KR101788207B1 - 전하 이동도가 향상된 유기 반도체 결정 박막의 제조방법 - Google Patents

전하 이동도가 향상된 유기 반도체 결정 박막의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유기 반도체 결정 박막의 제조방법은 반도체 특성을 가지는 공액 유기물과 고분자 유기산을 용매에 첨가하여 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 결정씨드를 형성시키는 과정, 상기 결정씨드가 형성된 용액을 기판 상에 도포하여 유기 반도체 박막을 형성하는 과정, 상기 박막의 용매를 제거하는 과정, 상기 용매가 제거된 박막이 액상이 되도록 가열하는 과정 및 상기 액상의 박막을 냉각하여 액상-고상 상변이를 통하여 결정을 성장시키는 과정을 포함한다.

Description

전하 이동도가 향상된 유기 반도체 결정 박막의 제조방법{METHOD OF FABRICATING ORGANIC SEMICONDUCTOR THIN FILM HAVING ENHANCED CHARGE CARRIER MOBILITY}
본 발명은 유기 반도체 결정 박막의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전하이동도가 크게 향상된 대면적의 유기 반도체 결정 박막의 제조방법에 관한 것이다.
유기반도체 재료는 유연성 및 경량성, 분자 구조 제어를 통한 광전자적 특성 제어의 용이성, 낮은 공 정비용 등의 다양한 장점으로 인해 무기물 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 소재로 인식되고 있다. 기 존에는 유기반도체 재료의 낮은 전하이동도와 구동 불안정성으로 인해 유기 트랜지스터는 차세대 전자 기기로의 상용화에 제약이 있다고 알려져 있었다. 하지만 최근 들어 고성능 유기반도체의 개발 및 소 자 특성 개선에 관한 연구가 매우 활발하게 진행되었고 유기반도체 기반 트랜지스터에서 전하이동도 10 cm2 /Vs 이상의 성능이 다수 보고되면서 기존의 무 정형(amorphous) 실리콘 기반 전자소자를 대체할 수 있는 차세대 플렉서블(flexible)/웨어러블(wearable) 디스플레이, 스마트카드, 화학 및 바이오 센서 등을 구현하기 위한 핵심 재료로 재조명 받고 있다.
이러한 유기물 기반의 전자 소자가 향후 상업화가 되기 위해서는 기존의 공액 유기물의 근본적인 제한 요소를 해결하는 것이 가장 중요하다. 여러 가지 유기물 기반의 전자 소자의 성능을 결정 짓는 가장 큰 제한 요소는 공액 유기물의 낮은 전하 이동도이다. 이러한 낮은 전하이동도는 박막 필름 형성시 고분자 특성의 낮은 결정성에 기인한다.
유기 반도체의 전기적 특성을 극대화하기 위해 지금까지 유기 분자의 결정 형성과 그 결정 크기를 키우기 위해 노력해왔다. 대부분 극성이 반대인 용매(anti-solvent)를 사용하거나 지속적인 용매증기를 노출시켜 결정을 유도하는 방법 등을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 결정화 방법은 유기분자와 용매간의 강한 인력 때문에 휘발되기 전까지 유기분자의 정렬을 방해하므로 소면적의 유기 단결정(short-range ordered organic single-crystal)와 다수의 결정립계(grain boundary)가 만들어지고 이 때문에 전하이동이 매우 제한이 되었다.
따라서, 유기 반도체 전자 소자의 장점을 유지하면서 높을 전기적 특성을 발휘하기 위해서는 유기 반도체의 결정립계는 최소화시키고 결정의 크기를 크게하기 위한 기술을 필요한 실정이다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유기물 반도체의 결정화를 유도하여 높은 전하이동도를 갖는 유기 반도체 결정 박막의 제조방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 반도체 결정 박막의 제조방법은 반도체 특성을 가지는 공액 유기물과 고분자 유기산을 용매에 첨가하여 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 결정씨드를 형성시키는 과정, 상기 결정씨드가 형성된 용액을 기판 상에 도포하여 유기 반도체 박막을 형성하는 과정, 상기 박막의 용매를 제거하는 과정, 상기 용매가 제거된 박막이 액상이 되도록 가열하는 과정 및 상기 액상의 박막을 냉각하여 액상-고상 상변이를 통하여 결정을 성장시키는 과정을 포함한다.
