KR20230173412A - Inkjet-printed semiconductor device using two-dimensional material dispersion and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20230173412A
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강주훈
송옥인
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 반도체 소자를 제조하기 위해 분산액을 최소한의 용매를 사용하여 제조할 수 있으며, 상기 분산액을 잉크젯 프린팅에 최적화된 잉크로서 사용하여 리소그래피와 진공 증착 등의 복잡한 공정 없이 단순 잉크젯 프린팅만으로 절연층, 반도체 채널, 전극까지 형성 가능한 효과가 있으며, 원하는 구역에 원하는 형태로 잉크를 토출하여 불필요한 재료의 낭비가 없는 저비용의 반도체 소자 형성이 가능한 효과가 있다.One embodiment of the present invention provides an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion and a method for manufacturing the same. According to one embodiment of the present invention, in order to manufacture the semiconductor device, the dispersion can be manufactured using a minimum amount of solvent, and the dispersion can be used as an ink optimized for inkjet printing without complex processes such as lithography and vacuum deposition. It is possible to form insulating layers, semiconductor channels, and electrodes with simple inkjet printing, and it is possible to form low-cost semiconductor devices without unnecessary waste of materials by discharging ink in the desired shape in the desired area.

Description

2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 및 이의 제조방법{Inkjet-printed semiconductor device using two-dimensional material dispersion and manufacturing method thereof}Inkjet-printed semiconductor device using two-dimensional material dispersion and manufacturing method thereof}

본 발명은 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion and a method of manufacturing the same.

잉크젯 프린팅은 진공 증착 및 리소그래피와 같은 복잡하고 에너지 소모가 큰 공정이 없으므로 콜로이드 재료를 원하는 패턴으로 형성하는 용액 공정 방식으로서 저비용·대면적의 인쇄 전자소자를 구현할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.Since inkjet printing does not require complex and energy-consuming processes such as vacuum deposition and lithography, inkjet printing is a solution process method that forms colloidal materials into desired patterns, and is attracting attention as a method for implementing low-cost, large-area printed electronic devices.

또한, 잉크로 형성될 수 있는 재료 중 하나인 2차원 물질은 광범위한 전기적 특성을 가지므로 안정적인 잉크의 형성이 가능하여 용액공정과의 호환성을 가져 인쇄 전자소자의 재료, 금속, 반도체, 절연체로 사용되고 있다.In addition, two-dimensional materials, which are one of the materials that can be formed into ink, have a wide range of electrical properties, enabling the formation of stable ink, and are compatible with solution processes, so they are used as materials for printed electronic devices, metals, semiconductors, and insulators. .

또한, 2차원 물질의 표면은 댕글링 본드가 없어 반 데르 발스 접촉을 통해 접합 저항을 크게 줄여 전기적 특성이 매우 뛰어난 얇은 박막의 형성을 가능하게 한다.In addition, the surface of the two-dimensional material has no dangling bonds, which greatly reduces the bonding resistance through van der Waals contact, enabling the formation of a thin film with excellent electrical properties.

최근, 이러한 2차원 물질 기반의 잉크를 활용한 잉크젯 프린팅 전자소자 제작에 대한 연구가 진행 중 이지만, 사용되는 2차원 물질 자체의 측면 크기가 수십에서 수백 나노미터로 작아 박막 형성 시 나노시트 간의 접촉 저항이 증가하는 문제가 있고, 2차원 물질의 측면 크기가 작은 경우 균일하고 빽빽한 박막을 형성하지 못하므로 전자소자의 전기적 특성이 저하되며, 안정적인 잉크화를 위해 두 가지 이상의 용매나 계면활성제가 필요한 문제가 있다.Recently, research is in progress on the production of inkjet printed electronic devices using ink based on these two-dimensional materials, but the lateral size of the two-dimensional materials themselves is small, ranging from tens to hundreds of nanometers, so the contact resistance between nanosheets when forming a thin film is low. This problem is increasing, and when the lateral size of the two-dimensional material is small, a uniform and dense thin film cannot be formed, which deteriorates the electrical properties of the electronic device, and requires two or more solvents or surfactants for stable ink. there is.

이와 관련하여 최근 기술 개발 사례에는, 2013년과 2014년 스웨덴 왕립 공과대학 연구팀은 용매 교환과 폴리머 안정화 기법을 활용하여 나노시트의 측면 크기가 100-500nm인 few-layer graphene과 측면 크기가 40-100nm인 multilayer MoS2를 잉크젯 프린팅 하였으며, 안정적인 잉크젯 프린팅과 coffee-ring-effect (CRE) 완화를 위하여 두 가지 용매를 섞어 사용한 사례[Adv. Mater. 2013, 25, 3985-3992], [Adv. Mater. 2014, 24, 6524-6531], 2017년 아일랜드 Trinity College Dublin 대학 연구팀은 다양한 유형의 2차원 나노시트가 서로 연결된 네트워크로 구성된 모든 구성요소가 인쇄된 트랜지스터를 구현하였으나, 작은 측면 크기 (평균 300-370 나노미터)를 가지는 2차원 물질로 인해 나노시트 간의 연결이 좋지 않아 트랜지스터의 전기적 성능이 떨어지는 문제가 있었다.Recent technological developments in this regard include a research team at the Royal Swedish Institute of Technology in 2013 and 2014 that utilized solvent exchange and polymer stabilization techniques to produce nanosheets with a lateral size of 100-500 nm in few-layer graphene and 40-100 nm in lateral size. Multilayer MoS 2 was inkjet printed, and a mixture of two solvents was used for stable inkjet printing and to alleviate coffee-ring-effect (CRE) [Adv. Mater. 2013, 25, 3985-3992], [Adv. Mater. 2014, 24, 6524-6531], In 2017, a research team at Trinity College Dublin, Ireland, implemented a transistor with all components printed as a network of interconnected two-dimensional nanosheets of various types, but with a small lateral size (300-370 on average). There was a problem with the electrical performance of the transistor deteriorating due to poor connection between nanosheets due to the use of two-dimensional materials (nanometers).

따라서, 저비용으로 대면적의 반도체소자를 만드는 대량 생산방식으로서 안정적인 잉크화가 가능하고 전기적 특성이 우수한 2차원 물질 기반 잉크를 제조하기 위한 여전히 많은 도전 과제가 남아 있다.Therefore, there are still many challenges to manufacture a two-dimensional material-based ink that can be stably converted into ink and has excellent electrical properties as a mass production method for making large-area semiconductor devices at low cost.

대한민국 공개특허 제 10-2014-0090275 호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0090275

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 측면 크기가 크며 절연체, 반도체, 금속의 특성을 가지는 2차원 물질을 수득한 후 별도의 첨가물 없이도 안정적인 잉크를 제작하여 절연층, 반도체 채널, 전극에 이르는 전자소자의 모든 구성요소가 잉크젯 프린팅을 통해 제작된 반도체 소자를 제공하는 것을 특징으로 한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to obtain a two-dimensional material with a large side size and the characteristics of an insulator, a semiconductor, and a metal, and then to produce a stable ink without any additional additives, so that it can be applied to all aspects of electronic devices, including the insulating layer, semiconductor channel, and electrode. It is characterized by providing a semiconductor device whose components are manufactured through inkjet printing.

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.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides a method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법은, 기판 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 함유하는 제1분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계;The method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using the two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention includes a metal sulfide or metal selenide nanosheet with a two-dimensional structure and an average side size of micro on a substrate. Forming a metal oxide precursor layer by performing inkjet printing on the first dispersion;

상기 금속 산화물 전구체층을 열처리하여 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계;forming a metal oxide insulating layer by heat treating the metal oxide precursor layer;

상기 금속 산화물 절연층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 2차원 반도체 나노 시트를 함유하는 제2분산액을 잉크젯 프린팅하여 반도체 채널층을 형성하는 단계;및Forming a semiconductor channel layer by inkjet printing a second dispersion containing two-dimensional semiconductor nanosheets with a micro-sized average side size and a two-dimensional structure on the metal oxide insulating layer; and

상기 반도체 채널층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 그래핀 나노 시트를 함유하는 제3분산액을 잉크젯 프린팅하여 전극을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.It may include patterning an electrode by inkjet printing a third dispersion liquid containing graphene nanosheets having a two-dimensional structure and having a micro-sized average side size on the semiconductor channel layer.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계에서,Additionally, according to an embodiment of the present invention, in forming the metal oxide precursor layer,

상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는,The metal sulfide or metal selenide nanosheets,

음극 및 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제1분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제1분자침투제를 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제1분자침투제가 침투된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 박리시키는 초음파조사단계;및 상기 박리된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 제조하는 단계를 수행하여 제조될 수 있다.An electrode supporting step of supporting a cathode and an anode including a crystal layer of a metal sulfide or metal selenide material in a solution containing a first molecular penetrant; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the first molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the metal sulfide or metal selenide material; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the metal sulfide or metal selenide material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the metal sulfide or metal selenide material into which the first molecular penetrating agent has been penetrated; and the exfoliated metal sulfide or metal selenide material. It can be manufactured by performing a separation step to produce metal sulfide or metal selenide nanosheets.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, the first molecular penetrant may include one or more selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다. Additionally, according to an embodiment of the present invention, the ultrasonic irradiation may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W or more and 15 W or less.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, the first dispersion contains at least one selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. It can be included.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 일 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, the average lateral size of the metal sulfide or metal selenide nanosheets may be 1.0 μm to 1.2 μm.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는HfS2, HfSe2, ZrS2, 및 ZrSe2으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the metal sulfide or metal selenide nanosheet may include one or more selected from the group consisting of HfS 2 , HfSe 2 , ZrS 2 , and ZrSe 2 .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계에서, 상기 열처리는 300˚C 내지 500 ˚C 온도 범위에서 수행될 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, in the step of forming the metal oxide insulating layer, the heat treatment may be performed in a temperature range of 300˚C to 500 ˚C.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 반도체 채널층을 형성하는 단계에서, Additionally, according to an embodiment of the present invention, in forming the semiconductor channel layer,

