KR20170010697A - 점착 기능을 구비한 유연 전자소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

점착 기능을 구비한 유연 전자소자 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 및 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 형성된 전자소자;를 포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자에 관한 것이다. 이에 의하여 본 발명의 유연 전자소자는 다양한 플렉서블 소재나 굴곡면이 있는 소재의 표면으로 전사되어 자유롭게 점착이 가능하고, 기판의 변형이나 반복적인 밴딩(bending)에 의해서도 전자소자의 손상을 최소화하고 성능을 오랫동안 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

점착 기능을 구비한 유연 전자소자 및 그의 제조방법{FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE HAVING ADHESIVE FUNCTION AND　METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 점착 기능을 구비한 유연 전자소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 점착층을 포함하는 점착테이프 상에 유연 전자소자를 형성하여 점착 기능을 구비한 유연 전자소자를 제조하는 기술에 관한 것이다.
플렉서블한 전자소자는 미래 산업에 중요한 요소 기술이 될 것으로 예상되고 있다. 예를 들어 플라스틱 기판 상에 구현된 박막 트랜지스터는 구부림이 가능한 액정 표시 소자나 최근 큰 관심을 불러일으키고 있는 전자 종이(electronic paper) 및 유기 발광 소자의 구동에도 응용이 가능하다. 특히, 최근에 개발된 전자 종이는 전압 구동으로 높은 전하 이동도와 고속 스위칭 속도가 필요치 않은 표시 소자이고, 구부림이 가능한 대면적에 적용하기 유리한 기술이므로, 유연한 기판에 제작된 박막 트랜지스터의 응용 가능성이 매우 높다.
종래의 기술로서 제작된 플렉서블한 전자소자는 두께가 얇은 필름형태의 플라스틱 기판(plastic substrate)을 사용하여 무게가 가볍고 상대적으로 깨질 위험이 적다는 장점이 있지만, 구부리는 힘에 의해 소자의 파괴가 일어날 수 있고 기존의 2차원적인 평면 소자와는 구조적 호환성이 없는 문제점이 있다. 또한, 박막 트랜지스터 어레이 공정을 수행한 후 플라스틱기판으로부터 고정기판을 떼어내는 탈착 공정이 필요하므로 제조공정이 많아지고, 그에 따른 제품의 양산성도 떨어지며 이에 따른 부수적인 공정 불량의 문제가 있었다.
또한, 작업복이나 다양한 물품 등 표면이 곡면으로 이루어진 소재에 전자소자를 부착할 필요가 있으며, 이 경우, 소자를 지지하는 기판이 변형되면서 소자가 손상될 수 있으며, 전자소자가 부착된 대상이 휘어지거나 구부릴 수 있는 소재인 경우 소자가 지속적으로 저항을 받으며 수명이 단축되는 문제점이 있다.
따라서, 반복적으로 구부리거나 휘는 힘에 상관없이 기판상이 소자의 손상이 최소화되고, 박막 트랜지스터 등 전자소자 어레이 공정 후 고정기판으로부터 쉽게 탈착이 가능하며 다양한 소재에 쉽게 부착하여 사용할 수 있는 점착성을 구비한 플렉서블한 전자소자의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서 유연 전자소자가 다양한 플렉서블 소재나 굴곡면이 있는 소재의 표면에 자유롭게 점착이 가능하고, 기판의 변형이나 반복적인 휘어짐에 의해서도 전자소자의 손상을 최소화하고 성능을 오랫동안 유지할 수 있는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 및 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 형성된 전자소자;를 포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자가 제공된다.
상기 전자소자가 상기 유연 필름을 기판으로 포함할 수 있다.
상기 유연 전자소자가 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 및 바이오 센서 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 점착 기능을 구비한 유연 전자소자가 전계효과 트랜지스터이고, 상기 전계효과 트랜지스터가 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상에 위치하고, 서로 이격되어 배치되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 게이트 절연층 상에 위치하고 상기 소스전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층;을 포함할 수 있다.
상기 점착테이프는 상기 타측면 상에 상기 타측면의 표면을 평탄화하는 표면개질층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 표면개질층이 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐페놀, 및 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 점착테이프의 영탄성률(Young's modulus)이 상기 표면 개질층의 영탄성률(Young's modulus) 보다 작을 수 있다.
상기 표면 개질층은 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)가 0.1 내지 1 nm 일 수 있다.
