WO2015174749A1 - 탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 - Google Patents

탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터 Download PDF

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thin film
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon nanotube interlayer, a method of manufacturing the same, and a thin film transistor using the same, and more particularly, to a thin film transistor having improved performance of an electronic device.
  • OTFTs organic thin film transistors
  • the conjugated molecules used as the active layer in OTFT can be dissolved in a general organic solvent, it is possible to manufacture the device through a printing or a solution process. It also has the ability to control the desired electrical properties by changing the chemical structure at the design stage of the material.
  • Carbon nanotubes have been actively studied for the last 25 years as they have unique optical, mechanical, and electrical properties and can be applied to various fields. In particular, the excellent electrical properties are expected to be applicable to a variety of electronic devices.
  • sc-SWCNT has the highest charge mobility.
  • the charge mobility of a well-aligned strand of sc-SWCNTs is much higher than crystalline Si, with a theoretical limit of 10,000 cm 2 / Vs.
  • sc-SWCNTs have very good charge mobility compared to silicon devices, making it possible to produce next-generation ultrafast transistors.
  • An object of the present invention is to provide a thin film transistor which can improve the performance of the device by reducing the trap between the electrode and the semiconductor layer.
  • Another object of the present invention is to provide a thin film transistor which can lower the contact resistance between the electrode and the semiconductor.
  • Still another object of the present invention is to provide a thin film transistor having good performance in which both p-type characteristics and n-type characteristics can be obtained well.
  • the present invention provides a layer constituting an organic thin film transistor, comprising a conjugated polymer and a single-walled carbon nanotube between an organic semiconductor layer and a source / drain electrode, wherein the conjugated polymer has a semiconductor property.
  • a carbon nanotube interlayer layer is provided that selectively wraps wall carbon nanotubes.
  • the conjugated polymer of the present invention provides a carbon nanotube interlayer layer, characterized in that the fluorene or thiophene polymer.
  • the carbon nanotube interlayer layer of the present invention provides a carbon nanotube interlayer layer, characterized in that the single-walled carbon nanotubes contained 0.0001 ⁇ 0.015 mg / ml.
  • the present invention provides a method for producing a layer included in a thin film transistor, a mixing step of mixing a conjugated polymer and a single-wall carbon nanotubes in a solvent; An ultrasonic treatment step of sonicating the mixed solution; Separation step to separate the centrifuge to take a floating solution; And forming a carbon nanotube interlayer layer forming a layer of the floating solution between the organic semiconductor layer and the source / drain electrode, wherein the carbon nanotube interlayer layer comprises a single-walled carbon nanotube having a conjugated polymer and semiconductor properties.
  • the conjugated polymer provides a method for producing a carbon nanotube interlayer layer, characterized in that for selectively wrapping single-walled carbon nanotubes having a semiconductor property.
  • the mixing step of the present invention includes a conjugated polymer 4 ⁇ 6mg and single-wall carbon nanotubes 1.5 ⁇ 3.0mg per 1ml of the solvent, the mixing ratio of the conjugated polymer and single-walled carbon nanotubes 3: 2-3: 1 It provides a method for producing a carbon nanotube interlayer layer characterized in that.
  • the conjugated polymer of the present invention provides a method for producing a carbon nanotube interlayer layer, characterized in that the fluorene or thiophene polymer.
  • the floating solution of the present invention provides a method for producing a carbon nanotube interlayer layer, characterized in that the single-walled carbon nanotubes contained 0.0001 ⁇ 0.015 mg / ml.
  • the present invention also provides a substrate; Source / drain electrodes positioned on the substrate to be spaced apart from each other; A carbon nanotube interlayer layer comprising conjugated polymer and single-walled carbon nanotubes positioned over the entire surface of the substrate including the source / drain electrodes; An organic semiconductor layer located in front of the carbon nanotube layer; A gate insulating film disposed on an entire surface of the organic semiconductor layer; A gate electrode on the gate insulating film; Including, but the conjugated polymer provides a thin film transistor, characterized in that for selectively wrapping single-walled carbon nanotubes having a semiconductor property.
  • the conjugated polymer in the carbon nanotube interlayer of the present invention provides a thin film transistor, characterized in that the fluorene or thiophene polymer.
  • the carbon nanotube interlayer of the present invention provides a thin film transistor, characterized in that the single-walled carbon nanotube contained 0.0001 ⁇ 0.015 mg / ml.
