KR20090131313A - Spin cast ferroelectric beta poly(vinylidene fluoride) thin film via rapid thermal annealing - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 Au 기판 위에 스핀캐스팅된 α결정 또는 γ 결정의 PVDF(poly(vinyliden fluoride)) 박막을 β 결정의 PVDF 박막으로 전환하는 방법에 관한 기술이다. 스핀캐스팅된 PVDF박막은 α 결정 또는 γ 결정이 주를 이루는 구조로 되어 있어, 높은 강유전성을 발현하지 못하므로, 이러한 결정을 강유전성의 β 결정화하여야 비휘발성 메모리 소자 등에 사용 가능하다.The present invention relates to a method of converting a PVDF (poly (vinyliden fluoride)) thin film of α crystal or γ crystal spin cast on an Au substrate into a PVDF thin film of β crystal. Since the spincast PVDF thin film has a structure mainly composed of α crystal or γ crystal and does not express high ferroelectricity, the crystal is ferroelectric β crystallized before it can be used for a nonvolatile memory device.
비휘발성 메모리 분야에 사용되는 PVDF 또는 PVDF의 공중합체 P(VDF-TrFE)의 긴 매크로분자의 백본(back bone)을 따라 영구 전자 쌍극자의 쌍안정성(bistability)으로부터 유래하는 고분자 강유전성으로 인하여 PVDF 또는 P(VDF-TrFE)가 산업적인 관심을 받고 있다. 이러한 강유전성 고분자의 가장 큰 장점 중 하나로는 일반적인 유기 용매와 혼합되어 스핀캐스팅 공정에 의하여 쉽게 커패시터나 트랜지스터 같은 메모리유닛에 적용 가능하다는 점이다. PVDF or P due to the polymer ferroelectricity derived from the bistability of permanent electron dipoles along the backbone of the long macromolecules of PVDF or copolymer P (VDF-TrFE) of PVDF used in non-volatile memory applications (VDF-TrFE) is receiving industrial attention. One of the biggest advantages of the ferroelectric polymer is that it is easily mixed with a general organic solvent and can be easily applied to a memory unit such as a capacitor or a transistor by a spin casting process.
특히, 도 1을 참고하면, PVDF에 기반한 성공적인 전자소자(device)의 제조를 위해서는 PVDF의 컨피그래이션(configuration)의 3가지 타입의 결정 구조 중 TGTG 구조의 α결정, TTTG 구조의 γ결정에 비하여 우수한 극성을 나타내는 TTTT 시퀀스의 β결정 구조를 효과적으로 발현하도록 하는 것이 중요하다. PVDF와 PTrFE와의 공중합체 P(VDF-TrFE)는 불소의 첨가에 의하여 결정구조를 β 구조로 변화시켜주나, 매우 복잡하고 비용이 많이 소요되는 공정을 필요로 하므로 대량생산에는 적합하지 않다. 더구나, P(VDF-TrFE) 공중합체의 경우 큐리온도가 약 100℃로 PVDF의 큐리온도 170℃보다 너무 낮아, 고온에서 작동하는 소자에는 적합하지 않다.In particular, referring to FIG. 1, in order to manufacture a successful electronic device based on PVDF, among three types of crystal structures of PVDF configuration, an α crystal of TGTG structure and a γ crystal of TTTG structure may be used. It is important to effectively express the β crystal structure of the TTTT sequence showing excellent polarity. Copolymer P (VDF-TrFE) between PVDF and PTrFE changes the crystal structure into β structure by the addition of fluorine, but it is not suitable for mass production because it requires a very complicated and expensive process. Moreover, the P (VDF-TrFE) copolymer has a Curie temperature of about 100 ° C., which is too low than the Curie temperature of 170 ° C. of PVDF, and is not suitable for devices operating at high temperatures.
본 발명은 수백 나노미터 두께를 갖는 PVDF 박막의 β 결정화 방법에 관한 기술로서, 종래에도 극성 β 결정을 갖는 수 마이크론 두께의 PVDF 필름을 제조하기 위하여 기계적인 스테레칭, 전기폴링(electric polling), 가압(high compression), 흡습성염(hygroscopic salt), 에피택시(epitaxy), 용매증발(solvent evaporation) 등의 다양한 연구가 이루어졌으나, 30 V 이하의 작동 전압으로 운전되는 메모리 소자에 적합한 300 nm 이하의 PVDF 박막에서의 결정구조 변화를 가져오는 방법은 소수에 불과하였다. 이러한 마이크론 두께의 PVDF 박막의 β 결정화 방법은 나노 단위의 두께를 갖는 PVDF 박막의 β 결정화에는 적용할 수 없었다.The present invention relates to a method of β crystallization of PVDF thin films having a thickness of several hundred nanometers. In order to manufacture PVDF films having several micron thickness in the prior art, mechanical stretching, electric polling, and pressure are applied. Although various studies have been conducted on high compression, hygroscopic salts, epitaxy, solvent evaporation, etc., PVDF <300 nm is suitable for memory devices operating at operating voltages below 30 V. There are only a few ways to change the crystal structure in thin films. The β crystallization method of the PVDF thin film having a micron thickness could not be applied to the β crystallization of the PVDF thin film having a nano unit thickness.
