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KR102668794B1 - 수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법 - Google Patents

수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR102668794B1
KR102668794B1 KR1020220088251A KR20220088251A KR102668794B1 KR 102668794 B1 KR102668794 B1 KR 102668794B1 KR 1020220088251 A KR1020220088251 A KR 1020220088251A KR 20220088251 A KR20220088251 A KR 20220088251A KR 102668794 B1 KR102668794 B1 KR 102668794B1
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structure light
light emitting
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송인호
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서울대학교 산학협력단
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Abstract

수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법을 개시한다. 상기 수직구조 원편광 발광 트랜지스터는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극; 상기 소스 전극 상에 위치하고, 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극인 드레인 전극;을 포함하고, 상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것으로, 면발광의 양상을 보이며 게이트 전압에 따라 원편광 광량의 조절이 가능한 효과가 있다.

Description

수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법{VERTICAL STRUCTURE CIRCULARLY POLARIZED LIGHT EMITTING TRANSISTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 특허는 삼성전자 미래기술육성센터(지원기관)의 SRFC-MA1602-51(과제번호) "키랄성 분자 및 나노구조체 제어를 통한 신개념 광전자 소자 개발"(과제명)의 지원을 받았습니다.
키랄성은 대상의 거울상으로부터 분별 가능한 비대칭성을 의미한다. 원편광은 편광 상태가 키랄성을 지닌 빛으로 흔히 알려진 선편광 과는 다른 형태의 편광 형태를 지니고 있다. 이들을 분리하여 감지하는 기술은 광통신 기술이나 편광 이미징에 활용 될 가능성을 가지고 있다. 특히 광통신 기술의 경우, 원편광은 기본적인 전자기파의 정보인 파장영역이나 강도 이외에도 편광 형태라는 새로운 정보의 전달이 가능하여 암호화되거나 보안이 강화된 광통신 기술에 응용 가능할 것으로 기대된다.
기존에 좌, 우 방향성을 지니는 원편광을 얻기 위해서는 선편광판과 위상 지연판과 같은 광학 장비들을 필요로 하여, 이는 발광 장비의 소형화 및 집적화를 막고, 발광효율을 감소시키는 요인이 되었다.
이를 해결하기 위해 최근에는 원편광을 직접 발광하는 전자 소자에 관한 연구가 진행되었다. 하지만 기존에 보고된 연구들은 다이오드 구조로 제작되어 발광의 조절을 위해서는 외부 트랜지스터가 추가로 요구되고, 이로 인한 복잡한 공정, 높은 비용, 그리고 소형화에서의 한계라는 단점을 지니고 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 단한 공정과정을 통해 높은 원편광 발광 특성을 갖는 활성층을 제작하고, 제작된 활성층을 기반으로 자체적으로 원편광 발광 조절이 가능한 트랜지스터 구조의 발광 소자 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극; 상기 소스 전극 상에 위치하고, 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극인 드레인 전극;을 포함하고, 상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터가 제공된다.
또한, 상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)일 수 있다.
또한, 상기 상호작용이 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)일 수 있다.
또한, 상기 수직구조 발광 트랜지스터가 원편광을 발광하는 것일 수 있다.
또한, 상기 수직구조 발광 트랜지스터가 면발광하는 것일 수 있다.
또한, 상기 반도체 고분자가 구조 단위로서 플루오렌, 나프탈렌 디이미드, 페릴렌 디이미드, 티오펜, 융합된 티오펜, 벤조티오펜, 벤조티아디아졸, 디케토피롤로피롤, 이소인디고 및 벤조디퓨란디온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 고분자가 F8T2, PCPDTTBTT, PDHBDT, PQT-12, PQTBTz-C12, PBTTT, P(NDI2OD-T2), PCDTPT-HD, F8, F8BT, PCPDTBT, PFDTBT, PTBEHT, DPP-DTT, DPP-BTz, DPP-SVS, PBDTDPP, PCBTDPP, BDOPV, IIDDT, PTIIG-Np, IID-2FBT, PPTDOPPT, PPTEHOPPT, PPTEHMOPPT, PTOPT, MDMO-PPV, PMHPV, MTE-PPV, MEH-PPV, SO2EH-PPV, 및 Super Yellow로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 키랄성 도펀트가 헬리센(helicene), 헬리센 유도체, 바이나프틸기(binaphthyl group)를 포함하는 화합물, 바이페닐기(biphenyl group)를 포함하는 화합물, vic-디올류(vicinal diols; vic-diols), vic-디올류 유도체, 및 카이랄 배위 화합물(chiral coordination complexes)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 키랄성 도펀트가 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[구조식 1]
상기 구조식 1에서,
R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.
