KR20110004359A - 저 밴드 갭 폴리머 바인더 또는 조성물을 갖는 전압 절환형 절연 물질 - Google Patents

저 밴드 갭 폴리머 바인더 또는 조성물을 갖는 전압 절환형 절연 물질

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KR20110004359A
KR20110004359A KR1020107016852A KR20107016852A KR20110004359A KR 20110004359 A KR20110004359 A KR 20110004359A KR 1020107016852 A KR1020107016852 A KR 1020107016852A KR 20107016852 A KR20107016852 A KR 20107016852A KR 20110004359 A KR20110004359 A KR 20110004359A
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로버트 플레밍
렉스 코소우스키
닝 쉬
준준 우
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쇼킹 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

폴리머 바인더와 하나 이상의 입자 구성물의 클래스를 포함하는 조성이 규정된다. 적어도 하나의 입자 구성물의 클래스는 2 eV 보다 크지 않은 밴드 갭을 개별적으로 갖는 반도전적 입자를 포함한다. VSD 물질로서, 상기 조성은 (i)특성 전압 레벨을 초과하는 전압이 없을 때는 절연적이고, (ⅱ) 특성 전압 레벨을 초과하는 상기 전압이 인가되면 도전적이다.

Description

저 밴드 갭 폴리머 바인더 또는 조성물을 갖는 전압 절환형 절연 물질{VOLTAGE SWITCHABLE DIELECTRIC MATERIALS WITH LOW BAND GAP POLYMER BINDER OR COMPOSITE}
본 출원은 2008년 3월 26일 출원된 미국 특허출원 제61/039,782호에 대해 우선권을 주장하며, 전술한 우선권 출원은 그것의 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에서 설명되는 구현예는 전압 절환형 절연 물질에 관련된다. 특히, 본 명세서에서 설명된 구현예는 저 밴드 갭 폴리머 바인더 또는 조성물을 갖는 전압 절환형 절연 물질에 관련된다.
전압 절환형 절연(VSD, Voltage Switchable dielectric) 물질은 저 전압에서 절연적이고, 높은 전압에서 도전적인 물질로 알려져 있다. 이러한 물질은 절연적 폴리머 매트리스(insulative polymer matrix)에 도전적, 반도전적, 및 절연적 입자를 포함하는 전형적인 조성물이다. 이러한 물질은 전자적 디바이스에 대한 과도현상 보호(transient protection), 특히 정전기 방전(ESD, Electronic Discharge)과 전기적 과부하(EOS, Electrical OverStress) 보호를 위해 사용된다. 일반적으로, 특성 전압(characteristic voltage) 또는 전압 범위가 인가되지 않는 경우 VSD 물질은 절연체로서 작용하고, 인가되는 경우 도체로서 작용한다. 다양한 종류의 VSD 물질이 존재한다. 예시적 전압 절환형 절연 물질은 참고 문헌 예를 들어, 미국 등록특허 제4,977,357호, 미국 등록특허 제5,068,634호, 미국 등록특허 제5,099,380호, 미국 등록특허 제5,142,263호, 미국 등록특허 제5,189,387호, 미국 등록특허 제5,248,517호, 미국 등록특허 제5,807,509호, 국제출원 공개번호 제96/02924호, 및 국제출원 공개번호 97/26665호에서 제공되고, 상기 참조 문헌들은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
VSD 물질은 다양한 프로세스와 물질 또는 조성을 이용하여 형성될 수 있다. 하나의 종래 기술은 폴리머 레이어(layer)가 일반적으로 체적의 25% 이상인 여과 임계값(percolation threshold)에 아주 근접하는 고 레벨의 금속 입자로 채워지는 것을 규정한다. 이 혼합물에 반도체 및/또는 부도체 물질(insulator material)이 부가된다.
또 다른 종래 기술은 도핑된 금속 산화물 가루를 혼합하고, 이어서 결정 입계(grain boundary)를 갖는 입자를 만들기 위해 가루들을 소결(sinter)시킨 후, 상기 여과 임계값을 초과하도록 입자들을 폴리머 매트릭스에 추가함으로써 VSD 물질을 형성하는 것을 규정한다.
VSD 물질을 형성하기 위한 다른 기술 및 조성은 발명의 명칭이 "도전적 또는 반도전적 유기 물질을 갖는 전압 절환형 절연 물질"인 미국 특허출원 제11/829,946호와, 발명의 명칭이 "고 종횡비(high aspect ratio) 입자들을 갖는 전압 절환형 절연 물질"인 미국 특허 출원 제11/829,948호에서 설명된다.
본 명세서에서 설명되는 구현예는 상대적 저 밴드 갭을 갖는 폴리머 바인더를 포함하는 VSD 물질을 규정한다.
폴리머 바인더는 2 전자 볼트(eV) 보다 적은 밴드 갭을 갖도록 만들어질 수 있다. 일 구현예에서, 폴리머 바인더는 0.8에서 1.2 eV 범위의 밴드 갭 값을 갖는다. 폴리머 바인더는 다수의 폴리머 구성물(constituent)로 형성될 수 있으며, 바인더의 유효 밴드 갭(effective band gap)을 희망하는 범위로 조절하기 위하여 사용되는 적어도 하나 이상의 폴리머 구성물을 포함한다.
