KR20170131135A - 전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 전도성 고분자 박막 제조방법 - Google Patents

전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 전도성 고분자 박막 제조방법 Download PDF

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conductive polymer
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김용재
전환진
안치원
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 전도성 고분자 P3HT의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 P3HT박막 제조방법에 관한 것으로, 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서, (i) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 (i) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액을 제2 용매 위에 떨어뜨리는 단계; (iii) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iii) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 상기 전도성 고분자가 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법을 제공한다. 상기 본 발명에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법은 공정을 단순화하고 나노수준에서의 모폴로지 조절이 가능하고 박막의 균일도를 증가시킨다.

Description

전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 전도성 고분자 박막 제조방법 {Manufacturing method for the conductive polymer thin film of simultaneously inducing the self-assembly and thin film of the conductive polymer}
본 발명은 전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 전도성 고분자 박막 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양용매에 전도성 고분자를 용해한 다음, 양용매의 용해도가 낮은 액체 위에 상기 양용매에 용해된 전도성 고분자 용액을 떨어뜨린 후 양용매를 증발시켜, 전도성 고분자의 자기조립 유도와 동시에 박막을 제조하여 공정을 단순화하고 나노수준에서의 모폴로지 조절이 가능하고 박막의 균일도를 증가시킬 수 있는 전도성 고분자 박막 제조방법에 관한 것이다.
전도성 고분자는 최근 새로운 전기전자 재료로써 연구가 활발히 진행되고 있는 물질로, 분자설계의 다양성, 가공의 용이성, 저중량, 유연성 등과 같은 다양한 장점을 갖고 있다. P3HT(폴리(3-헥실티오펜), poly(3-hexylthiophene))와 PTCDI(페릴렌테트라카복실산디이미드, perylene tetracarboxylic diimide)는 가장 대표적으로 알려진 전도성 고분자로써 최근 이를 이용한 자기조립유도와 박막형성을 통한 유기박막소자를 개발하기 위한 연구가 집중적으로 이루어져 왔다. 이러한 전도성 고분자를 이용한 연구는 유연소자 제작에 유리하고 공정이 매우 간단하다는 장점을 가지게 된다.
전도성 고분자를 이용한 유기박막을 제조하기 위하여 크게 2가지 방법이 알려져 있는데, 첫째는 과량의 전도성 고분자를 톨루엔(toluene), 클로로폼(chloroform)과 같은 양용매(good solvent)에 용해시켜 스핀코팅을 통해 박막을 형성시킨 후 열처리와 같은 후처리 공정을 통해 자기조립을 유도하여 나노 구조를 구현한다. 둘째는 낮은 농도의 전도성 고분자를 이용해 용액상에서 자기조립을 유도하여 나노 구조를 구현하고 이를 스핀코팅 등의 방법을 통해 박막을 형성하는 방법이다. 하지만 전자의 경우는 자기조립 유도를 위한 열처리 공정에서 발생하는 상분리 등의 문제로 정밀하게 나노 구조를 제어할 수 없다는 단점이 존재하며, 후자의 경우는 낮은 농도의 고분자를 이용하여 균일한 박막을 형성할 수 없다는 단점이 존재한다.
유기박막소자의 특성을 조절하고 안정적인 소자 제작을 위해서는 이러한 문제점들은 필수적으로 극복해야 하는 것으로, 전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하여 박막을 제조하는 본 발명을 통해 문제점을 극복하고자 한다.
대한민국 공개특허 제2014-0036665호(발명의 명칭: 유기 박막 트랜지스터 및 그 제조방법, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는, 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 제조방법이 개시되어 있다.
