KR20060049490A - 유기절연막 조성물 및 이를 이용한 유기절연막의 패턴형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기절연막 조성물, 이를 이용한 유기절연막의 패턴형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (ⅰ) 작용기를 갖는 단량체, (ⅱ) 빛에 의해 산 또는 라디칼을 발생시키는 개시제, 및 (ⅲ) 유기 또는 무기고분자를 포함하는 광-패턴형성 가능한(photo-patternable) 유기절연막 조성물 및 이를 이용한 유기절연막의 패턴형성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 유기절연막을 포토레지스트 공정에 의하지 않고 간단하게 패턴형성할 수 있기 때문에, 제조공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 전하이동도가 높은 유기박막 트랜지스터를 완전 습식공정(all wet-processible)에 의해 제조할 수 있다.
유기박막 트랜지스터, 유기 절연막 조성물, 패턴형성
Description
도 1은 종래기술에 의한 구동회로 연결을 위한 전극 상의 유기절연막 패턴형성 단계를 설명하는 공정 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 구동회로 연결을 위한 전극 상의 유기절연막 패턴형성 단계를 설명하는 공정 개략도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 수득된 유기박막 트랜지스터 단위소자의 단면 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 수득된 유기절연막 패턴의 전자 현미경 사진이며, 및
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 의해 제조된 유기박막 트랜지스터의 전류전달특성을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 기판 2: 유기절연막 3: 유기반도체층
4: 게이트 전극 5: 소스 전극 6: 드레인 전극
본 발명은 유기절연막 조성물, 이를 이용한 유기절연막의 패턴형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (ⅰ) 작용기를 갖는 단량체, (ⅱ) 빛에 의해 산 또는 라디칼을 발생시키는 개시제, 및 (ⅲ) 유기 또는 무기고분자를 포함하는 광-패턴형성 가능한(photo-patternable) 유기절연막 조성물 및 이를 이용한 유기절연막의 패턴형성방법에 관한 것이다.
유기반도체는 반도체 특성을 나타내는 공액성 유기 고분자인 폴리아세틸렌이 개발된 후, 유기물의 특성 즉 합성방법의 다양함, 섬유나 필름 형태로의 성형이 용이함, 유연성, 전도성, 저렴한 생산비로 인해 새로운 전기전자 재료로서 기능성 전자소자 및 광소자 등 광범위한 분야에서 활발한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 전도성 고분자를 이용한 소자 중에서, 유기물을 활성층으로 사용하는 유기박막 트랜지스터에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으며, 근래에는 전세계에서 많은 연구가 진행 중에 있다. 상기 유기박막 트랜지스터는 Si 박막 트랜지스터와 구조적으로 거의 같은 형태로서 반도체 영역에 Si 대신에 유기물을 사용한다는 차이점이 있다. 이러한 유기박막 트랜지스터는 기존의 실리콘 공정인 플라즈마를 이용한 화학증착(CVD)이 아닌 상압의 프린팅 공정이 가능하고, 더 나아가서는 플라스틱 기판을 이용한 연속공정(Roll to Roll)이 가능하여 저가의 트랜지스터를 구현할 수 있는 큰 장점이 있다.
현재 유기박막 트랜지스터는 능동형 디스플레이의 구동소자, 스마트 카드(smart card)와 인벤토리 택(inventory tag)용 플라스틱 칩에 그 활용도가 예상되고 있으며, α-Si 박막 트랜지스터의 성능에 접근하고 있다. 또한, 상기 유기박막 트랜지스터의 성능은 유기 활성층의 결정도, 기판과 유기 활성층 계면의 전하 특성, 소스/드레인 전극과 유기 활성층 계면의 캐리어 주입능력 등에 좌우된다.
오늘날 이러한 특성을 개선하기 위하여 여러 가지 방법이 시도되고 있다. 특히, 문턱전압을 줄이기 위하여 유전율이 큰 유전체, 예를 들어 BaxSr1-xTiO3 (BST: Barium Strontium Titanate)를 대표로 하여, Ta2O5, Y2O3, TiO2 등의 강유전성의 절연체 계열과 PbZrxTi1-xO3(PZT), Bi4Ti3O12, BaMgF4, SrBi2(Ta1-xNbx)2O9, Ba(Zr1-xTix)O3 (BZT), BaTiO3, SrTiO3, Bi4Ti3O12 등의 무기 절연막을 사용하고 있다(미국특허 제5,946,551호 참조). 그러나, 이러한 무기산화 재료의 경우 기존 실리콘과 비교시 공정의 장점이 없다.
유기절연막으로는 폴리이미드, BCB(benzocyclobutene), 포토아크릴(Photoacryl) 등이 사용되고 있으나 무기절연막을 대체할 정도의 소자 특성은 나타내지 못하고 있는 실정이다(미국특허 제6,232,157호 참조).
아울러, Infineon Technology에서 폴리비닐페놀(PVP)에 폴리멜라민-co-포름알데하이드를 혼합하여 후속공정에서 내화학성을 향상시키려는 시도가 있었으나, PVP를 가교하기 위해서는 200℃의 고온에서 가열하여야 하므로, 플라스틱 기판에 적용하기 부적절하다고 할 수 있다(Journal of Applied Physics 2003, 93, 2977 & Journal of Applied Physics 2002, 81, 289 참조).