상기 게이트 절연층은 두께가 1 내지 10 nm 일 수 있다.
상기 활성층이 그래핀, PQT-12(poly(3,3'''-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), PNDI(poly(naphthalene diimide)), PEO(poly(ethylene oxide)), PCL(poly(-caprolactone)), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PS(polystyrene), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), 펜타센, 루브린, 구리 프탈로시아닌 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를 포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법이 제공된다.
상기 유연 전자소자의 제조방법이 단계 (a) 후에 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 표면개질층을 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
단계 (b)의 전자소자가 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 및 바이오 센서 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
단계 (b)의 전자소자가 전계효과 트랜지스터이고, 단계 (b)가, (b-1) 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; (b-2) 상기 게이트 전극상에 게이트 절연층을 형성하는 단계; (b-3) 상기 게이트 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 (b-4) 상기 게이트 절연층 상에, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (b-2)가 UV 오존처리, 산소 분위기 열처리, 및 산소 플라즈마 처리 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
단계 (b-2)가 산소 플라즈마 처리에 의해 수행될 수 있다.
상기 산소 플라즈마 처리가 10 내지 300W의 RF 전력 조건에서 수행될 수 있다.
상기 산소 플라즈마 처리가 1 내지 1000 mTorr의 압력 조건에서 수행될 수 있다.
상기 활성층이 그래핀층이고, 상기 그래핀층이 물리적 또는 화학적 박리에 의해 제조된 그래핀, SiC에서 성장시켜 제조된 그래핀, 및 화학기상 증착법에 의해 제조된 그래핀 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
단계 (b-4)가 건식 전사법에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 유연 전자소자는 다양한 플렉서블 소재나 굴곡면이 있는 소재의 표면에 자유롭게 점착이 가능하고, 기판의 변형이나 반복적인 밴딩(bending)에 의해서도 전자소자의 손상을 최소화하고 성능을 오랫동안 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 실리콘 웨이퍼 상에 제조된 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 개략도 및 측단면도(a) 및 실리콘 웨이퍼에서 분리한 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 사진(b)을 나타낸 것이다.
도3은 스카치 테이프 표면에 폴리이미드의 코팅 전 후 거칠기를 비교한 AFM(atomic force microscope) 이미지이다.
도 4는 실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터를 지폐, 실리콘 웨이퍼, 종이에 부착한 이미지 및 각각의 전기적 성능을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 게이트절연층의 누설전류밀도(current density)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터의 산소 플라즈마 압력에 따른 AlOX의 원자비를 측정하여 나타낸 그래프 및 및 TEM(transmission electron microscope) 이미지이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 게이트절연층/게이트 패턴/폴리이미드/접착테이프가 오피스 페이퍼(office paper)에 부착된 게이트절연층/게이트 패턴/폴리이미드/접착테이프/오피스 페이퍼(a)의 측단면 및 비교예 1에 따라 제조된 게이트 절연층/게이트 패턴/폴리이미드(b)의 측단면을 나타낸 것이다.
도 8은 도 7의 두 샘플에 대한 구부림 곡률반경(bending radius)에 따른 표면 변형률(surface strain)을 측정하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 이하의 설명은 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 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다는 의미로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한 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, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 점착 기능을 구비한 유연 전자소자를 설명하도록 한다.
본 발명의 점착기능을 구비한 유연 전자소자는, 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 및 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 형성된 전자소자;를 포함할 수 있다.
상기 전자소자는 상기 유연 필름을 기판으로 포함할 수 있다.
상기 전자소자는 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 바이오 센서 등일 수 있다.
상기 점착 기능을 구비한 유연 전자소자는, 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 위치하는 게이트 전극; 상기 게이트 전극 상에 위치하는 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 상에 위치하고, 서로 이격되어 배치되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 게이트 절연층 상에 위치하고 상기 소스전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층;을 포함하는 전계효과 트랜지스터일 수 있다.
상기 점착테이프의 상기 타측면 상에 상기 타측면의 표면을 평탄화하는 표면개질층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 표면개질층은 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐페놀, 폴리비닐알콜 등일 수 있다. 바람직하게는 폴리이미드(polyimide)일 수 있다.
상기 점착테이프의 영탄성률(Young's modulus)이 상기 표면 개질층의 영탄성률(Young's modulus) 보다 작을 수 있다.
바람직하게는, 상기 점착테이프의 영탄성률(Young's modulus)은 0.1 내지 100 MPa인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 Mpa일 수 있다.
