KR20170088815A - 액정성 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은 기판, 게이트전극, 게이트절연층, 활성층, 및 전극물질층을 순차적으로 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트절연층이 직선 편광된 UV에 대해 수직 광배향된 시나메이트계 고분자를 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

액정성 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법{ORGANIC THIN FILM TRANSISTOR HAVING LIQUID CRYSTALLINE PROPERTIES AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 액정성 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정보통신기술의 발달과 함께 작고, 가볍고, 사용하기 편리한 정보통신기기와 이를 가능하게 하는 소자, 전자재료에 대한 수요가 늘어나고 있다. 그 중에서도 유기박막 트랜지스터(OTFT)는 종래의 비정질 실리콘 및 폴리실리콘을 이용한 유기박막 트랜지스터에 비해 제조공정이 간단하고, 플렉서블 디스플레이의 구현을 위한 플라스틱 기판들과 호환성이 뛰어나 최근 많은 연구가 이루어지고 있다.
유기박막 트랜지스터의 성능을 평가하기 위한 주요 물성으로는 전하이동도와 점멸비(on/off ratio)를 들 수 있고, 특히, 전하이동도는 반도체 재료의 종류, 박막 형성방법(구조 및 형태학), 구동전압 등에 따라 다르게 나타난다.
도 1은 기판(11), 게이트전극(16), 게이트절연층(12), 활성층(13), 및 전극물질층(14, 15)으로 이루어진 일반적인 유기박막 트랜지스터의 층상 구조를 나타낸 단면도이다. 이 중 활성층을 구성하는 반도체 물질은 분자량에 따라 저분자 유기 반도체 및 고분자 유기 반도체로, 전자 또는 정공 전달 여부에 따라 n-형 유기 반도체 또는 p-형 유기 반도체로 나뉠 수 있다.
상기 저분자 유기 반도체는 정제가 용이하고 불순물을 대부분 제거할 수 있어 전하이동성이 우수하나 스핀 코팅 또는 프린팅이 불가능하여 진공 증착을 통해 박막을 제조해야 하므로, 공정이 복잡하다. 반면, 고분자 유기 반도체는 고순도의 정제는 어려우나 내열성이 우수하고 스핀 코팅 또는 프린팅이 가능하여 대량 생산에 적합하다.
이에 대해, 고분자 유기 반도체 재료의 전하이동도를 개선하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 예를 들어, 대한민국등록특허 제10-0668763호는 열 안정성이 우수한 액정성 유기 고분자를 도입하여 분자의 배열성에 기한 전하이동도 향상을 도모하였으나, 액정성 고분자의 배열성을 분자 자체의 전기화학적 성질에 의존할 수 밖에 없어 전하이동도를 일정 수준 이상으로 향상시키기 어렵다.
또한, 대한민국등록특허 제10-1096695호는 시나마이드기를 가지는 광배향막을 이용하여 액정 분자의 배향성을 정밀하게 제어할 수 있음을 개시하고 있으나, 이는 액정 표시 소자 중 유기박막 트랜지스터와 분리되어 구비된 것으로서 액정(층)의 배향에 관여하는 것에 불과하고, 유기박막 트랜지스터의 반도체층, 즉, 활성층과 접촉하여 그것의 배향성과 물성에까지 영향을 미치도록 설계된 것은 아니다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 유기박막 트랜지스터의 활성층에 액정성 유기 고분자를 도입하되 그 배향성이 정밀하게 제어되고, 그에 따른 전하이동도가 향상되며, 열 안정성이 우수한 유기박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 기판, 게이트전극, 게이트절연층, 활성층, 및 전극물질층을 순차적으로 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트절연층이 직선 편광된 UV에 대해 수직 광배향된 시나메이트계 고분자를 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 활성층이 티오펜계 고분자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 티오펜계 고분자가 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00001
상기 식에서, R1 및 R2가 상호 독립적으로 C1 내지 C20 알킬기이고, X가
Figure pat00002
,
Figure pat00003
, 및
Figure pat00004
로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, n이 1 내지 10,000의 정수이다.