부가적 또는 대안적으로, 본 명세서에서 설명되는 구현예는 폴리머 성능을 향상시키기 위하여 상대적 저 밴드 갭을 갖는 반도전적 입자를 포함하는 VSD 물질을 규정한다. 이러한 반도전적 입자는, 폴리머 바인더의 밴드 갭에 실질적으로 동등하거나 필적하는 밴드 갭(예를 들어, 2 전자 볼트(eV) 보다 적음)을 갖는 미크론(micron) 또는 나노미터(nanometer) 크기의 입자에 상응할 수 있다. 이러한 반도전적 입자는 VSD 물질의 폴리머 조성 부분을 형성하기 위하여, 폴리머 바인더내에서 분산될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 하나 이상의 폴리머 구성물과, 하나 이상 클래스의 입자 구성물을 포함하는 구성이 제공된다. 적어도 하나의 클래스의 입자 구성물은 2 eV보다 크지 않은 밴드 갭을 개별적으로 갖는 반도전적 입자를 포함한다. 선택적 또는 부가적으로, 반도전적 입자는 폴리머 바인더의 밴드 갭과 실질적으로 동일한 밴드 갭을 각각 갖는다. VSD 물질로서, 조성은 (ⅰ) 특성 전압 레벨을 초과하는 전압이 없을 때는 절연적이고, (ⅱ) 특성 전압 레벨을 초과하는 전압이 인가되면 도전적이다.
본 명세서에서 설명되는 구현예에 의해서, 상대적 저 밴드 갭을 갖는 폴리머 바인더를 포함하는 VSD 물질이 제공된다.
도 1은 다양한 구현예에 따른 VSD 물질의 구성물을 묘사한, VSD 물질의 레이어 또는 두께에 대한 예시적(축적에 맞이 않음) 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따라서, VSD 물질에서 상대적 저 밴드 갭을 갖는 입자 필터를 사용하는 효과를 예시하기 위해, 도 1에 묘사된 VSD 물질의 랜덤 샘플 부분을 확대한 도이다.
도 3a와 도 3b는 본 명세서에서 제공되는 임의의 구현예에서 설명되는 조성을 갖는 VSD 물질로 만들어진 기판 디바이스에 대한 여러 구성을 각각 예시한다.
도 4는 본 명세서에서 설명된 구현예에 연관되어 제공될 수 있는 VSD 물질 그 표면에 제공될 수 있는 전자 디바이스에 대한 단순화된 다이어그램이다.
전압 절환형 절연( VSD ) 물질
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전압 절환형 물질" 또는 "VSD 물질"은 임의의 조성, 또는 조성의 조합이고, 물질의 특성 레벨을 초과하는 전계 또는 전압이 물질에 인가되지 않으면 절연 즉 비-도전적이고, 인가되면 도전적이 되는 특성을 갖는다. 따라서, VSD 물질은 특성 레벨(예를 들어, ESD 이벤트에 의해 규정됨)을 초과하는 전압(또는 전계)이 그 물질에 인가되지 않으면 절연적이고, 인가되면 도전적 상태로 전환된다. VSD 물질은 비선형 저항 물질(nonlinear resistance material)인 것을 또한 특징으로 할 수 있다. 많은 적용예에서, VSD 물질의 특성 전압은 회로 또는 디바이스의 동작 전압 레벨을 몇 배 초과하는 값 내에서 변동한다. 이러한 전압 레벨은, 구현예가 계획된 전자 이벤트의 사용을 포함하지만, 예컨대, 정전기 방전에 의해 생성되는 과도 상태와 같은 등급일 수 있다. 이에 더하여, 하나 이상의 구현예는 특성 전압을 초과하는 전압이 없는 경우, 물질은 바인더와 유사하게 작용(즉, 물질은 비-도전적이거나 절연체임)하는 것을 규정한다.
또한, 일 구현예에서, VSD 물질은 도전체 또는 반-도체 입자와 부분적으로 혼합된 바인더를 포함하는 물질인 것을 특징으로 할 수 있다. 특성 전압 레벨을 초과하는 전압이 없으면, 이 물질은 전체로서 바인더의 절연 특성을 채택한다. 특성 레벨을 초과하는 전압이 인가되면, 이 물질은 전체로서 도전적 특성을 채택한다.
본 명세서에서 설명된 구현예에 따르면, VSD 물질의 구성물은 바인더 또는 폴리머 매트릭스내에 균일하게 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 혼합물은 나노 스케일로 분산되는데, 이것은 도적적/반-도전적 물질을 포함하는 입자가 적어도 하나의 치수(예를 들어, 단면)에서 나노 스케일이며, 체적내에서 전체적으로 분산된 양을 포함하는 많은 수의 입자가 개별적으로 분리(모두 덩어리로 뭉치거나 압축되지 않도록 하기 위함)됨을 의미한다.
또한, 전자 디바이스에는 본 명세서에서 설명된 임의의 구현예에 따른 VSD 물질이 제공될 수 있다. 이러한 전자 디바이스에는 인쇄 회로 기판과 같은 기판 디바이스(substrate device), 반도체 패키지, 개별 디바이스, 박막 전자 소자, 발광 다이오드(LED), 무선 주파수(RF) 구성 요소, 및 디스플레이 디바이스가 있다.
VSD 물질의 일부 조성은 도전적 및/또는 반도전적 물질을 삼출 바로 아래의 양만큼 폴리머 바인더에 채워 넣음으로써 기능(work)한다. 삼출은 상대적 저 전압이 인가될 때 연속적 도전 경로가 존재하는, 통계적으로 정의된 임계값에 상응할 수 있다. 다른 절연 물질 또는 반도전적 물질이 삼투 임계값을 보다 잘 제어하기 위하여 부가될 수 있다.
