KR20180048236A - 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터에 관한 것으로, 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 층으로, 상기 화학식 1의 고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00007

Description

랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 {Organic semiconductor layer contained CNT, Preparing thereof and Thin-film transistor using the same}
본 발명은 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 유기반도체층에 탄소나노튜브가 포함되어 전자소자의 성능을 향상시킨 박막트랜지스터에 관한 것이다.
최근 들어 휠 수 있는 디스플레이(flexible display)가 많은 관심을 받고 있다. 사람들은 어디서나 가지고 다닐 수 있으면서도 좀 더 큰 화면을 원하기 때문에 접거나 구부리거나, 말수 있는 디스플레이의 개발이 요구되고 있다. 또한 용액공정 및 롤투롤(Roll to Roll) 공정이 가능해지면 이러한 유연 디스플레이를 보다 낮은 제조 원가로 생산이 가능하게 된다. 하지만 이를 위해서는 플라스틱이나 스테인리스 스틸과 같이 휠 수 있는 기판을 사용해야 하는데 이를 위해서는 공정온도를 300℃ 이하의 온도로 낮추어줄 필요가 있다. 이러한 낮은 온도에서 제작이 가능한 구동회로용 트랜지스터로 최근 유기박막트랜지스터 (Organic Thin Film Transistor, OTFT)가 활발히 연구되고 있다. 특히 OTFT에서 활성 층으로 사용되는 공액분자는 대체적으로 일반적인 유기용매에 용해가 가능하여 인쇄나 용액공정을 통해서 소자의 제작이 가능하다. 또한 화학적인 구조를 물질의 설계단계에서 변경하여 원하는 전기적 특성을 제어할 수 있는 능력을 지니고 있다.
한편, 탄소나노튜브는 독특한 광학적, 기계적, 전기적 특성을 지녀서 다양한 분야로의 적용이 가능함에 따라 지난 25년간 활발히 연구되어 왔다. 특히 뛰어난 전기적 특성으로 인해 다양한 전자소자에 응용이 가능할 것으로 기대된다. 현재의 기술수준으로 보고된 용액공정이 가능한 반도체성 잉크 중에서 sc-SWCNT는 가장 높은 전하 이동도를 보인다. 잘 정렬된 한 가닥의 sc-SWCNT의 전하이동도는 이론적인 한계가 10,000cm2/Vs 으로 결정성 Si보다 훨씬 높다. 이와 같이 sc-SWCNT는 실리콘 소자에 비해 매우 우수한 전하이동도를 보유하기 때문에 차세대 초고속 트랜지스터를 만드는 것이 가능하다.
이러한 탄소나노튜브를 이용하여 박막트랜지스터를 제조함에 있어서 전자이동도 등이 좋아져 전자소자의 성능이 향상된 박막트랜지스터의 개발이 요구되었다.
한국등록특허 제10-1548008호, 한국공개특허 제10-2009-0108459호, 한국공개특허 제10-2011-0080776호
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 반도체 층의 트랩이 줄어들고, 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브를 정렬하여 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 박막트랜지스터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유기반도체층에는 단일벽 탄소나노튜브가 잘 분산시킬 수 있도록 하여 균일성이 향상된 박막트랜지스터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 층으로, 상기 화학식 1의 고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
또한 본 발명에 따르면, 화학식 1의 1에서 R=C8~C20의 단일 또는 가지달린 알킬 사슬이며, 2는 티오펜 또는 벤젠고리 구조이며, 3에서 X = C, Si, Ge 이며, 4는 BT(벤조싸이아다이아졸) 또는 공중합체인 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브는 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 유기반도체층에는 DPP계열, BDP계열, Benzopyrazine계열 및 NDI계열 중 어느 하나의 고분자가 혼합된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제조하는 방법에 있어서, 용매에 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계; 혼합된 용액을 초음파 처리하는 초음파처리단계; 원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및 상기 부유용액을 이용하여 유기반도체층을 형성하는 형성단계를 포함하되, 상기 화학식 1의 고분자가 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 공액고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함되며, 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 0.5:1~3:1인 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 부유용액은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 위치한 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극; 상기 소스/드레인 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층; 상기 유기반도체층 상의 전면에 위치하는 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막 상에 위치한 게이트 전극; 을 포함하되, 상기 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층은 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브가 포함된 층으로, 상기 화학식 1의 고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브는 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 게이트 절연막은 유기절역막 또는 무기절연막으로 이루어지되, 상기 유기절연막은 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하며, 상기 무기절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
본 발명에 따른 박막트랜지스터는 반도체 층의 트랩이 줄어들고, 균일하게 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브를 정렬하여 소자의 성능향상과 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 박막트랜지스터는 유기반도체층으로 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브 및 DPP(diketopyrrolopyrrole)계열, BDP(benzodipyrrolidone)계열, Benzopyrazine계열 및 NDI(naphthalene diimide)계열 중 어느 하나의 유기물질을 사용함으로써 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브의 가닥과 가닥 사이에 유기물질이 존재하여 장벽을 낮춰줄 뿐만 아니라, 유기물질로 인해 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브가 일정하게 정렬됨에 따라 전류의 흐름이 좋아져 소자 성능이 증가하며, 균일성 또한 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 유기반도체층에는 단일벽 탄소나노튜브가 잘 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층의 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 랩핑된 탄소나노튜브의 개략적인 형상을 나타낸 것이다.
