KR20110063747A - 유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터 - Google Patents

유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터 Download PDF

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마사토시 사이토
히로아키 나카무라
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이데미쓰 고산 가부시키가이샤
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Abstract

하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
[화학식 1]
Figure pct00051

[화학식 1에 있어서, R1 내지 R6 중 적어도 하나가 치환기이고, 나머지 R1 내지 R6이 수소 원자이다.]

Description

유기 박막 트랜지스터용 화합물 및 그것을 이용한 유기 박막 트랜지스터{COMPOUND FOR ORGANIC THIN FILM TRANSISTOR AND ORGANIC THIN FILM TRANSISTOR USING THE SAME}
본 발명은, 유기 박막 트랜지스터용 화합물, 및 그것을 유기 반도체층에 이용한 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(TFT)는, 액정 표시 장치 등의 표시용 스위칭 소자로서 널리 사용되고 있다. 대표적인 TFT는, 기판 상에 게이트 전극, 절연체층, 유기 반도체층을 이 순서로 갖고, 유기 반도체층 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 갖고 있다. 유기 반도체층이 채널 영역을 이루고 있고, 게이트 전극에 인가되는 전압으로 소스 전극과 드레인 전극의 사이에 흐르는 전류가 제어되는 것에 따라 온/오프 동작한다.
종래, 이 TFT는, 비정질이나 다결정의 실리콘을 이용하여 제작되어 왔지만, 이러한 실리콘을 이용한 TFT의 제작에 사용되는 CVD 장치는 매우 고액으로, TFT를 이용한 표시 장치 등의 대형화는, 제조 비용의 대폭적인 증가를 수반한다는 문제점이 있었다. 또한, 비정질이나 다결정의 실리콘을 성막하는 프로세스는 매우 높은 온도 하에서 실시되기 때문에, 기판으로서 사용 가능한 재료의 종류가 한정되어 버리기 때문에, 경량인 수지 기판 등은 사용할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 비정질이나 다결정의 실리콘 대신에 유기물을 이용한 TFT(이하, 유기 TFT로 약기하는 경우가 있음)가 제안되고 있다. 유기물로 TFT를 형성할 때에 이용하는 성막 방법으로서 진공 증착법이나 도포법 등이 알려져 있지만, 이들 성막 방법에 의하면, 제조 비용의 상승을 억제하면서 소자의 대형화가 실현 가능하게 되어, 성막시에 필요해지는 프로세스 온도를 비교적 저온으로 할 수 있다. 이것 때문에, 유기 TFT에서는, 기판에 이용하는 재료의 선택시의 제한이 적다고 하는 이점이 있어, 실용화가 기대되고 있어, 활발히 연구 보고가 이루어지고 있다.
유기 TFT에 이용하는 유기물 반도체로서, p형 FET(전계 효과 트랜지스터)의 재료로서는, 공액계 폴리머나 티오펜 등의 다량체, 금속 프탈로시아닌 화합물, 펜타센 등의 축합 방향족 탄화수소 등이, 단체 또는 다른 화합물과의 혼합물 상태로 사용되고 있다. 또한, n형 FET의 재료로서는, 예컨대, 1,4,5,8-나프탈렌테트라카복실 다이안하이드라이드(NTCDA), 11,11,12,12-테트라사이아노나프토-2,6-퀴노다이메테인(TCNNQD), 1,4,5,8-나프탈렌테트라카복실다이이미드(NTCDI)나, 불소화 프탈로시아닌이 알려져 있다.
한편, 마찬가지로 전기 전도를 이용하는 디바이스로서 유기 전기발광(EL) 소자가 있다. 유기 EL 소자에서는, 일반적으로 100nm 이하의 초박막의 막 두께 방향에 105V/cm 이상의 강전계를 걸어 강제적으로 전하를 흐르게 하는 데 반하여, 유기 TFT의 경우에는, 수μm 이상의 거리를 105V/cm 이하의 전계로 고속으로 전하를 흐르게 할 필요가 있어, 유기 TFT에 사용되는 유기물 자체에 한층 더 전도성이 필요하게 된다. 그러나 종래의 유기 TFT에서의 상기 화합물은 전계 효과 이동도가 작아, 응답 속도가 느려서 트랜지스터로서의 고속 응답성에 문제가 있었다. 또한, 온/오프비도 작았다.
한편, 여기서 말하는 온/오프비란, 게이트 전압을 걸었을 때(온)의 소스-드레인 사이에 흐르는 전류를, 게이트 전압을 걸 때(오프)의 소스-드레인 사이에 흐르는 전류로 나눈 값이며, 온 전류란 통상 게이트 전압을 증가시켜 가서, 소스-드레인 사이에 흐르는 전류가 포화했을 때의 전류값(포화 전류)이다.
유기 TFT의 고성능의 재료로서, 피센과 같이 벤젠환이 굽혀진 구조의 축합 방향환을 이용한 유기 TFT가 비특허문헌 1로 보고되어 있다. 피센은 펜타센보다도 이온화 포텐셜이 낮기 때문에 화합물의 대기 중에서의 산화 안정성이 우수하다고 기재되어 있다. 그러나, 이 피센 화합물을 이용하여 유기 박막 트랜지스터의 유기층을 제작한 경우에, 균질한 막이 되지 않고, 이동도가 부족하였다.
본 발명은, 높은 이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터, 및 그 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해서 이용하는 화합물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
H. Okamoto 등, Journal of the American Chemical Society, 130권, 10470페이지, 2008년
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 크라이센 골격에 치환기를 갖게 하는 것에 의해, 이제부터 형성하는 층을 균질하게 할 수 있어, 그 결과, 얻어지는 유기 박막 트랜지스터가 높은 이동도를 갖거나 또는 도포 프로세스에의 적용 가능한 것을 알아내어, 본 발명을 완성한 것이다.
즉, 본 발명은, 하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
Figure pct00001
화학식 1에 있어서, R1 내지 R6 중 적어도 하나는 치환기이고, 나머지 R1 내지 R6은 수소 원자이다. 상기 치환기는, 할로젠 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 알킬아미노기, 탄소수 2 내지 60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성할 수도 있다), 탄소수 1 내지 30의 알킬설폰일기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있다.
또한, 본 발명은, 유기 박막 트랜지스터의 유기층용으로 사용할 수 있는 유기 박막 트랜지스터용 화합물이다.
또한, 상기 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은, 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간(間) 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 반도체층이, 상기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은, 하기 화학식 2로 표시되는 크라이센 화합물을 제공하는 것이다.
Figure pct00002
화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 하나가, 할로젠 원자, 탄소수 8 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 2 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 10 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.
또는, 화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 적어도 2개가 각각, 할로젠 원자, 탄소수 5 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.
본 발명에 의하면, 높은 이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터, 및 그 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해서 이용하는 화합물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은, 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
[화학식 1]
Figure pct00003
화학식 1에 있어서, R1 내지 R6 중 적어도 하나는 치환기이고, 나머지 R1 내지 R6은 수소 원자이다. 상기 치환기는, 할로젠 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 알킬아미노기, 탄소수 2 내지 60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성할 수도 있다), 탄소수 1 내지 30의 알킬설폰일기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있다.
화학식 1에 있어서, 바람직하게는, R1 내지 R6 중 적어도 2개가 치환기이다. 이 때, 치환기는 동일하거나 상이할 수 있다.
화학식 1에 있어서, 바람직하게는, R2, R5 중 적어도 하나가 치환기이다.
화학식 1에 있어서, 바람직하게는 R2 및 R5가 치환기이고, 이들 2개의 치환기는 같다.
화학식 1에 있어서, 바람직하게는 R2 또는 R5가 치환기이다.
바람직하게는, 치환기는, 할로젠 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기, 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있다.
또한, 바람직하게는, 치환기는, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기 또는 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있다.
화학식 1의 구조가 하기에 나타내는 흑색 동그라미를 중심으로 하여 점대칭이면, 분자가 질서있게 배향하기 쉽게 되기 때문에 바람직하다.
Figure pct00004
본 발명의 크라이센 화합물은, 하기 화학식 2의 구조를 갖는다. 이 크라이센 화합물은 화학식 1의 화합물에 포함된다.
[화학식 2]
Figure pct00005
화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 하나가, 할로젠 원자, 탄소수 8 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 2 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 10 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.
또는, 화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 적어도 2개가 각각, 할로젠 원자, 탄소수 5 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.
이하, 화학식 1, 2의 R1 내지 R6, R7 내지 R12가 나타내는 각 기의 구체예를 설명한다.
상기 할로젠 원자는, 불소, 염소, 브롬 및 요오드 원자를 들 수 있다.
