JP5212596B2 - Organic transistor - Google Patents
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Description
本発明は、有機トランジスタの製造において、製造プロセスの低温化に適したゲート絶縁膜用塗布液、およびこれにより形成したゲート絶縁膜に関するものであり、更にはこのゲート絶縁膜によって作製された有機トランジスタ関するものである。 The present invention relates to a coating liquid for a gate insulating film suitable for lowering the manufacturing process in the production of an organic transistor, and a gate insulating film formed thereby, and further, an organic transistor fabricated using this gate insulating film It is related.
現在、電子ペーパーなどのフレキシブルデバイスの基板としてはポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック基板が検討されているが、これらは加熱時に僅かに伸張・収縮する問題があり、耐熱性の向上が急務となっている。一方で、プラスチック基板へかかる熱的なストレスを軽減するため、有機トランジスタの製造プロセスの低温化が検討されている。有機トランジスタを製造する上でもっとも高温が要求されるプロセスのひとつにゲート絶縁膜を成膜する工程があり、ゲート絶縁膜の成膜プロセスの低温化が求められている。 Currently, plastic substrates such as polycarbonate and polyethylene terephthalate are being studied as substrates for flexible devices such as electronic paper, but these have the problem of slightly expanding and contracting when heated, and there is an urgent need to improve heat resistance. Yes. On the other hand, in order to reduce the thermal stress applied to the plastic substrate, lowering the temperature of the manufacturing process of the organic transistor has been studied. One of the processes requiring the highest temperature in manufacturing an organic transistor is a step of forming a gate insulating film, and there is a demand for lowering the film forming process of the gate insulating film.
低温でゲート絶縁膜を形成する方法としては、ゲート電極表面を陽極酸化する方法(特許文献1参照)、化学気相堆積法による方法(特許文献2参照)などが提案されているが、これらはプロセスが煩雑であり、スピンコートや印刷法のように塗布で容易に成膜できる材料が望まれている。 As a method for forming the gate insulating film at a low temperature, a method of anodizing the surface of the gate electrode (see Patent Document 1), a method using a chemical vapor deposition method (see Patent Document 2), and the like have been proposed. The process is complicated, and a material that can be easily formed by coating, such as spin coating or printing, is desired.
一方、塗布によりゲート絶縁膜を作成した例としては、まず、ポリ−4(ビニルフェノール)、ポリ(メラミン-ホルムアルデヒド)を200℃で硬化した例が挙げられる(非特許文献1)。しかしながら、このものでは、焼成温度が200℃と高く、この温度では、プラスチック基板の熱伸縮の影響が顕著に現れ、微細な画素を有するような電子ペーパーの作製は困難となる。また、低温硬化可能なポリイミド前駆体を180℃で焼成した例がある(非特許文献2)。しかし、このものでは、ポリイミドとあるのみで、ポリイミドの具体的構造は開示されていない。また、リーク電流密度は2MV/cmで1×10−9A/cm2以上となっており、絶縁性においてはまだ不十分である。
また、特許文献3には、シクロブテンテトラカルボン酸二無水物とヘキサフルオロプロピリデン基を分子中に有する特定のジアミンからなるポリイミド前駆体をイミド化して得られたポリイミドが開示されており、270℃〜350℃の高温焼成においても可視部のみならず紫外部の透明性に優れたポリイミド膜が得られることが記載されており、液晶表示素子や半導体素子の保護膜、絶縁膜、光通信用の光導波路材料等に用いるのに適したものであることが示されている。そして、その実施例では、2,2’−ビス(3−メチル−4−アミノフェニル)ヘキサフルオロプロパンとシクロブタンテトラカルボン酸二無水物から得られたポリイミド前駆体を、300℃で焼成することによりポリイミド膜を成膜している。しかし、この文献では、ゲート絶縁膜に適する低温焼成によるポリイミド膜の形成については全く言及されておらず、従って、低温焼成により良好な膜質のポリイミド膜を得るためのポリアミド前駆体構造や成膜条件等との関係を示唆する記載は全くなされていない。
Patent Document 3 discloses a polyimide obtained by imidizing a polyimide precursor composed of a specific diamine having a cyclobutenetetracarboxylic dianhydride and a hexafluoropropylidene group in the molecule. It is described that a polyimide film excellent in transparency not only in the visible part but also in the ultraviolet part can be obtained even at a high temperature baking of from ℃ to 350 ℃. For liquid crystal display elements and semiconductor elements, protective films, insulating films, and optical communication It is shown that it is suitable for use in such an optical waveguide material. And in the Example, by baking the polyimide precursor obtained from 2,2'-bis (3-methyl-4-aminophenyl) hexafluoropropane and cyclobutane tetracarboxylic dianhydride at 300 degreeC. A polyimide film is formed. However, this document does not mention at all about the formation of a polyimide film by low-temperature baking suitable for a gate insulating film, and therefore, a polyamide precursor structure and film formation conditions for obtaining a polyimide film having good film quality by low-temperature baking. There is no description suggesting a relationship with the above.
解決しようとする問題点は、特性の良い有機トランジスタにおけるゲート絶縁膜を、塗布で簡便に成膜可能とし、かつ低温で焼成可能とすることである。
従って、本発明の目的は、低温で焼成可能であり、具体的には、プラスチック基板の耐熱性を考慮した場合の温度である180℃以下の焼成が可能であるゲート絶縁膜用塗布液と、塗布で簡便に成膜可能であり、かつ低温で焼成可能であり、具体的には、プラスチック基板の耐熱性を考慮した場合の温度である180℃以下の焼成が可能であり、さらには、デバイスの作製プロセスを全て塗布で行う場合、ゲート絶縁膜の上層に有機半導体を積層する必要があるが、このとき用いる溶媒に対しての耐溶剤性に優れ、しかも比抵抗や半導体移動度等の点で特性が良いゲート絶縁膜を提供することにあり、さらには、このゲート絶縁膜を適用した有機トランジスタを提供することにある。
The problem to be solved is that a gate insulating film in an organic transistor with good characteristics can be easily formed by coating and can be fired at a low temperature.
