(51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) H01L 29/786 (2006.01) (21) 출원번호 10-2008-0047693 (22) 출원일자 2008 년 05 월 22 일 심사청구일자 2008 년 05 월 22 일 (65) 공개번호 10-2009-0121677 (43) 공개일자 2009 년 11 월 26 일 (56) 선행기술조사문헌 KR100647699 B1 (45) 공고일자 2010년09월17일 (11) 등록번호 10-0982956 (24) 등록일자 2010년09월13일 (73) 특허권자 고려대학교산학협력단 서울성북구안암동 5 가 1 (72) 발명자 이철진 서울특별시강남구신사동 622 신성아파트 101-201 윤호규 서울특별시서초구서초동 1685 삼풍아파트 5-108 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 리앤목특허법인전체청구항수 : 총 19 항심사관 : 최차희 (54) 가요성투명박막트랜지스터 (57) 요약 CNT(Carbon Nano Tube) 를이용한가요성투명박막트랜지스터 (Flexable and transparent Thin film Transistor) 에관해기술된다. 가요성투명기판위에투명유기물질에반도체 CNT 가분산되어있는 CNT 채널층이마련된다. 상기채널의양측에는투명유기물질에도전성 CNT 가분산되어있는소스와드레인전극이접촉된다. 상기채널의위또는아래에는투명유기물질에도전성 CNT 가분산되어있는게이트가위치하고, 상기채널과게이트사이에는투명유기물질에의한게이트절연층이개재된다. 대표도 - 도 1-1 -
(72) 발명자 김우년 서울특별시강남구논현동 275 동부센트레빌 101-202 김웅 서울특별시강남구도곡 1 동 193-42 벨라빌 701 호 박종래 서울특별시관악구봉천 7 동산 4-2 서울대교수아파트 122G 동 201 호 박민 서울특별시노원구중계동건영아파트 103-601 장지영 서울특별시강남구압구정동미성아파트 25-802 주진수 서울특별시중랑구묵 1 동신내 5 단지두산아파트 525-402 이건웅 경상남도창원시상남동성원 5 단지아파트 502-1501 김규태 경기도광명시철산 4 동도덕파크타운 104-106 이준엽 경기도용인시기흥구언남동삼성 2 차아파트 203-1903 김현재 서울특별시용산구문배동 CJ 나인파크 201-1805 박상민 대전광역시서구탄방동한우리아파트 103-1004 김선국 서울특별시양천구목 6 동목동아파트 222-1402 - 2 -
특허청구의범위청구항 1 투명유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는반도체 CNT(Carbon Nano Tube) 에의한채널층 ; 상기채널층의양측에전기적으로접촉되는것으로투명유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는도전성 CNT에의한소스 / 드레인전극 ; 상기채널층에대응하는것으로, 상기채널층의양측에전기적으로접촉되는것으로투명절연성유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는도전성 CNT에의한게이트층 ; 상기채널층과게이트층사이에마련되는것으로투명절연성유기물질에의한게이트절연층 ; 그리고상기층들과전극을지지하는투명가요성기판 ; 을구비하는가요성투명박막트랜지스터 (flexible and transparent TFT). 청구항 2 제 1 항에있어서, 상기채널층의 CNT는 SWCNT(Single-Walled Carbon Nano Tube) 인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 3 제 1 항에있어서, 상기소스전극과드레인전극과게이트층의중의적어도어느하나의 CNT는 DWCNT(Double-Walled Carbon Nano tube) 와 MWCNT(Munti-Walled Carbon Nano Tube) 중적어도어느하나를포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 4 상기소스전극, 드레인전극및게이트층중적어도어느하나의유기물질은투명절연성유기물질인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 