상기 알킬기로서는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 아이소프로필기, n-뷰틸기, s-뷰틸기, 아이소뷰틸기, t-뷰틸기, n-펜틸기, n-헥실기, n-헵틸기, n-옥틸기, n-노닐기, n-데실기, n-운데실기, n-도데실기, n-트라이데실기, n-테트라데실기, n-펜타데실기, n-헥사데실기, n-헵타데실기, n-옥타데실기, n-노나데실기, n-에이코산기, n-헨에이코산기, n-도코산기, n-트라이코산기, n-테트라코산기, n-펜타코산기, n-헥사코산기, n-헵타코산기, n-옥타코산기, n-노나코산기, n-트라이아콘탄기 등을 들 수 있다.
상기 할로알킬기로서는, 예컨대, 클로로메틸기, 1-클로로에틸기, 2-클로로에틸기, 2-클로로아이소뷰틸기, 1,2-다이클로로에틸기, 1,3-다이클로로아이소프로필기, 2,3-다이클로로-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이클로로프로필기, 브로모메틸기, 1-브로모에틸기, 2-브로모에틸기, 2-브로모아이소뷰틸기, 1,2-다이브로모에틸기, 1,3-다이브로모아이소프로필기, 2,3-다이브로모-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이브로모프로필기, 아이오도메틸기, 1-아이오도에틸기, 2-아이오도에틸기, 2-아이오도아이소뷰틸기, 1,2-다이아이오도에틸기, 1,3-다이아이오도아이소프로필기, 2,3-다이아이오도-t-뷰틸기, 1,2,3-트라이아이오도프로필기, 플루오로메틸기, 1-플루오로메틸기, 2-플루오로메틸기, 2-플루오로아이소뷰틸기, 1,2-다이플루오로에틸기, 다이플루오로메틸기, 트라이플루오로메틸기, 펜타플루오로에틸기, 퍼플루오로아이소프로필기, 퍼플루오로뷰틸기, 퍼플루오로사이클로헥실기 등을 들 수 있다.
상기 알콕시기는 -OY1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는, 상기 알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있으며, 상기 할로알콕시기는 -OY2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는, 상기 할로알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있다.
상기 알킬티오기는 -SY1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는, 상기 알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있으며, 상기 할로알킬티오기는 -SY2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는 상기 할로알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있다.
상기 알킬아미노기는 -NHY1로 표시되는 기이고, 다이알킬아미노기는 -NY1Y3으로 표시되는 기이며, Y1 및 Y3은, 각각 상기 알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있다. 한편, 다이알킬아미노기의 알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성할 수도 있고, 환 구조로서는, 예컨대, 피롤리딘, 피페리딘 등을 들 수 있다.
상기 알킬설폰일기는 -SO2Y1로 표시되는 기이고, Y1의 예로서는, 상기 알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있으며, 상기 할로알킬설폰일기는 -SO2Y2로 표시되는 기이고, Y2의 예로서는, 상기 할로알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있다.
상기 알킬실릴기로서는, -SiY1Y3Y4로 표시되는 기이고, Y1, Y3 및 Y4는 각각 상기 알킬기로 설명한 것과 같은 예를 들 수 있다.
상기 알킬실릴아세틸렌기로서는, 상기 알킬실릴기로 표시되는 기를 에티닐렌기로 개재시킨 기이고, 트라이메틸실릴아세틸렌기, 트라이에틸실릴아세틸렌기, 트라이아이소프로필실릴아세틸렌기 등을 들 수 있다.
상기 방향족 탄화수소기의 구체예로서는, 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 페난트렌, 크라이센, 페난트렌, 테트라센 등의 잔기를 들 수 있다.
상기 방향족 헤테로환기의 구체예로서는, 피리딘, 피라진, 퀴놀린, 나프티리딘, 퀴녹살린, 페나진, 다이아자안트라센, 피리도퀴놀린, 피리미도퀴나졸린, 피라지노퀴녹살린, 페난트롤린, 카바졸, 티오펜, 벤조티오펜, 다이벤조티오펜, 벤조다이티오펜, [1]벤조티에노[3,2-b]벤조티오펜, 티에노티오펜, 다이티에노티오펜, 퓨란, 벤조퓨란, 다이벤조퓨란, 벤조다이퓨란, 티아졸, 벤조티아졸, 다이티아인다센, 다이티아인데노인덴, 다이벤조셀레노펜, 다이셀레나인다센, 다이셀레나인데노인덴, 다이벤조실롤 등의 잔기를 들 수 있다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 이용하는 특정한 구조를 갖는 유기 화합물은, 기본적으로는 p형(정공 전도) 및 n형(전자 전도)를 나타내는 양극성이며, 후술하는 소스, 드레인 전극과의 조합물로 p형 소자로서도 n형 소자로서도 구동하는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 이용하는 유기 화합물은, 적절한 치환기를 갖게 하는 것에 의해, 화합물의 유기 용매에의 용해성을 향상시키는 것도 가능하다. 그것에 의하여, 도포 프로세스에 의한 소자의 제작도 가능하다.
화학식 1, 2의 R1 내지 R6, R7 내지 R12로서 전자 수용성의 기를 이용하는 것에 의해, 최저 비점유 궤도(LUMO) 레벨을 낮추어, n형 반도체로서 기능시킬 수 있다. 전자 수용성 기로서 바람직한 것은, 수소 원자, 할로젠 원자, 사이아노기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬설폰일기이다. 또한, R1 내지 R6, R7 내지 R12로서 전자 공여성 기를 이용하는 것에 의해, 최고 점유 궤도(HOMO) 레벨을 높여 p형 반도체로서 기능시킬 수 있다. 전자 공여성 기로서 바람직한 것은, 수소 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬아미노기, 탄소수 2 내지 60의 다이알킬아미노기(아미노기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성하고 있더라도 좋다)이다.
상기 화학식 1, 2의 R1 내지 R6, R7 내지 R12가 나타내는 각 기를 추가로 치환하고 있더라도 좋은 치환기로서는, 방향족 탄화수소기, 방향족 헤테로환기, 알킬기, 알콕시기, 할로알킬기, 알킬티오기, 알킬설폰일기, 아릴옥시기, 아릴티오기, 알콕시카보닐기, 아미노기, 할로젠 원자, 사이아노기, 나이트로기, 하이드록실기, 카복실기 등을 들 수 있다.
이하, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물의 구체예를 들지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.
Figure pct00006
Figure pct00008
Figure pct00009
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Figure pct00024
Figure pct00025
Figure pct00026
본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은, 공지된 방법, 예컨대, 하기의 반응 (A)와 같은 사마륨을 이용한 커플링 반응, (B)와 같은 프리델 크래프트 반응, (C)와 같은 환원 반응, (D)와 같은 탈수, 산화 반응에 의해 합성할 수 있다.
Figure pct00027
상기의 반응에 더하여, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물은, 예컨대 반응 (E) 및 (F)에 의한 1-(2-아이오도에틸)나프탈렌의 합성, (G)와 같은 이민을 이용한 알킬레이션, (H)와 같은 환화 반응, 및 (I)와 같은 산화 반응에 의한 방향환화에 의해서도 합성할 수 있다.
Figure pct00028
한편, 트랜지스터와 같은 전자 디바이스에 있어서는, 재료의 순도가 높은 것을 이용하는 것에 의해 전계 효과 이동도나 온/오프비가 높은 디바이스를 얻을 수 있다. 따라서 필요에 따라, 컬럼 크로마토그래피, 재결정, 증류, 승화 등의 수법에 의해 정제를 가하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 이들 정제 방법을 반복 이용하거나, 복수의 방법을 조합하는 것에 의해 순도를 향상시키는 것이 가능하다. 더욱이 정제의 최종 공정으로서 승화 정제를 적어도 2회 이상 반복하는 것이 바람직하다. 이들 수법을 이용하는 것에 의해 HPLC에서 측정한 순도 90% 이상의 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 95% 이상, 특히 바람직하게는 99% 이상의 재료를 이용하는 것에 의해, 유기 박막 트랜지스터의 전계 효과 이동도나 온/오프비를 높여, 원래 재료가 가지고 있는 성능을 끌어 낼 수 있다.
다음으로 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성은, 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 박막 트랜지스터이다. 그리고, 유기 반도체층이 상술한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
트랜지스터의 구조는, 특별히 한정되지 않고, 유기 반도체층의 성분 이외가 공지된 소자 구성을 갖는 것이더라도 좋다. 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 구체예를 도면을 이용하여 설명한다.
