KR20080073943A - 유기 박막 트랜지스터 절연막 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 절연물 및 유기 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 표면 에너지 특성 및 평탄도가 우수하여 별도의 표면처리가 필요없는 유기 절연물 및 그 제조방법과, 그 유기 절연물을 게이트 절연막으로 사용한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유기 박막 트랜지스터, OTFT, 절연 물질, 게이트 절연막

Description

유기 박막 트랜지스터 절연막 및 그 제조 방법{Dielectric layer of organic thin film transistor and manufacturing method thereof}
도1a 내지 도1e는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타내다.
도2는 본 발명에 따른 유기 절연물의 절연 특성을 나타내는 그래프이다.
도3은 본 발명의 유기 절연물을 사용한 트랜지스터 소자의 전류 전달특성 곡선이다.
※도면의 주요 부분에 대한 설명※
11 : 투명 기판 12 : 게이트 전극
13 : 게이트 절연막 14 : 소스 및 드레인 전극
15 : 유기 반도체층
본 발명은 유기 절연물 및 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명은 표면 에너지 특성 및 평탄도가 우수하여 별도의 표면처리가 필요없는 유기 절연물 및 그 제조방법과, 그 유기 절연물을 게이트 절연막으로 사용한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 위성 및 디지털 방송이 본격적으로 추진되면서 고해상도를 갖는 대형 화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함으로서 평판디스플레이에 대한 기대와 역할이 매우 중요시되고 있다. 이와 아울러 고해상도를 가지면서도 고휘도, 고선명한 화상정보에 대한 요구가 더욱 강해지고 있고 이에 부합되는 대화면의 액정디스플레이(Liquid crystal display), 플라즈마 디스플레이(Plasma display)등에 대한 연구와 투자가 활발히 이루어지고 있다. 특히 이상적인 디스플레이로 생각되는 유기전계발광 디스플레이(Organic light emitting display)에 대한 관심이 높아지면서 최근에 대화면 구현을 위한 AMOLED (active matrix OLED)에 대한 연구와 투자 역시 활발히 진행되고 있다.
차세대 디스플레이로 주목받고 있는 플렉서블 디스플레이를 구현하기 위한 백플레인 기술로서 OTFT에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 하지만 현재까지 유기물의 안정성과 수명의 한계로 인해 안정적인 소자성능 구현에 많은 어려움을 겪고 있는 상황이다.
특히 안정적인 소자성능 확보를 위해서는 반도체층(active layer)과 게이트 절연막 간의 인터페이스를 적절하게 조절하는 것이 매우 중요한 인자이고 성능이 뛰어난 유기절연막 및 보호막 재료에 대한 확보도 중요한 인자이다.
종래에는 실리콘 토대의 소자들에 적용해왔던 무기재료를 그대로 이용할 수 도 있으나, 박막증착이 아닌 저가의 프린팅 공정 및 저온프로세서가 적용 가능하여 플라스틱 기판에 연속적인 공정으로 TFT를 형성할 수 있는 장점이 있는 솔러블 유기 게이트 절연막이 요구된다.
종래의 유기절연막으로는 폴리이미드, 포토 아크릴레이트, BCB (benzocyclobutene)등이 소개되었으나 기존 무기절연막의 성능을 넘지는 못하였다.
현재까지 완성된 이론은 없으나 대체적으로 유기 박막 트랜지스터의 반도체층(active layer)과 게이트 절연막 간의 인터페이스는 가능한 평탄하면서 소수성을 갖는 것이 우수한 소자특성을 나타내는 것으로 보고되고 있다.
이와 더불어 공정 편의성을 위해 감광성 재료로 구성된 유기절연막 재료에 대한 개발도 이루어지고 있으나 고분자 조성물에 함유되는 가교제 및 광개시제등의 이온화합물들이 궁극적으로 소자의 안정성을 떨어뜨리는 요인으로 작용하는 문제로 인해 점차 2+2 싸이클로 첨가(cycloaddition)와 같이 순수 광 반응(photo reaction)을 이용하는 재료의 설계가 많아지고 있다.
유기 반도체층과 유기 절연막 사이에 낮은 표면 에너지를 만들기 위해 포면에 OTS(octadecyltrichlorosilane)과 같은 처리를 하여 소수성 표면을 형성하고 있다. 이를 위해서는 별도의 처리기구가 필요하고 공정별로 재현성 문제등 여러가지 변수들에 대한 제어가 중요하고 공정 수도 증가하는 어려움이 있다.
위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 물질 또는 유기 박막 트랜지스터 소자가 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 OTS와 같은 별도의 표면처리 없이도 낮은 표면에너지를 가지면서 뛰어난 절연특성을 보이는 불소계 고분자화합물을 이용한 유기 절연막 조성물 및 이를 적용한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 불소기가 도입된 열경화성 및 광경화성 물질을 이용하여 고성능의 절연특성 및 낮은 표면에너지를 가지는 유기 절연막을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 2 + 2 광반응(photo reaction)을 이용하여 경화가 가능한 재료를 적용함으로서, 공정을 단순화시키고 및 저온공정으로 절연막을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 개선된 양산성과 저가공정으로 고신뢰성의 대면적 평판디스플레이를 제작하는데 획기적인 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유기 절연막 재료는 다음 화학식 1과 같은 분자구조를 갖는 다.
(화학식 1)
Figure 112007011548000-PAT00001
위 재료의 합성은 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴)다이페놀((hexafluoroisopropylidene)diphenol)과 과량의 펜타플루오로페닐설파이드(pentafluorophenylsulfide)를 혼합하여 친핵성 방향족 치환반응 (nucleophilic aromatic substitution reaction)을 통해 주분자 골격을 형성한 다음, 불화 에테닐옥시페놀(fluorinated ethenyloxyphenol)을 이용하여 엔드 캐핑(end capping)하여 형성한다.