상기 2차원 반도체 나노 시트는, The two-dimensional semiconductor nanosheet is,

음극 및 2차원 반도체 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제2분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제2분자침투제를 상기 2차원 반도체 물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제2분자침투제가 침투된 2차원 반도체 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 2차원 반도체 물질을 박리시키는 초음파조사단계; 및 상기 박리된 2차원 반도체 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 2차원 반도체 나노 시트를 제조하는 단계를 수행하여 제조될 수 있다.An electrode supporting step of supporting an anode including a cathode and a crystal layer of a two-dimensional semiconductor material in a solution containing a second molecular penetrant; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the second molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the two-dimensional semiconductor material; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the two-dimensional semiconductor material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the two-dimensional semiconductor material into which the second molecular penetrating agent has penetrated; and performing a separation step of separating the exfoliated two-dimensional semiconductor material to produce a two-dimensional semiconductor nanosheet.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In addition, according to one embodiment of the present invention, the second molecular penetrant may include one or more selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다. Additionally, according to an embodiment of the present invention, the ultrasonic irradiation may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W or more and 15 W or less.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the second dispersion contains at least one selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. can do.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 2차원 반도체 나노 시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, the average side size of the two-dimensional semiconductor nanosheet may be 1.0 μm to 1.2 μm.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 상기 2차원 반도체 나노 시트는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene 및 Black phosphorus으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the two-dimensional semiconductor nanosheet is one selected from the group consisting of MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene and black phosphorus. It may include more than one species.

상기 전극을 패터닝하는 단계에서, 상기 그래핀 나노시트는, 그래파이트를 포함하는 음극과 그래파이트를 포함하는 양극을 제3분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제3분자침투제를 상기 그래파이트 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제3분자침투제가 침투된 그래파이트에 초음파를 조사하여 상기 그래파이트를 박리시키는 초음파조사단계;및 상기 박리된 그래파이트를 분리하는 분리단계를 수행하여 그래핀 나노시트를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.In the step of patterning the electrode, the graphene nanosheet includes an electrode supporting step of supporting a cathode containing graphite and an anode containing graphite in a solution containing a third molecular penetrant; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the third molecular penetrating agent to penetrate between the graphite crystal layers; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the graphite by irradiating ultrasonic waves to the graphite infiltrated with the third molecular penetrating agent; and performing a separation step of separating the exfoliated graphite to produce a graphene nanosheet.

상기 제3분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The third molecular penetrant may include one or more selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다. The ultrasonic irradiation may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W or more and 15 W or less.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제3분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the third dispersion includes one or more selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. can do.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 나노시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 일 수 있다. Additionally, according to one embodiment of the present invention, the average side size of the graphene nanosheet may be 1.0 μm to 1.2 μm.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 반도체 소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention provides a semiconductor device.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 반도체소자는, 상술한 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다. The semiconductor device according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is manufactured by an inkjet printed semiconductor device manufacturing method using the above-described dispersion.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, Ion/Ioff (온/오프 전류비)는 103 내지 106 일 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, I on /I off (on/off current ratio) may be 10 3 to 10 6 .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 게이트 전압(gate voltage)은 -2V 내지 4V 일 수 있다.Additionally, according to one embodiment of the present invention, the gate voltage may be -2V to 4V.

본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법을 제공할 수 있다.A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device can be provided using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention.

상기 반도체 소자를 제조하기위해 분산액을 최소한의 용매를 사용하여 제조할 수 있으며, 상기 분산액을 잉크젯 프린팅에 최적화된 잉크로서 사용하여 리소그래피와 진공 증착 등의 복잡한 공정 없이 단순 잉크젯 프린팅만으로 절연층, 반도체 채널, 전극까지 형성 가능한 효과가 있으며, 원하는 구역에 원하는 형태로 잉크를 토출하여 불필요한 재료의 낭비가 없는 저비용의 반도체 소자 형성이 가능한 효과가 있다.To manufacture the semiconductor device, the dispersion can be prepared using a minimum amount of solvent, and the dispersion can be used as an ink optimized for inkjet printing to create the insulating layer and semiconductor channel through simple inkjet printing without complex processes such as lithography and vacuum deposition. , it has the effect of forming even electrodes, and has the effect of forming low-cost semiconductor devices without unnecessary waste of materials by discharging ink in the desired shape in the desired area.

또한, 뛰어난 전기적 특성을 가지는 2차원 물질로 형성된 소자는 기존의 잉크젯 프린팅된 2차원 반도체 물질 채널을 가지는 전자 소자에 비하여 103에서 102배 이상의 월등히 높은 전기적 특성을 가질 수 있다.Additionally, a device made of a two-dimensional material with excellent electrical properties can have electrical properties that are 10 3 to 10 2 times higher than that of an electronic device with a conventional inkjet printed two-dimensional semiconductor material channel.

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.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자를 나타낸 모식도이다.
도3은 실험예1의 HfS2, MoS2, 그래핀 나노시트의 AFM분석 결과이다.
도4는 실험예2의 용매 종류에 따른 잉크토출 이미지 분석 결과이다.
도5는 실험예3의 잉크젯 프린팅 된 HfS2 박막의 열처리 전, 후 화학적 분석 결과이다.
도6은 실험예4의 잉크젯 프린팅으로 형성한 다양한 패턴을 나타낸 이미지이다.
도7은 실험예5의 잉크젯 프린팅의 프린팅 횟수를 달리했을 때 도포된 박막 표면(a), 박막 두께(b) 및 전기전도도(c)를 나타내는 그래프이다.
도8은 실험예6의 반도체 소자의 SEM이미지 및 전기적 특성 분석결과이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a semiconductor device inkjet printed using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of AFM analysis of HfS 2 , MoS 2 , and graphene nanosheets in Experimental Example 1.
Figure 4 shows the results of ink ejection image analysis according to the type of solvent in Experimental Example 2.
Figure 5 shows the results of chemical analysis before and after heat treatment of the inkjet printed HfS 2 thin film of Experimental Example 3.
Figure 6 is an image showing various patterns formed by inkjet printing in Experimental Example 4.
Figure 7 is a graph showing the applied thin film surface (a), thin film thickness (b), and electrical conductivity (c) when the number of printing times of inkjet printing in Experimental Example 5 was varied.
Figure 8 shows the SEM image and electrical characteristic analysis results of the semiconductor device of Experimental Example 6.

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.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

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.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. In addition, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.

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.The terms used herein are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법을 설명한다.A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법은, Referring to Figure 1, a method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention,

기판 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 함유하는 제1분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계(S100); 상기 금속 산화물 전구체층을 열처리하여 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계(S200); 상기 금속 산화물 절연층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 2차원 반도체 나노 시트를 함유하는 제2분산액을 잉크젯 프린팅하여 반도체 채널층을 형성하는 단계(S300);및 상기 반도체 채널층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 그래핀 나노 시트를 함유하는 제3분산액을 잉크젯 프린팅하여 전극을 패터닝하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.Forming a metal oxide precursor layer by inkjet printing a first dispersion containing a two-dimensional metal sulfide or metal selenide nanosheet with an average side size of micro size on a substrate (S100); Forming a metal oxide insulating layer by heat treating the metal oxide precursor layer (S200); Forming a semiconductor channel layer by inkjet printing a second dispersion containing a two-dimensional semiconductor nanosheet with an average side size of micro size and a two-dimensional structure on the metal oxide insulating layer (S300); And on the semiconductor channel layer It may include a step (S400) of patterning the electrode by inkjet printing a third dispersion containing graphene nanosheets, which have a two-dimensional structure and have a micro-sized average side size.

첫째 단계에서, 기판 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 함유하는 제1분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. (S100)In the first step, it may include forming a metal oxide precursor layer by inkjet printing a first dispersion containing metal sulfide or metal selenide nanosheets having a two-dimensional structure and having a micro-sized average side size on a substrate. You can. (S100)

이때, 상기 제1 분산액의 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 이용하여 2차원 나노시트를 제조할 수 있다.At this time, the metal sulfide or metal selenide nanosheet of the first dispersion can be used to produce a two-dimensional nanosheet using electrochemical exfoliation through a molecular insertion method.

이때, 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 통한 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는, 음극 및 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제1분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제1분자침투제를 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제1분자침투제가 침투된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 박리시키는 초음파조사단계;및 상기 박리된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 제조하는 단계를 수행하여 제조될 수 있다.At this time, the metal sulfide or metal selenide nanosheet through electrochemical exfoliation through molecular insertion is a cathode and an anode containing a crystal layer of a metal sulfide or metal selenide material supported in a solution containing a first molecular penetrant. Electrode support step; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the first molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the metal sulfide or metal selenide material; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the metal sulfide or metal selenide material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the metal sulfide or metal selenide material into which the first molecular penetrating agent has been penetrated; and the exfoliated metal sulfide or metal selenide material. It can be manufactured by performing a separation step to produce metal sulfide or metal selenide nanosheets.