일 실시예에 있어서, 상기 티오펜계 고분자가 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시나메이트계 고분자가 폴리비닐시나메이트, 폴리비닐메톡시시나메이트, 폴리비닐불화시나메이트, 및 폴리실록산시나메이트로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시나메이트계 고분자가 폴리비닐시나메이트일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 폴리비닐시나메이트의 중량평균분자량(Mw)이 50,000 내지 500,000일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은 (a) 시나메이트계 및 티오펜계 고분자를 각각 제1 및 제2 용매에 용해시켜 제1 및 제2 용액을 제조하는 단계; (b) 게이트전극이 구비된 기판 상에 상기 제1 용액을 코팅하여 게이트절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 게이트절연층에 직선 편광된 UV를 조사하여 상기 시나메이트계 고분자를 상기 UV에 대해 수직 광배향시키는 단계; (d) 광배향된 상기 게이트절연층 상에 상기 제2 용액을 코팅하여 활성층을 형성하는 단계; (e) 상기 활성층을 100 내지 300℃에서 어닐링하는 단계; 및 (f) 상기 활성층 상에 금을 증착시켜 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 티오펜계 고분자가 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00005
상기 식에서, R1 및 R2가 상호 독립적으로 C1 내지 C20 알킬기이고, X가
Figure pat00006
,
Figure pat00007
, 및
Figure pat00008
로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, n이 1 내지 10,000의 정수이다.
일 실시예에 있어서, 상기 티오펜계 고분자가 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 용매가 각각 상호 독립적으로 클로로에탄, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 및 (d) 단계에서 상기 코팅이 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 직선 편광된 UV의 세기가 5 내지 50J/cm2일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 액정성 유기박막 트랜지스터는 액정성 유기 고분자를 포함하는 활성층의 하부에 위치한 게이트절연층이 기본적인 절연성을 가질 뿐만 아니라, 일정 방향으로 광배향된 시나메이트계 고분자를 포함하여 상기 활성층의 배향성을 정밀하게 제어함으로써 전하이동성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법은 별도의 정제 공정 없이 광배향 처리 및 어닐링 공정을 포함하여 고성능 유기박막 트랜지스터의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 유기박막 트랜지스터의 층상 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리비닐시나메이트의 UV/Vis 스펙트럼 및 사이클로첨가(cycloaddition) 반응을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리비닐시나메이트의 열중량분석(TGA) 결과 및 AFM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리비닐시나메이트의 정전용량 및 누설전류밀도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)의 UV/Vis 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 유기박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
액정성 유기박막 트랜지스터
본 발명의 일 측면은 기판, 게이트전극, 게이트절연층, 활성층, 및 전극물질층을 순차적으로 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트절연층이 직선 편광된 UV(Linear Polarized UV, 이하, 'LPUV')에 대해 수직 광배향된 시나메이트계 고분자를 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터를 제공한다.
본 명세서에 사용된 용어, "수직"은 2개의 선 또는 면이 이루는 각이 90°인 경우, 또는 복수의 선 또는 면이 이루는 각의 평균 값이 90°이어서 그 각을 실질적으로 90°로 볼 수 있는 경우를 의미한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어, "평행"은 2개의 선 또는 면이 이루는 각이 0°인 경우, 또는 복수의 선 또는 면이 이루는 각의 평균 값이 0°이어서 그 각을 실질적으로 0°로 볼 수 있는 경우를 의미한다.
상기 액정성 유기박막 트랜지스터는 평판 디스플레이의 일종인 액정 표시 소자에 적용될 수 있다. 액정 표시 소자에는 광투과성, 응답시간, 시야각, 콘트라스트 등과 같은 표시 소자로서의 기능이 요구되며, 이러한 기능은 액정 표시 소자의 액정 분자의 배열 특성에 따라 결정되므로 액정 분자의 배향을 균일하게 제어하는 것이 중요하다.