5 제 4 항에있어서, 상기투명절연성유기물질은 PI(Polyimide), 파릴렌 (Parylene), PMMA(Polymethly Methacrylate), PVA(Polyvinylalcohol), PVP(polyvinylphenol) 중의적어도어느하나를포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 6 상기소스전극, 드레인전극및게이트전극중적어도어느하나의유기물질은투명도전성유기물질인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 7 제 6 항에있어서, 상기투명도전성유기물질은 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PANI(Polyaniline), Polypyrrole 중의어느하나의물질인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. - 3 -
청구항 8 상기기판은 PI, PEEK(Polyether etherketone), PES(polyethersulphone), PEI(polyetherimide), PEN(polyethylenenaphthalate), PET(polyethyleneterephthalate) 중어느하나의물질로형성되는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 9 상기채널층에 I, O, Br 중의적어도어느하나가함유되어있는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 10 상기채널층에 K, Cs, N 중에적어도어느하나가함유되어있는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 11 상기채널층은 p형유기물질과 n 형유기물질중의어느하나를포함하며, 상기 p 형유기물질은펜타센 (Pentacene), 폴리사이오펜 (Poly-thiophene), P3AT(Poly(3-alkylThiophene), 폴리아세틸렌 (Polyacetylene), PTV(Poly(thienylene-vinylene), P3HT(Poly(3-hexylthiophene), BPT2 중에서선택된적어도어느하나이며, n 형유기물질은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), C 60 (Fullerene) 중의선택된적어도어느하나인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 12 제 11 항에있어서, 상기채널층이함유하는유기물질은 p 형유기물질이며, 상기채널층은 I, O, Br 중의적어도어느하나를더함유되어있는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 13 제 11 항에있어서, 상기채널층이함유하는유기물질은 n 형유기물질이며, 상기채널층에 K, Cs, N 중에적어도어느하나가함유되어있는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 14 상기채널층은유기물질과반도체 CNT를포함하는제1층과, p형과 n형중의어느하나의불순물을포함하는제 2층을구비하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 15 제 14 항에있어서, - 4 -
상기채널층의 CNT는 SWCNT를포함하며, 채널층의유기물질은절연성유기물질을포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 16 제 14 항에있어서, 상기채널층의유기물질은 p 형유기물질과 n 형유기물질중의어느하나를포함하며, 상기 p 형유기물질은펜타센 (Pentacene), 폴리사이오펜 (Poly-thiophene), P3AT(Poly(3-alkylThiophene), 폴리아세틸렌 (Polyacetylene), PTV(Poly(thienylene-vinylene), P3HT(Poly(3-hexylthiophene), BPT2 중에서선택된적어도어느하나이며, n 