KR20070113893A - 유기 절연막 조성물 및 이를 이용하는 이중 두께를 갖는유기 절연막의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판과 게이트 전극 간의 친수성 또는 소수성 차이를 이용하여 이중 두께의 절연막을 형성할 수 있는 유기 절연막 조성물 및 이를 이용한 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 유기 절연막을 포함하는 박막트랜지스터를 이용하는 표시소자는 기생 용량(parasitic capacitance)에 의한 화면 떨림 현상이 감소되어 신뢰성이 향상되고 제조공정이 단순화되어 제조비용이 절감되는 이점을 가진다.
박막 트랜지스터, 절연막, 소수성, 이중 두께, 폴리실록산계 중합체
Description
도 1은 기존의 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT LCD)의 단위 셀의 단면도이고,
도 2는 종래의 실리콘 박막 트랜지스터의 개략 단면도이고,
도 3은 종래의 유기 박막 트랜지스터의 개략 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 유기 절연막을 포함하는 실리콘 박막 트랜지스터의 개략 단면도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 유기 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 개략 단면도이고,
도 6은 실시예 2에서 제조된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달특성 곡선이고,
도 7a는 실시예에서 제조된 유기 절연막의 주사전자현미경 사진이고,
도 7b는 도 7a의 주사전자현미경 사진을 3차원으로 재구성한 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
210: 기판 220: 게이트 전극 230: 게이트 절연막
280: 드레인 전극 250: 반도체층 260: 소스 전극
410: 기판 420: 게이트 전극 430: 유기 절연막
440: 드레인 전극 450: 유기 반도체층 460: 소스 전극
본 발명은 유기 절연막 조성물 및 이를 이용한 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판과 게이트 전극 간의 친수성 또는 소수성 차이를 이용하여 이중 두께의 절연막을 형성할 수 있는 유기 절연막 조성물 및 이를 이용한 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법에 관한 것이다.
박막 트랜지스터는 일반적으로 대면적 기판 위에 형성될 수 있는 장점이 있어 현재까지 액정디스플레이, 레이저 프린터 헤드 등의 주변 소자, 스캐너 등의 이미지센서 및 스마트카드로 개발되어 실용화되고 있으며, 최근에는 유기전계발광(organic electroluminescence: EL) 디스플레이의 풀-컬러(full color) 구동을 위해서도 사용되고 있다.
또한, 박막 트랜지스터는 박막 형태로 제조되기 때문에 가볍고, 휴대가 간편한 제품의 제조에 사용되며, 특히, 능동형 디스플레이에 사용되는 각각의 화소에는 박막 형태로 제조된 트랜지스터가 구비되어 있다. 박막트랜지스터는 전력소모가 적고 스위칭이 빠르며 전류에 따라서 화소의 밝기를 조절할 수 있기 때문에, 고화질을 요구하는 디스플레이에 있어서 매우 중요한 역할을 한다.
이러한 박막 트랜지스터로는 반도체층을 이루는 채널물질로 비정질 실리콘(Amorphous Si)이나 다결정 실리콘(Polycrystalline Si)을 사용하는 실리콘 박막 트랜지스터와, 최근 연구가 활발하게 진행되고 있는 펜타센, 폴리티오펜 등의 유기 반도체를 이용한 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 등이 있다.
도 1은 종래의 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT LCD)의 단위셀의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 게이트 전극(20) 및 이와 소정 간격으로 이격된 위치에 스토리지 전극(15)이 형성되고, 이러한 기판(10)의 상부 전면에는 게이트 절연막(30)이 형성된다. 게이트 절연막(30) 상에는 공지된 공정을 통해 패턴의 형태로 반도체층(50)이 형성되며, 이 반도체층(50) 상에는 데이터 라인(25)의 형성시에 함께 형성된 드레인 전극(60)및 소스 전극(40)이 상호 이격되어 형성된다. 또한, 전술한 구조물이 형성된 기판(10) 윗 부분에는 유기절연막(35)이 코팅되며, 이러한 유기절연막 (35)에는 소스 전극을 노출시키는 콘택홀(미도시)이 구비되고, 상기 유기절연막(35) 상에는 화소 영역에 해당하는 부분에 콘택홀을 통해 소스 전극(60)과 콘택됨과 동시에 게이트 전극(20) 및 데이터 라인(25)의 일부분과 오버랩되게 화소 전극(45)이 형성된다.