  • the organic semiconductor layer of the present invention uses an N-type organic semiconductor or a P-type organic semiconductor
  • the N-type organic semiconductor is an acene-based material, a fully fluorinated acene-based material, a partially fluorinated acene-based material, a partially fluorinated oligonucleotide Thiophene-based materials, fullerene-based materials, fullerene-based materials having substituents, fully-fluorinated phthalocyanine-based materials, partially-fluorinated phthalocyanine-based materials, perylene tetracarboxylic diimide diimide based materials, perylene tetracarboxylic dianhydride based materials, naphthalene tetracarboxylic diimide based materials or naphthalene tetracarboxylic dianhydride based materials It is selected from a substance or a derivative thereof, the P-type organic semiconductor is acene (acen)
  • the gate insulating film of the present invention is made of an organic translation film or an inorganic insulating film
  • the organic insulating film is a polymethacrylate (PMMA, polymethylmethacrylate), polystyrene (PS, polystyrene), phenolic polymer, acrylic polymer, such as polyimide
  • PMMA polymethacrylate
  • PS polystyrene
  • phenolic polymer acrylic polymer, such as polyimide
  • imide polymer aryl ether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p-xylene polymer, vinyl alcohol polymer, parylene
  • the inorganic insulating film is silicon
  • a thin film transistor comprising any one or more selected from an oxide film, a silicon nitride film, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , BST, and PZT.
  • the gate electrode of the present invention is aluminum (Al), aluminum alloy (Al-alloy), molybdenum (Mo), molybdenum alloy (Mo-alloy), silver nanowire (silver nanowire), gallium indium eutectic ), PEDOT; provides a thin film transistor, characterized in that using any one selected from the PSS.
  • the thin film transistor according to the present invention has a lower activating energy effect than the device without the carbon nanotube interlayer, which inserts the carbon nanotube interlayer to reduce the trap between the electrode and the semiconductor layer. There is an effect to be improved.
  • the thin film transistor according to the present invention serves to lower the contact resistance between the electrode and the semiconductor layer when the carbon nanotube interlayer layer is inserted, which is one of the causes of device performance improvement.
  • the thin film transistor according to the present invention when the voltage of the gate is applied, the electric field becomes stronger than other 2D material, the band banding of the semiconductor is made sharply, the injection principle of the device is changed to tunneling (tunneling) to the major and charge At the same time there is an effect that the injection is made very well.
  • FIG. 1 shows a manufacturing process chart of a thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a carbon nanotube interlayer manufacturing process chart according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a schematic shape of the wrapped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows the Uv-vis spectra of carbon nanotubes dispersed in a floating solution.
  • Figure 5 shows the transition curve in the saturation regime of the N type and P type of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 6 shows an output curve in each of the thin film transistors of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1.
  • FIG. 7 shows hight images of thin films after spin-coating CB (chlorobenzene) on thin films of wrapped semiconducting carbon nanotubes of Examples 1 and 2 and partially washing the polymer.
  • CB chlorobenzene
  • Example 8 is a graph showing contact resistance by using the transmission line model (TLM) of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1.
  • TLM transmission line model
  • the thin film transistor of the present invention has been described in the TGBC (Top Gate Bottom Contact) structure, the thin film transistor is not limited thereto and may be applied to a BGTC (Bottom Gate Top Contact) structure.
  • FIG. 1 shows a manufacturing process chart of a thin film transistor according to an embodiment of the present invention.
  • the organic thin film transistor of the top gate type provides a substrate, forms a source / drain electrode spaced apart from each other on the substrate, and forms a carbon nanotube interlayer layer formed to cover the source / drain electrode, and the carbon nano Forming an organic semiconductor layer on the tube interlayer, forming a gate insulating film on the organic semiconductor layer, and forming a gate electrode on a portion of the gate insulating film.
  • a substrate is provided, and source / drain electrodes spaced apart from each other are formed on the substrate.
  • the substrate may be an n-type or p-type doped silicon wafer, glass substrate, polyethersulphone, polyacrylate, polyetherimide, polyimide, polyethylene terephthalate (polyethyeleneterepthalate), a plastic film selected from the group consisting of polyethylene naphthalate, and a glass substrate and a plastic film coated with indium tin oxide, but are not limited thereto.
  • the source / drain electrode may be formed of a single layer selected from Au, Al, Ag, Mg, Ca, Yb, Cs-ITO, or an alloy thereof, and may be Ti, Cr, or Ni to improve adhesion to the substrate. It may be formed in a multi-layer further comprising an adhesive metal layer, such as.
  • an adhesive metal layer such as.
  • the source / drain electrodes may be manufactured using a printing process such as inkjet printing or spraying. Through the printing process, the source / drain electrodes can be formed and the vacuum process can be excluded, thereby reducing the manufacturing cost.
  • a carbon nanotube interlayer may be formed over the entire surface of the substrate including the source / drain electrodes.
  • the carbon nanotube interlayer may be formed by laminating conjugated polymers on the carbon nanotubes.
  • the carbon nanotube interlayer may contain 0.0001 to 0.015 mg / ml of single-walled carbon nanotubes in the conjugated polymer.
  • Figure 2 shows a carbon nanotube interlayer manufacturing process chart according to an embodiment of the present invention.