액정 분자를 균일하게 배향시키기 위한 방법으로는 유기 고분자 물질로 이루어진 막 또는 필름의 표면을 특수 형태의 천으로 러빙(rubbing)하는 방법을 들 수 있다. 다만, 러빙은 공정이 단순한 반면에, 공정 간 사용된 특수 형태의 천에 붙은 분진에 의해 배향막을 오염시킬 수 있고 배향막의 소재에 따라 호환성이 상이한 문제가 있다.
이러한 러빙법의 문제점을 해결하기 위해 넌러빙 처리법(rubbing free treatment)에 대한 연구, 개발이 이루어지고 있으며, 그 중, 광배향법이 주목받고 있다. 관련하여, 상기 시나메이트계 고분자는 측쇄에 시나모일기를 가지는 고분자로서, 폴리비닐시나메이트, 폴리비닐메톡시시나메이트, 폴리비닐불화시나메이트, 및 폴리실록산시나메이트로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 이들 각각의 구조는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
<화학식 2>
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
상기 시나메이트계 고분자의 화학적 구조는 광반응에 의해 액정 분자를 한 방향으로 배열시키는 역할을 하는 주쇄(main chain or backbone)와, 프리틸트각을 형성 및 개선하는 역할을 하는 측쇄(side chain)로 구분될 수 있다. 예를 들어, 상기 시나메이트계 고분자가 폴리비닐시나메이트(이하, 'PVCN')일 수 있다. 상기 PVCN의 중량평균분자량(Mw)이 50,000 내지 500,000일 수 있고, 바람직하게는 100,000 내지 300,000일 수 있다.
도 2(b)를 참고하면, 상기 PVCN에 LPUV를 조사하는 경우 상기 PVCN의 측쇄인 시나모일기가 LPUV에 의해 [2+2] 사이클로첨가(cycloaddition) 반응을 하여 사이클로부탄(cyclobutane)이 형성될 수 있고, 이에 따라 상기 PVCN 분자를 상기 LPUV에 대해 수직 방향으로 배열시킬 수 있다.
도 2(a)는 LPUV로 광배향된 PVCN 필름(두께: 400nm)의 UV/Vis 스펙트럼을 나타낸다. 도 2(a)를 참고하면, 상기 게이트절연층은 LPUV에 대해 수직 배향된 PVCN 뿐만 아니라 평행 배향된 PVCN을 포함함을 알 수 있고, 양자 모두 275nm 파장에서 PVCN의 시나모일기에 상응하는 뚜렷한 피크가 관찰된다. 또한, 275nm에서의 2색비(dichroic ratio, A⊥/A//)가 1.1으로 나타나, 수직 배향된 PVCN이 수평 배향된 것에 비해 상대적으로 우세하다. 본 명세서에 사용된 용어, "2색비"는 일정 물질에 대한 UV/Vis 스펙트럼에서, LPUV에 대해 수평 광배향된 분자 또는 고분자의 흡수 강도(A//)에 대한 수직 광배향된 분자 또는 고분자의 흡수 강도(A⊥)의 비를 의미한다.
다만, 이러한 2색비는 상기 PVCN 필름의 전 영역에 대해 측정된 값이며, 필름의 표면으로부터 전체 두께의 10 내지 20%에 해당하는 표면 영역에서 PVCN은 LPUV에 대해 수직 방향으로 더 균일한 배향성을 가질 수 있으므로, 상기 활성층을 이루는 물질에 일정한 배향성을 부여할 수 있다.