본 발명에 따른 유기 절연막 재료는 2 + 2 싸이클로 첨가 광반응(cycloaddition photo reaction)이 가능하도록 합성한 재료이다. (화학식 1)과 같은 유기 절연물에 자외선을 가하면 두 개의 이중결합이 광에 노출이 되면 각각의 파이전자가 만나서 하나의 고리를 형성하는 반응을 한다. 즉, (화학식 1)의 물질에 자외선을 가하면 말단에 있는 불소기가 함유된 이중결합 2개가 각각 만나서 반응을 함으로서 싸이클로부탄(cyclobutane) 고리를 형성하는 반응이 일어나면서 경화된다.
조사하는 자외선은 300 ~ 400 nm 범위의 파장을 사용하고, 조사량은 1 ~ 50 mJ/cm2 범위를 사용할 수 있다. 조사하는 자외선의 조사량은 실시예에 따라 달라질 수 있다.
본 발명에 따른 (화학식 1)의 유기 절연막 재료는 열경화도 가능한 재료이다.
(화학식 1)대신에 다음 (화학식 2)의 유기 절연막도 게이트 절연막으로 사용할 수 있다.
(화학식 2)
Figure 112007011548000-PAT00002
위 (화학식 2) 재료의 합성은 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴)다이페놀((hexafluoroisopropylidene)diphenol)과 과량의 펜타플루오로페닐설파이드(pentafluorophenylsulfide)를 혼합하여 친핵성 방향족 치환반응 (nucleophilic aromatic substitution reaction)을 통해 주분자 골격을 형성한 다음, 에틸닐페놀(ethylnylphenol)을 엔드 캡핑(end capping)하여 형성한다.
상기 (화학식 2)의 물질은 종래에 광도파로(optical waveguide)의 코어재료 로 사용되는 재료이나, 본 발명에서는 이를 유기 박막 트랜지스터의 게이트 절연막으로 사용한다.
(화학식 2)의 유기 절연막 재료는 열경화에 의해 경화시킬 수 있다.
도1a 내지 도1e는 본 발명에 따른 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 나타내다. 도1a 내지 도1e에서는 탑 컨택 구조의 유기 박막 트랜지스터의 제조 방법을 예로 들었으나, 본 발명에 따른 유기 절연막은 바텀 컨택 등 다른 구조의 유기 박막 트랜지스터에도 적용될 수 있다.
먼저 도1a와 같이 투명 기판(11)에 메탈을 증착하고 패터닝 공정을 통해 게이트 전극(12)을 형성한다.
도1b와 같이 그 위에 게이트 절연막(13)으로 화학식 1 또는 화학식 2의 물질을 도포한 다음, 도1c와 같이 게이트 절연막(13) 위에 메탈을 전면 증착한 후 포토리소그래피를 통해 소스 및 드레인 전극(14)을 형성한다.
그리고 나서, 도1d와 같이 열 이베포레이터(thermal evaporator) 장비를 이용하여 쉐도우 마스크로 소스 및 드레인 전극(14) 사이에 유기 반도체층(15)을 형성한다. 유기 반도체층(15)으로는 펜타센 등을 사용할 수 있다.
추가 공정으로 공정으로 소자를 보호하기 위한 보호막을 다양한 방법으로 형성하고 이 역시 PR 마스크를 통하여 패드를 오픈함으로서 소자제작 공정이 완료된다.
본 발명에 따른 (화학식 1)의 유기 절연막의 표면 조도(roughness)를 AFM 이미지를 통해 측정한 결과, 3.7 RMS로 매우 뛰어난 계면의 표면 조도를 나타내었다.
또한, 본 발명에 따른 (화학식 1)의 유기 절연막의 절연특성을 측정하기 위하여 (화학식 1)의 물질을 유기용매(PGMEA, Cycylohexanone etc.)에 녹인 다음, 실리콘 웨이퍼 위에 적절한 두께로 스핀 코팅하고 얻어진 막을 250도 핫 플레이트 위에서 60분동안 열경화하여 막을 형성하였다.
형성된 막 위에 전극으로 Al을 1,000 Å두께로 증착하여 MIS(Metal/insulator/semiconductor) 구조의 소자를 제작하였다. 제작한 소자의 전압에 따른 누설전류(voltage dependence of leakage current)를 측정하기 위하여 HP4145B 측정기를 이용하여 측정하여 도2와 같은 그래프를 얻었다.
도2에 도시된 바와 같이, 20 V에서도 2.2 x 10-10 A 내외의 낮은 전류로 절연특성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 (화학식 1)의 유기 절연막을 이용하여 탑 컨택 구조의 유기박막 트랜지스터를 제작하였다. 즉, 세정된 ITO가 코팅된 유리기판에 게이트 전극을 형성하고 그 위에 (화학식 1)의 유기 절연막 코팅액을 스핀 코팅법으로 3,000 rpm에서 4,000 Å두께로 코팅한 후, 200도에서 60분간 열경화하여 유기절연막을 형성하였다.
그 위에 펜타센을 열 이베포레이션 (thermal evaporation)법으로 진공도 2 X 10-7 torr, 기판온도 50 도, 증착비 1.0 Å/sec의 조건으로 1,500 Å두께로 증착하였다.
위와 같이 제작된 소자를 HP4145B 측정기를 이용하여 도3과 같은 로그 플롯(log plot)의 전류 전달특성 곡선을 얻었다. 소자의 소스 단자는 접지시키고, 게이트 단자의 전압을 변화시키면서 측정하였다.
도3에 도시된 바와 같이, VGS를 +40V에서 -40V로 감소시키면서 IDS를 측정하여 forward 곡선을 얻고, 다시 -40V에서 +40V로 증가시키면서 IDS를 측정하여 backward 곡선을 얻었다.
또한, 위와 같이 제작된 소자의 특성을 HP4145B 측정기를 이용하여 측정한 결과, 전자 이동도(mobility)는 0.3~0.5 cm2/Vs, 오프 전류(Ioff)는 10-8~10-9 A, 온 전류대 오프 전류비(Ion/Ioff)는 104 이상으로 안정된 트랜지스터 특성을 나타내었다.
본 발명에 따른 유기 절연물질 및 제조방법을 이용하면 별도의 표면처리 과정없이 절연막 자체의 표면에너지가 낮고 소수성 계면을 제공하는 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
본 발명의 유기 절연물질 및 제조방법에 따르면, 공정 수를 줄이면서 안정적 으로 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 유기 절연물질 및 제조방법을 플렉서블 디스플레이 분야에 적용하여 고성능, 고신뢰성의 영상을 구현할 수 있다.