  • the method for preparing the carbon nanotube interlayer layer includes a mixing step of mixing a conjugated polymer and a single wall carbon nanotube in a solvent; An ultrasonic treatment step of treating the mixed solution with ultrasonic waves; Separation step to separate the centrifuge to take a floating solution; And a carbon nanotube interlayer layer forming step of forming the floating solution between the organic semiconductor layer and the source / drain electrode.
  • the mixing step may be a mixture of conjugated polymer and single-walled carbon nanotubes in a solvent.
  • the mixing step comprises 4 ⁇ 6mg of conjugated polymer and 1.5 ⁇ 3.0mg of single-walled carbon nanotube per 1ml of solvent, the mixing ratio of the conjugated polymer and single-walled carbon nanotube is preferably 3: 2-3: 1. Do.
  • single-walled carbon nanotubes and conjugated polymers may be well dispersed and mixed in a solvent.
  • chloroform chlorobenzene
  • dichlorobenzene dichlorobenzene
  • trichlorobene xylene and the like
  • conjugated polymer uses fluorene or thiophene polymer.
  • the mixed solution is treated with ultrasonic waves, which may be treated with 15 to 50 Hz, and may be treated with an ultrasonic treatment time of about 30 to 60 minutes.
  • the conjugated polymer is wrapped in semiconducting single-walled carbon nanotubes.
  • Single-walled carbon nanotubes exhibit two properties, semiconducting and metallic. According to the present invention, only semiconducting SWNTs can be selectively selected and utilized.
  • the ultrasonically treated material has a structure in which a conjugated polymer is wrapped in a single-walled carbon nanotube. In this case, only carbon nanotubes having semiconducting properties among the single-walled carbon nanotubes have a structure wrapped with the conjugated polymer.
  • Figure 3 shows a schematic shape of the wrapped carbon nanotubes according to an embodiment of the present invention.
  • the conjugated polymer wraps around the single-walled carbon nanotubes, and the conjugated polymers may be formed side by side as shown in FIG. 3 (a), or may be twisted as shown in FIG. 3 (b).
  • Condensed polymer-lapping carbon nanotubes have a lower specific gravity than other carbon nanotubes and can be separated, which can be separated through a separation step.
  • the separation step is suspended on the wrapped carbon nanotubes through a centrifuge, and the suspended carbon nanotubes may be filtered to separate the wrapped carbon nanotubes.
  • FIG. 4 shows the Uv-vis spectra of the carbon nanotubes dispersed in the suspended solution.
  • Figure 4 (a) is a conjugated polymer poly (9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole) (F8BT ), And (b) of FIG. 4 is a case where PFO is used as a conjugated polymer.
  • semiconducting single-walled carbon nanotubes are found in the range of 1000-1400 nm, and metallic single-walled carbon nanotubes are found in the 500-600 nm range.
  • Centrifugation is preferably carried out at 8,000 ⁇ 10,000g, it is possible to take a floating solution to be suspended by the centrifugation can be utilized as an interlayer layer between the source / drain electrode and the semiconductor layer. That is, a carbon nanotube interlayer layer may be formed to form the floating solution between the organic semiconductor layer and the source / drain electrode.
  • the carbon nanotube interlayer is formed between the source / drain electrode and the organic semiconductor layer, the trap is reduced and the charge mobility is improved. As a result, the performance of the electronic device is improved.
  • an organic semiconductor layer may be formed over the entire surface.
  • the organic semiconductor layer may be an N-type organic semiconductor or a P-type organic semiconductor.
  • the N-type organic semiconductor is an acene-based material, a fully fluorinated acene-based material, a partially fluorinated acene-based material, a partially fluorinated oligothiophene-based material, a fullerene-based material, a fullerene-based material having a substituent, Fully fluorinated phthalocyanine-based materials, partially fluorinated phthalocyanine-based materials, perylene tetracarboxylic diimide-based materials, perylene tetracarboxylic dianhydride-based materials, naphthalene It is preferable to include any one of tetracarboxylic diimide-based material or naphthalene tetracarboxylic dianhydride-based material.
  • the acene-based material may be selected from anthracene, tetracen
  • the P-type organic semiconductor is acene (acene), poly-thienylenevinylene (poly-thienylenevinylene), poly-3-hexylthiophene (poly-3-hexylthiophen), alpha-hexathienylene ( ⁇ -hexathienylene), Naphthalene, alpha-6-thiophene, alpha-4-thiophene, alpha-4-thiophene, rubrene, polythiophene, polyparaphenylene Vinylene (polyparaphenylenevinylene), polyparaphenylene, polyfluorene, polythiophenevinylene, polythiophene-heterocyclicaromatic copolymer, triarylamine ( triarylamine) or derivatives thereof, wherein the acene group is any one of pentacene, perylene, tetratracene or anthracene.
  • a gate insulating film may be formed over the entire surface of the semiconductor layer.
  • the gate insulating film may be included as a single film or a multilayer film of an organic insulating film or an inorganic insulating film or an organic-inorganic hybrid film.