도 2는 이러한 액정표시장치에 사용되는 종래의 실리콘 박막 트랜지스터의 개략단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 구조의 실리콘 박막 트랜지스터는 일반적으로 기판(10), 게이트 전극(20), 게이트 절연막(30), 소스 전극(60), 드 레인 전극(40), 및 반도체 층(50)을 포함하여 이루어진다.
이러한 종래 구조의 박막 트랜지스터에서는 게이트 전극(20)과 소스/드레인 전극(40, 60) 사이의 기생 용량(parasitic capacitance) 때문에 화소전압 상의 전압쉬프트가 생기게 되는데, 이러한 전압쉬프트를 킥백 전압(Kickback Voltage, Vkb)이라고 한다. 이러한 킥백전압이 증가되면 화면 떨림 현상(Flickering)이 발생하여 액정표시장치의 신뢰성을 저하시킨다. 이러한 기생 용량은 게이트 전극(20)과 소스/드레인 전극(40, 60) 간의 게이트 절연막(30)의 두께를 두껍게 함으로써 감소시킬 수는 있으나, 이러한 경우 박막 트랜지스터의 특성이 저하되며 개구율이 감소하는 문제점이 발생한다.
한편, 도 3은 종래의 유기 박막 트랜지스터의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유기 박막 트랜지스터도 일반적으로 기판(310), 게이트 전극(320), 게이트 절연막(330), 소스 전극(360), 드레인 전극(340), 및 유기반도체 층(350)을 포함하며, 유기반도체층 형성시 화소간 크로스톡 등을 방지하기 위해 화소영역을 분할하는 뱅크(370)를 추가로 포함한다. 이와 같이 유기 박막트랜지스터의 제조시에는 뱅크 형성 공정을 반드시 거쳐야 하는데, 이러한 뱅크 형성 공정은 포토리소그래피 공정을 거치거나 플라즈마 표면처리 등의 별도의 공정으로 진행하여야 한다. 이와 같이 유기 박막트랜지스터의 제조시에는 별도의 뱅크 형성 공정으로 인해서 전체적인 공정이 복잡해지고 제조비용도 상승하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 기판과 전극 간의 친수성/소수성 차이를 이용하여 전극 윗부분은 두께가 얇고 기판 윗부분은 두께가 두꺼운 이중 두께를 갖는 절연막을 형성할 수 있는 유기 절연막 조성물 및 이를 이용한 유기 절연막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 높은 전하이동도, 높은 온-오프(on-off) 전류비 및 고개구율을 갖고 기생 용량을 감소시켜 화면떨림 현상을 제어할 수 있는 본 발명의 유기 절연막을 포함하는 박막트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 박막 트랜지스터를 포함하여 신뢰성이 향상되고 제조비용을 절감할 수 있는 표시 소자 및 전자소자를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
(a) 폴리실록산계 중합체;
(b) 소수성 또는 친수성 조절제; 및
(c) 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물에 관계한다.
