KR101743153B1 - 나노 섬유 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용한 전계효과 트랜지스터 - Google Patents

나노 섬유 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용한 전계효과 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

소수성 고분자의 나노 섬유, 상기 나노 섬유 안에서 상기 나노 섬유의 길이 방향으로 신장되는 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어 및 이온 활성 물질을 포함하는 나노 섬유 복합체가 개시된다.

Description

나노 섬유 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용한 전계효과 트랜지스터{Nanofiber composite, manufacturing method thereof and FET transistor using the same}
나노 섬유 복합체에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 전도성 또는 반도체 유기물질을 포함하는 나노 섬유 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1 차원 나노 와이어는 단위 부피당 큰 비표면적을 가지며, 소자의 성능 향상 및 소형화를 가능하게 한다는 장점을 갖고 있어 기존 소자의 2차원 박막 형태를 1차원 나노 와이어 형태로 바꾸려는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 유기물 기반의 나노와이어는 무기물 기반의 나노와이어에 비하여 공정의 단순함, 낮은 재료비, 플렉서블 기판에의 적용 가능성 등의 장점을 가지고 있다. 전기방사 공정은 수십 ~ 수백 나노 크기의 직경을 가진 1 차원 유기 나노와이어를 포함하는 나노 섬유를 만들 수 있는 가장 간편한 방법 중 하나이다.
종래의 전도성 또는 반도체 고분자의 전기방사의 경우 고분자 자체를 용매에 녹여 전기방사하였으며, 전기적 특성이 우수한 것으로 나타났다. 그러나 전도성 또는 반도체 고분자의 경우 공기 중의 수분과 산소에 민감하기 때문에 주위의 습도나 산소에 의해 물성이 임의로 변하거나 시간이 지남에 따라 전기적 특성을 잃어버리는 경우가 많다.
주위 환경에 의해 물성 및 전기적인 특성을 잃지 않으면서 가공성이 향상된 전도성 또는 반도체 유기물질을 포함하는 나노 섬유 복합체 및 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계효과 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라 소수성 고분자의 나노 섬유, 상기 나노 섬유 안에서 상기 나노 섬유의 길이 방향으로 신장되는 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어 및 이온 활성 물질을 포함하는 나노 섬유 복합체가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라 나노 섬유 복합체의 제조방법이 제공된다. 나노 섬유 복합체의 제조방법은 전도성 또는 반도체 유기물질, 소수성 고분자 및 이온 활성 물질을 용매에 녹인 조성물을 제조하는 단계 및 상기 조성물로부터 상기 소수성 고분자의 나노 섬유 및 상기 나노 섬유 안에서 상기 나노 섬유의 길이 방향으로 신장되는 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어를 포함하는 나노 섬유 복합체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따라 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 전기적으로 절연되고 서로 이격되어 있는 소스 전극과 드레인 전극 및 위에서 기술한 나노 섬유 복합체로 이루어지며 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극을 연결하는 채널을 구비한 전계효과 트랜지스터가 제공된다.
전도성 또는 반도체 유기 물질의 나노 와이어가 소수성 고분자의 나노 섬유 내에 형성됨으로써 전도성 또는 반도체 유기 물질의 전도성 또는 반도체 특성이 수분 및 산소를 포함하는 주위 환경에 의해 영향을 받지 않을 수 있다.
또한, 나노 섬유 복합체가 이온 활성 물질을 포함함으로써 나노 섬유 복합체를 사용한 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성이 향상된다.
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 의한 전도성 또는 반도체 유기물질과 소수성 고분자를 포함하는 나노 섬유 복합체의 투시도이다.
도 1b는 도 1a의 나노 섬유 복합체의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 일 구현예에 의한 전도성 또는 반도체 유기물질과 소수성 고분자를 포함하는 나노 섬유 복합체의 투시도이다.
도 2b는 도 2a의 나노 섬유 복합체의 단면도이다.
도 3은 나노 섬유 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 전기방사 장치의 개략적인 도면이다.
도 5는 나노 섬유 복합체가 채널을 형성하는 전계효과 트랜지스터의 단면도이다.
도 6은 실험예 2의 전기 방사된 조성물의 광학현미경 사진이다.