Therefore, an object of the present invention is to be fired at a low temperature, specifically, a coating liquid for a gate insulating film capable of firing at a temperature of 180 ° C. or lower, which is a temperature when considering the heat resistance of a plastic substrate, The film can be easily formed by coating and can be baked at a low temperature. Specifically, the baking can be performed at a temperature of 180 ° C. or lower in consideration of the heat resistance of the plastic substrate. When all the manufacturing processes are performed by coating, it is necessary to stack an organic semiconductor on the upper layer of the gate insulating film, but it has excellent solvent resistance to the solvent used at this time, and also has specific resistance, semiconductor mobility, etc. It is to provide a gate insulating film with good characteristics and to provide an organic transistor to which the gate insulating film is applied.
低温焼成で高い比抵抗を得るためには、熱イミド化の必要がない可溶性ポリイミドを主体とした材料を使用するのが最も良い手段であると考えられる。しかし、イミド化率が高いと溶解性が低下することから、高イミド化率でも高い溶解性が得られるよう溶解性に優れるポリイミドを用いる必要がある。
さらに、ポリイミドを溶解させる溶媒として高沸点溶媒を用いると、溶媒を完全に揮発させるために沸点とほぼ同じ温度で焼成を行わなければならず、高い焼成温度が必要となることから、ポリイミドは低沸点溶媒に溶解できることが望まれる。
そして、これらに加え、低沸点溶媒に対する溶解性と、有機半導体を塗布する際の溶媒に対する耐性のバランスを考慮する必要がある。
In order to obtain a high specific resistance by low-temperature firing, it is considered that the best means is to use a material mainly composed of soluble polyimide that does not require thermal imidization. However, since the solubility is lowered when the imidization rate is high, it is necessary to use a polyimide having excellent solubility so that high solubility can be obtained even at a high imidization rate.
Furthermore, if a high boiling point solvent is used as a solvent for dissolving the polyimide, the polyimide must be low because a high baking temperature is required because the baking must be performed at the same temperature as the boiling point in order to completely volatilize the solvent. It is desirable that it can be dissolved in a boiling point solvent.
In addition to these, it is necessary to consider the balance between the solubility in the low boiling point solvent and the resistance to the solvent when the organic semiconductor is applied.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、本発明は、第一に、下記式(1)で表される繰り返し単位を有するポリアミド酸を脱水閉環して得られたポリイミドを含有するゲート絶縁膜用塗布液であって、180℃以下、好ましくは、150℃以下の温度で焼成が可能であることを特徴とするゲート絶縁膜用塗布液である。
また、第二に、ポリイミド膜からなるゲート絶縁膜であって、このポリイミド膜は有機溶媒可溶性ポリイミドの溶液を、塗布し、焼成して得られた膜であり、かつ、この有機溶媒可溶性ポリイミドは、下記式(1)で表される繰り返し単位を有するポリアミド酸を脱水閉環して得られたポリイミドであり、ポリイミド膜の焼成温度が180℃以下、好ましくは、150℃以下であることを特徴とするゲート絶縁膜である。
This invention is made | formed in view of such a situation, and this invention first made the polyimide obtained by dehydrating and ring-closing the polyamic acid which has a repeating unit represented by following formula (1). A gate insulating film coating liquid, characterized in that it can be baked at a temperature of 180 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower.
Second, a gate insulating film made of a polyimide film, which is a film obtained by applying and baking a solution of an organic solvent soluble polyimide, and this organic solvent soluble polyimide is , A polyimide obtained by dehydrating and ring-closing a polyamic acid having a repeating unit represented by the following formula (1), wherein the firing temperature of the polyimide film is 180 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower. This is a gate insulating film.
[式(1)中、Aは4価の有機基を表し、B1は下記(2)〜(9)から選ばれる少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は下記(2)〜(9)以外の2価の有機基を表す。 [In Formula (1), A represents a tetravalent organic group, B 1 represents at least one divalent organic group selected from the following (2) to (9), and B 2 represents (2) Represents a divalent organic group other than (9).
(ここで、R5はそれぞれ独立に水素、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。)
b1およびb2はそれぞれ組成比を表し、b1とb2の比率(モル)は
0.5≦(b1/(b1+b2))≦1
の関係を有する。]
また、式(1)において、Aは脂環構造を有する4価の有機基であることが好ましい。
さらに、脂環構造を有する4価の有機基は、下記(10)〜(14)から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
(Here, R 5 independently represents hydrogen, a methyl group or a trifluoromethyl group.)
b1 and b2 each represent a composition ratio, and the ratio (mol) of b1 and b2 is 0.5 ≦ (b1 / (b1 + b2)) ≦ 1
Have the relationship. ]
In Formula (1), A is preferably a tetravalent organic group having an alicyclic structure.
Furthermore, the tetravalent organic group having an alicyclic structure is preferably at least one selected from the following (10) to (14).
(式(10)中、R1、R2、R3およびR4はそれぞれ独立に水素、フッ素または炭素数1〜4の有機基を表す。)
さらには、式(1)において、B1は前記(2)、(4)、(6)または(8)であることが好ましい。
また、式(1)において、B1中のR5はメチル基またはトリフルオロメチル基であることが好ましい。
そして、ポリイミド膜の焼成温度は150℃以下であることが好ましい。
また、有機溶媒可溶性ポリイミドのイミド化率は50%以上であることが好ましい。
また、有機溶媒可溶性ポリイミドの溶液における溶媒の沸点は200℃以下であることが好ましい。
そして、本発明の有機トランジスタは、このようなゲート絶縁膜が使用されたものであることが好ましい。
(In the formula (10), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent hydrogen, fluorine or an organic group having 1 to 4 carbon atoms.)
Furthermore, in the formula (1), B 1 is preferably the above (2), (4), (6) or (8).
In Formula (1), R 5 in B 1 is preferably a methyl group or a trifluoromethyl group.
And it is preferable that the baking temperature of a polyimide film is 150 degrees C or less.
Moreover, it is preferable that the imidation ratio of an organic solvent soluble polyimide is 50% or more.
The boiling point of the solvent in the organic solvent-soluble polyimide solution is preferably 200 ° C. or lower.
The organic transistor of the present invention preferably uses such a gate insulating film.
