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KR101224723B1 - 유기 절연막 조성물, 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및유기 박막 트랜지스터 - Google Patents

유기 절연막 조성물, 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및유기 박막 트랜지스터 Download PDF

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KR101224723B1
KR101224723B1 KR1020060089731A KR20060089731A KR101224723B1 KR 101224723 B1 KR101224723 B1 KR 101224723B1 KR 1020060089731 A KR1020060089731 A KR 1020060089731A KR 20060089731 A KR20060089731 A KR 20060089731A KR 101224723 B1 KR101224723 B1 KR 101224723B1
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South Korea
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organic
organic insulating
insulating film
thin film
film transistor
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KR1020060089731A
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이은경
김주영
이상윤
한정석
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 고분자의 측쇄에 높은 가교도를 가질 수 있는 광반응성 관능기를 도입한 유기 절연 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물 및 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다. 본 발명의 유기 절연막 조성물에 의해 제조되는 유기 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터는 구동 시에 히스테리시스가 거의 없어 균일한 특성을 시현할 수 있다.
유기 게이트 절연막, 유기 절연 고분자, 광반응기, 히스테리시스, 유기 박막 트랜지스터

Description

유기 절연막 조성물, 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및 유기 박막 트랜지스터 {Composition for Preparing Organic Insulating Film and Organic Insulating Layer and Organic Thin Film Transistor Prepared by Using the Same}
도 1은 일반적인 유기 박막 트랜지스터의 단면 개략도,
도 2는 실시예 3에서 제조된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 특성곡선이고,
도 3은 비교예 1에서 제조된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 특성곡선이고,
도 4는 실시예 4에서 제조된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달 특성곡선이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 기판 20: 게이트 전극
30: 유기 게이트 절연막 40: 유기 반도체층
50: 소스 전극 60: 드레인 전극
본 발명은 유기 절연막 조성물, 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및 유기 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측쇄에 높은 가교도를 가질 수 있는 광반응성 관능기를 도입한 유기 절연 고분자를 포함하여 박막 트랜지스터의 히스테리시스를 줄일 수 있는 유기 절연막 조성물, 이를 이용하여 제조된 유기 절연막 및 유기 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
박막트랜지스터(thin film transistor: TFT)는 액정 디스플레이 장치(LCD)나 전계발광 디스플레이 장치(ELD: electroluminescence display device) 등의 평판 디스플레이 장치에서 각 화소의 동작을 제어하는 스위칭 소자 및 각 화소의 구동 소자로 사용되고 있다. 이 밖에도 박막 트랜지스터는 스마트 카드(smart card) 또는 인벤토리 태그(inventory tag)용 플라스틱 칩에 그 활용이 예상되고 있다.
이러한 박막 트랜지스터는 고농도의 불순물로 도핑된 소스 영역 및 드레인 영역과 상기 두 영역의 사이에 형성된 채널 영역을 갖는 반도체층을 가지며, 상기 반도체층과 절연되어 상기 채널 영역에 대응되는 영역에 위치하는 게이트 전극과, 상기 소스 영역 및 드레인 영역에 각각 접촉되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다.
박막 트랜지스터의 채널층으로 종래에는 실리콘(Si)과 같은 무기반도체 물질이 일반적으로 사용되어 왔으나, 최근 디스플레이의 대면적화, 저가격화 및 유연화 로 인해서 고가격, 고온진공프로세스를 필요로 하는 무기계 물질에서 유기계 반도체 물질로 바뀌어 가고 있다. 따라서 최근 유기막을 반도체층으로 사용하는 유기 박막 트랜지스터(organic thin film transistor: OTFT)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
유기 박막 트랜지스터는 스핀 코팅 등에 의한 저가의 용액 공정을 통하여 절연층으로 박막 형성이 가능한 장점이 있으나, 유기물의 특성상 계면에서의 트랩 챠지(trap charge)가 발생하거나 외부의 수분 등에 의한 분극(Polarization)으로 게이트 전압의 스윕(sweep) 방향에 따라 히스테리시스가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 즉, 게이트 전극에 특정 세기의 전압이 인가될 경우에 항상 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전류의 크기가 그에 해당하는 값이 되어야 하고, 이러한 전류의 크기가 상황에 따라서 변해서는 안 되는데, 유기 박막 트랜지스터에서는 히스테리시스로 인해서 그 특성이 항상 균일하게 유지되지 못하는 문제점이 있다.