도 4는 랩핑된 탄소나노튜브와 IDT-BT 고분자의 UV-Vis-NIR spectra를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터의 n형, p형 transfer curve를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 랩핑된 탄소나노튜브 박막의 표면상태를 AFM으로 분석하여 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 박막트랜지스터는 TGBC(Top Gate Bottom Contact)구조에 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 BGBC(Bottom Gate Bottom Contact), BGTC(Bottom Gate Top Contact)구조 등에서도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 제조 공정도를 나타낸 것이다.
탑게이트 형태의 유기박막트랜지스터는 기판을 제공하고, 상기 기판 상에 서로 이격되게 소스/드레인 전극을 형성시킨 후, 상기 소스/드레인 전극을 덮도록 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 형성하고, 상기 유기반도체층 위에 게이트 절연막을 형성하고, 그리고 상기 게이트 절연막 상의 일부 영역에 게이트 전극을 형성하는 단계로 구성된다.
도 1을 참조하면, 기판을 제공하고, 상기 기판 상에 서로 이격되어 있는 소스/드레인 전극을 형성한다.
상기 기판은 n-형이나 p-형으로 도핑된 실리콘 웨이퍼, 유리기판, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드 (polyetherimide), 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이드 (polyethyeleneterepthalate), 폴리에틸렌 나프탈렌 (polyethylene naphthalate) 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 플라스틱 필름과 인듐틴옥사이드 (indium tin oxide) 가 코팅된 유리기판 및 플라스틱 필름을 포함하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 소스/드레인 전극은 Au, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO 또는 이들의 합금 중에서 선택되는 단일층으로 형성될 수 있으며, 기판과의 접착성을 향상시키기 위하여 Ti, Cr 또는 Ni과 같은 접착 금속층을 더욱 포함하여 다중층으로 형성될 수 있다. 또한 그라핀(graphene), 카본나노튜브(CNT), PEDOT:PSS 전도성 고분자 실버나노와이어(silver nanowire) 등을 이용하여 기존의 금속보다 탄성에 더욱 유연한 소자를 제조할 수 있으며 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 소스/드레인 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 소스/드레인 전극을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
상기 소스/드레인 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 형성할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 화학식 1의 고분자가 랩핑되어 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 화학식 1의 고분자에 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00002
화학식 1의 1에서 R=C8~C20의 단일 또는 가지달린 알킬 사슬이다.
또한, 화학식 1의 2는 티오펜 또는 벤젠고리 구조이다.
또한, 화학식 1의 3에서 X = C, Si, Ge 이다.
또한, 화학식 1의 4는 BT(벤조싸이아다이아졸) 또는 공중합체이다.
한편, 상기 화학식 1은 IDT-BT(indacenodithiophene-benzothiadiazole)일 수 있다.
상기 IDT-BT는 다음과 같이 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00003
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층의 제조공정도를 나타낸 것이다.
탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층의 제조방법은 용매에 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계; 혼합된 용액을 초음파로 처리하는 초음파처리단계; 원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및 상기 부유용액을 이용하여 유기반도체층을 형성하는 형성단계로 이루어질 수 있다.
먼저 혼합단계는 용매에 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합할 수 있다. 상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 화학식 1의 고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함시키며, 상기 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 0.5:1~3:1인 것이 바람직하다.
상기 범위로 혼합할 경우 용매에 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브가 잘 분산되어 혼합될 수 있다.
상기 용매의 종류로는 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌 등을 이용할 수 있다.
혼합된 용액은 초음파로 처리를 하는 데, 초음파 처리는 15 내지 50Hz로 처리할 수 있으며, 초음파 처리 시간으로는 30 ~ 60분정도 처리할 수 있다.
혼합된 용액을 초음파처리하게 되면 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브에 화학식 1의 고분자가 랩핑된 구조로 이루어진다.
단일벽 탄소나노튜브는 두 가지 성질을 나타내는 데, 반도체성 및 금속성의 성질을 갖는다. 본 발명은 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 골라내어 이를 활용할 수 있다. 초음파로 처리된 물질은 단일벽 탄소나노튜브에 화학식 1의 고분자가 랩핑된 구조로 이루어지는 데, 이때 단일벽 탄소나노튜브 중 반도체성 성질을 갖는 탄소나노튜브만이 화학식 1의 고분자와 랩핑된 구조를 띄게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 랩핑된 탄소나노튜브의 개략적인 형상을 나타낸 것이다.
화학식 1의 고분자가 단일벽 탄소나노튜브를 감싸게 되는 데, 도 3과 같이 고분자가 꼬여서 형성될 수 있다.
화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브는 다른 탄소나노튜브에 비해 비중이 낮아져서 이를 분리해 낼 수 있는 데, 분리단계를 통해 분리해 낼 수 있다.
분리단계는 원심분리기를 통해 랩핑된 탄소나노튜브 위로 부유하게 되는 데, 부유하게 된 부유용액을 걸러내어 화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브를 분리할 수 있다.
부유용액에 분산되어 있는 단일벽 탄소나노튜브는 반도체성의 탄소나노튜브가 랩핑된 것임을 확인할 수 있다.
도 4는 랩핑된 탄소나노튜브와 IDT-BT 고분자의 UV-Vis-NIR spectra를 나타낸 것이다.
부유용액의 Uv-Vis spectra를 근거로 살펴보면 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브가 선택적으로 분리되어 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
Uv-Vis spectra에서 반도체성의 HiPco 단일벽 탄소나노튜브는 1100~1400 nm 범위에서 발견되고, 금속성의 HiPco 단일벽 탄소나노튜브는 400~600 nm 범위에서 발견된다. 또한 반도체성의 plasma 단일벽 탄소나노튜브는 800~1100, 1400~1600 nm 범위의 두 영역에서 발견되고, 금속성의 plasma 단일벽 탄소나노튜브는 600~800 nm 범위에서 발견된다.
도 4를 참조하면, Uv-vis spectra에서 700nm 이하 범위의 peak에서는 랩핑된 IDT-BT 고분자의 흡수 peak이 관찰되면서 동시에 800~100 nm범위에서 두가지 타입의 반도체성 peak가 발견되기 때문에 부유용액내에 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.
원심분리는 8,000 ~ 80,000g로 실시하는 것이 바람직하며, 상기 원심분리를 통해 부유하게 되는 부유용액을 취하여 유기반도체층을 형성할 수 있다.
이 때 부유용액은 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브이 포함됨으로써 유기반도체층이 형성될 수 있다. 또한, 여기에 DPP(diketopyrrolopyrrole)계열, BDP(benzodipyrrolidone)계열, Benzopyrazine계열 및 NDI(naphthalene diimide)계열 중 어느 하나의 유기물질을 추가적으로 혼합함으로써 유기반도체층을 물질을 제조할 수 있다.