本発明のゲート絶縁膜は、比抵抗が非常に高く、ゲートリーク電流が極めて少ない利点を有する。さらに、本発明のゲート絶縁膜用塗布液によれば、180℃以下の焼成温度で高品質の絶縁膜が得られることから、プラスチック基板にも適用可能であり、ゲートリーク電流の少ない有機トランジスタの低温プロセス化を達成することができる。この場合、低沸点溶媒の選択により、150℃焼成でも成膜が可能になる。
さらには、脱ガスが少なく、有機トランジスタの長期信頼性にも優れた特性を有している。そして、キシレン、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンなどの溶媒に耐性があるので、有機半導体層を塗布により形成することができる。
The gate insulating film of the present invention has an advantage that the specific resistance is very high and the gate leakage current is extremely small. Furthermore, according to the coating liquid for a gate insulating film of the present invention, a high-quality insulating film can be obtained at a baking temperature of 180 ° C. or lower. Low temperature processing can be achieved. In this case, the film can be formed even by baking at 150 ° C. by selecting a low boiling point solvent.
Furthermore, there is little outgassing and the organic transistor has excellent long-term reliability. And since it is resistant to solvents such as xylene, trichlorobenzene, and trimethylbenzene, the organic semiconductor layer can be formed by coating.
本発明のゲート絶縁膜はポリイミド膜からなり、このポリイミド膜は、下記式(1)で表される繰り返し単位を有するポリアミド酸を脱水閉環して得られた有機溶媒可溶性ポリイミドの溶液をゲート絶縁膜用塗布液として用い、これを、塗布し、焼成して得られた膜である。 The gate insulating film of the present invention is composed of a polyimide film. This polyimide film is formed by using a solution of an organic solvent-soluble polyimide obtained by dehydrating and ring-closing polyamic acid having a repeating unit represented by the following formula (1). It is the film | membrane obtained by apply | coating and baking this as an application | coating liquid.
式(1)中、B1は下記(2)〜(9)から選ばれる少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は下記(2)〜(9)以外の2価の有機基を表す。 In formula (1), B 1 represents at least one divalent organic group selected from the following (2) to (9), and B 2 is a divalent organic group other than the following (2) to (9). Represents.
式(2)〜(9)中、R5はそれぞれ独立に水素、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。これらの式中における2つのR5は、通常、同一であるが、異なるものであってもよい。
式(1)のB1における(2)〜(9)の構造の特徴は、1個の炭素原子または酸素原子を挟んで存在する2つのフェニル基が、3,3’−または3,4’−の形でポリマー主鎖に結合している点にある。
これら2価の有機基を有するポリイミドは、溶解性に優れており、高イミド化率でも低沸点溶媒に対して溶解性が得られ、さらに高い絶縁性を有する。
3,3’−結合の方が、溶解性が高くなるので好ましい。
上記フェニル基の置換基(R5)は、水素原子、メチル基、またはトリフルオロメチル基であるが、ポリイミドの溶解性を高くする目的でメチル基またはトリフルオロメチル基が好ましく、さらに、ゲート絶縁膜の電気特性も考慮するとメチル基の方が好ましい。
2つのフェニル基を結合させている基はイソプロピリデン基、ヘキサフルオロイソプロピリデン基、メチレン基、またはエーテル基である。溶解性の観点からはヘキサフルオロイソプロピリデン基が最も好ましく、次いでイソプロピリデン基が好ましい。ゲート絶縁膜の電気特性の観点からはイソプロピリデン基またはメチレン基が好ましい。
式(1)のB1において、(2)〜(9)の構造は、1種類でもよく、複数種が混在していてもよい。
In formulas (2) to (9), R 5 each independently represents hydrogen, a methyl group or a trifluoromethyl group. Two R 5 in these formulas are usually the same, but may be different.
The structural features of (2) to (9) in B 1 of the formula (1) are characterized in that two phenyl groups present with one carbon atom or oxygen atom in between are 3,3′- or 3,4 ′ It is in the point of bonding to the polymer main chain in the form of-.
These polyimides having a divalent organic group are excellent in solubility, have solubility in low-boiling solvents even at a high imidization rate, and have higher insulation properties.
The 3,3′-bond is preferable because of high solubility.
The phenyl group substituent (R 5 ) is a hydrogen atom, a methyl group, or a trifluoromethyl group, and is preferably a methyl group or a trifluoromethyl group for the purpose of increasing the solubility of the polyimide. In consideration of the electrical characteristics of the film, a methyl group is preferred.
The group connecting two phenyl groups is an isopropylidene group, a hexafluoroisopropylidene group, a methylene group, or an ether group. From the viewpoint of solubility, a hexafluoroisopropylidene group is most preferred, followed by an isopropylidene group. From the viewpoint of the electrical characteristics of the gate insulating film, an isopropylidene group or a methylene group is preferable.
In B 1 of formula (1), the structure of (2) to (9) may be one kind, or may be plural kinds are mixed.
式(1)において、b1およびb2はそれぞれ組成比を表し、b1とb2の比率(モル)は0.5≦(b1/(b1+b2))≦1の関係を有する。すなわち、B1とB2の全体に占めるB1の(2)〜(9)の構造の割合は、50〜100モル%である。 In the formula (1), b1 and b2 each represent a composition ratio, and the ratio (mol) of b1 and b2 has a relationship of 0.5 ≦ (b1 / (b1 + b2)) ≦ 1. That is, the ratio of the structure (2) to (9) of B 1 in the entire B 1 and B 2 is 50 to 100 mol%.
残りの0〜50モル%を占めるB2の構造は、(2)〜(9)以外の2価の有機基である点を除けば、脂環構造を有するもの、芳香環構造を有するもの、脂肪族のもの、ヘテロ原子を含むもの、あるいは、これらの適宜の組合せなど、特に限定されない。また、その構造は1種類であっても、複数種が混在してもよい。この部分の構造および比率は、ポリイミドの溶解性やゲート絶縁膜の各種特性を微調整に寄与することから、これを考慮して決定すればよい。
これらの具体例を挙げるとすれば以下のB−1〜B−69などが挙げられる。
The structure of B 2 occupying the remaining 0 to 50 mol% is one having an alicyclic structure, one having an aromatic ring structure, except that it is a divalent organic group other than (2) to (9), It is not particularly limited, such as an aliphatic group, a group containing a hetero atom, or an appropriate combination thereof. Moreover, the structure may be one type or a plurality of types may be mixed. The structure and ratio of this portion contribute to fine adjustment of the solubility of the polyimide and various characteristics of the gate insulating film, and therefore may be determined in consideration of this.