　
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 유기 절연 고분자의 측쇄에 광반응성 관능기를 도입하여 절연 물질을 자외선 및 열에 의하여 경화시켜 이와 같은 문제점을 해결, 유기 박막 트랜지스터의 구동시 히스테리시스가 없는 유기 박막 트랜지스터용 유기 절연막을 형성할 수 있는 유기 절연막 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 유기 절연막 조성물을 이용하여 제조되 는 유기 절연막 및 이러한 유기 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 절연 고분자를 포함하는 유기 절연막 조성물에 관한 것이다.
Figure 112006066875158-pat00001
상기 식에서,
R은 하기 화학식 2로 표시되며, m과 n의 합은 1이고, m은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, n은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, x와 y의 합은 1이고, x는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, y는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, i와 j의 합은 1이며, i 및 j는 0 내지 1사이의 실수이다(단, y≠0).
Figure 112006066875158-pat00002
상기 식에서,
R1은 하기 화학식 3으로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
R2는 하기 화학식 4로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 광반응성 관능기이며,
k는 0 내지 3의 정수이고,
상기 R1이 복수개인 경우, 각각의 R1은 같거나 서로 다를 수 있다.
Figure 112006066875158-pat00003
상기 식에서 m은 1에서 12 사이의 정수이다.
Figure 112006066875158-pat00004
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 유기 절연막 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 절연막에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 기판 위에 게이트 전극, 게이트 절연막, 유기 반도체층, 소스/드레인 전극을 포함하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연막이 본 발명의 유기 절연막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터에 관한 것이다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 유기 절연막 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 유기 절연 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
Figure 112006066875158-pat00005
상기 식에서,
R은 하기 화학식 2로 표시되며, m과 n의 합은 1이고, m은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, n은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, x와 y의 합은 1이고, x는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, y는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, i와 j의 합은 1이 며, i 및 j는 0 내지 1사이의 실수이다(단, y≠0).
[화학식 2]
Figure 112006066875158-pat00006
상기 식에서,
R1은 하기 화학식 3으로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
R2는 하기 화학식 4로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 광반응성 관능기이며,
k는 0 내지 3의 정수이고,
상기 R1이 복수 개인 경우, 각각의 R1은 같거나 서로 다를 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112006066875158-pat00007
상기 식에서 m은 1에서 12 사이의 정수이다.
[화학식 4]
Figure 112006066875158-pat00008
상기 화학식 1의 m, n, x, y, i 및 j의 한정된 범위 내에서는 절연막의 상태 및 효과가 우수하게 나타난다. 상기 한정된 수치 범위 외에서도 절연막이 형성될 수는 있으나 박막의 상태가 불량하여 특성의 저하를 야기시킬 수 있다.
상기 화학식 1의 유기 절연 고분자는 하기 화학식 5의 유기 절연 고분자일 수 있다.
[화학식 5]
Figure 112006066875158-pat00009
상기 식에서,
R은 앞서의 화학식 2로 표시되며, x와 y의 합은 1이고, x는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, y는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, p는 10 내지 100 사이의 실수이다.
[화학식 6]
Figure 112006066875158-pat00010
상기 식에서, p는 10 내지 100 사이의 실수이다.
[화학식 7]
Figure 112006066875158-pat00011
상기 식에서, p은 10 내지 200 사이의 실수이다.
본 발명에서는 게이트 절연막의 재료로 사용되는 유기 절연 고분자의 측쇄 에 높은 가교도를 가질 수 있는 광반응성 관능기를 도입하여 이러한 절연 물질을 자외선 및 열에 의해 경화시켜 유기 반도체층과 유기 절연막 사이의 계면에서의 챠지 트랩(charge trap)이나 외부의 수분 등에 의한 분극(polarization)을 방지함으로써 유기 박막 트랜지스터의 구동시 히스테리시스의 발생을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유기 절연막 조성물에는 가교도를 향상시키기 위하여 가교제를 혼합하여 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 가교제의 예들은 디펜타에리쓰리톨 펜타아크릴레이트, 디펜타에리쓰리톨 헥사아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트 및 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트로 구성되는 군에서 선택되는 1 종 이상의 가교제를 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다. 이러한 가교제는 전체 조성물에 대하여 약 10 내지 40 중량%의 양으로 사용할 수 있다.
