KR101941685B1 - 유기 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

유기 반도체 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

유기 반도체, 상기 유기 반도체와 전기적으로 연결되어 있는 전극, 그리고 상기 유기 반도체와 상기 전극 사이에 위치하며 앵커기를 가지는 일단과 이온성 작용기를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하는 자기 조립 단층을 포함하는 유기 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유기 반도체 소자 및 그 제조 방법{ORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
유기 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD), 유기 발광 표시 장치(organic light emitting diode display, OLED display), 전기 영동 표시 장치(electrophoretic display) 등의 평판 표시 장치는 복수 쌍의 전기장 생성 전극과 그 사이에 들어 있는 전기 광학 활성층을 포함한다. 액정 표시 장치의 경우 전기 광학 활성층으로 액정층을 포함하고, 유기 발광 표시 장치의 경우 전기 광학 활성층으로 유기 발광층을 포함한다.
한 쌍을 이루는 전기장 생성 전극 중 하나는 통상 스위칭 소자에 연결되어 전기 신호를 인가받고, 전기 광학 활성층은 이 전기 신호를 광학 신호로 변환함으로써 영상을 표시한다.
평판 표시 장치에서는 스위칭 소자로서 삼단자 소자인 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 사용하며, 이 박막 트랜지스터를 제어하기 위한 주사 신호를 전달하는 게이트선(gate line)과 화소 전극에 인가될 신호를 전달하는 데이터선(data line)이 평판 표시 장치에 구비된다.
이러한 박막 트랜지스터 중에서, 규소(Si)와 같은 무기 반도체 대신 유기 반도체를 포함하는 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor, OTFT)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
유기 박막 트랜지스터는 유기 물질의 특성상 섬유(fiber) 또는 필름(film)과 같은 형태로 만들 수 있어서 가요성 표시 장치(flexible display device)의 핵심 소자로 주목받고 있다.
이러한 유기 박막 트랜지스터를 포함하여 유기 태양 전지, 유기 센서 등의 유기 반도체 소자는 유기 반도체와 금속 전극을 포함한다.
그러나 유기 반도체와 금속 전극이 직접 접촉하는 경우 접촉 저항이 높아질 수 있다. 또한 이와 같은 이유로 전극으로 사용될 수 있는 금속의 종류가 유기 반도체의 물리적 특성에 따라 한정되므로, 비교적 보편적으로 사용되는 저저항 금속들의 사용이 제한되고 금(Au)과 같은 고가의 금속들이 사용되어 제조 비용의 상승을 초래한다.
본 발명의 일 측면은 유기 반도체와 금속 전극 사이의 접촉 저항을 낮추어 소자 특성을 개선하면서도 제조 비용을 줄일 수 있는 유기 반도체 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 유기 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유기 반도체, 상기 유기 반도체와 전기적으로 연결되어 있는 전극, 그리고 상기 유기 반도체와 상기 전극 사이에 위치하며 앵커기(anchor group)를 가지는 일단과 이온성 작용기(ionic functional group)를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하는 자기 조립 단층을 포함하는 유기 반도체 소자를 제공한다.
상기 앵커기는 상기 전극 측에 위치할 수 있고, 상기 이온성 작용기는 상기 유기 반도체 측에 위치할 수 있다.
상기 이온성 작용기는 양이온을 포함할 수 있고, 상기 자기 조립 단층은 상기 양이온과 쌍(pair)을 이루는 음이온을 포함할 수 있다.
상기 양이온은 치환 또는 비치환된 암모늄 이온, 치환 또는 비치환된 설포늄 이온, 나트륨 이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 음이온은 브롬 음이온, 보레이트 음이온, 할라이드, 과염소산 이온, 포스페이트 음이온, 설포네이트 음이온, 질산 음이온, 아마이드 음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 음이온은 트리플루오로메탄설포네이트(trifluoromethanesulfonate), 트리플루오로메탄설포닐아마이드(trifluoromethanesulfonylamide), 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트(tetrakis(1-imidazolyl)borate), 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트(tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate), BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, NO3 - 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 이온성 작용기는 음이온을 포함할 수 있고, 상기 자기 조립 단층은 상기 음이온과 쌍(pair)을 이루는 양이온을 포함할 수 있다.