한편, 유기박막 트랜지스터를 표시소자에 이용하기 위해서는 전극 간 연결을 위해 유기절연막의 패턴형성이 필요하다. 이와 관련하여, 종래에는 유기절연막의 패턴형성을 위해 포토리소그라피 공정을 이용하였기 때문에 유기절연막이 다음과 같은 부가적인 요건을 만족해야 했다. 즉, 유기절연막이 포토레지스트와 상용성(compatibility)이 있어야 할 뿐만 아니라, 포토리소그라피 공정시 가해지는 열 및 에칭에 의한 영향을 받지 않기 위해, 포토레지스트보다 높은 내성(thermal resistance and etch resistance)을 가져야 하며, 마찬가지로 포토레지스트 스트립퍼(stripper)에 노출될 경우 영향을 받지 않기 위해 스트립퍼에 대한 내성(chemical resistance)을 가져야 한다.
따라서, 유기절연막 조성물을 선택할 경우, 반드시 상기와 같은 조건을 고려해야 하기 때문에, 유기절연막 조성물의 선택대상이 제한되었고, 그에 따라 부적당한 유기절연막에 따른 전기적 특성의 저하를 초래하며, 완전 습식 공정이 가능한(all wet-processible) 유기박막 트랜지스터의 제조가 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서, 당해 기술분야에서는 포토레지스트에 의하지 않고, 보다 간단한 공정으로 유기절연막을 패턴형성할 수 있는 방법이 요구되어 왔다.
이와 관련하여, J.Vac.Sci.Technol.B,Vol.14,No.6,Nov/Dec 1996는 기판위에 코팅된 레지스트를 몰딩에 의해 임프린팅한 후, 디몰딩하고, 잔류 레지스트를 에칭에 의해 제거함으로써 패턴을 전사하는 방법을 개시하고 있으나, 유기박막 트랜지스터에는 적용하지 못한 한계점이 있었다.
또한, Microelectronic Engineering 67-68(2003)845-852는 Si 기판에 SiO2 절연막을 코팅하고, 금속 전극을 증착한 후, PMMA(polymethylmethacrylate) 레지스트를 코팅하고, 몰딩한 후, 에칭함으로써 소스 드레인 전극을 패턴형성한 예를 개시하고 있으나, 유기박막 트랜지스터의 유기절연막이 아닌 소스/드레인 전극을 패턴형성한 것에 한정되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후속 공정에서 사용되는 유기 용매에 내화학성을 가질 뿐만 아니라, 유기절연막을 포토레지스트 공정에 의하지 않고 간단하게 패턴형성하여 제조공정을 단순화함으로써 궁극적으로 전하이동도가 높은 유기박막 트랜지스터를 완전 습식 공정에 의해 제조할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 하나의 측면은
(ⅰ) 하기 화학식 1로 표시되는 군에서 1종 이상 선택되는 에폭시드기를 포함하는 화합물, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 군에서 1종 이상 선택되는 라디칼 중합가능한 화합물을 포함하는 작용기를 갖는 단량체(functional group containing monomer),
(ⅱ) 빛에 의해 산 또는 라디칼을 발생시키는 개시제, 및
(iii) 유기 또는 무기고분자를 포함하는 유기절연막 조성물에 관한 것이다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기식에서,
R은 수소 또는 메틸이다.
본 발명의 다른 측면은 기판 위에 전극을 형성하고, 그 위에 본 발명의 유기절연막 조성물을 코팅하여 노광 및 현상함으로써 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기절연막 패턴형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 패턴형성된 유기절연막을 포함하는 유기박막 트랜지스터에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 유기절연막 조성물에 사용되는 작용기를 갖는 단량체 (functional group containing monomer)는 하기 화학식 1로 표시되는 군에서 1종 이상 선택되는 에폭시드기를 포함하는 화합물, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 군에서 하나 이상 선택되는 라디칼 중합가능한 화합물이다:
상기식에서,
R은 수소 또는 메틸이다.