폴리머 바인더 또는 혼합물
본 명세서에서 설명된 일부 구현예는 폴리머 바인더의 유효 밴드 갭(effective band gap)을 낮추거나 조절하기 위하여, VSD 물질의 폴리머 바인더로서 폴리머들의 혼합물을 사용할 수 있다. 폴리머 바인더의 유효 밴드 갭을 낮춤으로써, VSD 물질의 "턴-온" 전압(즉, 클램프 또는 트리거 전압)이 감소될 수 있다. 일 구현예에서, 폴리머 바인더는 희망하는 값의 유효 밴드 갭을 갖도록 조절될 수 있다. 폴리머 바인더는 선택된 집단들(concentrations)의 폴리머를 혼합함으로 조절될 수 있다. 폴리머 혼합물은 상대적 저 밴드 갭을 갖는 제 1 타입 폴리머와, 예컨대, 소망하는 물리적 또는 기계적 속성과 같은 다른 소망하는 특징 또는 속성을 갖는 제 2 타입 폴리머를 포함할 수 있다. 폴리머들을 혼합하여 소망하는 값의 유효 밴드 갭을 갖는 폴리머 바인더를 형성한다. 폴리머 바인더에 대한 낮은 유효 밴드 갭은 VSD 물질의 트리거/클랩프 전압의 감소를 촉진하며, 동시에, VSD 물질에서 소망하는 기계적 속성을 유지시킨다. 폴리머 바인더에 사용하기 위한 바인더 및 폴리머의 구체적인 예가 도 1의 구현예와 함께 설명된다.
보다 자세하게, 비정렬 비결정질 상(disordered amorphous phase)에서 국소화된 상태(localized state)를 통한 전자 이송은 정렬 결정질 상(ordered crystalline phase)에서의 전자 이동과 다르다. 폴리머의 비정렬 비결정질 상은 에너지 밴드에서 랜덤하게 분포된 국소화된 상태를 유도한다. 구현예는 페르미 레벨(Fermi level) 부근의 에너지를 갖는 국소화된 상태들 간에 전자 전이가 이동에 가장 효율적임을 인식한다. 폴리에틸렌(polyethylene)과 에폭시(epoxy)의 유효 밴드 갭은 각각 대략 0.9 eV와 0.8eV이다. 서로 다른 결합 구조는 국소화된 에너지 상태를 페르미 레벨 부근에 유도한다. 예를 들어, 폴리에틸렌에서 인-체인 공액(in-chain conjugated) 카본-카본 이중 결합은 페르미 레벨 부근에서, 0.51eV 깊이의 전자 트랩(electron trap)과 1.35eV 깊이의 홀 트랩(hole trap)을 유도한다. 공액 결합 구조(conjugated bonding structure)에 의해 생성된 국소화된 상태는 공액 폴리머에 대해 보다 작은 유효 밴드 갭을 유발한다. 더욱이, 폴리머의 유효 밴드 갭은 적당한 에너지 레벨을 갖는 적합한 결합 구조를 도입함으로써 맞춰질 수 있다. 따라서, 이 접근법 하에서, 바인더 또는 폴리머 매트릭스의 밴드 갭은 조절될 수 있다.
부가적 또는 대안적으로, 일부 구현예에서, 상대적 저 밴드 갭(즉, 2 eV 미만)을 개별적으로 갖는 반도전적 입자가 폴리머 바인더에 혼합된다. 폴리머 또는 폴리머 바인더 내의 반도전적 입자는 폴리머 조성물을 형성하는 것으로 알려져 있다. 일 구현예에서, 반도전적 입자는 입자의 밴드 갭이 (폴리머)바인더의 유효 밴드 갭과 실질적으로 동일(또는 보다 작음)하도록 선택된다. 반도전적 입자를 이 방식으로 사용하면, VSD 물질의 물리적 속성이 개선된다.
구현예는 종래 VSD 물질(예컨대 앞에서 언급한 물질)은 펄스가 인가된 후에 물질의 특성과 관련하는 고유의 문제를 갖는 것을 인식한다. 특히, 고 전압 이벤트(예를 들어, ESD 또는 그것의 시뮬레이트된 버전)로 펄스가 인가된 VSD 물질은 근접한 도전적 입자들 간에 일부 전류가 폴리머 매트릭스를 통해 흐르는 것을 허용해야 한다. 전도를 제한하며, 고 전압 이벤트 이전의 오프 상태 저항과 고 전압 이벤트 이후의 오프 상태 저항 간의 이력 현상(hysteresis)을 야기시키는 부차적 반응(side reaction)이 통상 일어나리라 생각된다. 이 이력 현상은 전도의 부산물로서 나타나는 폴리머의 열화(degradation)에 기인한다. 구현예는 폴리머 바인더의 밴드 갭에 필적(또는 실질적으로 동일한)하는 밴드 갭 값을 갖는 미크론 또는 나노미터 사이즈의 반도전적 입자를 함유하는 폴리머 조성물을 포함하도록 VSD 물질을 배합(formulate)함으로써, 폴리머의 열화가 감소될 수 있음을 또한 인식한다. 이러한 반도전적 입자는 폴리머 바인더에 충전재로서 채워질 수 있고, VSD 물질이 최초의 펄스(예를 들어, ESD 또는 EOS 이벤트)에 노출된 후 폴리머 바인더의 물리적 속성을 향상시키기 위해서 폴리머 바인더의 밴드 갭에 맞도록 조절된다. 구현예는 폴리머 조성물의 속성을 개선함으로써, 향상된 누설 전류(leakage current)와 내구성을 포함하는 우수한 특성을 갖는 VSD 조성을 제공한다. 더욱 구체적으로는, VSD 물질이 스위치 온(또는 스트레스를 받음)되는 최초의 펄스 후에, 폴리머 열화는 감소되거나 회피되고, 이에 의하여, 초기 펄스 후 누설 전류나 열화의 증가와 같은 문제가 감소되거나 해결된다. 부가적으로, 저 밴드 갭 폴리머 조성물 또는 매트릭스를 사용함으로써, VSD 물질의 트리거 또는 클램프 전압은 감소될 수 있다.
