KR102040366B1 - 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질 및 이를 이용한 박막트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질 및 이를 포함한 박막트랜지스터에 관한 것으로 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링되며, 상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질 및 이를 이용한 박막트랜지스터를 제공한다.

Description

비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질 및 이를 이용한 박막트랜지스터{Semiconductor material contained vinylene group and Thin-film transistor using the same}
본 발명은 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질 및 이를 포함한 전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비닐렌구조를 포함하여 반응에 의해 복잡한 구조로 만들어진 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질 및 이를 이용한 박막트랜지스터에 관한 것이다.
반도체 성질을 갖는 유기물은 유기 발광 다이오드, 유기 태양전지, 유기 트랜지스터 또는 유기 발광 트랜지스터와 같은 광, 전기적 소자 분야에 있어서 그들의 높은 응용 가능성으로 인해 산업적인 관심이 증대되고 있다.
최근 반도체 성질을 띄는 유기 소재의 개발과 이를 이용한 다양한 응용 연구 또한 어느 때보다 활발히 진행되어 왔다. 전자파 차폐막, 캐패시터, OLED 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor;OTFT), 태양 전지, 다광자 흡수 현상을 이용한 메모리 소자 등 유기 반도체를 이용한 응용 연구의 영역은 계속해서 확장되고 있다. 이 중 특히 OLED 분야는 대형 디스플레이 상품화를 목전에 두고 있어 유기물을 이용한 응용 연구를 활성화시키는 촉매제 역할을 하고 있으며, OLED의 능동 구동용 회로로 시작하여 차세대 스마트카드 등의 응용에도 기대되는 유기 반도체 박막 트랜지스터도 급부상을 하고 있다. 또한 유기물 반도체를 활성층으로 하여 전기적 발전 특성 발표가 있은 후 레이저 다이오드로서의 응용성에 대해서도 많은 관심을 다시 불러일으키고 있다.
유기 반도체 트랜지스터는 소재의 특성상 유기 전기발광 트랜지스터에 쓰이는 발광 유기물과 같은 유기물 반도체이므로 증착 방법이 같고, 물리적 화학적 성질이 비슷하여 같은 공정 조건을 유지하면서 소자를 제작할 수 있다. 또한 둘 다 상온 및 저온(섭씨 100℃ 이하) 공정이 가능하므로 유기 트랜지스터를 이용한 플라스틱 기반의 유기 전기 발광 소자 제작이 가능하다. 같은 맥락에서 플라스틱을 기판으로 하여 구부림이 가능한 액정 표시 소자를 구현하는 곳에서도 사용이 가능하다. 또한 최근 큰 관심을 불러일으키고 있는 전자종이의 구동을 들 수 있는데, 전자종이는 전류구동이 아니라 전압 구동이고, 높은 전하 이동도나 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 표시소자가 아닐 뿐 아니라 구부림이 가능한 대면적에 적용되는 기술이므로 유기 트랜지스터가 가장 제격이라 볼 수 있다. 또한 현재 반도체 공정을 통한 실리콘 기반으로 사용되고 있는 스마트 카드용 마이크로 프로세서도 유기트랜지스터를 적용할 경우 실리콘 프로세서와 플라스틱 베이스 등의 접합 등에 따른 경비를 절감할 수 있어 사용이 기대된다. 더 나아가서 입는 컴퓨터의 다양한 부분에 응용이 가능할 것으로 생각된다.