또한, 상기 표면 개질층의 영탄성률(Young's modulus)은 상기 점착테이프의 영탄성률(Young's modulus)에 비해 상대적으로 큰 것이 바람직하고, 0.1 내지 100 GPa일 수 있고, 더 바람직하게는 1 내지 10 GPa일 수 있다.
상기 점착테이프 표면의 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)는 10 내지 100 nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 80 nm일 수 있다.
상기 표면 개질층은 두께가 1 내지 20㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 15㎛일 수 있다.
상기 표면 개질층은 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)가 0.1 내지 1 nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.4 nm일 수 있다.
상기 게이트 절연층은 두께가 1 내지 10 nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3 내지 7 nm 일 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Hf, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn 등을 적용할 수 있다.
상기 유기 활성층은 그래핀, PQT-12(poly(3,3'''-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), PNDI(poly(naphthalene diimide)), PEO(poly(ethylene oxide)), PCL(poly(-caprolactone)), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PS(polystyrene), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), 펜타센, 루브린, 구리 프탈로시아닌 및 풀러렌 등일 수 있다.
본 발명의 유연 전자소자는 다양한 플렉서블 소재나 굴곡면이 있는 소재의 표면에 부착될 수 있다. 예를 들면, 상기 플렉서블 소재가 펜, 피부, 지폐, 의류, 유리 등일 수 있다.
도 1은 본 발명의 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법을 설명하도록 한다.
먼저, 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프를 준비한다(단계 a).
상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 표면개질층을 추가로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코팅이 물리적 기상증착, 화학적 기상증착, 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 딥 코팅, 드롭 캐스팅, 바 코팅, 슬롯다이 코팅 등일 수 있다. 바람직하게는 스핀코팅일 수 있다.
상기 코팅하는 단계 이후, 가열하여 건조시킬 수 있다.
이후, 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 전자소자를 형성한다(단계 b).
상기 전자소자는 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 바이오 센서 등 다양한 전자소자가 적용될 수 있으나, 이하에서는 예시적으로 전계효과 트랜지스터를 형성하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
구체적으로, 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 게이트 전극을 형성한다(단계 b-1).
b-1 단계는 쉐도우 마스크, 포토리소그래피, 물리적기상증착법, 화학적 기상증착법, 스핀코팅 등에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 전극 상에 게이트 절연층을 형성한다(단계 b-2).
b-2 단계는 UV 오존처리, 산소 분위기 열처리, 산소 플라즈마 처리 등에 의해 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 산소 플라즈마 처리에 의해 수행될 수 있다.
종래의 고분자 기판에 비해 본 발명에 적용되는 점착테이프는 열이나 화학물질에 매우 취약하므로, 고온이나 고압이 요구되는 공정에서 손상될 수 있다. 따라서, 온도가 낮고, 화학물질에 노출되지 않는 마일드한 공정으로 게이트 절연층을 형성할 필요가 있다.
상기 산소 플라즈마 처리는 바람직하게는 10 내지 300W, 더욱 바람직하게는 200 내지 280W의 RF 전력(Radio Frequency Power) 조건에서 수행할 수 있다.
또한, 상기 산소 플라즈마 처리 시간은 상기 전력 조건에서 1 내지 20분 동안 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 내지 15 분 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 산소 플라즈마의 압력 조건은 바람직하게는 1 내지 1000 mTorr, 더욱 바람직하게는 10 내지 100 mTorr일 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성한다(단계 b-3).
상기 소스 전극 및 드레인 전극의 재료는 상기 점착 기능을 구비한 유연 전자 소자의 설명에 기재된 바와 동일하므로 상세한 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
마지막으로, 상기 게이트 절연층 상에, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층을 형성한다(단계 b-4).
상기 활성층의 종류는 상술한 점착 기능을 구비한 유연 전자소자에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
상기 활성층은 다양한 반도체 물질을 적용할 수 있으나, 바람직하게는 그래핀을 포함하는 그래핀층을 적용할 수 있다.
상기 그래핀층은 물리적 또는 화학적 박리에 의해 제조된 그래핀, SiC에서 성장시켜 제조된 그래핀, 화학기상 증착법에 의해 제조된 그래핀 등일 수 있다.
상기 그래핀층의 형성은 상기 게이트 절연층상에 그래핀을 건식 전사법에 따라 수행하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 본 발명에 적용되는 점착테이프는 습기에 취약하므로 종래 사용되는 습식 전사법에 비해 건식 전사법을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다.