본 발명과 같이 나노 두께를 갖는 PVDF 박막에서의 β결정화 방법에 관한 연구의 예로, Wang 등(J. Wang, H. Li, J. Liu, Y. Duan, S. Jiang, S. Yan, J. Am. Chem. Soc. 125, 1496(2003))은 매우 얇은 박막의 β 결정의 필름을 만들기 위하여 탄소가 진공으로 증착된 표면(carbon evaporated surface) 하에서 용융과 재결정에 의하여 제조하는 방법을 제시하였으나, 상기 Wang의 방법은 필름이 균일하게 제조되지 않아 커패시터 등의 전자 소자에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. As an example of the study on the β crystallization method in the nano-thick PVDF thin film as in the present invention, Wang et al. (J. Wang, H. Li, J. Liu, Y. Duan, S. Jiang, S. Yan, J. Am. Chem. Soc. 125, 1496 (2003) proposed a method for manufacturing by melting and recrystallization under a carbon evaporated surface in order to make a very thin film of β crystals. Wang's method is difficult to apply to electronic devices such as capacitors because the film is not uniformly manufactured.
산업적인 관점에서 보면, 스핀캐스팅에 의하여 대면적으로 균일하면서 β 결정구조를 갖는 PVDF 박막을 제조하는 방법이 필요하였으나, 아직까지 이러한 방법이 제시되지 않아 본 발명에 이르게 되었다.From an industrial point of view, there was a need for a method for producing a PVDF thin film having a β crystal structure with a large area uniformity by spin casting, but such a method has not been presented yet, leading to the present invention.
본 발명의 목적은 스핀캐스팅된 PVDF 박막에 있어서의 α 결정 또는 γ 결정 구조를 β 결정 구조로 변화시켜 강유전성을 발현하기 위한 스핀캐스팅된 PVDF 박막의 β결정화 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a β crystallization method of spincasted PVDF thin film for expressing ferroelectricity by changing the α crystal or γ crystal structure in the spincast PVDF thin film to β crystal structure.
또한, 본 발명의 목적은 PVDF 박막의 β 결정화 방법과 함께, α 결정 또는 γ 결정 형태 속에 β 결정이 일정한 패턴을 형성하도록 하는 방법을 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a method of forming a constant pattern of β crystals in α crystals or γ crystal forms together with the β crystallization method of PVDF thin films.
본 발명은 상기의 목적을 이루기 위하여,The present invention to achieve the above object,
α 또는 γ 결정 구조의 스핀캐스팅된 PVDF 박막을 강유전성 β 결정 구조로 전환하기 위한 방법에 있어서, 습도가 조절되는 분위기 하에서 Au 기판 위에 PVDF 용액을 스핀캐스팅하여 PVDF 박막을 제조하는 단계(I); 및 상기 스핀캐스팅된 PVDF 박막을 PVDF박막의 녹는점 이하의 설정 온도로 급속히 온도를 올려준 후, 일정 시간 온도를 유지시켜주는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 단계(II)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 RTA를 통한 스핀캐스팅된 PVDF 박막의 β 결정화 방법을 제공한다.A method for converting a spincast PVDF thin film having an α or γ crystal structure into a ferroelectric β crystal structure, comprising the steps of: (I) manufacturing a PVDF thin film by spincasting a PVDF solution on an Au substrate under a controlled humidity; And rapidly increasing the temperature of the spincasted PVDF thin film to a set temperature below the melting point of the PVDF thin film, followed by RTA (Rapid Thermal Annealing) step (II) for maintaining a predetermined temperature. It provides a β crystallization method of spincast PVDF thin film through RTA.
또한, 상기 단계(I)의 PVDF 용액은 극성 용매에 PVDF가 용해된 용액인 것이 바람직하다.In addition, the PVDF solution of step (I) is preferably a solution in which PVDF is dissolved in a polar solvent.
또한, 상기 극성용매로 DMF, DMSO 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the polar solvent is preferably any one of DMF and DMSO.
또한, 상기 단계(II)에서 급속열처리의 가온 속도가 30℃/분 이상인 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the heating rate of the rapid heat treatment in step (II) is 30 ° C./min or more.
또한, 상기 단계(II)에서 급속열처리 온도가 80~ 160℃인 것이 바람직하다.In addition, the rapid heat treatment temperature in the step (II) is preferably 80 ~ 160 ℃.
또한, 상기에서 제조된 PVDF 박막의 두께가 10 ~ 500 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 100 nm 이하인 것이 바람직하다.In addition, the thickness of the PVDF thin film prepared above is preferably 10 ~ 500 nm or less. In particular, it is preferable that it is 100 nm or less.
또한, 상기 습도가 5 ~ 20% 이하로 조절되는 것이 바람직하다.In addition, the humidity is preferably adjusted to 5 to 20% or less.
또한, 상기 단계(II)에서 RTA 시간이 2시간 이상인 것이 바람직하다.In addition, the RTA time in the step (II) is preferably 2 hours or more.
또한, 패턴화된 β 결정 구조의 PVDF 박막을 제조하기 위하여 본 발명은In addition, the present invention for producing a PVDF thin film having a patterned β crystal structure
α 또는 γ 결정 구조의 스핀캐스팅된 PVDF 박막을 β 결정이 일정한 패턴을 갖도록 패턴화된 β 결정 구조로 전환하기 위한 방법에 있어서, Au 기판의 표면에 자기조립박막(SAMs)이 형성된 부분과 형성되지 않은 부분으로 영역을 나누는 마이크로 패턴화 단계(I); 상기 자기조립박막에 의해 일정하게 마이크로 패턴화된 Au 기판 위에 PVDF 용액을 스핀캐스팅하여 PVDF 박막을 제조하는 단계(II); 및 상기 스핀캐스팅된 PVDF 박막을 PVDF박막의 녹는점 이하의 설정 온도로 급속히 온도를 올려주어 일정시간 동안 온도를 유지시켜주는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 단계(III)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스핀캐스팅된 PVDF 박막의 패턴화된 β 결정화 방법을 제공한다.A method for converting a spincast PVDF thin film having an? or? crystal structure into a? crystal structure in which? crystals have a constant pattern, wherein the self-assembled thin films (SAMs) are not formed on the surface of the Au substrate. Micro-patterning step (I) of dividing the region into unparted portions; (II) manufacturing a PVDF thin film by spincasting a PVDF solution on a uniformly micro-patterned Au substrate by the self-assembled thin film; And a rapid thermal annealing (RTA) step (III) of maintaining the temperature for a predetermined time by rapidly raising the temperature of the spincasted PVDF thin film to a set temperature below the melting point of the PVDF thin film. Provided is a method for patterning β crystallization of cast PVDF thin films.