상기 음이온은 브롬 음이온, 보레이트 음이온, 할라이드, 과염소산 이온, 포스페이트 음이온, 설포네이트 음이온, 질산 음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 양이온은 치환 또는 비치환된 암모늄 이온, 치환 또는 비치환된 설포늄 이온, 나트륨 이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 음이온은 트리플루오로메탄설포네이트(trifluoromethanesulfonate), 트리플루오로메탄설포닐아마이드(trifluoromethanesulfonylamide), 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트(tetrakis(1-imidazolyl)borate), 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트(tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate), BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, NO3 - 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 앵커기는 -SH, -SOR1 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 여기서 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합이다.
상기 자기 조립 단층은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 모노머를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
AC - L - X1 + X2 -
[화학식 2]
AC - L - X3 - X4 +
상기 화학식 1 및 2에서,
AC는 -SH, -SOR1 또는 이들의 조합이고, 여기서 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합이고,
X1 +는 양이온이고, X2 -는 X1 +와 쌍을 이룰 수 있는 음이온이고,
X3 -는 음이온이고, X4 +는 X3 -와 쌍을 이룰 수 있는 양이온이고,
L은 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐렌기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이다.
상기 자기 조립 단층은 상기 유기 반도체의 하부에서 상기 유기 반도체와 접촉하는 하부 접촉 구조(bottom contact structure)로 될 수 있다.
상기 전극은 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
상기 자기 조립 단층은 약 2 내지 100Å의 두께를 가질 수 있다.
상기 유기 반도체 소자는 유기 박막 트랜지스터, 유기 태양 전지 및 유기 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전극을 형성하는 단계, 상기 전극 위에 앵커기를 가지는 일단과 이온성 작용기를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하는 자기 조립 단층을 형성하는 단계, 그리고 상기 자기 조립 단층 위에 유기 반도체를 형성하는 단계를 포함하는 유기 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 자기 조립 단층을 형성하는 단계는 상기 전극 위에 상기 앵커기를 가진 모노머를 형성하여 상기 전극 위에 상기 앵커기를 고정시키는 단계, 그리고 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 위에 상기 모노머를 형성하는 단계는 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 화학 기상 증착으로 수행할 수 있다.
상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 형성하는 단계는 양이온에 상기 양이온과 쌍(pair)을 이루는 음이온을 결합시키거나 음이온에 음이온과 쌍을 이루는 양이온을 결합시킬 수 있다.
유기 반도체와 전극 사이의 접촉 저항을 낮추어 전하 이동성을 높임으로써 유기 반도체 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다. 또한 상기와 같이 유기 반도체와 전극 사이의 접촉 저항을 낮춤으로써 전극으로 사용되는 금속의 종류를 더욱 확대할 수 있어서 비교적 저렴한 저저항 금속을 적용할 수 있어서 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 도시한 단면도이고,
도 2는 자기 조립 단층의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 3 내지 도 6은 도 1의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이고,
도 7은 다른 구현예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이고,
도 8 내지 도 11은 도 7의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 13은 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 14는 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 15는 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 16은 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 채널 길이에 따른 저항 값을 보여주는 그래프이고,
도 17은 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 채널 길이에 따른 저항 값을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현 예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl, 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30의 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20의 헤테로알킬기, C3 내지 C20의 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C15의 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 일 구현예에 따른 유기 반도체 소자에 대하여 설명한다.
유기 반도체 소자의 일 구현예로서 유기 박막 트랜지스터에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 도시한 단면도이다.
투명한 유리, 실리콘 또는 플라스틱 따위로 만들어진 기판(110) 위에 게이트 전극(124)이 형성되어 있다.
게이트 전극(124)은 게이트 신호를 전달하는 게이트선(도시하지 않음)과 연결되어 있다.
게이트 전극(124) 위에는 게이트 절연막(140)이 형성되어 있다.