본 발명의 유기 절연막 조성물에 사용가능한 용매로는 헥산(hexane) 등의 지방족 탄화수소 용매(aliphatic hydrocarbon solvent); 아니솔(anisol), 메시틸렌(mesitylene), 자일렌(xylene) 등의 방향족 탄화수소 용매(aromatic hydrocarbon solvent); 메틸이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 1-메틸-2-피롤리디논(1-methyl-2-pyrrolidinone), 아세톤(acetone) 등의 케톤계 용매(ketone-based solvent); 시클로헥산온(cyclohexanone), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran), 이소프로필 에테르 (isopropyl ether) 등의 에테르계 용매(ether-based solvent); 에틸 아세테이트 (ethyl acetate), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 프로필렌 글리 콜 메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate) 등의 아세테이트계 용매(acetate-based solvent); 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol), 부틸 알콜(butyl alcohol) 등의 알콜계 용매(alcohol-based solvent); 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 등의 아미드계 용매; 실리콘계 용매(silicon-based solvent); 또는 이들의 혼합물 등을 예로 들 수 있다.
바람직한 예에서, 본 발명의 조성물은 5 내지 15 중량%의 유기 절연 고분자, 유기 절연 고분자 대비 10~40wt%의 가교제 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 조성물을 기판 상에 코팅한 후 경화시켜 제조된 유기 절연막에 관한 것이다. 이러한 유기 절연막은 기존의 습식 코팅 방법 중 임의의 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 유기 절연막은 스핀코팅, 딥코팅, 프린팅, 분무코팅, 롤코팅, 스크린 인쇄법, 잉크분사법 등의 방법에 의하여 제조될 수 있으나, 반드시 이러한 방법으로 제한되는 것은 아니다.
유기 절연막을 형성하기 위한 경화 단계는 자외선 조사 및 열처리를 적절히 병행하여 진행될 수 있으나, 이러한 경화 조건은 사용하는 유기 절연 고분자의 종류, 유기 절연막 조성물의 조성 등에 따라서 달라질 수 있다. 본 발명에서는 용매를 증발시키기 위해서 70도에서 2분간 열처리를 행한 후, 자외선을 조사하여 유기 절연 고분자를 가교시킨다. 자외선에 의한 경화 후 경화도를 더욱 높이기 위하여 150도 ~250도에서 30분~2시간 동안 기판을 가열한다. 본 발명에서 사용되 는 상기 화학식 1의 유기 절연 고분자는 측쇄에 광반응성 관능기를 포함하기 때문에, 열 및/또는 자외선에 의해서 경화시킬 경우 견고한 박막(rigid thin film)을 형성할 수 있다.
본 발명의 유기 절연막은 우수한 절연특성을 가질 뿐만 아니라, 절연막의 제조가 프린팅 또는 스핀코팅 등 통상의 습식공정에 의해 제조가 가능하며 이를 사용한 유기 박막 트랜지스터는 전하이동도가 높고 전류점멸비 (Ion/Ioff)도 우수하다.
또한 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전류의 크기가 그러한 박막 트랜지스터에 가해진 상태의 변화에 의존하지 않고, 게이트 전극에 인가되는 전압의 세기에 의해서만 결정된다. 즉, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는 히스테리시스(hysteresis, 이력현상)가 나타나지 않고 그 특성이 항상 균일한 이점을 가진다.