상기 공액 유기물은 C8-BTBT(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)일 수 있다.
상기 고분자 유기산은 PSS일 수 있다.
상기 박막 형성과정은 스핀 코팅에 의해 이루어질 수 있다.
상기 결정 성장과정은 공기 중에서 서냉하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 다른 측면은 상술한 방법으로 제조된 유기 반도체 결정 박막을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은 상술한 방법으로 제조된 유기 반도체 결정 박막을 포함하는 유기 전자 소자를 제공한다.
상기 유기 전자 소자는 전자주게층이 상술한 유기 반도체 결정 박막인 유기 태양 전지일 수 있다.
상기 유기 전자 소자는 활성 채널이 상술한 유기 반도체 결정 박막인 유기 전계 효과 트랜지스터일 수 있다.
본 발명에 따르면 반도체 특성을 가지는 유기물에 고분자 유기산을 첨가하여 용매를 제거하고 액상-고상 결정화를 통하여 유기물의 결정화를 유도함으로써 결정크기가 큰 박막을 형성할 수 있어, 높은 전하이동도를 갖는 유기 반도체 박막을 제공할 수 있다.
또한, 이러한 유기 반도체 박막을 이용하여 전하 이동도 등의 성능이 개선된 유기 전자 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 유기 반도체 박막의 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 2는 C8-BTBT의 결정구조와 PSS와의 상호작용을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 C8-BTBT와 C8-BTBT:PSS의 고온에서의 열적 거동을 보여주는 열분석 그래프이다.
도 4는 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 박막의 핵성장 및 결정 성장을 나타낸 사진이다.
도 5는 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 박막의 시간에 따른 결정 성장 속도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 최종 단계의 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 결정의 크기를 비교한 도면이다(스케일바는 500 ㎛임).
도 7은 결정화된 C8-BTBT의 GIWAXS 결과(a) 및 GISAXS결과(b) 및 C8-BTBT:PSS의 GIWAXS 결과(c) 및 GISAXS결과(d)를 나타낸 도면이다.
도 8은 결정화된 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 분자간의 거리를 나타낸 도면이다.
도 9는 결정화된 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 결정구조에 따른 예측되는 전류흐름을 간단히 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른OFET소자 구조 이미지이다.
도 11은 순수한 C8-BTBT, C8-BTBT 결정, C8-BTBT:PSS 결정 박막의 전달 특성(Transfer characteristics)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 저항분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 접촉저항을 무시할 경우 C8-BTBT 및 C8-BTBT:PSS의 전하 이동도 추정치이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 용매 등의 외부인력을 완전히 제거한 상태에서 유기 반도체의 기본적인 특성인 액상-고상 상변이(liquid-crystal phase transition)를 이용하여 거대 유기 단결정(long-range ordered organic single-crystal)를 유도하는 것이다. 특히 상변이 중에 결정씨드가 존재할 경우 핵생성이 매우 쉽게 일어나고 온도에 따라 성장속도를 조절할 수 있게 되어 수 밀리미터 크기의 거대 유기 결정을 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 유기 반도체 박막에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 반도체 박막 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 우선, 반도체 특성을 가지는 공액 유기물과 고분자 유기산을 용매에 첨가하여 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 결정씨드(crystal seed)를 형성시킨다(S10).
이러한 공액 유기물은 다양한 형태가 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene, C8-BTBT 라는 유기 단분자 반도체를 사용하였으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 여기서 사용되는 고분자 유기산은 PSS일 수 있다.
공액 유기물은 고분자 유기산과 수소 결합 및 프로톤 부가 반응을 통해 결합되어 결정성을 유도하는 결정씨드가 형성된다. 예를 들어 공액 유기물인 C8-BTBT가 용해된 용액에 고분자 유기산이 PSS가 첨가되면 결정씨드가 형성된다. 도 2는 C8-BTBT의 결정구조와 PSS와의 상호작용을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, C8-BTBT는 분자가 단순하면서 한쪽 방향으로 정렬하기 좋은 구조를 가지고 있으며 반데르발스 인력에 의해 분자들끼리 스스로 자가조립되어 헤링본(herringbone) 형태의 결정구조를 형성하게 되는데 이 때 PSS 고분자 지지체는 화학적인 도핑을 통해 분자들끼리 상호 작용을 하게 된다.