  • the organic insulating film may be polymethacrylate (PMMA, polymethylmethacrylate), polystyrene (PS, polystyrene), phenolic polymer, acrylic polymer, imide polymer such as polyimide, arylether polymer, amide polymer, fluorine polymer, p -Use any one or more selected from xyrene-based polymer, vinyl alcohol-based polymer, parylene (parylene).
  • the inorganic insulating film any one or more selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , BST, and PZT is used.
  • a gate electrode may be formed in a portion of the gate insulating layer.
  • the gate electrode may include aluminum (Al), aluminum alloy (Al-alloy), molybdenum (Mo), molybdenum alloy (Mo-alloy), silver nanowires, gallium indium eutectic, PEDOT; It may be formed of any one selected from the PSS.
  • the gate electrode may use the above materials as an ink to manufacture the gate electrode using a printing process such as inkjet printing or spraying. Through such a printing process, a gate electrode can be formed and a vacuum process can be excluded, thereby reducing the manufacturing cost.
  • the thin film transistor according to the embodiment of the present invention can be completed.
  • Chloroform was prepared as a solvent, and poly (9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole) (F8BT) was used as single-walled carbon nanotube and conjugated polymer.
  • the ultrasonicated material is centrifuged using a centrifuge.
  • the centrifugation is performed at 9,000 g for 5 minutes, and the suspended suspension solution is used to prepare a carbon nanotube interlayer.
  • a carbon nanotube interlayer layer formed to cover the source / drain electrodes is formed, and on the carbon nanotube interlayer layer
  • a thin film transistor was fabricated to form an organic semiconductor layer, to form a gate insulating film on the organic semiconductor layer, and to form a gate electrode on a portion of the gate insulating film.
  • a glass substrate was used as a substrate, and a source / drain electrode was formed on the substrate through a printing process. It was prepared using the carbon nanotube interlayer prepared in the above "Production of carbon nanotube interlayer" on the source / drain electrodes, PTVPhl-Eh was prepared for the organic semiconductor layer.
  • the thin film transistor was completed by forming PMMA as the gate insulating film and aluminum (Al) as the gate electrode.
  • a thin film transistor was manufactured in the same manner as in Example 1, without preparing the carbon nanotube interlayer. That is, the thin film transistor of Comparative Example 1 manufactured a thin film transistor including a substrate, a source / drain electrode, an organic semiconductor layer, a gate blocking film, and a gate electrode.
  • Example 1 The performances of the thin film transistors of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 were compared as follows.
  • Figure 5 shows the transition curve in the saturation regime of the N type and P type of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1.
  • Example 5 is a graph showing the performance of a transistor.
  • the current was the lowest as shown in the p-type graph, and Example 1 and Example 2 with the interlayer were inserted. This is a direct cause of the increase in charge mobility of the transistor.
  • the N-type graph it can be seen that in the case of Example 1 and Example 2, in which the interlayer layer was inserted, the current increased about 200 times, and the hysteresis seen in the graph of Comparative Example 2 without the interlayer layer disappeared. Can be.
  • the n-type characteristic decreases when the p-type characteristic increases or the p-type characteristic decreases when the n-type characteristic increases.
  • the present invention it was found that both the n-type and p-type characteristics are increased. This has the advantage that when one goes from transistor to circuit, one material can be used without patterning without having to insert different interlayers, which are required only for each n-type and p-type characteristics.
  • FIG. 6 shows an output curve in each of the thin film transistors of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1.
  • FIG. 6 (a) is Example 1
  • Figure 6 (b) is Example 2
  • Figure 6 (c) shows the output characteristics of the p type and n type of Comparative Example 1.
  • Comparative Example 1 when the carbon nanotube interlayer material is not inserted, the p-type property is better than the n-type property.
  • the carbon nanotube interlayer layer according to the present invention is inserted as in Example 1 and Example 2, it can be seen that both the p-type characteristics and the n-type characteristics come out well.
  • FIG. 7 shows hight images of thin films after spin-coating CB (chlorobenzene) on thin films of wrapped semiconducting carbon nanotubes of Examples 1 and 2 and partially washing the polymer.
  • CB chlorobenzene
  • Example 8 is a graph showing contact resistance by using the transmission line model (TLM) of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1.
  • TLM transmission line model
  • FIG. 8A shows Example 1
  • FIG. 8B shows Example 2
  • FIG. 8C shows the contact resistance of Comparative Example 1.
  • FIG. In the graph the lower the slope, the lower the contact resistance.
  • Example 1 and Example 2 it can be seen that the lower than the slope of Comparative Example 1 it can be seen that the contact resistance is lower. That is, the reason for the improvement of the performance of the thin film transistors (Examples 1 and 2) according to the present invention can be explained by inserting a carbon nanotube interlayer to reduce both the contact resistance between the major and charge sides.

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  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기박막트랜지스터를 구성하는 층으로서, 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함한 층으로, 상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터를 제공한다.