또한, 상기 단계(II)의 PVDF 용액은 극성 용매에 PVDF가 용해된 것이 바람직 하다.In addition, the PVDF solution of step (II) is preferably PVDF dissolved in a polar solvent.
또한, 상기 극성용매로 DMF, DMSO 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the polar solvent is preferably any one of DMF and DMSO.
또한, 상기 단계(II)에서 급속열처리의 가온 속도가 30℃/분 이상인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the heating rate of the rapid heat treatment in step (II) is 30 ° C./min or more.
또한, 상기 단계(III)에서 급속열처리 온도가 80 ~ 160℃인 것이 바람직하다.In addition, the rapid heat treatment temperature in the step (III) is preferably 80 ~ 160 ℃.
또한, 상기에서 제조된 PVDF 박막의 두께가 10 ~ 500 nm 이하인 것이 바람직하다. In addition, the thickness of the PVDF thin film prepared above is preferably 10 ~ 500 nm or less.
또한, 상기 습도가 5 ~ 0% 이하로 조절되는 것이 바람직하다.In addition, the humidity is preferably controlled to 5 ~ 0% or less.
또한, 상기 자기조립박막이 말단에 극성기를 갖는 자기조립박막인 것이 바람직하다.In addition, the self-assembled thin film is preferably a self-assembled thin film having a polar group at the end.
또한, 상기 말단에 극성기를 갖는 자기조립박막의 말단기로서 카르복실기, 티올기, 히드록시기 중 어느 하나인 것이 바람직하다.The terminal group of the self-assembled thin film having a polar group at the terminal is preferably any one of a carboxyl group, a thiol group, and a hydroxyl group.
본 발명은 금 기판(Au Substrate) 위에 스핀캐스팅된 α 결정 또는 γ 결정구조의 PVDF 박막을 RTA(rapid thermal annealing, 급속열처리)을 통하여 강유전성의 β 결정 구조의 PVDF 박막으로 전환하는 방법을 제공함으로써, 스핀캐스팅 공정의 장점인 대면적으로 PVDF 박막의 제조가 가능하다는 점을 이용할 수 있다. 또한, 전형적인 바늘모양 마이크로 도메인으로 구성되는 β결정의 균일한 강유전성 PVDF 박막의 생산이 가능하다. 본 발명의 방법을 통해 제조된 160nm 두께의 β 결정 구조를 갖는 강유전성 PDVF 박막을 적용한 커패시터에서 잔류분극(remnant polarization) 약 7.0 μC/cm2, 항전압(coercive voltage)은 약 8 V였으며, 160℃까지 열적으로 안정하였다. FeFET에 적용한 경우 또한 ±20 V의 스위핑 전압, 102의 제로 게이트전압에서 드레인 전류 쌍안전성을 나타냈다.The present invention provides a method of converting a PVDF thin film of α crystal or γ crystal structure spin-cast onto a gold substrate (Au Substrate) into a ferroelectric β crystal PVDF thin film through rapid thermal annealing (RTA), Large area, which is an advantage of spin casting process, can be used to manufacture PVDF thin film. It is also possible to produce β crystal uniform ferroelectric PVDF thin films composed of typical needle-like microdomains. In the capacitor to which a ferroelectric PDVF thin film having a 160 nm-thick β crystal structure manufactured by the method of the present invention was used, the residual polarization was about 7.0 μC / cm 2 , the coercive voltage was about 8 V, and 160 ° C. Thermally stable until When applied to FeFET, it also shows drain current double safety at sweep voltage of ± 20 V and zero gate voltage of 10 2 .
본 발명에 의해 제조되는 강유전성 PVDF 박막을 포함하는 커패시터는 160℃의 고온에서도 작동 가능하며, 스윕전압 ±20 V를 인가하는 경우, 8 V 낮은 항전압(coercive voltage)과 7 μC/cm2의 잔류분극을 나타냈다. The capacitor including the ferroelectric PVDF thin film manufactured by the present invention can operate at a high temperature of 160 ° C, and when a sweep voltage of ± 20 V is applied, 8 V low coercive voltage and residual of 7 μC / cm 2 Polarization is indicated.
본 발명에서는 습도가 제어된 상태에서 PVDF용액을 스핀캐스팅한 후 PVDF의 용융점 이하의 설정 온도까지 30℃/분의 가온속도로 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)에 의해 α 결정 또는 γ 결정 구조의 PVDF 박막을 β 결정 구조의 PVDF 박막으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, after the PVDF solution is controlled in a controlled humidity state, the α crystal or γ crystal structure is formed by rapid thermal annealing (RTA) at a heating rate of 30 ° C./min to a set temperature below the melting point of the PVDF. The PVDF thin film is characterized by changing into a PVDF thin film having a β crystal structure.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 살펴본다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples.