본 발명은 또한 상기 유기 절연막을 게이트 절연막으로 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 제공한다. 즉, 본 발명의 또 다른 측면에 의한 유기 박막 트랜지스터는 기판, 게이트 전극, 게이트 절연막, 유기 반도체층, 및 드레인/소스 전극을 포함하고, 상기 게이트 절연막이 본 발명의 유기 절연막 조성물을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터의 구조는 특별히 제한되는 것은 아니고, 탑 컨택 구조, 바텀 컨택 구조, 또는 탑 게이트 구조 등 임의의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 유기 박막 트랜지스터는, 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(10) 위에 게이트 전극(20), 게이트 절연막(30), 유기 반도체층(40), 소스 전극(50)-드레인 전극(60)이 차례로 적층된 구조를 가지거나, 기판 위에 게이트 전극, 게이트 절연막, 소스-드레인 전극 및 유기 반도체층이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 유기 박막 트랜지스터에서 상기 기판(10)은 유리, 실리콘 웨이퍼, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethyleneterephthalate: PET), 폴리카보네이트 (Polycarbonate: PC), 폴리에테르설폰 (Polyethersulfone: PES) 또는 폴리에틸렌나프탈레이트 (Polyethylenenaphthalate: PEN) 등 임의의 기판을 사용할 수 있다.
상기 유기 반도체층(40)으로는 통상적으로 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 그 구체적인 예로서 펜타센 (pentacene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 폴리티오펜 (polythiophene), 폴리아닐린 (polyaniline), 폴리아세틸렌 (polyacetylene), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌 (polyphenylene vinylene) 또는 이들의 유도체를 들 수 있으나 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 게이트 전극(20), 소스 전극(50) 및 드레인 전극(60)으로는 통상적으로 사용되는 금속이 사용될 수 있으며, 구체적인 예로서 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 인듐틴산화물(indium tin oxide: ITO), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 등을 들 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아 니다.
실시예 1
아래와 같은 과정에 의해 쿠마린-옥시헥실벤조산(BHC-쿠마린)을 합성하였다.
Figure 112006066875158-pat00012
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　7-히드록시쿠마린(hydroxycoumarin) 50g (0.308mol, 1.0eq) 을 1 리터의 아세톤에 가한 후 탄산칼륨 85.13g (0.616mol, 2eq)과 1,6-디브로모헥산 150.3g (0.616mol, 2eq)을 넣고 24시간 동안 환류하였다. 반응용액을 여과한 후 용매를 제거한 다음 에테르와 물을 넣고 에테르로 추출하였다. 얻어진 화합물을 헥산으로 재결정하여 원하는 화합물 1 (64.89g, 수율 65%)을 수득하였다.
Figure 112006066875158-pat00013
　위에서 얻어진 화합물 1 48.78g (0.15mol, 1eq)을 아세톤 750 ml에 넣은 후 탄산칼륨 62g(0.75mol, 3eq)과 에틸-4-히드록시벤조에이트 24.93g (0.15mol, 1eq)을 넣고 24시간 동안 환류하였다. 반응용액을 여과한 후에 클로로포름으로 세저한 후 용매를 제거하였다. 얻어진 화합물을 에탄올로 재결정하여 화합물 2 (53.74g, 수율 87.3%)를 수득하였다.
화합물 2 53.74g을 에탄올 600ml에 넣고 1M NaOH 용액 600ml를 넣은 후 48시간 동안 교반하였다. 10% HCl 용액으로 산성화한 다음 화합물을 여과하였다. 얻어진 화합물을 에탄올로 재결정하여 원하는 쿠마린-옥시헥실벤조산 (화합물 3 ) (40g, 수율 80%)을 수득하였다.
Figure 112006066875158-pat00014
질소 하에서 쿠마린-옥시헥실벤조산 (coumarin-oxyhexylbenzoic acid) (화합물 3 ) 5g (13.075mmol, 1eq)을 염화메틸렌 100ml에 넣고 티오닐클로라이드(thionylchloride) 1.71g (14.383mmol, 1.1eq)을 넣은 후 35℃에서 5시간 동안 교반하였다. 반응용액의 용매를 제거한 다음 에틸아세테이트/헥산에서 재결정하여 쿠마린-옥시헥실벤조일 클로라이드(화합물 4 )를 수득하였다.