[실시예]
실시예 1
유연필름으로 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)과 점착층으로 실리콘계 점착제를 포함하는 점착 테이프인 스카치 테이프(3MTM, 5480, PTFE 두께 50㎛, 실리콘계 접착제 두께 44㎛)를 준비하였다. 상기 스카치 테이프를 실리콘 웨이퍼 상에 부착하였다.
다음으로, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 부착된 테이프상에 폴리이미드 용액(VTECTM, PI-1388)을 3000rpm으로 30초 동안 스핀코팅하고, 60℃ 및 150℃에서 순차적으로 10분 동안 베이킹(baking)하여 폴리이미드 표면개질층을 형성하였다.
다음으로, 상기 표면개질층상에 게이트 전극으로 알루미늄 층(30nm)을 섀도우 마스크를 이용하여 열 증착기 안에서 열증착하였다.
이후, 상기 알루미늄 층을 250W의 RF 전력(radio frequency power) 조건에서 7분 동안 산소 플라즈마 챔버에서 산화시켜 상기 알루미늄 층의 표면에 게이트 절연층을 형성하였다. 플라즈마 처리를 하는 동안, 산소 압력은 플라즈마가 존재하는 동안 가능한 가장 낮은 수준으로 유지하였다. 이때, 플라즈마 챔버의 가장 낮은 압력 수준은 12mTorr 였다.
다음으로, 상기 게이트 절연층상에 소스 및 드레인 전극(5nm 두께의 티타늄상에 40nm 두께 금)을 섀도우 마스크를 이용하여 열층착하였다.
마지막으로, 상기 소스 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하도록 상기 게이트 유전체층 상에 건식 전사법에 따라 그래핀 활성층을 형성하였다. 구체적으로, 구리 포일 위에 성장된 그래핀 상에 폴리부타디엔과 PMMA를 차례로 코팅하여 바이레이어 지지층을 형성하고, 코팅면의 반대편에 존재하는 그래핀은 산소 플라즈마를 통해 제거한 후, 0.1M의 과황산암모늄 수용액에 넣어 구리 포일을 에칭하였다. 구리 포일이 다 에칭된 후에 상기 과황산암모늄 수용액에 떠있는 PMMA/폴리부타디엔/그래핀층을 증류수 배스에 옮긴 후, 물에 떠있는 PMMA/폴리부타디엔/그래핀층을 구멍이 뚫린 샘플 홀더에 고정시키고 건조시켰다. 다음으로, 상기 홀더에 고정된 상기 폴리부타디엔/PMMA/그래핀층을 상기 소스 및 드레인 전극, 게이트 절연층과 접촉시키고 열과 압력을 가하여 그래핀을 건식 전사함으로써 그래핀 활성층을 형성하여 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
실시예 1에 따라 실리콘 웨이퍼 상에 제조된 점착 기능을 구비한 유연 그래핀전계효과 트랜지스터의 개략도 및 측단면도(a)와, 실리콘 웨이퍼에서 분리한 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 사진(b)을 도 2에 나타내었다.
실시예 2
게이트 절연층 형성시, 산소 플라즈마 챔버의 압력이 12mTorr 인 것 대신에 50mTorr인 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
실시예 3
게이트 절연층 형성시, 산소 플라즈마 챔버의 압력이 12mTorr 인 것 대신에 100mTorr인 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
비교예 1
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)과 실리콘계 접착제를 포함하는 스카치 테이프 대신에 폴리이미드 필름(두께 125㎛)을 유연 기판으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1. 폴리이미드 코팅 전 후 기판 표면의 거칠기 비교
스카치 테이프의 PTFE 표면에 폴리이미드의 코팅 전 후 거칠기를 비교한 AFM(atomic force microscope) 분석결과를 도 3에 나타내었다. 상기 스카치 테이프는 실시예 1에서 사용한 것을 사용하였다.
상기 분석 결과를 통해 스카치 테이프 표면과 폴리이미드가 코팅된 스카치 테이프 표면의 거칠기를 확인할 수 있었다.
도 3을 참조하면, 스카치 테이프 표면의 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)는 28.1nm로 거칠지만, 스카치 테이프 표면에 폴리이미드 용액을 통하여 9㎛의 폴리이미드 필름을 스핀코팅하면 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)가 0.225nm로 실리콘 웨이퍼와 유사한 수준으로 표면에 평탄화되는 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라 평탄화된 기판상에 전자소자를 부착하기에 더욱 용이할 것으로 판단된다.