실험예Experimental Example 1 : One : GIRASGIRAS 측정을 통한 β 결정 구조 확인 실험 Experiment to confirm β crystal structure through measurement
Mw = 180000 g/mol, PDI = 2.5의 PVDF 펠렛의 녹는점과 결정화도(cyrstallity index)는 퍼킨엘머사의 DSC-7을 이용하여 2℃/분의 승온속도로 측정하였다. 결정화도는 약 50%이었다. 본 실험에 사용된 PVDF의 녹는점과 유리전이온도는 각각 167℃, -41℃였다. PVDF 박막은 디메틸포름아미드(DMF, Dimethylformamide)를 용매로 하여 용액농도 1 중량%, 질소 퍼지를 통해 습도 20% 이하로 조절하여 Au 기판 위에 스핀캐스팅하여 제조하였다. 제조된 PVDF 박막의 두께는 약 60 ~ 70 nm였다. Melting point and crystallinity index of PVDF pellets of Mw = 180000 g / mol and PDI = 2.5 were measured at a temperature increase rate of 2 ° C./min using PerkinElmer's DSC-7. The crystallinity was about 50%. The melting point and glass transition temperature of PVDF used in this experiment were 167 ℃ and -41 ℃, respectively. PVDF thin films were prepared by spin casting on Au substrates with dimethylformamide (DMF, Dimethylformamide) as a solvent and adjusting the solution concentration to 1% by weight and humidity to 20% or less through nitrogen purge. The thickness of the prepared PVDF thin film was about 60-70 nm.
먼저, Au 기판 위에 스핀캐스팅된 RTA 처리 전의 전형적인 PVDF 박막은 α와 γ 결정 구조가 섞인 결정 구조(용매에 따라 α와 γ 결정의 혼합도가 다름)로서 커패시터에 사용하기에는 너무 거친 표면을 갖는다. 본 실시예에서는 DMF를 용매로서 사용하였으며, 그 이유는 DMF와 DMSO와 같은 극성 용매는 γ 결정이 지배적인 박막을 잘 만들어 주는 것으로 알려졌으며, γ 결정은 β 결정을 갖는 박막을 제조하기 위한 시발점으로 적합하다. First, a typical PVDF thin film before RTA treatment cast on an Au substrate is a crystal structure in which α and γ crystal structures are mixed (the mixing degree of the α and γ crystals vary depending on the solvent) and has a surface too rough for use in a capacitor. In this embodiment, DMF was used as a solvent, and the reason is that polar solvents such as DMF and DMSO are known to make γ-crystal thin films well, and γ-crystal is a starting point for producing thin films having β crystals. Suitable.
또한, 연구결과 PVDF의 스핀코팅시 습도가 박막의 품질뿐만 아니라 결정구조에도 영향을 미친다는 것을 발견하였다. 다른 연구결과와 같이 습도가 극성 β 결정 구조를 증가시켰으나, 소자에 사용 불가능할 정도로 표면이 거칠었다. 습도의 영향을 최소화하기 위하여, 본 발명에서는 질소를 퍼지하여 습도가 20% 이하로 유지하면서 박막을 제조하였으며, 그 결과 박막의 표면이 평평하였으며, 첨부도 2의 "As cast"와 같이 Au 기판 위에 스핀캐스팅된 후 RTA 공정을 거치기 전의 PVDF 박 막에서의 GIRAS(Grazing Incident Reflection Absorption Spectra) 측정 결과는, α 결정 구조가 없는 γ 결정이 주를 이루는 PVDF 박막이 제조되었다. 본 실험에와 같은 습도의 조절 하에서 만들어진 PVDF 박막에서의 IR의 흡수피크 840, 1280 cm-1로부터 β 결정이 형성되었음을 확인할 수 있다. 1234 cm-1 흡수의 γ 결정과 1280 cm-1의 β 결정의 흡수 피크로부터 A1280/(A1280+A1234)의 식으로 계산된 β 결정은 약 40% 이하로 여전히 매우 적은 분률을 차지했다. 따라서, 스핀캐스팅된 PVDF 박막의 강유전성을 발현하기 위하여 γ 결정이 주를 이루는 PVDF 박막을 β 결정이 주를 이루도록 후술하는 RTA 공정을 거친다. RTA를 통하여 PVDF의 녹는점인 167℃ 이하의 특정 세팅 온도로서 실험예 1에서는 150℃로 30℃/분 이상의 속도로 150℃까지 급격히 온도를 올린 후 약 2시간 동안 온도를 유지하였다.In addition, the study found that the humidity during PVDF spin coating affects not only the quality of thin films but also the crystal structure. As with other studies, humidity increased the polar β crystal structure, but the surface was rough enough to be unusable for the device. In order to minimize the influence of humidity, in the present invention, a thin film was prepared while purging nitrogen to keep the humidity at 20% or less. As a result, the surface of the thin film was flat, and on the Au substrate as shown in "As cast" of FIG. The results of the Grazing Incident Reflection Absorption Spectra (GIRAS) measurement in the PVDF thin film after spincasting and before the RTA process produced a PVDF thin film mainly composed of γ crystals without the α crystal structure. It can be seen that β crystals were formed from absorption peaks 840 and 1280 cm −1 of IR in PVDF thin films made under the same humidity control as in this experiment. The β crystal, calculated by the formula A 1280 / (A 1280 + A 1234 ), from the absorption peak of the 1234 cm -1 absorption and the β crystal of 1280 cm -1 , still occupies a very small fraction of about 40% or less. . Therefore, in order to express the ferroelectricity of the spincast PVDF thin film, the PVDF thin film mainly composed of gamma crystals is subjected to the RTA process described later so that the β crystal is mainly composed. As a specific setting temperature of 167 ° C. or less, which is the melting point of PVDF through RTA, in Experimental Example 1, the temperature was rapidly raised to 150 ° C. at a rate of 30 ° C./min to 150 ° C. and then maintained for about 2 hours.