또한, 상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층의 두께가 200 nm 내지 1 μm일 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소스 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소스 전극이 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 드레인 전극이 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 금(Au), 그래핀, 산화 인듐 주석(ITO), 및 탄소 나노 튜브(CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, (a) 게이트 전극 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층을 포함하는 게이트 전극/절연층 적층체를 준비하는 단계; (b) 상기 절연층 상에 소스 전극을 형성하는 단계; (c) 상기 소스 전극 상에 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 활성층 상에 투명 전극인 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법이 제공된다.
또한, 상기 단계 (c)가 (c-1) 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 혼합용액을 상기 소스 전극 상에 코팅하여 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합용액이 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법이 상기 단계 (c) 이후에, (c') 상기 활성층을 열처리하여 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리 온도가 100 내지 300 ℃일 수 있다.
본 발명의 수직구조 발광 트랜지스터는 활성층이 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함함으로써 정렬되어 증폭된 키랄성을 가지며, 제조 시 복잡한 공정이 요구되지 않아 소자의 제작 과정이 매우 간단한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 수직구조 발광 트랜지스터는 면발광의 양상을 보이며, 게이트 전압에 따라 원편광 광량의 조절이 가능함으로 원편광을 발생하는 장치의 효율 개선, 소형화, 공정 간소화 및 비용 절감에 효과적이다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 원편광 흡광 정도의 차이를 나타내는 원 이색성 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 광발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 원편광 발광성능 수치인 g factor 수치를 파장에 따라 나타낸 것이다.
도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 열처리 전 편광현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 열처리 후 편광현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 5a는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 게이트 전압-전류 그래프이다.
도 5b는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 현미경 이미지이다.
도 5c는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 전류발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 6a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 게이트 전압-전류 그래프이다.
도 6b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 전류발광 이미지를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에”, "다른 구성요소 상에 형성되어", "다른 구성요소 상에 위치하여", 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
이하, 본 발명의 수직구조 원편광 발광 트랜지스터 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 모식도를 나타낸 것이고 CPL은 Circularly Polarized Luminescence를 의미한다.
도 1을 참고하면, 본 발명은 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극; 상기 소스 전극 상에 위치하고, 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극인 드레인 전극;을 포함하고, 상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터 를 제공한다.
또한, 상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)일 수 있다.
또한, 상기 상호작용이 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)일 수 있다.
또한, 상기 수직구조 발광 트랜지스터가 원편광을 발광하는 것일 수 있다.
또한, 상기 수직구조 발광 트랜지스터가 면발광하는 것일 수 있다.
또한, 상기 반도체 고분자가 구조 단위로서 플루오렌, 나프탈렌 디이미드, 페릴렌 디이미드, 티오펜, 융합된 티오펜, 벤조티오펜, 벤조티아디아졸, 디케토피롤로피롤, 이소인디고 및 벤조디퓨란디온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 고분자가 F8T2, PCPDTTBTT, PDHBDT, PQT-12, PQTBTz-C12, PBTTT, P(NDI2OD-T2), PCDTPT-HD, F8, F8BT, PCPDTBT, PFDTBT, PTBEHT, DPP-DTT, DPP-BTz, DPP-SVS, PBDTDPP, PCBTDPP, BDOPV, IIDDT, PTIIG-Np, IID-2FBT, PPTDOPPT, PPTEHOPPT, PPTEHMOPPT, PTOPT, MDMO-PPV, PMHPV, MTE-PPV, MEH-PPV, SO2EH-PPV, 및 Super Yellow로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 F8T2를 포함할 수 있다.