Claims (11)

  1. 다음 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 화합물.
    Figure 112007011548000-PAT00003
  2. 4,4'-(헥사플로오이소프로필리덴)다이페놀(hexafluoroisopropylidene)diphenol)과 펜타플루오로페닐설파이드(pentafluorophenylsulfide)를 친핵성 방향족 치환반응 (nucleophilic aromatic substitution reaction)시켜 주분자 골격을 형성하는 단계; 및
    상기 주분자 골격에 불화 에테닐옥시페놀(fluorinated ethenyloxyphenol)를 엔드 캡핑(end capping)하여 다음 화학식을 갖는 화합물을 생성하는 단계;
    Figure 112007011548000-PAT00004
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연물 제조방법.
  3. 투명 기판에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극을 덮도록 다음 화학식을 갖는 절연막을 코팅하는 단계;
    Figure 112007011548000-PAT00005
    상기 절연막을 경화시키는 단계;
    상기 절연물질 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 및 드레인 전극 사이에 유기 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연막을 코팅하는 단계는,
    상기 절연막을 용매에 녹이는 단계; 및
    상기 절연막이 녹은 용액을 스핀 코팅하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 절연막을 경화시키는 단계는,
    상기 절연막에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 절연막을 경화시키는 단계는,
    상기 절연막을 열 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  7. 투명 기판에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극을 덮도록 다음 화학식을 갖는 절연막을 코팅하는 단계;
    Figure 112007011548000-PAT00006
    상기 절연막을 경화시키는 단계;
    상기 절연물질 위에 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 소스 및 드레인 전극 사이에 유기 반도체층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연막을 코팅하는 단계는,
    상기 절연막을 용매에 녹이는 단계; 및
    상기 절연막이 녹은 용액을 스핀 코팅하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 절연막을 경화시키는 단계는,
    상기 절연막을 열 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터 제조방법.
  10. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극을 덮도록 코팅된 다음 화학식을 갖는 절연막;
    Figure 112007011548000-PAT00007
    상기 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극; 및
    상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성된 유기 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
  11. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극을 덮도록 코팅된 다음 화학식을 갖는 절연막;
    Figure 112007011548000-PAT00008
    상기 절연막 상에 형성된 소스 및 드레인 전극; 및
    상기 소스 및 드레인 전극 사이에 형성된 유기 반도체층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
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KR101148384B1 (ko) * 2009-11-26 2012-05-21 삼성전기주식회사 기판 형성용 조성물, 및 이를 이용한 프리프레그 및 기판

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