이때, 상기 분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide 및 Tetradecylammonium bromide으로 구성된 군에서 선택된 1종 일 수 있다. At this time, the molecular penetrant may be one selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

이때, 상기 초음파 처리는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다.At this time, the ultrasonic treatment may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W or more and 15 W or less.

상기 초음파 처리를 7W 이상 15 W 이하의 약한 에너지의 초음파를 조사하여 수행하는 이유는 2차원 물질이 분자침투제 침투로 인해 층간 거리가 벌려진 상태로 약한 에너지의 초음파를 조사하여도 2차원 구조의 나노 시트가 박리되기 때문이다. The reason why the ultrasonic treatment is performed by irradiating a weak energy ultrasound of 7W to 15 W is that even when the two-dimensional material is irradiated with a weak energy ultrasound with the interlayer distance widened due to penetration of the molecular penetrating agent, the two-dimensional structured nanosheet This is because is peeled off.

이때, 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는 HfS2(이황화하프늄), HfSe2, ZrS2, 및 ZrSe2으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.At this time, the metal sulfide or metal selenide nanosheet may include one or more selected from the group consisting of HfS 2 (hafnium disulfide), HfSe 2 , ZrS 2 , and ZrSe 2 .

상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트가 HfS2(이황화하프늄), HfSe2, ZrS2, 및 ZrSe2 물질인 이유는 상기 금속 산화물 전구체층을 열처리한 경우 금속 산화물 절연층을 형성할 수 있기 때문이다.The reason why the metal sulfide or metal selenide nanosheets are HfS 2 (hafnium disulfide), HfSe 2 , ZrS 2 , and ZrSe 2 materials is that a metal oxide insulating layer can be formed when the metal oxide precursor layer is heat treated. .

또한, 상기 2차원 반도체 나노 시트는 MoS2(이황화몰리브덴), MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene, 및 Black phosphorus으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the two-dimensional semiconductor nanosheet may include one or more selected from the group consisting of MoS 2 (molybdenum disulfide), MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene, and black phosphorus. You can.

상기 2차원 반도체 나노 시트가 MoS2(이황화몰리브덴), MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene, 및 Black phosphorus물질인 이유는 2차원 구조이며 반도체 특성을 가지는 물질로 얇고 균일한 박막 형성에 용이하기 때문이다.The reason why the two-dimensional semiconductor nanosheets are made of MoS 2 (molybdenum disulfide), MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene, and black phosphorus is that they have a two-dimensional structure and are materials with semiconductor properties. This is because it is easy to form a thin and uniform film.

또한, 상기 제1분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.Additionally, the first dispersion may contain one or more solvents selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol.

상기 2차원 나노시트가 알코올 기반 용매에 분산되어 있는 경우, 우수한 습윤성과 빠른 건조가 가능하도록 하므로 인쇄 공정에 유리할 수 있다.When the two-dimensional nanosheet is dispersed in an alcohol-based solvent, it can be advantageous for the printing process because it enables excellent wettability and rapid drying.

예를 들면, 하프늄 설파이드 나노시트를 함유하는 제1분산액은 예를 들면, Isopropanol 용매 만으로 구성될 수 있다.For example, the first dispersion containing hafnium sulfide nanosheets may consist of only a solvent, for example, isopropanol.

따라서, 본 발명은 1가지의 유기 용매를 사용하므로 기존의 나노시트의 측면이 나노미터 정도로 작은 물질이 안정적인 잉크화를 위해 두가지 이상의 용매나 추가적으로 계면활성제를 필요로 하는 문제점을 해결할 수 있다.Therefore, since the present invention uses one organic solvent, it can solve the problem that existing nanosheets with sides as small as nanometers require two or more solvents or additional surfactants for stable ink conversion.

이때, 상기 제1분산액의 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트 농도는 0.5 mg/ml일 수 있고, 상기 제2분산액의 2차원 반도체 나노 시트 농도는 0.5 mg/ml일 수 있고, 상기 그래핀 나노시트의 농도는 0.5 mg/ml일 수 있다.At this time, the metal sulfide or metal selenide nanosheet concentration of the first dispersion may be 0.5 mg/ml, the two-dimensional semiconductor nanosheet concentration of the second dispersion may be 0.5 mg/ml, and the graphene nanosheet The concentration may be 0.5 mg/ml.

상기 농도가 0.5 mg/ml인 이유는 잉크젯 프린팅에 적합한 유변학적 성질에 도달하기 위함이다.The reason the concentration is 0.5 mg/ml is to reach rheological properties suitable for inkjet printing.

상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트, 2차원 반도체 나노 시트 및 그래핀 나노 시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 일 수 있다.The average side size of the metal sulfide or metal selenide nanosheets, two-dimensional semiconductor nanosheets, and graphene nanosheets may be 1.0 μm to 1.2 μm.

상기 평균 측면 크기가 1.0μm 내지 1.2μm로 큰 경우, 기존의 측면 크기가 나노 크기 일 때 박막 형성 시 나노시트 간의 접촉 저항이 증가하여 균일하고 빽빽한 박막을 형성하지 못해 전자소자의 전기적 특성이 저하되던 문제점들을 해결하여 나노 시트 간의 접촉 저항을 감소시키고 전기적 특성이 증가하도록 할 수 있다.When the average side size is large, such as 1.0 μm to 1.2 μm, when the existing side size is nano-sized, the contact resistance between nanosheets increases during thin film formation, preventing the formation of a uniform and dense thin film, which deteriorates the electrical properties of the electronic device. By solving these problems, the contact resistance between nanosheets can be reduced and the electrical properties can be increased.

이때, 상기 제1분산액은 금속 산화물 전구체층을 형성할 수 있도록 하면서, 상기 형성된 금속 산화물 전구체층이 향후 열처리과정을 통해 절연층이 될 수도 있는 화합물들을 포함하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the first dispersion contains compounds that enable the formation of a metal oxide precursor layer, and that the formed metal oxide precursor layer may become an insulating layer through a heat treatment process in the future.

이때, 상기 잉크젯 프린팅 방식은 유기 반도체 잉크를 이용한 차세대 소프트 전자소자를 값싸게 제조할 수 있는 핵심 공정이며, 케찹을 눌러 짜듯 잉크를 토출하여 박막을 형성하는 것이 특징이다.At this time, the inkjet printing method is a key process that can inexpensively manufacture next-generation soft electronic devices using organic semiconductor ink, and is characterized by forming a thin film by ejecting ink like squeezing ketchup.

이때, 상기 반도체 소자의 박막은 잉크젯 프린팅 횟수를 조절하여 박막의 두께 및 밀도를 조절할 수 있으며, 상기 두께 및 밀도를 조절함으로써 개별 소자의 특성을 변화시킬 수 있다.At this time, the thickness and density of the thin film of the semiconductor device can be adjusted by adjusting the number of inkjet printing times, and the characteristics of individual devices can be changed by adjusting the thickness and density.

상기 첫째 단계에서는 잉크젯 프린팅 공정을 이용함으로써 공정의 비용을 저감할 수 있으며, 대면적으로 공정을 진행할 수 있도록 한다.In the first step, the cost of the process can be reduced by using the inkjet printing process, and the process can be carried out in a large area.

둘째 단계에서, 상기 금속 산화물 전구체층을 열처리하여 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다(S200).In the second step, it may include forming a metal oxide insulating layer by heat treating the metal oxide precursor layer (S200).

상기 열처리를 함으로써 코팅층 내의 용매를 제거해주는 과정 또는 박막에 산화반응을 유도할 수 있다.The heat treatment can remove the solvent in the coating layer or induce an oxidation reaction in the thin film.

예를 들어, 절연층을 형성하는 단계에서는, 상기 금속 산화물 전구체층을 산소가 포함된 환경 하에서 500℃ 열처리를 진행함으로써 산화반응을 유도하게 되며, 이를 통해 금속 산화물 전구체층 내에 포함된 2차원 물질들은 산화물로 변하면서 상기 금속 산화물 전구체층은 산화물층을 형성하게 되며, 상기 산화물층은 궁극적으로 절연층의 역할을 수행하게 된다.For example, in the step of forming an insulating layer, the metal oxide precursor layer is heat treated at 500°C in an oxygen-containing environment to induce an oxidation reaction, and through this, the two-dimensional materials contained in the metal oxide precursor layer are As it changes into an oxide, the metal oxide precursor layer forms an oxide layer, and the oxide layer ultimately functions as an insulating layer.

본 발명에서는, 상기 금속 산화물 전구체층이 4nm 내지 10nm 두께로 증착될 수 있으며, 상술한 두께로 증착된 경우 반도체 소자에 있어서 절연층 역할을 수행할 수 있다.In the present invention, the metal oxide precursor layer can be deposited to a thickness of 4 nm to 10 nm, and when deposited to the above-described thickness, it can serve as an insulating layer in a semiconductor device.

셋째 단계에서, 상기 금속 산화물 절연층 상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 2차원 반도체 나노 시트를 함유하는 제2분산액을 잉크젯 프린팅하여 반도체 채널층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다(S300).In the third step, it may include forming a semiconductor channel layer by inkjet printing a second dispersion containing a two-dimensional semiconductor nanosheet with a micro-sized side length and a two-dimensional structure on the metal oxide insulating layer (S300 ).

본 셋째 단계에서는, 반도체소자에 있어서 반도체 채널층을 코팅하는 단계로, 상기 금속 산화물 전구체층 형성하는 단계에서 코팅에 사용되는 분산액 만을 제2분산액으로 하는 것을 제외하고는 동일한 방식으로, 잉크젯 프린팅하여 코팅을 진행할 수 있다.In this third step, the semiconductor channel layer in the semiconductor device is coated, and the coating is performed by inkjet printing in the same manner, except that only the dispersion used for coating in the step of forming the metal oxide precursor layer is used as the second dispersion. You can proceed.