도 3은 C8-BTBT와 C8-BTBT:PSS의 고온에서의 열적 거동을 보여주는 열분석 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이렇게 형성된 결정씨드는 추후에 결정성장과정에서 결정 성장의 시작점으로 작용하게 된다. C8-BTBT의 경우 약 125℃ 근방에서 액상-고상 상변이(liquid-solid phase transition)가 일어나게 되는데, PSS 지지체 고분자는 화학적인 도핑에 의해 C8-BTBT와 정전기적 인력을 형성하기 때문에 상전이 온도보다 높은 온도(약 240℃)에도 인력을 유지하므로 안정적인 결정씨드를 유도할 수 있게 된다.
결정씨드를 형성한 후에는 결정씨드가 형성된 용액을 기판상에 도포하여 유기 반도체 박막을 형성한다. 기판은 표면특성과 무관하게 어떠한 것도 이용가능하고 특정한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 최종 형성되는 유기 반도체 박막이 태양전지의 전자주게층으로 이용될 경우, 상기 기판은 PEDOT:PSS 정공수송층 또는 ITO 전극일 수 있다. 또한 본 발명에 따른 유기 반도체 박막이 OFET 소자의 활성채널로 이용될 경우, 상기 기판은 Si 기판 또는 Si/SiO2 기판일 수 있다.
형성된 유기 반도체 박막은 용액상태로 존재하게 되므로 추후 결정성장을 위해 박막에 존재하는 용매를 제거한다(S30). 최대한 잔여 용매를 제거하기 위해 고진공 보관을 통하여 건조시키는 것이 바람직하다.
용매가 제거된 박막은 액상-고상 상변이((liquid-crystal phase transition)가 될 수 있도록 액상이 되도록 가열한다. 예를 들어 C8-BTBT:PSS의 경우 125℃의 핫플레이트에서 매우 짧은 시간 노출시키게 되면 이때 순간적으로 C8-BTBT는 액상의 유체구조(isotropic structure)가 된다.
이렇게 형성된 액상의 박막을 액상-고상 상변이((liquid-crystal phase transition)가 되도록 냉각시켜 결정을 성장시킨다(S50). 즉 온도를 낮추게 되면 공액 유기물인 액상인 C8-BTBT 내부에서 핵생성(mucleation)이 일어나고 결정 성장(crystal growth)가 진행되면서 결정크기가 커지게 된다. 냉각과정은 결정 성장이 충분히 이루어질 수 있도록 공기 중에서 서냉하는 것이 바람직하다. 이때, 핵생성 활성화 에너지가 높은 경우 핵 생성이 일어나는 시간 또한 늘어나 많은 열에너지를 주변으로 방출하게 되어 빠른속도로 결정화가 이루어지게 된다. 하지만, C8-BTBT:PSS의 경우 미리 유도된 결정씨앗을 가지고 있기 때문에 핵 생성 활성화 에너지를 낮출 수 있어 보다 많은 열에너지 축적한 채로 서서히 성장을 할 수 있게 된다.
본 발명의 경우에는 용매를 사용하지 않고 결정을 성장시키기 때문에 용매와 유기 분자간의 인력으로 인하여 결정이 흐트러지는 것을 방지할 수 있고, 결정씨앗을 통해 핵생성 활성화 에너지를 최소화 할 수 있어 다수의 결정립계가 만들어 지는 한계점을 극복할 수 있다.
위와 같은 방법으로 제조된 유기 반도체 박막을 이용하여 성능이 개선된 유기 전자 소자를 제공할 수 있다.
즉 본 발명에 따른 유기 반도체 결정 박막은 역구조 태양전지, 적층형 태양전지, 박막 트랜지스터, 센서, 에너지 저장 소자 또는 이 들의 조합으로 이루어진 소자에도 폭넓게 적용될 수 있다.
예를 들어, 유기 태양전지에 적용될 수 있다. 이러한 유기 태양전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 위치하되, 전자주게층 및 전자받게층을 포함하는 광활성층을 포함할 수 있다. 이 때의 전자주게층로서, 본 발명에 따른 유기 반도체 결정 박막을 적용될 수 있다. 예를 들어, 전자주게층으로 C8-BTBT:PSS 박막을 이용할 수 있다.