If these specific examples are given, the following B-1 to B-69 may be mentioned.
上記のうち、ポリイミドの溶解性が高くなるものとしては、B−2、B−5、B−7、B−8、B−10、B−11、B−13、B−14、B−17、B−28、B−30、B−34、B−35、B−36、B−43、B−48、B−49、B−54、B−55〜B69などが挙げられる。 Among those mentioned above, polyimides having high solubility are B-2, B-5, B-7, B-8, B-10, B-11, B-13, B-14, B-17. , B-28, B-30, B-34, B-35, B-36, B-43, B-48, B-49, B-54, B-55 to B69 and the like.
式(1)において、Aは4価の有機基であるが、Aの構造は特に限定されない。Aの構造は1種類であっても、複数種が混在してもよい。
Aの具体例を挙げるとすれば以下のとおりであり、脂環構造を有する含脂環型のもの(A−1〜A−24)、脂肪族のもの(A−25)、4つの結合手が全て芳香族に結合している芳香族型のもの(A−26〜A−36)、その他のもの(A−37〜A−46)などが挙げられる。
In Formula (1), A is a tetravalent organic group, but the structure of A is not particularly limited. The structure of A may be one type or a plurality of types may be mixed.
Specific examples of A are as follows: an alicyclic structure having an alicyclic structure (A-1 to A-24), an aliphatic one (A-25), and four bonds. Are aromatic types (A-26 to A-36), all others (A-37 to A-46), and the like.
これらのうち、脂環構造を有するものは、ポリイミド膜としたときの比抵抗が高く、溶解性にも優れるので好ましく、特に好ましくは下記(10)〜(14)に示す構造である。 Among these, those having an alicyclic structure are preferable because they have a high specific resistance when formed as a polyimide film and are excellent in solubility, and the structures shown in the following (10) to (14) are particularly preferable.
ポリアミド酸は、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとの反応によって得ることができる。この反応において、ジアミン成分の50〜100モル%に下記に示されるジアミンを使用することで、式(1)で表される繰り返し単位を有するポリアミド酸を得ることができる。 Polyamic acid can be obtained by reaction of tetracarboxylic dianhydride and diamine. In this reaction, the polyamic acid which has a repeating unit represented by Formula (1) can be obtained by using the diamine shown below for 50-100 mol% of a diamine component.
これらにおいて、R5はそれぞれ独立に水素、メチル基またはトリフルオロメチル基を表し、式(2)〜(9)のものと同義のものである。 In these, R < 5 > represents hydrogen, a methyl group, or a trifluoromethyl group each independently, and is synonymous with the thing of Formula (2)-(9).
式(1)のAが、前記(10)〜(14)構造であるポリアミド酸を得るには、テトラカルボン酸二無水物として下記の化合物を使用すればよい。 In order to obtain the polyamic acid in which A in the formula (1) has the above-described (10) to (14) structure, the following compound may be used as the tetracarboxylic dianhydride.
ここで、R1、R2、R3、R4はそれぞれ独立に水素、フッ素または炭素数1〜4の有機基を表し、式(10)のものと同義のものである。 Here, R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 each independently represent hydrogen, fluorine, or an organic group having 1 to 4 carbon atoms, and have the same meaning as that of formula (10).
ポリアミド酸を得る重合反応は、テトラカルボン酸二無水物と成分とジアミン成分とを有機溶媒中で混合させる方法が簡便である。
テトラカルボン酸二無水物成分とジアミンとを有機溶媒中で混合させる方法としては、ジアミン成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液を攪拌させ、テトラカルボン酸二無水物成分をそのまま、または有機溶媒に分散あるいは溶解させて添加する方法、逆にテトラカルボン酸二無水物成分を有機溶媒に分散あるいは溶解させた溶液にジアミン成分を添加する方法、テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分とを交互に添加する方法などが挙げられる。また、テトラカルボン酸二無水物成分またはジアミン成分が複数種の化合物からなる場合は、これら複数種の成分をあらかじめ混合した状態で重合反応させても良く、個別に順次重合反応させてもよい。
As a polymerization reaction for obtaining a polyamic acid, a method of mixing a tetracarboxylic dianhydride, a component, and a diamine component in an organic solvent is simple.
As a method of mixing a tetracarboxylic dianhydride component and a diamine in an organic solvent, a solution in which the diamine component is dispersed or dissolved in the organic solvent is stirred, and the tetracarboxylic dianhydride component is used as it is or in an organic solvent. Dispersing or dissolving in a solution, adding a diamine component to a solution obtained by dispersing or dissolving a tetracarboxylic dianhydride component in an organic solvent, alternating tetracarboxylic dianhydride component and diamine component And the like. When the tetracarboxylic dianhydride component or the diamine component is composed of a plurality of types of compounds, the plurality of types of components may be preliminarily mixed, or may be individually polymerized sequentially.
テトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分を有機溶剤中で重合反応させる際の温度は、通常−20〜150℃、好ましくは0〜80℃である。温度が高い方が重合反応は早く終了するが、高すぎると高分子量のポリアミド酸が得られない場合がある。
また、重合反応は任意の濃度で行うことができるが、濃度が低すぎると高分子量の重合体を得ることが難しくなり、濃度が高すぎると反応液の粘性が高くなり過ぎて均一な攪拌が困難となるので、好ましくは1〜50質量%、より好ましくは5〜30質量%である。重合反応初期は高濃度で行い、その後、有機溶媒を追加しても構わない。
The temperature at which the tetracarboxylic dianhydride component and the diamine component are polymerized in an organic solvent is usually -20 to 150 ° C, preferably 0 to 80 ° C. When the temperature is higher, the polymerization reaction is completed earlier, but when it is too high, a high molecular weight polyamic acid may not be obtained.
The polymerization reaction can be carried out at any concentration, but if the concentration is too low, it will be difficult to obtain a high molecular weight polymer, and if the concentration is too high, the viscosity of the reaction solution will become too high and uniform stirring will occur. Since it becomes difficult, Preferably it is 1-50 mass%, More preferably, it is 5-30 mass%. The initial stage of the polymerization reaction may be performed at a high concentration, and then an organic solvent may be added.
