KR20140036665A - 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터는 유기 반도체 고분자 및 2개 이상의 트리클로로실리 작용기를 가지는 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체로 형성되는 유기 반도체층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 소자 성능 및 용액 안정성이 우수한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(thin film transistor)는 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor)의 한 종류로써, 주로 디스플레이의 백플레인이나 RFID 등 두께가 얇은 전자기기에 사용된다.
박막트랜지스터는 저비용, 고성능 및 대량생산이 가능한 디스플레이의 구현을 위한 가장 기본적인 전자소자로서, 최근 실리콘과 같은 무기물 기반에서 유기재료 기반의 소자로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 유기박막트랜지스터에 대한 연구 중 고성능 유기반도체 재료의 개발과 성능 최적화에 대한 연구는 특히 중요한 분야로 인식되고 있다.
반도체 특성을 나타내는 공액성 유기 고분자인 폴리아세틸렌이 개발된 이후, 유기물의 특징, 즉 합성 방법이 다양하고 섬유나 필름 형태로 용이하게 성형할 수 있는 점, 유연성, 전도성 및 저렴한 생산비 등의 장점 때문에, 유기물을 이용한 트랜지스터에 대한 연구가 기능성 전자소자 및 광소자 등의 광범위한 분야에서 활발히 이루어지고 있다.
유기 반도체 재료는 진공증착 공정용 단분자 계열과 용액공정용 고분자 계열로 나뉠 수 있다. 증착용 단분자 유기반도체 재료는 펜타센(pentacene)이나 루브렌(rubrene)이 대표적인 경우로서, 비정질 실리콘 기반의 트랜지스터 소자 성능에 근접하는 1 cm2/V·s 전계효과 이동도와 점멸비를 보고하고 있다. 이러한 진공증착 공정을 기반으로 하는 유기 단분자 반도체 재료는 박막의 균일성을 확보하기 용이하고 우수한 소자성능을 가지는 박막을 제조할 수 있는 장점이 있지만, 유기물 증착과 박막형성을 위해서는 고진공을 유지하기 위한 고가의 장비와 같은 고비용 제조과정이 필요하기 때문에 저가의 유기 전자소자를 제조하는데 적합하지 않은 것으로 인식되고 있다. 이와 같은 유기 단분자 반도체 재료의 단점으로 인해 최근 박막트랜지스터를 위한 유기반도체 물질은 용액공정이 가능한 고분자 재료 기반으로 그 개발방향이 이동하고 있다.
이와 같이 유기 반도체 고분자를 이용하여 트랜지스터 성능 최적화와 고성능 소자를 제작하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재의 연구는 박막 내 결정구조 및 절연체 표면구조 최적화를 통한 접근이 주를 이루고 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은 소자 성능 및 용액 안정성이 우수한 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 유기 반도체 고분자 및 2개 이상의 트리클로로실리 작용기를 가지는 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체로 형성되는 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체는 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene]) 및 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene) 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene])이고, 상기 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체 고분자는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)이고, 상기 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체인 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)을 포함하는 용액으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층 상에는 보호층이 추가로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층 상에는 전극이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판 또는 절연층 상에 유기 반도체 고분자 및 개 이상의 트리클로로실리 작용기를 가지는 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체로 유기 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체는 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체를 포함하는 용액으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 용액 공정으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 스핀 코팅법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 네트워크 형성 유도체를 포함하는 용액이 도포된 후 열처리 공정을 수행하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene]) 및 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene) 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체층은 용액 공정이 가능한 유기 반도체 고분자로 형성될 수 있다.
유기 반도체 고분자는 유기용매에 대한 우수한 용해도와 저렴한 공정비용이 가장 큰 장점이나, 전극 및 보호층의 형성에 있어서 추가적인 용액 공정이 필요하고, 이의 과정에서 사용되는 용액에 의해 유기 고분자 박막의 손상과 결정구조의 변화를 가져올 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체 고분자 사이에 네트워크 형성을 통해서 유기 고분자 박막 구조의 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 네트워크 형성 유도체는 유기 반도체 고분자 구조 내에서 그물구조를 형성함으로써, 재료의 변형을 야기하지 않고 박막의 용매안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 용매 안정성 뿐만 아니라 수분, 산소에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 사시고이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 비교예 및 실시예에 따른 유기 반도체 박막에 클로로벤젠 방울을 떨어트린 후 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4 및 도 5는 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성에서 측정된 전류 값의 기울기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 통해 계산된 전계이동도 변화를 정리한 그래프이다.