도 7은 실험예 4의 전기 방사된 조성물의 광학현미경 사진이다.
도 8은 전계효과 트랜지스터의 전극 위에 전기방사된 나노 섬유의 광학현미경 사진이다.
도 9는 폴리-3-헥실싸이오펜과 폴리스티렌을 1:1의 중량 비율로 포함하는 조성물로부터 전기방사된 나노 섬유 복합체 채널을 갖는 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 대 드레인 전압의 그래프이다.
도 10은 이온성 액체를 포함하는 나노 섬유 복합체 채널을 갖는 전계효과 트랜지스터의 전류 대 게이트 전압의 그래프이다.
이하에서 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 의한 전도성 또는 반도체 유기물질과 소수성 고분자를 포함하는 나노 섬유 복합체(10)의 투시도이고, 도 1b는 도 1a의 나노 섬유 복합체(10)의 단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 전도성 또는 반도체 유기물질은 소수성 고분자의 나노 섬유(11) 내에서 길이 방향(logitudinal direction)으로 신장되어 나노 와이어(13)를 형성하고 있다. 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어(13)는 소수성 고분자 나노 섬유(11) 내에서 복수의 가닥으로 존재하고 있다. 한편, 상기 소수성 고분자의 나노 섬유(11) 및 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어(13)는 이온 활성 물질(15)을 포함하고 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 일 구현예에 의한 전도성 또는 반도체 유기물질과 소수성 고분자를 포함하는 나노 섬유 복합체(20)의 투시도이고, 도 2b는 도 2a의 나노 섬유 복합체(20)의 단면도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전도성 또는 반도체 유기물질(23)은 소수성 고분자 나노 섬유(21)의 중심 부분에서 단일 나노 와이어(23)를 형성하여 나노 섬유 복합체(20)는 코어 쉘 구조를 이루고 있다. 단일 나노 와이어(23)는 이온 활성 물질(25)을 포함하고 있다.
전도성 유기물질(13,23)이 나노 섬유의 길이 방향으로 신장된 나노 와이어(13,23)를 구성하고 있어서 전하 운반자(charge carrier)의 이동도(mobility)가 향상된다. 또한, 전도성 유기물질(13,23)이 소수성 고분자(11,21)에 의하여 감싸져 있어서 외부 환경의 수분이나 산소가 차단되므로 전도성 유기물질(13,23)의 전기적 성능이 안정적으로 유지될 수 있다. 또한, 나노 와이어(13, 23)가 이온 활성 물질(15,25)을 포함하고 있어서, 나노 와이어(13, 23)의 전기 전도도가 더욱 향상된다.
도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 나노 섬유 복합체의 구성 물질들을 아래에서 살펴본다.
전도성 또는 반도체 유기물질(13,23)은 고분자(high molecular weight material), 중분자(intermediate molecular weight material) 또는 저분자(low molecular weight material) 물질일 수 있다. 전도성 또는 반도체 고분자 물질은 폴리-3-헥실싸이오펜(poly-3-hexylthiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌 비닐렌(poly paraphenylene vinylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리[9,9(디옥틸 플루오레닐-2,7-다일)-코-(9-헥실-3,6-카바졸)](Poly[9,9(dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(9-hexyl-3,6-carbazole)]), 폴리[9,9(디옥틸플루오레닐-2,7-다일)-코-(1,4-다이페닐렌비닐렌-2-메톡시-5-{2-에틸헥실옥시}-벤젠)](Poly[9,9(dioctyl fluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-diphenylenevinylene-2-methoxy-5-{2-ethylhexyloxy} -benzene)] 또는 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(1-시아노비닐렌페닐렌)}-코-{2,5-비스(N,N'-디페닐아미노)-1,4-페닐렌}](Poly[{2-methoxy-5-(2-ethylhexyl oxy}-1,4-(1-cyanovinylenephenylene))-co-{2,5-bis(N,N'-diphenylamino)-1,4-phenylene}])를 포함할 수 있다.
전도성 또는 반도체 중분자 또는 저분자 물질은 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(antracene), 루브렌(rubrene), 파릴렌(parylene), 크로넨(coronen), 알파-젝시싸이오펜(α-sexithiophene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 메로시아닌(merocyanine), 페릴렌테트라카르복실다이이미드 유도체 (perylenetetracarboxyldiimide derivatives), 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라펜(graphene)를 포함할 수 있다.