시험예 2. 점착 기능을 구비한 그래핀 전계효과 트랜지스터의 전기적 성능 분석
도 4는 실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터를 지폐(a), 실리콘 웨이퍼(b), 종이(c)에 부착한 이미지 및 각각에 대한 전기적 성능을 분석한 결과이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터는 실리콘 웨이퍼에서 떼어낼 수 있고, 떼어낸 뒤 원하는 다양한 기판에 붙일 수 있었다. 또한, 전기적 성능을 분석하기 위해 실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터를 우선 측정하였고, 이를 실리콘 웨이퍼에서 떼어낸 뒤 지폐에 옮겨서 같은 부분을 측정하였고, 또 다시 떼어내어 종이에 붙인 뒤 구기고 핀 다음 같은 부분을 다시 한번 측정하였다.
실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터는 채널 폭을 85μm로 고정하였고, 폭과 길이비(width-to-length ratio, W/L)는 0.2로 고정하였다.
실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터는 지폐로 이동한 뒤에도 전기적 성능이 거의 변화하지 않았고, 종이로 전사하고 구겨진 이후에도 전기적 성능은 거의 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 3. 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 누설전류 분석
도 5는 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터의 전류밀도(current density)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터는 게이트 절연층 형성시 산소플라즈마 처리 공정에서 산소압력이 낮을수록 AlOX 층을 통과하는 누설전류(current density)가 감소하고, 항복 전압(breakdown voltage)은 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 게이트 절연층을 형성할 때 산소 플라즈마 처리 압력이 낮을수록 더 좋은 품질의 산화막을 제조할 수 있고, 그래핀 전계효과 트랜지스터 게이트 절연층의 절연특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
또한, 자가조립 단분자막(self-assembled monolayer, SAM)과 함께 AlOX의 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)을 사용한 종래의 게이트 절연체(총 두께 6.4nm)의 정전용량은 대략 0.5μF cm-2 정도이며, 누설전류는 3V에서 10-7A cm-2로 측정되었다. 3V에서 0.5μF cm-2 정전용량은 실시예 1의 알루미늄 산화물 커패시터의 겨우 1V에서 1.5 μF cm-2 AlOX 정전용량과 같은 양의 전하량을 유도하고, 1V에서 AlOX를 통해 게이트 누설전류는 10-8A cm-2이고, 이것은 이전 연구에서보다 낮은 수치이다.
따라서, 실시예 1의 게이트 절연체는 정전용량(capacitance)이 크기 때문에, 전계효과 트랜지스터(FET)를 작동하기에 1-1.5V의 낮은 전압으로도 충분히 작동할 수 있으며, 이는 다양한 소재 및 기기에 점착되어 휴대 사용하기에 적합하다는 것을 의미한다.
시험예 4. 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 누설전류 분석
도 6은 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터의 게이트 절연체 형성시 산소 플라즈마 압력에 따른 AlOX의 원자비를 측정하여 나타낸 그래프 및 게이트 및 게이트 절연체의 측단면에 대한 TEM(transmission electron microscope) 이미지를 나타내었다.
실시예 1 내지 3에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터 제조시 산소 플라즈마 압력에 따른 AlOX의 원자비는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)으로 측정하였다. XPS 측정에서 AlOX 의 비탄력 평균 자유 경로(inelastic mean free path, IMFP)는 최대 전자 운동 에너지가 1420 eV에서 5nm 이하이다. 따라서, 광전자 검출기 및 샘플 스테이지 사이의 각도는 AlOX에서 나온 측정된 광전자는 모두 80 °기울어졌다.
도 6을 참조하면, AlOX의 원자비는 낮은 산소압으로 산소 플라즈마를 수행한 실시예 1의 경우에 산소의 비율이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 AlOX의 절연성은 산소비율의 증가와 함께 향상됨을 알 수 있었다.