KR 2014-0036665 A
종래기술 1은 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)를 포함하는 유기 반도체 고분자에 네트워크 형성 유도체를 혼합하여 유기 반도체층을 형성하는 제조방법을 개시하고 있다. 그러나 종속항에서 상기 유기 반도체층은 스핀코팅 후 열처리 공정을 수행하여 형성되는바, 별도의 후처리 공정을 거쳐야 해서 제조가 복잡해지고 비효율적인 문제가 있다는 제1 문제점, 열처리 공정에서 발생하는 상분리 등의 문제로 정밀하게 나노 구조를 제어할 수 없다는 제2 문제점을 갖는다. 또한, 기존 제조과정에서 양용매에 P3HT를 용해시킨 후 특정 빈용매를 첨가하여 용액상에서 자기조립을 유도시킨 후, 그에 따라 제조된 나노와이어를 스핀 코팅 또는 자연 건조를 통해 박막을 제조하는 방법이 있으나, 박막 제조과정에서 불균일한 박막이 형성된다는 제3 문제점을 갖는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서, (i) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 (i) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액을 제2 용매 위에 떨어뜨리는 단계; (iii) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iii) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 상기 전도성 고분자가 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 용매는 상기 제1 용매에 대한 용해도가 낮을 수 있다.
또한, 상기 (iii)단계에서의 제1 용매의 증발속도를 감소시켜, 형성되는 전도성 고분자 박막의 균일도를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene: PA), 폴리티오펜(polythiophene: PT), 폴리(3-알킬)티오펜(poly(3-alkyl)thiophene: P3AT), 폴리피롤(polypyrrole: PPY), 폴리이소시아나프탈렌(polyisothianapthelene: PITN), 폴리에틸렌 디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene: PEDOT), 폴리파라페닐렌 비닐렌(polyparaphenylene vinylene: PPV), 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌 비닐렌 (poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene: PPP), 페릴렌테트라카복실산디이미드(perylene tetracarboxylic diimide: PTCDI), 폴리파라페닐렌설파이드(polyparaphenylene sulphide: PPS), 폴리헵타디엔(polyheptadiyne: PHT), 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), 폴리아닐린(polyaniline: PANI) 및 이들의 유도체를 포함하여 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자는 P3HT 또는 PTCDI일 수 있다.
또한, 상기 (i)단계에서의 제1 용매는 클로로폼(chloroform), 톨루엔(toluene), THF(tetrahydrofuran)중 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (i)단계에서의 전도성 고분자 용액의 농도는 상기 톨루엔 또는 상기 THF의 경우 0.1 ~ 1mg/ml일 수 있다.
또한, 상기 (i) 단계에서의 전도성 고분자 용액의 농도는 상기 클로로폼의 경우 1 ~ 2.5mg/ml일 수 있다.
또한, 상기 제2 용매는 증류수일 수 있다.
또한, 본 발명은 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서, (a) 실리콘 기판의 표면을 개질하는 단계; (b) 상기 표면이 개질된 실리콘 기판 위에 제2 용매를 퍼뜨리는 단계; (c) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액을 상기 제2 용매 위에 떨어뜨리는 단계; (e) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막을 형성하는 단계; (f) 상기 제2 용매를 증발시키는 단계; 를 포함하여 이루어지고, 상기 (e) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 전도성 고분자 박막을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 전도성 고분자 박막을 포함하는 유기박막소자를 제공한다.
본 발명에 따른 전도성 고분자의 자기조립과 박막 형성을 동시에 유도하는 전도성 고분자 박막 제조방법은 종래기술에 비해 열처리와 같은 후처리 공정이 필요하지 않기 때문에 공정을 단순화하고 비용을 절감시킬 수 있다는 제1 효과, 용액상에서 전도성 고분자의 나노선이 제조됨으로써 나노 수준에서의 모폴로지 조절이 가능하다는 제2 효과, 종래의 용액상 자기조립을 이용한 박막형성의 단점인 박막의 불균일함을 극복하고 균일도를 증가시킬 수 있다는 제3 효과 및 제2 용매로, 증류수를 이용하는 경우 물 위에서 박막을 제조하기 때문에 종래의 방법보다 더욱 친환경적이라는 제 4효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증발속도를 감소시켜 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 기판 위에 직접 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 따라 실리콘 기판 위에 직접 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 P3HT 박막 제조과정에서 톨루엔의 증발에 따른 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매를 달리하여 제조된 P3HT 나노와이어 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 톨루엔인 경우, 증발속도를 달리하여 제조된 P3HT 박막의 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 클로로폼인 경우, 상기 클로로폼의 농도에 따른 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 클로로폼인 경우, 증발속도를 달리하여 제조된 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 P3HT 나노와이어 박막을 이용한 유기박막트랜지스터의 모식도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 톨루엔을 제1 용매로 제조된 P3HT 박막을 이용한 유기박막트랜지스터에 대한 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 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(접속, 접촉, 결합)"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.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서, (i) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액(10)을 제조하는 단계(S100); (ii) 상기 (i) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액(10)을 제2 용매(20) 위에 떨어뜨리는 단계(S200); (iii) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막(30)을 형성하는 단계(S300); 를 포함하여 이루어지고, 상기 (iii) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 상기 전도성 고분자가 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법의 각 단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
첫째, 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액(10)을 제조한다.