도 3(a)를 참고하면, 질소 분위기 하에서 광배향된 PVCN의 중량 감소가 220℃, 285℃에서 각각 1중량% 미만, 5중량% 미만으로 나타나, 광배향된 PVCN 필름이 후술할 어닐링 단계에서의 고온 조건을 견딜 수 있는 양호한 열 안정성을 가짐을 알 수 있다. 또한, 도 3(b)를 참고하면, 광배향된 PVCN의 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 표면 조도가 0.18로 측정되었고, 이는 평활한 SiO2의 표면 조도(~0.4nm)와 유사하다.
한편, 상기 PVCN 필름의 표면장력은 물 및 디아이오도메탄의 접촉각으로 측정될 수 있는데, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 접촉각 (°) 표면에너지
(mN/m)		 표면조도
RMS (nm)
물 디아이오도메탄
미처리 PVCN 77.7 35.3 42.3 0.13
LPUV에 대해
수직 광배향 PVCN		 77.7 35.3 42.3 0.18
LPUV에 대해
평행 광배향 PVCN		 77.9 35.7 42.2 0.14
상기 표 1을 참고하면, LPUV에 대해 수직 및 수평 광배향된 PVCN의 접촉각과 표면장력(표면에너지)은 거의 유사하므로, LPUV의 방향과 무관하게 광배향된 PVCN 필름이 쉽고 균일하게 제조될 수 있다.
MIM 커패시터 구조를 이용하여 상기 광배향된 PVCN 필름의 정전용량, 누설전류밀도, 및 항복전압(breakdown voltage)을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 먼저, 도 4(a)를 참고하면, 1kHz에서 상기 광배향된 PVCN 필름의 정전용량 및 유전상수가 각각 7.6nF/cm2 및 3.35이고, 정전용량은 100Hz에서 1MHz까지 거의 변하지 않는데, 이는 필름 내에 이동성 불순물이 거의 존재하지 않음을 의미한다.
도 4(b)를 참고하면, 상기 광배향된 PVCN 필름이 2.5MV/cm를 초과하는 항복전계(breakdown field)에서 10-7A/cm2을 초과하는 안정한 게이트 누설전류밀도를 가진다. 상기 광배향된 PVCN의 낮은 누설전류밀도와 높은 항복전압은 중합, 경화에 따른 가교 효과(crosslinking effect)에 따른 것으로 분석된다. 또한, 누설전류의 이동이 주로 불순물 또는 결함을 통해 발생하므로 누설전류밀도가 낮은 상기 광배향된 PVCN 필름은 유기박막 트랜지스터의 게이트절연층으로 적합하다.
상기 활성층이 티오펜계 고분자를 포함할 수 있고, 상기 티오펜계 고분자가 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00013
상기 식에서, R1 및 R2가 상호 독립적으로 C1 내지 C20 알킬기이고, X가
Figure pat00014
,
Figure pat00015
, 및
Figure pat00016
로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, n이 1 내지 10,000의 정수이다. 상기
Figure pat00017
,
Figure pat00018
, 및
Figure pat00019
가 상기 화학식 1의 구조 내에서 C-C 결합을 형성하도록 포함될 수 있다. 즉, 상기 X 중 황(S)을 제외한 임의의 탄소가 상기 X의 양단에 위치한 작용기 치환된 티오펜 중 고리 부분에 위치한 임의의 탄소와 결합될 수 있다. 상기 화학식 1로 표시될 수 있는 티오펜계 고분자는, 예를 들어, 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)(이하, 'PBTTT')일 수 있다.
상기 PBTTT는 HOMO 에너지 준위가 낮은 공기 중 안정한 p-형 유기 반도체로서, 주쇄가 견고하고 측쇄가 유연한 구조적 특성에 의해 120 내지 180℃에서 스멕틱 액정상을 가진다. 상기 PBTTT는 액정성 고분자이므로 상기 광배향된 PVCN 필름 상에서 일정한 배향성을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 광배향된 PVCN 필름은 활성층과 접촉하는 영역, 즉, 표면 영역에서 LPUV에 대해 수직 방향으로 더 균일한 배향성을 가질 수 있으므로, 이종의 액정성 고분자인 PBTTT를 LPUV에 대해 수직 방향으로 배향시킬 수 있다.