소수성 고분자(11,21)는 전도성 또는 반도체 유기물질(13,23)을 수분과 같은 외부 환경으로부터 보호할 수 있으며, 절연성일 수 있다.
소수성 고분자(11,21)는 폴리스티렌(polystyrene), 스티렌 공중합체, 폴리에틸렌(polyethylene), 에틸렌 공중합체, 폴리부타디엔(polybutadiene), 부타디엔 공중합체, 또는 불소 고분자(fluoropolymer)(폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), Teflon@AF, Teflon@NXT, Teflon@PFA, Teflon@PTFE, Tefzel@ETFE, Zonyl@PTFE)을 포함할 수 있다. 스티렌 공중합체는 스티렌-부타디엔 공중합체(poly(styrene-co-butadiene)) 또는 스티렌-에틸렌 공중합체(poly(stryrene-co-ethylene))를 포함할 수 있다.
한편, 이온 활성 물질은 나노 섬유 복합체(10,20)의 전도성, 반도체 특성과 같은 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이온 활성 물질은 이온성 액체 또는 이오노머일 수 있다. 이오노머는 음이오노머, 양이오노머 또는 쌍극성 이오노머일 수 있다.
이온성 액체의 양이온은 치환 또는 비치환된 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 구아니디늄(guanidinium), 유로늄(euronium), 티오유로늄(thioeuronium), 피리디늄(pyridinium) 또는 피롤리디늄(pyrrollium)을 포함할 수 있다.
이온성 액체의 양이온의 보다 구체적인 예로서 1,3-디메틸이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨, 1-헥사데실-3-메틸이미다졸륨, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨, 3-메틸-1-옥타데실이미다졸륨, 3-메틸-1-옥틸이미다졸륨, 3-메틸-테트라데실이미다졸륨, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨, 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨, 1-헥사데실-2,3-디메틸이미다졸륨, 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸륨, 1,2,3-트리메틸이미다졸륨; N-헥실피리디늄, N-부틸-3,4-디메틸피리디늄, N-부틸-3,5-디메틸피리디늄, N-부틸-3-메틸피리디늄, N-부틸-4-메틸피리디늄, N-부틸피리디늄, N-에틸피리디늄, N-헥실피리디늄, N-옥틸피리디늄; 1,1-디메틸피롤리디늄, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 1-헥실-1-메틸피롤리디늄, 1-메틸-1-옥틸피롤리디늄; 트리헥실(테트라데실)포스포늄; 메틸트리옥틸암모늄, 에틸-디메틸-프로필암모늄; 구아니디늄, N"-에틸-N,N,N',N'-테트라메틸구아니디늄 O-에틸-N,N,N',N'-테트라메틸이소유로늄, 또는 S-에틸-N,N,N',N'-테트라메틸이소티오유로늄를 포함할 수 있다.
이온성 액체의 음이온은 치환 또는 비치환된 술포네이트계 음이온(sulfonate-based anion), 시아네이트계 음이온(cyanate-based anion), 티오시아네이트계 음이온(thiocyanate-based anion), 카복실레이트계 음이온(carboxylate-based anion) 일 수 있다.
이오노머는 에틸렌 아크릴산 공중합체(ethylene acrylic acid copolymer), 폴리트라이메틸렌 옥사이드(polytrimethylene oxide) 결합을 기재로 하는 폴리우레탄 이오노머(polyurethane ionomer), α-올레핀이 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 1-부텐(1-butene), 1-펜텐(1-pentene), 1-헥센(1-hexene), 1-헵텐(1-heptene), 3-메틸-1-부텐(3-methyl-1-butene), 4-메틸-1-펜텐(4-methyl-1-pentene)인 α-올레핀 공중합체 이오노머(α-olefin copolymer ionomer)를 포함할 수 있다.
도 3은 나노 섬유 복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 전도성 또는 반도체 유기물질, 소수성 고분자 및 이온 활성 물질을 용매에 완전히 녹인 방사용 조성물을 제조한다(S10). 이때 방사용 조성물은 40~70℃ 범위의 온도를 유지한다.
