KR20060027102A - 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물 및 이를이용한 유기박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물 및 이를 이용한 유기박막 트랜지스터를 개시한다. 본 발명에 따른 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물은 폴리비닐 알코올과 광반응성 화합물을 포함하며, 유기박막 트랜지스터는 상기 조성물로부터 형성된 광반응성 유기고분자 게이트 절연막을 구비한다.
본 발명에 따른 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물은 저온에서 막을 형성시킬 수 있고, 또한 형성된 막은 리소그라피 공정으로 미세 패턴화되기 때문에 선 공정막에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 조성물을 게이트 절연막으로 적용할 경우 전기적 특성을 개선시키면서 선 공정막의 선택성을 높일 수 있기 때문에 유기박막 트랜지스터의 구조를 다양화할 수 있다.
폴리비닐 알코올, 리소그라피, 유기박막 트랜지스터
Description
도 1은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 유기박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 패턴화된 광반응성 유기고분자 게이트 절연막의 이미지이다.
도 3은 광반응성 화합물의 첨가 유무에 따른 폴리비닐 알코올의 누설전류밀도-전압 변화 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 유기박막 트랜지스터를 사용하여 측정된 전류전달특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판
2: 게이트 전극
3: 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막
4: 유기 활성막
5: 소스-드레인 전극
본 발명은 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물 및 이를 이용한 유기박막 트랜지스터에 관한 것이고, 보다 상세하게는 유기고분자 게이트 절연막 소재로서 폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 혼합시켜 패터닝 특성을 부여하면서 전기적 특성을 향상시킨 유기고분자 게이트 절연막 조성물 및 이를 이용한 유기박막 트랜지스트에 관한 것이다.
디스플레이에 이용되는 박막 트랜지스터 (thin-film transistor)는 일반적으로 반도체로서 비정질 실리콘 (amorphous silicon) 또는 다결정 실리콘 (poly silicon)을 이용하고, 게이트 절연체로서 실리콘 산화막을 사용하고 있으나 문턱전압을 낮추기 위해 BaxSr1-x TiO3 BST(barium strontium titanate), Ta
2O5, Y2O3, TiO2와 강유전성의 절연체 계열과 PbZrxTi1-xO3 (PZT), Bi4Ti
3O12, BaMgF4, SrBi2(Ta1-xNbx)2O9, Ba(Zr1-xTix)O3 (BZT), BaTiO3, SrTiO3, Bi4Ti3O12등과 같은 유전율이 비교적 큰 무기물 유전체 등이 사용되고 있다.(미국 특허 제5,946,551호, 대한민국 특허공개 제2002-0084427호, 대한민국 특허공개 제2002-0034873호).
최근의 기술개발은 박막 트랜지스터의 반도체 영역의 실리콘 대신 저비용 및 저온 소재로서 헥사티오펜 (hexathiophene) (미국 특허 제6,166,172호), 그 유도체 (미국 특허 제5,347,144호), 펜타센 (대한민국 특허공개 제2002-0084427호, 미국 특허 제5,946,551호)을 활성층 (active layer)으로 사용하는 유기박막 트랜지스터 (organic thin-film transistor)에 관한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.
유기박막 트랜지스터는 디스플레이의 구동기 및 현금 거래기, 인식표 등의 메모리 소자 등의 플라스틱 회로부의 중요한 구성요소로 검토되고 있다. 또한 유기박막 트랜지스터는 플라스틱 기판을 이용한 연속공정(roll-to-roll process)이 가능할 뿐 아니라 대면적화 되어가는 평판 디스플레이 기판에도 적용이 용이하다. 유기박막 트랜지스터는 여러 개의 연관된 특성을 가지고 있으며, 유기박막 트랜지스터의 효율은 유기활성막의 결정화도, 유기절연막과 유기활성막 계면의 전하특성, 유기절연막의 박막 특성, 소스/드레인 전극과 유기활성막 계면의 캐리어 주입 능력 등에 영향을 받는다. 이러한 특성을 개선하기 위해서 다양한 방법이 시도되고 있다.