上記反応の際に用いられる有機溶媒は、生成したポリアミド酸が溶解するものであれば特に限定されないが、あえてその具体例を挙げるならば、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルスルホキシド、γ-ブチロラクトン等を挙げることができる。これらは単独でも、また混合して使用してもよい。さらに、ポリアミド酸を溶解させない溶媒であっても、生成したポリアミド酸が析出しない範囲で、上記溶媒に混合して使用してもよい。また、反応系内の水分は重合反応を阻害し、さらには生成したポリアミド酸を加水分解させる原因となるので、有機溶媒はなるべく脱水乾燥させたものを用いることが好ましい。さらには、反応系内を窒素雰囲気下としておくことが好ましく、反応系中の溶媒に窒素をバブリングしながら反応を行うと更に好ましい。 The organic solvent used in the above reaction is not particularly limited as long as the produced polyamic acid can be dissolved, but specific examples thereof include N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, N-methylcaprolactam, dimethyl sulfoxide, tetramethyl urea, pyridine, dimethyl sulfone, hexamethyl sulfoxide, γ-butyrolactone and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination. Further, even a solvent that does not dissolve the polyamic acid may be used by mixing with the above solvent as long as the produced polyamic acid does not precipitate. In addition, since water in the reaction system inhibits the polymerization reaction and further causes hydrolysis of the produced polyamic acid, it is preferable to use an organic solvent that has been dehydrated and dried as much as possible. Furthermore, it is preferable to keep the reaction system under a nitrogen atmosphere, and it is more preferable to carry out the reaction while bubbling nitrogen through the solvent in the reaction system.
ポリアミド酸の重合反応に用いるテトラカルボン酸二無水物成分とジアミン成分の比率は、モル比で1:0.8〜1:1.2であることが好ましく、このモル比が1:1に近いほど得られるポリアミド酸の分子量は大きくなる。 The ratio of the tetracarboxylic dianhydride component and the diamine component used for the polyamic acid polymerization reaction is preferably 1: 0.8 to 1: 1.2 in molar ratio, and this molar ratio is close to 1: 1. The molecular weight of the resulting polyamic acid increases.
可溶性ポリイミドを得るための脱水閉環(イミド化)反応は、上記で得られたポリアミド酸の溶液をそのまま加熱する熱イミド化、または、ポリアミド酸の溶液に触媒を添加する化学的イミド化が一般的であるが、比較的低温でイミド化反応が進行する化学的イミド化の方が、得られる可溶性ポリイミドの分子量低下が起こりにくく好ましい。
化学的イミド化は、ポリアミド酸を有機溶媒中において、塩基性触媒と酸無水物の存在下で1〜100時間攪拌することにより可能である。
塩基性触媒としてはピリジン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン等を挙げることができる。なかでも、ピリジンは、反応を進行させるのに適度な塩基性を持つので好ましい。
酸無水物としては無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などを挙げることができる。中でも無水酢酸は、イミド化終了後に、得られたポリイミドの精製が容易となるので好ましい。
有機溶媒としては前述したポリアミド酸の重合反応時に用いる溶媒を使用することができる。
The dehydration ring closure (imidation) reaction for obtaining a soluble polyimide is generally thermal imidation in which the polyamic acid solution obtained above is heated as it is, or chemical imidation in which a catalyst is added to the polyamic acid solution. However, chemical imidation in which the imidization reaction proceeds at a relatively low temperature is preferable because the molecular weight of the resulting soluble polyimide is less likely to decrease.
Chemical imidization is possible by stirring polyamic acid in an organic solvent in the presence of a basic catalyst and an acid anhydride for 1 to 100 hours.
Examples of the basic catalyst include pyridine, triethylamine, trimethylamine, tributylamine, trioctylamine and the like. Of these, pyridine is preferable because it has a suitable basicity for proceeding with the reaction.
Examples of the acid anhydride include acetic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, and the like. Among them, acetic anhydride is preferable because the obtained polyimide can be easily purified after imidization.
As an organic solvent, the solvent used at the time of the polyamic acid polymerization reaction described above can be used.
以上のようにして得られた可溶性ポリイミドの溶液は、そのままゲート絶縁膜の作成に用いても構わないが、次のような手順によってポリイミドを回収・洗浄してから使用することが好ましい。
攪拌させている貧溶媒に反応液を投入してポリイミドを沈殿させる。この際に用いる貧溶媒としては特に限定されないが、メタノール、ヘキサン、ヘプタン、エタノール、トルエン、水などが例示できる。沈殿によって得られたポリイミドは濾過して回収した後、上記貧溶媒で洗浄し、常圧あるいは減圧下で、常温あるいは加熱乾燥してパウダーとすることができる。このパウダーをさらに良溶媒に溶解して、再沈殿する操作を2〜10回繰り返すと、ポリマー中の不純物を更に少なくすることができる。また、この際の貧溶媒として例えばアルコール類、ケトン類、炭化水素など3種類以上の貧溶媒を用いると、より一層精製の効率が上がるので好ましい。
The soluble polyimide solution obtained as described above may be used as it is for the production of the gate insulating film, but it is preferable to use it after the polyimide is recovered and washed by the following procedure.
The reaction solution is poured into a poor solvent that is being stirred to precipitate the polyimide. Although it does not specifically limit as a poor solvent used in this case, Methanol, hexane, heptane, ethanol, toluene, water etc. can be illustrated. The polyimide obtained by precipitation can be collected by filtration, washed with the above poor solvent, and dried at normal temperature or reduced pressure at room temperature or by heating to obtain a powder. If this powder is further dissolved in a good solvent and re-precipitated, the impurities in the polymer can be further reduced. In addition, it is preferable to use three or more kinds of poor solvents such as alcohols, ketones, and hydrocarbons as the poor solvent at this time because the purification efficiency is further improved.
本発明で用いられるポリアミド酸の分子量は、取扱いのしやすさと、溶媒溶解性と、無極性溶媒に対しての耐溶剤性と、膜形成した際の特性の安定性の観点から、重量平均分子量で2,000〜200,000が好ましく、より好ましくは5,000〜50,000である。もっとも好ましくは、10,000から50,000である。分子量は、GPC(ゲルパーミエションクロマトグラフィ)により求めたものである。 The molecular weight of the polyamic acid used in the present invention is a weight average molecular weight from the viewpoint of ease of handling, solvent solubility, solvent resistance against nonpolar solvents, and stability of characteristics when a film is formed. Is preferably 2,000 to 200,000, more preferably 5,000 to 50,000. Most preferably, it is 10,000 to 50,000. The molecular weight is determined by GPC (gel permeation chromatography).