Description

탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터
본 발명은 탄소나노튜브 층간층, 이의 제조방법 및 이를 이용한 박막트랜지스터에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 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 활성층으로 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.
[선행기술문헌]
한국공개특허 제2009-0108459호, 한국공개특허 제2011-0080776호
본 발명의 목적은 전극과 반도체층 사이의 트랩이 줄어들게 하여 소자의 성능이 향상시킬 수 있는 박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극과 반도체성 사이에 접촉저항을 낮출 수 있는 박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 p타입 특성 및 n타입 특성이 모두 잘 나올 수 있는 좋은 성능의 박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유기박막트랜지스터를 구성하는 층으로서, 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함한 층으로, 상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 탄소나노튜브 층간층은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층을 제공한다.
또한 본 발명은 박막트랜지스터에 포함된 층을 제조하는 방법에 있어서, 용매에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계; 혼합된 용액을 초음파 처리하는 초음파처리단계; 원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및 상기 부유용액을 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 층을 형성하는 탄소나노튜브 층간층 형성단계를 포함하되, 상기 탄소나노튜브 층간층은 공액고분자 및 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브가 포함되되, 상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 공액고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함되며, 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 3:2~3:1인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 상기 부유용액은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 위치한 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극; 상기 소스/드레인 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함된 탄소나노튜브 층간층; 상기 탄소나노튜브 층 상의 전면에 위치하는 유기반도체층; 상기 유기반도체층 상의 전면에 위치하는 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막 상에 위치한 게이트 전극; 을 포함하되, 상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 탄소나노튜브 층간층에서 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 탄소나노튜브 층간층은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖ 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 유기반도체층은 N형 유기반도체 또는 P형 유기반도체를 사용하되, 상기 N형 유기반도체는 아센계 물질, 완전 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 올리고티오펜(oligothiophene)계 물질, 플러렌(fullerene)계 물질, 치환기를 갖는 플러렌계 물질, 완전 불화된 프탈로시아닌(phthalocyanine)계 물질, 부분 불화된 프탈로시아닌계 물질, 페릴렌 테트라카르복실릭 디이미드(perylene tetracarboxylic diimide)계 물질, 페릴렌 테트라카르복실 디안하이드라이드(perylene tetracarboxylic dianhydride)계 물질, 나프탈렌 테트라카르복실릭 디이미드(naphthalene tetracarboxylic diimide)계 물질 또는 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(naphthalene tetracarboxylic dianhydride)계 물질 또는 이들의 유도체 중에서 선택되며, 상기 P형 유기반도체는 아센(acene), 폴리-티에닐렌비닐렌(poly-thienylenevinylene), 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophen), 알파-헥사티에닐렌(α-hexathienylene), 나프탈렌(naphthalene), 알파-6-티오펜(α-6-thiophene), 알파-4-티오펜 (α-4-thiophene), 루브렌(rubrene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리파라페닐렌비닐렌 (polyparaphenylenevinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리플로렌(polyfluorene), 폴리티오펜비닐렌(polythiophenevinylene), 폴리티오펜-헤테로고리방향족 공중합체(polythiophene-heterocyclicaromatic copolymer), 트리아릴아민(triarylamine)을 포함하는 물질 또는 이들의 유도체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 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 발명의 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 탄소나노튜브 층간층을 삽입하지 않은 소자에 비해서 액티베이션 에너지가 낮은 효과가 있는 데, 이는 탄소나노튜브 층간층을 삽입하면 전극과 반도체층 사이의 트랩이 줄어들어 소자의 성능이 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 박막트랜지스터는 탄소나노튜브 층간층을 삽입시 전극과 반도체층 사이에 접촉저항을 낮추는 역할도 하여 소자 성능이 향상되는 원인 중 하나가 된다.
또한 본 발명에 따른 박막트랜지스터는 게이트의 전압이 가해지면, 전기장이 다른 2D 물질보다 강력하게 되어 반도체의 밴드 밴딩이 급격하게 이루어지게 되어,소자의 주입 원리는 터널링(tunneling)으로 바뀌게 되어 전공과 전하가 동시에 주입이 매우 잘 이루어지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막트랜지스터를 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 층간층 제조공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 랩핑된 탄소나노튜브의 개략적인 형상을 나타낸 것이다.
도 4는 부유용액에 분산된 탄소나노튜브의 Uv-vis spectra를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 N타입 및 P타입의 saturation regime에서 전이곡선을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 각각의 박막트랜지스터에서 Output 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1 및 실시예 2의 랩핑된 반도체성 탄소나노튜브의 박막에 CB(chlorobenzene)을 스핀코팅해서 고분자를 일부 씻어낸 후 박막의 hight이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 Transmission line model(TLM)을 이용해 접촉저항을 나타낸 그래프이다.
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 BGTC(Bottom Gate Top Contact)구조 등에서도 적용될 수 있다.