게이트 절연막(140)은 유기 물질 또는 무기 물질로 만들어질 수 있으며, 유기 물질의 예로는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)계 화합물, 폴리이미드(polyimide)계 화합물, 폴리아크릴(polyacryl)계 화합물, 폴리스티렌(polystyrene)계 화합물, 벤조시클로부탄(benzocyclobutane, BCB) 따위의 용해성 고분자 화합물을 들 수 있고, 무기 물질의 예로는 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화규소(SiO2)를 들 수 있다.
게이트 절연막(140) 위에는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)이 형성되어 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 게이트 전극(124)을 중심으로 마주하고 있다. 소스 전극(173)은 데이터 신호를 전달하는 데이터선(도시하지 않음)과 전기적으로 연결되어 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에는 유기 반도체(154)가 형성되어 있다.
유기 반도체(154)는 펜타센(pentacene)과 그 전구체, 테트라벤조포피린(tetrabenzoporphyrin)과 그 유도체, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene)과 그 유도체, 폴리플러렌(polyfluorene)과 그 유도체, 폴리티닐렌비닐렌(polythienylenevinylene)과 그 유도체, 폴리티오펜(polythiophene)과 그 유도체, 폴리티아졸(polythiazol)과 그 유도체, 폴리티에노티오펜(polythienothiophene)과 그 유도체, 폴리아릴아민(polyarylamine)과 그 유도체, 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 그 유도체, 금속화 프탈로시아닌(metallized phthalocyanine) 또는 그의 할로겐화 유도체, 페릴렌테트라카르복실산 이무수물(perylenetetracarboxylic dianhydride, PTCDA), 나프탈렌테트라카르복실산 이무수물(naphthalenetetracarboxylic dianhydride, NTCDA) 또는 이들의 이미드 유도체, 페릴렌(perylene) 또는 코로넨(coronene)과 그들의 치환기를 포함하는 유도체와 이들의 공중합체 중에서 선택된 적어도 하나로 만들어질 수 있다.
유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에는 자기 조립 단층(self-assembled monolayer, SAM)(163, 165)이 형성되어 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 유기 반도체(154) 하부에서 유기 반도체(154)와 접촉하는 하부 접촉 구조(bottom contact structure)로 되어 있다.
자기 조립 단층(163, 165)에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 자기 조립 단층의 일 예를 보여주는 개략도이다.
자기 조립 단층(163, 165)은 복수의 모노머(monomer)(50a)가 기판에 대하여 실질적으로 수직하게 정렬되어 있는 구조이다.
상기 모노머(50a)는 앵커기(anchor group)(A)를 가지는 일단과 이온성 작용기(ionic functional group)(I)를 가지는 타단을 가질 수 있으며, 상기 앵커기(A)는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 측에 배열되고 상기 이온성 작용기(I)는 유기 반도체(154) 측에 배열될 수 있다.
상기 앵커기(A)는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에서 자기 정렬될 수 있는 작용기로, 예컨대 -SH, -SOR1 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 여기서 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합이다.
상기 이온성 작용기(I)는 양이온 또는 음이온을 포함할 수 있다.
상기 이온성 작용기(I)가 양이온을 포함하는 경우 상기 양이온과 쌍(pair)을 이룰 수 있는 음이온을 함께 포함한다.