일부 구현예에서, VSD 물질용 폴리머 바이더의 "유효 밴드 갭"은 일반적으로 약 1 eV(전자 볼트)에 가깝다. 전도 밴드의 하단과 가전자 밴드(valence band)의 상단 간의 에너지 간격으로 설명되는 유효 밴드 갭은, 폴리머 조성물에서 전자 이송을 제어하는 기본적 물리 특성이다.
따라서, 본 명세서에 설명된 일부 구현예는, 폴리머 또는 바인더에서 분산되며, 이 바인더 또는 폴리머 바인더의 밴드 갭에 실질적으로 일치하는 밴드 갭을 갖는 반도전적 입자를 사용하는 것의 이점을 인식한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 반도전적 입자의 밴드 갭과 폴리머의 밴드 갭은 두 값의 평균이 각각의 값의 30% 이내에 있으면 실질적으로 일치한다고 일컬어진다. 일부 구현예에서, 반도전적 입자는 약 1 eV인 밴드 갭을 갖는다. 언급된 바와 같이, 폴리머 또는 반도전적 입자의 정확한 밴드 갭은, 결과로 얻어지는 VSD 물질이 (ⅰ) 높은 저 전압(50 볼트 이하, 더욱 바람직하게는 12 볼트 이하로 인가됨) 저항 값(예를 들어, >10 Mohms), 및 (ⅱ) 낮은 온 상태의 저항 값( <10 kohms)을 모두 갖도록 선택될 수 있다.
다양한 타입의 입자가 폴리머 조성물을 형성하도록 폴리머 바인더에 분산되는 저 밴드 갭 반도전적 입자로서 사용될 수 있다. 구현예와 함께 설명되는 바와 같이, 반도전적 입자는 혼합물 반도전적 입자를 포함하는 반도체 입자를 포함할 수 있고, 반도체 입자는 소망하는 밴드 갭 값을 갖기 위하여 사이즈, 형상, 및/또는 혼합물에 의해 선택되거나 변경된다.
폴리머 바인더/조성물을 갖는 VSD 물질
도 1은 VSD 물질의 두께 또는 레이어의 예시적(축척에 맞지 않음) 단면도로서, 다양한 구현예에 따른 VSD 물질에 대한 구성물을 묘사한다. 묘사된 바와 같이, VSD 물질(100)은 폴리머 바인더(105)와 저 밴드 갭 반도전적 입자(106)의 집단을 포함한다. 반도전적 입자(106)는 크기 면에서 미크론 또는 나노미터일 수 있고, VSD 물질의 폴리머 조성물을 형성하기 위하여 폴리머 바인더(105)에 채워진다. 반도전적 입자(106)에 더하여, 다른 입자 구성물은 금속 입자(110), 반도체 입자(120)(대안적으로, 반도전적 입자(106)와 다른 경우), 및 고-종횡비(high-aspect ratio; HAR) 입자(103)(반도전적 입자(106)와 다른 경우)를 포함할 수 있다. 반도전적 입자(106)에 상응할 수 있는 다른 타입의 입자들에 대한 설명은 아래에서 제공된다. VSD 조성물에 포함되는 입자 구성물의 타입은 VSD 물질의 소망된 전자적 및 물리적 특성에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 일부 VSD 조성은 반도체 입자(120) 및/또는 HAR 입자(130)를 포함하지 않지만, 금속 입자(110)를 포함할 수 있다. 또한, 다른 구현예는 도전적 입자(110)의 사용을 생략할 수 있다.
예시적 폴리머 바인더(105)에는 폴리에틸렌, 실리콘, 아크릴레이트(acrylates), 폴리아미드(polyamides), 폴리우레탄(polyurethane), 에폭시, 및 코폴리머(copolymer), 및/또는 그것들의 혼합물이 있다. 일 구현예에서, 폴리머 바인더(105)는 소망하는 밴드 갭 값을 갖도록 폴리머 바인더(105)를 조절하기 위하여 예컨대 아크릴레이트와 같은 저 밴드 갭 폴리머와 혼합된 에폭시에 상응한다. 다른 실시예에서, 폴리머 바인더(105)는 비스페놀(bisphenol) A 에폭시와 혼합된 헥산디올디아크릴레이트(hexanedioldiacrylate)에 상응한다.
도전적 물질(110)의 예에는 예컨대, 구리, 알루미늄, 니켈, 은, 금, 티타늄, 스테인레스 스틸, 크롬, 그 밖의 금속 합금과 같은 금속, 또는 티타늄 디보라이드(titanium diboride)와 같은 도전적 세라믹이 있다. 반도전적 물질(120)의 예에는 유기 및 무기 반도체 양자가 있다. 일부 무기 반도체는 실리콘 카바이드, 붕소 질화물(boron nitride), 알루미늄 질화물, 니켈 산화물(nickel oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 아연 황화물(zinc sulfide), 비스무트 산화물, 티타늄 이산화물, 세륨 산화물, 및 철 산화물을 포함한다. 특정 배합(formulation)과 조성은 VSD 물질의 특정 애플리케이션에 가장 적합한 기계적 및 전자적 속성을 위해 선택될 수 있다. HAR 입자(130)는 유기물(예를 들어, 카본 나노튜브(carbon nanotubes), 그라핀(graphene)) 또는 무기물(예를 들어, 나노-와이어(nano-wires) 또는 나노 로드(nanorods))일 수 있고, 그 밖의 입자들 사이에서 다양한 집단로 분산될 수 있다. HAR 입자(130)의 보다 구체적인 예는, 나노 와이어 또는 소정 타입의 나노 로드에 의해 제공되는, 도전적 또는 반도적적 무기 입자에 상응할 수 있다. 이러한 입자에 대한 물질은 구리, 니켈, 금, 은, 코발트, 아연 산화물, 주석 산화물, 실리콘 카바이드, 갈륨 비소(gallium arsenide), 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 티타늄 이산화물, 안티몬, 붕소 질화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물, 비스무트 산화물, 세륨 산화물, 및 안티몬 아연 산화물을 포함한다.
