KR20060064987A - 전도성 잉크와 이를 이용한 유기 반도체 트랜지스터 및 그제작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 반도체 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 유기 반도체에 손상을 최소화하면서 유기 반도체 위에 전극을 형성하기 위한 전도성 잉크에 관한 것이다. 이 전도성 잉크는 금속 나노 입자와 전도성 고분자를 혼합하여 이루어지며, 직접 인쇄를 이용한 유기 트랜지스터 제작에서 전극 재료로 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 소자 제작 가격을 획기적으로 줄일 수 있다.
유기 반도체, 전극, 직접 인쇄, 전도성 잉크
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 유기 반도체 트랜지스터에 대한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...기판 20...제 1 전극
30...유전체 박막 40...제 2 전극
50...제 3 전극 60...유기 반도체 박막
70...전도성 고분자 80...금속 나노 입자
본 발명은 유기 반도체 박막 트랜지스터를 위한 전극 재료로 사용할 수 있는 전도성 잉크에 관한 것으로, 특히 직접 인쇄에 적합한 전도성 잉크 및 이러한 전도 성 잉크를 이용한 유기 반도체 트랜지스터 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
유기 반도체 박막 트랜지스터는 가장 일반적으로 "절연성 기판 위에 유기 반도체 박막을 이용하여 만든 전계효과 트랜지스터(organic field effect transistor, OFET)"로 정의할 수 있다. 유기 반도체 박막 트랜지스터(이하, "OTFT"라고 한다)도 전계효과 트랜지스터(FET)와 마찬가지로 게이트, 소오스 및 드레인의 세 단자를 가진 소자이며, 가장 주된 기능은 스위칭 동작이다. OTFT는 센서, 기억소자, 광소자 등에도 응용되지만 주된 사용 분야는 능동행렬형 평판 디스플레이의 화소 스위칭 소자이며, 액정 디스플레이(liquid crystal display)나 유기 전계발광 디스플레이(organic electroluminescent display) 화소의 스위칭 소자나 전류 구동 소자로서 널리 사용되고 있다.
일반적으로 사용하는 OTFT는 스태거드(Staggered)나 코플래너(Coplanar) 등의 수평 구조로 형성된다. 이러한 구조의 종래의 OTFT의 소오스와 드레인은 사진 공정(photo-lithography)을 이용하여 제작하는데, 직접 인쇄법을 이용하면 저가의 소자 제작이 가능하다.
그러나 직접 인쇄 공정을 실시하려면 전극용 전도성 잉크가 있어야 한다. 기존 널리 쓰이는 전도성 잉크는 유기 반도체에 손상을 주므로 사용될 수 없고, 유기 반도체에 손상을 주지 않으면서 전도도가 좋은 잉크 개발이 필수적이다.
본 발명의 목적은 직접 인쇄법을 이용한 OTFT의 제작에 있어서 직접 인쇄법 을 이용한 전극 제작용 잉크를 개발함에 있다. 특히 제작된 잉크가 유기 반도체 박막 위에 사용되더라도 유기 반도체 박막에 손상을 주지 않고, 일함수도 높아 p-형 유기 반도체에 효과적으로 홀(Hall)을 주입할 수 있도록 함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면에서는, 유기 전계 효과 트랜지스터의 전극 형성을 위한 직접 인쇄 공정에 이용되는 전도성 잉크로서, 전도성이 좋은 은 나노 입자와 일함수가 높은 유기 전도성 고분자를 섞어서 제작한 전도성 잉크를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면에서는, 기판 상에 형성되며, 소스와 드레인 및 상기 소스와 상기 드레인 사이에 형성되는 채널을 구비하는 유기 반도체층과, 상기 채널에 접하여 형성되는 게이트 절연층, 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 게이트 절연층을 사이에 두고 상기 채널과 마주하는 게이트를 포함하되, 상기 소스 및 상기 드레인에 접속되는 소스/드레인 전극이 본 발명의 제 1 측면에 따른 전도성 잉크로 형성되는 유기 전계 효과 트랜지스터를 제공한다.
본 발명의 제 3 측면에서는, 기판 상에 게이트를 형성하는 단계와, 상기 게이트가 형성되어 있는 상기 기판 상에 게이트 절연층을 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연층 상에 소스와 드레인 및 상기 소스와 상기 드레인 사이에 형성되며 상기 게이트와 마주하는 채널을 구비하는 유기 반도체층을 형성하는 단계, 및 본 발명의 제 1 측면에 따른 전도성 잉크를 이용하여 상기 소스 및 상기 드레인에 접속 되는 소스/드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전도성 잉크는 전도성 고분자(7) 및 금속 나노 입자(8)를 포함한다. 전도성 고분자(7)는 구부림이 좋고 일함수가 높으며 직접 인쇄를 위한 전도성 잉크로 사용가능하다. 하지만, 전도성 고분자(7)는 전도도가 금속 박막에 비해 현저히 떨어진다. 그리고, 금속 나노 입자(8)는 은 나노 입자를 포함한다. 은 나노 입자는 일함수가 낮아 일함수가 높은 p형 유기 반도체에 효과적으로 전하를 주입하기가 힘들어 접촉저항을 크게 하는 원인이 된다.