전도성 고분자는 최근 새로운 전기전자 재료로써 연구가 활발히 진행되고 있는 물질로, 본 발명에 있어서 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene: PA), 폴리티오펜(polythiophene: PT), 폴리(3-알킬)티오펜(poly(3-alkyl)thiophene: P3AT), 폴리피롤(polypyrrole: PPY), 폴리이소시아나프탈렌(polyisothianapthelene: PITN), 폴리에틸렌 디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene: PEDOT), 폴리파라페닐렌 비닐렌(polyparaphenylene vinylene: PPV), 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌 비닐렌 (poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene: PPP), 페릴렌테트라카복실산디이미드(perylene tetracarboxylic diimide: PTCDI), 폴리파라페닐렌설파이드(polyparaphenylene sulphide: PPS), 폴리헵타디엔(polyheptadiyne: PHT), 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), 폴리아닐린(polyaniline: PANI) 및 이들의 유도체를 포함하여 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나 이에 한정되지 않고 자기조립이 가능한 전도성 고분자이면 모두 사용할 수 있다.
유기박막소자의 성능은 전하가 이동하는 반도체 박막의 분자규칙도 및 분자배향에 의해 정해지게 되는데, 우수한 분자결정성, 고결정화도를 가질수록 전도성 고분자 박막(30)을 이용한 유기박막소자의 전기적 특성도 현저히 향상된다.
제1 용매는 용해도 파라미터를 근거로 하여 전도성 고분자와 용해도 파라미터가 비슷하여 전도성 고분자를 잘 용해시키는 양용매(good solvent)를 의미한다.
상기 단계에서의 전도성 고분자 용액(10)의 농도는 제1 용매의 종류에 따라 달라질 수 있다. 농도가 너무 낮은 경우에는 전도성 고분자의 양이 너무 적어서 충분한 박막을 형성할 수 없고, 농도가 너무 높은 경우에는 자기조립 유도에 의한 전도성 고분자의 분자 정렬이 잘 이뤄지지 않을 수 있다.
둘째, 첫째 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액(10)을 제2 용매(20) 위에 떨어뜨린다.
기존의 용액상 자기조립 방법과 다르게 제2 용매(20)를 과량으로 하여 그 위에, 제1 용매에 전도성 고분자를 용해시킨 극소량의 전도성 고분자 용액(10)을 떨어뜨려 전도성 고분자 박막(30)을 제조한다.
상기 제2 용매(20)는 제2 용매(20)에 대한 제1 용매의 용해도가 매우 낮거나 없는 용매가 바람직하다. 제2 용매(20)에 대한 제1 용매의 용해도가 높은 경우, 제1 용매가 제2 용매(20)와 섞이면서 전도성 고분자에 영향을 주어 나노와이어를 형성시키지 못한다. 하지만 용해도가 낮은 경우, 서로 섞이지 않으면서 제1 용매의 증발 속도에 따라 전도성 고분자의 자기조립이 유도된다.