형유기물질은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), C 60 (Fullerene) 중의선택된적어도어느하나인것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 17 제 14 항에있어서, 상기채널층의유기물질은 PI, 파릴렌 (Parylene), PMMA, PVA, PVP 중에서선택된어느하나의유기절연물질을포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 18 제 14 항에있어서, 상기소스전극과드레인전극과게이트층의중의적어도어느하나의 CNT는 DWCNT(Double-Walled Carbon Nano tube) 와 MWCNT(Munti-Walled Carbon Nano Tube) 중적어도어느하나를포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 청구항 19 제 15 항에있어서, 상기소스전극과드레인전극과게이트층의중의적어도어느하나의 CNT는 DWCNT(Double-Walled Carbon Nano tube) 와 MWCNT(Munti-Walled Carbon Nano Tube) 중적어도어느하나를포함하는것을특징으로하는가요성투명박막트랜지스터. 명세서 발명의상세한설명 [0001] 기술분야 개시내용은도전성 CNT 및반도체 CNT 를이용하는박막트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT) 로서유연하고 투명한박막트랜지스터 (flexable and transparent TFT) 에관련된다. [0002] [0003] 배경기술박막트랜지스터는디스플레이분야에서빠질수없는중요한반도체소자로서최근각광받고있는플렉서블일렉트로닉스분야의핵심소자로서도이에관한연구가진행되고있다. 현재플렉서블일렉트로닉스분야는종이디스플레이 (Paper display), 접을수있는디스플레이 (Foldable display) 등이포함되는데이는디스플레이자체가자유롭게접거나둥그렇게말을수있어야하기때문에이에적용되는모든소자는유연한성질을가져야한다. 이러한유연한소자의중요하고대표적인소자는박막트랜지스터이며주로유기재료로제조된다. 유기박막트랜지스터는제조비용이낮고유연한특성을가지나, 다결정실리콘박막트랜지스터에비해전하이동도와스위칭속도가크게떨어져높은전하이동도와고속스위칭속도를필요로하는소자에는적용이어렵다. 또한, 유기박막트랜지스터는부분적으로불투명한요소를가지므로종이디스플레이등에응용되기위해서는전체적으로투명한구조를가지면보다유연하면서도안정된전 - 5 -
기적인특성의유지를위한연구가필요하다. 발명의내용 [0004] 해결하고자하는과제 본발명의과제는유연하면서도투명하고, 그리고전기 / 전자적으로는신뢰성이높은가요성투명박막트랜지스 터및그제조방법의개발이다. [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] 과제해결수단본발명에따른가요성투명박막트랜지스터는 ; 투명유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는반도체 CNT(Carbon Nano Tube) 에의한채널층 ; 상기채널층의양측에전기적으로접촉되는것으로투명유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는도전성 CNT에의한소스 / 드레인전극 ; 상기채널층에대응하는것으로, 상기채널층의양측에전기적으로접촉되는것으로투명절연성유기물질과유기물질내에서상호연계된전기적경로를형성하는도전성 CNT에의한게이트층 ; 상기채널층과게이트층사이에마련되는것으로투명절연성유기물질에의한게이트절연층 ; 그리고상기층들과전극을지지하는투명가요성기판 ; 을구비하는가요성투명박막트랜지스터가제공된다. 본발명의한실시예에따르면, 상기채널층의 CNT는 SWCNT(Single-Walled Carbon Nano Tube) 를적용할수있다. 그리고, 상기소스전극과드레인전극과게이트층의중의적어도어느하나의 CNT는 DWCNT(Double- Walled Carbon Nano tube) 와 MWCNT(Munti-Walled Carbon Nano Tube) 중적어도어느하나를포함할수있다. 그리고, 상기소스전극, 드레인전극및게이트층중적어도어느하나의유기물질은투명도전성또는투명절연성유기물질이적용될수있다. 