도 1 내지 도 4는, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 소자 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1의 유기 박막 트랜지스터(1)는, 기판(10) 상에, 서로 소정의 간격을 두고 대향하도록 형성된 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다. 그리고, 소스 전극(11), 드레인 전극(12) 및 그들 사이의 간극을 덮도록 유기 반도체층(13)이 형성되고, 추가로 절연체층(14)이 적층되어 있다. 절연체층(14)의 상부이고, 또한 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12) 사이의 간극 상에 게이트 전극(15)이 형성되어 있다.
도 2의 유기 박막 트랜지스터(2)는, 기판(10) 상에, 게이트 전극(15) 및 절연체층(14)을 이 순서로 갖고, 절연체층(14) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖고, 그 위에 유기 반도체층(13)이 형성된다. 유기 반도체층(13)이 채널 영역을 이루고 있고, 게이트 전극(15)에 인가되는 전압으로 소스 전극(11)과 드레인 전극(12)의 사이에 흐르는 전류가 제어되는 것에 의해 온/오프 동작한다.
도 3의 유기 박막 트랜지스터(3)는, 기판(10) 상에, 게이트 전극(15), 절연체층(14) 및 유기 반도체층(13)을 이 순서로 갖고, 유기 반도체층(13) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다.
도 4의 유기 박막 트랜지스터(4)는, 기판(10) 상에 유기 반도체층(13)을 갖고, 유기 반도체층(13) 상에, 소정의 간격을 두고 형성된 한 쌍의 소스 전극(11) 및 드레인 전극(12)을 갖는다. 그리고, 그 위에 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 이 순서로 갖고 있다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 전계 효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 구조를 갖고 있다. 전술한 대로, 전극의 위치, 층의 적층 순서 등에 따라 몇 가지 구성이 있다. 유기 박막 트랜지스터는, 유기 반도체층(유기 화합물층)과, 서로 소정의 간격을 두고 대향하도록 형성된 소스 전극 및 드레인 전극과, 소스 전극, 드레인 전극으로부터 각각 소정의 거리를 두고 형성된 게이트 전극을 갖고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 소스-드레인 전극 사이에 흐르는 전류를 제어한다. 여기서, 소스 전극과 드레인 전극의 간격은 본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용하는 용도에 따라서 결정되고, 통상은 0.1μm∼1mm, 바람직하게는 1μm∼100μm, 더 바람직하게는 5μm∼100μm이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 상기의 소자 구성에도, 유기 박막 트랜지스터로서 여러 가지 구성이 제안되어 있고, 게이트 전극에 인가되는 전압으로 소스 전극과 드레인 전극의 사이에 흐르는 전류가 제어되는 것에 따라 온/오프 동작이나 증폭 등의 효과가 발현하는 기구이면 이들 소자 구성에 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 산업기술종합연구소의 요시다 등에 의해 제49회 응용 물리학 관계 연합 강연회 강연 예고집 27a-M-3(2002년 3월)에서 제안된 탑 앤드 바텀 콘택트형 유기 박막 트랜지스터(도 5 참조)나, 지바 대학의 구보 등에 의해 전기학회 논문지 118-A(1998) 1440페이지에서 제안된 종형(縱形)의 유기 박막 트랜지스터(도 6 참조)와 같은 소자 구성을 갖는 것이더라도 좋다.
이하, 유기 박막 트랜지스터의 구성 부재에 대하여 설명한다.
(유기 반도체층)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 유기 반도체층은, 상술한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함한다. 유기 반도체층의 막 두께는, 특별히 제한되지 않지만, 통상 0.5nm∼1μm이며, 2nm∼250nm이면 바람직하다.
또한, 유기 반도체층의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고 공지된 방법을 적용할 수 있고, 예컨대, 분자선 증착법(MBE법), 진공 증착법, 화학 증착, 재료를 용매에 녹인 용액의 디핑법, 스핀 코팅법, 캐스팅법, 바 코팅법, 롤 코팅법, 잉크 젯법 등의 인쇄, 도포법 및 베이킹, 일렉트로폴리머라이제이션, 분자빔 증착, 용액으로부터의 셀프·어셈블리, 및 이들의 조합된 수단에 의해, 상기한 바와 같은 유기 반도체층의 재료로 형성된다.
유기 반도체층의 결정성을 향상시키면 전계 효과 이동도가 향상되기 때문에, 성막 방법에 관계없이 성막 후에 어닐링을 실시하면 고성능 디바이스가 얻어지기 때문에 바람직하다. 어닐링의 온도는 50∼200℃가 바람직하고, 70∼200℃이면 더 바람직하고, 시간은 10분∼12시간이 바람직하고, 1∼10시간이면 더 바람직하다.
본 발명에 있어서, 유기 반도체층에는, 화학식 1로 표시되는 화합물의 1종류를 이용하더라도 좋고, 복수를 조합시키거나, 펜타센이나 티오펜 올리고머 등의 공지된 반도체를 이용하여 복수의 혼합 박막 또는 적층하여 사용할 수 있다.
(기판)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 기판은, 유기 박막 트랜지스터의 구조를 지지하는 역할을 부담하는 것으로, 재료로서는 유리 이외에, 금속 산화물이나 질화물 등의 무기 화합물, 플라스틱 필름(PET, PES, PC)이나 금속 기판 또는 이들의 복합체나 적층체 등도 이용하는 것이 가능하다. 또한, 기판 이외의 구성 요소에 의해 유기 박막 트랜지스터의 구조를 충분히 지지할 수 있는 경우에는, 기판을 사용하지 않는 것도 가능하다. 또한, 기판의 재료로서는 실리콘(Si) 웨이퍼가 사용되는 일이 많다. 이 경우, Si 자체를 게이트 전극겸 기판으로서 이용할 수 있다. 또한, Si의 표면을 산화시켜, SiO2를 형성하여 절연층으로서 활용하는 것도 가능하다. 이 경우, 기판겸 게이트 전극의 Si 기판에 리드선 접속용의 전극으로서, Au 등의 금속층을 성막하는 일도 있다.
(전극)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의, 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로서는, 도전성 재료이면 특별히 한정되지 않고, 백금, 금, 은, 니켈, 크로뮴, 구리, 철, 주석, 안티몬 납, 탄탈럼, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 게르마늄, 몰리브덴, 텅스텐, 산화주석·안티몬, 산화인듐·주석(ITO), 불소 도핑 산화아연, 아연, 탄소, 흑연, 유리상 카본, 은 페이스트 및 카본 페이스트, 리튬, 베릴륨, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 스칸듐, 티타늄, 망간, 지르코늄, 갈륨, 니오븀, 나트륨, 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘, 리튬, 알루미늄, 마그네슘/구리 혼합물, 마그네슘/은 혼합물, 마그네슘/알루미늄 혼합물, 마그네슘/인듐 혼합물, 알루미늄/산화알루미늄 혼합물, 리튬/알루미늄 혼합물 등이 사용된다.
상기 전극의 형성 방법으로서는, 예컨대, 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, 대기압 플라즈마법, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 전착, 무전해 도금, 스핀 코팅, 인쇄 또는 잉크 젯 등의 수단을 들 수 있다. 또한, 필요에 따라 패터닝하는 방법으로서는, 상기의 방법을 이용하여 형성한 도전성 박막을, 공지된 포토리소그래피법이나 리프트오프법을 이용하여 전극 형성하는 방법, 알루미늄이나 구리 등의 금속박 상에 열전사, 잉크 젯 등에 의해 레지스트를 형성하여 에칭하는 방법 등이 있다.