본 발명에서 상기 화학식 1로 표시되는 에폭시드기를 포함하는 화합물은 구체적으로, 에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(ethylene glycol diglycidyl ether), 1,4-부탄디올 디글리시딜 에테르(1,4-butanediol diglycidyl ehter), 1,4-사이클로헥산디메탄올 디글리시딜 에테르(1,4-cyclohexanedimethanol diglycidyl ether), 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(bisphenol A diglycidyl ether), 글리세롤 디글리시딜 에테르(glycerol diglycidyl ether), 글리세롤 프로폭실레이트 트리글리시딜 에테르(glycerol propoxylate triglycidyl ether), 트리페닐올메탄 트리글리시딜 에테르(triphenylolmethane triglycidyl ether), 4-비닐사이클로헥산 디옥사이드(4-vinylcylcohexane dioxide), 디사이클로펜타디엔 디에폭사이드(dicyclopentadiene diepoxide), 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether), 1,3-비스(3-글리시독시프로필) 테트라메틸디실록산(1,3-bis(3-glycidoxypropyl) tetramethyldisiloxane), 1,2-사이클로헥산디카르복실산 디글리시딜 에스테르(1,2-cyclohexanedicarboxylic acid diglycidyl ester), 1,4-비스(글리시딜옥시)벤젠(1,4-bis(glycidyloxy)benzene), 트리메틸올프로판 트리글리시딜 에테르(trimethylolpropane triglycidyl ether), 3,7,14-트리스[[3-(에폭시프로폭시)프로필]디메틸실릴옥시]-1,3,5,7,9,11,14-헵타사이클로펜틸트리사이클로[7,3,3,15,11]헵타실록산(3,7,14-tris[[3-(epoxypropoxy)propyl]dimethylsilyloxy]-1,3,5,7,9,11,14-heptacyclopentyltricyclo[7,3,3,15,11]heptasiloxane), N,N-디글리시딜아닐린( N,N-diglycidylaniline), 9,9-비스[4-(글리시딜옥시)페닐]플루오렌 (9,9-bis[4-(glycidyloxy)phenyl]fluorene), 트리글리시딜 이소시아누레이트(triglycidyl isocyanurate), 비스[4-(2,3-에폭시-프로필티오)페닐]설파이드(bis[4-(2,3-epoxy-propylthio)phenyl]sulfide), 레조르시놀 디글리시딜 에테르(resorcinol diglycidyl ether), 2,6-디(옥시란-2-일메틸)-1,2,3,5,6,7-헥사히드록시피롤로[3,4,F]이소인돌-1,3,5,7-테트라온(2,6-di(oxiran-2-ylmethyl)-1,2,3,5,6,7-hexahydropyrrolo[3,4,F] isoindole-1,3,5,7-tetraone), 산톨잉크 XI-100(santolink XI-100), 1,2,7,8-디에폭시옥탄(1,2,7,8-diepoxyoctane), 1-메틸-4-(1-메틸에폭시에틸)-7-옥사바이사이클로[4,1,0]헵탄(1-methyl-4-(1-methylepoxyethyl)-7-oxabicyclo[4,1,0] heptane), 3,4-에폭시사이클로헥실메틸-3,4-에폭시사이클로헥실카르복실레이트(3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate), 글리시딜 아크릴레이트(glycidyl acrylate), 글리시딜 메타크릴레이트(glycidyl methacrylate), 4,4'-메틸렌비스(N,N-디글리시딜아닐린)(4,4'-methylenebis(N,N-diglycidylaniline)), 비스(3,4-에폭시사이클로헥실메틸)아디페이트(bis(3,4-epoxycyclohexylmethyl)adipate), 1,2-에폭시-4-비닐사이클로헥산(1,2-epoxy-4-vinylcyclohexane), 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란(2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane)을 예로 들 수 있다.
또한, 본 발명에서 화학식 2로 표시되는 라디칼 중합이 가능한 화합물은 구체적으로 메틸 (메타)아크릴레이트(methyl (meth)acrylate), 알릴 (메타)아크릴레이트(allyl (meth)acrylate), (메타)아크릴산((meth)acrylic acid), 2-히드록시에틸 (메타)아크릴레이트(2-hydroxyethyl (meth)acrylate), 글리시딜 아크릴레이트 (glycidyl acrylate), 비스페놀 A 디메타크릴레이트(bisphenol A dimethacrylate), 2-(디메틸아미노)에틸 (메타)아크릴레이트(2-(dimethylamino)ethyl (meth)acrylate), 에티렌 글리콜 디(메타)아크릴레이트(ethylene glycol di(meth)acrylate), 트리메틸올프로판 트리(메타)아크릴레이트(trimethylolpropane tri(meth)acrylate), n-부틸 (메타)아크릴레이트(n-butyl (meth)acrylate), 스테아릴 (메타)아크릴레이트(stearyl (meth)acrylate), 1,6-헥산디올 디(메타)아크릴레이트(1,6-hexanediol di(meth)acrylate), 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(pentaerythritol triacrylate), 2,2,2-트리플루오로에틸 (메타)아크릴레이트(2,2,2-trifluoroethyl (meth)acrylate), 