다른 양상에서, 본 발명은
전극이 형성된 기판 위에 상기 기판과 상기 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖 는 유기 절연막의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 또 다른 양상은 유기 박막 트랜지스터를 제조함에 있어서,
게이트 전극이 형성된 기판 위에 상기 기판과 상기 게이트 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 게이트 절연막을 형성하는 단계;
상기 게이트 절연막의 두께 단차에 의해 형성된 홈의 저부에 유기반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 또 다른 양상들은 본 발명의 방법에 의해서 형성된 이중 두께를 갖는 유기 절연막, 이러한 절연막을 포함하는 박막 트랜지스터 및 표시소자에 관계한다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 유기 절연막 조성물은 (a) 폴리실록산계 중합체: (b) 소수성 또는 친수성 조절제; 및 (c) 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 유기 절연막 조성물은 가교가능한 폴리실록산계 중합체와 기판을 구성하는 물질 및 전극을 구성하는 물질 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도(크기)의 친수성 또는 소수성을 가지는 친수성 또는 소수성 조절제를 포함한다.
본 발명에서 상기 폴리실록산계 중합체는 접촉각이 50도 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 접촉각이 70도 이상이다. 본 발명의 상기 폴리실록산계 중합체는 유기 실란계 화합물을 가수분해 및 축합반응하여 얻어지는 유-무기 하이브리드 물질을 의미하며, 상기 유기 실란계 화합물은 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물 단독, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 화학식 1 내지 3에서,
X1, X2, X3 및 X4는 각각 독립적으로 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 이 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자; 할로겐 원자; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비 치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
한편, 본 발명의 상기 폴리실록산계 중합체는 상기 유기 실란계 화합물을 가수분해 및 축합반응하여 얻어지는 유-무기 하이브리드 물질의 히드록시기 말단을 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나의 식으로 표시되는 화합물로 처리하여 캐핑(capping)시킨 중합체일 수 있다.
상기 화학식 4 내지 6에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소원자; 히드록시기; 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 이 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되고,
n은 0 내지 50의 정수이다.
상기 화학식 1 내지 6에서 “치환”되었다는 것은 아크릴기, 아미노기, 히드록시기, 카르복시기, 알데히드기, 에폭시기, 니트릴기 등으로 치환된 것을 의미한다.
본 발멸의 유기 절연막 조성물에서 소수성 또는 친수성 조절제는 폴리비닐부티랄, 비닐메톡시실록산 공중합체, 및 폴리(3-(메타크릴록시옥시프로필)실록산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 이러한 소수성 또는 친수성 조절제는 기판 및 전극의 소수성 또는 친수성 특성에 따라서 종류, 농도 등을 달리할 수 있다.
본 발명에서 사용가능한 용매는 특별히 제한되지 않고, 유기 절연막 제조시에 사용가능한 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있는데, 일례로 지방족 탄화수소 용매, 방향족계 탄화수소 용매, 케톤계 용매, 에테르계 용매, 아세테이트계 용매, 알콜계 용매, 아미드계 용매, 실리콘계 용매 및 상기 용매들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로는 헥산(hexane), 헵탄 (heptane) 등의 지방족 탄화수소 용매(aliphatic hydrocarbon solvent); 톨루엔(toluene), 피리딘(pyridine), 퀴놀린(quinoline), 아니솔(anisol), 메시틸렌 (mesitylene), 자일렌(xylene) 등의 방향족계 탄화수소 용매(aromatic hydrocarbon solvent); 시클로헥사논(cyclohexanone), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 4-헵타논(4-heptanone), 메틸 이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 1-메틸-2-피롤리디논(1-methyl-2-pyrrolidinone), 시클로헥산온(cyclohexanone), 아세톤(acetone) 등의 케톤계 용매(ketone-based solvent); 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 