이때 상기 양이온은 치환 또는 비치환된 암모늄 이온, 치환 또는 비치환된 설포늄 이온, 나트륨 이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 쌍을 이루는 상기 음이온은 브롬 음이온, 보레이트 음이온, 할라이드, 과염소산 이온, 포스페이트 음이온, 설포네이트 음이온, 질산 음이온, 아마이드 음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 음이온은 예컨대 하기 화학식 A로 표현되는 트리플루오로메탄설포네이트(trifluoromethanesulfonate), 트리플루오로메탄설포닐아마이드(trifluoromethanesulfonylamide), 하기 화학식 B로 표현되는 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트(tetrakis(1-imidazolyl)borate), 하기 화학식 C로 표현되는 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트(tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate)를 포함하는 유기 음이온과, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, NO3 - 을 포함하는 무기 음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[화학식 A]
Figure 112018101294314-pat00001
[화학식 B]
Figure 112018101294314-pat00002
[화학식 C]
Figure 112018101294314-pat00003
상기 이온성 작용기(I)가 음이온을 포함하는 경우 상기 음이온과 쌍(pair)을 이룰 수 있는 양이온을 함께 포함한다. 이때 상기 음이온은 브롬 음이온, 보레이트 음이온, 할라이드, 과염소산 이온, 포스페이트 음이온, 설포네이트 음이온, 질산 음이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고 상기 양이온은 치환 또는 비치환된 암모늄 이온, 치환 또는 비치환된 설포늄 이온, 나트륨 이온 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다,
상기 음이온은 트리플루오로메탄설포네이트(trifluoromethanesulfonate), 트리플루오로메탄설포닐아마이드(trifluoromethanesulfonylamide), 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트(tetrakis(1-imidazolyl)borate), 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트(tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate), BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, NO3 - 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 모노머를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
AC - L - X1 + X2 -
[화학식 2]
AC - L - X3 - X4 +
상기 화학식 1 및 2에서, AC, L, X1 + , X2 -, X3 - 및 X4 + 의 정의는 다음과 같다.
AC는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 자기 정렬될 수 있는 앵커기로, -SH, -SOR1 또는 이들의 조합일 수 있고, 상기 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합을 포함한다.
X1 +는 양이온이고, X2 -는 X1 +와 쌍을 이룰 수 있는 음이온이고, 전술한 바와 같다.
X3 -는 음이온이고, X4 +는 X3 -와 쌍을 이룰 수 있는 양이온이고, 전술한 바와 같다.
L은 앵커기와 이온성 작용기를 연결하는 연결기로, 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐렌기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이다.
자기 조립 단층(163, 165)은 모노머(50a)의 길이 정도의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 약 2 내지 100Å의 두께를 가질 수 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에서 전하 주입층으로서 역할을 하여 이들 사이의 접촉 저항을 낮추고 전하의 이동성을 높일 수 있다.
또한 이와 같이 유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에서 접촉 저항을 낮춤으로써 유기 반도체 특성에 따라 전극으로서 사용할 수 있는 금속의 종류가 제한되는 것을 방지하고 비교적 저렴한 저저항 금속을 적용할 수 있어서 제조 비용을 줄일 수 있다.
그러면 도 1의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 도 3 내지 도 6을 도 1과 함께 참고하여 설명한다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 기판(110) 위에 도전층을 스퍼터링 따위로 적층한 후 사진 식각하여 게이트 전극(124)을 형성한다.
다음 도 4를 참고하면, 게이트 전극(124) 위에 게이트 절연막(140)을 형성한다. 게이트 절연막(140)은 예컨대 스핀 코팅과 같은 용액 공정으로 형성할 수 있다.
다음 도 5를 참고하면, 게이트 절연막(140) 위에 도전층을 스퍼터링 따위로 적층한 후 사진 식각하여 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)을 형성한다.
다음 도 6을 참고하면 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 자기 조립 단층(163, 165)을 형성한다.
자기 조립 단층(163, 165)은 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 앵커기를 가진 모노머를 형성하여 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 상기 앵커기를 고정시킨 후, 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 형성할 수 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 일단에 앵커기를 가진 모노머를 형성하는 단계는 예컨대 앵커기를 가진 모노머를 용매에 용해하여 용액을 제조한 후 상기 용액을 딥 코팅, 스핀 코팅 따위의 용액 공정으로 형성하고 건조하여 수행할 수 있다. 이 때 앵커기는 자기 정렬에 의해 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 표면 위로 정렬될 수 있다. 이어서 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환할 수 있다.
또는, 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 앵커기를 가진 모노머를 형성하는 단계는 예컨대 일단에 앵커기를 가진 모노머를 화학기상증착으로 형성한 후, 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환할 수도 있다.
이 때 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환하는 방법은 예컨대 상기 모노머의 타단에 포함된 3차 아민(tertiary amine)을 예컨대 메틸요오드(methyliodine) 또는 메틸브롬(methylbromide)과 반응하는 사급화(quaternarization) 합성 방법으로 수행할 수 있다.