2-시아노에틸 아크릴레이트(2-cyanoethyl acrylate), 디에틸렌 글리콜 디(메타)아크릴레이트(diethylene glycol di(meth)acrylate), 2-브로모에틸 아크릴레이트(2-bromoethyl acrylate), D, L-멘틸 (메타)아크릴레이트(D,L-menthyl (meth)acrylate), 1H,1H-퍼플루오로옥틸 (메타)아크릴레이트(1H,1H-perfluorooctyl (meth)acrylate), 1,1,1,3,3,3-헥사플로오로이소프로필 (메타)아크릴레이트(1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl (meth)acrylate), 1,4-사이클로헥산디메틸 1,4-디(메타)아크릴레이트(1,4-cyclohexanedimethyl 1,4-di(meth)acrylate), 바륨 메타크릴레이트(barium methacrylate), 아연 메타크릴레이트(zinc methacrylate), 메탈일 메타크릴레이트(methallyl methacrylate), 신나밀 (메타)아크릴레이트(cinnamyl (meth)acrylate), 아크릴옥시 트리-N-부틸틴(acryloxy tri-N-butyltin), 메타크릴옥시프로필메틸 디클로로실란(methacryloxypropylmethyl dichlorosilane), 트리메틸실릴 (메타)아크 릴레이트(trimethylsilyl (meth)acrylate), 2-(메타크릴옥실)에틸 아세토아세테이트(2-(methacryloxyl)ethyl acetoacetate), 1,3-비스(3-메타크릴옥시프로필)테트라메틸디실록산(1,3-bis(3-methacryloxypropyl)tetramethyldisiloxane), 3-메타크릴프로필트리스(비닐디메틸실옥시)실란(3-methacrylpropyltris(vinyldimethylsiloxy)silane), 비닐 아크릴레이트(vinyl acrylate), 비닐 아세테이트(vinyl acetate), 비닐 클로로포르메이트(vinyl chloroformate), 비닐 트리플루오로아세테이트(vinyl trifluoroacetate), 2-클로로에틸 비닐 에테르(2-chloroethyl vinyl ether), 1,6-헥산디올 디비닐 에테르(1,6-hexanediol divinyl ether), 디(에틸렌 글리콜) 비닐 에테르(di(ethylene glycol) vinyl ether), 2-에틸헥사논산 비닐 에스테르(2-ethylhexanoic acid vinyl ester), 스티렌(styrene), α-메틸 스티렌(α-methyl styrene), 4-브로모스티렌(4-bromostyrene), 4-아세톡시스티렌(4-acetoxystyrene), 4-메톡시스티렌(4-methoxystyrene), 2-비닐나프탈렌(2-vinylnaphthalene), 2,3,4,5,6-펜타플루오로스티렌(2,3,4,5,6-pentafluorostyrene), 3,4-디메톡시-1-비닐벤젠(3,4-dimethoxy-1-vinylbenzene), 4-비닐비페닐(4-vinylbiphenyl), N-비닐-2-피롤리돈(N-vinyl-2-pyrrolidone), 또는 N-비닐카르바졸(N-vinylcarbazole)을 예로 들 수 있다.
본 발명은 상기 작용기를 갖는 단량체에 빛에 의해 산 또는 라디칼을 발생시키는 개시제를 혼합시켜 UV 조사를 통해 고리개환을 유도하거나 중합을 개시하여 가교구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 산을 발생시키는 개시제로는 트리페닐설포늄 트리플루오로메탄 설포네이트, 트리페닐설포늄 퍼플루오로옥탄설포네이트, 디페닐-p-토릴설포늄 퍼플루오로옥탄설포네이트, 트리스(p-토릴)설포늄 퍼플루오로옥탄설포네이트, 트리스(p-클로로벤젠)설포늄 트리플루오로 메탄설포네이트, 트리스(p-토릴)설포늄 트리플루오로메탄설포네이트, 트리메틸설포늄 트리플루오로메탄설포네이트, 디메틸페닐설포늄 트리플루오로메탄 설포네이트, 디메틸토릴설포늄트리플루오로메탄설포네이트, 디메틸토릴설포늄 퍼플루오로 옥탄 설포네이트, 트리페닐설포늄 p-톨루엔설포네이트, 트리페닐설포늄 메탄설포네이트, 트리페닐설포늄 부탄설포네이트, 트리페닐설포늄 n-옥탄설포네이트, 트리페닐설포늄 1-나프탈렌설포네이트, 트리페닐설포늄 2-나프탈렌설포네이트, 트리페닐설포늄 10-캠퍼설포네이트, 트리페닐설포늄 2,5-디클로로벤젠설포네이트, 디페닐토릴설포늄 1,3,4-트리클로로벤젠설포네이트, 디메틸토릴설포늄 p-톨루엔 설포네이트, 디페닐 토릴설포늄 2,5-디클로로벤젠설포네이트, 트리페닐설포늄 크롤라이드, 트리페닐설포늄 브로마이드, 트리페닐설포늄 테트라플루오로보레이트, 트리페닐설포늄 펜타플루오로 안티모네이트, 트리페닐설포늄 펜타플루오로 포스페이트, 트리페닐설포늄 펜타플루오로 아르센네이트, 디페닐요오드늄 트리플루오로메탄설포네이트, 비스(4-t-부틸페닐)요오드늄 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로-2-트리플루오로메틸프로판-2-설포네이트, 비스(4-t-부틸페닐)요오드늄 (7,7-디메틸-6-옥소-비시클로[2.2.1]헵틸)-메탄설포네이트, 비스(4-t-부틸페닐)요오드늄 p-톨루엔설포네이트 와 같은 통상의 술포늄염계, 요오드늄염계 물질 등의 이온성 광산발생제와 2-니트로벤질 p-톨루엔설포네이트, 2,6-디니트로벤질 p-톨루엔설포네이트, p-니트로벤질 9,10-디메톡시안트라센-2-설포네이트, 노르보넨 이미도설포네이트, 시클로헥실 토실레이트, 디아조비스메탄설포닐벤젠, 비스(시클로헥실설포닐)디아조메탄 와 같은 니트로벤질설포네이트 유도체, 이미도설포네이트 유도체, 그리고 아조나프토퀴논 유도체 등의 비이온성 광산발생제를 사용할 수 있으며, 주쇄 또는 측쇄에 술포늄염 또는 요오도늄염을 갖거나 측쇄에 유기 광산발생기를 갖는 중량평균분자량이 500 내지 100,000 인 고분자 형태의 광산발생제를 사용할 수 있다.
