)를 포함한다. 고분자막(120)은 전도성 고분자로 이루어지며, 돌출부(200)의 높이(T1)는 레이저의 세기로 조절할 수 있으며 고분자막(120)의 두께(T2) 이하의 두께부터 고분자막(120) 두께의 수배까지 돌출될 수 있다.
고분자막(120)은 돌출부(200)와 대응하는 제1 부분(A)과 제1 부분(A)을 제외한 제2 부분(B)을 포함한다. 제1 부분(A)은 박막에 형성하고자 하는 특정 모양의 패턴이 된다.
고분자막(120)은 복수의 고분자 사슬을 포함하며, 제1 부분(A)과 제2 부분(B)의 고분자 사슬 배열 형태가 서로 다르다.
도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라서 형성한 박막 패턴의 고분자 사슬 배열을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b 는 PC60BM 또는 PC70BM 을 포함하는 P3HT:PCBM의 배열 형태를 도시하였고, 도 3a 및 도 3b는 나노입자를 포함하는 PEDOT:PSS의 배열 형태를 도시하였다.
도 2a 및 도 3a에 도시한 바와 같이, 고분자막 내의 고분자 사슬(C)은 무질서하게 분산된 형태일 수 있으나, 후술하는 본 발명의 한 실시예에서와 같이 레이저 빔을 조사하면, 도 2b및 도 3b에 도시한 바와 같이 고분자 사슬(C)은 일방향으로 정렬되며, 일방향으로 정렬된 복수의 선형 고분자 그룹(G)을 형성한다.
따라서, 레이저 빔이 조사된 제1 부분(A)은 도 2b 및 도 3b에서와 같이 고분자 사슬의 배열 형태가 변화하면서 레이저 빔이 조사되지 않은 제2 부분(B)보다 돌출(도 1참조)되어 패턴이 될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 양각 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 고분자막(120)을 형성한다. 기판(100)은 유리 기판 또는 유기 발광 소자, 트랜지스터 등을 포함하는 반도체 기판일 수 있다.
고분자막(120)은 패턴을 형성하고자 하는 박막으로, 전도성 고분자로 이루어지며, 예를 들어 P3HT:PCBM 또는 PEDOT:PSS일 수 있다.
다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 고분자막(120) 위에 레이저 빔(L)을 조사하여 돌출부(200)를 형성한다. 이때, 레이저가 조사되는 영역(A)의 고분자막(120)은 팽창되고, 팽창된 부분인 돌출부(200)는 양각 패턴이 된다. 예를 들어, 선형 패턴을 형성할 경우, 레이저를 일방향으로 진행시키면서 조사하면, 레이저 빔이 진행하는 방향을 따라서 레이저 빔이 조사된 영역의 고분자막이 팽창되어 돌출된 선형 패턴이 형성된다. 돌출부(200)는 조사되는 레이저 빔의 강도 및 시간에 따라서 달라질 수 있으며, 돌출부(200)의 높이(T1)는 고분자막(120)의 두께(T2) 이하의 두께부터 고분자막(120) 두께의 수배까지 돌출될 수 있다.
레이저 빔은 삭마 임계점(ablation threshold) 미만의 출력으로 고분자막(120)에 조사한다. 삭마 임계점은 고분자막(120)이 제거되기 시작하는 레이저의 에너지 밀도로, 삭마 임계점은 고분자막(120)의 물질의 반사율, 흡수율 혹은 결합 구조와 강도에 따라서 달라질 수 있다.
따라서, 삭마 임계점 이상의 에너지 밀도에서는 고분자막(120)이 제거되므로, 삭마 임계점인 에너지 밀도를 100%라 할 때, 삭마 임계점의 40% 내지 95%인 에너지 밀도로 고분자막(120)에 조사한다. 바람직하게는 삭마 임계점인 에너지 밀도의 80% 내지 90%로 고분자막에 조사한다. 이때, 레이저 빔은 레이저 빔 단면의 강도 분포가 중심부의 강도가 높고, 주변부의 강도가 낮아지는 가우시안(Gaussian) 빔일 수 있다. 또한, 레이저 빔은 플랫탑(flat-top)과 같이 다른 형태의 레이저 빔일 수 있으며, 가우시안 빔과 다른 형태의 레이저 빔 출력으로 조사하더라도 유사한 특성을 얻을 수 있다.
레이저 빔은 레이저 빔의 펄스 지속 시간이 1ns미만인 초단(short)펄스 이고, 파장이 3,000nm미만일 수 있다. 바람직하게는 레이저 빔의 펄스 지속 시간이 100ps미만인 극초단(ultrshort)펄스이고, 파장이 250nm 내지 2,100nm일 수 있다. 이때, 패턴 가공 시간을 줄이기 위해서는 100kHz이상의 펄스 반복률을 가지도록 조사하는 것이 바람직하다.