다음 도 1을 참고하면, 자기 조립 단층(163, 165) 위에 유기 반도체(154)를 형성한다. 유기 반도체(154)는 화학기상증착과 같은 건식 공정 또는 스핀 코팅, 잉크젯과 같은 용액 공정으로 형성할 수 있다.
그러면 다른 구현예에 따른 유기 박막 트랜지스터에 대하여 도 7을 참고하여 설명한다.
도 7은 다른 구현예에 따른 유기 박막 트랜지스터를 보여주는 단면도이다.
투명한 유리, 실리콘 또는 플라스틱 따위로 만들어진 기판(110) 위에 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)이 형성되어 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 소정 간격을 두고 서로 마주하고 있다. 소스 전극(173)은 데이터 신호를 전달하는 데이터선(도시하지 않음)과 전기적으로 연결되어 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)은 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에는 유기 반도체(154)가 형성되어 있다.
유기 반도체(154)는 펜타센(pentacene)과 그 전구체, 테트라벤조포피린(tetrabenzoporphyrin)과 그 유도체, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene)과 그 유도체, 폴리플러렌(polyfluorene)과 그 유도체, 폴리티닐렌비닐렌(polythienylenevinylene)과 그 유도체, 폴리티오펜(polythiophene)과 그 유도체, 폴리티아졸(polythiazol)과 그 유도체, 폴리티에노티오펜(polythienothiophene)과 그 유도체, 폴리아릴아민(polyarylamine)과 그 유도체, 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 그 유도체, 금속화 프탈로시아닌(metallized phthalocyanine) 또는 그의 할로겐화 유도체, 페릴렌테트라카르복실산 이무수물(perylenetetracarboxylic dianhydride, PTCDA), 나프탈렌테트라카르복실산 이무수물(naphthalenetetracarboxylic dianhydride, NTCDA) 또는 이들의 이미드 유도체, 페릴렌(perylene) 또는 코로넨(coronene)과 그들의 치환기를 포함하는 유도체와 이들의 공중합체 중에서 선택된 적어도 하나로 만들어질 수 있다.
유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에는 자기 조립 단층(163, 165)이 형성되어 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 유기 반도체(154) 하부에서 유기 반도체(154)와 접촉하는 하부 접촉 구조(bottom contact)로 되어 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 전술한 바와 같이 앵커기를 가지는 일단과 이온성 작용기를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하며, 앵커기는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 측에 배열되고 이온성 작용기는 유기 반도체(154) 측에 배열됨으로써 상기 모노머는 기판에 대하여 실질적으로 수직하게 정렬될 수 있다.
상기 앵커기는 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에서 자기 정렬될 수 있는 작용기로, 예컨대 티올기를 포함할 수 있다.
상기 이온성 작용기는 양이온 또는 음이온을 포함할 수 있으며, 양이온을 포함하는 경우 상기 양이온과 쌍을 이룰 수 있는 음이온을 함께 포함하며, 음이온을 포함하는 경우 상기 음이온과 쌍을 이룰 수 있는 양이온을 함께 포함한다.
자기 조립 단층(163, 165)은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 모노머를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
AC - L - X1 + X2 -
[화학식 2]
AC - L - X3 - X4 +
상기 화학식 1 및 2에서, AC, L, X1 + , X2 -, X3 - 및 X4 + 의 정의는 전술한 바와 같다.
자기 조립 단층(163, 165)은 모노머(50a)의 길이 정도의 두께를 가질 수 있으며, 예컨대 약 2 내지 100Å의 두께를 가질 수 있다.
자기 조립 단층(163, 165)은 유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에서 전하 주입층으로서 역할을 하여 이들 사이의 접촉 저항을 낮추고 전하의 이동성을 높일 수 있다.
또한 이와 같이 유기 반도체(154)와 소스 전극(173) 사이 및 유기 반도체(154)와 드레인 전극(175) 사이에서 접촉 저항을 낮춤으로써 유기 반도체 특성에 따라 전극으로서 사용할 수 있는 금속의 종류가 제한되는 것을 방지하고 비교적 저렴한 저저항 금속을 적용할 수 있어서 제조 비용을 줄일 수 있다.