本発明に用いる可溶性ポリイミドのイミド化率は100%である必要はない。
イミド化率が高いとポリイミドの溶解性が不足する場合があるので、この場合はイミド化率を下げてもよい。
しかしながら、アミド酸の部分が残っていると、加熱された際に脱水閉環反応により水が生成する場合があり、イミド化率は高い方が望ましい。高い絶縁性という観点からも、イミド化率は高い方が好ましい。
よって、本発明において可溶性ポリイミドのイミド化率は50%以上が好ましく、80%以上がより好ましく、特には90%以上が好ましい。イミド化率は、ポリイミドをd6−DMSO(ジメチルスルホキシド−d6)に溶解させ、1H−NMRを測定し、プロトンピークの積算値の比から、全くイミド化されていない場合のアミド酸基の理論値に対する残存しているアミド酸基の比率を求め、消失したアミド酸基は全てイミド基に変化したものとして算出したものである。
The imidation ratio of the soluble polyimide used in the present invention is not necessarily 100%.
Since the solubility of polyimide may be insufficient when the imidation rate is high, the imidation rate may be lowered in this case.
However, if the portion of the amic acid remains, water may be generated by a dehydration cyclization reaction when heated, and it is desirable that the imidization rate is high. From the viewpoint of high insulating properties, it is preferable that the imidization rate is high.
Therefore, in the present invention, the imidization ratio of the soluble polyimide is preferably 50% or more, more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more. The imidation ratio is calculated by dissolving 1 polyimide in d 6 -DMSO (dimethyl sulfoxide-d 6 ), measuring 1 H-NMR, and determining the ratio of the proton peak accumulated value to the amidic acid group in the case where no imidization is performed. The ratio of the remaining amic acid group to the theoretical value was calculated, and all the disappeared amic acid groups were calculated as changed to imide groups.
ゲート絶縁膜用の塗布液である可溶性ポリイミドの溶液は、次のようにして調製する。
上記で得られた可溶性ポリイミドを適当な溶媒に溶解させる。可溶性ポリイミドは、1種のみ用いても、2種以上併用してもよい。
塗布液の溶媒は、ポリイミドを溶解することができれば特に限定はされないが、ポリイミド膜に残存する溶媒を少なくする目的で、沸点が低い方が好ましい。
残存する溶媒が少ない方が有機トランジスタの長期信頼性が向上する。
好ましくは沸点が200℃以下、より好ましくは180℃以下、さらに好ましくは160℃以下、もっとも好ましくは150℃以下である。
また、アミド系の極性溶媒の場合、可溶性ポリイミドのイミド基やイミド化せずに残存しているアミド酸基との相互作用などにより、低沸点であっても膜中に残留しやすいため、グリコール系溶媒、乳酸エステル系溶媒、ケトン系溶媒などがより好ましい。
その例としては、エチルセロソルブ(135℃)、ブチルセロソルブ(171℃)、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート(156℃)、エチルカルビトール(193℃)、エチルカルビトールアセテート、エチレングリコール(196〜198℃)など、プロピレングリコールモノメチルエーテル(119℃)、1-エトキシ-2-プロパノール(132℃)、1-ブトキシ-2-プロパノール(133℃)、プロピレングリコールジアセテート(190〜191℃)、プロピレングリコール-1-モノメチルエーテル-2-アセテート(146℃)、プロピレングリコール-1-モノエチルエーテル-2-アセテート(158℃)、ジプロピレングリコールメチルエーテル(190℃)、2-(2-エトキシプロポキシ)プロパノール(198℃)などのプロピレングリコール誘導体、乳酸メチルエステル(144℃)、乳酸エチルエステル(154℃)、乳酸n-プロピルエステル、乳酸n-ブチルエステル(185〜187℃)、乳酸イソアミルエステルなどの乳酸誘導体など、アセトン(56℃)、メチル−n−ブチルケトン(144℃)、メチル−n−アミルケトン(152℃)、シクロヘキサノン(156℃)などが挙げられる。なお、上記において、括弧内は、それぞれの溶媒の沸点である。
さらに、これらは、塗膜の平坦性を確保するため、塗布液の基板への濡れ性の向上、塗布液の表面張力、極性、沸点の調整等の目的で、2種類以上の溶媒を混合しても良く、単独で用いてもよい。
A soluble polyimide solution, which is a coating solution for the gate insulating film, is prepared as follows.
The soluble polyimide obtained above is dissolved in a suitable solvent. Only 1 type of soluble polyimide may be used, or 2 or more types may be used together.
The solvent of the coating solution is not particularly limited as long as it can dissolve polyimide, but a lower boiling point is preferable for the purpose of reducing the solvent remaining in the polyimide film.
The longer the remaining solvent, the better the long-term reliability of the organic transistor.
The boiling point is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 180 ° C. or lower, still more preferably 160 ° C. or lower, and most preferably 150 ° C. or lower.
In the case of amide-based polar solvents, glycols easily remain in the film even at a low boiling point due to interaction with the imide group of soluble polyimide or the amidic acid group remaining without imidization. More preferred are system solvents, lactic acid ester solvents, ketone solvents, and the like.
Examples thereof include ethyl cellosolve (135 ° C.), butyl cellosolve (171 ° C.), ethylene glycol monoethyl ether acetate (156 ° C.), ethyl carbitol (193 ° C.), ethyl carbitol acetate, ethylene glycol (196 to 198 ° C.). Propylene glycol monomethyl ether (119 ° C.), 1-ethoxy-2-propanol (132 ° C.), 1-butoxy-2-propanol (133 ° C.), propylene glycol diacetate (190-191 ° C.), propylene glycol-1 -Monomethyl ether-2-acetate (146 ° C.), propylene glycol-1-monoethyl ether-2-acetate (158 ° C.), dipropylene glycol methyl ether (190 ° C.), 2- (2-ethoxypropoxy) propanol (198 ℃) Glycol derivatives, lactate methyl ester (144 ° C.), lactate ethyl ester (154 ° C.), lactate n-propyl ester, lactate n-butyl ester (185 to 187 ° C.), lactate derivatives such as lactate isoamyl ester, acetone (56 ° C), methyl-n-butyl ketone (144 ° C), methyl-n-amyl ketone (152 ° C), cyclohexanone (156 ° C), and the like. In the above, the values in parentheses are the boiling points of the respective solvents.