이렇게 하여 형성된 전극의 막 두께는 전류의 도통만 있으면 특별히 제한은 없지만, 바람직하게는 0.2nm∼10μm, 더 바람직하게는 4nm∼300nm의 범위이다. 이 바람직한 범위내이면, 막 두께가 얇은 것에 의해 저항이 높아져 전압 강하를 일으키는 일이 없다. 또한, 지나치게 두껍지 않기 때문에 막 형성에 시간이 걸리지 않아, 보호층이나 유기 반도체층 등 다른 층을 적층하는 경우에, 단차가 생기는 일 없이 적층막이 원활하게 된다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 별도의 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극 및 그 형성 방법으로서는, 상기의 도전성 재료를 포함하는 용액, 페이스트, 잉크, 분산액 등의 유동성 전극 재료를 이용하여 형성한 것, 특히, 도전성 폴리머, 또는 백금, 금, 은, 구리를 함유하는 금속 미립자를 포함하는 유동성 전극 재료가 바람직하다. 또한, 용매나 분산 매체로서는, 유기 반도체에의 손상을 억제하기 위해, 물을 60질량% 이상, 바람직하게는 90질량% 이상 함유하는 용매 또는 분산 매체인 것이 바람직하다. 금속 미립자를 함유하는 분산물로서는, 예컨대, 공지된 도전성 페이스트 등을 사용할 수 있지만, 통상 입자경이 0.5nm∼50nm, 1nm∼10nm의 금속 미립자를 함유하는 분산물이면 바람직하다. 이 금속 미립자의 재료로서는, 예컨대, 백금, 금, 은, 니켈, 크로뮴, 구리, 철, 주석, 안티몬 납, 탄탈럼, 인듐, 팔라듐, 텔루륨, 레늄, 이리듐, 알루미늄, 루테늄, 게르마늄, 몰리브덴, 텅스텐, 아연 등을 이용할 수 있다. 이들 금속 미립자를, 주로 유기 재료로 이루어지는 분산 안정제를 이용하여, 물이나 임의의 유기 용제인 분산매 중에 분산시킨 분산물을 이용하여 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 금속 미립자의 분산물의 제조방법으로서는, 가스중 증발법, 스퍼터링법, 금속증기 합성법 등의 물리적 생성법이나, 콜로이드법, 공침법 등의, 액상으로 금속 이온을 환원시켜 금속 미립자를 생성하는 화학적 생성법을 들 수 있고, 바람직하게는, 일본 특허공개 1999-76800호 공보, 동 1999-80647호 공보, 동 1999-319538호 공보, 일본 특허공개 2000-239853호 공보 등에 나타난 콜로이드법, 일본 특허공개 2001-254185호 공보, 동 2001-53028호 공보, 동 2001-35255호 공보, 동 2000-124157호 공보, 동 2000-123634호 공보 등에 기재된 가스중 증발법에 의해 제조된 금속 미립자의 분산물이다.
이들 금속 미립자 분산물을 이용하여 직접 잉크 젯법에 의해 패터닝할 수도 있고, 도공막으로부터 리소그래프나 레이저 어브레이션 등에 의해 형성할 수도 있다. 또한 철판(凸版), 요판(凹版), 평판, 스크린 인쇄 등의 인쇄법으로 패터닝하는 방법도 이용할 수 있다. 상기 전극을 성형하고, 용매를 건조시킨 후, 필요에 따라 100℃∼300℃, 바람직하게는 150℃∼200℃의 범위로 형상대로 가열함으로써 금속 미립자를 열융착시켜, 원하는 형상을 갖는 전극 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 별도의 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 재료로서, 도핑 등으로 도전율을 향상시킨 공지된 도전성 폴리머를 이용하는 것도 바람직하고, 예컨대, 도전성 폴리아닐린, 도전성 폴리피롤, 도전성 폴리티오펜(폴리에틸렌 다이옥시티오펜과 폴리스타이렌설폰산의 착체 등), 폴리에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스타이렌설폰산의 착체 등도 적합하게 사용된다. 이들 재료에 의해 소스 전극과 드레인 전극의 유기 반도체층과의 접촉 저항을 저감시킬 수 있다. 이들의 형성 방법도 잉크 젯법에 의해 패터닝할 수도 있고, 도공막으로부터 리소그래프나 레이저 어브레이션 등에 의해 형성할 수도 있다. 또한 철판, 요판, 평판, 스크린 인쇄 등의 인쇄법으로 패터닝하는 방법도 이용할 수 있다.
특히 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 재료는, 전술한 예 중에서도 유기 반도체층과의 접촉면에서 전기 저항이 적은 것이 바람직하다. 이 때의 전기 저항은, 즉 전류 제어 디바이스를 제작했을 때 전계 효과 이동도와 대응하고 있어, 큰 이동도를 얻기 위해서는 될 수 있는 한 저항이 작은 것이 필요하다. 이것은 일반적으로 전극 재료의 일함수와 유기 반도체층의 에너지 준위와의 대소 관계로 결정된다.
전극 재료의 일함수(W)를 a, 유기 반도체층의 이온화 포텐셜을(Ip)을 b, 유기 반도체층의 전자 친화력(Af)을 c라고 하면, 이하의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다. 여기서, a, b 및 c는 어느 것이나 진공 준위를 기준으로 하는 정의 값이다.
p형 유기 박막 트랜지스터의 경우에는, b-a<1.5eV(식(I))인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 b-a<1.0eV이다. 유기 반도체층과의 관계에 있어서 상기 관계가 유지될 수 있으면 고성능 디바이스를 얻을 수 있지만, 특히 전극 재료의 일함수는 될 수 있는 한 큰 것을 선택하는 것이 바람직하고, 일함수 4.0eV 이상인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 일함수 4.2eV 이상이다. 금속의 일함수의 값은, 예컨대 화학편람기초편 II-493페이지(개정 3판 일본화학회편 마루젠주식회사 발행 1983년)에 기재되어 있는 4.0eV 또는 그 이상의 일함수를 갖는 유효 금속의 상기 리스트로부터 선별하면 바람직하고, 고일함수 금속은, 주로 Ag(4.26, 4.52, 4.64, 4.74eV), Al(4.06, 4.24, 4.41eV), Au(5.1, 5.37, 5.47eV), Be(4.98eV), Bi(4.34eV), Cd(4.08eV), Co(5.0eV), Cu(4.65eV), Fe(4.5, 4.67, 4.81eV), Ga(4.3eV), Hg(4.4eV), Ir(5.42, 5.76eV), Mn(4.1eV), Mo(4.53, 4.55, 4.95eV), Nb(4.02, 4.36, 4.87eV), Ni(5.04, 5.22, 5.35eV), Os(5.93eV), Pb(4.25eV), Pt(5.64eV), Pd(5.55eV), Re(4.72eV), Ru(4.71eV), Sb(4.55, 4.7eV), Sn(4.42eV), Ta(4.0, 4.15, 4.8eV), Ti(4.33eV), V(4.3eV), W(4.47, 4.63, 5.25eV), Zr(4.05eV) 등이다.
이들 중에서도, 귀금속(Ag, Au, Cu, Pt), Ni, Co, Os, Fe, Ga, Ir, Mn, Mo, Pd, Re, Ru, V, W가 바람직하다. 금속 이외로서는, ITO, 폴리아닐린이나 PEDOT:PSS 같은 도전성 폴리머 및 탄소가 바람직하다. 전극 재료로서는 이들 고일함수 물질을 1종 또는 복수 포함하고 있더라도, 일함수가 상기 식(I)을 만족시키면 특별히 제한을 받는 것이 아니다.
n형 유기 박막 트랜지스터의 경우에는 a-c<1.5eV(식(II))인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 a-c<1.0eV이다. 유기 반도체층과의 관계에 있어서 상기 관계가 유지될 수 있으면 고성능 디바이스를 얻을 수 있지만, 특히 전극 재료의 일함수는 될 수 있는 한 작은 것을 선택하는 것이 바람직하고, 일함수 4.3eV 이하인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 일함수 3.7eV 이하이다.
저일함수 금속의 구체예로서는, 예컨대 화학편람기초편 II-493페이지(개정 3판 일본화학회편 마루젠주식회사 발행1983년)에 기재되어 있는 4.3eV 또는 그 이하의 일함수를 갖는 유효 금속의 상기 리스트로부터 선별하면 바람직하고, Ag(4.26eV), Al(4.06, 4.28eV), Ba(2.52eV), Ca(2.9eV), Ce(2.9eV), Cs(1.95eV), Er(2.97eV), Eu(2.5eV), Gd(3.1eV), Hf(3.9eV), In(4.09eV), K(2.28), La(3.5eV), Li(2.93eV), Mg(3.66eV), Na(2.36eV), Nd(3.2eV), Rb(4.25eV), Sc(3.5eV), Sm(2.7eV), Ta(4.0, 4.15eV), Y(3.1eV), Yb(2.6eV), Zn(3.63eV) 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, Ba, Ca, Cs, Er, Eu, Gd, Hf, K, La, Li, Mg, Na, Nd, Rb, Y, Yb, Zn이 바람직하다. 전극 재료로서는 이들 저일함수 물질을 1종 또는 복수 포함하고 있더라도, 일함수가 상기 식(II)를 만족시키면 특별히 제한을 받는 것이 아니다. 단, 저일함수 금속은, 대기 중의 수분이나 산소에 닿으면 용이하게 열화되어 버리기 때문에, 필요에 따라 Ag나 Au 같은 공기중에서 안정한 금속으로 피복하는 것이 바람직하다. 피복에 필요한 막 두께는 10nm 이상 필요하여, 막 두께가 두꺼워질수록 산소나 물로부터 보호할 수 있지만, 실용상, 생산성을 높이는 등의 이유로부터 1um 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에서는, 예컨대, 주입 효율을 향상시킬 목적으로, 유기 반도체층과 소스 전극 및 드레인 전극과의 사이에, 버퍼층을 설치하더라도 좋다. 버퍼층으로서는 n형 유기 박막 트랜지스터에 대하여는 유기 EL의 음극에 사용되는 LiF, Li2O, CsF, NaCO3, KCl, MgF2, CaCO3 등의 알칼리 금속, 알칼리 토금속 이온 결합을 가지는 화합물이 바람직하다. 또한, Alq 등 유기 EL에서 전자 주입층, 전자 수송층으로서 사용되는 화합물을 삽입할 수도 있다.