본 발명에서 라디칼을 발생시키는 개시제는 통상의 유기 퍼옥사이드류(Organic peroxide), 아조류(Azo) 등을 사용할 수 있으며, 이의 구체적인 예로서는 벤조일 퍼옥사이드, 로로일 퍼옥사이드, 티-부틸 히드로 퍼옥사이드, 아세틸시클로헥산 설포닐 퍼옥사이드, 이소부티로일 퍼옥사이드, 디(2-에틸헥실) 퍼옥시디카르복실레이트, 디이소프로필 퍼옥시디카르복실레이트, 티-부틸 퍼옥시피발레이트, 데카노일 퍼옥사이드, 그리고 아조비스(2-메틸프로피오니트릴) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 라디칼을 발생시키는 개시제의 또 다른 예로서는 알파히드록실케톤류, 알파아미노케논류, 벤질디메틸 케탈류, 벤조인, 벤조인 메틸에테르, 벤조인 에틸에테르, 벤조인 엔프로필에테르, 벤조인 이소프로필에테르, 벤조인 엔부틸에테르, 벤조페논, 파라메틸 벤조페논, 아세토페논, 안트라퀴논, 페닐 디설파이드, 그리고 2-니트로플루오렌 등을 사용할 수 있으며, 이 경우, 3차아민류, 알킬포스핀류, 그리고 티오에테르류 등의 광증감제를 추가로 사용할 수 있다.
본 발명의 유기절연막 조성물에서 상기 개시제의 첨가량은 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 작용기를 갖는 단량체 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부 의 범위인 것이 바람직하다. 개시제가 10 중량부를 초과하여 사용되는 경우 가교 혼합물이 젤화(gelation)될 우려가 있고, 0.1 중량부 미만으로 사용되는 경우 가교도가 떨어져 박막의 용매에 대한 열화 문제점이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 조성물에 사용되는 유기 또는 무기고분자는 분자량이 1,000 내지 1,000,000인 고분자로서 폴리비닐페놀 또는 폴리비닐페놀 유도체, 폴리비닐알콜 또는 폴리비닐알콜 유도체, 폴리아크릴 또는 폴리아크릴 유도체, 폴리노르보넨 또는 폴리노르보넨 유도체, 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리프로필렌글리콜 유도체, 폴리실록산 유도체, 셀룰로오스 유도체 및 이들을 포함하는 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되어질 수 있고, 바람직하게는 주쇄 또는 측쇄의 각 말단에 히드록실기 또는 카르복실기 등의 극성기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 또는 무기고분자는 추가로 일부 산에 불안정한 보호기(acid-labile protecting group)로 보호되고, 상기 개시제에 의한 보호기의 탈리로부터 히드록실기 또는 카르복실기 등의 극성변환을 할 수 있다. 산에 불안정한 보호기는 t-부틸기, 이소보닐기, 멘틸기, 2-메틸-2-아다만타닐기, 2-에틸-2-아다만타닐기, 테트라시클로데카닐기, 테트라히드로피라노일기, 3-옥소시클로헥사노일기, 메발로닉 락토닐기, 디시클로프로필메틸기, 메틸시클로프로필메틸기, 메틸에틸에테르기를 예로 들 수 있다.
본 발명의 유기절연막 조성물에서 상기 유기 또는 무기고분자의 첨가량은 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 작용기를 갖는 단량체 100 중량부에 대하여 1 내지 10,000 중량부의 범위인 것이 바람직하다. 개시제가 10,000 중량부를 초과하여 사용되는 경우 가교도의 감소와 더불어 전기적 특성이 떨어질 우려가 있고, 1 중량부 미만으로 사용되는 경우 박막형성이 어려워 유효한 전기적 특성을 얻을 수 없는 문제점이 발생할 우려가 있다.
본 발명에서 유기절연막은 상기 유기절연막 조성물을 게이트 전극이 형성된 기판 상에 코팅하거나 소스-드레인 전극이 형성된 유기활성층 상에 코팅하여 제조된다. 이 때 사용되는 코팅방법으로는 스핀코팅, 스핀 케스팅, 딥코팅, 분무코팅, 롤코팅 또는 잉크젯 프린팅 등의 방법을 예로 들 수 있다.
또한, 코팅 후 충분한 박막의 두께를 제공하기 위해서 추가로 상기 유기절연막 조성물을 용해시키는 용매를 전체 조성물 대비 1 내지 80 중량% 범위 내에서 사용할 수 있으며, 이때 사용되는 유기용매는 시클로헥사논, 클로로포름, 클로로벤젠, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 에틸락테이트, 톨루엔, 크실렌, 메틸에틸케톤, 4-헵타논, 메탄올, 부탄올, 아세톤, N-메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, 트리페닐이미다졸, 메시틸렌, 테트랄린, 데칼린 등을 예로 들 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 상기 본 발명의 유기절연막 조성물을 이용하여 패턴형성하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 일반적인 포토리소그라피법에 의한 유기절연막 패턴형성 단계를 설명하는 공정 개략도이다. 이를 단계적으로 살펴보면, 먼저 세척된 기판 위에 전극을 형성하고, 그 위에 유기절연막을 코팅한다. 이어서, 유기절연막 위에 포토레지스트를 코팅하고, 포토마스크를 통한 노광(exposure) 공정에 의해 패턴이 형성 될 영역을 노출시키는 현상(develop)공정을 진행한다. 패턴형성된 포토레지스트를 새도우 마스크로 이용하여 하부막인 유기절연막을 건식 또는 습식 에칭한 후, 포토레지스트 스트립퍼에 의해 포토레지스트를 제거함으로써 최종적으로 유기절연막 패턴형성을 완료한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 일반적인 포토리소그라피 공정을 사용하는 대신 본 발명의 광-패턴형성 가능한(photo-patternable) 유기절연막 조성물을 사용하여 노광 및 현상에 의해 간단하게 패턴형성하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 방법에 따라 유기절연막 패턴형성 공정을 설명하는 공정 개략도이다. 즉, 본 발명은 ⅰ) 기판 위에 전극을 형성하는 단계; ⅱ) 그 위에 본 발명의 유기절연막 조성물을 사용하여 유기절연막을 코팅하는 단계; ⅲ) 원하는 패턴의 포토마스크를 통해 노광한 후, 유기 현상액으로 현상시켜 패턴형성하는 단계를 포함한다.