이소프로필 에테르(isopropyl ether) 등의 에테르계 용매(ether-based solvent); 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate) 등의 아세테이트계 용매(acetate-based solvent); 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol), 부틸 알콜(butyl alcohol) 등의 알콜계 용매(alcohol-based solvent); 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide) 등의 아미드계 용매; 실리콘계 용매 (silicon-based solvent); 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 유기 절연막 조성물은 (a) 폴리실록산계 중합체 100 중량부에 대해 소수성 또는 친수성 조절제 0.7 내지 7 중량부 및 100 내지 400 중량부의 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 유기 절연막 조성물은 균일상의 조성물을 얻기 위하여 티타늄 화 합물, 지르코늄 화합물, 하프늄 화합물 및 알루미늄 화합물 중 1종 이상의 유기 금속 화합물을 더 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 유기 금속 화합물은 티타늄 (IV) n-부톡시드, 티타늄 (IV) t-부톡시드, 티타늄 (IV) 에톡시드, 지르코늄 (IV) n-부톡시드, 지르코늄 (IV) t-부톡시드, 지르코늄 (IV) 에톡시드, 하프늄 (IV) n-부톡시드, 하프늄 (IV) t-부톡시드, 하프늄 (IV) 에톡시드 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 유기 절연막 조성물은 폴리비닐아세탈 또는 폴리비닐아세탈 유도체, 폴리비닐알콜 또는 폴리비닐알콜 유도체, 폴리비닐페놀 또는 폴리비닐페놀 유도체, 폴리아크릴 또는 폴리아크릴 유도체, 폴리노르보넨 또는 폴리노르보넨 유도체, 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리프로필렌글리콜 유도체, 폴리실록산 유도체, 셀룰로오스 유도체, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 글리옥살 및 이들을 포함하는 공중합체 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 바인더는 주쇄 또는 측쇄의 각 말단에 히드록시기, 카르복실기 또는 그의 염, 인산기 또는 그의 염, 술폰산기 또는 그의 염, 아민기 또는 그의 염 등의 극성기를 포함할 수 있다. 이러한 유기 금속 화합물은 폴리실록산계 중합체 100 중량부에 대해서 0.01 내지 20중량부의 양으로 포함될 수 있다.
다른 양상에서 본 발명은 유기 절연막의 제조방법에 관계한다. 본 발명의 방법은 전극이 형성된 기판 위에 상기 기판과 상기 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 조성물 로는 이상에서 설명한 본 발명의 유기 절연막 조성물을 사용할 수 있다.
유기 절연막 형성 이전에 기판은 통상적인 방법에 따라 세척해서 사용할 수 있고, 게이트 전극은 증착(deposition) 및 패터닝(patterning)에 의해 형성할 수 있다. 이때, 기판의 재료로는 유리, 실리콘, 플라스틱 등을 사용할 수 있다.
게이트 전극의 소재로는 통상적으로 사용되는 금속, 금속산화물 또는 전도성 고분자가 사용될 수 있으며, 구체적으로는 금, 은, 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 티타늄, 니켈, 탄탈륨, 텅스텐, 네오디뮴으로 구성되는 군에서 선택되는 단일 금속 물질 및 이들의 합금, 및 인듐팀옥사이드, ITO, IZO, ZnO 및 In2O3와 같은 금속산화물; 및 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene) 및 PEDOT(polyethylenedioxythiophene)/PSS(polystyrenesulfonate) 혼합물과 같은 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성할 수 있다.
유기 절연막 형성 단계는 본 발명의 유기 절연막 조성물을 코팅하는 단계; 및 코팅 후 소프트 베이킹 및 하드 베이킹하는 단계로 진행된다.
유기 절연막 조성물을 코팅하는 방법으로는 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 롤코팅(roll coating), 스크린 코팅(screen coating), 분무코팅(spray coating), 흐름코팅(flow coating), 스크린 인쇄(screen printing), 잉크젯(ink jet) 또는 드롭캐스팅(drop casting) 등의 코팅방법을 사용할 수 있다. 편의성 및 균일성의 측면에서 가장 바람직한 코팅방법은 스핀 코팅이다. 스핀코팅을 행하는 경우, 스핀속도는 400 내지 4000 5000 rpm의 범위 내에서 조절되는 것이 바람직하다.
기판은 전극에 비해 상대적으로 소수성이 강하고, 전극은 기판에 비해 소수성이 작기 때문에, 기판과 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 친수성 또는 소수성 특성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅할 경우 상기와 같은 두께의 단차가 생겨서 그 결과로 수득되는 유기 절연막은 이중 두께를 갖게 된다.
