KR20090083039A - 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 투명 게이트 전극제조 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자를 개시한다. 본 발명은 화학 처리를 통해 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 수용액을 제공하는 단계, 고분자 기판을 처리하여 상기 고분자 기판의 표면을 아민기로 기능화 하는 단계 및 상기 고분자 기판에 게이트 전극에 해당하는 상기 탄소나노튜브 박막을 형성하기 위해, 상기 탄소나노튜브 수용액에 상기 아민기로 기능화된 고분자 기판을 넣고 미리 설정된 시간 동안 유지시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면 간단한 공정으로 원하는 밀도의 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
탄소나노튜브, 전계효과소자, 게이트 전극, 소스, 드레인, 기능화
Description
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 투명 게이트 전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 상에 전극 기능을 하는 탄소나노튜브 박막을 안정적으로 형성할 수 있는 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자에 관한 것이다.
전계효과소자는 게이트 전극에 전압을 걸어 채널의 전계에 의하여 전자 또는 홀이 흐르는 게이트가 생기는 원리를 이용하여 소스, 드레인의 전류를 제어하는 소자이다.
기존의 전계효과소자 제조에서 게이트 전극은 대체로 투명 ITO (Indium Tin Oxide)을 이용하였는데 이 물질은 현재 희소원소를 기반으로 합성되기 때문에 앞으로의 활용에 제한이 있다.
따라서 이를 매우 낮은 농도의 탄소나노튜브 박막으로 대체하여 투명하면서 높은 전기 전도도를 얻기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
탄소나노튜브(carbon nanotube)는 기계적, 화학적 특성이 좋으며, 수 나노미터 또는 수십 나노미터의 직경에서 마이크로미터 단위로 길게 형성시킬 수 있으며, 전기적 도전성이 우수하여 전자 소자로서의 응용성이 매우 뛰어나다.
또한, 탄소나노튜브는 매우 얇은 막을 형성할 뿐만 아니라 유연성이 뛰어나 소자의 재료로서 주목을 받고 있으며, 이에 탄소나노튜브를 다양한 소자에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
탄소나노튜브는 아크 방전법, 레이저 용발법, 촉매를 이용한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition), 스크린 프린팅, 스핀 코팅 방법에 의해 제조되고 있으며, 현재 탄소 나노튜브의 제조법은 널리 알려져 있다.
이러한 탄소나노튜브를 이용하여 소자용 전극을 형성하는데 있어, 종래기술의 대부분은 계면 활성제를 이용하거나 단순히 초음파를 이용한다.
그러나, 이러한 방법은 탄소나노튜브의 제한적인 분산만을 가능하게 하며, 또한 이러한 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 박막의 균일도와 분산도가 낮은 문제점이 있다.
나아가 종래기술에 따른 방법은 계면 활성제를 차후에 제거하는 후처리가 필요하여 공정이 복잡해지는 문제점이 있을 뿐만 아니라 공정 중에 인체에 유해한 극성 용매를 사용하기 때문에 위험성을 내포하고 있다.
따라서, 종래에는 기판을 포함한 다른 재료들과의 연구 및 개발에 제한이 있었으며, 탄소나노튜브 박막의 농도 및 탄소나노튜브의 밀도 제어가 어려운 문제점 이 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 전계효과소자의 투명 게이트 전극을 형성할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 투명 게이트 전극 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 공정으로 원하는 밀도의 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있는 방법 및 이에 의해 제조된 전계효과소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법에 있어서, (a) 화학 처리를 통해 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 수용액을 제공하는 단계; (b) 고분자 기판을 처리하여 상기 고분자 기판의 표면을 아민기로 기능화 하는 단계; 및 (c) 상기 고분자 기판에 게이트 전극에 해당하는 상기 탄소나노튜브 박막을 형성하기 위해, 상기 탄소나노튜브 수용액에 상기 아민기로 기능화된 고분자 기판을 넣고 미리 설정된 시간 동안 유지시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 탄소나노튜브를 이용한 소자용 전극 제조 방법에 있어서, (a) 탄소나노튜브를 산성 용액에 넣고 미리 설정된 시간 동안 화학 처리하여 상기 탄소나노튜브를 기능화하는 단계; (b) 상기 화학 처리후 불순물을 제거하는 단계; (c) 상기 불순물의 제거 후 상기 기능화된 탄소나노튜브를 세척하고, 진공 조건하에서 건조시키는 단계; 및 (d) 상기 건조된 탄소나노튜브를 정제된 물에 분산시킨 수용액을 제공하는 단계를 포함하되, 상기 탄소나노튜브 수용액에 고분자 기판이 침지되어 상기 고분자 기판 상에 전극에 해당하는 탄소나노튜브 박막이 형성되는 탄소나노튜브를 이용한 전극 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전계효과소자에 있어서, 아민기로 기능화된 고분자 기판; 화학 처리를 통해 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 수용액 조건 하에서 아민기로 기능화된 고분자 기판 상에 형성되며, 미리 설정된 투명도 및 저항을 갖는 탄소나노튜브 박막-상기 탄소나노튜브 박막은 게이트 전극으로 기능함-; 상기 게이트 전극을 보호하는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층 상에 형성되는 소스-드레인 전극을 포함하는 전계효과소자가 제공된다.