도 9는 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전계이동도의 감소율을 보여주는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 비교예 및 실시예의 유기 반도체 박막의 결정화 특성 변화를 X-선 산란법(XRD)으로 분석한 결과이다.
도 12는 비교예 및 실시예의 유기 반도체 박막의 표면구조 변화를 나타내는 AFM 분석 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 비교예 및 실시예에 따른 유기 반도체 박막에 클로로벤젠 방울을 떨어트린 후 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4 및 도 5는 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성에서 측정된 전류 값의 기울기를 나타내는 그래프이다.
도 8은 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 통해 계산된 전계이동도 변화를 정리한 그래프이다.
도 9는 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전계이동도의 감소율을 보여주는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 비교예 및 실시예의 유기 반도체 박막의 결정화 특성 변화를 X-선 산란법(XRD)으로 분석한 결과이다.
도 12는 비교예 및 실시예의 유기 반도체 박막의 표면구조 변화를 나타내는 AFM 분석 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 사시고이고, 도 2는 도 1에 도시된 유기 박막 트랜지스터를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 유기 박막 트랜지스터는 기판(110), 상기 기판의 일면에 형성된 절연층(dielectrics, 120), 상기 절연층 상에 형성된 유기 반도체층(130), 상기 유기 반도체층 상에 소정의 간격을 두고 형성되는 소스 전극(142) 및 드레인 전극(143)을 포함할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서 게이트 전극(141)은 상기 기판(110)의 타면에 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2는 게이트 전극이 바닥에 형성되는 바텀 게이트 탑 컨택(bottom gate top contact) 구조를 개시하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 게이트 전극이 상면에 형성되는 탑 게이트 바텀 컨택의 구조 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 기판(110)은 실리콘, 유리 같은 무기물 기판일 수 있다.
상기 절연층(120)은 무기물 또는 유기물 등의 다양한 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 무기물로는 산화실리콘과 산화알루미늄 등이 있고, 상기 유기물로는 폴리스티렌, 스티렌-부타디엔 공중합체, 폴리비닐페놀, 폴리이미드, 폴리비닐아크릴레이트 등을 사용할 수 있다.
상기 절연층(120)에는 유기 반도체층(130)이 형성될 수 있다. 상기 유기 반도체층(130)은 유기 반도체 고분자와 네트워크 형성 유도체로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 유기 박막 트랜지터의 구조에 따라 상기 기판 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층은 용액 공정으로 형성될 수 있다. 용액 공정은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 용액공정 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체 고분자 및 네트워크 형성 유도체를 포함하는 용액을 제조하고, 스핀 코팅법을 이용하여 상기 용액으로 박막을 형성할 수 있다. 이후, 유기 반도체 박막 내에 네트워크 구조를 형성하기 위하여 열처리를 수행할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 열처리는 50 내지 80℃에서 20 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 소자성능 등을 향상시키기 위하여 상기 유기 반도체층(130)은 탄소나노튜브 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 유기 반도체 고분자는 용액 고정이 가능한 고분자를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 폴리티오펜 및 그 유도체를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene], 이하, ‘F8T2’라고도 함) 또는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene, 이하, ‘P3HT’ 라고도 함) 등일 수 있다. 상기 F8T2는 하기 화학식 1의 반복단위를 가질 수 있고, 상기 ‘P3HT’는 하기 화학식 2의 반복단위를 가질 수 있다. 상기 유기 반도체 고분자의 분자량은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 네트워크 형성 유도체는 2개 이상의 트리클로로실리(trichlorosily) 작용기를 가질 수 있다. 상기 네트워크 형성 유도체는 2개 이상의 작용기를 가져서 경화 가능한 것을 사용할 수 있고, 상기 트리클로로실리 작용기는 분자의 말단에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체는 2개의 트리클로로실리 작용기를 가지는 선형 또는 분지형 알킬일 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 네트워크 형성 유도체는 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane, 이하 ‘BTH’라고도 함)일 수 있다.