본 발명의 방법에서는 유기 절연막 조성물의 소수성(또는 친수성 조절제)의 농도를 조절함으로써 유기 절연막의 두께 단차를 조절할 수 있다. 본 발명의 조성물의 폴리실록산계 중합체가 금속 전극에서 보다 소수성을 갖는 물질이고, 소수성 조절제는 폴리실록산계 중합체 보다는 금속과 친한 계면특성을 갖는 물질이라면, 소수성 조절제의 양이 증가할수록 폴리실록산계 중합체가 금속 전극에 대해 갖는 강한 소수성이 점차 친수성으로 변화하게 되고, 따라서 금속으로부터 폴리실록산계 중합체가 멀어지려는 현상이 감소하여 단차는 감소하게 된다.
유기 절연막 조성물 코팅후 소성은 약 70~100℃ 에서 10분 내지 30 분간 소프트 베이킹하고나서, 약 180~250℃에서 1.5시간 내지 2 시간 정도 하드 베이킹하여 실시한다.
또 다른 양상에서 본 발명은 본 발명의 유기 절연막 조성물을 이용하여 제조된 이중 두께를 갖는 유기 절연막에 관계한다. 본 발명의 유기 절연막은 전극 윗 부분의 두께가 기판 윗 부분의 두께보다 얇게 형성되어 이중 두께를 갖게 된다. 이때 상기 전극 윗 부분의 두께와 기판 윗 부분의 두께의 차이가 1000 내지 5000Å 정도 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 절연막의 제조방법은 실리콘 박막 트랜지스터의 제조시 또는 유기 박막 트랜지스터의 제조시에 채용될 수 있다. 특히 유기 박막 트랜지스터의 제조에 적용하는 경우에는 유기 반도체층 형성을 위한 별도의 뱅크 공정을 필요로 하지 않기 때문에 공정이 단순화되어 공정 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해서 유기 박막 트랜지스터를 제조하는 경우에는 게이트 전극이 형성된 기판 위에 상기 기판 및 상기 게이트 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 게이트 절연막을 형성한다. 이와 같이 본 발명의 방법에 의해서 유기 절연막을 형성하게 되면 유기 절연막은 이중 두께를 갖게 되어 두께 단차에 의해 홈(groove)이 형성된다.
이와 같이 이중 두께를 갖는 유기 절연막이 수득되면 두께 단차에 의해 형성된 홈의 저부에 유기반도체층을 형성함으로써 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다. 유기 반도체층으로 사용되는 물질로는 펜타센, 구리 프탈로시아닌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌 및 이들의 유도체를 예로 들 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지는 않는다. 상기 반도체층으로는 유기 반도체뿐 아니라 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 등이 사용될 수 있다. 유기 절연막 및 유기 반도체층 형성 이외의 공정은 종래의 방법과 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
다음으로 이러한 방법에 의해 제조되는 이중 두께를 갖는 유기 절연막을 포 함하는 박막 트랜지스터에 대해서 설명한다. 본 발명의 유기 절연막은 유기 박막 트랜지스터는 물론 종래의 실리콘 박막 트랜지스터에도 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 이중 두께를 갖는 유기 절연막을 포함하는 실리콘 박막 트랜지스터의 개략 단면도이다. 도 4를 참고하면 본 발명에 의한 유기 절연막 조성물을 사용하여 제조된 실리콘 박막 트랜지스터는 기판(210), 게이트 전극(220), 게이트 절연막(230), 반도체층(250)), 소스 전극(260), 드레인 전극(280)을 포함할 수 있다. 본 발명의 박막 트랜지스터의 구조는 상기 구조 외에도 다양하게 변형된 구조를 가질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 트랜지스터의 게이트 절연막(230)은 기판 윗 부분의 두께(d1)는 두껍게 형성되고, 게이트 전극의 윗부분은 두께(d2)가 얇게 형성된다. 기판은 전극에 비해 상대적으로 소수성 특성이 강하고, 전극은 기판에 비해 소수성 특성이 작기 때문에, 기판과 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 친수성 또는 소수성 특성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅할 경우 상기와 같은 두께의 단차가 생겨서 절연막은 이중 두께를 갖게 된다.