Figure 112006066875158-pat00015
질소 하에서 폴리히드록시말레이미드-폴리히드록시스티렌 (Polyhydroxymaleimide-polyhydroxystyrene) 고분자( 5 ) 1.685g (5.45mmol, 0.42eq)을 테트라히드로퓨란(THF) 20ml 에 녹인 다음 온도를 0℃로 낮추었다. 트리에틸아민 1.985g (19.61mmol, 1.5eq)을 가한 다음 1시간 동안 교반하였다. 0℃에서 위에서 합성된 쿠마린-옥시헥실벤조일 클로라이드를 넣고 온도를 상온까지 올려준 다음 하루 동안 교반하였다. 메탄올과 물에 반응용액을 부은 후 생긴 고체를 거른 다음 메탄올로 용매 추출하여 흰색 고체 형태의 유기 절연 고분자 6 (6g, 수율 43%)을 수득하였다.
실시예 2
　　　　　　　　
Figure 112006066875158-pat00016
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　질소 하에서 폴리히드록시말레이미드-폴리히드록시스티렌 고분자 1.685g (5.45mmol, 0.42eq)을 테트라히드로퓨란(THF) 20ml에 녹인 다음 온도를 0℃로 낮추었다. 트리에틸아민 1.985g (19.61mmol, 1.5eq)을 가한 다음 1시간 동안 교반하였다. 0℃에서 메트아크릴로일 클로라이드 1.37g (13.08mmol, 1.0eq)을 넣고 온도를 상온까지 올려준 다음 하루 동안 교반하였다. 메탄올과 물에 반응용액을 부은 후 생긴 고체를 거른 다음 메탄올로 용매 추출하여 흰색 고체 형태의 유기 절연 고분자 7 (1.5g, 수율 58%)을 수득하였다.
실시예 3 : 유기 박막 트랜지스터의 제조
세정된 유리기판에 진공증착법으로 Al을 이용하여 2000Å 두께의 게이트 전극을 형성하였다. 그 위에 실시예 1에서 합성된 유기 절연 고분자와 가교제인 DPHA (Dipentaerythritol penta/hexa-acrylate)를 4:1의 무게비로 섞은 후 시클로헥사논 용매에 10wt% 로 용해시키고 도1 과 같이 게이트 전극 및 기판 위에 스핀 코팅 후 70℃에서 2분간 건조시켜 용매를 제거하였다. 240~400nm의 파장대를 가지는 200W 고압 수은등을 이용하여 2분간 조사하였다. 　 200℃에서 1시간 동안 열 처리하여 500nm~1,000nm 두께의 게이트 절연막을 형성하였다.
폴리티오펜계 고분자 반도체 재료를 클로로포름에 1wt%로 용해시킨 후, 상기 게이트 절연막 위에 스핀코팅에 의하여 50 nm 내지 100 nm 두께로 코팅한 후, 100℃에서 1시간 동안 열처리하여 유기 반도체층을 형상하였다. 소스-드레인 전극으로는 금(Au)을 사용하고 채널길이 100μm, 채널폭 1 mm인 새도우 마스크를 이용하여 진공증착법으로 형성하여 탑 컨택 구조의 유기 박막 트랜지스터를 제작하였다.
수득된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달곡선을 KEITHLEY사의 반도체 특성 분석 시스템(Semiconductor Characterization System 4200-SCS)을 이용하여, VSD=(-40V)인 포화 영역에서 측정하여 도 2에 나타내었다. 또한 상기 전류전달곡선을 사용하여 하기 포화영역(saturation regime)의 전류식으로부터 전하이동도를 산출하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 : 유기 박막 트랜지스터의 제조
세정된 유리기판에 진공증착법으로 Al을 이용하여 2000Å 두께의 게이트 전극을 형성 하였다. 그 위에 실시예 1에서 합성된 유기 절연 고분자와 가교제인 DPHA (Dipentaerythritol penta/hexa-acrylate)를 4:1의 무게비로 섞은 후 시클로헥사논 용매에 10wt% 로 용해시키고 도1 과 같이 게이트 전극 및 기판 위에 스핀 코팅하였다. 70℃에서 2분간 건조시켜 용매를 제거한 후　200℃에서 1시간 동안 열 처리하여 500nm~1,000nm 두께의 게이트 절연막을 형성하였다.