이때, 상기 제2 분산액의 2차원 반도체 나노 시트는 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 이용하여 2차원 나노시트를 제조할 수 있다.At this time, the two-dimensional semiconductor nanosheet of the second dispersion can be manufactured using electrochemical exfoliation through a molecular insertion method.

이때, 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 통한 제2 분산액은, 음극 및 2차원 반도체 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제2분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제2분자침투제를 상기 2차원 반도체 물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제2분자침투제가 침투된 2차원 반도체 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 2차원 반도체 물질을 박리시키는 초음파조사단계; 및 상기 박리된 2차원 반도체 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 2차원 반도체 나노 시트를 제조하는 단계를 수행하여 제조될 수 있다.At this time, the second dispersion through electrochemical peeling through molecular insertion method includes an electrode supporting step of supporting the anode including the cathode and a crystal layer of a two-dimensional semiconductor material in a solution containing a second molecular penetrant; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the second molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the two-dimensional semiconductor material; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the two-dimensional semiconductor material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the two-dimensional semiconductor material into which the second molecular penetrating agent has penetrated; and performing a separation step of separating the exfoliated two-dimensional semiconductor material to produce a two-dimensional semiconductor nanosheet.

이때, 상기 분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, 및 Tetradecylammonium bromide으로 구성된 군에서 선택된 1종 일 수 있다. At this time, the molecular penetrant may be one selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

이때, 상기 초음파 처리는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다.At this time, the ultrasonic treatment may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W to 15W.

상기 초음파 처리를 7W 이상 15 W 이하의 약한 에너지의 초음파를 조사하여 수행하는 이유는 2차원 물질이 분자침투제 침투로 인해 층간 거리가 벌려진 상태로 약한 에너지의 초음파를 조사하여도 2차원 구조의 나노 시트가 박리되기 때문이다.The reason why the ultrasonic treatment is performed by irradiating a weak energy ultrasound of 7W to 15 W is that even when the two-dimensional material is irradiated with a weak energy ultrasound with the interlayer distance widened due to penetration of the molecular penetrating agent, the two-dimensional structured nanosheet This is because is peeled off.

이때, 상기 제2분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.At this time, the second dispersion may contain one or more solvents selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol.

이때, 상기 2차원 반도체 나노 시트는 MoS2(이황화몰리브덴), MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene, 및 Black phosphorus으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.At this time, the two-dimensional semiconductor nanosheet may include one or more selected from the group consisting of MoS 2 (molybdenum disulfide), MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene, and black phosphorus. You can.

이때, 본 발명은 상기 2차원 반도체 나노 시트 가 MoS2(이황화몰리브덴), MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene, 및 Black phosphorus으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상이며, 반도체 성질을 가지는 물질이면 족하고 이에 한정되지 않는다.At this time, in the present invention, the two-dimensional semiconductor nanosheet is one or more selected from the group consisting of MoS2 (molybdenum disulfide), MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene, and black phosphorus. , any material having semiconductor properties is sufficient and is not limited thereto.

이때, 상기 2차원 반도체 나노 시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 일 수 있다.At this time, the average side size of the two-dimensional semiconductor nanosheet may be 1.0 μm to 1.2 μm.

상기 셋째 단계에서는 잉크젯 프린팅 공정을 이용함으로써 공정의 비용을 저감할 수 있으며, 대면적으로 공정을 진행할 수도 있게 된다.In the third step, the cost of the process can be reduced by using the inkjet printing process, and the process can also be carried out in a large area.

넷째 단계에서, 상기 반도체 채널층 상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 그래핀 나노 시트를 함유하는 제3분산액을 잉크젯 프린팅하여 전극을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다(S400).In the fourth step, it may include patterning an electrode by inkjet printing a third dispersion containing a two-dimensional graphene nanosheet with a micro-sized side length on the semiconductor channel layer (S400).

상기 그래핀 나노시트를 함유하는 제3분산액을 상기 금속산화물 절연층과 반도체 채널층 상에 임의의 전극 형태로 프린팅 할 수 있다.The third dispersion containing the graphene nanosheets can be printed in an arbitrary electrode shape on the metal oxide insulating layer and the semiconductor channel layer.

상기 그래핀 나노시트는 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 이용하여 제조될 수 있다. The graphene nanosheet can be manufactured using electrochemical exfoliation using a molecular insertion method.

이때, 분자삽입법을 통한 전기화학박리를 통한 제3 분산액은, 그래파이트를 포함하는 음극과 그래파이트를 포함하는 양극을 제3분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계; 상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제3분자침투제를 상기 그래파이트 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계; 상기 제3분자침투제가 침투된 그래파이트에 초음파를 조사하여 상기 그래파이트를 박리시키는 초음파조사단계; 및 상기 박리된 그래파이트를 분리하는 분리단계를 수행하여 그래핀 나노시트를 제조하는 단계를 수행하여 제조될 수 있다.At this time, the third dispersion through electrochemical peeling through molecular insertion method includes an electrode supporting step of supporting a cathode containing graphite and an anode containing graphite in a solution containing a third molecular penetrant; A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the third molecular penetrating agent to penetrate between the graphite crystal layers; An ultrasonic irradiation step of exfoliating the graphite by irradiating ultrasonic waves to the graphite infiltrated with the third molecular penetrating agent; and performing a separation step of separating the exfoliated graphite to produce a graphene nanosheet.

이때, 상기 제3 분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide및 Tetradecylammonium bromide으로 구성된 군에서 선택된 1종 일 수 있다. At this time, the third molecular penetrant may be one selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide.

이때, 상기 초음파 처리는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행될 수 있다.At this time, the ultrasonic treatment may be performed by irradiating ultrasonic waves of 7W or more and 15 W or less.

상기 초음파 처리를 7W 이상 15 W 이하의 약한 에너지의 초음파를 조사하여 수행하는 이유는 2차원 물질이 분자침투제 침투로 인해 층간 거리가 벌려진 상태로 약한 에너지의 초음파를 조사하여도 2차원 구조의 나노 시트가 박리되기 때문이다.The reason why the ultrasonic treatment is performed by irradiating a weak energy ultrasound of 7W to 15 W is that even when the two-dimensional material is irradiated with a weak energy ultrasound with the interlayer distance widened due to penetration of the molecular penetrating agent, the two-dimensional structured nanosheet This is because is peeled off.

이때, 상기 제3분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함할 수 있다.At this time, the third dispersion may contain one or more solvents selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol.

이때, 상기 전극의 전도성을 극대화하기 위하여 아르곤(Ar) 분위기의 글로브 박스(glove box)에서 전극 패턴층을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며 이때, 상기 열처리는 250˚C 내지 300˚C 온도에서 수행될 수 있다.At this time, in order to maximize the conductivity of the electrode, the step of heat treating the electrode pattern layer in a glove box in an argon (Ar) atmosphere may be further included. At this time, the heat treatment is performed at a temperature of 250˚C to 300˚C. It can be done.

이로써, 모든 구성요소를 잉크젯 프린팅을 수행하여 반도체 소자를 제조할 수 있으며, 상술한 것과 같이 잉크젯 프린팅을 수행하여 반도체 소자를 제조한 경우, 공정의 비용을 저감할 수 있으며, 대면적으로 공정을 진행할 수 있게 된다.As a result, semiconductor devices can be manufactured by performing inkjet printing on all components, and when semiconductor devices are manufactured by inkjet printing as described above, the cost of the process can be reduced, and the process can be carried out in a large area. It becomes possible.

본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자를 설명한다.An inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자는 상술한 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.A semiconductor device inkjet printed using a two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is manufactured by the inkjet printed semiconductor device manufacturing method using the two-dimensional material dispersion described above.

본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는 기판(100); 상기 기판 상에 위치되어 상기 기판 전체 또는 일부를 덮도록 형성된 금속 산화물 절연층(200); 상기 금속 산화물 절연층(200) 상에 위치되어 상기 금속 산화물 절연층(200)의 일부를 덮도록 형성된 반도체 채널층(300); 상기 금속 산화물 전구체층(200)과 상기 반도체 채널층(300)의 일부를 동시에 덮도록 형성된 패터닝된 전극층(400)을 포함하는 것을 특징으로 한다.A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a substrate 100; a metal oxide insulating layer 200 located on the substrate and formed to cover all or part of the substrate; a semiconductor channel layer 300 located on the metal oxide insulating layer 200 and formed to cover a portion of the metal oxide insulating layer 200; It is characterized in that it includes a patterned electrode layer 400 formed to simultaneously cover a portion of the metal oxide precursor layer 200 and the semiconductor channel layer 300.

상기 금속 산화물 절연층(200)은 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 함유하는 제1분산액을 코팅한 금속 산화물 전구체층을 열처리하여 형성될 수 있다.The metal oxide insulating layer 200 has a micro-sized side length and can be formed by heat treating a metal oxide precursor layer coated with a first dispersion containing metal sulfide or metal selenide nanosheets with a two-dimensional structure.

또한, 상기 반도체 채널층(300)은 상기 금속 산화물 절연층 상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 2차원 반도체 나노 시트를 함유하는 제2 분산액으로 구성될 수 있다.Additionally, the semiconductor channel layer 300 may be composed of a second dispersion containing a two-dimensional semiconductor nanosheet with a micro-sized side length and a two-dimensional structure on the metal oxide insulating layer.