p형 유기 박막 트랜지스터에 대하여는 FeCl3, TCNQ, F4-TCNQ, HAT 등의 사이아노 화합물, CFx나 GeO2, SiO2, MoO3, V2O5, VO2, V2O3, MnO, Mn3O4, ZrO2, WO3, TiO2, In2O3, ZnO, NiO, HfO2, Ta2O5, ReO3, PbO2 등의 알칼리 금속, 알칼리 토금속 이외의 금속 산화물, ZnS, ZnSe 등의 무기 화합물이 바람직하다. 이들 산화물은 많은 경우 산소 결손을 일으키고, 이것이 정공 주입에 적합하다. 그 위에 TPD나 NPD 등의 아민계 화합물이나 CuPc 등 유기 EL 소자에 있어서 정공 주입층, 정공 수송층으로서 사용되는 화합물이라도 좋다. 또한, 상기의 화합물 2종류 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.
버퍼층은 캐리어의 주입 장벽을 낮추는 것에 의해 역치 전압을 낮추어, 트랜지스터를 저전압 구동시키는 효과가 있다고 알려져 있지만, 우리들은, 본 발명의 화합물에 대해서는 저전압 효과뿐만 아니라 이동도를 향상시키는 효과가 있는 것을 발견했다. 이것은, 유기 반도체와 절연체층의 계면에는 캐리어 트랩이 존재하여 게이트 전압을 인가하여 캐리어 주입이 일어나면 최초에 주입한 캐리어는 트랩을 메우는 데 사용되지만, 버퍼층을 삽입함으로써 저전압에서 트랩이 메워져 이동도가 향상되기 때문이다. 버퍼층은 전극과 유기 반도체층 사이에 얇게 존재하면 바람직하고, 그 두께는 0.1nm∼30nm, 바람직하게는 0.3nm∼20nm이다.
(절연체층)
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에 있어서의 절연체층의 재료로서는, 전기 절연성을 가지고 박막으로서 형성할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 금속 산화물(규소의 산화물을 포함한다), 금속 질화물(규소의 질화물을 포함한다), 고분자, 유기 저분자 등 실온에서의 전기 저항률이 10Ωcm 이상의 재료를 이용할 수 있고, 특히, 비유전율이 높은 무기 산화물 피막이 바람직하다.
무기 산화물로서는, 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈럼, 산화티타늄, 산화주석, 산화바나듐, 티타늄산 바륨 스트론튬, 지르코늄산 티타늄산 바륨, 지르코늄산 티타늄산 납, 티타늄산 납 란타늄, 티타늄산 스트론튬, 티타늄산 바륨, 불화바륨 마그네슘, 란타늄 산화물, 불소 산화물, 마그네슘 산화물, 비스무트 산화물, 티타늄산 비스무트, 니오븀 산화물, 티타늄산 스트론튬 비스무트, 탄탈럼산 스트론튬 비스무트, 오산화탄탈럼, 탄탈럼산 니오븀산 비스무트, 트라이옥사이드 이트륨 및 이들을 조합한 것 등을 들 수 있고, 산화규소, 산화알루미늄, 산화탄탈럼, 산화티타늄이 바람직하다.
또한, 질화규소(Si3N4, SixNy(x, y>0)), 질화알루미늄 등의 무기 질화물도 적합하게 이용할 수 있다.
또한, 절연체층은, 알콕사이드 금속을 포함하는 전구물질로 형성되어 있더라도 좋고, 이 전구물질의 용액을, 예컨대 기판에 피복하고, 이것을 열처리를 포함하는 화학 용액 처리를 하는 것에 의해 절연체층이 형성된다.
상기 알콕사이드 금속에 있어서의 금속으로서는, 예컨대, 전이 금속, 란타노이드, 또는 주족 원소로부터 선택되고, 구체적으로는, 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti), 비스무트(Bi), 탄탈럼(Ta), 지르콘(Zr), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 납(Pb), 란타늄(La), 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프란슘(Fr), 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 니오븀(Nb), 탈륨(Tl), 수은(Hg), 구리(Cu), 코발트(Co), 로듐(Rh), 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 알콕사이드 금속에 있어서의 알콕사이드로서는, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 아이소뷰탄올 등을 포함하는 알코올류, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올, 뷰톡시에탄올, 펜톡시에탄올, 헵톡시에탄올, 메톡시프로판올, 에톡시프로판올, 프로폭시프로판올, 뷰톡시프로판올, 펜톡시프로판올, 헵톡시프로판올을 포함하는 알콕시알코올류 등으로부터 유도되는 것을 들 수 있다.
본 발명에 있어서, 절연체층을 상기한 바와 같은 재료로 구성하면, 절연체층 중에 분극이 발생하기 쉽게 되어, 트랜지스터 동작의 역치 전압을 저감시킬 수 있다. 또한, 상기 재료 중에서도, 특히, Si3N4, SixNy, SiONx(x, y>0) 등의 질화규소로 절연체층을 형성하면, 공핍층(空乏層)이 한층 더 발생하기 쉽게 되어, 트랜지스터 동작의 역치 전압을 더욱 저감시킬 수 있다.
유기 화합물을 이용한 절연체층으로서는, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리아크릴레이트, 광라디칼 중합계, 광양이온 중합계의 광경화성 수지, 아크릴로나이트릴 성분을 함유하는 공중합체, 폴리바이닐페놀, 폴리바이닐알코올, 노볼락 수지, 및 사이아노에틸풀룰란 등을 이용할 수도 있다.
그밖에, 왁스, 폴리에틸렌, 폴리클로로피렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리옥시메틸렌, 폴리바이닐클로라이드, 폴리불화바이닐리덴, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리이미드사이아노에틸 풀룰란, 폴리(바이닐페놀)(PVP), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리스타이렌(PS), 폴리올레핀, 폴리아크릴아마이드, 폴리(아크릴산), 노볼락 수지, 레졸 수지, 폴리이미드, 폴리자일릴렌, 에폭시 수지에 더하여, 풀룰란 등의 높은 유전율을 가지는 고분자 재료를 사용하는 것도 가능하다.
절연체층에 이용하는 유기 화합물 재료, 고분자 재료로서, 특히 바람직한 것은 발수성(撥水性)을 갖는 재료이다. 발수성을 갖는 것에 의해 절연체층과 유기 반도체층의 상호 작용을 억제하여, 유기 반도체가 원래 보유하고 있는 응집성을 이용하여 유기 반도체층의 결정성을 높여 디바이스 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 예로서는, 문헌[Yasuda 등 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42(2003) pp.6614-6618]에 기재된 폴리파라자일릴렌 유도체나 문헌[Janos Veres 등 Chem. Mater., Vol. 16(2004) pp.4543-4555]에 기재된 것을 들 수 있다.
또한, 도 1 및 도 4에 나타내는 바와 같은 탑 게이트 구조를 이용할 때에, 이러한 유기 화합물을 절연체층의 재료로서 이용하면, 유기 반도체층에 주는 손상을 작게 하여 성막할 수 있기 때문에 유효한 방법이다.
상기 절연체층은, 전술한 바와 같은 무기 또는 유기 화합물 재료를 복수 이용한 혼합층이더라도 좋고, 이들의 적층 구조체이더라도 좋다. 이 경우, 필요에 따라 유전율이 높은 재료와 발수성을 갖는 재료를 혼합하거나, 적층하는 것에 의해 디바이스의 성능을 제어할 수도 있다.