상기 전도성 고분자 용액(10)을 주사기를 이용하여 제2 용매(20) 위에 떨어뜨리는데, 상기 제2 용매(20) 위에 떨어뜨리는 전도성 고분자 용액(10)의 양은 사용하는 제1 용매의 종류에 따라 달라질 것이다.
셋째, 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막(30)을 형성한다.
휘발성 용매인 상기 제1 용매를 증발시키면, 제1 용매의 가장자리에서부터 전도성 고분자의 과포화로 인해 자기조립이 유도되면서 π-π 중첩 상호작용이 극대화되는 분자정렬된 나노와이어가 형성되고 고체화와 박막을 형성하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증발속도를 감소시켜 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다. 도 3을 참조하면, 전도성 고분자 용액(10)을 떨어뜨린 후, 용기인 유리병의 뚜껑을 닫아서 제1 용매의 증발을 도 2의 경우보다 느리게 진행시켰다. 도 3과 같이 상기 단계에서 제1 용매의 증발속도를 감소시키면, 형성되는 전도성 고분자 나노와이어의 자기조립을 더 잘 유도할 수 있으며 전도성 고분자 박막(30)의 균일도를 증가시킬 수 있다. 자연 증발되는 클로로폼과 같은 제1 용매를 유리병 뚜껑을 덮는 등의 방법으로 증발속도를 감소시키는 경우, 전도성 고분자들이 자기조립될 수 있는 시간이 증가하면서 더욱 긴 나노와이어 구조를 향상시킬 수 있다.
한편, 톨루엔과 같은 제1 용매를 유리병 뚜껑을 덮는 등의 방법으로 증발속도를 감소시키는 경우, 용매의 증발 속도가 급격히 감소하여 더욱 균일한 박막을 얻을 수 있다.
상기 단계에서 형성된 전도성 고분자 박막(30)은 15nm ~ 30nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 반드시 한정되지 않고 박막이 사용되는 구체적 용도 및 필요에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 본 발명에 따른 전도성 고분자 박막 제조방법은, 기존의 방법에서 발생하는 불균일한 박막형성을 막고 나노 수준에서의 모폴로지 조절을 가능하게 하며, 자기조립 유도 과정과 박막 제조의 두 가지 공정을 하나의 공정으로 줄여 유기 박막 제조공정을 보다 단순화 하였다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 P3HT 박막을 제공한다. 제조된 P3HT 박막은 실리콘 웨이퍼에 전사하여 유기박막소자에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 전도성 고분자 박막(30)을 포함하는 유기박막소자를 제공한다.
또 다른 전도성 고분자 박막 제조방법으로 실리콘 기판 위에 직접 제조하는 방법이 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 기판 위에 직접 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 기판 위에 직접 제조되는 전도성 고분자 박막 제조방법을 나타내는 모식도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서, (a) 실리콘 기판(40)의 표면을 개질하는 단계(S400); (b) 상기 표면이 개질된 실리콘 기판(40) 위에 제2 용매(20)를 퍼뜨리는 단계(S500); (c) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액(10)을 제조하는 단계(S600); (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액(10)을 상기 제2 용매(20) 위에 떨어뜨리는 단계(S700); (e) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막(30)을 형성하는 단계(S800); (f) 상기 제2 용매(20)를 증발시키는 단계(S900); 를 포함하여 이루어지고, 상기 (e) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법을 제공한다.
첫째, 실리콘 기판(40)의 표면을 개질한다. 제2 용매(20)가 실리콘 기판(40)에 고르게 퍼질 수 있도록 piranha 처리를 통해 실리콘 기판(40) 표면을 개질화한다.
둘째, 상기 표면이 개질된 실리콘 기판(40) 위에 제2 용매(20)를 퍼뜨린다. 용매는 전술하였듯이 증류수가 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
셋째, 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액(10)을 제조하고, 상기 제조된 전도성 고분자 용액(10)을 상기 제2 용매(20) 위에 떨어뜨린 후, 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막(30)을 형성한다. 상기 제조 단계는 전술한 전도성 고분자 박막 제조방법과 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
마지막으로 넷째, 제2 용매(20)를 증발시키면 실리콘 기판(40) 위에 자기조립 유도와 동시에 박막이 형성된 전도성 고분자 박막(30)이 형성된다.