본발명의구체적인실시예에따르면, 상기투명절연성유기물질은 PI(Polyimide), 파릴렌 (Parylene), PMMA(Polymethly Methacrylate), PVA(Polyvinylalcohol), PVP(polyvinylphenol) 중의적어도어느하나를포함할수있다. 또한, 상기투명도전성유기물질은 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PANI(Polyaniline), Polypyrrole 중의어느하나의포함할수있다. 본발명의다른실시예에따르면, 상기기판은 PI, PEEK(Polyether etherketone), PES(polyethersulphone), PEI(polyetherimide), PEN(polyethylenenaphthalate), PET(polyethyleneterephthalate) 중어느하나의물질로형성될수있다. 본발명의또다른실시예에따르면, 상기채널층에 I, O, Br 중의적어도어느하나, 또는 K, Cs, N 중에적어도어느하나가함유될수있다. 본발명의또다른실시예에따르면, 상기채널층은 p형유기물질과 n 형유기물질중의어느하나를포함할수있으며, 상기 p 형유기물질은펜타센 (Pentacene), 폴리사이오펜 (Poly-thiophene), P3AT(Poly(3-alkylThiophene), 폴리아세틸렌 (Polyacetylene), PTV(Poly(thienylene-vinylene), P3HT(Poly(3-hexylthiophene), BPT2 중에서선택된적어도어느하나이며, n 형유기물질은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), C 60 (Fullerene) 중의선택된적어도어느하나일수있다. 본발명의구체적인실시예에따르면, 상기채널층이함유하는유기물질은 p 형유기물질이며, 상기채널층은 I, O, Br 중의적어도어느하나를더함유할수있다. 또한, 본발명의구체적인다른실시예에따르면, 상기채널층이함유하는유기물질은 n 형유기물질이며, 상기채널층에 K, Cs, N 중에적어도어느하나를함유할수있다. 본발명의구체적인또다른실시예에따르면, 상기채널층은유기물질과반도체 CNT를포함하는제1층과, p - 6 -
형과 n 형중의어느하나의불순물을포함하는제 2 층을구비할수있다. [0021] [0022] [0023] [0024] 본발명의구체적인또다른실시예에다르면, 상기제1층의 CNT는 SWCNT를포함하며, 채널층의유기물질은절연성유기물질을포함할수있다. 본발명의구체적인또다른실시예에따르면, 상기제1층의유기물질은 p 형유기물질과 n 형유기물질중의어느하나를포함하며, 상기 p 형유기물질은펜타센 (Pentacene), 폴리사이오펜 (Poly-thiophene), P3AT (Poly(3-alkylThiophene), 폴리아세틸렌 (Polyacetylene), PTV(Poly(thienylene-vinylene), P3HT(Poly(3- hexylthiophene), BPT2 중에서선택된적어도어느하나이며, n 형유기물질은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane), C 60 (Fullerene) 중의선택된적어도어느하나이다. 본발명의또다른실시예에따르면, 상기채널층의유기물질은 PI, 파릴렌 (Parylene), PMMA, PVA, PVP 중에서선택된어느하나의유기절연물질을포함할수있다. 본발명의다른실시예에따르면, 상기채널층의하부에상기게이트층이마련된다. 본발명의또다른실시예에따르면, 상기채널층위에게이트층이마련될수있다.. [0025] 효과본발명에따른가요성투명박막트랜지스터는모든도전성재료와반도체재료가 CNT를포함하며, 전체적으로투명하면서도유연한구조를가진다. 따라서, 디스플레이등에적용되었을때, 화소의개구율을크게증대할수있다. 또한, 도전성재료및반도체재료가모두 CNT를이용하기때문에전기 / 전자적으로는신뢰성이높은가요성투명박막트랜지스터를얻을수있게된다. [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] 발명의실시를위한구체적인내용이하, 첨부된도면을참조하면서본발명에따른가요성투명박막트랜지스터및그제조방법의실시예를상세히설명한다. 