이때, 상기 반도체 채널층(300)은 상기 금속 산화물 절연층(200)상에 원하는 형태로 프린팅할 수 있다.At this time, the semiconductor channel layer 300 can be printed in a desired shape on the metal oxide insulating layer 200.

또한, 상기 패터닝된 전극층(400)은 상기 금속 산화물 절연층(200)과 반도체 채널층(300)을 동시에 덮도록 원하는 형태로 패터닝 할 수 있다.Additionally, the patterned electrode layer 400 can be patterned into a desired shape to simultaneously cover the metal oxide insulating layer 200 and the semiconductor channel layer 300.

이때, Ion/Ioff (온/오프 전류비)는 103 내지 106 일 수 있다.At this time, I on /I off (on/off current ratio) may be 10 3 to 10 6 .

이때, 게이트 전압(gate voltage)은 -2V 내지 4V 일 수 있다.At this time, the gate voltage may be -2V to 4V.

상기 Ion/Ioff (온/오프 전류비)와 게이트 전압에 관한 자세한 증명은 하기 실험예에서 설명한다. Detailed proof of the I on /I off (on/off current ratio) and gate voltage is explained in the experimental example below.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는 원하는 구역에 원하는 형태로 잉크를 토출하여 불필요한 재료의 낭비가 없으므로 저비용으로 형성이 가능하고, 뛰어난 전기적 특성을 가지는 2차원 물질로 형성된 반도체 소자는 잉크젯 프린팅에 최적화된 잉크를 사용하여 리소그래피와 진공 증착 등의 복잡한 공정 없이 단순 잉크젯 프린팅만으로 절연층, 반도체 채널, 전극까지 형성 가능한 효과가 있다.Therefore, the semiconductor device according to an embodiment of the present invention can be formed at low cost by discharging ink in a desired shape in a desired area and eliminating unnecessary waste of material, and the semiconductor device formed of a two-dimensional material with excellent electrical characteristics can be formed by inkjet. Using ink optimized for printing, it is possible to form insulating layers, semiconductor channels, and electrodes with simple inkjet printing without complex processes such as lithography and vacuum deposition.

이하에서는, 제조예, 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만, 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.Below, the present invention will be described in more detail through production examples and experimental examples. However, the present invention is not limited to the following production examples and experimental examples.

제조예1 : 전기화학 박리법을 이용한 2차원 물질 분산액 제조Preparation Example 1: Preparation of two-dimensional material dispersion using electrochemical exfoliation method

그 구체적인 제조과정은 하기 순서와 같다.The specific manufacturing process is as follows.

1) 이황화 하프늄(HfS 2 ) 2차원 물질 분산액 제조 1) Preparation of hafnium disulfide (HfS 2 ) two-dimensional material dispersion

먼저, 분자침투제인 tetraheptylammonium bromide (THAB)를 acetonitrile이라는 전해질에 50mg/ml가 되도록 용해시킨다. First, tetraheptylammonium bromide (THAB), a molecular penetrating agent, is dissolved in an electrolyte called acetonitrile to a concentration of 50 mg/ml.

다음으로, HfS2 크리스탈 50 mg을 (-) 전압쪽에 두고, 반대편에 graphite 전극을 놓은 상태로, 7V의 전압을 인가하여 1시간 전기화학 반응을 진행하여 상기 HfS2 층 사이에 THA+ 이온을 삽입한다.Next, 50 mg of HfS 2 crystal was placed on the (-) voltage side, a graphite electrode was placed on the other side, and a voltage of 7 V was applied to conduct an electrochemical reaction for 1 hour to insert THA + ions between the HfS 2 layers. do.

다음으로, 반응이 끝난 후 ethanol을 이용하여 반응이 끝난 물질을 세척한다. Next, after the reaction is over, the reacted material is washed with ethanol.

다음으로, 22 mg ml-1 농도의 Polyvinylpyrrolidone (PVP)이 용해된 dimethylformamide (DMF)용액에 반응이 끝난 크리스탈을 넣고 7W, 30분동안 초음파를 가해준다.Next, the reacted crystal is placed in a dimethylformamide (DMF) solution containing 22 mg ml -1 concentration of polyvinylpyrrolidone (PVP) and ultrasonic waves are applied at 7W for 30 minutes.

다음으로, 원심분리과정을 거쳐 박리되지 않은 크리스탈은 제거하고 박리된 플레이크를 수득한다. Next, through a centrifugation process, crystals that have not been exfoliated are removed and exfoliated flakes are obtained.

다음으로, 원심분리 방식을 이용하여 끓는점이 낮은 용매인 IPA(이소프로필 알코올)로 용매교체를 준다. Next, the solvent is replaced with IPA (isopropyl alcohol), a solvent with a low boiling point, using centrifugation.

상기 과정을 거쳐 HfS2로 구성된 2차원물질의 분산액을 제조하였다.Through the above process, a dispersion of a two-dimensional material composed of HfS 2 was prepared.

2) 이황화 몰리브덴(MoS 2 ) 2차원 물질 분산액의 제조 2) Preparation of molybdenum disulfide (MoS 2 ) two-dimensional material dispersion

먼저, 분자침투제인 tetraheptylammonium bromide (THAB)를 acetonitrile이라는 전해질에 50mg/ml가 되도록 용해시킨다. First, tetraheptylammonium bromide (THAB), a molecular penetrating agent, is dissolved in an electrolyte called acetonitrile to a concentration of 50 mg/ml.

다음으로, MoS2 크리스탈 50 mg을 (-) 전압쪽에 두고, 반대편에 graphite 전극을 놓은 상태로, 7V의 전압을 인가하여 1시간 전기화학 반응을 진행하여 상기 MoS2 층 사이에 THA+ 이온을 삽입한다.Next, 50 mg of MoS 2 crystal was placed on the (-) voltage side, a graphite electrode was placed on the other side, and a voltage of 7 V was applied to conduct an electrochemical reaction for 1 hour to insert THA + ions between the MoS 2 layers. do.

다음으로, 반응이 끝난 후 ethanol을 이용하여 반응이 끝난 물질을 세척한다. Next, after the reaction is over, the reacted material is washed with ethanol.

다음으로, 22 mg ml-1 농도의 PVP가 용해된 DMF용액에 반응이 끝난 크리스탈을 넣고 7W, 30분동안 초음파를 가해준다.Next, the reacted crystal was placed in a DMF solution containing PVP at a concentration of 22 mg ml -1 and ultrasonic waves were applied at 7W for 30 minutes.

다음으로, 원심분리과정을 거쳐 박리되지 않은 크리스탈은 제거하고 박리된 플레이크를 수득한다. Next, through a centrifugation process, crystals that have not been exfoliated are removed and exfoliated flakes are obtained.

다음으로, 원심분리 방식을 이용하여 끓는점이 낮은 용매인 IPA(이소프로필 알코올)로 용매교체를 준다. Next, the solvent is replaced with IPA (isopropyl alcohol), a solvent with a low boiling point, using centrifugation.

상기 과정을 거쳐 MoS2로 구성된 2차원물질의 분산액을 제조하였다.Through the above process, a dispersion of a two-dimensional material composed of MoS 2 was prepared.

3) 그래핀 2차원 물질 분산액의 제조 3) Preparation of graphene two-dimensional material dispersion

먼저, 분자침투제인 TBAHS (테트라부틸암모늄 하이드로겐 설페이트)를 DI water에 50mg/ml가 되도록 용해시킨 후 NaOH로 pH가 중성이 되도록 맞춘다. First, TBAHS (tetrabutylammonium hydrogen sulfate), a molecular penetrating agent, is dissolved in DI water to 50 mg/ml and then adjusted to neutral pH with NaOH.

다음으로, 음극과 양극에 모두 graphite foil을 두고10V의 전압을 인가하여 20분 동안 전기화학 반응을 진행하여 상기 그래핀 사이에 TBA+ 이온을 삽입한다. Next, graphite foil is placed on both the cathode and anode, a voltage of 10V is applied, and an electrochemical reaction is performed for 20 minutes to insert TBA+ ions between the graphene.

다음으로, 반응이 끝난 후 ethanol과 DI water를 이용하여 반응이 끝난 물질을 세척한다. Next, after the reaction is over, the reacted material is washed using ethanol and DI water.

다음으로, 5 ml의 DMF용매에 반응이 끝난 크리스탈을 넣고 7W, 30분동안 초음파를 가해준다. Next, place the reacted crystal in 5 ml of DMF solvent and apply ultrasound at 7W for 30 minutes.

다음으로, 원심분리과정을 거쳐 박리되지 않은 크리스탈은 제거하고 박리된 플레이크를 수득한다. Next, through a centrifugation process, crystals that have not been exfoliated are removed and exfoliated flakes are obtained.

다음으로, 원심분리 방식을 이용하여 끓는점이 낮은 용매인 에탄올/DMF 혼합물(에탄올:DMF=10:1부피비)에 0.5 mg mL-1 농도로 용매 교체를 준다.Next, the solvent is replaced at a concentration of 0.5 mg mL -1 using a centrifugation method in an ethanol/DMF mixture (ethanol:DMF=10:1 volume ratio), which is a solvent with a low boiling point.

상기 과정을 거쳐 그래핀으로 구성된 2차원물질의 분산액을 제조하였다. Through the above process, a dispersion of a two-dimensional material composed of graphene was prepared.