이상의 레이저 조사는 도 6 내지 도 8에 도시한 레이저 가공 장치를 이용하여 진행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예들에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1000)는 레이저 발생부(300), 레이저 빔을 전달하는 빔 전달 광학계(310), 빔 변형기(320), 갈바노 스캐너(galvano scanner)(330) 및 집광 렌즈(340)를 포함한다.
레이저 발생부(300)는 레이저 빔(L)을 출력하는 장치로, 제어부(도시하지 않음)의 제어에 따라 출력되는 레이저 빔의 강도나 발생 주기 등이 조절된다.
빔 전달 광학계(310)는 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변화시키는 미러와 빔의 크기를 확대시키는 빔 확대기, 레이저 출력을 감쇄시키는 빔 감쇄기를 포함할 수 있다.
빔 변형기(320)는 레이저 빔(L)을 갈바노 스캐너(330)에 전달하며, 레이저 빔(L)의 공간 분포를 바꾸는 빔 쉐이핑 광학계이거나, 회절 현상을 이용하여 복수의 레이저 빔(L)으로 변형하는 회절 격자를 포함한다.
회절 격자에 형성된 격자의 형상, 격자의 간격 또는 단면의 형상 등은 필요에 따라서 다양하게 변형 가능하다. 회절 격자에 형성된 격자들의 간격이나 구체적인 형상에 따라 회절광학소자(320)를 통과하는 레이저 빔(L)이 몇 개로 분할되는지 그리고 어떤 간격으로 분할되는지 결정되므로 필요에 따라 적절한 회절 격자를 선택한다.
회절광학소자(320)로 레이저 빔(L)을 분할 시키면, 복수의 광을 생성하므로 스팟 형태의 복수의 레이저 빔(L)이 가공물로 조사되어 복수의 패턴을 동시에 형성할 수 있으므로 가공 시간을 줄일 수 있다.
갈바노 스캐너(330)는 갈바노 미터(galvanometer)라고도 불리는 것으로, 내부에 적어도 하나의 갈바노 미러(32)와 이러한 갈바노 미러(32)를 회전시키는 갈바노 미러 회전 수단(34)을 구비한다. 갈바노 스캐너(330)는 외부로 받은 레이저 빔(L)을 회전 수단(34)에 의해 회전되는 갈바노 미러(32)로 반사시켜, 가공 대상물 상에 1축 혹은 2축 상의 원하는 위치에 조사시키는 장치이다.
갈바노 스캐너(3300가 갈바노 미러(32)와 회전 수단(34)을 하나씩 구비하게 되면, 갈바노 미러(32)의 최대 작동 범위 내의 1축 상의 원하는 위치에 레이저 빔을 조사할 수 있게 된다. 갈바노 회전 수단(34)에 의해 갈바노 미러(32)가 회전하면서 레이저 빔(L)을 연속적으로 조사하면, 1축 상의 연속된 직선 형상의 패턴을 가공할 수 있다. 다만, 레이저가 직선 운동을 하면서 동시에 갈바노 미러(32)가 동작하게 되면, 곡선 형상의 패턴 가공도 가능하다.
또한, 도 6에서와 같이 2개의 갈바노 미러(32)와 각각의 회전 수단(34)을 구비할 경우, 2축 상의 원하는 위치에 레이저 빔(L)을 조사할 수 있다. 2 개의 갈바노 미러(32)는 반사면이 서로 마주하도록 배치된다.
갈바노 스캐너(330)는 제어부(도시하지 않음)와 연결되어 있으며, 제어부는 가공하고자 하는 형상에 따라 회전 수단(34)을 제어하여 원하는 위치에 레이저 빔(L)이 고속으로 조사될 수 있도록 함으로써, 가공 작업의 효율성을 향상시킬 수 있다.
집광 렌즈(340)는 갈바노 스캐너(330)에서 전달된 광을 집광하여 가공물(400)에 조사하기 위한 것으로, fθ렌즈, fθ텔레세트릭(telecentric) 렌즈 일 수 있다.
도 7에 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1002)는 도 3의 레이저 가공 장치(1000)와 대부분 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 7의 레이저 가공 장치(1002)는 레이저 발생부(300), 빔 전달 광학계(310), 이색성 거울(dichroic mirror)(350), 집광 렌즈(360), 3차원 스테이지(도시하지 않음) 및 검사부(500)를 포함한다.
이색성 거울(350)은 특정 파장의 측정광은 통과 시키고, 레이저 빔(L)은 반사 시킬 수 있다. 그리고 집광 렌즈(360)는 볼록 렌즈일 수 있다.
검사부(500)는 카메라(52), 모니터(54), 광원(56) 및 빔 스플리터(58)를 포함한다.
카메라(52)는 라인 카메라(line camera), 에어리어 카메라(area camera), 고체 촬상 소자(CCD) 또는 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor) 일 수 있으며, 이 외에도 검사 장치에 사용되는 다양한 이미지 캡쳐 수단이 이용될 수 있다.