또한, 상기 절연체층은, 양극 산화막, 또는 상기 양극 산화막을 구성으로서 포함하더라도 좋다. 양극 산화막은 봉공 처리되는 것이 바람직하다. 양극 산화막은, 양극 산화가 가능한 금속을 공지된 방법에 의해 양극 산화시키는 것에 의해 형성된다. 양극 산화 처리 가능한 금속으로서는, 알루미늄 또는 탄탈럼을 들 수 있고, 양극 산화 처리의 방법에는 특별히 제한은 없고, 공지된 방법을 이용할 수 있다. 양극 산화 처리를 실시하는 것에 의해, 산화 피막이 형성된다. 양극 산화 처리에 사용되는 전해액으로서는, 다공질 산화 피막을 형성할 수 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있고, 일반적으로는, 황산, 인산, 옥살산, 크롬산, 붕산, 설팜산, 벤젠설폰산 등 또는 이들을 2종류 이상 조합시킨 혼산 또는 그들의 염이 사용된다. 양극 산화의 처리 조건은 사용하는 전해액에 따라 여러 가지로 변화되기 때문에 일률적으로 특정할 수 없지만, 일반적으로는, 전해액의 농도가 1∼80질량%, 전해액의 온도 5∼70℃, 전류 밀도 0.5∼60A/cm2, 전압 1∼100볼트, 전해 시간 10초∼5분의 범위가 적당하다. 바람직한 양극 산화 처리는, 전해액으로서 황산, 인산 또는 붕산의 수용액을 이용하여, 직류 전류로 처리하는 방법이지만, 교류 전류를 이용할 수도 있다. 이들 산의 농도는 5∼45질량%인 것이 바람직하고, 전해액의 온도 20∼50℃, 전류 밀도 0.5∼20A/cm2로 20∼250초간 전해 처리하는 것이 바람직하다.
절연체층의 두께로서는, 층의 두께가 얇으면 유기 반도체에 인가되는 실효 전압이 커지기 때문에, 디바이스 자체의 구동 전압, 역치 전압을 낮출 수 있지만, 역으로 소스-게이트 사이의 누출 전류가 커지기 때문에, 적절한 막 두께를 선택할 필요가 있고, 통상 10nm∼5μm, 바람직하게는 50nm∼2μm, 더 바람직하게는 100nm∼1μm이다.
또한, 상기 절연체층과 유기 반도체층 사이에 임의의 배향 처리를 실시하더라도 좋다. 그 바람직한 예로서는, 절연체층 표면에 발수화 처리 등을 실시하여 절연체층과 유기 반도체층의 상호 작용을 저감시켜 유기 반도체층의 결정성을 향상시키는 방법이며, 구체적으로는, 실레인커플링제, 예컨대, 헥사메틸다이실라잔, 옥타데실트라이클로로실레인, 트라이클로로메틸실라잔이나, 알칸 인산, 알칸 설폰산, 알칸 카복실산 등의 자기 조직화 배향막 재료를, 액상 또는 기상 상태로, 절연막 표면에 접촉시켜 자기 조직화막을 형성 후, 적절히 건조 처리를 실시하는 방법을 들 수 있다. 또한, 액정의 배향에 사용되도록, 절연막 표면에 폴리이미드 등으로 구성된 막을 설치하여, 그 표면을 러빙 처리하는 방법도 바람직하다.
상기 절연체층의 형성 방법으로서는, 진공 증착법, 분자선 에피택셜 성장법, 이온 클러스터 빔법, 저에너지 이온 빔법, 이온 플레이팅법, CVD법, 스퍼터링법, 일본 특허공개 1999-61406호 공보, 동 1999-133205호 공보, 일본 특허공개 2000-121804호 공보, 동 2000-147209호 공보, 동 2000-185362호 공보에 기재된 대기압 플라즈마법 등의 건식(dry) 프로세스나, 스프레이 코팅법, 스핀 코팅법, 블레이드 코팅법, 딥 코팅법, 캐스팅법, 롤 코팅법, 바 코팅법, 다이 코팅법 등의 도포에 의한 방법, 인쇄나 잉크 젯 등의 패터닝에 의한 방법 등의 습식(wet) 프로세스를 들 수 있고, 재료에 따라 사용할 수 있다. 습식 프로세스는, 무기 산화물의 미립자를, 임의의 유기 용제 또는 물에 필요에 따라 계면활성제 등의 분산 보조제를 이용하여 분산시킨 액을 도포, 건조하는 방법이나, 산화물 전구체, 예컨대, 알콕사이드체의 용액을 도포, 건조하는, 이른바 졸겔법이 사용된다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 형성 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고 공지된 방법에 따르면 되지만, 원하는 소자 구성에 따라서, 기판 투입, 게이트 전극 형성, 절연체층 형성, 유기 반도체층 형성, 소스 전극 형성, 드레인 전극 형성까지의 일련의 소자 제작 공정을 전혀 대기에 닿는 일 없이 형성하면, 대기와의 접촉에 의한 대기 중의 수분이나 산소 등에 의한 소자 성능의 저해를 방지할 수 있기 때문에 바람직하다. 부득이하게, 한번 대기에 닿게 하지 않으면 안될 때는, 유기 반도체층 성막 이후의 공정은 대기에 전혀 닿게 하지 않는 공정으로 하고, 유기 반도체층 성막 직전에는, 유기 반도체층을 적층하는 면(예컨대 소자 B의 경우는 절연층에 일부 소스 전극, 드레인 전극이 적층된 표면)을 자외선 조사, 자외선/오존 조사, 산소 플라즈마, 아르곤 플라즈마 등으로 청정화·활성화한 후, 유기 반도체층을 적층하는 것이 바람직하다. 또한, p형 TFT 재료 중에는 일단 대기에 닿아, 산소 등을 흡착시키는 것에 의해 성능이 향상되는 것도 있으므로, 재료에 따라서는 적절히 대기에 닿게 한다.
또한, 예컨대, 대기 중에 포함되는 산소, 물 등의 유기 반도체층에 대한 영향을 고려하여, 유기 트랜지스터 소자의 외주면의 전면 또는 일부에, 가스 배리어층을 형성할 수도 있다. 가스 배리어층을 형성하는 재료로서는, 이 분야에서 상용되는 것을 사용할 수 있고, 예컨대, 폴리바이닐알코올, 에틸렌-바이닐알코올 공중합체, 폴리염화바이닐, 폴리염화바이닐리덴, 폴리클로로트라이플루오로에틸렌 등을 들 수 있다. 또한, 상기 절연체층으로 예시한, 절연성을 갖는 무기물도 사용할 수 있다.
본 발명에서는, 소스 전극-드레인 전극 사이를 흐르는 전류를 이용하여 발광하고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 발광을 제어하는 유기 박막 발광 트랜지스터를 제공할 수 있다. 즉, 유기 박막 트랜지스터를 발광 소자(유기 EL)로서 이용할 수 있다. 발광을 제어하기 위한 트랜지스터와 발광 소자를 통합할 수 있기 때문에, 디스플레이의 개구율 향상이나 제작 프로세스의 간이화에 의한 비용 절감(cost down)이 가능해져 실용상의 큰 이점을 준다. 유기 발광 트랜지스터로서 이용할 때는, 소스 전극, 드레인 전극 중 한쪽으로부터 정공, 다른 한쪽으로부터 전자를 주입할 필요가 있어, 발광 성능을 향상시키기 위해서 이하의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 유기 박막 발광 트랜지스터에서는, 정공의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽은 정공 주입성 전극인 것이 바람직하다. 정공 주입 전극이란 상기 일함수 4.2eV 이상의 물질을 포함하는 전극이다.
또한, 전자의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽은 전자 주입성 전극인 것이 바람직하다. 전자 주입성 전극이란 상기 일함수 4.3eV 이하의 물질을 포함하는 전극이다.
더 바람직하게는 한쪽이 정공 주입성이고, 또한, 다른 한쪽이 전자 주입성인 전극을 갖추는 유기 박막 발광 트랜지스터이다.
또한, 정공의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽 전극과 유기 반도체층 사이에 정공 주입층을 삽입하는 것이 바람직하다. 정공 주입층에는 유기 EL 소자에 있어서, 정공 주입 재료, 정공 수송 재료로서 사용되는 아민계 재료를 들 수 있다.
또한, 전자의 주입성을 향상시키기 위해, 소스 전극 및 드레인 전극 중 적어도 한쪽 전극과 유기 반도체층 사이에 전자 주입성층을 삽입하는 것이 바람직하다. 정공과 마찬가지로 전자 주입층에는 유기 EL 소자에 사용되는 전자 주입 재료를 이용할 수 있다
더 바람직하게는 한쪽의 전극에 정공 주입층을 갖추고, 또한, 다른 한쪽의 전극에 전자 주입층을 갖춘 유기 박막 발광 트랜지스터이다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용한 장치란, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터를 이용하는 장치이면 되고, 예컨대, 회로, 퍼스널 컴퓨터, 디스플레이, 휴대전화 등이다.
실시예
다음으로 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 자세히 설명한다.
실시예 1(화합물(6)의 합성)
화합물(6)을 이하와 같이 하여 합성했다.