이를 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
제(ⅰ)단계: 전극 형성 단계
통상적인 방법에 따라 기판을 세척하여 불순물을 제거하고, 증착(deposition), 패터닝(patterning) 또는 프린팅(printing)에 의해 전극을 형성한다.
제(ⅱ)단계: 유기절연막 코팅 단계
기판 위에 전극이 형성되면, 본 발명의 유기절연막 조성물을 사용하여 유기 절연막을 코팅한다. 상기 조성물은 적절한 용매에 녹여 2000Å 내지 20000Å의 두께로 코팅하며, 80℃ 내지 150℃에서 10초 내지 30분, 바람직하게는 100℃에서 5분 동안 소프트 베이킹을 진행한다.
제(ⅲ)단계: 패턴 형성 단계
유기절연막이 코팅되면 원하는 형상의 포토마스크를 통해 UV광에 노광시키고, 상기 노광된 필름을 유기 현상액으로 현상함으로써 상기 필름의 비노광부를 제거하여 패턴을 형성한다.
구체적으로, 상기 노광공정은 UV 노광기를 통해 1 내지 400mJ/cm2의 노광량으로 코팅된 유기절연막 표면에 조사한다. 다음으로 80℃ 내지 150℃에서 1분 내지 120분 동안 하드 베이킹을 진행한다.
하드 베이킹이 완료되면, 유기 현상액으로 비노광부를 제거하는데 상기 유기 현상액은 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 제한되지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 임의의 현상액을 사용할 수 있으나, DMF, 4-히드록시-4-메틸-2-펜타논, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 1-메틸-2-피롤리디논, 2-메톡시에탄올 또는 이들의 혼합용액을 사용하는 것이 패턴의 피막 안정성과 균일성의 측면에서 바람직하다.
상기와 같은 방법에 따라 패턴형성된 유기절연막이 수득되면, 통상적인 방법에 따라 유기반도체층과 전극을 형성함으로써 유기박막 트랜지스터를 제조할 수 있 다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 유기박막 트랜지스터의 단면 개략도이다. 도 3을 참고하면, 기판 위에 게이트 전극이 형성되고, 그 위에 광-패턴형성 가능한 본 발명의 유기절연막을 적층한 후, 그 위에 소스/드레인 전극을 형성하고, 그 위에 반도체층이 형성되어 있다. 본 발명에 따라 제조된 유기박막 트랜지스터는 반드시 상기와 같은 구조로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 게이트 전극, 유기절연막, 반도체층 및 소스/드레인 전극의 상하 위치가 서로 바뀔 수 있다.
본 발명의 유기박막 트랜지스터가 형성되는 기판은 유리, 실리콘, 플라스틱 등으로 이루어지는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 유기박막 트랜지스터에 있어서, 유기반도체층으로 사용되는 물질로는 펜타센, 구리 프탈로시아닌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌 및 이들의 유도체 등을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 유기박막 트랜지스터에 있어서, 게이트 및 소스, 드레인 전극의 소재로는 통상적으로 사용되는 금속 또는 전도성 고분자가 사용될 수 있으며, 구체적으로는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 인듐틴산화물(ITO), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene), PEDOT(polyethylenedioxythiophene) /PSS(polystyrenesulfonate) 혼합물 등을 예로 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 유기박막 트랜지스터는 전계 발광 소자, 액정 소자, 전자잉크 소자 등과 같은 디스플레이 소자의 제조에 이용될 수 있다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
제조예 1 : 작용기로서 에폭시드기를 포함하는 단량체를 사용한 유기절연막 조성물의 제조
트리메틸올프로판 트리글리시딜에테르(Aldrich사) 2.0g , 트리페닐설포늄 트리플레이트(Aldrich사) 0.02g, 벤조일 퍼옥사이드 (Aldrich사) 0.02g, 그리고 폴리비닐페놀(Aldrich사, 중량평균분자량 8,000) 2.0g을 시클로헥사논 18ml에 용해시켜 유기절연막 조성물을 제조하였다.
제조예 2 : 작용기로서 라디칼중합이 가능한 단량체를 사용한 유기절연막 조성물의 제조
트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트(Aldrich사) 1.0g, 트리페닐설포늄 트리플레이트(Aldrich사) 0.01g, 벤조일 퍼옥사이드 (Aldrich사) 0.01g, 그리고 폴리비닐페놀(Aldrich사, 중량평균분자량 8,000) 3.0g을 시클로헥사논 27ml에 용해시켜 유기절연막 조성물을 제조하였다.