VSD 물질(100)이 전압 절환형 절연 물질의 전기 특성을 나타내면서도 비계층화(non-layered)되고 그 조성이 균일하도록, 다양한 클래스의 입자가 폴리머(105) 내에 분산될 수 있다. 일반적으로, VSD 물질의 특성 전압은 볼트/길이(예를 들어, 5밀(mil) 마다)로 측정되나, 전압에 대한 대안으로서 다른 필드 측정(field measurements)이 사용될 수 있다. 따라서, VSD 물질 레이어의 바운더리(102) 양단에 인가되는 전압(108)은, 그 전압이 갭 거리(L)에 대한 특성 전압을 초과하면, VSD 물질(100)을 도전적 상태로 절환시킬 수 있다. 도전적 상태에서, 폴리머 조성물(폴리머 바인더(105)와 반도전적 입자(106)를 포함함)은 VSD 물질의 일측 바운더리로부터 다른측 바운더리까지, 금속 입자(110) 간의 전하를 도전한다(도전 경로(122)로 묘사됨). 하나 이상의 구현예에서, VSD 물질은 동작하는 회로의 특성 전압 레벨을 초과하는 특성 전압 레벨을 갖는다. 언급된 바와 같이, 다른 특성 필드 측정이 사용될 수 있다.
하나 이상의 구현예에 따르면, 반도전적 입자(106)는 폴리머 바인더(105)의 밴드 갭에 필적하거나 실질적으로 동일한 밴드 갭을 갖도록 선택, 변형, 또는 치수화된 화합물 반도체에 상응할 수 있다. 일 구현예에서, 폴리머 바인더(105)는 0.8-1.2 eV 범위의 밴드 갭을 갖고, 반도전적 입자(106)는 대략 동일한 범위 내에 있는 밴드 갭을 갖도록 선택, 변형, 및/또는 치수화된다.
일부 구현예에서, 반도체가 반도전적 입자(106)로서 사용된다. 충전재로서 사용될 수 있는 반도체의 예에는, 실리콘, 게르마늄, 및 Ⅲ-Ⅴ, InAs, InSb, GaSb, Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅵ, 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ (예컨대 In2Se3(IS), CuInSe2(CIS), CuGaSe2, CuInS2와 CuInxGa1-xSe2(CIGS) ) 타입의 보다 최근의 화합물 반도체가 있다. 일 구현예에서, 반도전적 입자(106)는 저 밴드 갭과 다결정 필름(polycrystalline film)의 결정들 간의 고유 입자 경계를 모두 갖는 CuInxGa1-xSe2을 포함하거나, 이에 상응할 수 있다. 입자 경계는 다결정 구조에서 고유 홀 에너지 장벽 속성과 랜덤하게 분포된 p-n 접합을 갖도록 제안된다. 실리콘, 게르마늄, 또는 Ⅲ-Ⅵ, Ⅱ-Ⅵ, 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물 반도체의 이러한 속성에 의해, 이들 물질의 조성물은 바람직한 전압 절환 또는 비선형 저항 속성을 갖는다.
화합물 반도체 디바이스는 비용이 많이 드는 진공 기반 증착 방법에 의해 일반적으로 합성된다. 트랜지스터 또는 광전지 디바이스 실리콘을 제조하는 비용을 낮추기 위하여, 다수의 비-진공 방법이 CIS, CIGS, 및 다른 화합물 반도체 디바이스를 합성하도록 개발되었다. 이러한 비-진공 방법의 일부는 실리콘, CIS, 및 CIGS 미크론 치수 입자, 나노입자, 또는 양자 도트(quantum dot)를 합성하는 단계를 포함하며, 이들 입자 또는 도트는 폴리머 수지에서 분산될 수 있다.
너무 작아서 양자 구속되는(quantum confined) 입자를 "양자 도트"라 한다. 일 구현예에서, 반도전적 입자(106)은 예를 들어, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, 및 GaN과 같은 양자 도트(QD) 반도체를 포함하거나 이에 상응한다. QD 반도체는 상대적 저 밴드 갭을 가지며, 이 밴드 갭은 부분적으로 반도체의 타입과 사이즈의 함수이다.
일부 구현에에 따라서, VSD 물질은 (ⅰ) 도전적 입자와, (ⅱ) 혼합물 반도전적 입자(반도전적 입자(106)로서 제공될 수 있음)를 포함할 수 있다. 대안적으로는, 다른 반도체(예를 들어, 기존의 금속 산화물 타입), HAR 입자, 및/또는 절연성 입자가 혼합될 수 있다. 혼합물 반도전적 입자는 "마크론 사이즈", "나노메타 사이즈"일 수 있다. 보다 바람직하게는, 2eV 보다 작은 밴드 갭, 가장 바람직하게는 1.5 eV 보다 작은 유효 밴드 갭을 갖는 화합물 반도체가 (반도전적 입자(106)로서) 선택된다.