상기 전도성 고분자 박막 제조방법의 경우, 전술한 제조방법의 장점을 가지면서 실리콘 웨이퍼에 전사하는 과정을 생략하여 보다 공정이 간소화되는 효과가 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에 있어서, 전도성 고분자로 P3HT 또는 PTCDI를 이용하는 경우를 설명한다. 다만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
P3HT(폴리(3-헥실)티오펜), poly(3-hexyl)thiophene), PTCDI(페릴렌테트라카복실산디이미드, perylene tetracarboxylic diimide)는 가장 대표적으로 알려진 전도성 고분자로써 최근 이를 이용한 자기조립유도와 박막형성을 통한 유기박막소자를 개발하기 위한 연구가 집중적으로 이루어져 왔다.
P3HT는 단결정 나노와이어를 형성할 수 있는데, P3HT의 주 사슬은 단결정 나노와이어의 길이방향에 수직한 방향으로 펼쳐져 있으며 나노와이어의 길이 방향으로 분자들이 π-π 중첩을 이루며 정렬되어 있다.
상기 제1 용매는 전도성 고분자로 P3HT를 이용하는 경우, 용해도 파라미터 차이가 1 이하인 양용매가 바람직하다. 상기 제1 용매는 클로로폼(chloroform), 톨루엔(toluene), THF(tetrahydrofuran)중 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않고 전도성 고분자를 잘 용해시키는 어떠한 용매라도 사용할 수 있다.
첫째 단계에서, 전도성 고분자의 용해는 실온에서 수행될 수 있다. 실온에서 P3HT 분자들은 클로로폼과 같은 양용매에 완전 용매화되어 랜덤 코일(random coil)형태를 취한다. 또한, 상기 단계에서의 P3HT 용액의 농도는 제1 용매의 종류에 따라 0.1 ~ 2.5mg/ml일 수 있다. 농도가 0.1mg/ml 미만의 경우에는 P3HT의 양이 너무 적어서 충분한 박막을 형성할 수 없고, 2.5mg/ml 초과하는 경우에는 자기조립 유도에 의한 P3HT 분자 정렬이 잘 이뤄지지 않을 수 있다.
구체적으로, P3HT 용액의 농도는 상기 톨루엔 또는 상기 THF의 경우 0.1 ~ 1mg/ml일 수 있고, 상기 클로로폼의 경우 1 ~ 2.5mg/ml일 수 있다.
둘째 단계에서, P3HT의 경우, 상기 제2 용매(20)는 증류수이며, 보다 친환경적인 증류수를 제2 용매(20)로 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 주사기를 이용하여 제2 용매(20) 위에 떨어뜨리는 적절한 P3HT용액의 양은 사용하는 제1 용매의 종류에 따라 달라질 것이다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 대해 설명하기로 한다.
<P3HT 박막 제조>
[실시예 1]
제1 용매로 톨루엔을 준비하여 P3HT(분자량 38.5K)를 실온에서 30분 교반하여 용해시킨다. 이때, 농도는 0.1mg/ml이 되도록 용해시킨 후 실린지 필터를 이용해 거른다. 5.5cm 직경의 유리 dish(면적 23.75cm2)에 채워져 있는 제2 용매인 증류수 위에 P3HT 용액을 3μL 떨어뜨린 후 용매를 12시간 동안 증발시켜 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 2]
P3HT용액의 농도가 1mg/ml가 되도록 P3HT를 용해시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 3]
P3HT용액의 농도가 1mg/ml가 되도록 P3TH를 용해시키고, 증류수 위에 떨어뜨리는 P3HT 용액이 15μL인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 4]
제1 용매로 THF를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 5]
제1 용매로 클로로폼을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 6]
P3HT용액의 농도가 2.5mg/ml가 되도록 P3TH를 용해시킨 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 7]
5.5cm 직경의 유리 dish(면적 23.75cm2)대신 2.5 cm 직경의 유리병(면적 4.9 cm2)을 이용하고, 제1 용매를 증발시키는 동안 유리병의 뚜껑을 닫고 있었던 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[실시예 8]
5.5cm 직경의 유리 dish(면적 23.75 cm2)대신 2.5 cm 직경의 유리병(면적 4.9 cm2)을 이용하고, 제1 용매를 증발시키는 동안 유리병의 뚜껑을 닫고 있었던 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 P3HT 나노와이어 박막을 제조하였다.
