KR20110013560A - 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 초전기 센서 분야에 응용될 수 있도록 폴리비닐리덴플루오라이드 및 트리플루오로에틸렌(P(VDF-TrFE))의 공중합체를 OTFT에 적용하여 초전기 게이트 유전체로서 활용하기 위해, 초전기 게이트 유전체 재료를 게이트 유전층으로서 유기 박막 트랜지스터 구조에 집적하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서를 제공한다. 또 본 발명에서는 기판 위에 전기도금에 의해 Ni 게이트 전극을 필름 위에 증착하는 단계; 상기 Ni 게이트 전극 위에 P(VDF-TrFE) 층을 도포하여 유전층을 형성하는 단계; 상기 유전층을 어닐링하여 용해한 뒤 재결정하여 결정성을 향상시키는 단계; 상기 유전층 위에 반도체 층, 소스 및 드레인 전극층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서 제조방법이 제공된다.
Description
본 발명은 초전기 재료(pyroelectric functional material)를 센서에 응용할 수 있도록 OTFT 구조 위에 직접 게이트 유전층으로서 활용한 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전자 소자에의 응용 가능성이 1987년 처음 대두된 이래, 유기 박막 트랜지스터(OTFT)에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔다. 그 이유는 종래의 실리콘 기술에 비해 낮은 비용, 높은 성능, 그리고 플렉시블 전자 제품에의 적용이 가능한 높은 호환성 등의 장점이 있기 때문이다. 최근에는 메모리, RFID, 센서 등과 같은 다양한 전자 부품에 적용하기 위해 유기 전자 소자의 이점을 이용하려는 시도로서, OTFT 및 그 집적회로의 새로운 기능이 고려되고 있다.
기능성 유기 소자(functional organic devices)의 경우, 강자성, 압전특성 및 초전기를 가지는 유기 지능 재료(organic smart materials)는 OFTF 소자 구조에 직접 집적될 수 있다. 적용 가능한 우수한 물질로는 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF) 및 PVDF의 트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene)과의 공중합체(P(VDF-TrFE))가 있다.
PVDF 및 P(VDF-TrFE)의 압전 및 초전기 특성은 이미 상당 수준 연구가 되어 왔고 다양한 연구 분야에 적용되어 오고 있다. 하지만, 이러한 특성은 OTFT에 대해서는 외부 센싱 모듈(external sensing modules)에 응용하는 정도에 한정되어 있다. 이러한 분야에의 응용에 있어서는, 일반적으로 복잡한 제조방법 및 비선형 응답 등의 불리한 점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하여, 초전기 재료를 센서에 응용할 수 있도록 OTFT 구조 위에 직접 게이트 유전층으로서 활용하는 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.
전술한 목적을 해결하기 위해 본 발명에서는, 초전기 게이트 유전체 재료를 게이트 유전층으로서 유기 박막 트랜지스터 구조에 집적하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서를 제공한다.
이때 상기 게이트 유전층은, 초전기 게이트 유전체 재료, 초전기 폴리머 박막, 초전기 나노입자-PVDF 기재 폴리머 복합재료, 초전기 나노입자-P(VDF-TrFE) 공중합체 복합재료, 초전기 나노입자-폴리머 복합재료 및 무기 초소성 박막 게이트 유전체로 이루어지는 군에서 선택된다.
또 상기 초전기 폴리머 박막이 PVDF, 또는 P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-CDFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-HFP), P(VDF-TrFE-CDFE), P(VDF-TFE-CTFE), P(VDF-TFE-CFE), P(VDF-TFE-HFP) 및 P(VDF-TFE-CDFE)를 포함하는 PVDF 기재 공중합체인 것이 바람직하다.
그리고 상기 초전기 나노입자는 BaTiO3, PbTiO3, SrTiO3, (Ba,Sr)TiO3 및 (Pb,Zr)TiO3로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또 상기 초전기 폴리머는 PVDF, 또는 P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-CDFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-HFP), P(VDF-TrFE-CDFE), P(VDF-TFE-CTFE), P(VDF-TFE-CFE), P(VDF-TFE-HFP), 및 P(VDF-TFE-CDFE)로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 초전기 무기 게이트 유전층은 BaTiO3, PbTiO3, SrTiO3, (Ba,Sr)TiO3, and (PbZr)TiO3로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또 본 발명에서는 아래와 같은 단계로 이루어지는 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서 제조방법을 제공한다.