[표 1]은 선택된 반도체 물질의 밴드 갭을 나타낸다. 폴리머 바인더(105)의 유효 밴드 갭이 1 eV(또는 2 eV 보다 작은) 정도라고 가정하면, 약 1 eV보다 작거나 그것에 근접하는 밴드 갭을 갖는 반도전적 입자(106)가 선택되는 것이, 폴리머에서 공간 전하 축적 또는 열화적 부 반응(degradative side reaction)을 최소화하기 위하여 가장 바람직하다. 따라서, [표 1]에서, CuInS2, CuInSe2, GaAs, InP, Si, PbSe, PbS, 및 PbTe가 반도전적 입자(106)로서 또는 반도전적 입자(106)와 함께 사용하는데 적절하다. 대안적으로, [표 1]의 혼합물은 입자의 유효 밴드 갭을 낮추기 위해서 도핑될 수 있다. 예를 들어, 전류 이동성을 향상시키고 유효 밴드 갭을 감소시키기 위해서 실리콘은 소량의 붕소 또는 인 원자로 도핑될 수 있다.
Figure pct00001
도 2는 일 구현예에 따라서, VSD 물질에 상대적 저 밴드 갭을 갖는 반도전적 입자를 사용하는 효과를 예시하기 위해, 도 1에 묘사된 VSD 물질의 랜덤 샘플 부분을 확대한 도이다. 도 2에서, 샘플은 폴리머 바인더(105)와 반도전적 입자(106)에 의해 분리된 도전적 입자(110)를 포함한다. VSD 물질이 도전적 상태로 절환하기 위해서, 두 개의 인접한 입자(110) 사이에 경로가 형성된다.(도시된 바와 같이) 반도전적 입자(106)가 폴리머 바인더(105)보다 상대적 높은 밴드 갭을 갖으면, 도전적 입자(110) 간의 도전적 경로는 전기 저항이 최소인 경로를 따르기 위하여, 반도적 적 입자(즉, 최소 저항의 경로)를 회피한다. 이는 도전적 경로(210)(BGPoly≤ BGFill)로서 예시된다.
이에 반해서, 반도전적 입자(106)가 폴리머 바인더(105)와 실질적으로 동일한 밴드 갭 값을 가지면, 두 인접 도전적 입자(110) 사이의 전하는 반도전적 입자(106)를 통과할 가능성이 높다. 이는 입자 도전적 경로(220)
Figure pct00002
로서 예시된다. 이와 같이 설명된 구현예는, 도전적 경로(220)로 묘사된 도전적 경로의 사용을 증진시키거나 증가시키기 위하여, 폴리머 바인더(105)와 저 밴드 갭 반도전적 입자(106)를 사용하는 VSD 조성을 규정한다. 폴리머 조성물 내에서 입자의 사용을 증가시키면, 폴리머 바인더(105)의 전체적인 열화가 감소되고, 특히 VSD 물질에 펄스가 인가된 후의 누설 전류가 개선된다.
변화물과 대안물
본 명세서에 기재된 일부 구현예가 적절한 밴드 갭(즉, 폴리머 바인더(105)의 밴드 갭에 실질적으로 동일함)을 갖는 반도전적 입자(106)을 식별하고 선택하는 것을 규정하는 반면, 다른 구현예는 소망하는 밴드 갭을 갖도록 반도전적 입자를 설계, 구성, 및 형성하는 것을 규정한다. 또한, 반도전적 입자의 일부 타입은 입자의 밴드 갭에 영향을 주도록 정형화(shaped)될 수 있다(따라서, 밴드 갭을 소망하는 값의 유효 밴드 값에 대략 속하도록 할 수 있음). 예를 들어, 반도전적 입자(106)는 화합물 반도체, 실리콘, 게르마늄, 또는 비-구형(예를 들어, 정육면체, 각기둥, 4면체)으로 정형되고, 레그(예를 들어, 테트라포드(tetrapods)) 또는 기둥(rods)를 구비하는 QD 입자를 포함하거나 이에 상응할 수 있다. 이러한 물리적 특성은 또한 입자의 특성 밴드 갭에 영향을 미칠 수 있고, 소망하는 밴드 갭 범위 내에서 충전재 입자를 높이거나 낮게 조절하기 위해 사용될 수 있다.
VSD 물질 응용
본 명세서에서 설명된 임의 구현예에 따른 VSD 조성에 대하여 다수의 응용이 존재한다. 특히, 구현예에서, VSD 물질은 예를 들어, LED와 무선 주파수 디바이스(예를 들어, RFID 태그)와 같은 보다 구체적인 응용 뿐만 아니라, 예를 들어 인쇄 회로 기판과 같은 기판 디바이스, 반도체 패키지, 부품 디바이스, 박막 전자 상에 제공된다. 더 구체적으로, 다른 응용에서, 본 명세서에서 설명되는 것과 같은 VSD 물질은 액정 표시 장치, 유기 발광 디스플레이, 전기변색소자 디스플레이(electrochromic display), 전기영동 디스플레이(electrophoretic display), 또는 이러한 디바이스를 위한 백 플레인(back plane) 구동부에 사용된다. VSD 물질을 포함시키는 목적은, 예를 들어, ESD 이벤트에 의해 발생할 수 있는 과도 현상 및 과전압 상태에 대한 대처를 향상시키기 위한 것이다. VSD 물질에 대한 다른 응용에는, 엘.코소스키(L.Kosowsky)에게 특허된 미국 등록특허 제6,797,145호(이 출원의 전부가 참조로서 본 명세서에 포함됨)에 설명된 것과 같은 금속 증착이 포함된다.