상기 네트워크 형성 유도체는 유기 반도체층 내에서 네트워크 구조를 형성하도록 하는 것으로, 이에 의하여 소자 성능을 저하시키지 않으면서 유기 반도체층의 용액 안정성을 확보할 수 있다.
상기 네트워크 형성 유도체의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 네크워크 형성 유도체의 함량이 1 중량부 미만이면, 용액 안정성을 확보하기 어려울 수 있고, 20 중량부를 초과하면 소자 성능이 저하될 우려가 있다.
상기 F8T2는 대표적인 무정질 고분자 반도체 물질로서 상대적으로 높은 전계이동도와 재료 안정성을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 네트워크 형성 유도체와 함께 사용되어 용액 안정성도 확보할 수 있다.
보다 구체적으로, F8T2는 분자와 박막의 기본적인 무정질 특성으로 인해서 BTH를 통해 분자간 네트워크를 형성하더라도 그렇지 않은 경우와 동일한 박막구조를 가지고 있고, 두 경우 모두 동일한 전하이동 메커니즘을 가질 수 있다. 다만, BTH의 혼합비율이 높으면 전하이동의 산란현상이 발생하게 되어 소자성능이 감소될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체 고분자로 F8T2를 사용하는 경우 상기 네트워크 형성 유도체는 1 내지 10 중량부가 사용될 수 있고, 용매 안정성과 안정적인 소자 성능을 동시에 확보하기 위해서는 1 내지 2 중량부를 사용할 수 있다.
상기 P3HT는 일반적으로 결정성 고분자 반도체 물질로서 높은 용해도와 우수한 용액 공정성을 가지고 있지만 다소 낮은 재료 안정성 및 소자 성능을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따라 네트워크 형성 유도체인 BTH를 혼합하면, 분자의 결정화 능력이 방해를 받아 박막구조가 급격히 무정질로 변할 수 있고, 이에 따라 박막내의 전하이동 메커니즘의 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 상기 P3HT의 경우 BTH의 혼합에 의하여 소자성능이 다소 감소할 수 있으나, BTH의 혼합비율이 높아지더라도 소자성능의 급격한 저하는 발생되지 않는다. 이는 결정구조가 이미 무정질 구조로 크게 변한 상태이기 때문으로 여겨진다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체 고분자로 P3HT를 사용하는 경우 상기 네트워크 형성 유도체는 1 내지 20 중량부의 양을 사용할 수 있고, 용매 안정성과 안정적인 소자 성능을 동시에 확보하기 위해서는 1 중량부 이하를 사용할 수 있다.
상기 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극(142, 143, 141)은 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 알루미늄, 백금, 금, 은, 구리 등의 금속 물질이나 폴리에틸렌디옥시티오펜/폴리스티렌설포네이트(PEDOT/PSS) 또는 폴리아닐린 등의 도전성 고분자 물질을 사용할 수 있다. 상기 전극의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면 증착, 잉크젯 등의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 유기 반도체층(130) 및 게이트, 소스, 드레인 전극(141, 142, 143) 상에는 보호층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 보호층은 유기 절연물질 또는 무기 절연물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체층은 용액 공정이 가능한 유기 반도체 고분자로 형성될 수 있다.
유기 반도체 고분자는 유기용매에 대한 우수한 용해도와 저렴한 공정비용이 가장 큰 장점이다. 그러나, 이를 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제조하기 위해서는 유기 반도체층 상에 유기전극 패턴을 하는 것뿐 아니라 소자의 안정성을 향상시키기 위해 최종적으로 보호층을 형성시키는 공정을 수행하게 된다. 이를 위해 추가적인 용액공정이 필요한데, 이 과정에서 사용되는 용액에 의해 유기 반도체 고분자 박막의 손상과 결정구조 변화가 야기되고, 소자 성능 감소로 이어질 수 있다.
용액공정에서 나타나는 고분자 절연체 및 유기 반도체층의 손상은 소자성능을 크게 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다. 고분자 절연체층은 경화성 재료를 사용하는 등 용액 안정성을 확보하기 위한 연구가 활발히 이루어지는데 반해, 용액 공정 중 유기 반도체층의 안정성을 확보하기 위한 연구는 부족한 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유기 반도체 고분자에 대해 선택적으로 낮은 용해도를 가지는 용매를 선택하여 유기전극 및 보호층을 형성하는 방법을 선택할 수 있다. 그러나, 이러한 접근방법은 사용되는 용매 및 유기재료, 그리고 고분자 반도체 재료의 선택에 커다란 제약을 야기할 수 있다.