상기 광배향된 PVCN 필름과의 접촉에 의해 상기 PBTTT에 부여된 수직 배향은 후술할 어닐링 공정에 의해 더 강화될 수 있다. 예를 들어, 상기 PBTTT의 2색비(dichroic ratio, A⊥/A//)는 1.2 내지 1.5일 수 있고, 이는 상기 게이트절연층에 비해 상기 활성층에서 LPUV에 대해 수직 배향된 액정 분자가 더 우세하게 존재함을 의미한다.
액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법
또한, 본 발명의 다른 일 측면은 (a) 시나메이트계 및 티오펜계 고분자를 각각 제1 및 제2 용매에 용해시켜 제1 및 제2 용액을 제조하는 단계; (b) 게이트전극이 구비된 기판 상에 상기 제1 용액을 코팅하여 게이트절연층을 형성하는 단계; (c) 상기 게이트절연층에 직선 편광된 UV(Linear Polarized UV, 이하, 'LPUV')를 조사하여 상기 시나메이트계 고분자를 상기 UV에 대해 수직 광배향시키는 단계; (d) 광배향된 상기 게이트절연층 상에 상기 제2 용액을 코팅하여 활성층을 형성하는 단계; (e) 상기 활성층을 100 내지 300℃에서 어닐링하는 단계; 및 (f) 상기 활성층 상에 금을 증착시켜 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
상기 시나메이트계 및 티오펜계 고분자의 종류와 이로부터 각각 형성된 상기 게이트절연층과 활성층의 성질, 및 상기 게이트절연층과 활성층의 접촉, 결합에 따른 작용효과에 관해서는 전술한 것과 같다.
상기 (a) 단계에서 시나메이트계 및 티오펜계 고분자 각각을 제1 및 제2 용매에 용해시켜 일정 농도를 가지는 제1 및 제2 용액을 제조할 수 있다. 상기 제1 및 제2 용매가 각각 상호 독립적으로 클로로에탄, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 제1 및 제2 용매는 각각 혼합 또는 단일 용매로서 동종의 것일 수 있고, 필요에 따라 이종의 것일 수도 있다. 예를 들어, 상기 제1 용매가 1,2-디클로로에탄 및 클로로벤젠이 각각 1 : 1로 혼합된 것일 수 있고, 상기 제2 용매가 1,2-디클로로벤젠일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제1 및 제2 용액의 농도는 각각 1 내지 10중량%, 및 5 내지 20mg/mL일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (b) 단계에서 게이트전극이 구비된 기판 상에 상기 제1 용액을 코팅하여 게이트절연층을 형성할 수 있다. 유기박막 트랜지스터의 생산성을 고려하면, 상기 코팅이 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 또한, 상기 제1 용액은 다량의 용매를 포함하므로 상기 코팅이 종료된 후 일정 온도 하에서 일정 시간 동안 건조하여 이를 증발, 제거할 수 있다.
상기 (c) 단계에서 상기 게이트절연층에 LPUV를 조사하여 상기 시나메이트계 고분자를 상기 LPUV에 대해 수직 광배향시킬 수 있다. 이 때, 상기 LPUV의 세기가 5 내지 50J/cm2, 바람직하게는 10 내지 30J/cm2일 수 있다. 상기 LUPV의 세기가 5J/cm2 미만이면 상기 시나메이트계 고분자의 광배향을 충분히 유도할 수 없고, 50J/cm2 초과이면 상기 시나메이트계 고분자가 불균일하게 광배향되거나 고분자의 결정성이 손상될 수 있다.