이상과 같이 이중 두께를 갖는 절연막을 포함하는 박막 트랜지스터는 채널이 형성되는 게이트 전극 윗 부분은 절연체 두께가 얇게 형성되기 때문에, 전하이동도(mobility) 및 온 상태의 전류(Ion)가 증가하고, 스토리지 캐패시터 영역의 절연체 두께를 얇게 함으로써 캐패시터의 용량이 증가하여 스토리지 면적을 줄일 수 있고, 이로 인해서 궁극적으로 개구율을 향상시켜 고화질의 표시 화면을 제공할 수 있게 된다. 한편, 기생 용량이 형성될 수 있는 게이트 전극과 드레인 전극 및 소스 전극 사이의 절연막은 두껍게 형성되기 때문에 기생용량을 감소시켜 화면 떨림 현상을 제어할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는 기판(410), 게이트 전극(420), 게이트 절연막(430), 유기반도체층(450), 소스 전극(460), 드레인 전극(440)을 포함하고, 특히 이중 두께의 게이트 절연막(430)의 두께 단차에 의해 형성된 홈의 저부에 유기반도체층(450)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 유기 박막 트랜지스터의 구조는 상기 구조 외에도 탑 컨택형 또는 탑 게이트형 구조 등의 다양하게 변형된 구조를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 종래의 유기 박막 트랜지스터와 달리, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 절연막의 단차가 존재하여 자연적으로 뱅크가 형성되므로 별도의 뱅크 형성 공정이 필요 없게 된다.
본 발명의 박막 트랜지스터는 고전하이동도 및 고개구율 등의 우수한 특성을 가지고 제조가 용이하므로 액정디스플레이(LCD), 유기발광소자(OLED) 등의 각종 표시소자에 적용될 수 있고, 이외에도 광전변환 소자(Photovoltaic Device), 플라스틱 센서, 플렉서블 RFID, 메모리, 집적회로 등 각종 전자소자에 효과적으로 적용될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
제조예
: 유기 절연막 조성물의 제조
옥트-7-엔-1-트리클로로실란 중합체(OETS), 티타늄 t-부톡시드, 그리고 폴리비닐페놀(Mw 8,000)을 중량비로 각각 80:15:5으로 혼합한 후 이를 시클로헥사논에 용해시켜 중량비 20%의 유기 절연막 조성물 용액을 제조하였다.
실시예 1: 실리콘 박막 트랜지스터의 제조
먼저 세정된 유리 기판 상에 Mo/Al/Mo을 이용하여 150/3000/500Å 두께의 게이트 전극을 형성한 다음, 그 위에 상기 제조예의 유기 절연막 조성물을 스핀 코팅을 이용하여 2000 rpm에서 8,000 Å 두께로 코팅하였다. 이어서 70도에서 30분간 소프트베이킹하고나서, 200도에서 1시간 하드 베이킹하여 유기 절연막을 형성하였다. 이후 비정질 실리콘과 도핑된 비정질 실리콘을 연속으로 증착한 뒤, 포토리소그라피와 식각공정을 통해 채널 영역을 패턴한다. 소스-드레인 전극을 형성하고 백 채널 에칭(Back Channel Etch)를 통해 BCE(Back Channel Etch) 구조의 비정질 실리콘 박막트랜지스터를 제조하였다.