본 발명에 따르면, 산성 용액을 이용한 화학 처리를 통해 균일도 및 분산도가 높은 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 기능화된 탄소나노튜브 수용액에 아민기로 기능화된 고분자 기판을 소정 시간 동안 침지시켜 고분자 기판 상에 원하는 투명도 및 저항을 갖는 탄소나노튜브 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 게이트 전극 제조 과정의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 과정의 개략도이다.
본 발명은 계면활성제 없이 탄소나노튜브를 이용하여 원하는 투명도 및 저항을 갖는 소자용 전극을 제조하는 방법이다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막은 전계효과소자용 게이트 전극으로뿐만 아니라, 높은 투과율이 요구되는 여러 소자에 응용 가능하며 특히 차세대 플렉서블 디스플레이의 주요 구성요소로 응용될 수 있다. 또한, 단순히 전계효과소자의 게이트 전극이 아닌 코팅제, 지지대, 전선 등으로 동시 응용이 가능하나 하기에서는 설명의 편의를 위해 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막이 전계효과소자용 게이트 전극으로 응용되는 경우를 중심으로 설명한다.
본 발명에 따르면, 고분자 기판 상에 도 1 내지 도 2와 같은 과정을 통해 게이트 전극으로 기능하는 탄소나노튜브 박막을 형성한다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브가 분산된 수용액이 제공된다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 소정 질량의 탄소나노튜브가 산성 용액을 통해 소정 시간 동안 화학 처리된다(단계 100).
상기한 산성 용액은 황산과 질산의 혼합 용액일 수 있으며, 황산 및 과산화수소 혼합 용액일 수 있다.
본 실험에 있어서, 0.05g의 탄소나노튜브가 4:1의 부피비를 갖는 80ml(농도 95%)의 황산 및 20ml(농도 70%)의 질산이 혼합된 용액에 침지되며, 이후 sonicator(초음파 처리기)를 이용하여 3시간 동안 화학 처리된다.
본 발명에 따른 화학 처리를 통해 도 2에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브는 카르복실기(-COOH)로 기능화된다.
본 발명에 따르면, 산성 용액을 이용한 화학 처리에 의해 기능화된 탄소나노튜브가 하기에서와 같이 고분자 기판에 전극에 해당하는 탄소나노튜브 박막을 형성하게 된다.
이후, 화학 처리된 용액의 여과가 수행된다(단계 102).
단계 102에서, 여과는 200nm 기공(pore) 사이즈를 갖는 테플론 필터를 이용하여 이루어지며, 테플론 필터를 통해 황산, 질산 및 탄소 불순물이 제거된다.
다음으로, 걸러진 탄소나노튜브를 분산시킨다(단계 104).
단계 104에 있어서, 걸러진 탄소나노튜브의 세척, 진공 조건 하에서의 건조 및 정제된 물에 분산시키는 과정이 수행되며, 이러한 과정을 적어도 한번 반복한다.
상기한 과정을 통해 물속에 탄소나노튜브가 완전히 분산된 수용액(CNT solution)을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면 고분자 기판에 대해 소정 처리를 하여 아민기로 기능화한다(단계 106).
본 발명에 있어서, 고분자 기판(20)은 폴리에틸렌설포네이트(Polyethylenesulfonate, 이하, ‘PES'라 함) 기판일 수 있다.