도 3a와 도 3b는 본 명세서에서 제공되는 임의의 구현예에서 설명되는 조성을 갖는 VSD 물질로 만들어진 기판 디바이스에 대한 각각의 다른 구성을 예시한다. 도 3a에서, 기판 디바이스(300)는 예를 들어, 인쇄 회로 기판에 상응한다. 이러한 구성에서, VSD 물질(310)(본 명세서에서 설명된 임의의 구현예에서 설명된 조성을 갖음)은 연결된 요소를 접지시키기 위하여 표면(302) 위에 제공될 수 있다. 선택적이거나 또는 변형예로서, 도 3b는 VSD 물질이 기판의 두께(310) 내에 내장된 접지 경로를 형성하는 구성을 도시한다.
전기 도금( electroplating )
예를 들어, ESD 이벤트에 대한 대처를 위하여 디바이스 위에 VSD 물질을 포함시키는 것에 더하여, 하나 이상의 구현예에서는, 기판 상에 배선 요소(trace element)를 포함하는 기판 디바이스 및 비아(via)와 같은 상호 접속 요소를 형성하기 위하여, VSD 물질(본 명세서의 임의의 구현예에서 설명된 조성을 사용함)의 사용을 고려한다. 2007년 7월 29일자로 출원되고, 미국 등록특허 제6,797,145호에 대해 우선권을 주장하는 미국 특허출원 제11/881,896호(양 출원 및 등록특허의 전부가 참조로서 본 명세서에 포함됨)는 VSD 물질을 사용하여 기판, 비아, 및 다른 디바이스를 전자 도금하는 다양한 방법을 자세하게 설명한다. 본 명세서에서 설명된 구현예에 의하면, VSD 물질을 상기 미국출원의 임의의 구현예에서 설명된 것처럼 사용할 수 있다.
다른 응용
도 4는 본 명세서에서 설명된 구현예에 따른 VSD 물질이 그 표면에 제공될 수 있는 전자 디바이스에 대한 단순화된 다이어그램이다. 도 4는 기판(410), 구성요소(420), 및 선택적인 덮개 또는 하우징(430)을 포함하는 디바이스(400)를 예시한다. VSD 물질(405)(설명된 임의의 구현예에 따름)은 표면(402) 위, 표면(402)의 밑(예를 들어, 배선 요소의 밑 또는 구성요소(420)의 밑), 또는 기판(410)의 두께 내의 위치를 포함하는 하나 이상의 위치에 포함될 수 있다. 대안적으로, VSD 물질은 덮개(430)에 포함될 수 있다. 각 경우에서, VSD 물질(405)은 특성 전압을 초과하는 전압이 존재할 때, 예컨대, 배선 리드(Trace leads)와 같은 도전적 요소와 결합하도록 포함된다. 따라서 VSD 물질(405)은 특정 전압 상태가 존재할 때 도전적 요소이다.
본 명세서에서 설명된 임의의 응용에 관련하여, 디바이스(500)는 디스플레이 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 구성 요소(420)는 기판(410)에 배치되는 LED에 상응할 수 있다. 기판(410) 상의 VSD 물질(405)의 위치와 구성은, 발광 디바이스 내에 제공되거나, 그 디바이스에 의해 사용되거나, 그 디바이스에 포함되는 다른 도전적 요소, 전기적 리드, 및 단자(예를 들어, 입력 또는 출력)를 수용하기 위하여 선택적일 수 있다. 대안적으로, VSD 물질은 기판과 별개로, LED 디바이스의 양극 리드와 음극 리드의 사이에 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 구현예에서, 유기 LED가 사용되며, 이 경우 VSD 물질은 예를 들어 OLED의 밑에 제공될 수 있다.
LED 및 그 밖의 발광 디바이스에 관련하여, 미국 특허출원 제11/562,289호(본 명세에서 참조로서 포함됨)에 설명된 임의의 구현예는, 본 출원의 여러 구현예에서 설명되는 VSD 물질로 구현될 수 있다.
대안적으로, 디바이스(400)는 무선-주파수 식별 디바이스와 같은 무선 통신 디바이스에 상응할 수 있다. 무선-주파수 식별 디바이스(RFID)와 무선 통신 구성 요소와 같은 무선 통신 디바이스에 관련하여, VSD 물질은 예를 들어, 과전류 또는 ESD 이벤트로부터 구성 요소(420)을 보호한다. 이러한 경우에, 구성 요소(420)는 디바이스의 무선 통신 구성 요소 또는 칩에 상응할 수 있다. 대안적으로, VSD 물질(405)의 사용은 구성 요소(420)에 의해 야기될 수 있는 전하로부터 다른 구성 요소를 보호한다. 예를 들어, 구성 요소(420)는 배터리에 상응할 수 있고, VSD 물질(405)은 배터리 이벤트로부터 발생되는 전압 상태로부터 보호하기 위하여 기판(410)의 표면 위에 배선 요소로서 제공될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 구현예에 따른 VSD 물질에 대한 임의의 조성은, VSD 물질을 포함하는 무선 통신 디바이스의 다수 구현예가 기재된 미국 특허출원 제11/562,222(본 명세서에서 참조로서 포함됨)에 설명된 디바이스 및 디바이스 구성을 VSD 물질로서 사용되도록 구현될 수 있다.
대안예 또는 변형예로서, 구성 요소(420)는 예를 들어, 개별 반도체 디바이스에 상응할 수 있다. VSD 물질(405)은 구성 요소와 함께 집적되거나, 또는 그 물질을 온으로 절환시키는 전압이 존재할 때 구성 요소에 전기적으로 연결되도록 위치될 수 있다.