기판 위에 전기도금에 의해 Ni 게이트 전극을 필름 위에 증착하는 단계;
상기 Ni 게이트 전극 위에 P(VDF-TrFE) 층을 도포하여 유전층을 형성하는 단계;
상기 유전층을 어닐링하여 용해한 뒤 재결정하여 결정성을 향상시키는 단계;
상기 유전층 위에 반도체 층, 소스 및 드레인 전극층을 증착하는 단계.
이때 P(VDF-TrFE)가 코팅되는 방법은 특히 한정되지는 않지만, 스핀 코팅에 의해 도포되는 것이 바람직하다. 그리고 바람직한 한 실시예에서는 P(VDF-TrFE)가 디메틸포름아미드 용매에 10wt% 농도로 용해되어 도포된다.
기판의 재질은 역시 한정할 필요는 없으나, 바람직한 예로써 폴리이미드를 사용할 수 있다.
또 반도체층의 재질은 펜타센인 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 유기 초전기 센서 제조방법에서는 소스/드레인 전극을 접지하고, 상기 게이트 전극에 음의 바이어스를 인가함으로써 폴링을 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이때 바이어스는 -40V까지의 전압에서 이루어지는 것이 좋다. 또 폴링은 측정 시를 제외하고는 연속적으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 OTFT 구조에서 초전기 게이트 절연체층으로서 잔류 분극(remnant polarization)이 매우 큰 고결정성 P(VDF-TrFE) 재료를 최초로 사용하여 온도 감지용 응용 분야에 적용한다는데 그 의미가 있다. 이러한 구성에 의하면, 외부 센싱 모듈에 비해 제조 공정이 간편하게 된다.
한편, 트랜지스터 성능에 미치는 초전기의 효과를 향상시키기 위해서 순차적 폴링 공정(step-wise poling process)에 기초한 폴링 방법(poling strategy)을 도입하였다. 또 열센서(thermal sensor)의 신속한 응답과 선형 특성을 얻기 위해 새로운 폴링 및 측정 방법을 도입하였다. 그리고 본 발명자들은 기능성 OTFT(functional OTFT)의 열적 거동을 조사하였고, 그 결과 P(VDF-TrFE)의 상전이온도 밑에서 선형 응답을 나타냈음을 확인하였다. 한편 폴링 오퍼레이션 모드(poling operation mode)를 도입하여 온도 센서에의 적용에 있어서 안정적이고 신뢰도 높은 성능을 얻을 수 있도록 하였다. 즉 폴링 오퍼레이션 모드를 적용하여, 높은 온도에서 관찰되는 열진동에 기인하는 분극의 감소를 회피하고, 열팽창 메커니즘에 의한 고결정성 β상의 양의 초전기 기여분을 이용하였다.
본 발명에 따라 OTFT 내에 P(VDF-TrFE)를 기능성 게이트 유전층으로 도입하면, 구조가 간단하고 응답이 빠르며 우수한 선형도 및 신뢰성을 확보할 수 있는 유기 초전기 센서를 제공할 수 있다. 특히 특정 온도 범위에서 소자의 선형 반응을 확보할 수 있기 때문에, 초전기 열센서로서 사용될 경우 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 다양한 분야의 스마트 유기 유전재료에 효과적으로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 OTFT의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 OTFT의 구조를 개력적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 OTFT에 대한 폴링 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 OTFT에 있어서 온도 측정 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 의해 제조된 유기 초전기 센서의 온도 응답 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 OTFT의 구조를 개력적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 OTFT에 대한 폴링 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 OTFT에 있어서 온도 측정 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 의해 제조된 유기 초전기 센서의 온도 응답 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따라 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서를 제조하는 공정이고, 도 2는 이렇게 제조된 소자를 개략적으로 나타낸다.
먼저 오염되지 않은 폴리이미드 필름(1) 위에 전기도금에 의해 Ni 게이트 전극(2)을 증착하였다. 게이트 유전체의 재료는 Piezotech S.A.에서 구입한 65mol% VDF의 P(VDF-TrFE)이다. 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF) 용매에 10wt% P(VDF-TrFE)가 용해된 용액이 Ni 게이트 전극에 스핀 코팅되어 두께 500nm의 층(3)을 형성하였다. 일반적으로는 코팅의 두께는 400nm 이상이 바람직하다.