이에 반하여, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체 고분자 사이에 네트워크 형성을 통해서 유기 고분자 박막 구조의 안정성을 향상시킬 수 있다. 즉, 네트워크 형성 유도체는 유기 반도체 고분자 구조 내에서 그물구조를 형성함으로써, 재료의 변형을 야기하지 않고 박막의 용매안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 용매 안정성 뿐만 아니라 수분, 산소에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따라 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
1. 소자 제작
유기 박막 트랜지스터의 기판과 게이트 전극, 그리고 절연체로 사용하기 위해 SiO2층 300nm를 가지는 실리콘 웨이퍼(heavily-doped n-type)를 사용하였다. 먼저 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하기 전에 표면의 유기물 및 불순물을 제거하기 위해 160℃의 피라나(piranha) 용액에서 20 분간 처리한 후 3 차 증류수로 충분히 세척하였다. 세척 후 기판에 존재하는 다량의 수분을 제거하기 위해 상온의 진공 데시케이터에서 2시간동안 건조하였다.
유기 반도체 박막을 형성하기 위하여 F8T2, P3HT(Aldrich Chemical 사)에 BTH(Aldrich Chemical 사)를 하기 표 1에 기재된 바와 같이 다양한 비율(0wt%, 1wt%, 5wt%, 10wt%, 20wt%)로 혼합한 뒤, 클로로벤젠(chlorobenzene)에 2wt%의 농도로 용액을 제조하였다. 제조된 용액은 박막형성을 위해 3000rpm 의 속도로 60초 동안 스핀 코팅하였다. 유기 반도체 박막 내에서 BTH 가 네트워크 구조를 형성하도록 60℃에서 30분 동안 열처리를, 그리고 잔류용매 제거를 위해 상온에서 24 시간동안 건조를 하였다.
다음으로, 유기박막트랜지스터의 소스와 드레인 전극으로 사용하기 위해 패턴된 마스크를 통해 70 nm 두께의 금을 증착하였다. 소스와 드레인 전극의 폭과 간격은 각각 1000 ㎛와 200㎛로 고정하였다.
소자제작 과정 중 피라나 및 증류수 표면세척을 제외한 모든 과정은 수분의 영향을 최소화하기 위해 질소분위기의 글로브 박스에서 수행하였다.
| 유기 반도체 고분자 | 네트워크 형성 유도체(함량wt%) | |
| 비교예 1(a) | F8T2 | × |
| 비교예 2(f) | P3HT | × |
| 실시예 1(b) | F8T2 | BTH 1wt% |
| 실시예 2(c) | F8T2 | BTH 5wt% |
| 실시예 3(d) | F8T2 | BTH 10wt% |
| 실시예 4(e) | F8T2 | BTH 20wt% |
| 실시예 5(g) | P3HT | BTH 1wt% |
| 실시예 6(h) | P3HT | BTH 5wt% |
| 실시예 7(i) | P3HT | BTH 10wt% |
| 실시예 8(j) | P3HT | BTH 20wt% |
2. 평가방법
상기 비교예 및 실시예의 제조과정에서 얻어진 유기 반도체 박막의 표면 이미지를 얻기 위해 전자현미경(Scanning Electron Microscopy (SEM), Hitachi S-4200 과 JEOLJSM-7401F)을 사용하였다.
유기 반도체 박막의 표면 거칠기를 분석하기 위해 원자현미경(Atomic Force Microscopy (AFM), Digital Instruments)을 사용하였다. 또한 박막의 두께는 ellipsometer (M-2000V, J. A. Woollam)를 사용하여 분석하였다.
유기 반도체 박막의 결정구조는 포항가속기연구소 (PAL)의 3D 와 5A 빔라인의 지원을 받아 X 선 산란법 (X-ray diffraction, XRD) 분석을 통해 확인하였다.
유기박막트랜지스터의 소자성능은 빛이 없는 상온 조건에서 Keithley 2636A 을 사용하여 분석하였다.