비교제조예 : 작용기를 갖는 단량체와 개시제를 사용하지 않은 유기절연막 조성물의 제조
어떠한 작용기를 갖는 단량체와 개시제를 포함하지 않은 채 폴리비닐페놀(Aldrich사, 중량평균분자량 8,000) 3.0g만을 시클로헥사논 27ml에 용해시켜 유기절연막 조성물을 제조하였다.
실시예 1 :
(1) 유기절연막 패턴형성
유리기판 위에 상기 제조예 1에서 수득한 유기절연막 조성물을 스핀 코팅법을 이용하여 2000rpm에서 8000Å 두께로 코팅 한 후 100℃에서 5분동안 소프트 베이킹하였다. 이어서, 원하는 형상의 포토마스크를 통해 UV 노광기로 조사(100mJ/cm2)하고, 100℃에서 10분 동안 하드 베이킹하였다. 그 다음으로, 1-메틸-2-피롤리디논을 유기현상액으로 사용하여 비노광부를 제거함으로써 도 4에 도시된 바와 같이 유기절연막을 패턴형성하였다.
(2) 유기박막 트랜지스터 제작
유리기판에 몰리브덴(Mo)을 이용하여 800Å 두께의 게이트 전극을 형성하고, 그 위에 상기 실시예 1의 패턴형성방법으로 구동회로 연결을 위한 전극 상의 유기절연막을 패턴형성 하였다.
그 위에 채널길이 100㎛, 채널폭 1㎜인 새도우 마스크에 의해 진공증착법으로 500Å 두께의 소스/드레인 Au 전극을 형성한 후, 이어서 OMBD(Organic molecular beam deposition)방식으로 700Å 두께로 펜타센의 유기반도체층을 형성시켜 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
실시예 2:
(1) 유기절연막의 패턴형성
제조예 2의 유기절연막 조성물을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기절연막을 패턴형성하였다.
(2) 유기박막 트랜지스터 제작
상기 실시예 2의 패턴형성 방법을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
비교실시예 :
(1) 유기절연막 패턴형성
비교제조예의 유기절연막 조성물을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 패턴형성 방법으로 패턴형성 공정을 진행하였으나, 유기 현상액에 비선택적으로 유기절연 막이 현상되어 결국 패턴이 형성되지 않았다.
(2) 유기박막 트랜지스터 제작
구동회로 연결을 위한 전극 상의 유기절연막 패턴형성을 위해 통상의 포토리소그라피 공정에 의한 패턴형성 방법을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기박막 트랜지스터를 제작하였다.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교실시예에서 제조된 소자를 사용하여 KEITHLEY Semiconductor Analyzer(4200-SCS)를 이용하여 전류 전달특성을 평가한 후, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 소자의 전류전달특성 곡선을 도 5에 나타내었고, 이에 따른 전기적 특성을 하기에 기재된 방법에 따라 측정하여 표 1에 나타내었다. 그러나, 비교실시예에서 제조된 소자는 유기절연막이 포토리소그라피 공정에 사용되는 용매에 용해되어 정상적인 전류전달특성 곡선을 얻을 수 없었다.
전하 이동도는 상기 전류전달곡선을 사용하여 하기의 포화영역(saturation region)의 전류식으로부터 (ISD)1/2 과 VG를 변수로 한 그래프를 얻고 그 기울기로부터 구하였다:
상기 식에서, ISD는 소스-드레인 전류이고, μ 또는 μFET는 전하 이동도이며, Co는 산화막 정전용량이고, W는 채널 폭이며, L은 채널 길이이고, VG는 게이트 전압이며, VT는 문턱전압이다.
차단누설전류(Ioff)는 오프 상태일 때 흐르는 전류로서, 전류비에서 오프 상태에서 최소 전류로 구하였다.
전류점멸비(Ion/Ioff)는 온 상태의 최대 전류 값과 오프 상태의 최소 전류 값의 비로 구하였다.
표 1
| 전하이동도 (㎠/Vs) | 차단누설전류 (Ioff)(A) | 전류점멸비 (Ion/Ioff) | |
| 실시예 1 | 0.9 | 10-10 | 105 |
| 실시예 2 | 1.3 | 10-11 | 105 |
상기 표 1의 결과를 통해서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 유기절연막 조성물을 이용하여 제조되는 유기박막 트랜지스터는 낮은 차단누설전류를 유지함과 동 시에 높은 전하이동도와 전류점멸비를 얻을 수 있다.