Furthermore, in order to ensure the flatness of the coating film, these are a mixture of two or more solvents for the purpose of improving the wettability of the coating solution to the substrate and adjusting the surface tension, polarity, and boiling point of the coating solution. It may be used alone.
塗布液の濃度は、特に制限はないが、ポリマー成分として0.1〜30質量%が好ましく、より好ましくは4〜20質量%である。これらは、塗布装置の仕様や得ようとする膜厚によって任意に設定する。 Although there is no restriction | limiting in particular in the density | concentration of a coating liquid, 0.1-30 mass% is preferable as a polymer component, More preferably, it is 4-20 mass%. These are arbitrarily set according to the specifications of the coating apparatus and the film thickness to be obtained.
塗布液には、ポリイミド膜と基板との密着性を向上させる目的で、カップリング剤などの添加剤を加えることもできる。
カップリング剤の具体例としては、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、2-アミノプロピルトリメトキシシラン、2-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-エトキシカルボニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-トリメトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、N-トリエトキシシリルプロピルトリエチレントリアミン、10-トリメトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、10-トリエトキシシリル-1,4,7-トリアザデカン、9-トリメトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、9-トリエトキシシリル-3,6-ジアザノニルアセテート、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ベンジル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-ビス(オキシエチレン)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、グリセリンジグリシジルエーテル、2,2-ジブロモネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,3,5,6-テトラグリシジル-2,4-ヘキサンジオール、N,N,N‘,N’テトラグリシジル-m-キシレンジアミン、1,3-ビス(N,N-ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサン、N,N,N‘,‘N’-テトラグリシジル-4,4’−ジアミノジフェニルメタンなどが挙げられる。
これら官能性シラン含有化合物やエポキシ基含有化合物の含有量は、塗布液中の全ポリマー質量に対して0.1〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは1〜20室量%である。
An additive such as a coupling agent can be added to the coating solution for the purpose of improving the adhesion between the polyimide film and the substrate.
Specific examples of the coupling agent include 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 2-aminopropyltrimethoxysilane, 2-aminopropyltriethoxysilane, N- (2-aminoethyl)- 3-aminopropyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane, 3-ureidopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, N-ethoxycarbonyl-3-aminopropyl Trimethoxysilane, N-ethoxycarbonyl-3-aminopropyltriethoxysilane, N-trimethoxysilylpropyltriethylenetriamine, N-triethoxysilylpropyltriethylenetriamine, 10-trimethoxysilyl-1,4,7-triazadecane , 10-triethoxysilyl-1,4,7-triazadecane, 9-trimeth Sisilyl-3,6-diazanonyl acetate, 9-triethoxysilyl-3,6-diazanonyl acetate, N-benzyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-benzyl-3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltriethoxysilane, N-bis (oxyethylene) -3-aminopropyltrimethoxysilane, N-bis (oxyethylene) -3- Aminopropyltriethoxysilane, ethylene glycol diglycidyl ether, polyethylene glycol diglycidyl ether, propylene glycol diglycidyl ether, tripropylene glycol diglycidyl ether, polypropylene glycol diglycidyl ether, neopentyl glycol diglycidyl ether, 1,6-hexanediol The Lysidyl ether, glycerin diglycidyl ether, 2,2-dibromoneopentyl glycol diglycidyl ether, 1,3,5,6-tetraglycidyl-2,4-hexanediol, N, N, N ', N' tetraglycidyl -m-xylenediamine, 1,3-bis (N, N-diglycidylaminomethyl) cyclohexane, N, N, N ','N'-tetraglycidyl-4,4'-diaminodiphenylmethane and the like.
The content of the functional silane-containing compound and the epoxy group-containing compound is preferably 0.1 to 30% by mass, more preferably 1 to 20% by volume, based on the total polymer mass in the coating solution. .
可溶性ポリイミド溶液の塗布・焼成は次のように行う。
可溶性ポリイミド溶液の塗布は、ディップ法、スピンコート法、転写印刷法、ロールコート法、インクジェット法、スプレー法、刷毛塗り等で行うことができ、それぞれ均一な成膜が可能である。
塗布液を基板に塗布した後の焼成方法としては特に限定されるものではないが、ホットプレートやオーブンを用いて、適切な雰囲気下、即ち大気、窒素等の不活性ガス、真空中等で行うことができる。
焼成温度は溶媒を蒸発させることができるとともに、プラスチック基板に塗布する場合を考えると、180℃以下であり、好ましくは150℃以下である。焼成温度の下限に特に制限はないが、溶媒の蒸発を考えると、通常40℃程度である。また、焼成時間は、通常、0.5時間〜5時間程度とすればよい。焼成は2段階以上の温度変化をつけてもよい。段階的に焼成することで塗膜の均一性をより高めることができる。
塗布液に含まれる可溶性ポリイミドのイミド化率が100%未満の場合は、この焼成によってイミド化率が高くなることもある。
The soluble polyimide solution is applied and baked as follows.
The soluble polyimide solution can be applied by dipping, spin coating, transfer printing, roll coating, ink jet, spraying, brushing, etc., and uniform film formation is possible.
Although it does not specifically limit as a baking method after apply | coating a coating liquid to a board | substrate, It carries out in a suitable atmosphere, ie, inert gas, such as air | atmosphere and nitrogen, a vacuum, etc. using a hotplate and oven. Can do.
The baking temperature is 180 ° C. or lower, preferably 150 ° C. or lower, considering the case where the solvent can be evaporated and applied to a plastic substrate. Although there is no restriction | limiting in particular in the minimum of baking temperature, When evaporation of a solvent is considered, it is about 40 degreeC normally. Moreover, what is necessary is just to make baking time normally into about 0.5 hour-5 hours. Firing may be performed at two or more stages. Uniformity of the coating film can be further improved by baking in stages.