상기 (d) 단계에서 광배향된 상기 게이트절연층 상에 상기 제2 용액을 코팅하여 활성층을 형성할 수 있다. 상기 (b) 단계에서와 같이, 상기 코팅을 스핀 코팅 방식으로 수행하여 유기박막 트랜지스터의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 용액은 다량의 용매를 포함하므로 상기 코팅이 종료된 후 일정 온도 하에서 일정 시간 동안 건조하여 이를 증발, 제거할 수 있다. 상기 (b) 및 (d) 단계에서의 건조 조건은 상기 제1 및 제2 용액의 농도와 이들 각각에 포함된 용매의 종류에 따라 동일하거나 상이하게 설정될 수 있다.
상기 (e) 단계에서 상기 활성층을 100 내지 300℃, 바람직하게는 150 내지 250℃에서 어닐링하여 상기 활성층을 이루는 티오펜계 고분자의 상기 LPUV에 대한 수직 광배향성을 더 강화할 수 있다. 상기 어닐링 온도가 100℃ 미만이면 상기 티오펜계 고분자의 2색비(dichroic ratio, A⊥/A//)를 1.2 내지 1.5의 범위로 조절할 수 없고, 300℃ 초과이면 상기 게이트 절연층을 이루는 상기 시나메이트계 고분자가 열 분해되어 유기박막 트랜지스터의 구조가 불안정해질 수 있다.
상기 (f) 단계에서 상기 활성층 상에 섀도 마스크를 통해 금을 증착시켜 소스 전극 및 드레인 전극을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 금의 증착 속도 및 시간을 0.1 내지 5ÅA/s로 조절하여 상기 전극의 두께를 10 내지 100nm로 조절할 수 있고, 상기 섀도 마스크의 형상을 통해 채널 길이, 채널 폭, 및 채널 방향을 다변화할 수 있다.
실시예
n-형 실리콘 저면게이트(bottom-gate) 기판을 아세톤, 에탄올, 및 탈이온수로 순차적으로 10분 간 세척하였다. 중량평균분자량이 230,000인 폴리비닐시나메이트(이하, 'PVCN')를 1,2-디클로로에탄 및 클로로벤젠이 각각 1 : 1로 혼합된 용매에 용해시켜 5중량%의 PVCN 용액을 제조하였다. 상기 기판 상에 상기 PVCN 용액을 3,000rpm으로 60초 간 400nm 두께로 스핀 코팅한 후, 80℃에서 1시간 동안 건조시켜 잔여 용매를 제거하였다.
1.1kW 중압수은 UV램프에서 발생한 UV를 글랜-테일러 편광기(Glan-Taylor polarizer)를 이용하여 직선 편광시켜 15J/cm2 세기로 PVCN 필름 상에 조사함으로써 PVCN의 광배향을 유도하였다. 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)(이하, 'PBTTT')을 1,2-디클로로벤젠에 용해시켜 10mg/mL 농도의 용액을 제조하였고, 이를 광배향된 PVCN 필름 상에 2,000rpm으로 60초 간 스핀 코팅한 다음, 110℃에서 30분 간 건조시켰다. 이후, 아르곤 기체 분위기, 180℃ 하에서 30분 간 어닐링하여 PBTTT의 단축 배향(uniaxial alignment)을 유도하였다.
단축 배향된 PBTTT 필름 상에 섀도 마스크를 통해 금을 1ÅA/s의 속도로 증착시켜 50nm 두께의 소스 및 드레인 전극을 형성(채널 길이: 20~100㎛, 채널 폭: 0.5~1mm, 채널 방향: LPUV에 대해 수직)함으로써 액정성 유기박막 트랜지스터를 완성하였다.
비교예 1
PBTTT 필름을 어닐링하지 않은 것을 제외하면, 상기 실시예와 동일한 방법으로 액정성 유기박막 트랜지스터를 완성하였다.
비교예 2
UV를 편광시키지 않고 PVCN 필름 상에 조사한 것을 제외하면, 상기 실시예와 동일한 방법으로 액정성 유기박막 트랜지스터를 완성하였다.