모니터(54)는 카메라(52)에서 촬영한 영상을 출력하는 수단으로, 레이저 빔(L)에 의해서 가공된 부분의 영상을 출력한다.
광원(56)에서 조사된 측정광(L2)은 빔 스플리터(58)에서 반사 된 후, 이색성 거울(350) 및 집광 렌즈(360)를 통해서 가공물(400)에 조사된 후 반사되고, 이색성 거울(350) 및 빔 스플리터(58)를 통과하여 카메라(52)에 입사되어 영상으로 촬영된다. 촬영된 영상은 모니터를 통해서 출력되므로, 출력 영상을 확인함으로써 레이저 빔(L)에 의해 가공된 가공물의 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1004)는 도 8에서와 같이 빔 변형기(320)를 더 포함할 수 있다. 회절광학소자(320)를 통해서 레이저 빔((L)을 복수의 빔으로 분기시키므로 가공 속도를 증가시킬 수 있다
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라서 레이저 빔을 이용하여 박막에 패턴을 형성하면, 별도의 포토리소그래피 공정 없이 단순하게 박막에 패턴을 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 빔 파워에 따른 패턴의 높이를 측정한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 빔 파워에 따라 형성된 패턴의 사진이다.
박막은 P3HT:PCBM으로, 180nm 내지 200nm의 두께로 형성하였다. 그리고 레이저 빔은 50mW, 55mW, 60mW 및 70mW의 파워로 조사하면서, 250kHz, 200mm/s의 속도로 가공하였다.
도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 레이저 빔 파워가 50mW, 55mW, 60mW로 증가 할수록 패턴의 높이가 증가하다가, 65mW에서는 약간 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 파워가 70mW가 되면 패턴의 높이가 0으로 패턴이 형성되지 않고 모두 제거된 것을 알 수 있다. 즉, 파워가 70mW일 때 삭마 임계점인 에너지 밀도가 되어 패턴이 형성되지 않고 모두 제거된다.
이처럼, 레이저 빔의 파워에 따라서 에너지 밀도가 달라지고, 이에 따라서 형성되는 패턴의 높이가 달라지므로, 형성하고자 하는 패턴의 높이 등을 고려해서 레이저 빔의 에너지 밀도를 제어하면 원하는 형상의 패턴을 얻을 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 한 실시예에 따른 패턴 형성법을 이용하면, 광효율이 증가한 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
이에 대해서는 도 11을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 태양 전지(1005)는 기판(100) 위에 형성되어 있는 제1 전극(610), 광활성층(620), 제2 전극(630)을 포함한다.
기판(100)은 제1 전극(610) 또는 제2 전극(630) 측에 위치할 수 있으며, 투광성 물질로 만들어질 수 있다. 투광성 물질은 예를 들어, 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에트로술폰, 폴리 이미드 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(610)과 제2 전극(630) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고, 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다.
제1 전극(610) 및 제2 전극(630) 중 하나는 예를 들어, ITO(indium tin oxide), SnO2, IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), GZO(gallium doped zinc oxide)와 같은 도전성 산화물, 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT) 또는 그래핀(grapheme)과 같은 도전성 탄소복합체 따위의 투명 도전체를 포함할 수 있고, 다른 하나는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크롬(Cr), 칼슘(Ca), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 및 이들의 조합에서 선택되는 불투명 도전체를 포함할 수 있다.
제1 전극(610) 및 제2 전극(630)은 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다.
광활성층(620)은 각각 n형 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체와 p형 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체를 포함하는 광활성물질을 포함한다.
전자 수용체와 전자 공여체는 예컨대 벌크 이종 결합(bulk hetero junction) 구조를 이룰 수 있다. 벌크 이종 접합 구조인 경우, 광활성층에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드인 제1 전극으로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드인 제2 전극으로 이동하여 광 전류(photocurrent)를 발생시킨다.
광활성층(620)은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조(1,2-b:4,5-b')디티오펜-2,6-디일)(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노(3,4-b)티오펜디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl)(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)), PTB1), 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조(1,2-b:4,5-b')디티오펜-2,6-디일)(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노(3,4-b)티오펜디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl)(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno(3,4-b)thiophenediyl)), PTB7), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 틴(II) 프탈로시아닌(tin (II) phthalocyanine, SnPc), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 트리아릴아민(triarylamine), 벤지딘(bezidine), 피라졸린(pyrazoline), 스티릴아민(styrylamine), 하이드라존(hydrazone), 카바졸(carbazole), 티오펜(thiophene), 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT), 피롤(pyrrole), 페난트렌(phenanthrene), 테트라센(tetracence), 나프탈렌(naphthalene), 루브렌(rubrene), 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), Alq3, 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등), 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, 페릴렌(perylene), CdS, CdTe, CdSe, ZnO, 이들의 유도체 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 2개를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
벌크 헤테로 정션을 형성할 때 에너지 레벨이 서로 상이한 물질을 사용하는 경우, LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 n형 반도체 물질로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 p형 반도체 물질로 사용될 수 있다.