이러한 RTA(급속열처리)에 의하여 PVDF 박막의 수직방향으로 스핀캐스팅된 PVDF 박막 내에 남아있던 DMF의 방향성을 갖는 증발이 이루어진다. 첨부도 2와 같이 RTA에 의하여 PVDF 박막 내의 β 결정 구조가 90% 이상을 차지하게 된다. The rapid thermal treatment (RTA) results in evaporation with the directivity of the DMF remaining in the PVDF thin film spin-cast in the vertical direction of the PVDF thin film. As shown in FIG. 2, the β crystal structure in the PVDF thin film occupies 90% or more by RTA.
급속열처리로 인한 용매의 급격한 제거가 β결정의 형성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 스핀캐스팅된(As cast) PVDF 필름을 150℃까지 온도 구간별로 RTA 처리하였다. 첨부도 3에서와 같이 PVDF의 Tm 바로 아래 온도인 150℃까지 거의 직선적으로 PVDF 박막 내의 β 결정의 분률이 증가하고 있는 것을 알 수 있었다. 이것은 용매의 빠른 제거가 이루어질수록, β 결정이 더 많은 분률로 형성된다는 것을 의미한다. In order to confirm the effect of rapid removal of the solvent due to rapid heat treatment on the formation of β crystals, as cast PVDF films were subjected to RTA treatment for each temperature section up to 150 ° C. As shown in FIG. 3, it was found that the fraction of β crystals in the PVDF thin film was increased almost linearly to the temperature of 150 ° C. just below the Tm of the PVDF. This means that the faster the solvent is removed, the larger the fraction of β crystals is formed.
또한, PVDF의 Tm 이상의 온도의 열처리는 가온속도와 상관없이 항상 γ 결정 구조를 만들며, 이는 다른 연구자의 연구결과와 일치한다. 연구 결과 PVDF 박막 내에서 극성 용매인 DMF의 방향성을 갖는 움직임은 γ 결정의 고쉬 컨포메이션(gauche conformation)을 β 결정의 트랜스 컨포메이션(trans confromation)으로 바꿀 수 있는 충분한 에너지를 제공한다고 생각된다. 다른 다양한 두께의 PVDF 박막에 대하여 실험한 결과 박막의 두께가 얇을수록 β 결정의 분률이 높아지는 것을 알 수 있었다.In addition, heat treatment at temperatures above Tm of PVDF always produces γ crystal structures regardless of the heating rate, which is consistent with the findings of other researchers. The results suggest that the directional motion of DMF, a polar solvent in PVDF films, provides sufficient energy to transform the Gauche conformation of the γ crystal into the trans confromation of the β crystal. Experiments with different PVDF thin films showed that the thinner the thin film, the higher the fraction of β crystals.
실험예Experimental Example 2 : 2 : GIXDGIXD 와 Wow AFMAFM 을 통한 표면 구조 실험Surface Structure Experiment
3 중량% PVDF 용액(용매 DMF)을 사용하여 실험예 1과 동일한 방법으로 RTA공정을 거친 160 nm 두께의 PVDF 박막을 제조하였다. 상기 PVDF 박막을 대상으로 GIXD와 AFM 측정을 하였다.A 160 nm-thick PVDF thin film, which had undergone the RTA process in the same manner as in Experimental Example 1, was prepared using a 3 wt% PVDF solution (solvent DMF). GIXD and AFM measurements were performed on the PVDF thin film.
본 발명의 RTA에 의하여 β 결정을 갖는 Au 기판 위의 PVDF 박막의 마이크로 구조는 GIXD와 AFM에 의하여 시각화될 수 있으며, 이는 첨부도 4의 (a) 내지 (d)와 같다. The microstructure of the PVDF thin film on the Au substrate having β crystals by the RTA of the present invention can be visualized by GIXD and AFM, as shown in (a) to (d) of FIG. 4.
첨부도 4의 (a)를 참고하면, RTA처리 중에 DMF의 방향성을 갖는 제거로 인하여 β 결정구조로 PVDF의 분자의 체인의 결정화가 이루어지는 것은 도 4의 (a)의 GIXD에 의해서 확인되며, 여기서, (110) 또는 (200)의 PVDF 결정의 리플렉션(reflection)이 기판에 대하여 수직으로 정렬되는 바람직한 형태를 갖는다. (110)과 (200)의 비슷한 라티스 스페이싱(lattice-spacing)으로 인하여 두 개의 리플렉션을 구별하는 것이 쉽지 않으며, 인시던스 엑스레이(incidence X-ray)가 PVDF 결정의 c - 축에 평행한 경우 유사헥사고날(pseudo hexagonal) 디프렉션 패턴에 이르게 된다. 그러나 메리디안(meridan)에서의 강한 리플렉션은 Au 표면과 평행한 바람직한 방향으로 고분자 체인이 오리엔테이션 하였음을 의미한다. 바람직한 결정 오리엔테이션을 갖는 PVDF 박막을 따라 전기폴링(electric poling)은 체인 축(axis)을 따라 효과적인 컨포메이션의 회전을 일으켜서, 후술하는 상당히 큰 잔류 분극을 갖게 해준다. Referring to (a) of FIG. 4, it is confirmed by GIXD of FIG. 4 (a) that crystallization of a chain of molecules of PVDF occurs with β crystal structure due to the removal of the directional DMF during RTA treatment. The reflection of the PVDF crystals of (110) or (200) has a preferred form that is vertically aligned with respect to the substrate. Due to the similar lattice-spacing of (110) and (200), it is not easy to distinguish the two reflections, and similar hexahex when the incident X-ray is parallel to the c-axis of the PVDF crystal This leads to a pseudo hexagonal deflection pattern. However, strong reflection in the meridan means that the polymer chains are oriented in the desired direction parallel to the Au surface. Electric poling along the PVDF thin film with the desired crystal orientation results in effective rotation of the conformation along the chain axis, resulting in a fairly large residual polarization described below.