유기박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로 사용되기 위해서는 전기전도율 (electrical conductivity)이 낮고 내전율 (breakdown field) 특성이 높은 소재가 요구된다. 현재 유기박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로서 실리콘 산화막을 사용하고 있으나 무기 절연막의 경우 막 형성 온도가 고온이어서 유기박막 트랜지스터에 적용될 경우 사용된 기판 (특히 플라스틱 기판) 및 앞선 공정에서 기판상에 형성된 다른 막질 (이하 선(先) 공정막)의 물리적/화학적 성질에 영향을 미쳐 트랜지스터의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 저온 공정이 가능해서 선 공정막에 영향을 최소화 할 수 있는 새로운 유기 게이트 절연막에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있다.
현재 사용되고 있는 유기 절연막으로는 폴리이미드 (대한민국 특허공개 제2003-0016981호), 폴리비닐알코올 (대한민국 특허공개 제2002-0084427호), 폴리(비닐페놀-말레이이미드) (대한민국 특허공개 제2004-0028010호), 포토아크릴 등이 있으나, 기존의 무기 절연막을 대체할 정도의 소자특성을 나타내지는 못하였다. 따라서 고효율의 유기박막 트랜지스터를 구현하기 위해서는 유기 활성막 소재 개발뿐 아니라 기판 및 선 공정막에 영향을 미치지 않으면서 단순화된 공정으로 박막 형성이 가능한 소자특성이 우수한 유기 게이트 절연막의 개발이 절실하다.
이에 본 발명자들은 유기박막 트랜지스터를 고효율로 구현하기 위한 유기 고분자 게이트 절연막에 대한 연구를 진행하면서 게이트 절연막 소재로서 폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 부가하는 경우 전기적 특성을 개선시킬 뿐만 아니라 막 형성 공정이 단순화되고 저온 형성이 가능해져 기판 및 선 공정막에 영향을 최소할 수 있고, 따라서 선 공정막의 선택성을 높일 수 있고, 더 나아가 유기박막 트랜지스터의 구조를 다양화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 패터닝 특성을 부여하면서 전기적 특성을 향상시킨 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 패터닝 특성을 부여하면서 전기적 특성을 향상시킨 광반응성 유기고분자 게이트 절연막을 포함하는 유기박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 폴리비닐 알코올 중량대비 0.1% 이상을 포함하여 된 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물을 제공한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판, 게이트 전극, 폴리비닐 알코올과 광반응성 화합물로 형성된 광반응성 유기고분자 게이트 절연막, 유기활성막 및 소스-드레인 전극을 포함하는 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 하나의 측면에 따르면, 본 발명은 하기 화학식 Ⅰ로 표시되는 폴리비닐 알코올(poly(vinyl) alcohol)에 광반응성 화합물을 포함시켜 이루어진 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물에 관한 것이다:
상기 식에서, n은 200 이상이다.
상기 폴리비닐 알코올의 중합도는 한정되는 것은 아니며, 사용 목적 및 용도에 따른 결정될 수 있으며, 적어도 n은 200이상이다.
또한, 폴리비닐 알코올은 코팅 특성이 우수한 용매중에 1% 이상 농도로 용해시켜 사용한다. 코팅 특성이 우수한 용매로는 이 분야에 일반적으로 사용되는 용매가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 DMSO이다. 폴리비닐 알코올의 용매중 농도는 0.1% 이상 되어야 코팅 특성 및 박막 두께 확보가 가능하다.
본 발명에 따른 광반응성 유기고분자 게이트 절연막 조성물중 광반응성 화합물의 사용은 패터닝 특성을 부여하면서 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 특성을 갖는 광반응성 화합물은 사용되는 광반응성 화합물의 종류에 따라 약간씩 차이가 있지만, 바람직하게는 폴리비닐 알코올 중량대비 0.1% 이상을 포함되는 것이다. 광반응성 화합물은 0.1% 이상 첨가되어야 광반응이 진행될 수 있으며, 조성물의 사용 목적, 용도, 구성분의 종류 및 양 및 등등에 따라 적절한 양이 결정될 수 있다.