즉 본 발명은 유기반도체층으로 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브 및 DPP(diketopyrrolopyrrole)계열, BDP(benzodipyrrolidone)계열, Benzopyrazine계열 및 NDI(naphthalene diimide)계열 중 어느 하나의 유기물질을 사용함으로써 탄소나노튜브의 가닥과 가닥 사이에 유기물질이 존재하여 장벽을 낮춰줄 뿐만 아니라, 유기물질로 인해 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브가 일정하게 분산 정렬됨에 따라 전류의 흐름이 좋아져 소자 성능이 증가하며, 균일성 또한 향상될 수 있다. 만일, 고분자를 랩핑한 단일벽 탄소나노튜브만을 반도체 층으로 형성하게 되면, 단일벽 탄소나노튜브가 랜덤하게 형성되고, 이를 통해 전류가 흐르게 되는데 소자마다 형성된 랩핑된 탄소나노튜브가 일정하지 않고, 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브 가닥과 가닥 사이의 장벽으로 인해 전류의 흐름이 원활하지 못하고 소자 특성이 불균일하게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 유기반도체층은 스핀코팅, 스프레이(Spray), 잉크젯(Inkjet), 플렉소그라피(Flexography), 스크린(Screen), Dip-Coating 및 Gravure 등의 방법을 통해 소스/드레인 전극위에 형성될 수 있다. 이는 전극 상 및 기판의 국부적인 영역에 패턴을 형성할 수 있으며, 유기반도체층 형성 후 반도체 결정성 및 안정성 등의 소자 성능을 향상시키기 위해 열처리나 광학적 노출(exposure) 등을 시행할 수 있다.
상기 유기반도체층의 상부에는 전면에 걸쳐서 게이트 절연막을 형성할 수 있다.
상기 게이트 절연막은 유기절연막 또는 무기절연막의 단일막 또는 다층막으로 포함되거나 유-무기 하이브리드 막으로 포함된다. 상기 유기절연막으로는 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다. 상기 무기절연막으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용한다.
상기 게이트 절연막상 일부영역에는 게이트 전극을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나로 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극은 위 물질들을 잉크로 사용하여 잉크젯 프린팅 또는 스프레이 등의 인쇄공정을 이용하여 게이트 전극을 제조할 수 있다. 이러한 인쇄공정을 통해서 게이트 전극을 형성하며 진공공정을 배제할 수 있어서 제조비용의 절감효과를 기대할 수 있다.
이로써 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 완성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
유기반도체층 내에 화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 포함되어 있다.
이와 같이 유기반도체층에 화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브를 포함시키게 되면 트랩이 줄어들게 되어 전하이동도가 좋게 된다. 결국 전자소자의 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터에서의 (채널 길이 20 μm) 트랜스퍼 커브 곡선을 선형 영역과 포화 영역에서 각각 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 특히 선형 영역에서 106 이상의 점멸비를 기록하는 것으로 보아 랩핑된 반도체 탄소나노튜브의 순도가 매우 좋음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체성 탄소나노튜브 박막의 길이 및 표면 거칠기를 AFM 분석으로 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 각각의 탄소나노튜브의 길이는 1㎛ 내외이며 박막의 거칠기는 수 nm 이내로 비교적 평탄한 박막을 이루고 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 자세히 설명한다.
실시예 1
화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브 제조
용매로 톨루엔을 준비하고, 단일벽 탄소나노튜브 및 랩핑용 고분자로 IDT-BT를 이용하였다.
톨루엔 1㎖ 당 IDT-BT 4mg, 단일벽 탄소나노튜브 2mg을 혼합하였다. 이때 단일벽 탄소나노튜브는 금속성 및 반도체성의 성질이 골고루 섞여 있는 탄소나노튜브를 이용하였다.(혼합단계) 혼합된 용액을 초음파 처리하는 데 먼저 ultrasonication bath에서 20Hz로 30분간 실시한 후 Tip sonicator로 1시간 초음파 처리한다.(초음파처리단계)
초음파 처리된 물질을 원심분리기를 이용하여 원심분리하는 데, 원심분리는 80,000 g로 하여 30분간 실시하고 부유된 부유용액을 취하여 IDT-BT가 랩핑된 탄소나노튜브를 제조하였다.
이 경우 초음파 처리단계 이후에 IDT-BT 고분자에 랩핑된 탄소나노튜브는 모두 반도체성인 것을 확인할 수 있다.