고성능의 소자를 얻기 위해서 유기 반도체는 다음과 같은 전하 주입과 전류이동성에 대한 일반적인 사항을 만족해야 한다. (ⅰ) 유기반도체 물질은 전기장이 인가되었을 때 정공과 전자의 주입이 쉽게 일어나는 분자 오비탈(HOMO/LUMO) 에너지를 가져야 한다. (ⅱ) 이웃한 분자들 사이의 효과적인 전하이동이 일어날 수 있도록 물질의 결정구조는 프론티어 오비탈(frontier orbital) 의 충분한 겹침을 가져야 한다. (ⅲ) 불순물은 전하트랩으로 작용하기 때문에 고체는 아주 순수하여야 한다. (ⅳ) 분자 내 파이-파이 스태킹(π-π stacking)의 방향을 따라서 효과적인 전하이동이 일어날 수 있도록 분자는 소자기판에 나란한 긴축을 따라서 선택적으로 배열해야 한다. (ⅴ) 유기반도체의 결정영역은 소스와 드레인 전극사이를 단결정 같은 박막 형태를 가진 필름의 형태로 덮여야 한다. 부가적으로 유기 물질의 용해도도 우수한 것이 바람직하다. 소자 제작 시 용액 공정은 저온공정이 가능하기 때문에 플라스틱 기판에도 쉽게 박막을 형성할 수 있어, 비용이 저렴한 소자의 제작이 가능하다.
일반적으로 유기반도체 물질의 제조는 용액공정을 이용하여 제조한다. 상기 용액공정은 기판상에 고분자의 유기물질을 유기 용매에 녹여서 그 용액을 기판 위에 도포하여 얇은 막을 형성한다.
그러나, 용액공정으로 얇은 막을 형성하는 경우 그 위에 층에는 다시 용액공정을 할 수 없다. 이유는 용액의 용매가 이미 용액공정으로 만들어진 층을 다시 녹이기 때문이다.
한국등록특허 제1046278호, 한국등록특허 제1401424호
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 모든 과정을 간단한 용액 공정으로 할 수 있으면서 적층 구조를 형성하여 여러 층으로 구성된 복잡한 구조의 집적 소자회로를 제조할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 트랜지스터를 제조함에 있어서 각각의 구성을 얇은 층으로 제조함으로써 투명하면서도 소자성능이 우수한 박막트랜지스터 제조기술을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 EWG는 F기, CN기, Cl기 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 커플링이 이루어진 후 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3] 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
[구조식 1]
Figure 112017057748586-pat00001
[구조식 2]
Figure 112017057748586-pat00002
[구조식 3]
Figure 112017057748586-pat00003
여기서 R은 EWG(electron withdrawing group)임
또한 본 발명에 따르면, 상기 비닐렌 구조를 포함하는 물질로는 DPP-CNTVT, NDI-CNTVT, IID-CNTVT, 29DPP-CNTVT, 29DPP-FTVT 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반응은 300 ~ 500℃로 가열함으로 반응을 일으키는 것을 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반응은 1 ~ 50Kpa의 압력을 추가로 가하는 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 박막트랜지스터에 있어서, 기판; 상기 기판 상에 위치한 게이트 전극; 상기 게이트 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상의 전면에 위치하는 유기반도체층; 및 상기 유기반도체층 상에 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극을 포함하되, 상기 유기반도체층은 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 EWG는 F기, CN기, Cl기 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 커플링이 이루어진 후 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3] 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 비닐렌 구조를 포함하는 물질로는 DPP-CNTVT, NDI-CNTVT, IID-CNTVT, 29DPP-CNTVT, 29DPP-FTVT 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반응은 300 ~ 500℃로 가열함으로 반응을 일으키는 것을 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반응은 1 ~ 50Kpa의 압력을 추가로 가하는 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 유기반도체층의 두께는 3~10nm 인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 유기절연막은 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하며, 상기 무기절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
본 발명에 따른 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질은 전자소자 제조시 용액공정으로 복수개의 층을 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질은 가교 현상을 이용하여 각각의 분자 체인간의 network가 효율적으로 형성될 수 있어서, 주사슬의 intra-chain에 의한 전하의 이동 길이가 반응 전보다 획기적으로 길어지게 되어 10 nm 이하의 두께에서도 1 cm2/Vs 이상의 유기 트랜지스터 전하이동도 소자 성능을 구현할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질을 이용하여 전자소자를 제조하는 경우 높은 전하 이동도의 성능을 유지하면서도 10 nm 이하의 얇은 두께의 박막이 가능하고, 박막 고유 물질에 의한 박막 면적당 가시광선의 흡수율이 상당히 낮아지게 되므로 투명한 유기 소자를 유지할 수 있다. 이에 따라 투명 디스플레이로 적용할 수 있는 데, 일반적인 트랜지스터는 LED (발광 소자)의 구동 소자로서 적용되어 LED의 뒷부분에 같이 결합되어 제작되어지는데, 구동 소자인 트랜지스터가 투명할 경우 LED소자의 전면부 뿐만 아니라 후면부에서도 빛의 발현이 가능하므로 어느 위치에 있더라도 LED 화면으로 표출되는 정보를 볼 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 유기반도체성 물질의 만들어지는 반응을 대략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 3의 트랜지스터에서 n채널 및 p채널의 성능을 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 트랜지스터 등의 전자소자 반도체층에 사용되는 물질로 비닐렌 구조를 포함하는 물질이며 상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합되어 서로 반응을 통해 커플링되는 것을 특징으로 한다.