전도성 또는 반도체 유기물질은 고분자, 중분자 또는 저분자 물질일 수 있다. 전도성 고분자 물질은 폴리-3-헥실싸이오펜(poly-3-hexylthiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리파이롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌 비닐렌(poly paraphenylene vinylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리[9,9(디옥틸 플루오레닐-2,7-다일)-코-(9-헥실-3,6-카바졸)](Poly[9,9(dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(9-hexyl-3,6-carbazole)]), 폴리[9,9(디옥틸플루오레닐-2,7-다일)-코-(1,4-다이페닐렌비닐렌-2-메톡시-5-{2-에틸헥실옥시}-벤젠)](Poly[9,9(dioctyl fluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-diphenylenevinylene-2-methoxy-5-{2-ethylhexyloxy} -benzene)] 또는 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(1-시아노비닐렌페닐렌)}-코-{2,5-비스(N,N'-디페닐아미노)-1,4-페닐렌}](Poly[{2-methoxy-5-(2-ethylhexyl oxy}-1,4-(1-cyanovinylenephenylene))-co-{2,5-bis(N,N'-diphenylamino)-1,4-phenylene}]) 중 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
전도성 또는 반도체 성질의 중분자 또는 저분자 물질은 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(antracene), 루브렌(rubrene), 파릴렌(parylene), 크로넨(coronen), 알파-젝시싸이오펜(α-sexithiophene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 메로시아닌(merocyanine), 페릴렌테트라카를복실다이이미드 유도체 (perylenetetracarboxyldiimide derivatives), 탄소나노튜브(CNT) 또는 그라펜(graphene)을 사용할 수 있다.
상기 중분자 또는 저분자 물질은 전기방사 시 용액 상태에서 용매가 빠르게 증발하면서 고체 상태로 변할 때 일정한 방향으로 서로 자기 조립되어 나노 와이어를 형성한다. 또한, 전기방사에서 높은 전기장에 의해 특정 방향으로 스트레칭되면서 나노 섬유가 형성되는 과정은 유기 물질이 소수성 고분자 안에서 와이어를 형성하는데 도움이 된다. 유기 물질의 나노 와이어 형성은 전하 운반자의 이동의 효과적인 경로를 제공할 수 있다.
소수성 고분자 물질은 폴리스티렌(polystyrene), 스티렌 공중합체, 폴리에틸렌(polyethylene), 에틸렌 공중합체, 폴리부타디엔(polybutadiene), 부타디엔 공중합체, 또는 불소 고분자(fluoropolymer)(폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), Teflon@AF, Teflon@NXT, Teflon@PFA, Teflon@PTFE, Tefzel@ETFE, Zonyl@PTFE)을 포함할 수 있다. 스티렌 공중합체는 스티렌-부타디엔 공중합체(poly(styrene-co-butadiene)) 또는 스티렌-에틸렌 공중합체(poly(stryrene-co-ethylene))를 포함할 수 있다.
고분자 물질들을 녹이는 용매는 클로로포름(chloroform), 클로로벤젠(chlorobenzene), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide), 벤젠(benzene), 디옥산(dioxane), 시클로헥산(cyclohexane) 또는 아세트산(acetic acid)을 포함할 수 있다. 이때 용매는 2가지 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 클로로포름과 클로로벤젠의 혼합용매를 사용할 수 있다.
이온 활성 물질은 이온성 액체 또는 이오노머를 포함할 수 있다. 이오노머는 음이오노머, 양이오노머 또는 쌍극성 이오노머일 수 있다.
이온성 액체의 양이온은 치환 또는 비치환된 이미다졸륨(imidazolium), 피라졸륨(pyrazolium), 트리아졸륨(triazolium), 티아졸륨(thiazolium), 옥사졸륨(oxazolium), 피리다지늄(pyridazinium), 피리미디늄(pyrimidinium), 피라지늄(pyrazinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 구아니디늄(guanidinium), 유로늄(euronium), 티오유로늄(thioeuronium), 피리디늄(pyridinium) 또는 피롤리디늄(pyrrollium)를 사용할 수 있다.