Figure pct00029
반응기에 알루미늄박 5.0g, 메탄올 100ml를 넣고, 여기에 요오드 2.0g을 가했다. 반응 혼합물을 실온에서 1시간 교반하고, 에스터 화합물(A') 5.0g, 사마륨 2.0g을 가하고, 60℃에서 6시간 가열 환류했다. 반응 혼합물을 셀라이트 여과하고, 수득된 화합물을 메탄올로 세정하여, 화합물(A)의 조(粗)정제물 2.6g(수율 60%)을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 아세트산 에틸)로 정제하여 화합물(A) 3.0g(수율 88%)을 수득했다.
Figure pct00030
반응기에 화합물(A) 2.6g(6.18mmol), 테트라하이드로퓨란 20ml, 에탄올 20ml를 넣고, 여기에 2M 수산화나트륨 수용액 10ml를 가하여 60℃에서 6시간 가열 환류했다. 반응 혼합물을 2M 염산에 의해 산성으로 하고, 아세트산 에틸로 추출하고, 이것을 감압 증류제거함으로써 화합물(B)의 조정제물 3.0g(수율 80%)을 수득했다. 이것을 그대로 다음 반응에 이용했다.
Figure pct00031
화합물(B) 2.2g(4.94mmol)에 염화티오닐 2.0g, 피리딘을 가하고, 60℃에서 1시간 가열 환류했다. 이것을 그대로 감압 증류제거하여 화합물(C)을 수득했다. 이 화합물(C)을, 염화알루미늄 3.0g, 염화메틸렌 20ml가 들어간 반응기에 가하고, 실온에서 8시간 교반했다. 반응 혼합물에 물 20ml를 가하고, 아세트산 에틸에 의해 추출함으로써 화합물(D)의 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 아세트산 에틸)로 정제하여, 화합물(D) 1.3g(수율 88%)을 수득했다.
Figure pct00032
화합물(D) 1.3g(4.42mmol)의 메탄올 용액에 수소화 붕소나트륨 0.5g을 가하고, 실온에서 3시간 교반했다. 반응 혼합물에 물을 가하고, 아세트산 에틸로 유기물을 추출함으로써 화합물(E)의 조정제물 0.80g을 수득했다. 수득된 조정제물을 승화 정제하여, 화합물(E) 0.70g(수율 52%)을 수득했다. 이것을 그대로 다음 반응에 이용했다.
Figure pct00033
화합물(E) 0.700g(4.42mmol), p-톨루엔설폰산-수화물 0.100g, 톨루엔 20ml를 150℃에서 10시간 가열 환류했다. 반응 혼합물을 여과하고, 메탄올, 다이클로로메테인으로 세정하여 조정제물을 수득했다. 수득된 조정제물을 승화 정제하여, 화합물(6) 0.40g(수율 52%)을 수득했다.
FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C30H36=396, found, m/z= 396(M+, 100)
<FD-MS 측정>
장치: HX110(니혼 전자사제)
조건: 가속 전압 8kV
스캔 범위 m/z= 50∼1500
실시예 2(화합물(27)의 합성)
화합물(27)을 하기와 같이 하여 합성했다.
Figure pct00034
화합물(F) 10.0g(43.6mmol)의 테트라하이드로퓨란 용액을 -60℃로 냉각하고, 1.6M 뷰틸리튬 헥세인 용액 30ml를 가하고 1시간 교반했다. 이것에, N,N-다이메틸폼아마이드 4.78g을 가하고, 실온에서 3시간 교반했다. 반응 혼합액에 물을 가하고, 아세트산 에틸로 유기물을 추출함으로써 화합물(G)의 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 아세트산 에틸)로 정제하여, 화합물(G) 6.60g(수율 85%)을 수득했다.
Figure pct00035
인산 에스터 화합물 11.7g(55.7mmol)의 테트라하이드로퓨란 용액에, 칼륨 터셔리-뷰톡사이드 6.24g을 가하고, 1시간 실온에서 교반했다. 이것에 화합물(G) 6.60g(37.1mmol)을 가하고, 추가로 실온에서 3시간 교반했다. 반응 혼합액에 물을 가하고, 아세트산 에틸로 유기물을 추출함으로써 화합물(H)의 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 아세트산 에틸)로 정제하여, 화합물(H) 6.34g(수율 73%)을 수득했다.
상기 스킴(scheme)으로 수득된 화합물(H)을 실시예 1과 같은 수법을 이용하는 것에 의해 화합물(27)을 합성했다.
수득된 화합물(27)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C26H28O2=372, found, m/z= 372(M+, 100)
실시예 3(화합물(8)의 합성)
화합물(G) 대신에 하기 화합물(I)을 이용한 것 외에는 실시예 2와 같이 하여 화합물(8)을 합성했다.
Figure pct00036
수득된 화합물(8)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C34H44=452, found, m/z= 452(M+, 100)
실시예 4(화합물(12)의 합성
화합물(G) 대신에 하기 화합물(J)을 이용한 것 외에는 실시예 2와 같이 하여 화합물(12)을 합성했다.
Figure pct00037
수득된 화합물(12)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C42H60=564, found, m/z= 564(M+, 100)
실시예 5(화합물(42)의 합성)
화합물(42)을 하기와 같이 하여 합성했다.
Figure pct00038
아르곤 분위기하, 반응기에 화합물(K) 14.0g(81.3mmol), 다이클로로메테인 80ml를 가하고, 0℃로 냉각했다. 이것에, 트라이에틸아민 14ml를 가하고, 30분 교반했다. 이것에, 메테인설폰일클로라이드 15ml를 가하고, 실온에서 8시간 교반했다. 반응 혼합액에 1N 염산 100ml를 가하고, 다이클로로메테인으로 유기물을 추출하고, 수득된 유기물을 탄산나트륨 수용액 100ml, 및 포화 식염수로 세정함으로써 화합물(L)의 조정제물 18.8g(수율 92%)을 수득했다. 이 조정제물을 그대로 다음 반응에 사용했다.
Figure pct00039
반응기에 화합물(L) 18.8g(75.1mmol), 요오드화 나트륨 24.4g, 아세톤 200ml를 가하고, 이것을 70℃에서 12시간 가열 환류했다. 반응 혼합액을 얼음물 200ml에 가하고, 다이클로로메테인으로 유기물을 추출하고, 수득된 유기물을 티오황산나트륨 수용액으로 세정하여 화합물(L)의 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 다이클로로메테인)로 정제하여, 화합물(M) 16.0g(수율 76%)을 수득했다.
Figure pct00040
아르곤 분위기하, 반응기에 이민 화합물 3.80g(19.7mmol), 탈수 테트라하이드로퓨란 60ml를 가하고, 0℃로 냉각했다. 1.0M 에틸 마그네슘 브로마이드 테트라하이드로퓨란 용액을 가하여 60℃에서 3시간 가열 환류했다. 이것을 실온으로 되돌리고, 화합물(M)의 테트라하이드로퓨란 용액 20ml를 가하고, 60℃로 8시간 가열 환류를 행했다. 이것을 실온으로 냉각하고, 1N 염산 200ml를 가하고 100℃로 6시간 가열 환류를 행했다. 이것을 냉각하고, 아세트산 에틸로 유기물을 추출하여, 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인: 아세트산 에틸)로 정제하여, 화합물(N) 1.89g(수율 90%)을 수득했다.
Figure pct00041
반응기에 화합물(N) 1.89g(7.10mmol), 클로로폼 80ml, 메테인설폰산 5.4ml를 가하고, 실온에서 3시간 교반했다. 이것을 2M 탄산나트륨 수용액 100ml에 가하고, 다이클로로메테인으로 유기층을 추출하여, 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 컬럼 크로마토그래피(헥세인)로 정제하여, 화합물(O) 1.44g(수율 82%)을 수득했다.
Figure pct00042
반응기에 화합물(O) 1.44g(5.80mmol), DDQ(다이사이아노다이클로로퀴논) 7.68g, 클로로벤젠 80ml를 가하여, 100℃에서 3시간 교반했다. 이것에 물 100ml를 가하고, 아세트산 에틸로 유기층을 추출하여, 조정제물을 수득했다. 이 조정제물을 승화 정제함으로써, 화합물(42) 0.51g(수율 36%)을 수득했다.
수득된 화합물(42)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C19H14=242, found, m/z= 242(M+, 100)
실시예 6(화합물(43)의 합성)
이민 화합물 대신에 에틸 기체를 이용한 것 외에는 실시예 5와 같이 하여 화합물(43)을 합성했다.
Figure pct00043
수득된 화합물(43)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C20H16=256, found, m/z= 256(M+, 100)
실시예 7(화합물(46)의 합성)
이민 화합물 대신에 펜틸 기체를 이용한 것 외에는 실시예 5와 같이 하여 화합물(46)을 합성했다.