이상에서 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 상세하세 설명하였으나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
본 발명에 의해 광-패턴형성 가능한(photo-patternable) 유기절연막 조성물을 이용하여 간단하게 패터닝할 수 있으므로 포토레지스트 공정을 생략할 수 있어 공정의 단순화 및 비용 절감을 달성하면서도 전하이동도가 높은 유기박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
Claims (17)
- (i) 하기 화학식 1로 표시되는 군에서 하나 이상 선택되는 에폭시드기를 포함하는 화합물, 또는 하기 화학식 2로 표시되는 군에서 하나 이상 선택되는 라디칼 중합가능한 화합물을 포함하는 작용기를 갖는 단량체;(ii) 빛에 의해 산 또는 라디칼을 발생시키는 개시제; 및(iii) 유기 또는 무기고분자를 포함하는 유기절연막 조성물:[화학식 1]
[화학식 2]
상기식에서,R은 수소 또는 메틸이다. - 제 1항에 있어서, 상기 산을 발생시키는 개시제가 술포늄염계, 요오드늄염계 물질 등의 이온성 광산발생제; 니트로벤질설포네이트류, 이미도설포네이트류, 아조나프토퀴논류 물질 등의 비이온성 광산발생제; 및 주쇄 또는 측쇄에 술포늄염 또는 요오도늄염을 갖거나 측쇄에 유기 광산발생기를 갖는 중량평균분자량이 500 내지 100,000 인 고분자 형태의 광산발생제로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 라디칼을 발생시키는 개시제가 벤조일 퍼옥사이드, 로로일 퍼옥사이드, 티-부틸 히드로 퍼옥사이드, 아세틸시클로헥산 설포닐 퍼옥사이드, 이소부티로일 퍼옥사이드, 디(2-에틸헥실) 퍼옥시디카르복실레이트, 디이소프로필 퍼옥시디카르복실레이트, 티-부틸 퍼옥시피발레이트, 데카노일 퍼옥사이드 및 아조비스(2-메틸프로피오니트릴)로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 퍼옥사이드류(Organic peroxide) 또는 아조류(Azo), 알파히드록실케톤류, 알파아미노케논류, 벤질디메틸 케탈류, 벤조인, 벤조인 메틸에테르, 벤조인 에틸에테르, 벤조인 엔프로필에테르, 벤조인 이소프로필에테르, 벤조인 엔부틸에테르, 벤조페논, 파라메틸 벤조페논, 아세토페논, 안트라퀴논, 페닐 디설파이드 및 2-니트로플루오렌로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 유기 또는 무기고분자가 분자량이 1,000 내지 1,000,000인 고분자로서 폴리비닐페놀 또는 폴리비닐페놀 유도체, 폴리비닐알콜 또는 폴리비닐알콜 유도체, 폴리아크릴 또는 폴리아크릴 유도체, 폴리노르보넨 또는 폴리노르보넨 유도체, 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리프로필렌글리콜 유도체, 폴리실록산 유도체, 셀룰로오스 유도체 및 이들을 포함하는 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 4항에 있어서, 상기 유기 또는 무기고분자가 주쇄 또는 측쇄의 각 말단에 히드록실기 또는 카르복실기 등의 극성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 4항에 있어서, 상기 유기 또는 무기고분자가 추가로 t-부틸기, 이소보닐기, 멘틸기, 2-메틸-2-아다만타닐기, 2-에틸-2-아다만타닐기, 테트라시클로데카닐기, 테트라히드로피라노일기, 3-옥소시클로헥사노일기, 메발로닉 락토닐기, 디시클로프로필메틸기, 메틸시클로프로필메틸기, 메틸에틸에테르기로 이루어진 군으로부터 선택되는 산에 불안정한 보호기(acid-labile protecting group)로 보호되는 것 을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 단량체 100 중량부에 대하여, 상기 개시제가 0.1 내지 10 중량부, 상기 유기 또는 무기고분자가 1 내지 10,000 중량부 혼합되는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물이 추가로 시클로헥사논, 클로로포름, 클로로벤젠, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 에틸락테이트, 톨루엔, 크실렌, 메틸에틸케톤, 4-헵타논, 메탄올, 부탄올, 아세톤, N-메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, 트리페닐이미다졸, 메시틸렌, 테트랄린, 데칼린 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매를 전체 조성물 대비 1 내지 80 중량% 범위 내에서 포함하는 것을 특징으로 하는 유기절연막 조성물.
- 기판 위에 전극을 형성하고, 그 위에 제 1항 또는 제 8에 따른 유기절연막 조성물을 코팅한 후, 원하는 패턴의 포토마스크를 통해 노광하고, 이어서 유기 현상액으로 현상시켜 패턴형성하는 것을 특징으로 하는 유기절연막의 패턴형성 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 유기절연막의 코팅공정이 스핀코팅, 스핀 케스팅, 딥코팅, 분무코팅, 롤코팅 또는 잉크젯 프린팅 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 코팅방법에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기절연막의 패턴형성 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 노광공정이 UV 노광기를 통해 1 내지 400mJ/cm2의 노광량으로 코팅된 유기절연막 표면에 조사하고 80℃ 내지 150℃에서 1분 내지 120분 동안 하드 베이킹을 진행하는 것을 특징으로 하는 유기절연막의 패턴형성 방법.
- 제 9항에 따른 방법에 의해 패턴형성된 유기절연막.
- 기판, 게이트 전극, 유기절연막, 유기반도체층 및 소스/드레인 전극을 포함하는 유기박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기절연막이 제 9항에 따라 패턴형성된 유기절연막인 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 13항에 있어서, 상기 유기반도체층이 펜타센, 구리 프탈로시아닌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌 및 이들의 유도체로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 13항에 있어서, 상기 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극이 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 인듐틴산화물(ITO), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene), PEDOT(polyethylenedioxythiophene) /PSS(polystyrenesulfonate) 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 13항에 있어서, 상기 기판이 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
- 제 13항에 따른 유기박막 트랜지스터를 포함하는 표시소자.
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