비닐렌 구조를 포함하는 물질로 상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 물질을 이용하여 서로 반응을 시켜 커플링되도록 한다.
반응을 통해 커플링시키는 방법으로는 300℃ ~ 500℃의 열을 가하는 방법으로 커플링시킬 수 있다.
또한, 추가적으로 압력을 가함으로써 반응을 도울 수 있는 데, 추가되는 압력으로는 1 ~ 50KPa을 추가하여 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 비닐렌 구조를 포함하면서도 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 물질일 수 있다.
상기 EWG(electron withdrawing group)로는 F기, CN기, Cl기 등이 있는 데, 이러한 그룹의 특징으로는 전기음성도가 큰 물질로서 비닐렌기가 반응이 쉽게 일어나 커플링구조로 되도록 하는 데 도움을 준다.
비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 물질로는 DPP-CNTVT, NDI-CNTVT, IID-CNTVT, 29DPP-CNTVT, 29DPP-FTVT 등이 있으며, 구체적인 구조식은 다음과 같다.
Figure 112017057748586-pat00004
,
Figure 112017057748586-pat00005
Figure 112017057748586-pat00006
,
Figure 112017057748586-pat00007
,
Figure 112017057748586-pat00008
이러한 비닐렌구조가 포함된 물질을 반응을 시키게 되면 다음과 같이 커플링구조로 만들어지게 된다.
Figure 112017057748586-pat00009
반응을 통해 만들어진 구조는 싸이클로부탄의 커플링구조인 데 이러한 커플링구조는 매우 불안정한 상태가 된다.
불포화된 이중결합의 비닐렌 구조를 포함하는 고분자 반도체 물질은 박막상태에서 300도 이상의 열처리를 통해 원래의 구조로 존재하지 않고 인접한 두 고분자들의 비닐렌 사이에 [2+2]고리첨가반응(cycloaddition)이 일어나 사이클로부탄 구조의 새로운 형태로 존재하게 된다. 이렇게 생성된 사이클로부탄은 사각형의 중심 구조를 가지고 있고, ring strain에 의해서 탄소-탄소간 결합력이 보통의 탄소 단일결합보다 약하기 때문에 열적으로 매우 불안정한 상태가된다.에 있다.
이러한 불안정한 상태의 물질은 구핵원자 추가(nucleophile addition)에 의해 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3] 중 어느 하나로 이루어지게 된다.
[구조식 1]
Figure 112017057748586-pat00010
[구조식 2]
Figure 112017057748586-pat00011
[구조식 3]
Figure 112017057748586-pat00012
여기서 R은 EWG(electron withdrawing group)임
즉, 싸이클로부탄의 불안정한 구조를 안정화되도록 하기 위해 반응은 아래와 같은 순서로 이루어질 수 있다.