또한, 상기 키랄성 도펀트가 헬리센(helicene), 헬리센 유도체, 바이나프틸기(binaphthyl group)를 포함하는 화합물, 바이페닐기(biphenyl group)를 포함하는 화합물, vic-디올류(vicinal diols; vic-diols), vic-디올류 유도체, 및 카이랄 배위 화합물(chiral coordination complexes)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 키랄성 도펀트가 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[구조식 1]
상기 구조식 1에서,
R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.
또한, 상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 중량부, 보다 바람직하게는 25 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 상기 키랄성 도펀트가 1 중량부 미만일 경우 키랄성 도펀트를 포함함으로써 발생하는 활성층에서 원편광을 발광하는 효과가 나타나지 않아 바람직하지 않고, 500 중량부를 초과할 경우 전자소자의 구동이 불안정해질 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 활성층의 두께가 200 nm 내지 1 μm일 수 있고, 바람직하게는 250 내지 500 nm일 수 있다. 상기 활성층의 두께가 200 nm 미만일 경우, 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)가 충분히 형성되지 않아 바람직하지 않고, 1 μm를 초과할 경우, 전하 이동이 제한되어 바람직하지 않다.
또한, 상기 게이트 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소스 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소스 전극이 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수직구도 발광 트랜지스터가 상기 절연층 상에 위치하고, 상기 소스 전극과 맞닿고, 상기 활성층과 이격되어 위치하는 컨택 패드(contact pad)를 추가로 포함할 수 있다.
상세하게는, 소스 전극이 은 나노와이어를 포함할 경우, 상기 소스 전극(은 나노와이어 네트워크)에 전류 측정을 위한 프로브 팁을 직접 컨택할 시 네트워크 상에 빈 공간이 많아 프로브 팁과의 원활한 접촉이 이루어지지 않는 경우가 많다. 이에 측정을 용이하게 하기 위해 수직구조 트랜지스터에 컨택 패드를 추가로 포함하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 컨택 패드가 금(Au), 크롬(Cr), 구리(Cu), 칼슘(Ca), 니켈(Ni), 백금(Pt), 은(Ag), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 철(Fe), 주석(Sn) 및 아연(Zn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 드레인 전극이 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 금(Au), 그래핀, 산화 인듐 주석(ITO), 및 탄소 나노 튜브(CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 몰리브덴 삼산화물(MoO3) 및 금(Au)을 포함할 수 있다. 상세하게는, 몰리브덴 삼산화물 및 금을 매우 얇게(~10 nm) 증착하여 투명도를 확보하였다.
본 발명은 (a) 게이트 전극 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층을 포함하는 게이트 전극/절연층 적층체를 준비하는 단계; (b) 상기 절연층 상에 소스 전극을 형성하는 단계; (c) 상기 소스 전극 상에 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 활성층 상에 투명 전극인 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 단계 (c)가 (c-1) 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (c-2) 상기 혼합용액을 상기 소스 전극 상에 코팅하여 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합용액이 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 100 중량부, 보다 바람직하게는 25 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 상기 키랄성 도펀트가 1 중량부 미만일 경우 키랄성 도펀트를 포함함으로써 발생하는 활성층에서 원편광을 발광하는 효과가 나타나지 않아 바람직하지 않고, 500 중량부를 초과할 경우 전자소자의 구동이 불안정해질 수 있어 바람직하지 않다.
또한, 상기 수직구조 트랜지스터의 제조방법이 상기 단계 (c) 이후에, (c') 상기 활성층을 열처리하여 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리 온도가 100 내지 300 ℃일 수 있고, 바람직하게는 230 내지 280 ℃일 수 있다. 상기 열처리 온도가 100 ℃ 미만일 경우, 활성층의 정렬이 유도되지 않아 원편광 발광 효과가 상대적으로 감소하므로 바람직하지 않고, 300 ℃를 초과할 경우 반도체 고분자가 isotropic phase로 접어들어 활성층의 나선형 키랄성 정렬이 유도되지 않아 원편광 발광 효과가 감소하여 바람직하지 않다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<수직구조 발광 트랜지스터 제조>
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 모식도를 나타낸 것이다. 도 1을 참고하여 실시예의 수직구조 발광 트랜지스터를 제조하였다.