유기 반도체(154) 위에는 게이트 절연막(140)이 형성되어 있다.
게이트 절연막(140)은 유기 물질 또는 무기 물질로 만들어질 수 있으며, 유기 물질의 예로는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)계 화합물, 폴리이미드(polyimide)계 화합물, 폴리아크릴(polyacryl)계 화합물, 폴리스티렌(polystyrene)계 화합물, 벤조시클로부탄(benzocyclobutane, BCB) 따위의 용해성 고분자 화합물을 들 수 있고, 무기 물질의 예로는 질화규소(SiNx) 및 산화규소(SiO2)를 들 수 있다.
게이트 절연막(140) 위에는 게이트 전극(124)이 형성되어 있다.
이하 도 7의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법에 대하여 도 8 내지 도 11을 도 7과 함께 참고하여 설명한다.
도 8 내지 도 11은 도 7의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
도 8을 참고하면, 기판(110) 위에 도전층을 스퍼터링 따위로 적층한 후 사진 식각하여 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175)을 형성한다.
다음 도 9를 참고하면, 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 자기 조립 단층(163, 165)을 형성한다.
자기 조립 단층(163, 165)은 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 앵커기를 가진 모노머를 형성하여 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 상기 앵커기를 고정시킨 후, 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환하여 형성할 수 있다.
소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 앵커기를 가진 모노머를 형성하는 단계는 예컨대 일단에 앵커기를 가진 모노머를 용매에 용해하여 용액을 제조한 후 상기 용액을 딥 코팅, 스핀 코팅 따위의 용액 공정으로 형성하고 건조하여 수행할 수 있다. 이때 앵커기는 자기 정렬에 의해 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 표면 위로 정렬될 수 있다. 이어서 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환할 수 있다.
또는, 소스 전극(173) 및 드레인 전극(175) 위에 앵커기를 가진 모노머를 형성하는 단계는 예컨대 일단에 앵커기를 가진 모노머를 화학기상증착으로 형성한 후, 상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 치환할 수 있다.
다음 도 10을 참고하면, 자기 조립 단층(163, 165) 위에 유기 반도체(154)를 형성한다. 유기 반도체(154)는 화학기상증착과 같은 건식 공정 또는 스핀 코팅, 잉크젯과 같은 용액 공정으로 형성할 수 있다.
다음 도 11을 참고하면, 유기 반도체(154) 위에 게이트 절연막(140)을 형성한다. 게이트 절연막(140)은 예컨대 스핀 코팅과 같은 용액 공정으로 형성할 수 있다.
다음 도 7을 참고하면, 게이트 절연막(140) 위에 도전층을 스퍼터링 따위로 적층한 후 사진 식각하여 게이트 전극(124)을 형성한다.
상기에서는 유기 반도체 소자의 일 예로서 유기 박막 트랜지스터에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 유기 반도체와 전극을 포함하는 모든 유기 반도체 소자, 예컨대 유기 태양 전지, 유기 센서 등에도 동일하게 적용할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
자기 조립 단층용 모노머의 합성
제1 단계
1.6-디브로모헥산(1.6-dibromohexane) 27.7g (0.10mol)과 포타슘 티오아세테이트(potassium thioacetate) 4.68g (0.042 mol)을 아세토니트릴 용액 120mL에 넣고 12시간 동안 환류한다. 상기 혼합 용액을 실온에서 여과하고 감압 하에 아세토니트릴을 제거한다. 얻어진 황색 용액을 실리카 겔 컬럼 크로마토그래피를 사용하여 여과하여 하기 화합물 1 14.25g을 얻는다. 수율은 59.6%이다.
제2 단계
상기 화합물 1 14.25g (0.060mol)과 트리메틸아민 34.58g (0.595mol)을 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF) 250ml에서 혼합하고 실온에서 밤새도록 교반한다. 얻어진 흰색 침전물을 여과하고 THF로 세정한 후 감압하에 건조하여 하기 화합물 2를 얻는다. 수율을 72% 이다.