Figure 112017057748586-pat00013
이러한 사이클로부탄의 불안정한 구조(a)는 고온 환경에서 링 구조가 깨지면서 라디칼을 형성하고 이에 의한 재배열 반응(rearrangement)에 의해 구조식 1 ~ 구조식 3이 포함된 (b), (c), (d)와 같은 형태를 갖게 된다. 이들 고분자 물질들은 거미줄과 같이 복잡한 연결고리가 형성되어 기존 용매에 잘 녹지 않는 특성을 나타낸다. 따라서, 용액 공정으로 적층구조를 형성한 이후 다시 용액공정을 실시할 경우 용매에 녹지 않고 층이 그대로 유지될 수 있다. 이러한 물질을 통해 전자소자를 제조할 경우 복잡한 구조의 집적회로를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 물질은 공액성을 유지하면서 공액 길이도 증가할 뿐 아니라 열적으로도 매우 안정하기 때문에 박막트랜지스터 등의 전자소자에 성능이 크게 향상된 유기반도체성 물질로 활용될 수 있다.
또한, 용액공정을 통해 반도체층을 형성한 뒤, 이후 절차로 용액공정을 다시 실시하더라도 반도체층이 녹는 현상이 발생하지 않으므로, 용액공정으로 이후 층을 형성할 수 있다.
상기에서 설명한 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링된 유기반도체성 물질을 이용하여 전자소자인 박막트랜지스터를 제조할 수 있으며, 이하 박막트랜지스터의 제조에 대해서 설명한다.
본 명세서에서 박막트랜지스터는 TGBC(Top Gate Bottom Contact)구조에 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 BGTC(Bottom Gate Top Contact)구조 등에서도 적용될 수 있다.
도 1는 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 제조 공정도를 나타낸 것이다.
탑게이트 형태의 유기박막트랜지스터는 기판을 제공하고, 상기 기판 상에 서로 이격되게 소스/드레인 전극을 형성시킨 후, 상기 소스/드레인 전극을 덮도록 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 형성하고, 상기 유기반도체층 위에 게이트 절연막을 형성하고, 그리고 상기 게이트 절연막 상의 일부 영역에 게이트 전극을 형성하는 단계로 구성된다.
도 1을 참조하면, 기판을 제공하고, 상기 기판 상의 일부에 게이트 전극을 형성한다.
상기 기판은 n-형이나 p-형으로 도핑된 실리콘 웨이퍼, 유리기판, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드 (polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이드 (polyethyeleneterepthalate), 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylene naphthalate) 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 플라스틱 필름과 인듐틴옥사이드 (indium tin oxide) 가 코팅된 유리기판 및 플라스틱 필름을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 소스/드레인 전극은 Au, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO 또는 이들의 합금 중에서 선택되는 단일층으로 형성될 수 있으며, 기판과의 접착성을 향상시키기 위하여 Ti, Cr 또는 Ni과 같은 접착 금속층을 더욱 포함하여 다중층으로 형성될 수 있다. 또한 그라핀(graphene), 카본나노튜브(CNT), PEDOT:PSS 전도성 고분자 실버나노와이어(silver nanowire) 등을 이용하여 기존의 금속보다 탄성에 더욱 유연한 소자를 제조할 수 있으며 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 소스/드레인 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 소스/드레인 전극을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
상기 소스/드레인 전극 상부에는 유기반도체층을 형성할 수 있다.
상기 유기반도체층은 앞서 설명한 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 물질이 서로 반응을 통해 커플링된 유기반도체성 물질을 이용할 수 있다.
비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 물질이 서로 반응을 통해 커플링된 물질을 용매에 녹여 스핀코팅 또는 바코팅 등의 방법을 통해 형성될 수 있다.
유기반도체층 형성 후 반도체 결정성 및 안정성 등의 소자 성능을 향상시키기 위해 열처리나 광학적 노출(exposure) 등을 시행할 수 있다.
특히, 본 발명의 트랜지스터에서 유기반도체층은 스핀코팅, 바코팅의 방법으로 ultra-thin 구조의 유기반도체층을 형성할 수 있는 데, 두께는 3 ~ 10nm의 얇은 두께로 형성할 수 있으며, 이에 따라서 투명도도 우수하여 85~90%의 투명도를 유지할 수 있다.