실시예 1
n-doped Si/SiO2 (게이트 전극/절연층)의 SiO2 일 부분 상에 크롬/금(Cr/Au)을 증착하여 컨택 패드(contact pad)를 형성하였다.
상기 n-doped Si/SiO2 (게이트 전극/절연층)의 SiO2 타 부분 상에 은 나노와이어를 isopropyl alcohol에 0.15 mg/mL 농도로 혼합한 혼합용액을 코팅하여 소스 전극을 형성하였다.
아래 화학식 1로 표시되는 반도체 고분자 F8T2를 toluene에 녹여 30 mg/mL의 농도로 용액을 제조하였고, 아래 화학식 2로 표시되는 키랄성 도펀트 R(S) 5011를 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 30 중량부 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 혼합용액을 한 시간 이상 스터링한 후 필터하여 상기 소스 전극 위에 스핀코팅을 통해 박막을 제조하였고, 이후 110 ℃ 열처리를 통해 정렬을 유도하여 활성층을 형성하였다.
상기 활성층 상에 열 증착과 쉐도우 마스크를 이용하여 몰리브덴 삼산화물 및 금 전극을 패터닝하여 드레인 전극을 형성함으로써 수직구조 트랜지스터를 제조하였다. 이때, 상기 몰리브덴 삼산화물 및 금을 매우 얇게(~10 nm) 증착하여 투명도를 확보하였다.
비교예 1: 수평구조 발광 트랜지스터
n-doped Si/SiO2 (게이트 전극/절연층)의 SiO2 상에 깍지형 모양의 크롬/금을 포토리소그래피 공정을 통해 증착하여 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하였다. 이때 상기 크롬은 상기 Si/SiO2 기판과 금의 접착을 위해 사용되었고, 상기 금은 전극으로 기능하는 것이다.
아래 화학식 1로 표시되는 반도체 고분자 F8T2를 toluene에 녹여 30 mg/mL의 농도로 용액을 제조하였고, 아래 화학식 2로 표시되는 키랄성 도펀트 R(S) 5011를 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 30 중량부 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 혼합용액을 한 시간 이상 스터링한 후 필터하여 상기 소스 전극 위에 스핀코팅을 통해 박막을 제조하였고, 이후 110 ℃ 열처리를 통해 정렬을 유도하여 활성층을 형성하여 수평구조 발광 트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 수직구조 발광 트랜지스터의 활성층에 관하여
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 원편광 흡광 정도의 차이를 나타내는 원 이색성 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2에 따르면, 키랄성 도펀트의 혼합 및 열처리 이후에 활성층이 증폭된 키랄성을 갖으며, 원편광 방향에 따른 흡광도 차이는 약 480 nm에서 최대인 것을 확인할 수 있다. 또한 이러한 원편광 흡광의 선택성이 도펀트의 종류에 따라 조절될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 광발광 스펙트럼을 나타낸 것이고, 도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 원편광 발광성능 수치인 g factor 수치를 파장에 따라 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b에 따르면, 활성층으로 사용된 고분자 반도체 F8T2는 500 내지 700 nm 영역에서 광 발광하는 것을 확인할 수 있으며, 해당 영역에서 원편광을 발광하여 원편광 발광 정도의 성능 수치인 g PL 값이 0.1 정도로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 열처리 전 편광현미경 이미지를 나타낸 것이고, 도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터에서 활성층의 열처리 후 편광현미경 이미지를 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b에 따르면, 고분자 반도체 박막을 열처리 하기 전에는 amorphous한 domain을 갖고있기에 복굴절이 나타나지 않지만, mesophase를 갖는 온도 범위로 열처리하였을 때에는 도펀트의 함량에 관계없이 고분자 반도체 분자들의 정렬로 인해 결정상에 의한 복굴절 이미지를 확인할 수 있다.