또한, 디바이스(400)는 패키지된 디바이스, 또는 대안적으로 기판 구성 요소를 수용하는 반도체 패키지에 상응할 수 있다. VSD 물질(405)은 기판(410) 또는 구성 요소(420)가 디바이스 내에 포함되기 전에, 덮개(430)와 결합될 수 있다.
도면을 참조하여 설명된 구현예는 예시적인 것으로 간주되고, 출원인이 보호 요구하는 사항은 이러한 예시적 구현예의 세부 사항에 의해 한정되어서는 안된다. 다른 예시적 구현예에서 별도로 설명된 특징의 조합을 포함하는 다양한 변경 및 변형물은 설명된 구현예에 포함된다. 따라서, 본 발명의 범위는 후술되어질 청구 범위에 의해 정의된다는 것을 의미한다. 이에 더하여, 개별적으로 또는 구현예의 일부로서 설명된 특정 기능은, 다른 개별적으로 설명된 특성 또는 다른 구현예의 일부에, 비록 다른 특성 또는 구현예가 특정 특성을 언급하지 않았더라도, 결합될 수 있다.
100, 450: 전압 절환형 절연 물질
105: 폴리머
106: 반도전적 입자
122: 도전적 경로
300, 410: 기판
400: 디바이스
420: 구성 요소
430: 덮개

Claims (20)

  1. 전압 절환형 절연 물질(voltage switchable dielectric material)에 대한 조성으로서,
    두 개 이상의 폴리머 타입 또는 코폴리머(copolymer)의 혼합물(mixture)을 포함하는 폴리머 바인더를 포함하고,
    상기 폴리머 바인더의 유효 밴드 갭(effective band gap)은 2eV 보다 작은 것을 특징으로 하는 조성.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리머 바인더에서 적어도 한 타입의 폴리머는 상기 폴리머 바인더의 유효 밴드 갭이 2eV 보다 작을 수 있도록 충분히 낮은 밴드 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 조성.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 폴리머 바인더내 적어도 다른 한 타입의 폴리머는 에폭시(epoxy)인 것을 특징으로 하는 조성.
  4. 조성으로서,
    2eV 보다 작은 유효 밴드 갭을 갖는 폴리머 바인더; 및
    입자 구성물들의 하나 이상의 클래스(one or more classes of particle constituents)로서, 2eV 보다 작은 밴드 갭을 개별적으로 갖는 반도전적 입자의 클래스를 포함하는 상기 하나 이상의 클래스를 구비하고,
    상기 조성은 (i) 특성 전압 레벨을 초과하는 전압이 없을 때는 절연적이고, (ⅱ) 특성 전압 레벨을 초과하는 상기 전압이 인가되면 도전적인 것을 특징으로 하는 조성.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 반도전적 입자는 크기가 미크론(micron) 또는 나노미터(nanometer)인 것을 특징으로 하는 조성.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 개별적 반도전적 입자의 밴드 갭은 상기 폴리머 바인더의 밴드 갭 보다 작거나 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 조성.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 입자 구성물의 하나 이상의 클래스는 도전적 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 입자 구성물의 하나 이상의 클래스는 2 eV 보다 작은 밴드 갭을 갖는 반도전적 입자의 클래스에 속하지 않는 고 종횡비(high aspect ratio) 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
  9. 청구항 4에 있어서, 상기 반도전적 입자는 클래스 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅵ, 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ의 화합물 반도체(compound semiconductor)를 포함하거나 그에 상응하는 것을 특징으로 하는 조성.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 화합물 반도체는 고 종횡비 입자인 것을 특징으로 하는 조성.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 화합물 반도체는 적어도 양자 도트 입자의 일부 집단(at least some concentration)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 반도체는 적어도 나노 사이즈의 결정질(crystalline) 실리콘의 일부 집단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
  13. 청구항 4에 있어서, 상기 폴리머는 에폭시 또는 아크릴산염(acrylate)에 상응하는 것을 특징으로 하는 조성.
  14. 청구항 4에 있어서, 상기 폴리머 바인더는 폴리머들의 혼합물을 포함하고,
    상기 혼합물은 그 혼합물의 유효 밴드 갭이 2 eV 보다 작을 수 있도록 충분히 낮은 밴드 갭을 갖는 적어도 하나의 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
  15. 디바이스로서,
    전압 절환형 절연(VSD) 물질의 보호 레이어(protective layer)를 포함하고,
    상기 VSD 물질은
    폴리머 바인더;
    상기 폴리머 바인더의 밴드 갭 보다 작거나 실질적으로 동일한 밴드 갭을 개별적으로 가지며 상기 폴리머 내에서 분산되는 반도전적 입자들의 집단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 반도전적 입자에 대한 조성은 크기가 미크론 또는 나노미터인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 VSD 물질은
    반도전적 입자에 대한 집단에 더하여, 도전적 입자, 더 높은 밴드 갭 반도전적 입자, 또는 고 종횡비 입자들에 상응하는 입자들의 하나 이상의 클래스에 대한 집단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 청구항 15에 있어서, 2 eV 보다 작은 밴드 갭을 갖는 상기 반도전적 입자들은, 클래스 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅵ, 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ의 화합물 반도체를 포함하거나 그에 상응하는 것을 특징으로 하는 조성.
  19. 청구항 15에 있어서, 2 eV 보다 작은 밴드 갭을 갖는 상기 반도전적 입자는, 양자 도트 입자들의 적어도 일부 집단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 청구항 15에 있어서, 2 eV 보다 작은 밴드 갭을 갖는 상기 반도전적 입자는, 나노미터 크기의 결정질(crystalline) 실리콘의 적어도 일부 집단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성.
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