상기 사용되는 광반응성 화합물은 가시광선 파장의 광에 의해서 활성화되는 물질로써 다음과 같은 물질중에서 선택되는 것이 바람직하다:
2,6-비스(4-아지도벤질리덴(azidobenzylidene))시클로헥사논;
2-6-비스(4-아지도벤질리덴)-4-메틸시클로헥사논;
4,4-디아지도스틸벤(diazidostilbene)-2,2'-디술폰산디소디움 염;
암모니움 디클로메이트;
1-히드록시-시클로헥실-펜틸-키톤(이라카큐어(Irgacure) 907);
2-메틸-1[4-(메틸티오)페닐]-2-몰포리노프로판-1-원(이라카큐어 184C);
2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원(다로큐어(Darocur) 1173),
이라가큐어 184C 50 wt%와 벤조페논 50 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 500);
이라가큐어 184C 20 wt%와 다로큐어 1173 80 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 1000);
2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로파논 (이라카큐어 2959);
메틸벤조일포메이트(다로큐어 MBF);
알파, 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논 (이라카큐어 651);
2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(4-몰포리닐) 페닐]-1-부타논 (이라카큐어 369);
이라가큐어 369 30 wt%와 이라가큐어 651 70 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 1300);
디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드 (다로큐어 TPO);
다로큐어 TPO 50 wt%와 다로큐어 1173 50 wt%의 혼합 개시제 (다로큐어 4265);
포스핀 옥사이드;
페닐 비스(2,4,6,-트리메틸 벤조일) (이라카큐어 819);
이라가큐어 819 5 wt%와 다로큐어 1173 95 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2005);
이라가큐어 819 10 wt%와 다로큐어 1173 90 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2010);
이라가큐어 819 20 wt%와 다로큐어 1173 80 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2020);
비스 (에타5-2,4,-시클로펜타디엔-1-일) 비스[2,6-디플루오르-3-(1H-피롤-1- 일)페닐] 티타늄 (이라카큐어 784);
벤조페논이 함유된 혼합 개시제(HSP 188); 및
이들의 유도체.
폴리비닐 알코올과 광반응성 화합물을 포함하는 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물로부터 형성된 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막은 유기박막 트랜지스터에 사용될 수 있다.
유기박막 트랜지스터는 도 1에 나타난 바와 같이 기판(1), 게이트 전극(2), 게이트 절연막(3), 유기 활성막(4) 및 소스-드레인 전극(5)로 차례로 적층되어 있거나 또는 기판(1), 게이트 전극(2), 게이트 절연막(3), 소스-드레인 전극(5) 또는 유기 활성막(4)이 차례로 적층되어 있는 구조이며, 이에 한정하지 않고 다른 구조로도 적용하는 것이 가능하다.
상기 도면에서 각각의 부분들은 인식이 용이하도록 표시하였으며, 실제의 막 두께와는 차이가 있다.
상기에서 기판(1)으로는 이 분야에서 일반적으로 사용되고 있는 것들이 사용되며, 예를 들면, 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱 등이 사용될 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 게이트 전극(2)은 상기 기판(1)위에 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법, 예를 들면 E-빔 법 등을 통해 새도우 마스크를 이용하여 형성되며, 상기 게이트 전극(2)으로는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 금속이 사용될 수 있으며, 구체적인 예로는 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐틴 산화물(indium-tin- oxide, ITO), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 티탄나이트라이드(TiN), 크롬(Cr)이 포함될 수 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다.
상기 게이트 절연막(3)은 상기 게이트 전극(2) 위에 형성되며, 게이트 절연막(3)으로는 폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 혼합시킨 조성물로부터 형성된 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막이 사용된다.
이때 광반응성 화합물은 폴리비닐 알코올의 중량대비 0.1% 이상 포함되며, 광반응성 화합물의 포함에 따라 패터닝 특성을 부여하면서 전기적 특성이 향상된 고분자 게이트 절연막을 형성할 수 있다. 또한 광반응성 화합물로는 상기에 예시된 것이 사용될 수 있다.