제3 단계
상기 화합물 2 9.0g(0.030mol)을 하이드로브롬산(hydrobromic acid) 90ml와 에탄올 200ml에서 혼합하고 N2 조건 하에 2일 동안 교반한다. 감압 하에 용매를 제거한다. 얻어진 황색 오일을 메탄올과 디에틸에테르의 혼합 용매에 첨가한 후 재침전에 의해 흰색 침전물을 얻는다. 상기 흰색 침전물을 감압 하에 건조하여 하기 화합물 3 ((6-메르캅토헥실)트리메틸암모늄 브로마이드(6-mercaptohexyl)trimethylammonium bromide))을 얻는다. 수율은 51% 이다.
[반응식]
Figure 112018101294314-pat00004
유기 박막 트랜지스터의 제작
실시예 1
유리 기판 위에 몰리브덴(Mo)을 스퍼터링으로 적층한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성한다. 상기 게이트 전극 위에 산화규소막을 화학기상증착을 통해 300nm 두께로 적층하여 게이트 절연체를 형성한 후, 그 위에 금(Au)을 사용하여 소스 전극 및 드레인 전극(W/L=120㎛/4㎛, 120㎛/6㎛, 120㎛/8㎛, 120㎛/12㎛, 120㎛/20㎛)을 형성한다.
상기에서 얻어진 화합물 3, 즉 (6-메르캅토헥실)트리메틸암모늄 브로마이드를 메틸알코올에 넣어 10mM의 농도로 용액을 제조한다.
이어서 상기 용액에 상기 기판을 30분 동안 침지한 후 꺼내어 메틸 알코올을 사용하여 세정하여 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위에 자기 조립 단층을 형성한다.
이어서 상기 자기 조립 단층 위에 티오펜-티아졸계 공중합체인 유기 반도체 용액을 잉크젯 프린팅한 후 건조하여 유기 반도체를 형성한다.
비교예
자기 조립 단층을 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 유기 박막 트랜지스터를 제작한다.
유기 박막 트랜지스터의 특성 평가 1
실시예 및 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 전류 특성을 평가한다.
도 12는 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고, 도 13은 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터가 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터과 비교하여 전류 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.
또한 실시예 및 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 이동도(mobility)는 표 1과 같다.
이동도(㎠/Vs)
실시예 0.14
비교예 0.11
표 1을 참고하면, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터와 비교하여 이동도가 개선되는 것을 알 수 있다.
유기 박막 트랜지스터의 특성 평가 2
실시예 및 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 전류 특성을 평가한다.
도 14는 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이고, 도 15는 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 14 및 도 15를 참고하면, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터가 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터과 비교하여 전류 특성이 개선되는 것을 알 수 있다. 예컨대 VG=-40V이고 VDS=-40V 인 경우, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 약 8.8μA 전류량을 나타내는데 반해 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 약 6.8μA의 전류량을 나타내는 것을 알 수 있다.
유기 박막 트랜지스터의 특성 평가 3
실시예 및 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 접촉 저항 특성을 평가한다.
도 16은 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 채널 길이에 따른 저항 값을 보여주는 그래프이고, 도 17은 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터의 채널 길이에 따른 저항 값을 보여주는 그래프이다.
도 16 및 도 17을 참고하면, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터와 비교하여 저항이 낮아지는 것을 알 수 있다.
구체적으로, TLM 방법(transfer line method) 및 하기 수학식을 사용하여 접촉 저항을 구할 수 있다.
[수학식]
Figure 112018101294314-pat00005
상기 수학식에서, R T 는 박막 트랜지스터의 전체 저항, R C 는 접촉 저항, L은 채널 길이, r ch 는 채널의 저항값이다.