도 1는 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 형성된 탄소나노튜브 층간층을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 층간층 상에 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 탄소나노튜브 층간층을 형성할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 층간층은 탄소나노튜브에 공액고분자가 랩핑되어 형성될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 층간층은 공액고분자에 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 층간층 제조공정도를 나타낸 것이다.
상기 탄소나노튜브 층간층을 제조하는 방법은 용매에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계; 혼합된 용액을 초음파로 처리하는 초음파처리단계; 원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및 상기 부유용액을 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 층을 형성하는 탄소나노튜브 층간층 형성단계로 이루어질 수 있다.
먼저 혼합단계는 용매에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 혼합할 수 있다. 상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 공액고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함시키며, 상기 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 3:2~3:1인 것이 바람직하다.
상기 범위로 혼합할 경우 용매에 단일벽 탄소나노튜브 및 공액고분자가 잘 분산되어 혼합될 수 있다.
상기 용매의 종류로는 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 트리클로로벤제, 자일렌 등을 이용할 수 있다.
공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
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 공액고분자가 랩핑된 구조로 이루어진다.
단일벽 탄소나노튜브는 두 가지 성질을 나타내는 데, 반도체성 및 금속성의 성질을 갖는다. 본 발명은 반도체성의 SWNT만을 선택적으로 골라내어 이를 활용할 수 있다. 초음파로 처리된 물질은 단일벽 탄소나노튜브에 공액고분자가 랩핑된 구조로 이루어지는 데, 이때 단일벽 탄소나노튜브 중 반도체성 성질을 갖는 탄소나노튜브만이 공액고분자와 랩핑된 구조를 띄게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 랩핑된 탄소나노튜브의 개략적인 형상을 나타낸 것이다.
공액고분자가 단일벽 탄소나노튜브를 감싸게 되는 데, 도 3의 (a)와 같이 공액고분자가 나란하게 형성되거나, 도 3의 (b)와 같이 꼬여서 형성될 수도 있다.
공액고분자가 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 랩핑된 탄소나노튜브를 분리할 수 있다.
부유용액에 분산되어 있는 단일벽 탄소나노튜브는 반도체성의 탄소나노튜브가 랩핑된 것임을 확인할 수 있는 데, 도 4는 부유용액에 분산된 탄소나노튜브의 Uv-vis spectra를 나타낸 것이다.
부유용액에 분산되어 있는 단일벽 탄소나노튜브를 살펴보면 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브임을 확인할 수 있는 데, 도 4의 (a)는 공액고분자로 poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole) (F8BT)를 사용한 경우이고, 도 4의 (b)는 공액고분자로 PFO를 사용한 경우이다.
Uv-vis spectra에서 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브는 1000~1400 nm 범위에서 발견되고, 금속성의 단일벽 탄소나노튜브는 500~600 nm 범위에서 발견된다.
도 4를 참조하면, Uv-vis spectra에서 500~600nm 범위의 peak는 보이지 않고 1000~1400 nm범위의 peak가 발견되기 때문에 부유용액 반도체성의 단일벽 탄소나노튜브가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.
원심분리는 8,000 ~ 10,000g로 실시하는 것이 바람직하며, 상기 원심분리를 통해 부유하게 되는 부유용액을 취하여 이를 소스/드레인 전극과 반도체층 사이의 층간층으로 활용할 수 있다. 즉 상기 부유용액을 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 층을 형성하는 탄소나노튜브 층간층을 형성할 수 있다.
이와 같이 소스/드레인 전극과 유기반도체층 사이에 탄소나노튜브 층간층을 형성하게 되면 트랩이 줄어들게 되어 전하이동도가 좋게 된다. 결국 전자소자의 성능이 향상되는 효과가 있다.
상기 탄소나노튜브 층간층 상에는 전면에 걸쳐 유기반도체층을 형성할 수 있다.
상기 유기반도체층은 N형 유기반도체 또는 P형 유기반도체를 사용할 수도 있다. 상기 N형 유기반도체는 아센계 물질, 완전 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 올리고티오펜(oligothiophene)계 물질, 플러렌(fullerene)계 물질, 치환기를 갖는 플러렌계 물질, 완전 불화된 프탈로시아닌(phthalocyanine)계 물질, 부분 불화된 프탈로시아닌계 물질, 페릴렌 테트라카르복실릭 디이미드(perylene tetracarboxylic diimide)계 물질, 페릴렌 테트라카르복실 디안하이드라이드(perylene tetracarboxylic dianhydride)계 물질, 나프탈렌 테트라카르복실릭 디이미드(naphthalene tetracarboxylic diimide)계 물질 또는 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(naphthalene tetracarboxylic dianhydride)계 물질 중에서 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 아센(acene)계 물질은 안트라센, 테트라센, 펜타센, 페릴렌 또는 코노렌 중에서 선택될 수 있다.