상기 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막은 게이트 전극 위에 습식공정을 통해 형성되며, 구체적으로 게이트 절연막 조성물을 스핀코팅, 딥핑 또는 프린팅을 통하여 도포하고, 이어서 베이킹하여 절연막을 형성한다. 또한, 상기 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막은 리소그라피 공정을 이용하여 패턴화한다. 리소그라피에 의해 패턴화된 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막의 이미지를 도 2에 나타내었다.
유기 활성막(4)은 상기 게이트 절연막(3) 위에 형성되며, 유기 활성막(4)을 구성하는 물질로는 펜타센 (pentacene), DH6T (디헥실-헥시티오펜), P3HT (폴리(3-헥시티오펜) 레지오레귤러), F8T2 (폴리-9,9-디옥틸플루오렌-코-비티오펜), DHADT (디헥실안트라-디티오펜)등의 통상적인 물질 또는 이들의 유도체가 사용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 유기 활성막(4)은 이 분야에서 일반적으로 알려진 조건하에서 상기 물질들을 증착하는 것과 같은 방법을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 소스-드레인 전극(5)은 금(Au), 인듐-틴-옥사이드(ITO), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 등의 통상적인 금속이 사용될 수 있으나 이에 한정된 것은 아니다.
상기 소스-드레인 전극(5)는 유기 활성막(4) 위에 이 분야에서 일반적으로 알려진 방법을 통해 형성되며, 바람직하게는 새도우 마스크를 이용한 E-빔 법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 기판(1), 게이트 전극(2), 게이트 절연막(3), 유기 활성막(4) 및 소스-드레인 전극(5)의 각각의 두께는 이 분야에서 사용되는 일반적인 두께로 형성될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 실시예로 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물의 제조
폴리비닐 알코올을 DMSO(디메틸 술폭사이드)에 6.2중량%로 녹인 후, 4,4'-디아지도스틸벤-2,2'-디술폰산 디소듐 염을 폴리비닐 알코올 중량대비 3중량%로 첨가하여 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물을 제조하였다.
유기박막 트랜지스터의 제조
먼저 플라스틱 기판 (폴리(에테르 설폰))에 E-빔(beam) 법으로 Ti(50Å)/Au(500Å)의 게이트 전극을 새도우 마스크를 이용해 형성하였다.
이어서 상기에서 제조한 광반응성 절연막 조성물을 게이트 전극 위에 스핀코팅 3000 rpm에서 3700 Å 두께로 코팅한 후 150 ℃에서 10분 동안 베이킹 하였다. 이렇게 얻어진 박막에 리소그라피 (lithography) 공정을 이용하여 미세 패턴의 고분자 게이트 절연막을 형성하였다. 다음으로 펜타센을 저 진공도(< 1.0ⅹ10-6 torr), 기판 온도 70 ℃, 증착비 1Å/sec의 조건으로 1000 Å두께로 증착시켜 펜타센 활성막을 형성하였다. 펜타센 활성막위에 소스-드레인 전극으로 체널폭 2 mm, 채널길이 100 ㎛의 금(Au)을 새도우 마스크를 이용해 E-빔 법으로 500 Å 형성하였다.
시험예
누설 전류 밀도 특성 측정
폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 첨가한 조성물로 제작된 게이트 절연막의 전기적 특성을 알아보기 위하여, 누설 전류 밀도(J-V)를 측정하였다.
측정대상 샘플로는 실시에 1에서 제작된 게이트 절연막 조성물로부터 제조된 박막을 사용하였고, 비교를 위하여 폴리비닐 알코올로만 형성된 박막을 사용하였다. 이 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 광반응성 화합물이 첨가되지 않은 폴리비닐 알코올 박막의 경우, 전압 인가 초기부터 많은 누설전류가 흐르는 것에 비하 여 광반응성 화합물을 첨가한 광반응성 폴리비닐 알코올(실시예 1)의 경우, 누설전류 밀도가 1/100 이상 크게 개선되었음을 알 수 있다. 게다가 광반응성 화합물의 첨가에 따라 유전 손실이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 그러나, 소인 전압의 크기에 따른 용량 값(capacitance)이 크게 변화하거나, 전압의 소인방향에 따라 용량의 이력 곡선이 변화하는 등의 광반응성 화합물의 첨가 유무에 따른 변화는 관찰되지 않았다.