또한, 실시예 1에 의해 제조된 그래핀 전계효과 트랜지스터의 AlOX 두께는 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 이용하여 5.7nm로 측정되었다. AlOX 층의 유전상수를 9.5로 가정함으로써, TEM으로 측정된 두께는 상기 도 5에 따른 정전용량 값과 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 구부림 곡률반경에 따른 표면 변형률 측정
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터가 오피스 페이퍼(office paper)에 부착된 측단면(a) 및 비교예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터(b)의 측단면을 나타낸 것이다. 여기서 전계효과 트랜지스터의 구성요소 중 기판 및 게이트 전극/게이트 절연층만이 도시하였고, 나머지 구조는 생략하였다. 또한, 도 8은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터의 구부림 곡률반경(bending radius)에 따른 표면 변형률(surface strain)을 측정하여 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 구부림 곡률반경이 약 0.1cm일 때, 비교예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터 기판의 표면 변형률이 실시예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터 기판의 표면 변형률에 비해 약 5배 큰 것을 알 수 있었다.
따라서, 실시예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터의 실리콘계 접착제 부분이 전단 응력을 흡수하여, 기판 표면 변형률이 비교예 1에 따라 제조된 전계효과 트랜지스터보다 훨씬 낮은 것은 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 점착 기능을 구비한 전자소자는 다양한 소재 또는 기기에 적용되어 밴딩(bending)되어도 기판 표면에 변형률이 작아 그 위에 부착된 소자의 손상이 최소화될 수 있을 것으로 판단된다.
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. 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프; 및
    상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 형성된 전자소자;를
    포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자소자가 상기 유연 필름을 기판으로 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유연 전자소자가 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 및 바이오 센서 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 점착 기능을 구비한 유연 전자소자가 전계효과 트랜지스터이고,
    상기 전계효과 트랜지스터가
    유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프;
    상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 위치하는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 위치하는 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층 상에 위치하고, 서로 이격되어 배치되는 소스 전극 및 드레인 전극; 및
    상기 게이트 절연층 상에 위치하고 상기 소스전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 점착테이프는 상기 타측면 상에 상기 타측면의 표면을 평탄화하는 표면개질층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 표면개질층이 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐페놀, 및 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 점착테이프의 영탄성률(Young's modulus)이 상기 표면 개질층의 영탄성률(Young's modulus) 보다 작은 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 표면 개질층은 제곱평균제곱근 거칠기(Root-mean-square roughness)가 0.1 내지 1 nm인 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 두께가 1 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 전자소자.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 활성층이 그래핀, PQT-12(poly(3,3'''-didodecyl quarterthiophene)), P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), P3BT(poly(3-butyl thiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPy(polypyrrole), PANI(polyaniline), PDPP(polydiketopyrrolopyrrole), PIID(polyisoindigo), PPDI(poly(perylene diimide)), PNDI(poly(naphthalene diimide)), PEO(poly(ethylene oxide)), PCL(poly(-caprolactone)), PMMA(poly(methyl methacrylate)), PS(polystyrene), PVP (poly(vinyl pyrrolidone)), 펜타센, 루브린, 구리 프탈로시아닌 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자.
  11. (a) 유연 필름, 및 상기 유연 필름의 일측면 상에 형성된 점착층을 포함하는 점착테이프를 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 전자소자를 형성하는 단계;를
    포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유연 전자소자의 제조방법이 단계 (a) 후에 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 표면개질층을 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    단계 (b)의 전자소자가 전계효과 트랜지스터, 태양전지, 유기발광다이오드, 촉각센서, 전파 식별 태그, 전자종이, 및 바이오 센서 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    단계 (b)의 전자소자가 전계효과 트랜지스터이고,
    단계 (b)가,
    (b-1) 상기 점착테이프의 상기 일측면의 반대측 타측면 상에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    (b-2) 상기 게이트 전극상에 게이트 절연층을 형성하는 단계;
    (b-3) 상기 게이트 절연층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    (b-4) 상기 게이트 절연층 상에, 상기 소스 전극 및 드레인 전극을 전기적으로 연결하는 활성층을 형성하는 단계;를
    포함하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    단계 (b-2)가 UV 오존처리, 산소 분위기 열처리, 및 산소 플라즈마 처리 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    단계 (b-2)가 산소 플라즈마 처리에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 산소 플라즈마 처리가 10 내지 300W의 RF 전력 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 산소 플라즈마 처리가 1 내지 1000 mTorr의 압력 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 활성층이 그래핀층이고,
    상기 그래핀층이 물리적 또는 화학적 박리에 의해 제조된 그래핀, SiC에서 성장시켜 제조된 그래핀, 및 화학기상 증착법에 의해 제조된 그래핀 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    단계 (b-4)가 건식 전사법에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 점착 기능을 구비한 유연 전자소자의 제조방법.
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