[비교예 1]
종래의 기술을 이용하여 제1 용매로 톨루엔을 이용하여 P3HT를 용해시킨 후, 스핀코팅하여 박막을 제조한 다음, 열처리 공정을 통해 자기조립을 유도시켜 P3HT 박막을 제조하였다.
<유기박막소자 제조>
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 P3HT 나노와이어 박막을 이용한 유기박막트랜지스터의 모식도이다. 도 11을 참조하면, 상기 실시예 3과 비교예 1에서 제조된 P3HT 박막을, 게이트 전극으로 하는 실리콘 기판에 각각 전사한 후 유기반도체 활성층으로 하고, 그 위에 금을 소스 드레인 전극으로 한 유기박막트랜지스터를 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 2에서 증발시키는 과정에서 형성되는 P3HT 박막을 투사전자현미경(TEM)으로 관찰하였다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 P3HT 박막 제조과정에서 톨루엔의 증발에 따른 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 도 6을 참조하면, 제1 용매인 톨루엔이 증발되면서 P3HT 박막이 점차 형성되면서 P3HT 나노와이어가 균일하게 형성되어 가는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
실시예 1 내지 4 및 실시예 6에 따라 제조된 P3HT 박막을 TEM으로 관찰하였다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매를 달리하여 제조된 P3HT 나노와이어 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 도 7을 참조하면, THF를 제1 용매로 하는 경우에는 제2 용매인 물에 대한 용해도가 높아 나노와이어가 형성되지 않고 랜덤한 응집이 생기는 것을 확인할 수 있다. 클로로폼을 제1 용매로 사용하는 경우에는 제2 용매인 물에 대한 용해도는 적으나 매우 빠른 증발 속도에 의해 wormlike micelle 형태의 모폴로지가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 톨루엔을 제1 용매로 사용하는 경우에는 나노와이어가 잘 형성되는 것을 확인할 수 있는데, 특히 실시예 3의 경우 가장 균일하고 품질이 좋은 P3HT 박막을 제조할 수 있다. 이를 통해 제1 용매인 톨루엔이 물에 대한 용해도도 낮고 증발 속도도 느려서 나노와이어가 잘 형성되는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
실시예 3과 실시예 7에 따라 제조된 P3HT 박막을 비교하고, 실시예 6과 실시예 8에 따라 제조된 P3HT 박막을 비교하였다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 톨루엔인 경우, 증발속도를 달리하여 제조된 P3HT 박막의 사진이다. 도 8을 참조하면, 유리병 뚜껑을 열어 톨루엔을 증발시킨 경우보다 유리병 뚜껑을 닫아 증발속도를 느리게 한 경우 더 균일한 P3HT 박막을 얻는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 클로로폼인 경우, 증발속도를 달리하여 제조된 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 도 10을 참조하면, 유리병의 뚜껑을 닫아서 제1 용매의 증발속도를 늦출 때 P3HT 나노와이어가 더 잘 형성되는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
실시예 5와 실시예 6에 따라 제조된 P3HT 박막을 TEM으로 관찰하였다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제1 용매가 클로로폼인 경우, 상기 클로로폼의 농도에 따른 P3HT 박막의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 도 9를 참조하면, 1mg/mL의 농도를 사용할 경우(실시예 5) 나노와이어가 형성되지 못하고 마이셀이 형성되나, 2.5mg/mL의 농도 이상(실시예 6)일 때 나노와이어 필름이 형성되어 농도에 따라 나노구조가 달라짐을 확인할 수 있다.