도 1은본발명에따른탑게이트방식의가요성투명박막트랜지스터의개략적단면도이다. 합성수지, 폴리머등으로된투명가요성기판 (10) 위에소스 (21) 와드레인 (22) 이형성되고그위에상기소스 (21) 와드레인 (22) 에그양단이걸쳐지는투명가요성의폴리머채널 (30) 이형성된다. 그리고, 채널 (30) 위에는폴리머등의투명가요성의게이트절연층 (40) 이형성되고, 게이트절연층 (40) 위에는폴리머등의투명가요성의게이트층 (50) 이형성된다. 상기적층들위에는하부의소자를보호하는패시베이션층 (60) 이형성되어있다. 본발명의실시예들에따르면, 상기투명가요성기판 (10) 은 PI(Polyimide), PEEK(Polyether etherketone), PES(polyethersulphone), PEI(polyetherimide), PEN(polyethylenenaphthalate), PET(polyethyleneterephthalate). 상기기판 (10) 은투명하고유연한일반적인기판재료로형성될수있다. 상기소스 (21) 와드레인 (22), 그리고게이트층 (50) 은 PEDOT, PANI(Polyaniline), Polypyrrole, PI, 파릴렌 (Parylene), PMMA(Polymethly Methacrylate), PVA(Polyvinylalcohol), PVP(polyvinylphenol) 등의도전성또는절연성폴리머에전도성 CNT가분산되어있는재료로형성된다. 절연성폴리머는투명절연물질로서상기 CNT를결합시키는결합제 (binder) 로서의기능을가지며, 도전성폴리머는결합제로서뿐아니라도전경로를제공한다. 도전성 CNT로는 DWCNT(Double-Walled Carbon Nano Tube) 또는 MWCNT(Multi-Walled Carbon Nano Tube) 가사용될수있다. 상기게이트절연층 (40) 과패시베니션층 (60) 은 PI, 파릴렌 (Parylene), PMMA, PVA, PVP 등의절연성유기물질로로형성될수있다. 한편, 채널층 (30) 은 SWCNT(Single walled carbon nano tube) 가분산된유기고분자물질로형성된다. 유기고분자물질로는절연성또는유기반도체물질이사용될수있다. 절연성물질로는상기소스 (21), 드레인 (22) 전극에사용된결합제가사용될수있다. 그리고, 반도체물질아래의물질이사용될수있다. p 형 : 펜타센 (Pentacene), 폴리사이오펜 (Poly-thiophene), P3AT (Poly(3-alkylThiophene ), 폴리아세틸렌 (Polyacetylene), PTV(Poly(thienylene-vinylene), P3HT(Poly(3-hexylthiophene), BPT2-7 -
[0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] n 형 : TCNQ(tetracyanoquinodimethane), C 60 (Fullerene) 한편, 본발명의다른실시예에따르면, 상기채널층 (50) 에는 p형불순물로서 I, O, Br 중의적어도어느하나, 그리고, n 형물질로서 K, Cs, N 중적어도어느하나가포함될수있다. 상기와같은채널층 (30) 의불순물은 SWCNT에접촉되었을때 SWCNT로부터전자를뺏거나 CNT에전자를제공하는억셉터또는도너로서작용할수있어채널의전류크기를키울수있다. 상기와같은구조와물질로된적층을포함하는본발명에따른가요성투명박막트랜지스터는일반적인공정에의해제조될수있다. 예를들어, 유전영동 (Dielectrophoresis), 스프레이 (Spray), 전자스프레이 (electrospray), 스핀코팅 (spincoating), 나노임프린팅 (nanoimprint), 스핀캐스팅 (spincasting) 을포함하는성막 / 패터닝공정이적용될수있다. 상기와같은구조의본발명에따른가요성투명박막트랜지스터를제조하는과정을개략적으로살펴본다. 먼저, 기판 (10) 위에안정적인유기막의형성과소자특성향상을위해산소플라즈마처리 (O 2 Plasma) 나 OTS (Octadecyltrichlorosilane), APS (3-Aminopropyltriethoxysilane) 등을이용한 SAM(Self Assembly Monolayer) 처리를선택적으로수행할수있다. [0040] [0041] 상기소스전극 (21) 및드레인전극 (22) 은쉐도우마스크또는전자빔리소그래피또는포토리소그래피등에의해형성될수있다. 