또한 상기 P형 유기반도체는 아센(acene), 폴리-티에닐렌비닐렌(poly-thienylenevinylene), 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophen), 알파-헥사티에닐렌(α-hexathienylene), 나프탈렌(naphthalene), 알파-6-티오펜(α-6-thiophene), 알파-4-티오펜 (α-4-thiophene), 루브렌(rubrene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리파라페닐렌비닐렌 (polyparaphenylenevinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리플로렌(polyfluorene), 폴리티오펜비닐렌(polythiophenevinylene), 폴리티오펜-헤테로고리방향족 공중합체(polythiophene-heterocyclicaromatic copolymer), 트리아릴아민(triarylamine)을 포함하는 물질 또는 이들의 유도체 중에서 선택될 수 있는 데, 여기서 상기 아센족 물질은 펜타센(pentacene), 페릴렌(perylene), 테트라센(tetracene) 또는 안트라센(anthracene) 중에서 어느 하나이다.
상기 반도체층의 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.
이하 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예 1
탄소나노튜브 층간층 제조
용매로 클로로포름을 준비하고, 단일벽 탄소나노튜브 및 공액고분자로 poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole) (F8BT)를 이용하였다.
클로로포름 1㎖ 당 F8BT 4mg, 단일벽 탄소나노튜브 2mg을 혼합하였다. (혼합단계) 혼합된 용액을 초음파 처리하는 데 먼저 ultrasonication bath에서 20Hz로 30분간 실시한 후 Tip sonicator로 15분간 초음파 처리한다.(초음파처리단계)
초음파 처리된 물질을 원심분리기를 이용하여 원심분리하는 데, 원심분리는 9,000 g로 하여 5분간 실시하고 부유된 부유용액을 취하여 탄소나노튜브 층간층의 제조에 활용한다.
박막트랜지스터 제조
박막트랜지스터를 제조하는 데 있어, 상기 기판 상에 서로 이격되게 소스/드레인 전극을 형성시킨 후, 상기 소스/드레인 전극을 덮도록 형성된 탄소나노튜브 층간층을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 층간층 상에 유기반도체층을 형성하고, 상기 유기반도체층 위에 게이트 절연막을 형성하고, 그리고 상기 게이트 절연막 상의 일부 영역에 게이트 전극을 형성하는 박막트랜지스터를 제조하였다.
이때, 기판으로는 유리기판을 이용하였으며, 기판 상에 인쇄 공정을 통해서 소스/드레인 전극을 형성하였다. 소스/드레인 전극 상에 상기 "탄소나노튜브 층간층 제조"에서 제조된 탄소나노튜브 층간층을 이용하여 제조하며, 유기반도체층에는 PTVPhl-Eh를 이용하여 제조하였다.
게이트 절연막으로는 PMMA, 게이트 전극은 알루미늄(Al)으로 형성하여 박막트랜지스터를 완성하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 제조하되, "탄소나노튜브 층간층 제조"시 공액고분자로 poly[9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl] (PFO) 를 이용하였다.
비교예 1
탄소나노튜브 층간층의 제조없이 실시예 1과 동일하게 박막트랜지스터를 제조하였다. 즉, 비교예 1의 박막트랜지스터는 기판, 소스/드레인 전극, 유기반도체층, 게이트 절역막, 게이트 전극으로 구성된 박막트랜지스터를 제조하였다.
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 박막트랜지스터의 성능을 비교한 것은 다음과 같다.
도 5는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 N타입 및 P타입의 saturation regime에서 전이곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 트랜지스터의 성능을 나타내는 그래프이다. 층간층의 삽입이 없는 비교예 1의 경우는 p-type 그래프에서 보듯이 전류가 가장 낮으며, 층간층을 삽입한 실시예 1 및 실시예 2는 전류가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 트랜지스터의 전하이동도가 증가하는 직접적인 원인이 된다. 또한 N-type 그래프에서도 마찬가지로 층간층이 삽입된 실시예 1 및 실시예 2의 경우 전류가 약 200배 상승하는 것을 볼 수 있으며, 층간층이 없는 비교예 2의 그래프에서 보이는 히스테리시스도 없어 지는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 성능향상을 위해 S/D전극과 반도체층 사이에 다른층을 삽입하는 경우 p-type 특성이 증가할 경우 n-type 특성이 줄어들거나 n-type특성이 증가할 경우 p-type 특성이 줄어드는 것이 보통인데, 본 발명에서는 n-type특성과 p-type특성이 모두 증가하는 현상을 발견할 수 있었다. 이는 트랜지스터에서 더 나아가 회로로 발전했을 때, 각각의 n-type 특성과 p-type특성에서만 필요한 서로 다른 층간층을 삽입할 필요 없이, 한가지 물질을 패터닝 없이 사용할 수 있다는 장점이 있다고 볼 수 있다.
도 6은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 각각의 박막트랜지스터에서 Output 곡선을 나타낸 것이다.