비교예 3
채널 방향이 LPUV에 대해 평행하도록 소스 및 드레인 전극을 형성한 것을 제외하면, 상기 실시예와 동일한 방법으로 액정성 유기박막 트랜지스터를 완성하였다.
실험예 1: PBTTT의 배향 특성 평가
상기 실시예 및 비교예 1의 PBTTT 필름의 배향 특성을 평가하기 위해 UV/Vis/NIR 스펙트로미터(Jasco V-570)를 사용하여 각각에 대한 UV/Vis 스펙트럼을 얻었다. 도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)의 UV/Vis 스펙트럼을 나타낸다.
도 5를 참고하면, PBTTT의 π-π 전이에 의해 400nm 내지 630nm의 파장 영역에서 흡수 밴드가 나타나며, 어닐링 여부에 관계없이 모두 2색성(dichroism)을 가진다. 특히, 도 5(b)를 참고하면, 상기 실시예 1의 PBTTT 필름은 530nm에서 1.36의 2색비(dichroic ratio, A⊥/A//)를 가지는 것으로 나타나, 비교예 1에 비해 수직 배향된 PBTTT가 상대적으로 우세하였다. 이를 통해, LPUV에 대해 수직 배향된 PVCN이 그 상부에 코팅된 PBTTT의 수직 배향을 유도하였고, 일정 온도 조건 하에서 수행된 어닐링 공정이 이러한 PBTTT의 수직 배향을 강화하였음을 알 수 있다.
실험예 2: 유기박막 트랜지스터의 성능 평가
상기 실시예 및 비교예 2, 3의 유기박막 트랜지스터의 이방성 전달 특성(transfer characteristic)을 측정하여 그 결과를 도 6과 하기 표 2에 나타내었다.
구분 이동도 (cm2·V-1·s-1) Ion/Ioff Vth (V)
실시예 0.025 2.1E+03 2.90
비교예 2 0.013 1.8E+03 -0.18
비교예 3 0.008 1.6E+03 2.79
먼저, 도 6(b), 6(c)를 참고하면, 비교예 3의 경우 전계효과 이동도(field effect mobility), 온/오프 전류비(Ion/Ioff), 및 임계 전압(threshold voltage, Vth) 각각 0.008cm2/Vs, 1.6*103, 및 2.79V인 반면에, 실시예의 경우 각각 0.025cm2/Vs, 2.1*103, 및 2.90V로 나타나, 실시예의 전하이동도와 구동 효율이 상대적으로 우수하였다.
*상기 표 2에 기재된 값은 상기 실시예 및 비교예 2, 3의 유기박막 트랜지스터를 각각 36개씩 동일한 방법으로 제조하여 그에 대한 이방성 전달 특성을 측정한 평균 값을 가리킨다. 상기 표 2를 참고하면, 실시예의 경우 전계효과 이동도가 0.025cm2/Vs로서, 비교예 3의 0.008cm2/Vs에 비해 약 3배 높았고, 비교예 2의 0.013cm2/Vs에 비해서도 약 2배 높았다. 이는 PBTTT의 주쇄의 배향 방향에 대해 수직 방향으로의 전하이동이 강화된 반면에, 평행 방향으로의 전하이동은 억제되었기 때문인 것으로 분석된다.