한편, 유기 태양 전지는 애노드인 제2 전극(630)과 광활성층(620) 사이에 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자 차단층(electron blocking layer, EBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
정공 수송층(HTL)은 정공의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 차단층(EBL)은 전자의 이동을 저지하는 역할을 수행할 수 있고, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 비페닐트리티오펜(bi-phenyl-tri-thiophene, BP3T), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 태양 전지는 캐소드인 제1 전극(610)과 광활성층(620) 사이에 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공 차단층(hole blocking layer, HBL) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
전자 수송층(ETL)은 전자의 수송을 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 차단층(HBL)은 정공의 이동을 저지하는 역할을 수행하는 동시에 전기적인 단락(short)을 막기 위한 보호막 역할을 수행할 수 있고, 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 광활성층(620)에는 복수의 돌기(62)가 형성되어 있다. 도 11에서는 복수의 돌기(62)가 광활성층(620)의 상부에 형성된 것을 도시하였으나, 전자 수용체와 전자 공여체가 각각 형성될 경우, 전자 수용체와 전자 공여체가 접합하는 부분의 전자 수용체 또는 전자 공여체에 형성될 수 있다. 물론, 광활성층에 포함되는 정공 수송층, 전자 차단층, 전자 수송층 및 정공 차단층 중 어느 하나 이상의 층에 형성될 수도 있다.
돌기(62)는 광활성층(620)에 일정한 크기로, 균일한 간격으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 임의의 크기 및 간격으로 형성될 수도 있다.
광활성층(620)에 돌기(62)를 형성하면 광활성층에 입사된 광이 돌기를 가진 광활성층 내에서 광전 효율이 증가하고, 돌출 구조에 의한 광흡수 길이의 증가로 태양 전지에서 광이 최대한 많이 흡수될 수 있도록 한다.
돌기(62)는 도 4 및 도 5에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 패턴 형성 방법으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 돌기의 평면 형태가 원형일 경우, 도 4 및 도 5에서와 같이 삭마 임계점 미만으로 제어된 레이저 빔을 스팟 형태로 조사하고, 일정거리 이동한 후 조사하는 공정을 반복적으로 진행함으로써 용이하게 형성할 수 있다.
이처럼, 본 발명은 원하는 패턴에 따라서 레이저 빔(L)을 조사하는 것만으로도 원하는 형상의 패턴을 형성할 수 있으므로 별도의 포토 리소 그래피 공정, 임프린트 공정과 같은 마스크 공정 및 식각 공정을 생략할 수 있어 패턴 형성 공정을 단순화 시킬 수 있다.
이상의 실시예에서는 광활성층에 돌기를 형성하는 것을 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 고분자 기판 등에 돌기를 형성할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양각 패턴을 형성하는 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 양각 패턴을 형성하는 방법은 대부분 도 1 내지 도 5와 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 양각 패턴은 편광된 레이저 빔을 이용하여 형성할 수 있다. 레이저 빔은 P 편광 또는 S 편광일 수 있다.
이처럼, 편광된 레이저 빔을 조사하면 레이저 빔의 이동 경로를 따라서 돌출부가 형성되어 양각 패턴이 형성되고, 양각 패턴에 포함된 고분자 사슬의 배열 방향은 레이저 빔의 편광 방향에 따라서 달라질 수 있다. 편광된 레이저 빔을 조사하면, 고분자 사슬은 일방향으로 정렬하고, 레이저 빔의 편광에 수직한 방향으로 배열된다.
이러한 편광 레이저 빔은 도 12에 도시한 레이저 장치를 이용하여 조사할 수 있다.
도 12의 레이저 조사 장치는 대부분 도 6의 레이저 조사 장치와 동일하므로 다른 부분에 대해서만 구체적으로 설명한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1006)는 레이저 발생부(300), 레이저 빔을 전달하는 빔 전달 광학계(310), 빔 변형기(320), 파장판(325), 갈바노 스캐너(330) 및 집광 렌즈(340)를 포함한다.
도 12의 레이저 가공 장치는 레이저 빔의 이동 경로 상에 파장판(325)을 더 포함한다.
파장판(325)은 레이저 빔의 편광 방향을 바꾸기 위한 것으로, 반파장판(half waveplate, HWP) 또는 사분파장판(quarter waveplate, QWP), 또는 와류판(vortex plate)과 같은 파장판을 설치하여 생성할 수 있다. 예를 들어, 선형 편광을 가진 레이저 빔은 반파장판(λ/2)을 사용하여 입사광의 편광을 회전시켜 얻을 수 있다.편광판은 레이저 빔이 입사되는 방향에 나란한 축을 중심으로 모터와 같은 회전 구동부(도시하지 않음)에 의해서 회전될 수 있다. 레이저 발생부에서 발생된 레이저 빔은 고정된 편광 방향을 가지고 있으나 편광판을 통과하면서 원하는 방향으로 편광 방향이 바뀐 후 고분자막에 조사될 수 있다.