제조예2 : 제조예1을 통해 제조한 2차원 물질을 이용하여 반도체 소자 제조Manufacturing Example 2: Manufacturing a semiconductor device using the two-dimensional material manufactured through Manufacturing Example 1

먼저, Silicon 기판상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 HfS2 나노시트를 함유하는 분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 코팅층을 형성하였다. First, a coating layer was formed on a silicon substrate by inkjet printing a dispersion containing HfS 2 nanosheets with a micro-sized side length and a two-dimensional structure.

다음으로, 상기 코팅층을 500˚C온도에서 열처리하여 높은 유전율을 가지는 절연층인 HfO2 박막을 형성하였다.Next, the coating layer was heat treated at a temperature of 500˚C to form an HfO 2 thin film, which is an insulating layer with a high dielectric constant.

다음으로, 상기 HfO2 박막 상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 MoS2 나노 시트를 함유하는 분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 반도체 채널층을 형성하였다.Next, a semiconductor channel layer was formed on the HfO 2 thin film by inkjet printing a dispersion containing a two-dimensional MoS 2 nanosheet with a micro-sized side length.

다음으로, 반도체 채널층 상에 측면 길이가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 그래핀 나노시트를 함유하는 분산액을 잉크젯 프린팅하여 전극을 패터닝하였다.Next, the electrode was patterned by inkjet printing a dispersion containing graphene nanosheets with a micro-sized side length and a two-dimensional structure on the semiconductor channel layer.

다음으로, 잉크제 프린팅된 전극의 전도성을 높이기 위하여 Ar 분위기의 glovebox에서 300˚C 온도에서 30분 열처리하였다.Next, to increase the conductivity of the ink-printed electrode, it was heat treated at 300˚C for 30 minutes in a glovebox in an Ar atmosphere.

이를 통해, 측면 길이가 마이크로 크기인 2차원 물질을 이용하여 반도체 소자를 제조하였다.Through this, a semiconductor device was manufactured using a two-dimensional material with a micro-sized side length.

실험예1: HfSExperimental Example 1: HfS 2, 2, MoSMoS 22 , 그래핀 나노시트의 AFM 분석, AFM analysis of graphene nanosheets.

도3을 참조하여 HfS2, MoS2, 그래핀 나노시트의 측면크기에 대해서 설명한다.With reference to Figure 3, the lateral sizes of HfS 2 , MoS 2 , and graphene nanosheets will be described.

도3은 HfS2, MoS2, 그래핀 나노시트의 AFM분석 결과이다.Figure 3 shows the results of AFM analysis of HfS 2 , MoS 2 , and graphene nanosheets.

도3을 참조하면, Atomic force microscopy(AFM) 분석을 통한 나노 시트의 측면 크기 두께를 확인한 결과, 이황화 하프늄(HfS2), 이황화 몰리브덴(MoS2), 그리고 그래핀 나노시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm인 것을 확인 할 수 있다.Referring to Figure 3, as a result of confirming the lateral size and thickness of the nanosheets through atomic force microscopy (AFM) analysis, the average lateral size of hafnium disulfide (HfS 2 ), molybdenum disulfide (MoS 2 ), and graphene nanosheets was 1.0. It can be confirmed that it is between μm and 1.2μm.

실험예2: 용매 종류에 따른 잉크토출 이미지 분석Experimental Example 2: Analysis of ink discharge images according to solvent type

도4를 참조하여, 잉크젯 프린팅에 최적화된 잉크를 형성하는 과정과 잉크 토출 시간에 따른 최적화된 잉크 토출 이미지에 대해서 설명한다.Referring to Figure 4, the process of forming ink optimized for inkjet printing and the optimized ink ejection image according to the ink ejection time will be described.

도4는 용매 종류에 따른 잉크토출 이미지 분석 결과이다.Figure 4 shows the results of ink discharge image analysis according to solvent type.

도4는 유기용매로서 IPA(Isopropyl alcohol)과 2-뷰탄올(2-butanol)을 사용하였으며, IPA(Isopropyl alcohol)와 2-뷰탄올(2-butanol)가 80:20, 85:15, 90:10, 100:0 중량 비를 가지도록 제조하였다.Figure 4 shows that IPA (Isopropyl alcohol) and 2-butanol were used as organic solvents, and IPA (Isopropyl alcohol) and 2-butanol were used in ratios of 80:20, 85:15, and 90. :10, 100:0 weight ratio.

또한, 상기 도4(a), 4(b), 도4(c), 도4(d)는 AFM(원자현미경) 분석을 수행한 결과이다.In addition, Figures 4(a), 4(b), 4(c), and 4(d) are the results of AFM (atomic force microscopy) analysis.

이때, 상기 도4(a)는 IPA(Isopropyl alcohol): 2-뷰탄올(2-butanol) = 80:20 인 용매를 사용하였고, 도4(b)는 IPA(Isopropyl alcohol): 2-뷰탄올(2-butanol) = 85:15 인 용매를 사용하였고, 도4(c)는 IPA(Isopropyl alcohol): 2-뷰탄올(2-butanol) = 90:10 인 용매를 사용하였고, 도4(d)는 IPA(Isopropyl alcohol): 2-뷰탄올(2-butanol) = 100:0 인 용매를 사용하였다.At this time, Figure 4(a) used a solvent of IPA (Isopropyl alcohol): 2-butanol = 80:20, and Figure 4(b) used a solvent of IPA (Isopropyl alcohol): 2-butanol. (2-butanol) = 85:15 solvent was used, Figure 4(c) used a solvent of IPA (Isopropyl alcohol): 2-butanol (2-butanol) = 90:10, Figure 4(d) ) used a solvent of IPA (Isopropyl alcohol): 2-butanol = 100:0.

상기 도4(a), 도4(b), 도4(c), 도4(d)를 참조하면, IPA(Isopropyl alcohol)와 2-뷰탄올(2-butanol)가 혼합된 용매는 골고루 분산되지 않고 액적의 가장자리 부근에 나노입자가 링 모양으로 집중되는 커피링 효과(Coffee Ring Effect)가 나타나는 것을 확인 할 수 있다.Referring to Figures 4(a), 4(b), 4(c), and 4(d), the solvent mixed with IPA (Isopropyl alcohol) and 2-butanol is evenly dispersed. It can be seen that the coffee ring effect, in which nanoparticles are concentrated in a ring shape near the edge of the droplet, appears.

상기 커피링 효과(Coffee Ring Effect)는 고체 표면에 콜로이드 방울이 증발하여 불균일한 링 형태의 증착을 생성하는 것을 의미하며, 커피링 효과로 인해 균일한 입자의 증착이 되지 않을 수 있다.The coffee ring effect refers to the evaporation of colloidal droplets on a solid surface to produce non-uniform ring-shaped deposition. Due to the coffee ring effect, uniform particle deposition may not occur.

그 이유는 용매의 증발 속도의 차이에 의해, 100% IPA에서는 용매가 가장 빠르게 증발하기 때문에 모세관 흐름에 의한 나노시트 수송이 크게 억제되는 반면, 더 높은 끓는점을 가지는 2-부탄올(2-butanol)의 첨가는 용매 증발을 늦추기 때문에 모세관 흐름에 의한 나노시트의 수송을 크게 억제하지 못해 커피링이 생길 수 있다.The reason is that due to the difference in the evaporation rate of the solvent, the solvent evaporates the fastest in 100% IPA, which greatly inhibits nanosheet transport by capillary flow, whereas the transport of nanosheets by capillary flow is greatly suppressed in 100% IPA. Because the addition slows down solvent evaporation, it does not significantly inhibit the transport of nanosheets by capillary flow, which may result in coffee rings.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 물질 분산액의 용매를 1가지를 사용한 경우, 가장 균일하고 커피링 효과의 영향을 받지 않는 박막이 형성된 것을 확인 할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that when only one solvent was used for the two-dimensional material dispersion according to an embodiment of the present invention, a thin film was formed that was most uniform and unaffected by the coffee ring effect.

또한, 상기 도4(a), 도4(b), 도4(c), 도4(d) AFM 이미지를 참조하면, 상기 분산액으로 형성된 박막의 가운데 부분 표면이 점점 균일하고 빽빽 해지는 것을 확인 할 수 있다.In addition, referring to the AFM images of FIGS. 4(a), 4(b), 4(c), and 4(d), it can be seen that the surface of the central portion of the thin film formed from the dispersion becomes increasingly uniform and dense. You can.

또한, 도4(e)를 참조하면, 마이크로 크기의 측면 크기를 가지는 2차원 물질 분산액을 잉크젯 프린팅 한 경우, 카트리지의 노즐 막힘없이 안정적인 작은 물방울(droplet)이 형성된 것을 확인 할 수 있다.In addition, referring to Figure 4(e), when inkjet printing a two-dimensional material dispersion with a micro-sized side size, it can be confirmed that stable small water droplets were formed without clogging the nozzle of the cartridge.

실험예3: 잉크젯 프린팅 된 HfSExperimental Example 3: Inkjet printed HfS 2 2 박막의 열처리 전,후 화학적 분석Chemical analysis of thin films before and after heat treatment

도5를 참조하여, 잉크젯 프린팅 된 이황화 하프늄(HfS2) 박막의 열처리 전, 후 화학적 분석에 대해서 설명한다.Referring to Figure 5, chemical analysis before and after heat treatment of the inkjet printed hafnium disulfide (HfS 2 ) thin film will be described.

도5는 잉크젯 프린팅 된 HfS2 박막의 열처리 전, 후의 라만 스펙트럼 과 XPS분석 결과이다.Figure 5 shows the Raman spectrum and XPS analysis results before and after heat treatment of the inkjet printed HfS 2 thin film.