3. 평가결과
1)유기 반도체층의 표면관찰
도 3은 BTH 혼합에 따른 유기 반도체층의 용매 안정성을 평가하기 위해 클로로벤젠 방울을 박막 위에 떨어트린 후 촬영한 SEM 이미지로써, 상기 비교예 1 및 실시예 1, 2 및 4에 사용된 유기 박막의 사진이다. 도 3을 참조하면, BTH를 첨가하지 않은 F8T2 박막(비교예 1)은 클로로벤젠에 의해 박막 유실이 발생하여 원형의 구조가 형성된 것을 볼 수 있다. 이것은 클로로벤젠에 녹은 F8T2 분자가 떨어트린 용매방울의 가장자리로 이동하면서 형성된 구조로서 용매에 의해 손상된 박막의 전형적인 모습이다.
반면 BTH 1%를 혼합하여 형성시킨 F8T2 박막(실시예 1)은 클로로벤젠에 의한 박막의 변형이 나타나지 않고, 용매에 대해 우수한 안정성을 가지는 것을 볼 수 있다. F8T2 박막의 용매에 대한 안정성은 BTH의 혼합 비율이 5%와 20%인 경우에도 뚜렷하게 확인되었다.
이 결과는 고분자 네트워크 형성 유도체인 BTH를 혼합하는 것이 고분자 반도체 박막의 용매안정성 향상에 매우 효과적인 방법임을 보여준다. 특히, 실시예 1의 경우 BTH가 1%로 매우 미량이 혼합되었으나, 박막의 용매에 대한 안정성이 크게 향상되었다.
추가적으로 관찰로서 BTH 1%, 5%, 20%에서 원형의 흔적을 볼 수 있는데, 이것은 클로로벤젠 의한 박막 손상으로 인해 야기된 결과가 아닌 떨어트린 용매에 의한 건조 후 잔류물에 대한 흔적이다. 이에 대한 확인으로서 SEM 그림을 확대해서 살펴보면 박막의 구조적 변형이 존재하지 않음으로 볼 수 있다. 즉 건조 후 잔류물은 F8T2/BTH 박막의 표면에 부착된 형태로 존재한다. 마지막으로 BTH의 혼합비율 증가에 따라 잔류물의 직경이 작아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 BTH의 헥산구조의 증가로 인해 표면에너지가 감소하여 용매의 접촉각이 증가했기 때문으로 여겨진다.
또한, 결과가 기재되어 있지 않으나, 비교예 2 및 실시예 5 내지 8는 상기와 거의 유사한 결과가 나온 것을 확인했다.
2) 소자 성능 평가
BTH 혼합비율에 따른 F8T2와 P3HT 박막의 트랜지스터 소자성능 변화를 확인하기 위해 전달(transfer)특성의 변화를 측정하였다.
도 4 및 도 5는 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 보여주는 그래프이다. 도 4는 상기 비교예 1, 실시예 1 내지 4의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 보여주고, 도 5는 상기 비교예 2, 실시예 5 내지 8의 유기 박막트랜지스터의 전달특성을 보여준다. 전달특성은 80V의 드레인 전압에서 측정한 것으로, 전형적인 p형 반도체 소자의 특성을 보이고 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, BTH 혼합비율 증가에 따라 공통적으로 on 전류의 감소를 볼 수 있는데, F8T2에 비해 P3HT 기반의 소자에서 그 변화가 급격히 나타남을 볼 수 있다. 하지만 turn-on 전압과 off 전류의 변화에서는 특별한 경향성이 발견되지 않았다.
도 6 및 도 7은 비교예 및 실시예의 유기 박막트랜지스터의 전달특성에서 측정된 전류 값의 기울기를 나타내는 그래프로써, 도 6은 상기 비교예 1, 실시예 1 내지 4의 유기 박막트랜지스터의 전류 값의 기울기를 나타내고, 도 7은 상기 비교예 2, 실시예 5 내지 8의 유기 박막트랜지스터의 전류 값의 기울기를 나타낸다. 도 6 및 도 7에 도시된 기울기는 전계이동도와 직접적인 관계를 가지고 있기 때문에 기울기의 크기를 비교함으로써 전계이동도의 정도를 확인할 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 F8T2와 P3HT 두 경우 모두 BTH 0%(비교예 1 및 2)에서 기울기가 가장 크고, BTH의 혼합비율이 증가할수록 감소하는 것을 볼 수 있다. 하지만 혼합비율에 따른 기울기 감소 경향은 서로 다른 모습을 보이고 있다. F8T2의 경우는 1% BTH를 혼합하더라도 기울기의 감소가 거의 나타나지 않고, 비율이 증가할수록 점진적으로 기울기가 감소하는 것에 비해, P3HT는 1%의 매우 작은 비율의 BTH를 혼합하더라도 전달특성의 기울기가 크게 감소하는 것을 볼 수 있다.