PES 기판 표면을 아민기로 기능화하기 위해, PES 기판을 5분간 오존분위기 하에서 UV 처리하고, 도 2에 도시된 바와 같이 이를 아미노프로필트리메톡시실란(aminopropyltriethoxysilane, 이하 ‘APS'라 함) 수용액에 3시간 동안 담근다.
이때, PES 기판 표면의 산소 분자는 APS 분자와 만나 PES 기판 표면을 아민기(-NH2)로 기능화한다.
이후, 아민기로 기능화된 고분자 기판(20)을 단계 100 내지 104를 통해 제공된 탄소나노튜브 수용액에 넣고 미리 설정된 시간동안 유지시킨다(단계 106).
본 발명에 따르면, 고분자 기판의 담금 시간을 미리 설정된 시간 이상 동안 유지하는 경우에 원하는 투명도 및 저항을 갖는 탄소나노튜브 박막(도 2의 밝은 부분)이 고분자 기판 상에 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전계효과소자에 있어 고분자 기판(20)에 형성된 탄소나노튜브 박막(21)은 게이트 전극으로 기능할 수 있으며, 탄소나노튜브 박막(21) 위에는 게이트 절연층(22)이 형성된다.
게이트 절연층(22)은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 코팅을 통해 형성될 수 있다.
게이트 절연층(22) 상에 채널부(23)가 형성되며, 채널부(23) 상에 소스-드레인 전극(24)이 증착 공정을 통해 형성된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막(21)은 소정의 투명도 및 저항을 가지면서 게이트 전압의 인가에 의해 소스-드레인 전극 사이에 전류가 이동할 수 있도록 하 며, 또한 유연성을 가지고 있어 플렉서블 디바이스에 적용될 수 있다.
원하는 특성을 갖는 탄소나노튜브 박막은 상기한 단계 108에서 미리 설정된 시간 이상 동안 담금 시간이 유지되어야 형성될 수 있다.
이를 확인하기 위해, 단계 108에서의 담금 시간을 40분, 60분, 120분으로 달리하여 실험이 수행되었다.
도 4는 고분자 기판의 담금 시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지이다.
고분자 기판 상에 밝은 부분으로 표시되는 탄소나노튜브 박막의 밀도가 높을수록 탄소나노튜브 박막이 게이트 전극으로 활용될 수 있다.
도 4를 참조하면 담금 시간이 길어질수록 고분자 기판 상에 원하는 밀도의 탄소나노튜브 박막이 형성된다는 점을 확인할 수 있다.
한편, 120분이 경과한 시점에서는 탄소나노튜브 박막의 밀도가 크게 차이가 나지 않는다.
도 5는 담금 시간이 12시간이 경과한 후의 탄소나노튜브 박막의 AFM 이미지로서, 12시간이 경과한 때의 탄소나노튜브 박막의 밀도가 120분이 경과한 시점의 밀도의 크게 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다.
고분자 기판을 탄소나노튜브 수용액에 적어도 120분 이상 담구고 있어야 원하는 밀도의 탄소나노튜브 박막이 형성되며 또한 해당 박막이 원하는 저항을 갖게 된다.
도 6은 고분자 기판의 담금 시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 전류/전압 특 성을 도시한 것이다.
도 6a 내지 6c는 담금 시간이 각각 40분, 60분, 120분으로 유지된 상태에서 형성된 탄소나노튜브 박막을 갖는 고분자 기판의 양끝(1cm) 사이의 전류/전압 특성을 분석한 것이다.
도 6a 내지 6c를 살펴보면, 담금 시간이 증가할수록 탄소나노튜브 박막의 저하(표면 저항)감소함을 확인할 수 있다.
즉, 담금 시간이 40분인 경우의 탄소나노튜브 박막의 저항은 1.411E+9(109)Ω, 60분인 경우의 저항은 7.810E+8(108)Ω, 120분인 경우의 저항은 1.835E+8(108)Ω로 담금 시간 증가와 표면 저항은 반비례 관계를 가진다.