상기 도5(a)의 상부의 이미지는 silicon 기판 상에 잉크젯 프린팅 된 2mm × 2mm 크기의 하프늄 설파이드(HfS2) 정사각형 필름을 나타내고 있다.The upper image of Figure 5(a) shows a square film of hafnium sulfide (HfS 2 ) with a size of 2 mm × 2 mm inkjet printed on a silicon substrate.

상기 도5(b)의 상부의 이미지는 상기 2mm × 2mm 크기의 산화된 HfO2 필름을 나타내고 있다.The upper image of FIG. 5(b) shows the oxidized HfO 2 film with a size of 2 mm × 2 mm.

상기 도5(a)는 열처리 전 HfS2 박막의 라만 스펙트럼 결과이고, 도5(b)는 열처리 후 HfO2 박막의 라만 스펙트럼 결과를 나타낸다.Figure 5(a) shows the Raman spectrum result of the HfS 2 thin film before heat treatment, and Figure 5(b) shows the Raman spectrum result of the HfO 2 thin film after heat treatment.

또한, 상기 도5(c-e)는 산화된 HfO2의 XPS 분석결과이다.Additionally, Figure 5(ce) shows the XPS analysis results of oxidized HfO 2 .

상기 도5(a), (b)를 참조하면, 도5(a)에 존재하는 A1g 피크가 도5(b) 에는 존재하지 않으므로, HfS2 박막이 열처리를 통해 HfO2 박막으로 완전히 변환되었음을 확인 할 수 있다.Referring to Figures 5(a) and (b), the A 1g peak present in Figure 5(a) does not exist in Figure 5(b), indicating that the HfS 2 thin film has been completely converted into an HfO 2 thin film through heat treatment. You can check it.

또한, 도5(c-e)를 참조하면, Hf 4d7/2, Hf 4d5/2, O 1s 피크의 존재와 S 2p 피크의 부재는 HfO2 이 형성 된 것을 명확하게 확인 할 수 있다.Additionally, referring to Figure 5(ce), the presence of Hf 4d 7/2 , Hf 4d 5/2 , and O 1s peaks and the absence of S 2p peak clearly confirm that HfO2 was formed.

도5(d)를 참조하면, Hf-O 결합 스펙트럼을 확인 할 수 있고, 도5(e)을 참조하면, Hf-S 결합 스펙트럼을 확인 할 수 있다.Referring to Figure 5(d), the Hf-O bond spectrum can be confirmed, and referring to Figure 5(e), the Hf-S bond spectrum can be confirmed.

실험예4: 잉크젯 프린팅으로 형성한 다양한 패턴Experimental Example 4: Various patterns formed by inkjet printing

도6을 참조하여, 잉크젯 프린팅으로 형성한 다양한 패턴에 대해서 설명한다.Referring to Figure 6, various patterns formed by inkjet printing will be described.

도6은 잉크젯 프린팅으로 형성한 다양한 패턴을 나타낸 이미지이다.Figure 6 is an image showing various patterns formed by inkjet printing.

도6을 참조하면, 리소그래피와 같이 복잡한 공정 없이 잉크젯 프린팅으로 한 번의 인쇄로 일정한 두께를 가지며 균일하고 조밀한 필름으로 구성되어 있는 것을 확인 할 수 있다.Referring to Figure 6, it can be seen that the film is composed of a uniform and dense film with a constant thickness by one printing using inkjet printing without a complex process such as lithography.

또한, 도6(a) 와 같은 점 패턴의 경우 지름이 50μm이며, 도6(b) 의 패턴은 55μm의 폭을 가지는 cross-bar 패턴으로 마이크로 크기의 작은 크기의 다양한 프린팅이 가능하며 맞춤형 레터링이 가능한 것을 확인 할 수 있다.In addition, the dot pattern shown in Figure 6(a) has a diameter of 50μm, and the pattern shown in Figure 6(b) is a cross-bar pattern with a width of 55μm, enabling various printing in small sizes such as micro and customized lettering. You can check what is possible.

실험예5: 박막 두께에 따른 전기전도도 분석Experimental Example 5: Electrical conductivity analysis according to thin film thickness

도7을 참조하여, 박막 두께에 따른 전기전도도 분석에 대해서 설명한다.With reference to Figure 7, analysis of electrical conductivity according to thin film thickness will be described.

도7은 잉크젯 프린팅의 프린팅 횟수를 달리했을 때 도포된 박막 표면(a), 박막 두께(b), 전기전도도(c)를 나타내는 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the applied thin film surface (a), thin film thickness (b), and electrical conductivity (c) when the number of printing times of inkjet printing was varied.

상기 도7(a)는 550 x 300μm의 직사각형 형태로 잉크젯 프린팅 된 그래핀 필름의 프린팅 횟수에 따른 표면 특성을 확인 할 수 있는 광학현미경 이미지이다. Figure 7(a) is an optical microscope image showing the surface characteristics of a graphene film inkjet printed in a rectangular shape of 550 x 300 μm according to the number of printing times.

상기 도7(b)는 프린팅 횟수에 따른 박막 두께를 확인 할 수 있는 그래프이며, 상기 도7(b)를 참조하면, 30회 프린팅 한 경우 200nm의 두께를 가지는 것을 확인 할 수 있다. Figure 7(b) is a graph showing the thin film thickness according to the number of printing. Referring to Figure 7(b), it can be seen that the film has a thickness of 200 nm when printed 30 times.

또한, 상기 도7(c)는 프린팅 횟수에 따른 저항 특성을 나타내는 2전극 구성에서 측정된 전류-전압 곡선이다.In addition, Figure 7(c) is a current-voltage curve measured in a two-electrode configuration showing resistance characteristics according to the number of printing.

상기 도7(c)를 참조하면, 프린팅 횟수가 증가할수록 전기전도성이 증가한 것을 확인 할 수 있다.Referring to Figure 7(c), it can be seen that electrical conductivity increases as the number of printing increases.

실험예6: 반도체 소자의 SEM 이미지 및 전기적 특성 분석Experimental Example 6: SEM image and electrical characteristics analysis of semiconductor device

도8을 참조하여, 반도체 소자의 SEM 이미지 및 전기적 특성에 대해서 설명한다.Referring to Figure 8, the SEM image and electrical characteristics of the semiconductor device will be described.

도8은 반도체 소자의 SEM이미지 및 전기적 특성 분석결과이다.Figure 8 shows SEM images and electrical characteristic analysis results of semiconductor devices.

도8(a)는 반도체 소자의 output 거동에 대한 그래프이고, 도8(b)는 transfer 거동에 대한 그래프이다. 도8(c)는 3 x 3 array의 전기적 특성을 나타내는 spatial mapping이다. 도8(d)는 이전에 보고된 잉크젯 프린팅된 TMDC 채널 기반의 반도체 소자와 본 연구로 만들어진 반도체 소자의 on/off 전류비와 전자이동도를 비교한 그래프이고, 도8(e)는 절연층, 반도체 채널, 전극을 모두 잉크젯 프린팅하여 형성된 반도체 소자의 Scanning electron microscope(SEM) 이미지이고, 도9(f)는 이황화 하프늄(HfO2), 이황화 몰리브덴(MoO2), 그래핀(Graphene)의 표면 특성을 확인 할 수 있는SEM 이미지이다.Figure 8(a) is a graph of the output behavior of the semiconductor device, and Figure 8(b) is a graph of the transfer behavior. Figure 8(c) is spatial mapping showing the electrical characteristics of a 3 x 3 array. Figure 8(d) is a graph comparing the on/off current ratio and electron mobility of the previously reported inkjet printed TMDC channel-based semiconductor device and the semiconductor device made in this study, and Figure 8(e) is a graph comparing the inkjet printed TMDC channel-based semiconductor device. , a Scanning electron microscope (SEM) image of a semiconductor device formed by inkjet printing all of the semiconductor channels and electrodes, and Figure 9(f) shows the surfaces of hafnium disulfide (HfO 2 ), molybdenum disulfide (MoO 2 ), and graphene. This is an SEM image that allows you to check the characteristics.

상기 도8(a)와 8(b)를 참조하면, 반도체 소자가 n-type 거동을 나타내는 것을 확인 할 수 있고, 상기 도8(c)를 참조하면, array의 전면적에서 균일한 전기적 특성을 나타내는 것을 확인 할 수 있고, 상기 도8(d)를 참조하면, 기존에 보고된 2차원 물질 반도체 채널을 기반으로 한 트랜지스터들과 비교하여 매우 높은 전자 이동도와 on/off ratio를 가지는 것을 확인 할 수 있다.Referring to Figures 8(a) and 8(b), it can be seen that the semiconductor device exhibits n-type behavior, and referring to Figure 8(c), it can be seen that the semiconductor device exhibits uniform electrical characteristics over the entire area of the array. This can be confirmed, and referring to Figure 8(d), it can be seen that it has very high electron mobility and on/off ratio compared to transistors based on previously reported two-dimensional material semiconductor channels. .

또한, 상기 도8(e)와 8(f)를 참조하면, 유전체, 반도체, 및 전극이 매우 얇고 균일한 박막으로 형성된 것을 확인 할 수 있다.Additionally, referring to FIGS. 8(e) and 8(f), it can be seen that the dielectric, semiconductor, and electrode are formed as very thin and uniform thin films.

도8(f)를 참조하면, 표면은 나노시트가 면내 방향을 따라 고도로 정렬되어 있기 때문에 HfO2 나노시트의 가장자리가 거의 구별할 수 없을 정도로 균일하고 매끄러운 것을 확인 할 수 있다Referring to Figure 8(f), it can be seen that the edges of the HfO 2 nanosheets are almost indistinguishable and uniform and smooth because the nanosheets are highly aligned along the in-plane direction.