따라서 본 발명에서는 전도성 고분자(7)와 금속 나노 입자(8)를 섞어줌으로써 높은 전도도와 동시에 높은 일함수를 갖는 전도성 잉크로 제작한다. 본 발명에서 전도성 잉크는 유기 박막 트랜지스터의 제작에 있어서 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극을 위한 금속층을 형성할 때 직접 인쇄법에 사용할 수 있는 전기가 통하는 액체를 나타낸다.
상술한 전도성 고분자(7)는 PEDOT:PSS(polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), Poly(3,4-ethylenethiophene) 등을 포함한다. 또한 이들에 특정한 작용기가 붙은 것을 포함한다. 작용기는 금속과 화학적 결합을 통하여 전자나 홀을 효과적으로 주입할 수 있도록 하는 원소를 뜻한다. 예를 들어 상술한 전도성 고분자(7)에 싸이올(thiol, -SH) 기(미도시)를 사이드 체인(side chain)에 붙여줄 경우 금 입자와 공유결함을 하게 되고, 따라서 금 입자와 전도성 고분자 간의 전하 이동이 원활해진다. 이러한 작용을 하는 기는 단분자 유기물 형태로 금속 나노 파티클에 적용되고, 이 후 이러한 단분자막과 결합된 금속 나도 입자(8)가 상술한 전도성 고분자(7)와 혼합된다. PEDOT:PSS의 경우처럼 물에 녹는 전도성 고분자를 사용할 경우 유기 반도체의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 전도성 고분자(7)는 물에 녹는 전도성 고분자가 아니라 하더라도 유기 반도체와 서로 다른 성질의 용매에 녹는 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 이러한 경우에도 마찬가지로 유기 반도체 박막의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 금속 나노 입자(8)는 은 나노 입자 이외에 금, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 니켈, 크롬에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어진 금속 나노 입자를 포함할 수 있다. 금속 나노 입자(8)의 크기는 1~100 나노메터(nanometer)이다. 그리고, 금속 나노 입자(8)는 높은 전도도와 높은 일함수의 측면에서 전도성 고분자(7)에 농도 1~90%의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에서는 자외선 또는 열 경화성 물질로 사용되는 기존의 절연성 수지 대신에 전도성 고분자를 사용한다. 보다 구체적으로 설명하면, 종래의 금속 나노 파티클을 포함한 전도성 잉크는 금속 나노 파티클, 자외선 또는 열 경화성 수지, 유기 용제, 광 개시제, 유동성 첨가제 등을 적정한 비율로 혼합하여 사용 하지만, 본 발명에서는 전도성 고분자의 side chain에 가교성 기능을 하는 기를 결합하여 자외선이나 열에 노출하면 전도성을 띄는 가교체를 형성하고, 이러한 방법으로 전체 전도도를 높여주면서 일함수는 높은 전도성 잉크를 제작한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 유기 반도체 트랜지스터에 대한 단면도이다. 도 2에서 유기 반도체 트랜지스터는 역 스태거드(Inverted Staggered) 구조로 형성되어 있다.
도 2를 참조하면, 유기 반도체 트랜지스터는 기판(10), 제 1 전극(20), 유전체 박막(30), 비정질 실리콘 박막(60), 제 2 전극(40) 및 제 3 전극(50)을 구비한다. 여기서, 제 1 전극(20)은 게이트에 해당하고, 제 2 전극(40) 및 제 3 전극(50)은 소오스 전극과 드레인 전극에 해당한다. 그리고, 유전체 박막(30)은 게이트 절연층으로 표시될 수 있고, 비정질 실리콘 박막(60)은 반도체층으로 표시될 수 있다.
특히, 상술한 유기 반도체 트랜지스터의 제 2 전극(40) 및 제 3 전극(50)은 본 발명에 따른 전도성 잉크로 형성된다.
본 발명에 따른 전도성 잉크로 제작된 소오스 전극 및 드레인 전극을 구비하는 유기 반도체 트랜지스터의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소정량의 전도성 고분자에 70나모메터의 입자 크기를 가지는 은 나노 입자를 농도 30%로 혼합하여 전도성 잉크를 준비한다. 다음, 준비된 기판(10) 위에 게이트에 해당하는 제 1 전극(20)을 형성한다. 그리고 그 위에 유전체 박막(30)을 형성한다.
다음, 유전체 박막(30) 위로 비정질 실리콘 박막(60)을 형성한다. 그 후, 직접 인쇄법으로 전도성 잉크를 인쇄하여 제 2 전극(40) 및 제 3 전극(50)을 형성한다. 이때, 소오스와 드레인에 해당하는 제 2 전극(40)과 제 3 전극(50)은 서로 이격되어 형성된다. 상술한 공정에 의해 본 발명의 전도성 잉크를 사용하여 직접 인쇄법으로 유기 막박 트랜지스터를 제작한다.