첨부도 4의 (b)는 급속열처리에 의해 제조되는 PVDF 박막의 AFM 측정 결과로서 PVDF 박막 내의 마이크로 구조를 보여준다. 첨부도 4의 (b)와 같이 반구형 캡(hemi-spherical cap)이 200 ~ 500 nm 직경을 갖고 서로 밀접하게 패킹 되어 있다. 100 nm의 길이와 20 nm의 폭을 갖는 전형적인 바늘 모양의 마이크로 도메인은 도 4의 (b)의 삽입도에서 보다 명확히 보인다. 이것은 다른 연구에서 증명한 것과 같은 α 결정이 수 마이크론의 구형인 것과 다름을 알 수 있으며, 다른 연구자들의 β 결정의 형태라고 한 연구결과와 같은 결과이다.4 (b) shows the microstructure in the PVDF thin film as a result of AFM measurement of the PVDF thin film manufactured by rapid heat treatment. As shown in FIG. 4 (b), hemi-spherical caps have a diameter of 200 to 500 nm and are closely packed with each other. Typical needle-like microdomains with a length of 100 nm and a width of 20 nm are more clearly seen in the inset of FIG. 4 (b). This suggests that the α crystals, as demonstrated in other studies, differ from those of a few microns in spherical form, and are the same results as those reported by other researchers in the form of β crystals.
도 4의 (c)를 참고하면, Au 기판의 화학적인 표면 물성이 PVDF 박막의 결정 형성에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 카르복실기(COOH) 말단을 갖는 자기조립박막(Self Assembled Monolayers, SAMs)으로서, 16-머켑토헥사데칸산(16-mercaptohexadecanoic acid)을 Au 기판 위에 화학적으로 링킹하고, RTA를 한 후의 AFM 측정 결과이다.Referring to Figure 4 (c), in order to determine the effect of the chemical surface properties of the Au substrate on the crystal formation of the PVDF thin film, as Self Assembled Monolayers (SAMs) having a carboxyl group (COOH) terminal, The result of AFM measurement after chemically linking 16-mercaptohexadecanoic acid to an Au substrate and performing RTA.
이러한 방법으로 Au 기판의 표면의 물리적인 토폴러지(topology)를 변형시키지 않으면서 기판 표면의 화학적 성질을 다양하게 변화시킬 수 있다. 카르복실(carboxyl) 말단기를 갖는 SAMs로 처리된 Au 기판은 스핀캐스팅된 PVDF 박막을 α 결정이 주도적인 구조로 바꾸어주었다. SAMs로 표면처리된 Au 기판 위에 제조된 PVDF 박막의 마이크로구조는 도 4의 (c)에서 구결정(spherulite)의 α 결정이 RTA 이후에도 남아 있는 것을 알 수 있으며, 이는 급속열처리에 의한 에너지에 의해서도 α 결정의 고쉬 컨포메이션(gauche conformation)을 β 결정의 트랜스 컨포메이션(trans conformation)으로 전환할 수 없었다는 것을 의미한다. 일반적으로 극성을 갖는 기판은 필름이 쉽게 스핀캐스팅되나 항상 α 결정이 주를 이루는 박막이 제조된다. 이는 Al2O3, SiO2 및 산소 플라즈마로 처리된 Au의 경우도 마찬가지이 다. 비극성인 메틸그룹 터미널기를 갖는 SAMs로 표면처리된 Au 기판의 경우 필름 형성이 어려워서 실험대상에서 제외하였다. 기판에 적절한 효과적인 표면 에너지가 β 결정 구조를 갖는 PVDF 박막의 제조에 매우 중요한 필요조건이다.In this way, the chemical properties of the substrate surface can be varied in various ways without modifying the physical topology of the surface of the Au substrate. Au substrates treated with SAMs with carboxyl end groups transformed the spincast PVDF thin films into α-crystal dominated structures. The microstructure of the PVDF thin film prepared on the Au substrate surface-treated with SAMs shows that the α crystal of the spherulite remains after RTA in FIG. 4 (c), which is caused by the energy due to the rapid heat treatment. This means that the Gauche conformation of the crystal could not be converted to the trans conformation of the β crystal. In general, polarized substrates are easily spin-casted into films, but thin films are always produced with? Crystals. The same is true for Au treated with Al 2 O 3 , SiO 2 and oxygen plasma. The Au substrate surface-treated with SAMs having a non-polar methyl group terminal group was excluded from the experiment because of the difficulty in film formation. Effective surface energy suitable for the substrate is a very important requirement for the production of PVDF thin films having β crystal structures.