이온성 액체의 음이온은 치환 또는 비치환된 술포네이트계 음이온, 시아네이트계 음이온, 티오시아네이트계 음이온, 카복실레이트계 음이온을 사용할 수 있다.
이오노머는 에틸렌 아크릴산 공중합체(ethylene acrylic acid copolymer), 폴리트라이메틸렌 옥사이드(polytrimethylene oxide) 결합을 기재로 하는 폴리우레탄 이오노머(polyurethane ionomer), α-올레핀이 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 1-부텐(1-butene), 1-펜텐(1-pentene), 1-헥센(1-hexene), 1-헵텐(1-heptene), 3-메틸-1-부텐(3-methyl-1-butene), 4-메틸-1-펜텐(4-methyl-1-pentene)인 α-올레핀 공중합체 이오노머(α-olefin copolymer ionomer)를 사용할 수 있다.
이어서, 전기방사 방법을 이용하여 상기 방사용 조성물로부터 나노 섬유 복합체를 형성한다(S20). 도 4는 전기방사 장치의 개략적인 도면이다. 주사기(31)에 넣은 방사용 조성물을 주사기 펌프(32)를 이용하여 일정한 속도로 노즐(33) 밖으로 밀어낸다. 이때 조성물 용액의 온도를 계속하여 40~70℃ 범위로 일정하게 유지한다. 노즐 밖으로 조성물 용액의 액적이 형성되었을 때, 전원 공급기(35)로 노즐(33)에 10~20kV의 고전압을 인가하여 콜렉터(37)에 나노 섬유 복합체를 전기방사한다. 선택적으로 콜렉터(37)를 빠른 속도로 회전시키거나 콜렉터(37)에 두 개의 전극(28)을 달고 두 전극(38) 사이에 전압을 걸어줌으로써 나노 섬유 복합체가 특정방향으로 형성되도록 할 수 있다.
이와 같이 형성된 나노 섬유 복합체는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 설명한 바와 같이 전도성 또는 반도체 유기물질이 소수성 고분자의 나노 섬유 내에서 길이 방향으로 신장되는 복수의 나노 와이어를 형성하며, 나노 와이어 및 나노 섬유 내에는 이온 활성 물질이 분산되어 있다.
전기방사 장치의 노즐로 코어 쉘 구조의 이중 노즐을 사용하여 코어 쉘 구조의 나노 섬유 복합체를 형성할 수 있다. 즉, 안쪽 노즐에는 전도성 또는 반도체 유기물질과 이온 활성 물질을 포함하는 조성물을 사용하고 바깥쪽 노즐에는 소수성 고분자 물질을 사용함으로써 이온 활성 물질이 분산된 전도성 또는 반도체 유기물질로 이루어진 코어 부분과 소수성 고분자 물질로 이루어진 쉘 부분으로 구성된 나노 섬유 복합체를 형성할 수 있다.
한편, 전기방사 이외에 습식방사(wet spinning), 복합방사(conjugate spinning), 멜트블로운 방사(melt blown spinning) 또는 플래시 방사(plash spinning)에 의하여 상기 방사용 조성물로부터 상기 나노 섬유 복합체를 형성할 수도 있다.
도 5는 나노 섬유 복합체가 채널을 형성하는 전계효과 트랜지스터(FET)의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 기판(100) 상의 게이트 전극(110) 위에 절연막(120)이 형성되어 있다. 절연막(120) 위에 도전성 물질로 서로 이격되어 있는 소스/드레인 전극(130)이 형성되어 있다. 그리고 나노 섬유 복합체(140)가 소스/드레인 전극(130)을 가로질러서 형성되어 있다.
나노 섬유 복합체(140)는 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b와 관련하여 설명한 나노 섬유 복합체를 사용할 수 있다. 즉, 소수성 고분자 내에 전도성 또는 반도체 유기물질이 길이 방향으로 신장되어 있는 나노와이어를 형성하고 있으며, 이온 활성 물질이 나노 와이어 및 나노 섬유 또는 나노 와이어에 분되어 있는 나노 섬유 복합체가 트랜지스터의 채널을 형성할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 전도성 또는 반도체 유기물질은 고분자, 중분자 또는 저분자일 수 있다.