일반적으로 게이트 전극이 낮은 저항일수록 유리한 점을 고려하면, 상기한 저항 중 담금 시간이 120분이 경과한 경우에 형성된 탄소나노튜브 박막이 게이트 전극으로 응용될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막이 게이트 전극으로 응용된 경우의 게이트 전압에 따른 소스-드레인 전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 전류 파라미터 분석기(current parameter analyzer, HP-4140B)를 이용하여 측정된 결과이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 게이트 전압에 따라 소스-드레인 사이의 전류 흐름이 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막이 게이트 전극으로 기능하고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 투명 전극은 소정의 투명도 및 저항을 가지고 잇어 높은 투과율이 요구되는 소자에 응용이 가능하며, 특히 차세대 플렉서블 디스플레이의 전극으로 응용이 가능하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 게이트 전극 제조 과정의 순서도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 과정의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 전계효과소자의 개략도.
도 4는 고분자 기판의 담금 시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 AFM(Atomic Force Microscope) 이미지.
도 5는 담금 시간이 12시간이 경과한 후의 탄소나노튜브 박막의 AFM 이미지.
도 6은 고분자 기판의 담금 시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 전류/전압 특성을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 박막이 게이트 전극으로 응용된 경우의 게이트 전압에 따른 소스-드레인 전류 특성을 도시한 그래프.
Claims (11)
- 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법에 있어서,(a) 화학 처리를 통해 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 수용액을 제공하는 단계;(b) 고분자 기판을 처리하여 상기 고분자 기판의 표면을 아민기로 기능화 하는 단계; 및(c) 상기 고분자 기판에 게이트 전극에 해당하는 상기 탄소나노튜브 박막을 형성하기 위해, 상기 탄소나노튜브 수용액에 상기 아민기로 기능화된 고분자 기판을 넣고 미리 설정된 시간 동안 유지시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계는 상기 탄소나노튜브를 황산 및 질산의 혼합 용액에 넣고 sonicator를 이용하여 미리 설정된 시간 동안 화학 처리하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 황산과 질산의 부피 비는 4:1인 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제2항에 있어서,상기 (a) 단계는 상기 화학 처리가 완료된 후, 소정의 기공 사이즈를 갖는 테플론 필터를 이용하여 황산, 질산 및 탄소 불순물 중 적어도 하나를 여과하는 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제4항에 있어서,상기 (a) 단계는,상기 불순물의 여과 후 상기 기능화된 탄소나노튜브를 세척하고, 진공 조건하에서 건조시키는 단계;상기 건조된 탄소나노튜브를 정제된 물에 분산시키는 단계; 및상기 a1 내지 a2 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계는 상기 탄소나노튜브를 황산 및 과산화수소의 혼합 용액에 넣고 sonicator를 이용하여 미리 설정된 시간 동안 화학 처리하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 고분자 기판은 PES(Polyethylenesulfonate)이며,상기 (b) 단계는,상기 PES 기판을 오존 분위기 하에서 UV 처리하는 단계; 및상기 PES 기판을 APS(aminopropyltriethoxysilane) 수용액에 넣고 미리 설정된 시간동안 유지시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계에서, 상기 고분자 기판의 담금 시간은 적어도 120분 이상 유지되는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계에 의해 형성된 탄소나노튜브 박막은 미리 설정된 투명도 및 저항을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 전계효과소자용 게이트 전극 제조 방법.
- 탄소나노튜브를 이용한 소자용 전극 제조 방법에 있어서,(a) 탄소나노튜브를 산성 용액에 넣고 미리 설정된 시간 동안 화학 처리하여 상기 탄소나노튜브를 기능화하는 단계;(b) 상기 화학 처리후 불순물을 여과하는 단계;(c) 상기 불순물의 여과 후 상기 기능화된 탄소나노튜브를 세척하고, 진공 조건하에서 건조시키는 단계; 및(d) 상기 건조된 탄소나노튜브를 정제된 물에 분산시킨 수용액을 제공하는 단계를 포함하되,상기 탄소나노튜브 수용액에 고분자 기판이 침지되어 상기 고분자 기판 상에 전극에 해당하는 탄소나노튜브 박막이 형성되는 탄소나노튜브를 이용한 전극 제조 방법.
- 전계효과소자에 있어서,아민기로 기능화된 고분자 기판;화학 처리를 통해 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 수용액 조건 하에서 아민기로 기능화된 고분자 기판 상에 형성되며, 미리 설정된 투명도 및 저항을 갖는 탄소나노튜브 박막-상기 탄소나노튜브 박막은 게이트 전극으로 기능함-;상기 게이트 전극을 보호하는 게3이트 절연층 및상기 게이트 절연층 상에 형성되는 소스-드레인 전극을 포함하는 전계효과소자.
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