본 발명의 트랜지스터는 10 nm 이하의 얇은 두께의 박막이 가능하여 박막 고유 물질에 의한 박막 면적당 가시광선의 흡수율이 상당히 낮아지게 되므로 투명한 유기 소자를 유지할 수 있어 투명 디스플레이로 적용할 수 있다.
상기 유기반도체층의 상부에는 전면에 걸쳐서 게이트 절연막을 형성할 수 있다.
상기 게이트 절연막은 유기절연막 또는 무기절연막의 단일막 또는 다층막으로 포함되거나 유-무기 하이브리드 막으로 포함된다. 상기 유기절연막으로는 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다. 상기 무기절연막으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다.
상기 게이트 절연막상 일부영역에는 게이트 전극을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극은 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 게이트 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 게이트 전극을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
이로써 박막트랜지스터를 완성할 수 있으며, 본 발명의 비닐렌구조를 포함한 유기반도체성 물질을 이용한 트랜지스터는 가교 현상을 이용하여 각각의 분자 체인간의 network가 효율적으로 형성될 수 있어서, 주사슬의 intra-chain에 의한 전하의 이동 길이가 반응 전보다 획기적으로 길어지게 되어 10 nm 이하의 두께에서도 1 cm2/Vs 이상의 유기 박막트랜지스터 전하이동도 소자 성능을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 자세히 설명한다.
실시예 1
비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링된 물질 제조
비닐렌 구조를 포함한 DPP-CNTVT를 준비하여 300℃의 온도를 가하여 서로 반응을 통해 커플링된 물질을 제조한다. 제조된 물질은 [구조식 1] ~ [구조식 3]이 포함될 수 있다.
박막트랜지스터 제조
박막트랜지스터를 제조하는 데 있어, 상기 기판 상에 서로 이격되게 소스/드레인 전극을 형성시킨 후, 상기 소스/드레인 전극을 덮도록 형성된 유기반도체층을 형성한다.
상기 유기반도체층은 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링된 물질을 이용하며, 용액공정을 통해 얇은 두께로 형성하는 데 바코팅의 방법으로 유기반도체층을 형성한다. 유기반도체층의 두께는 10nm로 제조한다.
상기 유기반도체층 위에는 게이트 절연막을 형성하는 데 PMMA를 용액공정으로 형성한다. 게이트 절연막도 바코팅의 방법으로 실시한다.
그리고 상기 게이트 절연막 상의 일부 영역에 게이트 전극(알루미늄(Al) 이용)을 형성하는 박막트랜지스터를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되,
유기반도체층 물질 제조시 압력을 4.36Kpa로 가하여 제조한 후, 트랜지스터를 완성하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일하게 실시하되,
유기반도체층 물질 제조시 압력을 7KPa을 추가로 가하여 제조한 후, 트랜지스터를 완성하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 유기반도체성 물질의 만들어지는 반응을 대략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, DPP-CNTVT를 온도를 가하여 반응을 시키게 되면, 비닐렌구조가 있는 부분에서 서로 결합하게 되어 사이클로부탄 구조를 갖게 된다.
이후 차례로 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3]을 포함하는 고분자 물질로 변경하게 되는 데, 이는 안정한 구조로 변화하게 되기 때문이다.
실시예 1 ~ 실시예 3의 소자 성능을 [표 1]로 표시하였다.

구 분
p-channel n-channel
μh,max
[㎠V-1S-1]
μh,avg
[㎠V-1S-1]
vth[V] μe,max
[㎠V-1S-1]
μe,avg
[㎠V-1S-1]
vth [V]
실시예 1 3.331×10-3 1.446×10-3 -43.9~
-55.7
1.349×10-2 7.268×10-3 37.0~43.3
실시예 2 8.524×10-2 5.846×10-2 -37.0~
-48.6
3.542×10-1 2.750×10-1 42.3~54.3
실시예 3 1.716×10-1 1.563×10-1 -48.3~
-48.9
1.287 1.267 54.1~54.6
표 1을 참조하면, 단순히 열을 가한 실시예 1 보다 압력을 가했을 때 성능이 더 향상되는 것을 볼 수 있는 데, 반도체 박막을 열처리할 때 압력을 가하게 되면 가교를 용이하게 할 수 있다. 이렇게 가교가 용이하게 되면 유기반도체 고분자간 거리가 가까워져 전자와 홀의 전달이 용이하게 된다. 이러한 가교를 통해 이동도 등의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 3은 실시예 3의 트랜지스터에서 n채널 및 p채널의 성능을 나타낸 것이다.