폴리티오펜계 고분자 반도체 재료를 클로로포름에 1wt%로 용해시킨 후, 상기 게이트 절연막 위에 스핀코팅에 의하여 50 nm 내지 100 nm 두께로 코팅한 후, 100℃에서 1시간 동안 열처리하여 유기 반도체층을 형상하였다. 소스-드레인 전극으로는 금(Au)을 사용하고 채널길이 100μm, 채널폭 1 mm인 새도우 마스크를 이용하여 진공증착법으로 형성하여 탑 컨택 구조의 유기 박막 트랜지스터를 제작하였다.
수득된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달곡선을 KEITHLEY사의 반도체 특성 분석 시스템(Semiconductor Characterization System 4200-SCS)을 이용하여 VSD=(-40V)인 포화 영역에서 측정하여 도 3에 나타내었다. 또한 상기 전류전달곡선을 사용하여 하기 포화영역(saturation regime)의 전류식으로부터 전하이동도를 산출하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4 : 유기 박막 트랜지스터의 제조
그 위에 실시예 1에서 합성된 유기 절연 고분자와 가교제인 DPHA (Dipentaerythritol penta/hexa-acrylate)를 4:1의 무게비로 섞은 후 시클로헥사논 용매에 10wt% 로 용해시키고 도1 과 같이 게이트 전극 및 기판 위에 스핀 코팅 후 70℃에서 2분간 건조시켜 용매를 제거하였다. 240~400nm의 파장대를 가지는 200W 고압 수은등을 이용하여 2분간 조사하였다.　 200℃에서 1시간 동안 열처리하여 500nm~1,000nm 두께의 게이트 절연막을 형성하였다.
폴리티오펜계 고분자 반도체 재료를 클로로포름에 1wt%로 용해시킨 후, 상기 게이트 절연막 위에 스핀코팅에 의하여 50 nm 내지 100 nm 두께로 코팅한 후, 100℃에서 1시간 동안 열처리하여 유기 반도체층을 형상하였다. 소스-드레인 전극으로는 금(Au)을 사용하고 채널길이 100μm, 채널폭 1mm인 새도우 마스크를 이용하여 진공증착법으로 형성하여 탑 컨택 구조의 유기 박막 트랜지스터를 제작하였다.
수득된 유기 박막 트랜지스터의 전류전달곡선을 KEITHLEY사의 반도체 특성 분석 시스템(Semiconductor Characterization System 4200-SCS)을 이용하여 VSD=(-40V)인 포화 영역에서 측정하여 도 4에 나타내었다. 또한 상기 전류전달곡선을 사용하여 하기 포화영역(saturation regime)의 전류식으로부터 전하이동도를 산출하여 하기 표 1에 나타내었다.
구 분 전하이동도(cm2/Vs) 전류점멸비 히스테리시스
실시예 3 0.011 1.4 X 105 0V
비교예 1 0.008 1.4 X 105 33V
실시예 4 0.003 1.8 X 105 2V
Figure 112006066875158-pat00017
상기 식에서, ISD는 소스-드레인 전류이고, μFET는 전하이동도, Co는 산화막 정전용량이고, W는 채널 폭이며, L은 채널 길이이고, VG는 게이트 전압이며, VT는 문턱전압이다.
본 발명의 유기 절연막 조성물을 구성하는 유기 절연 고분자는 높은 가교도를 가질 수 있는 광반응성 관능기를 측쇄에 포함하므로, 유기박막 트랜지스터의 게이트 절연막과 유기 반도체층 사이의 계면에서의 차지 트랩(charge trap), 절연체 물질의 일시적인 분극 (polarization) 현상 등으로 인한 히스테리시스의 발생을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명의 유기 절연막 조성물로 이루어진 절연막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터는 히스테리시스가 없어 균일한 특성을 시현할 수 있 다.
또한 본 발명의 유기 절연막 조성물의 유기 절연 고분자는 가교도가 높기 때문에 견고한 막을 형성할 수 있어, 본 발명의 유기 절연막은 절연체로서의 특성이 우수할 뿐만 아니라 공정성이 향상된 이점을 가진다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 유기 절연체 고분자를 포함하는 유기 절연막 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112006066875158-pat00018
    상기 식에서,
    R은 하기 화학식 2로 표시되며, m과 n의 합은 1이고, m은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, n은 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, x와 y의 합은 1이고, x는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, y는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, i와 j의 합은 1이며, i 및 j는 0 내지 1사이의 실수이다(단, y≠0).