한편, 나노 섬유 복합체(140)의 소수성 고분자의 나노 섬유의 일부를 선택적으로 제거하여 소스/드레인 전극(130)과 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어가 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 나노 섬유 복합체(140)가 복수의 나노 와이어를 포함하는 경우에는 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어의 일부분이 나노 섬유 복합체(140)의 바깥으로 노출될 수 있으며, 나노 와이어의 일부 가 노출된 부분을 통하여 나노 섬유 복합체(140)는 소스/드레인 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.
나노 섬유 복합체로 1 차원의 채널을 형성한 트랜지스터는 2 차원의 채널을 갖는 일반 트랜지스터에 비하여 높은 전하 운반자의 이동도와 낮은 소비전력 특성을 보인다.
또한, 전도성 또는 반도체 유기 물질은 수분에 민감하여 외부환경에 노출되는 경우 시간이 지남에 따라 전기적 성능이 현격하게 떨어지지만, 본 구현예의 나노 섬유 복합체는 소수성 고분자가 전도성 또는 반도체 유기 물질을 외부환경으로부터 보호하여 전기적 성능이 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서 나노 섬유 복합체는 전도성 또는 반도체 유기 물질을 보호하기 위한 추가적인 인캡슐레이션 공정을 필요로 하지 않으면서 트랜지스터의 채널로서 사용될 수 있다.
도 5에서는 게이트 전극이 소스/드레인 전극의 하부에 형성되어 있으나, 게이트 전극이 소스/드레인 전극의 상부에 형성되는 경우를 비롯하여 다양한 구조의 트랜지스터의 채널에 나노 섬유 복합체가 적용될 수 있다.
이하에서 나노 섬유 복합체를 제조하여 모폴로지 및 전기적 특성을 측정한 결과를 기술하였다.
실험예 1
폴리-3-헥실싸이오펜 10mg, 폴리스티렌 50mg을 클로로벤젠 0.3ml와 클로로포름 0.2ml의 용매에 55℃의 온도에서 혼합하여 방사용 조성물을 형성하였다. 상기 방사용 조성물의 일부를 주사기에 넣은 후 주사기 펌프를 사용하여 일정한 속도(0.4ml/h)로 노즐 밖으로 밀어내었다. 이때, 방사용 조성물에 녹아있는 폴리-3-헥실싸이오펜이 침전되지 않도록 주사기 내 방사용 조성물의 온도를 계속하여 55℃로 유지하였다. 주사기 노즐 밖으로 방사용 조성물의 액적이 형성되었을 때, 전원 공급기(power supply)를 통하여 노즐에 15kV의 전압을 인가하여 수십~수백 nm의 직경을 갖는 나노 섬유 복합체를 콜렉터 위로 전기방사하였다. 한편, 콜렉터 위에는 트랜지스터의 소스/드레인 전극을 위치시켜서 나노 섬유 복합체가 트랜지스터의 소스/드레인 전극 사이에서 채널을 형성하도록 하였다.
실험예 2
폴리-3-헥실싸이오펜 10mg, 폴리스티렌 50mg을 클로로벤젠 0.1ml와 클로로포름 0.4ml의 용매에 55℃의 온도에서 혼합하여 방사용 조성물을 형성하였다. 방사용 조성물로부터 나노 섬유 복합체를 전기방사하는 과정은 실험예 1과 동일한 과정을 거쳤다.
표 1은 실험예 1 및 실험예 2의 방사용 조성물의 조성비를 정리한 표이다.
구분 고분자 용매
폴리-3-헥실
싸이오펜 (mg)		 폴리스티렌
(mg)		 클로로포름 (ml) 클로로벤젠 (ml)
실험예 1 10 50 0.2 0.3
실험예 2 10 50 0.4 0.1
실험예 1에서 클로로벤젠 0.3ml에 클로로포름을 0.2ml을 사용하였다. 클로로포름 대 클로로벤젠의 비율이 증가함에 따라 나노 섬유의 형태가 갖추어지기 시작하였다. 실험예 2에서 클로로벤젠 0.1ml에 클로로포름을 0.4ml을 사용하였을 때 나노 섬유가 균일한 두께로 길게 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 도 6에 실험예 2에 의하여 형성된 나노 섬유의 광학 현미경 사진을 나타내었다.