도 4의 (d)를 참고하면, 기재 표면에 의존하는 β 결정 구조의 형성은 SAMs로 다양하게 패턴화된 Au 기판 위에 PVDF의 스핀캐스팅 후 급속열처리를 함으로써, 다양한 마이크로패턴을 갖는 β결정구조를 제조할 수 있음을 시사한다. COOH 말단기를 갖는 SAMs에 의해 패턴화된 Au 기판 위에 준비된 250 nm 두께의 PVDF 박막은 α 결정과 β 결정의 결정 밀도차에 의하여 명확히 대조를 이루는 마이크로패턴을 보여준다(도 4의 (d)의 삽입도 참조). 도 4의 (d)의 AFM 이미지는 20 ㎛의 주기적인 라인을 갖는 마이크로패턴을 갖는 박막을 나타내고 있으며, 구결정의 α 결정과 구형캡(sphere cap)의 β 결정의 패턴이 매우 샤프한 경계를 갖는다. Referring to (d) of FIG. 4, the formation of the β crystal structure depending on the surface of the substrate is performed by rapid thermal treatment after spin casting of PVDF on variously patterned Au substrates with SAMs to form β crystal structures having various micropatterns. It can be produced. A 250 nm thick PVDF thin film prepared on an Au substrate patterned by SAMs with COOH end groups shows a micropattern clearly contrasted by the crystal density difference between the α crystal and the β crystal (insertion of FIG. 4 (d)). See also). The AFM image of FIG. 4 (d) shows a thin film having a micropattern having a periodic line of 20 μm, and has a very sharp boundary between the α crystal of the spherical crystal and the β crystal of the sphere cap. .
실험예Experimental Example 3 : D-E 3: D-E 이력곡선Hysteresis curve 측정 실험 Measurement experiment
실험예 3에서 실험예 2와 동일한 RTA 처리된 PVDF 박막에 대하여 실험을 하였다. 즉, 도 5는 Au 기판 위에서 스핀캐스팅된 후 150℃까지 급속열처리 된 후 2시간 동안 유지된 160 nm 두께의 PVDF 박막의 히스테리시스 루프를 보여준다. RTA에 의하여 형성된 β 결정 때문에 스위핑 전압 ±20 V에서 거의 포화된 루프를 나타냈다. 저 전기장에서 전압 스위핑 동안 가해진 전기폴링은 체인의 로테이션에 의 해 수소와 불소 사이의 분자 쌍극자를 재배열기에 충분하며, 결과적으로 7 μC/cm2 큰 잔류분극(Pr), 8V의 응전압(Vc)을 갖으며, 이는 약 50 MV/m의 응전계(Ec)에 해당한다. Experimental Example 3 was carried out on the same RTA-treated PVDF thin film as Experimental Example 2. That is, FIG. 5 shows a hysteresis loop of a 160 nm thick PVDF thin film spin-cast on an Au substrate and then maintained for 2 hours after rapid heat treatment to 150 ° C. Due to the β crystal formed by RTA, a nearly saturated loop appeared at the sweep voltage ± 20 V. Electropolling applied during voltage sweeping at low electric fields is sufficient to rearrange molecular dipoles between hydrogen and fluorine by rotation of the chain, resulting in 7 μC / cm 2 It has a large residual polarization (Pr), a response voltage (Vc) of 8V, which corresponds to a coagulation field (Ec) of about 50 MV / m.
실험예Experimental Example 4 : 4 : FeFETFeFET 에서의 물성 측정 실험 Property measurement experiment
강유전성 특성치는 가상 그라운드 회로(virtual ground circuit)를 사용하여 측정하였다. 실험예 2와 같이 Au 기판 위에 PVDF가 스핀코팅된 후 150℃ RTA 처리된 것을 바텀게이트(bottom gate)로 하여 FeFET(Ferroelectric Field Effect Transistor, 강유전성 전계효과 트랜지스터)가 제조되었다. PVDF 박막 위에 약 50 nm 두께로 폴 리(4-비닐페놀)(PVP)이 스핀코팅되고, 다시 그 위에 펜타센(pentacene)이 60nm 두께로 열증착(thermal evaporation) 되었다(증착시 압력은 10-6mB, 0.1 ~0.2Å/s). 소스 및 드레인 전극은 새도우마스크(shadow mask)를 통하여 Au 기판 위에 열증착을 통해 제조되었다. 알루미늄 상부전극은 다른 연구에서와 같은 방법으로 증착(evaporation)에 의해 제조하였다. Ferroelectric properties were measured using a virtual ground circuit. After the PVDF was spin-coated on the Au substrate as in Experimental Example 2, a ferroelectric field effect transistor (FeFET) was manufactured using a 150 gate RTA treated as a bottom gate. PVDF thin film about 50 nm in thickness with poly (4-vinyl phenol) (PVP) on top is spin-coated, again was then deposited over the pentacene (pentacene) is open to 60nm thickness (thermal evaporation) (during the deposition pressure it is 10 - 6 mB, 0.1 to 0.2 μs / s). Source and drain electrodes were fabricated by thermal evaporation on an Au substrate through a shadow mask. Aluminum upper electrodes were prepared by evaporation in the same way as in other studies.
상기에서 PVP 층은 기판의 거칠기(roughness)의 감소를 통하여 펜타센의 성장을 제어할 뿐만 아니라, 저누전(low electric leakage)이 가능하게 하였다. 스위핑 전압(±20 V), VSD -5V에서 스캔 된 드레인전류(-IDS) 대 게이트전압(VG) 커브는 도 6과 같다.In the above, the PVP layer not only controls the growth of pentacene through the reduction of the roughness of the substrate, but also enables low electric leakage. The drain current (-I DS ) vs. gate voltage (V G ) curve scanned at the sweeping voltage (± 20 V) and V SD -5V is shown in FIG. 6.