파장판(325)은 도 7 및 도 8의 레이저 가공 장치에도 설치될 수 있으며, 레이저 빔이 이동하는 경로 상에 위치할 수 있다. 즉, 빔 변형기(320)를 통과한 레이저 빔이 파장판을 통과하도록 배치될 수 있다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따라서 엑스레이 산란 강도를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광 및 레이저 이동 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 15a 및 도 16a는 각각 S 편광 및 P편광 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 결정의 격자 상수의 크기 분포를 나타내는 엑스레이(X-ray) 산란 강도를 보여주는 1차원 그래프이고, 도 15b는 도 15a의 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 사슬 배열을 도시한 도면이고, 도 16b는 도 16a의 레이저 빔이 조사된 영역에서의 고분자 사슬 배열을 도시한 도면이다.
엑스레이 산란 강도는 도 13에서와 같이, 돌출부(200) 형태의 양각 패턴이 형성된 고분자막(120) 샘플을 0°, 45° 및 90°로 회전시키면서 촬영하였다. 그리고 도 15b 및 도 16b는 고분자 물질로 P3HT 를 예로 들어 도시하였다.
도 14에서와 같이, 고분자막(120)에 레이저 빔이 이동하는 방향으로 선형 돌출부(200)가 형성된 것을 예로 들어 설명한다. 도 14에서 0°는 제1 방향으로 레이저 빔이 지나가는 방향으로, P편광 방향이고, 90°는 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 S편광 방향이고, 45°는 제1 방향 및 제2 방향 사이의 방향이다.
도 14을 참조할 때, S 편광(90°)으로 조사된 영역의 엑스레이 데이터를 분석한 결과, 도 15a에서와 같이 피크(peak)의 세기는 엑스레이가 0°로 조사된 방향에서 가장 강하게 나타났으며, 45° 및 90°로 갈수록 피크의 세기가 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 15a에서와 같이 가장 강한 피크가 0°방향에서 나타나므로, 고분자 사슬은 도 15b에서 0°방향으로 배열된 것을 알 수 있다. 즉, S 편광에 대해서 고분자 사슬은 레이저의 S 편광에 수직한 방향으로 배열된다.
그리고 도 14를 참조할 때, P편광(0°)으로 조사한 후, 조사된 영역의 엑스레이 데이터를 분석할 결과 도 16a에서와 같이 피크의 세기는 90°에서 가장 강하게 나타났으며, 45°및 0°로 갈수록 피크의 세기가 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 16b에서와 같이 고분자 사슬은 가장 강한 피크가 90°방향에서 나타나므로, 고분자 사슬은 90°방향으로 배열된 것을 알 수 있다. 즉, P편광에 대해서 고분자 사슬은 레이저의 P편광에 수직한 방향으로 배열된다.
이처럼, 레이저 빔의 편광을 이용하면 고분자 사슬의 배열 방향을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명에서와 같이 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 방향으로 고분자를 배열하고자 할 때, 편광된 레이저 빔을 조사하면 용이하게 원하는 방향으로 고분자 사슬을 배열시킴으로써 반도체 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고분자 사슬의 배열을 개략적으로 도시한 도면이다.
설명을 용이하게 하기 위해서, 도 17a 내지 도 17c은 반도체 소자의 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 고분자 사슬(C)의 배열을 도시하였다. 이때, 반도체 소자는 유기 반도체 트랜지스터, 유기 태양 전지 등과 같이 한 쌍의 전극, 한 쌍의 전극 사이에 유기 반도체를 포함하는 반도체 소자일 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 편광된 레이저 빔을 조사하면 도 17a 내지 도 17c에 도시한 바와 같이, 복수의 고분자 사슬은 일방향으로 정렬하며, 일방향은 편광 방향과 수직한 방향일 수 있다.
이때, 복수의 고분자 사슬(C)은 파이-파이 결합 중첩하면서 적층된 복수의 고분자 사슬 그룹(G)을 형성하며, 서로 이격되어 배열된다.
즉, 편광된 레이저 빔을 조사하면 편광에 따라서 도 17a에서와 같이 고분자 사슬(C)은 제1 전극(313)에서 제2 전극(333) 사이의 제1 방향(D1)으로 정렬되고, 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)으로 파이-파이 결합이 중첩되어 적층된 고분자 사슬 그룹(G)을 형성할 수 있다. 이때, 복수의 고분자 사슬 그룹(G)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 수직한 제3 방향(D3)으로 이격되어 배열될 수 있다.
따라서, 두 전극 사이에 전기장이 형성되면, 전하는 두 전극 사이에서 분자내(intra) 또는 분자간(inter) 이동중에 더 짧은 경로로 이동할 수 있다.