실시예 2: 유기 박막 트랜지스터의 제조
먼저 세정된 유리 기판 상에 알루미늄을 이용하여 800 Å 두께의 게이트 전극을 형성한 다음, 그 위에 상기 제조예의 유기 절연막 조성물을 스핀 코팅을 이용하여 2000 rpm에서 8,000Å 두께로 코팅하였다. 이어서 70도에서 30분간 소프트베이킹하고나서, 200도에서 1시간 하드 베이킹하여 유기 절연막을 형성하였다.
상기 절연막 상에, 채널길이 100㎛, 채널폭 1㎜인 700Å 두께의 Au 소스/드레인 전극을 형성한 후, 이어서 열 증발(Thermal Evaporation) 방식으로 700Å 두께로 펜타센 유기반도체층을 형성시켜 도 6에 나타낸 바텀 컨택(bottom contact) 구조의 유기 박막 트랜지스터를 제조하였다. 본 유기 박막 트랜지스터의 전달특성을 측정하였을 때, 0.19㎠/Vs의 전기 이동도와 -10V의 문턱전압을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이와 같이 해서 수득된 절연막에 대한 주사전자현미경 사진을 도 7a 및 7b에 나타내었다. 도 7a는 실시예에서 제조된 유기 절연막의 주사전자현미경 사진이고, 도 7b는 도 7a의 주사전자현미경 사진을 3차원으로 재구성한 사진이다. 도 7a에 의해서도 이중 두께를 갖는 절연막이 형성되었음을 확인할 수 있으나, 3차원의 구조를 보여주는 도 7b를 통해서, 실시예에서 제조된 절연막이 이중 두께를 가짐을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있으므로, 이러한 다양한 변형예도 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에의 유기 절연막 조성물에 의해 제조되는 유기 절연막은 기판과 전극 사이의 친수성(또는 소수성) 차이를 이용하여 전극 윗부분은 절연막의 두께가 얇게 형성되며, 그 외의 기판 영역은 절연막의 두께가 두껍게 형성되므로, 본 발명의 유기 절연막을 포함하는 박막트랜지스터는 전기적인 특성이 우수하고 기생 용량을 감소시켜 화면 떨림 현상을 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 유기 절연막 조성물은 유기 박막 트랜지스터에 적용시에는 유기 반도체층 형성을 위한 별도의 뱅크 공정을 필요로 하지 않아 공정 단순화를 통한 비용 절감이 가능하다.
또한 본 발명의 방법에 따른 박막 트랜지스터의 제조방법은 별도의 추가적인 공정 없이 한 번의 공정으로 이중 두께의 절연막을 형성할 수 있는 효과가 있다.
Claims (23)
- (a) 폴리실록산계 중합체;(b) 소수성 또는 친수성 조절제; 및(c) 용매를 포함하는 유기 절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리실록산계 중합체가 접촉각이 50도 이상인 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리실록산계 중합체가 하기 화학식 1 내지 3으로 표시되는 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유기 실란화합물 단독, 또는 이들의 혼합물을 가수분해 및 축합반응하여 얻어지는 유-무기 하이브리드 물질인 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.[화학식 1]SiX1X2X3X4[화학식 2]R1SiX1X2X3[화학식 3]R1R2SiX1X2상기 화학식 1 내지 3에서,X1, X2, X3 및 X4는 각각 독립적으로 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 이 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이고,R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자; 할로겐 원자; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택된다.