증착된 상태의 500nm 두께 P(VDF-TrFE)에 대해 측정된 정전용량은 16.23nF/cm2였고 유전상수는 9.17였다. 측정조건은, DC 바이어스를 -20 내지 20V 사이에서 바꿔주면서 1kHz에서 0.1V 직류 전압 조건이었다. 이 값은 종전에 보고된 10-12의 유전상수보다 조금 작은 값이었다. 이 결과는 재료의 높은 결정성에 기인하는 것일 수 있다. 정전용량은 비분극재료의 장유도 분극(filed-induced polarization)에 의해 결정되는데, 이는 인가된 전기장이 제거되면 사라진다. P(VDF-TrFE)의 경우, 장유도 분극은 비정질 상의 극성 분자(polar molecules)에서 기인하며, β상 결정 내의 폴리머 사슬 사이의 쌍극자 모멘트에서 기인하는 잔류 분극 Pr과는 구별되어야 한다. 본 발명의 경우, 용탕에서 P(VDF-TrFE) 층을 재결정화하면 고결정성 β상의 대부분 또는 비정질의 일부분이 얻어진다. 이로써 적은 양의 정전용량을 얻는 이유가 설명된다.
한편 같은 두께에서, 폴링된 P(VDF-TrFE)의 정전용량은 3.98nF/cm2로서, 증착상태 박막에 비해 1/4이다. 이는 잔류 분극에 의한 높은 내부 전기장에 기인한 것일 수 있다. 이 내부 전기장은 132V 바이어스와 동등한 상대적으로 높은 값이기 때문에, 장유도 분극이 작은 인가 전압(-20 내지 20V)에 맞춰지는 것이 방지된다. 따라서 정전용량이 감소된다. 표면 전하밀도는 5.25mC/m2으로 계산되었다.
이이서 60℃에서 건조하여 DMF 용매를 제거하였다. 다음으로, 게이트 유전체 층을 핫플레이트 위에서 200℃까지의 온도 조건에서 어닐링하여 완전히 용해하였다. 이 층을 질소 분위기에서 140℃에서 2시간 동안 유지된 뒤 상온까지 자연 건조하여 상(phase)의 결정성을 향상시켰다. 이러한 공정을 통해 재결정이 이루어진다. 다음으로 열증착기(thermal evaporator)에 의해 펜타센층(4)을 증착하고, 이이서 Au 소스/드레인 전극(5, 6)을 증착하였다.
도 3은 이렇게 제조된 OTFT에 대한 폴링 공정을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 OTFT에 있어서 온도 측정 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도면에 나타난 바와 같이, 게이트 전극을 VG를 0 내지 -40V까지의 전압으로 바이어스함으로써(9), 접지된 소스/드레인 전극(7, 8)에 대해 순차적 폴링 공정이 수행되었다. 즉 순차적 폴링 방법은 접지된 소스/드레인 전극들 포함하는 상온의 소자에 게이트 전극을 -40V까지 바이어스함으로써 수행되었다. 폴링 전기장은 80MV/cm까지 인가된다. 이때 펜타센층은 도전층으로서 기능한다. -40V에서 샘플을 계속 폴링하면서 80℃까지 가열하여 그 온도에서 2시간을 유지하고, 마지막으로 폴링 효과를 극대화하기 위하여 상온까지 냉각하였다. P(VDF-trFE)층은 MIM 구조로서 폴링되었고, 쌍극자는 폴링 방향을 따라 정렬되었다.
도 4를 참조하면, 폴링 이후 고온척 위의 소자에 대한 출력 특성이 다양한 온도에 대해 측정되었다. 측정 조건은 -40V의 게이트 바이어스에서 -10, -20, -30, -40V의 음의 드레인 바이어스(11)였다. 열진동 효과(thermal vibration effect)를 방지하기 위해, 소자는 측정될 때 이외에는 계속 폴링이 되었다. 그 결과 센서의 열응답은 선형이었으며, 감도는 이후 도 5 관련해서도 설명되는 바와 같이 4.38V/℃였다.