Figure pct00044
수득된 화합물(46)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C23H22=298, found, m/z= 298(M+, 100)
실시예 8(화합물(53)의 합성)
이민 화합물의 대신에 도데실 기체를 이용한 것 외에는 실시예 5와 같이 하여 화합물(53)을 합성했다.
Figure pct00045
수득된 화합물(53)을 FD-MS(필드 디솝션 매스 분석)의 측정에 의해 목적물인 것을 확인했다. FD-MS의 측정 결과를 이하에 나타낸다.
FD-MS, calcd for C30H36=396, found, m/z= 396(M+, 100)
실시예 9(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 박막 트랜지스터를 이하의 순서로 제작했다. 우선, Si 기판(P형 비저항 1Ωcm 게이트 전극 겸용)을 열산화법으로 표면을 산화시켜, 기판 상 300nm의 열산화막을 제작하여 절연체층으로 했다. 추가로 기판의 한쪽에 성막한 SiO2막을 드라이 에칭으로 완전히 제거한 후, 스퍼터법으로 크로뮴을 20nm의 막 두께로 성막하고, 추가로 그 위에 금(Au)을 100nm 스퍼터로 성막하여 취출 전극으로 했다. 이 기판을, 중성 세제, 순수, 아세톤 및 에탄올로 각 30분 초음파 세정하고, 추가로 오존 세정을 행했다.
다음으로 상기 기판을 헥사메틸다이실라잔 분위기 하에서 3시간 가열함으로써 기판의 표면 처리를 행했다. 이 표면 처리를 행한 기판을 진공 증착 장치(ULVAC사제, EX-400)에 설치하고, 절연체층 상에 상기 화합물(6)을 0.05nm/s의 증착 속도로 50nm 막 두께의 유기 반도체층으로서 성막했다. 이어서, 금속 마스크를 통해서 금을 50nm의 막 두께로 성막함으로써 서로 접하지 않는 소스 전극 및 드레인 전극을, 간격(채널 길이 L)이 75μm가 되도록 형성했다. 그 때 소스 전극과 드레인 전극의 폭(채널 폭 W)은 5mm가 되도록 성막하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다(도 3 참조).
수득된 유기 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 -70V의 게이트 전압 VG을 인가하고, 소스-드레인 사이에 전압을 인가하여 전류를 흐르게 했다. 이 경우, 정공이 유기 반도체층의 채널 영역(소스-드레인 사이)에 유기(誘起)되어, p형 트랜지스터로서 동작했다. 그 결과, 전류 포화 영역에서의 소스-드레인 전극 사이의 전류의 온/오프비는 2×106였다. 또한, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 하기 수학식 A로부터 산출한 바 1.4cm2/Vs였다.
[수학식 A]
ID=(W/2L)·Cμ·(VG-VT)2
상기 식에서, ID는 소스-드레인간 전류, W는 채널 폭, L은 채널 길이, C는 게이트 절연체층의 단위 면적당 전기 용량, VT는 게이트 역치 전압, VG는 게이트 전압이다.
실시예 10(도포 프로세스에 의한 유기 박막 트랜지스터의 제조)
실시예 9와 같이 기판을 세정하고, 게이트 전극, 절연체층을 성막했다. 이어서, 상기 화합물(27)을 클로로폼에 0.5질량% 용해시켜, 상기 절연체층까지 성막한 기판 위에 스핀 코터(미카사사제: 1H-D7)로 성막하고, 질소 분위기하 80℃에서 건조시켜 유기 반도체층으로서 성막했다. 이어서, 진공 증착 장치로 금속 마스크를 통해서 금(Au)을 50nm의 막 두께로 성막함으로써 서로 접하지 않는 소스 및 드레인 전극을 형성하여, 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 수득된 유기 박막 트랜지스터에 대하여, 실시예 9와 같이 하여, -70V의 게이트전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극 사이의 전류의 온/오프를 측정하여, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 11 내지 13
화합물(6) 대신에 화합물(12), (42), (53)을 각각 이용한 것 외에는 실시예 9와 같이 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하여 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예 14 내지 18
화합물(27) 대신에 화합물(8), (12), (43), (46) 및 (53)을 각각 이용한 것 외에는 실시예 10과 같이 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작하여 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
비교예 1(유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 반도체층의 재료로서, 화합물(6) 대신에 하기 비교 화합물(1)을 이용한 것 이외에는, 실시예 9와 같이 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작했다. 수득된 유기 박막 트랜지스터에 대하여, 실시예 9와 같이 하여, -70V의 게이트전압 VG에서 p형 구동시켰다. 소스-드레인 전극 사이의 전류의 온/오프비를 측정하여, 정공의 전계 효과 이동도 μ를 산출한 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00046
비교예 2(도포 프로세스에 의한 유기 박막 트랜지스터의 제조)
유기 반도체층의 재료로서, 화합물(27) 대신에 상기 비교 화합물(1)을 이용하여, 용해도를 확인했다. 클로로폼을 이용하여 0.5질량% 용액이 얻어지지 않았다. 그 때문에, 현탁액을 이용하여 실시예 10과 같이 하여 유기 박막 트랜지스터를 제작한 바, 제작한 소자는 유기 박막 트랜지스터로서의 특성을 나타내지 않았다.
Figure pct00047
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 유기 반도체층의 재료로서 특정한 크라이센 화합물을 이용하는 것에 의해, 이동도가 높고, 응답 속도(구동 속도)가 고속이고, 또한 온/오프비가 크고, 트랜지스터로서의 성능이 높은 것이고, 발광 가능한 유기 박막 발광 트랜지스터로서도 이용할 수 있다.
이 명세서에 기재된 문헌의 내용을 모두 여기에 원용한다.

Claims (15)

  1. 하기 화학식 1의 구조를 갖는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    [화학식 1]
    Figure pct00048

    [화학식 1에 있어서, R1 내지 R6 중 적어도 하나는 치환기이고, 나머지 R1 내지 R6은 수소 원자이다. 상기 치환기는, 할로젠 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 알킬아미노기, 탄소수 2 내지 60의 다이알킬아미노기(알킬기는 서로 결합하여 질소 원자를 포함하는 환 구조를 형성할 수도 있다), 탄소수 1 내지 30의 알킬설폰일기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬설폰일기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있다.]
  2. 제 1 항에 있어서,
    R1 내지 R6 중 적어도 2개가 치환기이고, 상기 치환기는 동일하거나 상이할 수 있는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    R2, R5 중 적어도 하나가 치환기인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R2 및 R5가 치환기이고, 상기 2개의 치환기가 동일한 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    R2 또는 R5가 치환기인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치환기가, 할로젠 원자, 탄소수 1 내지 30의 알킬기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 1 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기, 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치환기가, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기 또는 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있는 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 구조가, 하기에 나타내는 흑색 동그라미를 중심으로 하여 점대칭인 유기 박막 트랜지스터용 화합물.
    [化 48]
    Figure pct00049
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터용 재료.
  10. 적어도 기판 상에 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극의 3단자, 절연체층 및 유기 반도체층이 설치되고, 소스-드레인간 전류를 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 제어하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 유기 반도체층이, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터용 화합물을 포함하는 유기 박막 트랜지스터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    소스-드레인 사이를 흐르는 전류를 이용하여 발광하고, 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 발광을 제어하는 유기 박막 트랜지스터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    소스 및 드레인 전극 중 한쪽이 일함수 4.2eV 이상의 물질로 이루어지고, 다른 쪽이 일함수 4.3eV 이하의 물질로 이루어지는 유기 박막 트랜지스터.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소스 및 드레인 전극과 유기 반도체층 사이에 버퍼층을 갖는 유기 박막 트랜지스터.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 유기 박막 트랜지스터를 갖춘 장치.
  15. 하기 화학식 2로 표시되는 크라이센 화합물.
    [화학식 2]
    Figure pct00050

    [화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 하나가, 할로젠 원자, 탄소수 8 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 2 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 10 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.
    또는, 화학식 2에 있어서, R7 내지 R12 중 적어도 2개가 각각, 할로젠 원자, 탄소수 5 내지 30의 알킬기, 탄소수 2 내지 30의 할로알킬기, 탄소수 2 내지 30의 알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 할로알콕시기, 탄소수 1 내지 30의 알킬티오기, 탄소수 1 내지 30의 할로알킬티오기, 탄소수 6 내지 60의 방향족 탄화수소기, 탄소수 3 내지 60의 방향족 헤테로환기, 탄소수 3 내지 20의 알킬실릴기, 탄소수 5 내지 60의 알킬실릴아세틸렌기 또는 사이아노기이고, 이들 각 기는 치환기를 가질 수도 있고, 나머지 R7 내지 R12는 수소 원자이다.]
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