실험예 3
폴리-3-헥실싸이오펜 10mg, 폴리스티렌 40mg을 클로로벤젠 0.4ml와 클로로포름 0.1ml의 용매에 55℃의 온도에서 혼합하여 방사용 조성물을 형성하였다. 방사용 조성물로부터 나노 섬유 복합체를 전기방사하는 과정은 실험예 1과 동일한 과정을 거쳤다.
실험예 4
폴리-3-헥실싸이오펜 5mg, 폴리스티렌 50mg을 클로로벤젠 0.4ml와 클로로포름 0.1ml의 용매에 55℃의 온도에서 혼합하여 방사용 조성물을 형성하였다. 방사용 조성물로부터 나노 섬유 복합체를 전기방사하는 과정은 실험예 1과 동일한 과정을 거쳤다.
표 2는 실험예 3 및 실험예 4의 혼합용액 조성물의 조성비을 정리한 표이다.
구분 고분자 용매
폴리-3-헥실
싸이오펜 (mg)		 폴리스티렌
(mg)		 클로로포름
(ml)		 클로로벤젠
(ml)
실험예 3 10 40 0.4 0.1
실험예 4 5 50 0.4 0.1
실험예 3에서 폴리-3-헥실싸이오펜 10mg과 폴리스티렌 40mg을 사용하였을 때에는 작은 쌀알 형태를 포함하는 나노 섬유가 생성되었다. 실험예 4에서 폴리-3-헥실싸이오펜 5mg과 폴리스티렌 50mg을 사용하였을 때에 나노 섬유에서 쌀알 형태가 줄어들어서 나노 섬유가 균일해졌으며 이것을 도 7의 광학현미경 사진에서 확인할 수 있다.
실시예 3 및 실시예 4로부터 폴리-3-헥실싸이오펜에 대한 폴리스티렌의 비율이 높아질수록 나노 섬유 복합체의 형태는 양호해지는 것을 알 수 있다. 그러나 폴리-3-헥실싸이오펜에 대한 폴리스티렌의 비율이 일정 값 이상일 때에는 전기적 특성이 나빠지는 것을 실험에서 확인하였다.
도 8은 나노 섬유 복합체가 전극 위에서 채널을 형성하고 있는 전계효과 트랜지스터의 광학현미경 사진이다. 도 9에서 나노 섬유(41)가 양쪽 전극(43)을 가로질러 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 폴리-3-헥실싸이오펜과 폴리스티렌을 1:1의 중량 비율로 포함하는 조성물로부터 전기방사된 나노 섬유 복합체가 채널을 구성하는 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 대 드레인 전압의 그래프이다. 도 10b를 참조하면, 도 10a의 그래프와 마찬가지로 드레인 전압이 증가할수록 드레인 전류가 증가하고 있으며, 게이트 전압이 커짐에 따라서 드레인 전류 대 드레인 전압의 그래프의 기울기가 커지고 있다. 한편, 도 10b의 그래프의 드레인 전류 값이 도 10a의 그래프의 드레인 전류의 값보다 30배 이상 크며, 이것은 전도성 고분자인 폴리-3-헥실싸이오펜의 비율이 크기 때문이다.
도 9의 드레인 전류 대 드레인 전압의 그래프로부터 나노 섬유 복합체 채널을 갖는 트랜지스터가 트랜지스터의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 10은 폴리-3-헥실싸이오펜 10mg, 폴리스티렌 40mg을 클로로벤젠과 클로로포름의 혼합 용매에 녹인 용액에 이온성 액체인 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate: BMIM-PF6) 5mg을 첨가한 조성물로부터 전기방사된 나노 섬유 복합체 채널을 갖는 트랜지스터의 채널 전류 대 게이트 전압이다.