실시예 3에 의해 제조된 유기트랜지스터는 양친성 트랜지스터의 전형적인 전기적 특성을 보여주는 데, 가교결합후에도 트랜지스터의 동작이 원할히 이루어짐을 확인 할 수 있다.
실시예 3으로 제조된 트랜지스터는 DPP-CNTVT 반도체에 가교가 가능한 300℃의 온도를 가하여 가교가 가능하도록 하였으며 또한, 압력을 가하여 가교결합이 용이하게 일어나도록 해주었다. 이렇게 제조된 소자는 가교가 없을 때에 비해서 전자와 홀의 이동도가 100배이상 상승 됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 고분자내의 비닐렌기에 가교가 가해질 때 고분자사슬간의 거리가 가까워져서 전자와 홀의 분자간 전달이 보다 용이하게 되어서 높은 이동도를 얻을 수 있는 것으로 판단된다. 또한 가교의 다른 장점은 가교결합 후에 형성된 반도체 박막이 높은 용매 안정성을 보인다는 점이다. 가교 후에는 반도체 고분자 박막 상부에 다른 박막층을 용액공정으로 형성할 경우 모든 용매에 대한 내화학성을 보여주어 소자 안정성과 공정성이 향상됨을 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링되고,
    커플링이 이루어진 후 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3] 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
    [구조식 1]
    Figure 112019038882508-pat00023

    [구조식 2]
    Figure 112019038882508-pat00024

    [구조식 3]
    Figure 112019038882508-pat00025

    여기서 R은 EWG(electron withdrawing group)임
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 EWG는 F기, CN기, Cl기 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비닐렌 구조를 포함하는 물질로는 DPP-CNTVT, NDI-CNTVT, IID-CNTVT, 29DPP-CNTVT, 29DPP-FTVT 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응은 300 ~ 500℃로 가열함으로 반응을 일으키는 것을 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응은 1 ~ 50Kpa의 압력을 추가로 가하는 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 유기반도체성 물질.
  8. 박막트랜지스터에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 위치한 게이트 전극;
    상기 게이트 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 상의 전면에 위치하는 유기반도체층; 및
    상기 유기반도체층 상에 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극을 포함하되,
    상기 유기반도체층은 비닐렌 구조를 포함하는 물질로 서로 반응을 통해 커플링되고,
    커플링이 이루어진 후 [구조식 1], [구조식 2], [구조식 3] 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
    [구조식 1]
    Figure 112019038882508-pat00026

    [구조식 2]
    Figure 112019038882508-pat00027

    [구조식 3]
    Figure 112019038882508-pat00028

    여기서 R은 EWG(electron withdrawing group)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비닐렌 구조에 EWG(electron withdrawing group)이 결합된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 EWG는 F기, CN기, Cl기 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 비닐렌 구조를 포함하는 물질로는 DPP-CNTVT, NDI-CNTVT, IID-CNTVT, 29DPP-CNTVT, 29DPP-FTVT 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 반응은 300 ~ 500℃로 가열함으로 반응을 일으키는 것을 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 반응은 1 ~ 50Kpa의 압력을 추가로 가하는 것을 특징으로 하는 비닐렌 구조를 포함하는 박막트랜지스터.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 유기반도체층의 두께는 3~10nm 인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 유기절연막 또는 무기절연막으로 이루어지되,
    상기 유기절연막은 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하며,
    상기 무기절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
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