고온에서 폴링 이후, P(VDF-TrFE)의 쌍극자는 온도가 증가함에 따라 상태가 바뀐다. 폴링 이후 P(VDF-TrFE) 층의 분극 때문에, 폴링된 소자의 출력 특성은 추가적인 등가 전압 Vo(10)를 가지도록 증가되었다. 이때 두 가지 현상이 존재한다. 하나는 열진동인데, 이때 쌍극자는 폴링 방향으로 진동하여 분극을 감소시킨다. 다른 하나는 열팽창으로서, 쌍극자 모멘트는 P(VDF-TrFE) 층 내의 결정이 증가함에 따라 팽창한다. 이러한 거동은 게이트 유전층의 분극을 증가시킨다. 측정 시 외에는 폴링 공정을 계속 유지함으로써, 쌍극자를 폴링방향으로 유지하여, 열진동의 효과를 최소로 할 수 있었다. 센서의 전력소비는 무시할 만한데, 폴링 전류가 게이트 유전층의 누설전류로서, 약 1x10-11A이기 때문이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 한 실시예에 의해 제조된 유기 초전기 센서의 온도 응답 및 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 5a에 나타난 것과 같이 온도에 따른 ID의 변화는 측정조건에 의존하기 때문에, 소자 민감도(sensitivity)를 dV0/dT로 정의하는 것이 좋다. ID-VD 특성에 의해 얻어진 온도에 대한 V0의 변화를 도 5b에 나타냈으며, 민감도(dV0/dT)는 4.38V/℃로 계산되었다. 약간 지수함수적인 드레인 전류의 거동이 60℃ 이상에서 관찰되었는데(미도시), 이 거동의 원인은 고온에서 발생하는 전계효과 채널 이동도의 변화라고 할 수 있다. 25 내지 60℃ 범위에서 반복 측정하여 V0가 29.81V인 최대 오차가 얻어졌는데, 이는 약 6.8℃이며, 온도 상한을 80℃까지 연장한 경우는 V0의 최대 오차가 95.24V 즉 21.7℃였다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명의 사상은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지는 것으로 이해되어야 할 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
1: 폴리이미드 기판 2: Ni 전기도금된 게이트 전극
3: P(VDF-TrFE)층 4: 펜타센층
5: Au 증착된 소스 전극 6: Au 증착된 드레인 전극
7: 소스 전극 접지 8: 드레인 전극 접지
9: 음의 게이트 바이어스 10: P(VDF-TrFE)층의 폴링 후 등가 전압 V0
11: 음의 드레인 바이어스
1: 폴리이미드 기판 2: Ni 전기도금된 게이트 전극
3: P(VDF-TrFE)층 4: 펜타센층
5: Au 증착된 소스 전극 6: Au 증착된 드레인 전극
7: 소스 전극 접지 8: 드레인 전극 접지
9: 음의 게이트 바이어스 10: P(VDF-TrFE)층의 폴링 후 등가 전압 V0
11: 음의 드레인 바이어스
Claims (3)
- 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서로서,
게이트 유전층으로서 초전기 게이트 유전체 재료를 유기 박막 트랜지스터 구조에 집적하여 이루어지고,
상기 초전기 게이트 유전체 재료는 결정화 및 폴링 공정 처리된 고결정성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 기재 공중합체 또는 고결정성 초전기 나노입자-PVDF 기재 공중합체 복합재료이고,
상기 폴리비닐리덴 플루오라이드 기재 공중합체는 P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-CDFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-HFP), P(VDF-TrFE-CDFE), P(VDF-TFE-CTFE), P(VDF-TFE-CFE), P(VDF-TFE-HFP) 및 P(VDF-TFE-CDFE)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서. - 제1항에 있어서,
상기 PVDF 기재 공중합체가 P(VDF-TrFE)인 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 초전기 나노입자가 BaTiO3, PbTiO3, SrTiO3, (Ba,Sr)TiO3 및 (Pb,Zr)TiO3로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서.
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| KR1020110006033A KR20110013560A (ko) | 2011-01-20 | 2011-01-20 | 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서 및 그 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110006033A KR20110013560A (ko) | 2011-01-20 | 2011-01-20 | 박막 트랜지스터 내에 집적된 유기 초전기 센서 및 그 제조방법 |
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| KR (1) | KR20110013560A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9752941B2 (en) | 2012-09-05 | 2017-09-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Pressure sensor and pressure sensing method |
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2011
- 2011-01-20 KR KR1020110006033A patent/KR20110013560A/ko not_active Application Discontinuation
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| US9752941B2 (en) | 2012-09-05 | 2017-09-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Pressure sensor and pressure sensing method |
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