도 6의 (a)는 실시예 1, 도 6의 (b)는 실시예 2, 도 6의 (c)은 비교예 1의 p타입과 n타입의 output 특성을 나타낸 것이다. 비교예 1에서 보듯이 탄소나노튜브 층간층 물질이 삽입이 안 된 경우에는 p타입 특성이 n타입 특성보다 잘 나온다. 그러나, 실시예 1 및 실시예 2와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 층간층이 삽입된 경우에는 p타입 특성 및 n타입 특성이 모두 잘 나오는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 실시예 1 및 실시예 2의 랩핑된 반도체성 탄소나노튜브의 박막에 CB(chlorobenzene)을 스핀코팅해서 고분자를 일부 씻어낸 후 박막의 hight이미지를 나타낸 것이다.
도 7을 살펴보면, 단일벽 탄소나노튜브가 박막에 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 Transmission line model(TLM)을 이용해 접촉저항을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (a)는 실시예 1, 도 8의 (b)는 실시예 2, 도 8의 (c)은 비교예 1의 접촉저항을 나타낸 것이다. 그래프에서 기울기가 낮을수록 접촉저항이 낮다는 것을 의미하는 데, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 비교예 1의 기울기보다 낮은 것을 확인할 수 있으므로 접촉저항이 더 낮다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 박막트랜지스터(실시예 1 및 실시예 2)의 성능향상의 이유는 탄소나노튜브 층간층이 삽입되어 전공쪽과 전하쪽의 접촉저항을 모두 줄여주는 것으로 설명될 수 있다.
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 (13)

  1. 유기박막트랜지스터를 구성하는 층으로서,
    유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함한 층으로,
    상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 층간층은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층.
  4. 박막트랜지스터에 포함된 층을 제조하는 방법에 있어서,
    용매에 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 혼합하는 혼합단계;
    혼합된 용액을 초음파 처리하는 초음파처리단계;
    원심분리기로 분리하여 부유용액을 취하는 분리단계; 및
    상기 부유용액을 유기반도체층 및 소스/드레인 전극 사이에 층을 형성하는 탄소나노튜브 층간층 형성단계를 포함하되,
    상기 탄소나노튜브 층간층은 공액고분자 및 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브가 포함되되,
    상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 혼합단계는 용매 1㎖ 당 공액고분자 4~6mg 및 단일벽 탄소나노튜브 1.5~3.0mg이 포함되며, 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브의 혼합비율은 3:2~3:1인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 부유용액은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖가 포함된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 층간층 제조방법.
  8. 기판;
    상기 기판 상에 위치한 서로 이격되어 위치하는 소스/드레인 전극;
    상기 소스/드레인 전극을 포함하는 기판 전면에 걸쳐 위치한 공액고분자 및 단일벽 탄소나노튜브를 포함된 탄소나노튜브 층간층;
    상기 탄소나노튜브 층 상의 전면에 위치하는 유기반도체층;
    상기 유기반도체층 상의 전면에 위치하는 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막 상에 위치한 게이트 전극;
    을 포함하되,
    상기 공액고분자는 반도체성질을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 선택적으로 랩핑하는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 층간층에서 공액고분자는 플루오렌 또는 티오펜 고분자인 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 층간층은 상기 단일벽 탄소나노튜브가 0.0001 ~ 0.015 mg/㎖ 포함된 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 유기반도체층은 N형 유기반도체 또는 P형 유기반도체를 사용하되,
    상기 N형 유기반도체는 아센계 물질, 완전 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 아센계 물질, 부분 불화된 올리고티오펜(oligothiophene)계 물질, 플러렌(fullerene)계 물질, 치환기를 갖는 플러렌계 물질, 완전 불화된 프탈로시아닌(phthalocyanine)계 물질, 부분 불화된 프탈로시아닌계 물질, 페릴렌 테트라카르복실릭 디이미드(perylene tetracarboxylic diimide)계 물질, 페릴렌 테트라카르복실 디안하이드라이드(perylene tetracarboxylic dianhydride)계 물질, 나프탈렌 테트라카르복실릭 디이미드(naphthalene tetracarboxylic diimide)계 물질 또는 나프탈렌 테트라카르복실릭 디안하이드라이드(naphthalene tetracarboxylic dianhydride)계 물질 또는 이들의 유도체 중에서 선택되며,
    상기 P형 유기반도체는 아센(acene), 폴리-티에닐렌비닐렌(poly-thienylenevinylene), 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophen), 알파-헥사티에닐렌(α-hexathienylene), 나프탈렌(naphthalene), 알파-6-티오펜(α-6-thiophene), 알파-4-티오펜 (α-4-thiophene), 루브렌(rubrene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리파라페닐렌비닐렌 (polyparaphenylenevinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리플로렌(polyfluorene), 폴리티오펜비닐렌(polythiophenevinylene), 폴리티오펜-헤테로고리방향족 공중합체(polythiophene-heterocyclicaromatic copolymer), 트리아릴아민(triarylamine)을 포함하는 물질 또는 이들의 유도체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 박막트랜지스터.
  12. 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.
  13. 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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