이때, 상기소스전극 (21) 과드레인전극은 DWCNT 또는 MWCNT 등의도전성 CNT와전술한도전성고분자물질또는절연성고분자물질이혼합된재료로형성된다. 절연성물질에 DWCNT 또는 MWCNT 가혼합된경우이들 CNT들은상호넥킹 (necking) 되어고분자물질내에서도전성경로를허용해야한다. 소스전극과드레인전극 (21, 22) 위에반도체 SWCNT와반도체또는절연성고분자물질을이용하여형성된다. SWCNT를제조함에있어서, 촉매의크기조절을통해직경및카이럴리티 (Chirallity) 조절을하기위해촉매를개질된졸-겔 (modified Sol-Gel) 방법으로제조한후, 하소 (Calcination) 공정을거쳐크기가수 nm 이하의작고균일한나노입자를지지체의나노기공에형성한다. 그리고해당촉매에반응가스 (C 2 H 4, C 2 H 2, CH 4 ) 의종류 와유량, 그리고반응온도를조절해높은비율의반도체 SWCNT 를합성한다. 합성된 SWCNT 는전술한바와같이 반도체성고분자물질이절연성물질과혼합된수채널형성에사용된다. 절연층물질에 SWCNT 가혼합된경우 SWCNT 는상호넥킹 (necking) 되어반도체성전기경로를허용해야한다. [0042] [0043] [0044] [0045] [0046] 게이트절연막은소스전극, 드레인전극, 채널층의형성에사용된 PI, 파릴렌 (Parylene), PMMA, PVA, PVP 등의절연성유기물질이사용될수있다. 도 1에는탑게이트방식의가요성투명박막트랜지스터가설명되었다. 그러나본발명의실시예에따르면도 2에도시된바와같이바텀게이트방식의가요성투명박막트랜지스터가제공될수있다. 도 2를참조하면, 투명가요성기판 (10a) 위에게이트층 (50a) 이형성된다. 게이트층 (50a) 위에는게이트절연층 (40a) 이전면적으로형성된다. 게이트절연층 (40a) 위에는상기게이트층 (50a) 에대응하는채널층 (30a) 이형성되고채널층 (30a) 의양측에는소스전극 (21a) 과드레인전극 (22a) 가형성된다. 그리고최상층에는소자전체를보호하는패시베이션층 (60a) 이형성된다. 도 2에도시된형태의바텀게이트방식의가요성투명박막트랜지스터의각적층의물질은전술한도 1에도시된가요성투명박막트랜지스터의그것과동일한물질로형성된다. 한편, 전술한실시예들에있어서, 채널층 (30, 30a) 에는 p형불순물로서 I, O, Br 중의적어도어느하나, 그리고 n 형물질로서 K, Cs, N 중적어도어느하나가포함될수있다. 이들불순물은채널층 (30, 30a) 에서 SWCNT와같이혼합될수도있으며, 본발명의다른실시예에따라별개의적층으로형성될수있다. 즉, 본발명에따른가요성투명박막트랜지스터에있어서, 채널층은단일층또는복층을구조를가질수있으며, 복층구조의채널층은 SWCNT가존재하는제1층과상기불순물이존재하는제2층을구비할수있다. 제1층에는유기반도체물질또는유기절연물질로된결합제에 SWCNT가포함되어있다. 제2층에는전술한바와같이절연성유기물질로된결합재에 p 형물질로서 I, O, Br 중의적어도어느하나, 또는 n 형물질로서 K, Cs, N 중적어도어느하나가포함되어있다. 도 3에도시된바와같이상기채널층 (30, 30a) 의제1층 (31, 31a) 과제2층 (32, 32a) 는상호접촉된상태를유지하며, 따라서제1층의 SWCNT에제2층의 I, O, Br 중의적어도어느하나, 그리고 n 형물질로서 K, Cs, N 중적어도어느하나가포함될수있다. 도 3에서는제1층이제2층의밑에존재하는것으로도시되어있으나, 본 - 8 -
발명의다른실시예에따르면, 그반대가될수있다. [0047] 상기와같은채널층 (50) 의불순물은 SWCNT 접촉되었을때 SWCNT 로부터전자를뺏거나 CNT 에전자를제공하는억 셉터또는도너로서작용할수있어채널의전류크기를키울수있다. [0048] [0049] [0050] 도면의간단한설명도 1은본발명의한실시예에따른투명가요성 CNT 박막트랜지스터의개략적단면도이다. 도 2는본발명의다른실시예에따른투명가요성 CNT 박막트랜지스터의개략적단면도이다. 도 3은본발명의또실시예에따른투명가요성 CNT 박막트랜지스터에적용되는채널층의발췌도면이다. 도면 도면 1 도면 2 도면 3-9 -