[실험예 5]
실시예 3과 비교예 1에서 제조된 P3HT 박막을 이용하여 제조한 유기박막트랜지스터의 전기적 특성을 측정하였다. 도 12는 본 발명의 실시예 3에 따라 톨루엔을 제1 용매로 제조된 P3HT 박막을 이용한 유기박막트랜지스터에 대한 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 게이트 전압에 따라 전류의 증가경향이 뚜렷함을 알 수 있다. 상기 그래프에서 전계효과 이동도(Mobility)와 온/오프 비(on/off ratio)를 계산하여 그 결과를 표1에 나타내었다.
Figure pat00001
표 1에 나타나듯이 전계효과 이동도 값은 실시예 1에서 비교예 1값의 약 6배 정도 크게 증가된 값을 나타내고 온/오프 비도 약 3배 가까이 증가된 값을 나타내어 상기 본 발명에 따라 제조된 유기박막트랜지스터의 전기적 특성이 크게 향상되었음을 확인할 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 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 전도성 고분자 용액
20: 제2 용매
30: 전도성 고분자 박막
40: 실리콘 기판

Claims (12)

  1. 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서,
    (i) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계;
    (ii) 상기 (i) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액을 제2 용매 위에 떨어뜨리는 단계;
    (iii) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 (iii) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 상기 전도성 고분자가 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 용매는 상기 제1 용매의 용해도가 낮은 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 (iii) 단계에서 제1 용매의 증발속도를 감소시켜, 형성되는 전도성 고분자 박막의 균일도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene: PA), 폴리티오펜(polythiophene: PT), 폴리(3-알킬)티오펜(poly(3-alkyl)thiophene: P3AT), 폴리피롤(polypyrrole: PPY), 폴리이소시아나프탈렌(polyisothianapthelene: PITN), 폴리에틸렌 디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene: PEDOT), 폴리파라페닐렌 비닐렌(polyparaphenylene vinylene: PPV), 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌 비닐렌 (poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene: PPP), 페릴렌테트라카복실산디이미드(perylene tetracarboxylic diimide: PTCDI), 폴리파라페닐렌설파이드(polyparaphenylene sulphide: PPS), 폴리헵타디엔(polyheptadiyne: PHT), 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), 폴리아닐린(polyaniline: PANI) 및 이들의 유도체를 포함하여 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 P3HT 또는 PTCDI인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 (i) 단계에서의 제1 용매는 클로로폼(chloroform), 톨루엔(toluene), THF(tetrahydrofuran)중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (i) 단계에서의 전도성 고분자 용액의 농도는 상기 톨루엔 또는 상기 THF의 경우 0.1 ~ 1mg/ml인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (i) 단계에서의 전도성 고분자 용액의 농도는 상기 클로로폼의 경우 1 ~ 2.5mg/ml인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 용매는 증류수인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  10. 전도성 고분자 박막 제조방법에 있어서,
    (a) 실리콘 기판의 표면을 개질하는 단계;
    (b) 상기 표면이 개질된 실리콘 기판 위에 제2 용매를 퍼뜨리는 단계;
    (c) 전도성 고분자를 제1 용매에 용해시켜 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서 제조된 전도성 고분자 용액을 상기 제2 용매 위에 떨어뜨리는 단계;
    (e) 상기 제1 용매를 증발시켜 전도성 고분자 박막을 형성하는 단계;
    (f) 상기 제2 용매를 증발시키는 단계; 를 포함하여 이루어지고,
    상기 (e) 단계에서 제1 용매가 증발하면서 자기조립이 유도됨과 동시에 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 박막 제조방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 전도성 고분자 박막.
  12. 청구항 11의 전도성 고분자 박막을 포함하는 유기박막소자.
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KR102125171B1 (ko) * 2019-07-19 2020-06-19 연세대학교 산학협력단 다공성 막의 제조 방법 및 이의 제조 장치

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