또 다른 예를 들어, 유기 전계 효과 트랜지스터에 적용될 수 있다. 이러한 유기 전계 효과 트랜지스터는 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극 및 소스 전극 및 드레인 전극 사이에 위치하는 활성 채널을 포함할 수 있다. 이 때의 활성 채널로서, 본 발명에 따른 유기 반도체 결정 박막을 적용할 수 있다. 예를 들어, 활성 채널로서, C8-BTBT:PSS 박막을 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 유기 반도체 결정 박막의 제조방법에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
1. 유기 반도체 결정 박막의 형성속도 및 결정크기 측정
C8-BTBT에 PSS 고분자 지지체를 용매에 투입하고 교반하여 결정씨드를 형성시킨 후 스핀코팅 공정을 통하여 기판 위에 박막을 형성한 후에 최대한 잔여 용매를 제거하기 위해 고진공 보관을 통해 건조시켰다. 생성된 박막을 125℃의 핫플레이트에 매우 짧은 시간 노출시킨 후, 온도를 낮추어 유기 반도체 결정 박막을 제조하였다. 이때 동일한 방법으로 PSS 고분자 지지체를 사용하지 않고 유기 반도체 결정 박막을 제조하였다.
도 4는 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 박막의 핵성장 및 결정 성장을 나타낸 사진이다. 도 5는 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 박막의 시간에 따른 결정 성장 속도를 나타낸 그래프이다. 도4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 순수한 C8-BTBT 유체의 경우(a), 온도를 급격히 낮춘 후 약 4.04초 만에 핵 성장이 처음 생기기 시작하며 4.31초 이후에는 동시다발적으로 핵성장이 되면서 최종적으로 다수의 결정립계가 생기게 된다. 하지만 C8-BTBT:PSS 유체의 경우 약 3초 이후에 2개의 핵 성장이 시작되며, 서서히 자라나면서 밀리미터 크기 이상의 단결정을 만들어 내는 것으로 나타났다. 따라서, PSS가 있을 경우 C8-BTBT는 더욱 쉽고 빠르게 핵성장을 할 수 있었으며, 다시 말해 핵성장을 하는데 필요한 활성 에너지가 크게 줄어들었다는 것을 예측할 수 있다. 이 현상은 C8-BTBT가 PSS 고분자 지지체와 상호작용을 통해 결정씨앗을 만들고 단결정을 유도하는데 효과적으로 작용하고 있다는 것을 보여준다.
도 6은 최종 단계의 C8-BTBT, C8-BTBT:PSS 결정의 크기를 비교한 도면이다(스케일바는 500 ㎛임). 도 6에 도시된 바와 같이, 최종단계에서 결정크기를 비교하면 C8-BTBT:PSS 결정이 C8-BTBT보다 결정립계가 적으며, 결정의 크기가 큰 것을 알 수 있다.
2. GIWAXS / GISAXS를 통한 결정구조 분석
도 7은 결정화된 C8-BTBT의 GIWAXS 결과(a) 및 GISAXS결과(b) 및 C8-BTBT:PSS의 GIWAXS 결과(c) 및 GISAXS결과(d)를 나타낸 도면이다. GIWAXS 데이터를 보게 되면 순수 C8-BTBT에 비해 C8-BTBT:PSS의 결정면 간격이 좁아진 것을 볼 수 있다. 또한 GISAXS 데이터를 보게 되면 순수 C8-BTBT에서는 비대칭적 구조를 가지는 것이 C8-BTBT:PSS에서는 대칭적 구조를 보이는 것으로 보아 분자들끼지 압축적이면서 결정이 잘 형이 되어있음을 알 수 있었다.
GIWAXS/GISAXS 의 결정 구조 분석을 통해 상변화를 통해 결정화된 C8-BTBT 및 C8-BTBT 분자간의 거리를 예측하고 전류의 흐름을 분석할 수 있었다. 도 8은 결정화된 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 분자간의 거리를 나타낸 도면이다. 도 9는 결정화된 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 결정구조에 따른 예측되는 전류흐름을 간단히 나타낸 도면이다. 도8 및 도 9에 도시된 바와 같이, PSS가 있는 경우 분자간의 거리가 가까워 졌으며 특히 π-π stacking 의 거리가 3.29Å에서 3.22Å로 가까워졌다. 이는 전류 흐름이 증가되는 주요한 요인으로 생각된다.