그리고 도 17b에서와 같이 고분자 사슬(C)은 제3 방향(D3)으로 정렬되고, 제1 방향(D1)으로 파이-파이 결합이 중첩되어 적층된 고분자 사슬 그룹(G)을 형성할 수 있다. 이때, 복수의 고분자 사슬 그룹(G)은 제2 방향(D2)으로 이격되어 배열될 수 있다.
따라서, 두 전극 사이에 전기장이 형성되면 전하는 두 전극 사이에서 분자내(intra) 또는 분자간(inter) 이동중에 더 짧은 경로로 이동할 수 있다.
또한, 도 17c에서와 같이 고분자 사슬(C)은 제3 방향(D3)으로 정렬되고, 제2 방향(D2)으로 파이-파이 결합이 중첩되어 적층된 고분자 사슬 그룹(G)을 형성할 수 있다. 이때, 복수의 고분자 사슬 그룹(G)은 제1 방향(D1)으로 이격되어 배열될 수 있다. 따라서, 두 전극 사이에 전기장이 형성되면 전하는 두 전극 사이에서 분자내(intra) 또는 분자간(inter) 이동중에 더 짧은 경로로 이동할 수 있다.
도 17a 내지 도 17c에서와 같이 고분자 사슬의 배열 방향에 따라서 전하의 이동 형태가 달라지고, 이에 따라서 전하의 이동도가 달라진다. 따라서 본 발명의 실시예에서와 같이 편광을 이용하여 용이하게 고분자 사슬을 정렬하여 필요로 하는 전기적 특성 및 광학적 특성을 가지는 반도체 소자를 형성할 수 있다.
이하에서는 기 설명한 고분자 사슬을 정렬하는 방법을 이용하여 트랜지스터를 제조하는 방법에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜지스터의 단면도이고, 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜지스터의 단면도이다.
도 18에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 트랜지스터는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있는 게이트 전극(110), 게이트 전극(110) 위에 형성되어 있는 게이트 절연막(140), 게이트 절연막(140) 위에 형성되어 있는 반도체(150), 반도체(150) 위에 형성되어 있으며 서로 마주하는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)을 포함한다.
기판(100)은 투명한 절연 물질, 예를 들어 플라스틱, 유리, 석영 및 금속 등을 포함할 수 있으며, 특히 플라스틱 등 가요성 재료를 포함할 수 있다. 금속 기판으로는 SUS(steel use stainless)를 예로 들 수 있다. 플라스틱 기판으로는 폴리에테르술폰(PES: polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR: polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI: polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN: polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET: polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌 설파이드(PPS: polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP: cellulose acetate propinonate) 등을 예로 들 수 있다. 그러나 기판(10)의 재료는 이에 한정되지 않는다.
게이트 전극(110)은 도전성 금속으로 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
게이트 절연막(140)은 유기 절연물 또는 무기 절연물 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단일막 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 무기 절연물의 예로는 SiO2, SiNx, Al2O3, Ta2O5, BST(barium strontium titanate), PZT(lead zirconate titanate)를 들 수 있다. 유기 절연물의 예로는 PS(polystyrene), 페놀(phenol)계 고분자, 아크릴(acryl)계 고분자, 폴리이미드(polyimide)와 같은 이미드(imide)계 고분자, 아릴에테르(aryl ether)계 고분자, 아마이드(amide)계 고분자, 불소계 고분자, p-자일릴렌(xylylene)계 고분자, 비닐알콜(vinyl alcohol)계 고분자, 파릴렌(parylene) 등을 들 수 있다.
반도체(150)는 유기 반도체로 N형 또는 P형의 유기 반도체일 수 있으며, 예를 들어 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(anthracene), 나프탈렌(naphthalene), 알파-6-티오펜(α-6-thiophene), 페릴렌(perylene) 및 그 유도체, 루브렌(rubrene) 및 그 유도체, 코로넨(coronene) 및 그 유도체, 페릴렌 테트라카르복실 디이미드(perylene tetracarboxylic diimide) 및 그 유도체, 페릴렌 테트라카르복실 디안하이드라이드(perylene tetracarboxylic dianhydride) 및 그 유도체, 폴리티오펜(polythiophene) 및 그 유도체, 폴리파라페릴렌비닐렌(poly(para-perylene vinylene)) 및 그 유도체, 폴리플루오렌(polyfluorene) 및 그 유도체, 폴리티오펜비닐렌(poly thiophene vinylene) 및 그 유도체, 폴리파라페닐렌(poly(para-phenylene)) 및 그 유도체, 폴리티오펜(polythiophene)-헤테로고리방향족 공중합체 및 그 유도체, 나프탈렌의 올리고아센(oligoacene) 및 이들의 유도체, 알파-5-티오펜의 올리고티오펜(oligothiophene) 및 이들의 유도체, 금속을 함유하거나 함유하지 않은 프탈로시아닌(phthalocyanine) 및 이들의 유도체, 파이로멜리틱 디안하이드라이드(pyromellitic dianhydride) 및 그 유도체, 파이로멜리틱 디이미드(pyromellitic diimide) 및 이들의 유도체, 나프탈렌 테트라카르복실 디이미드(naphthalene tetracarboxylic diimide) 및 이들의 유도체, 나프탈렌 테트라카르복실 디안하이드라이드(naphthalene tetracarboxylic dianhydride) 및 이들의 유도체 등을 들 수 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 도전성 금속으로 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이에 위치하는 반도체에는 트랜지스터의 채널이 형성된다. 이하에서는 반도체에서 채널이 형성되는 부분을 채널부(S)라 한다.