상술한 직접 인쇄법에는 잉크젯 프린팅법(Ink-jet printing method), 스크린 인쇄법(Screen printing method), 플렉소 인쇄법(Flexo printing method), 그라비아 인쇄법(Gravure printing method), 오프셋 인쇄법(Offset printing method), 패드 인쇄법(Pad printing Method), 스텐실 인쇄법(Printing through a stencil) 등이 포함된다.
한편, 상술한 실시예에서는 역 스태거드 구조의 유기 반도체 트랜지스터를 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 다시 말해서, 본 발명의 유기 반도체 트랜지스터의 유전체 박막(30)과 비정질 실리콘 박막(60), 제 1 내지 제 3 전극(20, 40, 50)의 위치 및 형태는 여러 가지가 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 유기 반도체 트랜지스터는 제 2 전극(40)과 제 3 전극(50) 사이에 전류가 흐르고, 제 1 전극(20)에 인가하는 전압을 조절하여 형성한 전기장이 그 전류에 수직하게 영향을 미침으로써 도통(on) 또는 불통(off) 상태로 스위칭 동작을 하는 다양한 유기 반도체 트랜지스터 구조를 포함한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 직접 인쇄법을 이용한 유기 반도체 트랜지스터의 제작을 위하여 전도도가 우수하고 일함수가 큰 전도성 잉크를 제공할 수 있다. 게다가, 금속 나노 입자를 포함한 전극 재료로 전극을 형성함으로써 형성된 전극 물질이 동시에 회로의 전선으로 사용될 수 있고 동시에 전극으로부터 유기 반도체로 전하가 주입되고 또 효과적으로 제거되는 OTFT 소자를 제공할 수 있다. 또한, 직접 인쇄법을 이용하므로 소자의 제작이 용이하며, 소자의 제작 가격을 획기적으로 줄일 수 있다.
Claims (11)
- 유기 전계 효과 트랜지스터의 전극 형성을 위한 직접 인쇄 공정에 이용되는 전도성 잉크에 있어서,금속 나노 입자와 전도성 고분자를 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 잉크.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 나노 입자는 은, 금, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 니켈, 크롬 중 적어도 하나의 금속을 포함하는 전도성 잉크.
- 제 1 항에 있어서,상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS, 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), Poly(3,4-ethylenethiophene) 중 어느 하나를 포함하는 전도성 잉크.
- 제 1 항에 있어서,상기 전도성 고분자는 상기 금속 나노 입자의 화학적 결합을 유도하는 싸이올 기를 포함하는 전도성 잉크.
- 제 1 항에 있어서,상기 전도성 고분자는 열 및 자외선 분위기하에서 가교를 이룰 수 있는 기를 포함하는 전도성 잉크.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 나노 입자의 크기는 1~100 나노메터이며, 상기한 전도성 고분자 중의 상기 금속 나노 입자의 농도는 1~90%의 범위인 전도성 잉크.
- 기판 상에 형성되며, 소스와 드레인 및 상기 소스와 상기 드레인 사이에 형성되는 채널을 구비하는 유기 반도체층;상기 채널에 접하여 형성되는 게이트 절연층; 및상기 기판 상에 형성되며, 상기 게이트 절연층을 사이에 두고 상기 채널과 마주하는 게이트를 포함하되,상기 소스 및 상기 드레인에 접속되는 소스/드레인 전극이 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전도성 잉크로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 전계 효과 트랜지스터.
- 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법에 있어서,기판 상에 게이트를 형성하는 단계;상기 게이트가 형성되어 있는 상기 기판 상에 게이트 절연층을 형성하는 단 계;상기 게이트 절연층 상에 소스와 드레인 및 상기 소스와 상기 드레인 사이에 형성되며 상기 게이트와 마주하는 채널을 구비하는 유기 반도체층을 형성하는 단계; 및제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 전도성 잉크를 이용하여 상기 소스 및 상기 드레인에 접속되는 소스/드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 소스/드레인 전극을 형성하는 단계는 상기 금속 나노 입자와 상기 전도성 고분자의 전기적 접촉 저항을 줄이기 위하여 싸이올 기와 상기 금속 나오 입자와의 화학적 결합을 유도하는 단계를 포함하는 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 소스/드레인 전극을 형성하는 단계는 자외선이나 열을 이용하여 상기 전도성 고분자를 가교시키는 단계를 포함하는 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 소스/드레인 전극을 형성하는 단계는 잉크젯 프린팅법(Ink-jet printing method), 스크린 인쇄법(Screen printing method), 플렉소 인쇄법(Flexo printing method), 그라비아 인쇄법(Gravure printing method), 오프셋 인쇄법(Offset printing method), 패드 인쇄법(Pad printing Method), 스텐실 인쇄법(Printing through a stencil) 중에서 선택된 적어도 하나의 직접 인쇄법으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 전계 효과 트랜지스터의 제작 방법.
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