실험예Experimental Example 5: 5: 열안정성Thermal stability 실험 Experiment
강유전체로서 PVDF 박막을 사용하는 가장 큰 장점은 PVDF의 공중합체들에 비하여 큐리 온도가 높아서, 폴리머 박막을 이용한 메모리 소자에서 작동 온도를 높일 수 있다는 점이다. TrFE의 함량에 따라 60 ~100℃의 큐리 온도를 나타내는 PVDF의 공중합체에 비하여, 순수한 PVDF 박막은 녹는 온도 167℃에서 강유전성(ferroelectric) 에서 상유전성(paraelectric)으로 트랜지션한다는 점이다. 이러한 본 발명에 의하여 제조된 PVDF 박막의 열안정성을 측정하기 위하여 온도를 달리하여 GIRAS측정 실험을 수행하였다.The biggest advantage of using PVDF thin film as ferroelectric is that the Curie temperature is higher than that of PVDF copolymers, which increases the operating temperature in memory devices using polymer thin films. Compared to the copolymer of PVDF, which exhibits a Curie temperature of 60-100 ° C., depending on the content of TrFE, the pure PVDF thin film transitions from ferroelectric to paraelectric at melting temperature 167 ° C. In order to measure the thermal stability of the PVDF thin film prepared according to the present invention, a GIRAS measurement experiment was performed at different temperatures.
우리는 150℃에서 2시간 동안 열처리 된 160nm 두께의 PVDF 박막에 대하여 온도를 변화시켜가면서 GIRAS측정을 하였다. 실온(Room Temperatur)에서 측정한 1280 cm-1 β 흡수피크 대 각 측정온도에서 측정한 흡수피크의 비는 도 7과 같다. 온도증가에 따라 β 결정의 양이 천천히 감소하며, 160℃에서는 실온에서 측정한 것에 비하여 약 80% 정도의 β 결정이 남았다. 이는 PVDF의 녹는점 가까이에서 GIRAS를 측정하는 경우 β 결정의 붕괴가 나타나기 때문이다.We measured GIRAS with varying temperatures for a 160nm-thick PVDF thin film heat-treated at 150 ° C for 2 hours. The ratio of 1280 cm −1 β absorption peak measured at room temperatur to absorption peak measured at each measurement temperature is shown in FIG. 7. As the temperature increased, the amount of β crystals decreased slowly, and about 160% of β crystals remained at 160 ° C. compared with those measured at room temperature. This is because β crystals collapse when GIRAS is measured near the melting point of PVDF.
또한, 실험결과 PVDF 박막의 두께가 500 nm인 경우 RTA 후에 약 70%의 β 결정 구조를 갖으며, 박막 두께 60 ~ 70 nm인 경우 RAT 후에 약 90%의 베타 결정 구 조를 갖으므로, PVDF 박막의 두께 역시 β 결정화에 영향을 미침을 알 수 있었다.In addition, the experimental results show that the PVDF thin film has a β crystal structure of about 70% after RTA when the thickness of the PVDF thin film is 500 nm, and has a beta crystal structure of about 90% after RAT when the thin film thickness is 60 to 70 nm. The thickness of also affected β crystallization.
도 1은 PVDF의 α, β , γ 결정 구조를 나타내는 설명도이다.1 is an explanatory diagram showing α, β, and γ crystal structures of PVDF.
도 2는 실험예 1의 결과 그래프로서, RTA 처리 없이 제조된 PVDF박막과, 각 온도별로 RTA처리된 PVDF 박막의 GIRAS 스페트라이다.Figure 2 is a graph of the results of Experimental Example 1, a PVDF thin film manufactured without the RTA treatment, and GIRAS spetra of the RDF treated PVDF thin film for each temperature.
도 3은 RTA 온도별 β 결정의 분률을 나타내는 결과 그래프이다.3 is a result graph showing the fraction of β crystals for each RTA temperature.
도 4는 실험예 2의 결과들로서, GIXD 와 AFM을 통한 측정 결과이다.4 is the results of Experimental Example 2, the measurement results through GIXD and AFM.
도 5는 실험예 3의 결과로서, 본 발명의 PVDF 박막의 D-E 이력곡선이다.5 is a D-E hysteresis curve of the PVDF thin film of the present invention as a result of Experimental Example 3. FIG.
도 6은 실험예 4의 결과로서, 본 발명의 PVDF 박막을 적용한 FeFET의 성능 곡선이다.6 is a performance curve of FeFET to which the PVDF thin film of the present invention is applied as a result of Experimental Example 4. FIG.
도 7은 실험예 5의 결과로서, 각 온도별로 GIRAS 측정 결과이다.7 is a result of Experimental Example 5, GIRAS measurement results for each temperature.
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2008
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US10035922B2 (en) | 2014-06-09 | 2018-07-31 | Sabic Global Technologies B.V. | Processing of thin film organic ferroelectric materials using pulsed electromagnetic radiation |
CN114953296A (en) * | 2022-05-26 | 2022-08-30 | 业成科技(成都)有限公司 | Manufacturing method of polycrystalline phase polyvinylidene fluoride film and wearable device |
CN114953296B (en) * | 2022-05-26 | 2023-08-29 | 业成科技(成都)有限公司 | Manufacturing method of polycrystalline polyvinylidene fluoride film and wearable device |
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