도 10을 참조하면, 이온성 액체를 포함하는 나노 섬유 채널의 트랜지스터는 게이트 전압 -1V에서 채널 전류가 10-7A 보다 작고, 게이트 전압 -3V에서 채널 전류가 10-5A 보다 커서 온 전류와 오프 전류의 크기의 차이가 커짐을 알 수 있다. 즉, 나노 섬유 복합체가 이온성 액체를 포함하는 경우에 전계효과 트랜지스터의 온 오프 특성이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
11,21: 나노 섬유
13,23: 나노 와이어
15,25: 이온 활성 물질
100: 기판
110: 게이트 전극
120: 절연막
130: 소스/드레인 전극
140: 나노 섬유 복합체

Claims (24)

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  10. 삭제
  11. 전도성 또는 반도체 유기물질, 소수성 고분자 및 이온 활성 물질을 용매에 녹인 조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 조성물로부터, 전기방사 방법을 이용하여 나노 섬유 복합체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 나노섬유 복합체는 상기 소수성 고분자의 나노 섬유 및 상기 나노 섬유 안에서 상기 나노 섬유의 길이 방향으로 신장되는 전도성 또는 반도체 유기물질의 나노 와이어를 포함하되 상기 이온 활성 물질이 상기 나노 섬유 및 상기 나노 와이어에 분산되어 있고,
    상기 이온 활성 물질은 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트인, 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서, 상기 전도성 또는 반도체성 유기 물질은 폴리-3-헥실싸이오펜(poly-3-hexylthiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리파라페닐렌 비닐렌(poly paraphenylene vinylene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리[9,9(디옥틸 플루오레닐-2,7-다일)-코-(9-헥실-3,6-카바졸)](Poly[9,9(dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(9-hexyl-3,6-carbazole)]), 폴리[9,9(디옥틸플루오레닐-2,7-다일)-코-(1,4-다이페닐렌비닐렌-2-메톡시-5-{2-에틸헥실옥시}-벤젠)](Poly[9,9(dioctyl fluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-diphenylenevinylene-2-methoxy-5-{2-ethylhexyloxy} -benzene)] 및 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-(1-시아노비닐렌페닐렌)}-코-{2,5-비스(N,N'-디페닐아미노)-1,4-페닐렌}](Poly[{2-methoxy-5-(2-ethylhexyl oxy}-1,4-(1-cyanovinylenephenylene))-co-{2,5-bis(N,N'-diphenylamino)-1,4-phenylene}])으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상인 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제11 항에 있어서, 상기 용매는 클로로포름(chloroform), 클로로벤젠(chlorobenzene), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide), 벤젠(benzene), 디옥산(dioxane), 시클로헥산(cyclohexane) 및 아세트산(acetic acid)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 용매는 두 개의 용매의 혼합 용매를 사용하는 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  18. 게이트 전극;
    상기 게이트 전극과 전기적으로 절연되고 서로 이격되어 있는 소스 전극 및 드레인 전극; 및
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극을 연결하는 제11 항의 제조 방법에 의해 제조된 나노 섬유 복합체;를 포함하는 전계효과 트랜지스터.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극보다 아래에 위치한 전계효과 트랜지스터.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극보다 위에 위치한 전계효과 트랜지스터.
  21. 제11 항에 있어서, 상기 유기물질 나노 와이어는 코어 부분을 구성하고 상기 소수성 고분자의 나노 섬유는 상기 코어 부분을 둘러싼 쉘 부분을 형성하여 코어쉘 구조를 갖는 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  22. 제11 항에 있어서, 상기 이온 활성 물질은 상기 유기물질 나노 와이어에 분산되어 있는 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  23. 제11 항에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리스티렌(polystyrene), 스티렌 공중합체, 폴리에틸렌(polyethylene), 에틸렌 공중합체, 폴리부타디엔(polybutadiene), 부타디엔 공중합체, 및 불소 고분자(fluoropolymer)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 나노 섬유 복합체의 제조방법.
  24. 제11 항에 있어서, 상기 전도성 또는 반도체 유기물질은 펜타센(pentacene), 테트라센(tetracene), 안트라센(antracene), 루브렌(rubrene), 파릴렌(parylene), 크로넨(coronen), 알파-젝시싸이오펜(α-sexithiophene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 메로시아닌(merocyanine), 페릴렌테트라카를복실다이이미드 유도체 (perylenetetracarboxyldiimide derivatives), 탄소나노튜브(CNT) 및 그라펜(graphene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 나노 섬유 복합체의 제조방법.
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