전류 전달 특성 측정
실시예 1에서 제작된 유기박막 트랜지스터의 전류 전달 곡선을 HP사 반도체 변수 분석기(semiconductor parameter analyzer 4145A)로 측정하여 도4에서 나타내었다.
본 발명에 따른 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물은 저온에서 막을 형성시키며, 형성된 막은 리소그라피 공정으로 미세 패턴화되기 때문에 선 공정막에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 조성물을 게이트 절연막으로 적용할 경우 전기적 특성을 개선시키면서 선 공정막의 선택성을 높일 수 있기 때문에 유기박막 트랜지스터의 구조를 다양화할 수 있다.
Claims (6)
- 하기 화학식 (Ⅰ)로 표시되는 폴리비닐 알코올에 광반응성 화합물을 폴리비닐 알코올 중량대비 0.1% 이상 포함하여 된 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물.(I)
상기 식에서, n은 200이상이다. - 제 1항에 있어서, 광반응성 화합물로서는 다음과 같은 물질중에서 선택되는 것인 광반응성 유기 고분자 게이트 절연막 조성물:2,6-비스(4-아지도벤질리덴(azidobenzylidene))시클로헥사논;2-6-비스(4-아지도벤질리덴)-4-메틸시클로헥사논;4,4-디아지도스틸벤(diazidostilbene)-2,2'-디술폰산디소디움 염;암모니움 디클로메이트;1-히드록시-시클로헥실-펜틸-키톤(이라카큐어(Irgacure) 907);2-메틸-1[4-(메틸티오)페닐]-2-몰포리노프로판-1-원(이라카큐어 184C);2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-원(다로큐어(Darocur) 1173);이라가큐어 184C 50 wt%와 벤조페논 50 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 500);이라가큐어 184C 20 wt%와 다로큐어 1173 80 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 1000);2-히드록시-1-[4-(2-히드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로파논 (이라카큐어 2959);메틸벤조일포메이트(다로큐어 MBF);알파, 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논 (이라카큐어 651);2-벤질-2-(디메틸아미노)-1-[4-(4-몰포리닐) 페닐]-1-부타논 (이라카큐어 369);이라가큐어 369 30 wt%와 이라가큐어 651 70 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 1300);디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드 (다로큐어 TPO);다로큐어 TPO 50 wt%와 다로큐어 1173 50 wt%의 혼합 개시제 (다로큐어 4265);포스핀 옥사이드;페닐 비스(2,4,6,-트리메틸 벤조일) (이라카큐어 819);이라가큐어 819 5 wt%와 다로큐어 1173 95 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2005);이라가큐어 819 10 wt%와 다로큐어 1173 90 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2010);이라가큐어 819 20 wt%와 다로큐어 1173 80 wt%의 혼합 개시제 (이라카큐어 2020);비스 (에타5-2,4,-시클로펜타디엔-1-일) 비스[2,6-디플루오르-3-(1H-피롤-1-일)페닐] 티타늄 (이라카큐어 784);벤조페논이 함유된 혼합 개시제(HSP 188); 및이들의 유도체.
- 기판;게이트 전극;제 1항 또는 제 2항에 따른 조성물로 형성된 광반응성 고분자 게이트 절연막;유기활성막; 및소스-드레인 전극을 포함하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 3항에 있어서, 상기 유기박막 트랜지스터의 구조는 기판위에 게이트 전극, 게이트 절연막, 유기활성막 및 소스-드레인 전극이 차례로 적층되어 있는 구조인 유기박막 트랜지스터.
- 제 3항에 있어서, 상기 유기박막 트랜지스터의 구조는 기판 위에 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스-드레인 전극 및 유기활성막이 차례로 적층되어 있는 구조 인 유기박막 트랜지스터.
- 제 3항에 있어서, 상기 게이트 절연막은 리소그라피 공정에 의하여 패턴화되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
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