이와 같이, 광배향된 PVCN 필름은 그 상부에 위치하는 PBTTT 분자의 배향성을 향상시킬 수 있다. 유전성 표면으로 부적합한 스크래치를 가지는 러빙된 폴리이미드 표면과 달리, 광배향된 PVCN 필름은 표면배향층의 기능 뿐만 아니라 게이트절연층의 기능도 수행할 수 있다. 또한, 상기 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조 간 수반되는 광배향, 코팅, 및 어닐링 조건을 조절, 최적화함으로써 유기박막 트랜지스터의 전기적 성능을 더 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 기판, 게이트전극, 게이트절연층, 활성층, 및 전극물질층을 순차적으로 포함하는 액정성 유기박막 트랜지스터에 있어서,
    상기 활성층이 상기 게이트절연층 상에만 형성되고,
    상기 전극물질층 및 상기 게이트절연층이 상기 활성층에 의해 상호 이격되고,
    상기 게이트절연층이 직선 편광된 UV에 대해 수직 광배향된 시나메이트계 고분자를 포함하고,
    상기 활성층이 직선 편광된 UV에 대해 수직 광배향된 티오펜계 고분자를 포함하고,
    상기 활성층의 2색비(dichloric ratio)가 1.2 내지 1.5이고,
    상기 활성층에서 상기 티오펜계 고분자가 단축 배향(uniaxial alignment)되고,
    상기 전극물질층이 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 채널 방향이 상기 직선 편광된 UV에 대해 수직인 액정성 유기박막 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 티오펜계 고분자가 하기 화학식 1로 표시되는 액정성 유기박막 트랜지스터:
    <화학식 1>
    Figure pat00020

    상기 식에서,
    R1 및 R2가 상호 독립적으로 C1 내지 C20 알킬기이고,
    X가
    Figure pat00021
    ,
    Figure pat00022
    , 및
    Figure pat00023
    로 이루어진 군에서 선택된 하나이고,
    n이 1 내지 10,000의 정수이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 티오펜계 고분자가 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)인 액정성 유기박막 트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시나메이트계 고분자가 폴리비닐시나메이트, 폴리비닐메톡시시나메이트, 폴리비닐불화시나메이트, 및 폴리실록산시나메이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 액정성 유기박막 트랜지스터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 시나메이트계 고분자가 폴리비닐시나메이트인 액정성 유기박막 트랜지스터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 폴리비닐시나메이트의 중량평균분자량(Mw)이 50,000 내지 500,000인 액정성 유기박막 트랜지스터.
  7. (a) 시나메이트계 및 티오펜계 고분자를 각각 제1 및 제2 용매에 용해시켜 제1 및 제2 용액을 제조하는 단계;
    (b) 게이트전극이 구비된 기판 상에 상기 제1 용액을 코팅하여 게이트절연층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 게이트절연층에 직선 편광된 UV를 조사하여 상기 시나메이트계 고분자를 상기 UV에 대해 수직 광배향시키는 단계;
    (d) 광배향된 상기 게이트절연층 상에 상기 제2 용액을 코팅하여 활성층을 형성하는 단계;
    (e) 상기 활성층을 100 내지 300℃에서 어닐링하여 상기 활성층의 2색비(dichloric ratio)를 1.2 내지 1.5로 조절하고, 상기 티오펜계 고분자를 단축 배향(uniaxial alignment)시키는 단계; 및
    (f) 상기 활성층 상에 금을 증착시켜 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 활성층에서 상기 티오펜계 고분자가 직선 편광된 UV에 대해 수직 광배향되고,
    상기 활성층이 상기 게이트절연층 상에만 형성되고,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극이 상기 활성층에 의해 상기 게이트절연층과 상호 이격되고,
    상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 사이의 채널 방향이 상기 직선 편광된 UV에 대해 수직인 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 티오펜계 고분자가 하기 화학식 1로 표시되는 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법:
    <화학식 1>
    Figure pat00024

    상기 식에서,
    R1 및 R2가 상호 독립적으로 C1 내지 C20 알킬기이고,
    X가
    Figure pat00025
    ,
    Figure pat00026
    , 및
    Figure pat00027
    로 이루어진 군에서 선택된 하나이고,
    N이 1 내지 10,000의 정수이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 티오펜계 고분자가 폴리(2,5-비스(3-도데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)인 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 용매가 각각 상호 독립적으로 클로로에탄, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 (b) 및 (d) 단계에서 상기 코팅이 스핀 코팅에 의해 수행되는 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 상기 직선 편광된 UV의 세기가 5 내지 50J/cm2인 액정성 유기박막 트랜지스터의 제조방법.
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