도 4 및 도 5에서 보여진 결과를 분명히 하기 위해 BTH의 혼합비율에 따른 전계이동도의 변화추이를 도 5에서 정리하였다. 도 8은 전달특성을 통해 계산된 전계이동도 변화를 정리한 그래프이고, 도 9는 전계이동도의 감소율을 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, BTH를 혼합하지 않은 F8T2와 P3HT 소자(비교예 1 및 2)는 각각 0.0012 cm2/Vs와 0.024cm2/Vs의 전계이동도를 보이는데 이 값은 각각의 고분자 반도체 재료에 대한 일반적인 수준의 결과이다.
하지만 BTH를 혼합함에 따라서 F8T2와 P3HT는 서로 다른 전계이동도의 감소경향을 보인다. F8T2의 경우 1% BTH를 혼합하더라도 소자성능은 90% 이상 유지되는 것을 볼 수 있고, 5%, 10%, 20%로 증가함에 따라 전계이동도는 단계적으로 감소하였다. 반면에 P3HT는 1% BTH를 혼합한 경우에서도 전계 이동도가 17 % 수준으로 감소폭이 다소 컸으나, 혼합 비율이 증가하더라도 소자성능의 급격한 변화가 나타나지 않았다.
추가적으로, 용매처리에 따른 소자성능 감소를 평가하기 위하여, 클로로벤젠에 5초간 담군 후 충분히 건조하여 소자측정을 실시하였다. 실험 결과 BTH 1%를 혼합한 박막은 소자성능이 다소 감소할 수 있으나, 5% 이상 BTH를 혼합하더라도 전계이동도 감소가 5% 미만으로 소자 성능이 거의 유지되는 것으로 확인되었다. 이것은 고분자 유기반도체 박막에 BTH를 혼합하는 것이 박막의 용매안정성 향상에 매우 효율적임을 보여주는 것이다.
3) X-선 산란법(XRD)분석 결과
두 종류의 유기 고분자 반도체 물질에 BTH를 혼합함에 따라 서로 다른 경향성을 설명하기 위해 재료의 결정화 특성 변화를 분석하였다. 도 10 및 도 11은 비교예 및 실시예의 유기 반도체 박막의 결정화 특성 변화를 X-선 산란법(XRD)으로 분석한 결과이다. 도 8은 비교예 1 및 실시예 1 및 2의 XRD 결과를 보여주고 있는데, 도 8에서 보는 것과 같이 BTH를 혼합하지 않은 것과 혼합한 경우 모두에서 어떠한 결정구조가 관찰되지 않았다. 이는 무정질 고분자 반도체 물질인 F8T2는 BTH 혼합에 의해 결정구조가 특별히 변화하지 않는 것을 보여주고 있다.
도 11은 비교예 2 및 실시예 5 및 6의 XRD 결과를 보여주고 있는데, 도 11에서 보는 바와 같이, 결정성 고분자 반도체 재료인 P3HT는 BTH를 혼합하지 않은 경우에 (100), (200), (300)과 같은 (l00)피크가 선명하게 나타나는 것을 볼 수 있다(비교예 2). 이것은 P3HT 분자간 우수한 배열성으로 인해 고분자 박막이 높은 결정성을 가지는 것을 보여주는 결과이다. 하지만 P3HT에 1% BTH가 혼합됨에 따라 피크의 크기가 크게 감소하는 것을 볼 수 있고, 5% 혼합에 따라 (100)을 제외한 나머지 피크가 거의 관찰되지 않는 것을 볼 수 있는데, 이것은 고분자 박막의 결정성이 BTH의 혼합에 의해 크게 감소했음을 보여주고 있다.
