Solution-processable organic-inorganic hybrid materials were synthesized by the sol-gel method of photopatternable silane and transition metal alkoxides for thin film transistors (TFTs) at room temperature. Using a controlled chemical reactivity of metal alkoxides to hydrolysis and condensation, the synthesized hybrid materials had a high transmittance of over 90 % in the visible region. Addition of transition metal alkoxide was improved the dielectric constant compared with the conventional silicon oxide film (k ~ 3.9) and adjustment of Zr/Si molar ratios exhibited better dielectric constant from 4.2 to 4.7 at 1 MHz. The leakage current density reduced 5.5 $nA/cm^2$, by minimizing silanol groups into the synthesized hybrid materials. Consequently, hybrid materials with a high dielectric constant and low hydroxyl groups can be utilized as the gate dielectric in the TFTs.
여러 형태의 display에서 화소의 점멸을 제어하기 위해서 박막트랜지스터는 구동전압을 낮추면서 큰 정전용량을 갖는 게이트 절연막이 요구되었다. 높은 단위 면적당 정전용량은 유전상수가 큰 유전체 재료를 이용하거나 유전체의 두께를 낮춤으로서 얻을 수 있는데 유전체의 두께를 낮춤으로서 정전용량을 높이는 경우, 유전체를 통해서 게이트 전극으로의 누설전류가 증가하고 현재 사용되는 게이트 절연막은 진공증착 및 패터닝 공정을 필요로 하여 복잡한 공정과 높은 비용이 요구되었다.
이 논문에서는 이를 개선하기 위해 유무기하이브리드 재료를 합성하고 그 특성을 평가하였다. 유전율을 높이는 Ti, Zr, Hf 등 다양한 금속 알콕사이드와 광패터닝이 가능한 에폭시, 아크릴레이트기를 가지는 실리콘 알콕사이드의 졸-겔 방법을 통해 합성하였다. 각 금속 알콕사이드의 반응성을 조절하여 상분리 없이 이종금속결합을 갖는 하이브리드 물질이 합성된 것을 X-선 광전자 분광법을 통해 확인하였다. 유전율을 높이는 지르코늄의 몰비를 증가시킴으로써 하이브리드 물질의 유전상수가 4.7까지 향상되었다. 축합도를 높이고 수산기를 줄임으로써 누설전류를 5.5 $nA/cm^2$까지 줄일 수 있었다. UV 노광에 따른 에폭시, 아크릴레이트기의 가교결합을 통하여 마이크로 단위의 패턴을 얻을 수 있었고 이를 통해 저온, 용액공정 및 간단한 패터닝 공정이 가능한 게이트 절연막 재료로 활용될 수 있다.