한편, 유기 반도체는 복수의 고분자 사슬을 포함하며, 채널부의 고분자 사슬은 일방향으로 정렬될 수 있다. 이때, 일방향은 트랜지스터의 전기적 특성에 따라서 배열할 수 있으며, 예를 들어 소스 전극으로부터 드레인 전극으로 향하는 방향으로 정렬시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명의 한 실시예에서와 같이 채널부의 고분자 사슬을 일방향으로 정렬시키면, 전하의 이동을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서 고분자 사슬의 배열 방향에 따라서 전하의 이동도가 증가하여 전기적 특성이 향상된 트랜지스터를 제공할 수 있다.
또한, 한 기판 내에서 필요로 하는 트랜지스터의 특성에 따라서 고분자 사슬 배열을 다르게 함으로써 전하의 이동도를 다르게 하여 전기적 특성이 다른 트랜지스터들을 한 기판 내에 용이하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 표시 장치에서 화소 영역과 구동 영역에서 필요로 하는 트랜지스터의 전기적 특성은 다를 수 있으므로, 위치에 따라서 고분자 사슬의 배열만을 변화시킴으로써 용이하게 전기적 특성을 다르게 형성할 수 있다.
한편, 고분자 사슬이 정렬된 채널부는 다른 부분에 비해서 돌출되어 돌출부(30)를 형성할 수 있다. 돌출부(30)는 레이저 빔의 빔 폭에 따라서 달라질 수 있으며 도 18에서와 같이 빔 폭과 채널부 길이가 같을 경우 채널부 전체가 돌출될 수 있다.
또한, 레이저 빔 폭은 채널부의 길이보다 좁아 도 19에서와 같이 일정한 간격으로 이격된 복수의 돌출부(30)를 형성할 수도 있다.
이하에서는 도 18에 도시한 트랜지스터를 제조하는 방법에 대해서 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 반도체 트랜지스터 제조 공정의 중간 단계에서의 단면도이다.
먼저, 도 20에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 게이트 전극(110)을 형성한다.
금속막은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단층 또는 복수층으로 형성한다.
이후, 게이트 전극(110) 위에 산화 규소 또는 질화 규소로 게이트 절연막(140)을 형성한다.
그리고 게이트 절연막(140) 위에 유기 반도체(150)를 형성한다. 유기 반도체(150)는 게이트 전극(110)과 중첩하도록 형성한다. 유기 반도체(150)는 용액 공정으로 게이트 절연막(140) 위에 도포한 후 경화시켜 형성할 수 있다.
다음, 유기 반도체(150) 위에 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)을 형성한다.
금속막은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단층 또는 복수층으로 형성한다.
그런 다음, 도 21에 도시한 바와 같이, 소스 전극(173)과 드레인 전극(175) 사이의 노출된 반도체(150)의 채널부(S)에 레이저 빔(L)을 조사한다. 이때, 레이저 빔(L)은 채널의 폭 방향을 따라 이동하면서 조사될 수 있으며, S편광 또는 P편광일 수 있다.
이때, 레이저 빔이 조사된 채널부(S)는 고분자 사슬이 정렬되면서 돌출되어 돌출부(30)을 형성할 수 있고, 돌출부(30)는 도 1의 양각 패턴일 수 있다.
고분자 사슬의 배열에 대해서는 도 22a 및 도 22b를 참조하여 설명한다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 한 실시예의 편광에 따른 고분자 사슬 배열을 설명하기 위한 유기 반도체 트랜지스터의 개략적인 사시도이다.
도 22a 및 도 22b에 도시한 바와 같이, 반도체(150)는 유기 반도체로 복수의 고분자 사슬을 포함하고, 고분자 사슬(C)은 복수의 방향족 고리를 포함할 수 있다.
레이저 빔이 조사된 채널부에 포함된 복수의 고분자 사슬(C)은 파이-파이 결합이 중첩하는 방향(π-π direction)을 따라 적층된 형태로 정렬될 수 있다. 채널부(S)는 고분자 사슬(C)이 파이-파이 결합이 중첩하는 방향을 따라 적층된 고분자 사슬 그룹(G)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있으며, 복수의 고분자 사슬 그룹(G)은 서로 이격되어 정렬될 수 있다.