도 16 및 도 17을 참고하면, 채널 길이(L)가 0일 때, 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 약 0.395MΩ(395 kΩ)의 접촉 저항(Rc)을 가지는데 반해, 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 약 0.620MΩ(620 kΩ)의 접촉 저항(Rc)을 가지는 것을 알 수 있다. 이로부터 실시예에 따른 유기 박막 트랜지스터는 비교예에 따른 유기 박막 트랜지스터보다 접촉 저항이 낮아지는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 기판 124: 게이트 전극
140: 게이트 절연막 154: 유기 반도체
163, 165: 자기 조립 단층 173: 소스 전극
175: 드레인 전극 50a: 모노머

Claims (12)

  1. 유기 반도체,
    상기 유기 반도체와 전기적으로 연결되어 있는 전극, 그리고
    상기 유기 반도체와 상기 전극 사이에 위치하며 앵커기(anchor group)를 가지는 일단과 이온성 작용기(ionic functional group)를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하는 자기 조립 단층
    을 포함하고,
    상기 이온성 작용기는 양이온을 포함하고 상기 자기 조립 단층은 상기 양이온과 쌍(pair)을 이루는 음이온을 더 포함하거나,
    상기 이온성 작용기는 음이온을 포함하고 상기 자기 조립 단층은 상기 음이온과 쌍(pair)을 이루는 양이온을 더 포함하며,
    상기 양이온은 치환 또는 비치환된 암모늄 이온, 치환 또는 비치환된 설포늄 이온, 나트륨 이온 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 음이온은 트리플루오로메탄설포네이트(trifluoromethanesulfonate), 트리플루오로메탄설포닐아마이드(trifluoromethanesulfonylamide), 테트라키스(1-이미다졸릴)보레이트(tetrakis(1-imidazolyl)borate), 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트(tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate), BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, NO3 - 또는 이들의 조합을 포함하는
    유기 반도체 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 앵커기는 상기 전극 측에 위치하고
    상기 이온성 작용기는 상기 유기 반도체 측에 위치하는
    유기 반도체 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 앵커기는 -SH, -SOR1 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합을 포함하는
    유기 반도체 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 자기 조립 단층은 하기 화학식 1 또는 2로 표현되는 모노머를 포함하는 유기 반도체 소자:
    [화학식 1]
    AC - L - X1 + X2 -
    [화학식 2]
    AC - L - X3 - X4 +
    상기 화학식 1 및 2에서,
    AC는 -SH, -SOR1 또는 이들의 조합이고, 여기서 R1은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아릴기 또는 이들의 조합이고,
    X1 +는 양이온이고, X2 -는 X1 +와 쌍을 이룰 수 있는 음이온이고,
    X3 -는 음이온이고, X4 +는 X3 -와 쌍을 이룰 수 있는 양이온이고,
    L은 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐렌기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이다.
  5. 제1항에서,
    상기 자기 조립 단층은 상기 유기 반도체의 하부에서 상기 유기 반도체와 접촉하는 하부 접촉 구조(bottom contact structure)로 되어 있는 유기 반도체 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 전극은 금속 소스 전극 및 금속 드레인 전극을 포함하는 유기 반도체 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 금속 소스 전극 및 금속 드레인 전극은 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 유기 반도체 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 자기 조립 단층은 2 내지 100Å의 두께를 가지는 유기 반도체 소자.
  9. 제1항에서,
    유기 박막 트랜지스터, 유기 태양 전지 또는 유기 센서를 포함하는 유기 반도체 소자.
  10. 전극을 형성하는 단계,
    상기 전극 위에 앵커기를 가지는 일단과 이온성 작용기를 가지는 타단을 가지는 모노머를 포함하는 자기 조립 단층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 자기 조립 단층 위에 유기 반도체를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 자기 조립 단층을 형성하는 단계는
    상기 전극 위에 상기 앵커기를 가진 모노머를 형성하여 상기 전극 위에 상기 앵커기를 고정시키는 단계, 그리고
    상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 형성하는 단계
    를 포함하는 유기 반도체 소자의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 모노머의 타단을 이온성 작용기로 형성하는 단계는
    양이온에 상기 양이온과 쌍(pair)을 이루는 음이온을 결합시키거나 음이온에 상기 음이온과 쌍을 이루는 양이온을 결합시키는
    유기 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 전극 위에 상기 모노머를 형성하는 단계는 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 화학 기상 증착으로 수행하는 유기 반도체 소자의 제조 방법.



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