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.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

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.The scope of the present invention is indicated by the patent claims described below, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

100: 기판
200: 금속 산화물 절연층
300: 반도체 채널층
400: 패터닝된 전극층100: substrate
200: metal oxide insulating layer
300: Semiconductor channel layer
400: patterned electrode layer

Claims (22)

기판 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 함유하는 제1분산액을 잉크젯 프린팅 방식을 수행하여 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계;
상기 금속 산화물 전구체층을 열처리하여 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계;
상기 금속 산화물 절연층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 2차원 반도체 나노 시트를 함유하는 제2분산액을 잉크젯 프린팅하여 반도체 채널층을 형성하는 단계;및
상기 반도체 채널층 상에 평균 측면 크기가 마이크로 크기이며 2차원 구조인 그래핀 나노 시트를 함유하는 제3분산액을 잉크젯 프린팅하여 전극을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.Forming a metal oxide precursor layer by inkjet printing a first dispersion containing metal sulfide or metal selenide nanosheets having a two-dimensional structure and having a micro-sized average side size on a substrate;
forming a metal oxide insulating layer by heat treating the metal oxide precursor layer;
Forming a semiconductor channel layer by inkjet printing a second dispersion containing two-dimensional semiconductor nanosheets with a micro-sized average side size and a two-dimensional structure on the metal oxide insulating layer; and
Using a two-dimensional material dispersion, comprising the step of patterning an electrode by inkjet printing a third dispersion containing graphene nanosheets with a two-dimensional structure and having an average side size of micro size on the semiconductor channel layer. Inkjet printed semiconductor device manufacturing method. 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체층을 형성하는 단계에서,
상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는,
음극 및 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제1분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계;
상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제1분자침투제를 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계;
상기 제1분자침투제가 침투된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 박리시키는 초음파조사단계;및
상기 박리된 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
In the step of forming the metal oxide precursor layer,
The metal sulfide or metal selenide nanosheets,
An electrode supporting step of supporting a cathode and an anode including a crystal layer of a metal sulfide or metal selenide material in a solution containing a first molecular penetrant;
A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the first molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the metal sulfide or metal selenide material;
An ultrasonic irradiation step of exfoliating the metal sulfide or metal selenide material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the metal sulfide or metal selenide material into which the first molecular penetrating agent has been penetrated; And
Manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, comprising the step of producing a metal sulfide or metal selenide nanosheet by performing a separation step of separating the exfoliated metal sulfide or metal selenide material. method. 제2항에 있어서,
상기 제1분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 2,
The first molecular penetrating agent is an inkjet printed semiconductor using a two-dimensional material dispersion, characterized in that it contains at least one selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide. Device manufacturing method. 제2항에 있어서,
상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 2,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the ultrasonic irradiation is performed by irradiating ultrasonic waves of 7 W or more and 15 W or less. 제2항에 있어서,
상기 제1분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 2,
The first dispersion is a two-dimensional material dispersion comprising at least one solvent selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. Method for manufacturing inkjet printed semiconductor devices. 제1항에 있어서,
상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노 시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 인 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, wherein the average lateral size of the metal sulfide or metal selenide nanosheet is 1.0 μm to 1.2 μm. 제1항에 있어서,
상기 금속 설파이드 또는 금속 셀레나이드 나노시트는 HfS2, HfSe2, ZrS2 및 ZrSe2으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
The metal sulfide or metal selenide nanosheet is HfS 2 , A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion comprising at least one selected from the group consisting of HfSe 2 , ZrS 2 and ZrSe 2 . 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 절연층을 형성하는 단계에서,
상기 열처리는 300˚C 내지 500 ˚C 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
In the step of forming the metal oxide insulating layer,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the heat treatment is performed in a temperature range of 300 ˚C to 500 ˚C. 제1항에 있어서,
상기 반도체 채널층을 형성하는 단계에서,
상기 2차원 반도체 나노 시트는,
음극 및 2차원 반도체 물질의 결정층을 포함하는 양극을 제2분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계;
상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제2분자침투제를 상기 2차원 반도체물질의 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계;
상기 제2분자침투제가 침투된 상기 2차원 반도체 물질의 결정층에 초음파를 조사하여 상기 2차원 반도체 물질을 박리시키는 초음파조사단계;및
상기 박리된 2차원 반도체 물질을 분리하는 분리단계를 수행하여 2차원 반도체 나노 시트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
In the step of forming the semiconductor channel layer,
The two-dimensional semiconductor nanosheet is,
An electrode supporting step of supporting an anode including a cathode and a crystal layer of a two-dimensional semiconductor material in a solution containing a second molecular penetrant;
A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the second molecular penetrating agent to penetrate between the crystal layers of the two-dimensional semiconductor material;
An ultrasonic irradiation step of exfoliating the two-dimensional semiconductor material by irradiating ultrasonic waves to the crystal layer of the two-dimensional semiconductor material into which the second molecular penetrating agent has penetrated; And
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, comprising the step of manufacturing a two-dimensional semiconductor nanosheet by performing a separation step of separating the exfoliated two-dimensional semiconductor material. 제9항에 있어서,
상기 제2분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 9,
The second molecular penetrating agent is an inkjet printed semiconductor using a two-dimensional material dispersion, characterized in that it contains one or more selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide. Device manufacturing method. 제9항에 있어서,
상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 9,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the ultrasonic irradiation is performed by irradiating ultrasonic waves of 7 W or more and 15 W or less. 제9항에 있어서,
상기 제2분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 9,
The second dispersion is a two-dimensional material dispersion comprising at least one solvent selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. Method for manufacturing inkjet printed semiconductor devices. 제9항에 있어서,
상기 2차원 반도체 나노 시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 인 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 9,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the average side size of the two-dimensional semiconductor nanosheet is 1.0 μm to 1.2 μm. 제1항에 있어서,
상기 2차원 반도체 나노 시트는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, HfS2, HfSe2, graphene 및 Black phosphorus으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
The two-dimensional semiconductor nanosheet is a two-dimensional material comprising at least one selected from the group consisting of MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , graphene, and black phosphorus. Method for manufacturing inkjet printed semiconductor devices using dispersion liquid. 제1항에 있어서,
상기 전극을 패터닝하는 단계에서,
상기 그래핀 나노시트는,
그래파이트를 포함하는 음극과 그래파이트를 포함하는 양극을 제3분자침투제를 포함하는 용액에 담지하는 전극담지단계;
상기 음극 및 양극에 전압을 인가하여 상기 제3분자침투제를 상기 그래파이트 결정층 사이에 침투시키는 전압인가단계;
상기 제3분자침투제가 침투된 그래파이트에 초음파를 조사하여 상기 그래파이트를 박리시키는 초음파조사단계;및
상기 박리된 그래파이트를 분리하는 분리단계를 수행하여 그래핀 나노시트를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
In the step of patterning the electrode,
The graphene nanosheets are,
An electrode supporting step of supporting a cathode containing graphite and an anode containing graphite in a solution containing a third molecular penetrant;
A voltage application step of applying a voltage to the cathode and the anode to allow the third molecular penetrating agent to penetrate between the graphite crystal layers;
An ultrasonic irradiation step of exfoliating the graphite by irradiating ultrasonic waves to the graphite infiltrated with the third molecular penetrant; and
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, comprising the step of performing a separation step of separating the exfoliated graphite to produce graphene nanosheets. 제15항에 있어서,
상기 제3분자침투제는 Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide 및 Tetradecylammonium bromide으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 15,
The third molecular penetrating agent is an inkjet printed semiconductor using a two-dimensional material dispersion, characterized in that it contains at least one selected from the group consisting of Tetraheptylammonium bromide, Tetrabutylammonium hydrogen sulfate, Tetrabutylammonium bromide, Tetraethylammonium bromide, Tetrapropylammonium bromide, and Tetradecylammonium bromide. Device manufacturing method. 제15항에 있어서,
상기 초음파 조사는 7W 이상 15 W 이하의 초음파를 조사하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to clause 15,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the ultrasonic irradiation is performed by irradiating ultrasonic waves of 7 W or more and 15 W or less. 제1항에 있어서,
상기 제3분산액은 N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol 및 Alcohol 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
The third dispersion is a two-dimensional material dispersion comprising at least one solvent selected from the group consisting of N-methyl-pyrrolidone, N,N-Dimethylformamide, Isopropanol, Toluene, Propylene carbonate, Chloroform, Ethanol, and Alcohol. Method for manufacturing inkjet printed semiconductor devices. 제1항에 있어서,
상기 그래핀 나노시트의 평균 측면 크기는 1.0μm 내지 1.2μm 인 것을 특징으로 하는 2차원 물질 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법.According to paragraph 1,
A method of manufacturing an inkjet printed semiconductor device using a two-dimensional material dispersion, characterized in that the average lateral size of the graphene nanosheet is 1.0 μm to 1.2 μm. 제1항의 분산액을 이용하여 잉크젯 프린팅된 반도체 소자 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.A semiconductor device manufactured by an inkjet printed semiconductor device manufacturing method using the dispersion of claim 1. 제20항에 있어서,
Ion/Ioff (온/오프 전류비)는 103 내지 106 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.According to clause 20,
A semiconductor device characterized in that I on /I off (on/off current ratio) is 10 3 to 10 6 . 제20항에 있어서,
게이트 전압(gate voltage)은 -2V 내지 4V 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.According to clause 20,
A semiconductor device characterized in that the gate voltage is -2V to 4V.
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