3. OFET 소자 제작
상변화를 통해 C8-BTBT 및 C8-BTBT:PSS 결정 박막을 형성한 후 유기 전계 효과 트랜지스터(OFET) 소자를 제작하였다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른OFET소자 구조 이미지이다. 도시된 광학이미지는 실제 유기 결정 박막 위에 소스/드레인 전극이 증착된 최종 구조를 보여준다. 도 11은 순수한 C8-BTBT, C8-BTBT 결정, C8-BTBT:PSS 결정 박막의 전달 특성(Transfer characteristics) 나타낸 그래프이다. 측정 결과 순수한 C8-BTBT 박막은 전하이동도가 ~10-2 cm2/Vs지만, 상변화를 통해 결정화된 C8-BTBT 박막은 전하이동도가 최대 2.8 cm2/Vs를 달성하였으며, C8-BTBT:PSS 의 경우 최대 10.4 cm2/Vs를 달성하였다. 이렇게 성능이 4배 이상이 차이가 나는 이유는 C8-BTBT:PSS 결정크기가 밀리미터 사이즈로 충분히 커서 소자전체가 들어갈 수 있기 때문에 결정립계에 의한 효과가 최소화 되었기 때문으로 추정된다. 추가적으로 C8-BTBT 물질은 Highly Occupied Molecular Orbital (HOMO) level이 5.7 eV 로 매우 깊기 때문에 Au (5.1 eV) 등 일반적인 금속으로 저항접촉(ohmic contact)을 형성하기가 어려우며 따라서 높은 접촉저항(contact resistance) 때문에 효과적인 전자 주입이 어려울 것으로 예상된다. 하지만 결정크기가 클수록 채널저항(channel resistance) 등은 낮아져서 전자 이동에 도움을 줄 것으로 예상되었다.
이것을 확인하기 위해 Modified Transfer line Method (M-TLM) 를 통해 접촉저항(contact resistance) 및 채널저항(channel resistance)를 비교해보았다. 도 12는 C8-BTBT(a) 및 C8-BTBT:PSS(b)의 저항분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 13은 접촉저항을 무시할 경우 C8-BTBT 및 C8-BTBT:PSS의 전하 이동도 추정치이다. 접촉저항에는 크게 변화가 없었지만 C8-BTBT:PSS 의 경우 C8-BTBT에 비해 채널저항이 약 4배가량 낮아졌음을 알 수 있었다. 또한, 접촉저항 영향을 최소화 한 경우에서는 C8-BTBT:PSS 전하 이동도가 18 cm2/Vs 에 달하는 것으로 분석되어 C8-BTBT (~4 cm2/Vs) 보다 최대 4배이상 높음을 알 수 있었다
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 반도체 특성을 가지는 공액 유기물과 고분자 유기산을 용매에 첨가하여 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 결정씨드를 형성시키는 과정;
    상기 결정씨드가 형성된 용액을 기판 상에 도포하여 유기 반도체 박막을 형성하는 과정;
    상기 박막에 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 석출물이 남도록 존재하는 용매를 제거하는 과정;
    상기 용매가 제거된 박막을 액상의 유체구조(isotropic structure)를 형성하도록 가열하는 과정; 및
    상기 액상의 박막을 냉각하여 액상-고상 상변이를 통하여 결정을 성장시키는 과정;을 포함하며,
    상기 공액 유기물은 C8-BTBT(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene)이며, 상기 고분자 유기산은 PSS인 것을 특징으로 하는 유기 반도체 결정 박막의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 박막 형성과정은 스핀 코팅에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 반도체 결정 박막의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 결정 성장과정은 공기 중에서 서냉하는 것을 특징으로 하는 유기 반도체 결정 박막의 제조방법.
  6. 청구항 1에 의해 제조되는 유기 반도체 결정 박막.
  7. 청구항 1에 의해 제조되는 유기 반도체 결정 박막을 포함하는 유기 전자 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기 전자 소자는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하되, 전자주게층 및 전자받게층을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기 태양전지이며,
    상기 전자주게층은 청구항 5의 유기 반도체 결정 박막인 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기 전자 소자는 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극 및 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이에 위치하는 활성 채널을 포함하는 유기 전계 효과 트랜지스터이며,
    상기 활성 채널은 청구항 5의 유기 반도체 결정 박막 인 것을 특징으로 하는 유기 전자 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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