    [화학식 2]
    Figure 112006066875158-pat00019
    상기 식에서,
    R1은 하기 화학식 3으로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
    R2는 하기 화학식 4로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 광반응성 관능기이며,
    k는 0 내지 3의 정수이고,
    상기 R1이 복수개인 경우, 각각의 R1은 같거나 서로 다를 수 있다.
    [화학식 3]
    Figure 112006066875158-pat00020
    상기 식에서 m은 1에서 12 사이의 정수이다.
    [화학식 4]
    Figure 112006066875158-pat00021
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유기 절연 고분자가 하기 화학식 5의 고분자임을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
    Figure 112012069660071-pat00025
    상기 식에서,
    R은 하기 화학식 2로 표시되며, x와 y의 합은 1이고, x는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이고, y는 0.1 내지 0.9 사이의 실수이며, p는 10 내지 100 사이의 실수이다.
    [화학식 2]
    Figure 112012069660071-pat00032
    상기 식에서,
    R1은 하기 화학식 3으로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이고,
    R2는 하기 화학식 4로 표시되는 작용기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 광반응성 관능기이며,
    k는 0 내지 3의 정수이고,
    상기 R1이 복수개인 경우, 각각의 R1은 같거나 서로 다를 수 있다.
    [화학식 3]
    Figure 112012069660071-pat00033
    상기 식에서 m은 1에서 12 사이의 정수이다.
    [화학식 4]
    Figure 112012069660071-pat00034
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유기 절연 고분자가 하기 화학식 6또는 화학식 7의 유기 절연 고분자임을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
    [화학식 6]
    Figure 112006066875158-pat00026
    상기 식에서, p는 10 내지 100 사이의 실수이다.
    [화학식 7]
    Figure 112006066875158-pat00027
    상기 식에서, p은 10 내지 200 사이의 실수이다.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 조성물이 디펜타에리쓰리톨 펜타아크릴레이트, 디펜타에리쓰리톨 헥사아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트로 구성되는 군에서 선택되는 1 종 이상의 가교제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 조성물이 5 내지 15 중량%의 유기 절연 고분자, 유기 절연 고분자 대비 10~40wt%의 가교제 및 잔량의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 용매가 지방족 탄화수소 용매(aliphatic hydrocarbon solvent), 방향족 탄화수소 용매(aromatic hydrocarbon solvent), 케톤계 용매(ketone-based solvent), 에테르계 용매(ether-based solvent), 아세테이트계 용매(acetate-based solvent), 알콜계 용매(alcohol-based solvent), 아미드계 용매, 실리콘계 용매(silicon-based solvent) 또는 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 유기 절연막 조성물.
  7. 제 1 항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항의 유기 절연막 조성물에 의해 제조되는 유기 절연막.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 절연막이 스핀코팅, 딥코팅, 프린팅, 분무코팅, 롤코팅, 스크린 인쇄법, 잉크분사법에 의해 형성된 것임을 특징으로 하는 유기 절연 막.
  9. 기판, 게이트 전극, 게이트 절연막, 유기 반도체층, 및 소스/드레인 전극을 포함하는 유기 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연막이 제7항의 유기 절연막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기박막 트랜지스터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 유기 반도체층은 펜타센 (pentacene), 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine), 폴리티오펜 (polythiophene), 폴리아닐린 (polyaniline), 폴리아세틸렌 (polyacetylene), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리페닐렌비닐렌 (polyphenylene vinylene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 인듐틴산화물(indium tin oxide: ITO) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 기판은 유리, 실리콘 웨이퍼, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethyleneterephthalate: PET), 폴리카보네이트 (Polycarbonate: PC), 폴리에테르설폰 (Polyethersulfone: PES) 및 폴리에틸렌나프탈레이트 (Polyethylenenaphthalate: PEN)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 유기 박막 트랜지스터는 탑 컨택 구조, 바텀 컨택 구조 또는 탑 게이트 구조인 것을 특징으로 하는 유기 박막 트랜지스터.
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