4) AFM 분석
도 12는 비교예1 및 실시예 1, 2 및 4의 유기 반도체 박막의 표면구조 변화를 나타내는 AFM 분석 사진이다. 도 12를 참조하면, BTH가 혼합되지 않은 경우 박막은 rms 거칠기가 약 0.3 nm로 매우 균일한 표면구조를 가지고, 1%, 5%, 20%로 BTH 혼합비율이 증가함에 따라 경화된 BTH의 구조가 증가하였다. 이러한 변화는 P3HT를 사용한 비교예 2 및 실시예 5 내지 8의 경우에도 유사한 구조변화가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유기 반도체 고분자와 BTH를 혼합하여 고분자 사이에 네트워크 구조를 형성하여 유기 고분자 박막의 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히, BTH 를 1% 혼합한 F8T2의 경우 90% 이상의 전계이동도를 유지하면서 용매에 대한 안정성이 크게 증가한 것을 확인하였다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고분자 네트워크 형성 유도체는 유기 반도체 고분자 구조 내에서 그물구조를 형성함으로써, 재료의 변형을 야기하지 않고 박막의 용매안정성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 용매 안정성 뿐만 아니라 수분, 산소에 대한 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
110: 기판 120: 절연층
130: 유기 반도체층 141: 게이트 전극
142: 소스 전극 143: 드레인 전극
130: 유기 반도체층 141: 게이트 전극
142: 소스 전극 143: 드레인 전극
Claims (18)
- 유기 반도체 고분자 및 2개 이상의 트리클로로실리 작용기를 가지는 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체로 형성되는 유기 반도체층을 포함하는 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 네트워크 형성 유도체의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부인 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 네트워크 형성 유도체는 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)인 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene]) 및 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene) 중 하나 이상인 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene])이고, 상기 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부인 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체 고분자는 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene)이고, 상기 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부인 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체인 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)을 포함하는 용액으로 형성되는 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체층 상에는 보호층이 추가로 형성되는 유기 박막 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 반도체층 상에는 전극이 형성되는 유기 박막 트랜지스터.
- 기판 또는 절연층 상에 유기 반도체 고분자 및 2개 이상의 트리클로로실리 작용기를 가지는 상기 유기 반도체 고분자의 네트워크 형성 유도체로 유기 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 네트워크 형성 유도체의 함량은 상기 유기 반도체 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부인 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 네트워크 형성 유도체는 비스(트리클로로실리)헥산 (bis(trichlorosily)hexane)인 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 네트워크 형성 유도체를 포함하는 용액으로 형성되는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 용액 공정으로 형성되는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 스핀 코팅법으로 형성되는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체층은 상기 유기 반도체 고분자 및 상기 네트워크 형성 유도체를 포함하는 용액이 도포된 후 열처리 공정을 수행하여 형성되는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체 고분자는 폴리[(9,9-디오틸플루오레닐-2,7-디일)-코-비티오펜](poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene]) 및 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene) 중 하나 이상인 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 유기 반도체층 상에 전극을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 유기 박막 트랜지스터의 제조방법.
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|---|---|---|---|
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| KR (1) | KR20140036665A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015199488A1 (ko) * | 2014-06-27 | 2015-12-30 | 동국대학교 산학협력단 | 탄소나노튜브 유기반도체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 화학센서용 트랜지스터 |
| KR20190140388A (ko) * | 2018-06-11 | 2019-12-19 | 인천대학교 산학협력단 | 금속-유기 골격체를 포함하는 습도 감지용 트랜지스터 및 수분흡착 특성을 갖는 유기 반도체 조성물 |
| CN113637294A (zh) * | 2020-07-13 | 2021-11-12 | 安比莱特 | 热稳定且耐溶剂的导电聚合物复合材料 |
| CN113637294B (zh) * | 2020-07-13 | 2024-06-07 | 安比莱特 | 热稳定且耐溶剂的导电聚合物复合材料 |
-
2012
- 2012-09-17 KR KR1020120103027A patent/KR20140036665A/ko not_active Application Discontinuation
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| US11773213B2 (en) * | 2020-07-13 | 2023-10-03 | Ambilight Inc. | Thermally stable and solvent-resistant conductive polymer composites |
| CN113637294B (zh) * | 2020-07-13 | 2024-06-07 | 安比莱特 | 热稳定且耐溶剂的导电聚合物复合材料 |
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