박막트랜지스터 제조
박막트랜지스터를 제조하는 데 있어, 상기 기판 상에 서로 이격되게 소스/드레인 전극을 형성시킨 후, 상기 소스/드레인 전극을 덮도록 형성된 유기반도체층을 형성하고, 상기 유기반도체층 위에 게이트 절연막을 형성하고, 그리고 상기 게이트 절연막 상의 일부 영역에 게이트 전극을 형성하는 박막트랜지스터를 제조하였다.
상기 유기반도체층은 화학식 1의 고분자가 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된다.
또한, 기판은 유리기판을 이용하였으며, 기판 상에 인쇄 공정을 통해서 소스/드레인 전극을 형성하였다. 소스/드레인 전극 상에 유기반도체층 스핀코팅을 통해 형성하였다. 또한, 게이트 절연막으로는 PMMA, 게이트 전극은 알루미늄(Al)으로 형성하여 박막트랜지스터를 완성하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 층으로,
    상기 화학식 1의 고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층.
    [화학식 1]
    Figure pat00004

  2. 제1항에 있어서,
    화학식 1의 1에서 R = C8~C20의 단일, 또는 가지달린 알킬 사슬이며,
    2는 티오펜 또는 벤젠고리 구조이며,
    3에서 X = C, Si, Ge 이며,
    4는 BT(벤조싸이아다이아졸) 또는 다른 전자 받개 구조를 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브는 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유기반도체층에는 DPP계열, BDP계열, Benzopyrazine계열 및 NDI계열 중 어느 하나의 고분자가 혼합된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층.
  5. 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층을 제조하는 방법에 있어서,
    용매에 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계;
    혼합된 용액을 초음파 처리하는 초음파처리단계;
    원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및
    상기 부유용액을 이용하여 유기반도체층을 형성하는 형성단계를 포함하되,
    상기 화학식 1의 고분자가 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    화학식 1의 1에서 R = C8~C20의 단일, 또는 가지달린 알킬 사슬이며,
    2는 티오펜 또는 벤젠고리 구조이며,
    3에서 X = C, Si, Ge 이며,
    4는 BT(벤조싸이아다이아졸) 또는 다른 전자 받개 구조를 포함하는 공중합체임.
  6. 제6항에 있어서,
    상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 공액고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함되며, 화학식 1의 고분자와 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 0.5:1~3:1인 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부유용액은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 랩핑된 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층 제조방법.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 위치한 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극;
    상기 소스/드레인 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층;
    상기 유기반도체층 상의 전면에 위치하는 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막 상에 위치한 게이트 전극; 을 포함하되,
    상기 탄소나노튜브가 포함된 유기반도체층은 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브가 포함된 층으로, 상기 화학식 1의 고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브만을 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
    [화학식 1]
    Figure pat00006

    화학식 1의 1에서 R = C8~C20의 단일, 또는 가지달린 알킬 사슬이며,
    2는 티오펜 또는 벤젠고리 구조이며,
    3에서 X = C, Si, Ge 이며,
    4는 BT(벤조싸이아다이아졸) 또는 다른 전자 받개 구조를 포함하는 공중합체임.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 화학식 1의 고분자가 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브는 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 유기절역막 또는 무기절연막으로 이루어지되,
    상기 유기절연막은 폴리메타아크릴레이트 (PMMA, polymethylmethacrylate), 폴리스타이렌(PS, polystyrene), 페놀계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리이미드와 같은 이미드계 고분자, 아릴에테르계 고분자, 아마이드계 고분자, 불소계 고분자, p-자이리렌계 고분자, 비닐알콜계 고분자, 파릴렌(parylene) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하며,
    상기 무기절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, Al2O3, Ta2O5, BST, PZT 중에서 선택되는 어느 하나 또는 다수개를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(Al-alloy), 몰리브덴(Mo), 몰리브덴 합금(Mo-alloy), 실버나노와이어(silver nanowire), 갈륨인듐유태틱(gallium indium eutectic), PEDOT;PSS 중에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102477148B1 (ko) * 2021-09-06 2022-12-13 한국화학연구원 클릭반응을 이용한 cnt 트랜지스터 및 이의 제조방법

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