시험예 2: 수평구조와 수직구조 비교
도 5a는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 게이트 전압-전류 그래프이고, 도 5b는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 현미경 이미지이고, 도 5c는 비교예 1에 따라 제조된 수평구조 발광 트랜지스터의 전류발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 5a 내지 5c에 따르면, 수평구조 발광 트랜지스터는 선발광 특성을 보이며 낮은 광량으로 실제 활용에 한계가 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 게이트 전압의 조절을 통해 채널에 흐르는 전하량을 조절하여 발광 여부 및 광량을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6a는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 게이트 전압-전류 그래프이고, 도 6b는 실시예 1에 따라 제조된 수직구조 발광 트랜지스터의 전류발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 6a 및 6b에 따르면, 수직구조 발광 트랜지스터는 수평구조 발광 트랜지스터와 다르게 면발광 특성을 보이며 높은 광량을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한, 게이트 전압의 조절을 통해 채널에 흐르는 전하량을 조절하여 발광 여부 및 광량을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 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.

Claims (20)

  1. 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층;
    상기 절연층 상에 위치하는 소스 전극;
    상기 소스 전극 상에 위치하고, 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 위치하는 투명 전극인 드레인 전극;을 포함하고,
    상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)인 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상호작용이 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction)인 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수직구조 발광 트랜지스터가 원편광을 발광하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수직구조 발광 트랜지스터가 면발광하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 고분자가 구조 단위로서 플루오렌, 나프탈렌 디이미드, 페릴렌 디이미드, 티오펜, 융합된 티오펜, 벤조티오펜, 벤조티아디아졸, 디케토피롤로피롤, 이소인디고 및 벤조디퓨란디온으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 고분자가 F8T2, PCPDTTBTT, PDHBDT, PQT-12, PQTBTz-C12, PBTTT, P(NDI2OD-T2), PCDTPT-HD, F8, F8BT, PCPDTBT, PFDTBT, PTBEHT, DPP-DTT, DPP-BTz, DPP-SVS, PBDTDPP, PCBTDPP, BDOPV, IIDDT, PTIIG-Np, IID-2FBT, PPTDOPPT, PPTEHOPPT, PPTEHMOPPT, PTOPT, MDMO-PPV, PMHPV, MTE-PPV, MEH-PPV, SO2EH-PPV, 및 Super Yellow로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 키랄성 도펀트가 헬리센(helicene), 헬리센 유도체, 바이나프틸기(binaphthyl group)를 포함하는 화합물, 바이페닐기(biphenyl group)를 포함하는 화합물, vic-디올류(vicinal diols; vic-diols), vic-디올류 유도체, 및 카이랄 배위 화합물(chiral coordination complexes)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 키랄성 도펀트가 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터:
    [구조식 1]

    상기 구조식 1에서,
    R1은 C1 내지 C5 알킬기이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 키랄성 초분자체가 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 활성층의 두께가 200 nm 내지 1 μm인 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 소스 전극이 n-도핑된 실리콘(n-doped Si), p-도핑된 실리콘(p-doped Si), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 이터븀(Yb), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 산화금, 산화백금, 산화은, 산화팔라듐, 산화철, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW), 인듐 틴 옥사이드 (Indium tin oxide) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 폴리설폰산 (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소스 전극이 은 나노와이어 (Ag nanowire, Ag NW)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 드레인 전극이 몰리브덴 삼산화물(MoO3), 금(Au), 그래핀, 산화 인듐 주석(ITO), 및 탄소 나노 튜브(CNT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터.
  16. (a) 게이트 전극 및 상기 게이트 전극 상에 위치하는 절연층을 포함하는 게이트 전극/절연층 적층체를 준비하는 단계;
    (b) 상기 절연층 상에 소스 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 소스 전극 상에 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 활성층 상에 투명 전극인 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 키랄성 초분자체가 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 포함하는 것인, 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 단계 (c)가
    (c-1) 반도체 고분자 및 키랄성 도펀트를 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및
    (c-2) 상기 혼합용액을 상기 소스 전극 상에 코팅하여 키랄성 초분자체를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 혼합용액이 상기 반도체 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 키랄성 도펀트 1 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법이 상기 단계 (c) 이후에,
    (c') 상기 활성층을 열처리하여 상기 반도체 고분자와 상기 키랄성 도펀트 간의 상호작용에 의해 파이 겹침(π stacking)으로 정렬된 나선형 키랄성 초분자체(helical supramolecular polymer, HSP)를 포함하는 활성층을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열처리 온도가 100 내지 300 ℃인 것을 특징으로 하는 수직구조 발광 트랜지스터의 제조방법.
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