- 제 3항에 있어서, 상기 폴리실록산계 중합체는 상기 유기 실란계 화합물을 가수분해 및 축합반응하여 얻어지는 유-무기 하이브리드 물질의 히드록시기 말단을 하기 화학식 4 내지 6 중 어느 하나의 식으로 표시되는 화합물로 처리하여 캐핑(capping)시킨 중합체인 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물:[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 4 내지 6에서,R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7 및 R8은 각각 독립적으로 수소원자; 히드록시기; 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알킬기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알케닐기; 치환 또는 비치환된 C2-C20의 알키닐기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴알킬기; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되며, 이 중 적어도 하나는 가수분해 가능한 작용기이고,X1 및 X2는 각각 독립적으로 할로겐 원자; 치환 또는 비치환된 C1-C20의 알콕시기; 치환 또는 비치환된 C6-C20의 아릴옥시기로 이루어진 군으로부터 선택되고,n은 0 내지 50의 정수이다. - 제 1항에 있어서, 상기 소수성 또는 친수성 조절제는 폴리비닐부티랄,비닐메톡시실록산 공중합체, 및 폴리(3-(메타크릴록시옥시프로필)실록산으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 용매는 지방족 탄화수소 용매, 방향족계 탄화수소 용매, 케톤계 용매, 에테르계 용매, 아세테이트계 용매, 알콜계 용매, 아미드계 용매, 실리콘계 용매 및 상기 용매들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물이(a) 폴리실록산계 중합체 100 중량부:(b) 소수성 또는 친수성 조절제 0.7 내지 7 중량부;(c) 용매 100 내지 400 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
- 전극이 형성된 기판 위에 상기 기판과 상기 전극 양자에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 절연막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 유기 절연막 조성물로서 제 1항 내지 제 7항 중 어느 하나의 항의 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 절연막 형성 단계가상기 유기 절연막 조성물을 코팅하는 단계; 및코팅 후 소프트 베이킹 및 하드 베이킹하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 절연막 코팅 단계가 유기 절연막 조성물을 스핀코팅, 딥코팅, 롤코팅, 스크린 코팅, 분무코팅, 흐름코팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 또는 드롭캐스팅에 의해 코팅하는 단계임을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법
- 제 8항에 있어서, 상기 기판이 유리 기판, 실리콘 기판 또는 플라스틱 기판임을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 전극이 금, 은, 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 티타늄, 니켈, 은, 탄탈륨, 텅스텐, 네오디뮴으로 구성되는 군에서 선택되는 단일 금속 물 질 및 이들의 합금, 인듐팀옥사이드, ITO, IZO, ZnO 및 In2O3와 같은 금속산화물; 및 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylene vinylene) 및 PEDOT(polyethylenedioxythiophene)/PSS(polystyrenesulfonate) 혼합물과 같은 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 방법이 절연막 조성물의 소수성 또는 친수성 첨가제의 농도를 조절함으로써 절연막의 두께 차이를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막의 제조방법.
- 제 8 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된 이중 두께를 갖는 유기 절연막.
- 제 15항에 있어서, 상기 절연막이 전극 윗 부분의 두께가 기판 윗 부분의 두께보다 얇아서 두께 단차를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막.
- 제 16항에 있어서, 상기 절연막이 전극 윗 부분의 두께와 기판 윗 부분의 두 께의 차이가 1000 내지 5000 Å인 것을 특징으로 하는 이중 두께를 갖는 유기 절연막.
- 제 15항 내지 제 17항 중 어느 하나의 항의 유기 절연막을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 제 18항에 있어서, 상기 박막 트랜지스터가 실리콘 박막트랜지스터 또는 유기 박막트랜지스터인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
- 제 19항에 있어서, 상기 유기 박막 트랜지스터는 바텀 컨택형, 탑 컨택형 또는 탑 게이트형 구조인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터.
- 유기 박막 트랜지스터를 제조함에 있어서,게이트 전극이 형성된 기판 위에 상기 기판과 상기 게이트 전극에 대해서 동일하거나 유사한 정도의 소수성 또는 친수성을 갖는 유기 절연막 조성물을 코팅하여 이중 두께를 갖는 게이트 절연막을 형성하는 단계;상기 게이트 절연막의 두께 단차에 의해 형성된 홈의 저부에 유기반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제 18항 내지 제 20항 중 어느 하나의 항에 의한 박막 트랜지스터를 포함 하는 표시소자.
- 제 18항 내지 제 20항 중 어느 하나의 항에 의한 박막 트랜지스터를 포함하는 전자소자.
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