도 21a에서와 같이 P편광을 가진 레이저빔을 채널 폭 방향(D1)으로 조사하면 P편광 방향은 채널부의 폭 방향(D1)이 되며, 복수의 고분자 사슬(C)은 P편광 방향과 수직한 방향인 채널 길이 방향(D2)으로 배열될 수 있다.
이때, 복수의 고분자 사슬(C)은 기판에 수직한 방향(D3)으로 파이-파이 결합이 중첩하면서 적층된 복수의 고분자 사슬 그룹(G)을 형성하고, 복수의 고분자 사슬 그룹(G)은 채널부의 폭 방향(D1)으로 이격되어 배열될 수 있다.
또한, 도 21b에서와 같이 S편광을 가진 레이저빔을 채널 폭 방향(D1)으로 조사하면 S 편광 방향은 채널부의 길이 방향(D2)이 되며, 복수의 고분자 사슬(C)은 S편광과 수직한 방향인 채널부의 폭 방향(D1)으로 배열될 수 있다.
이때, 고분자 사슬 그룹(G)은 채널부의 길이 방향(D2)으로 이격되어 배열될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에서와 같이 유기 반도체에 고분자 사슬을 일방향으로 정렬하면 유기 반도체 트랜지스터의 전하 이동도를 증가시키도록 고분자 사슬을 배열시켜 전기적 특성 및 광학적 특성이 향상된 유기 반도체를 포함하는 반도체 소자를 제공할 수 있다.
또한, 한 기판 위에 복수의 트랜지스터가 형성되고, 위치에 따라서 다른 전기적 특성 및 광학적 특성을 가지는 트랜지스터를 형성할 경우, 본 발명에서와 같이 위치에 따라 레이저 빔의 편광 및 조사 방향을 조절하면 위치에 따라서 전기적 특성 및 광학적 특성이 다른 트랜지스터를 용이하게 형성할 수 있다.
이상의 실시예에서는 트랜지스터에 대해서만 설명하였으나, 유기 반도체를 포함하는 반도체 소자에 모두 적용할 수 있으며, 예를 들어 도 11에서와 같은 유기 태양 전지, OLED(도시하지 않음) 등의 유기 반도체에도 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10, 111: 기판 30, 200: 돌출부
32: 갈바노 미러 34: 회전 수단
110: 게이트 전극 120: 고분자막
150: 반도체막 173: 소스 전극
175: 드레인 전극 200: 돌출부
300: 레이저 발생부 310: 빔 전달 광학계
313, 610: 제1 전극 320: 빔 변형기
330: 갈바노 스캐너 325: 파장판
333, 630: 제2 전극 340, 360: 집광 렌즈
350: 이색성 거울 400: 가공물
500: 검사부
1000, 1002, 1004, 1006: 레이저 가공 장치
1005: 유기 태양 전지

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 전도성을 가지며, 복수의 고분자 사슬을 포함하는 제1 부분과 제2 부분을 가지는 고분자막,
    상기 제1 부분의 고분자막의 표면으로부터 돌출되어 있는 양각 패턴
    을 포함하고,
    상기 양각 패턴을 포함하는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 고분자 사슬 배열 형태가 서로 다르며, 상기 양각 패턴을 포함하는 제1 부분에 위치하는 상기 고분자 사슬은 일방향으로 정렬되어 있는 복수의 선형 고분자 그룹을 포함하는 전도성 고분자막.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에서,
    상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS 또는 P3HT(Poly(3-hexylthiophene)):PCBM인 전도성 고분자막.
  9. 삭제
  10. 기판 위에 전도성 고분자막을 형성하는 단계, 그리고
    상기 전도성 고분자막에 편광된 레이저 빔을 조사하여 돌출부를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 돌출부를 형성하는 단계에서, 상기 전도성 고분자막의 고분자 사슬은 일방향으로 정렬되는 양각 패턴의 형성 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 돌출부를 형성하는 단계에서,
    상기 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 이동하는 방향에 평행인 P편광, 상기 레이저 빔이 이송되는 방향에 수직인 S 편광, 또는 상기 P 편광과 상기 S편광 사이의 방향으로 편광된 편광을 조사하는 박막 패턴의 형성 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 돌출부를 형성하는 단계에서,
    상기 고분자 사슬은 상기 레이저 빔의 편광 방향으로 정렬하는 양각 패턴의 형성 방법.
  13. 제10항에서,
    상기 돌출부를 형성하는 단계에서,
    상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 레이저 빔에 의해서 상기 전도성 고분자막이 삭마되는 삭마 임계점 미만으로 조사하는 양각 패턴의 형성 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 40% 내지 95%로 조사하는 양각 패턴의 형성 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 레이저 빔의 에너지 밀도는 상기 삭마 임계점의 80% 내지 90%로 조사하는 양각 패턴의 형성 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 레이저 빔의 파장은 3,000nm미만이며, 펄스 지속 시간이 1ns 미만인 초단파 펄스를 조사하는 양각 패턴의 형성 방법.
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