When the imidization rate of the soluble polyimide contained in the coating liquid is less than 100%, the imidation rate may be increased by this baking.
本発明のゲート絶縁膜は、以上のようにして得られたポリイミド膜である。
ゲート絶縁膜は、薄すぎると低電界で絶縁破壊が発生しトランジスタとして動作しなく、また厚すぎると、トランジスタを動作させるために高い電圧が必要となることから、その膜厚としては、5nm〜5000nmが好ましく、より好ましくは50nm〜1000nmであり、最も好ましくは200nm〜600nmである。
一度の塗布で所望の厚みのポリイミド膜が得られない場合は、重ね塗りすればよい。
The gate insulating film of the present invention is a polyimide film obtained as described above.
When the gate insulating film is too thin, dielectric breakdown occurs in a low electric field and does not operate as a transistor. When the gate insulating film is too thick, a high voltage is required to operate the transistor. 5000 nm is preferable, more preferably 50 nm to 1000 nm, and most preferably 200 nm to 600 nm.
If a polyimide film having a desired thickness cannot be obtained by a single application, it may be applied repeatedly.
図1および図2には、本発明のゲート絶縁膜を用いた有機トランジスタの構成例が示されている。
本発明の有機トランジスタは、図示のように、基板1上にゲート電極2が形成されており、ゲート電極2は、本発明のゲート絶縁膜3で覆われている。
図1の例では、ゲート絶縁膜3の上にソース電極4とドレイン電極4とが設置されており、これらを覆うように有機半導体層5が形成されている。
一方、図2の例では、ゲート絶縁膜3の上に有機半導体層5が形成されており、有機半導体層5の上に、ソース電極4とドレイン電極4とが設置されている。
これらの例に限らず、本発明の有機トランジスタは、本発明のゲート絶縁膜を用いたものであれば特に制限されない。
FIG. 1 and FIG. 2 show structural examples of organic transistors using the gate insulating film of the present invention.
In the organic transistor of the present invention, a gate electrode 2 is formed on a substrate 1 as shown in the figure, and the gate electrode 2 is covered with the gate insulating film 3 of the present invention.
In the example of FIG. 1, the source electrode 4 and the drain electrode 4 are installed on the gate insulating film 3, and the organic semiconductor layer 5 is formed so as to cover them.
On the other hand, in the example of FIG. 2, the organic semiconductor layer 5 is formed on the gate insulating film 3, and the source electrode 4 and the drain electrode 4 are provided on the organic semiconductor layer 5.
The organic transistor of the present invention is not particularly limited as long as it uses the gate insulating film of the present invention.
本発明の有機トランジスタに用いられる基板としては、機械的な柔軟性に優れる理由から、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックが適している。
ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、カルシウムなどの金属や、カーボングラック、フラーレン類、カーボンナノチューブなどの無機材料など、さらには、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリフルオレンおよびこれらの誘導体などの有機π共役ポリマーなどが挙げられる。
これらの電極材料は1種類で用いても複数の材料を組み合わせて用いてもよく、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極でそれぞれ別の材料を用いてもよい。
これら電極の形成方法としては、真空蒸着、スパッタなどを用いるのが一般的である。ナノ金属インクや有機π共役ポリマーの場合は、スピンコート、スプレーコート、印刷、インクジェットなど、塗布型で電極形成ができるので好ましい。
塗布型による電極形成の際、ナノ金属インクや有機π共役ポリマーの溶媒としては、本発明のゲート絶縁膜へのダメージが少ないことから、水や各種アルコール類が好ましい。
また、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン、N-ビニル-2-ピロリドン、N-メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素などの極性溶媒も有機π共役ポリマーの溶解性に優れる観点から好ましいが、これらは、本発明のゲート絶縁膜へのダメージが少ない範囲において使用することが好ましい。
As the substrate used in the organic transistor of the present invention, plastics such as polycarbonate and polyethylene terephthalate are suitable because of excellent mechanical flexibility.
Examples of the gate electrode, source electrode, and drain electrode include metals such as gold, silver, copper, aluminum, and calcium, inorganic materials such as carbon black, fullerenes, and carbon nanotubes. Furthermore, polythiophene, polyaniline, polypyrrole, And organic π-conjugated polymers such as polyfluorene and derivatives thereof.
These electrode materials may be used alone or in combination with a plurality of materials, and different materials may be used for the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode.
As a method for forming these electrodes, vacuum deposition, sputtering, or the like is generally used. In the case of a nano metal ink or an organic π-conjugated polymer, an electrode can be formed by a coating type such as spin coating, spray coating, printing, inkjet, etc., which is preferable.
In forming the electrode by the coating type, water and various alcohols are preferable as the solvent for the nano metal ink and the organic π-conjugated polymer since damage to the gate insulating film of the present invention is small.
N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, 2-pyrrolidone, N-methyl-2-pyrrolidone, N-ethyl-2-pyrrolidone, N-vinyl-2-pyrrolidone, N-methylcaprolactam, dimethyl Polar solvents such as sulfoxide and tetramethylurea are also preferable from the viewpoint of excellent solubility of the organic π-conjugated polymer, but these are preferably used within a range where damage to the gate insulating film of the present invention is small.
有機半導体材料としては、ペンタセン、オリゴチオフェン、トリフェニルアミン、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体などが挙げられ、成膜方法としては、スピンコート、スプレーコート、印刷、インクジェットなどが挙げられる。その際、有機半導体の溶媒としては、これらを溶解または均一に分散させることができ、かつ本発明のゲート絶縁膜へのダメージが少ないものであれば特に限定されない。
例えば、キシレン、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンなどである。
Examples of the organic semiconductor material include pentacene, oligothiophene, triphenylamine, polythiophene, and derivatives thereof, and examples of the film formation method include spin coating, spray coating, printing, and inkjet. In this case, the organic semiconductor solvent is not particularly limited as long as it can dissolve or uniformly disperse these organic solvents and causes little damage to the gate insulating film of the present invention.
For example, xylene, trichlorobenzene, trimethylbenzene and the like.
まず、本発明の可溶性ポリイミドの合成例を比較合成例とともに示す。
本実施例において、可溶性ポリイミドの分子量は、GPC(ゲルパーミエションクロマトグラフィ)装置{SSC−7200、センシュー科学社製}により測定した。このとき、GPCカラム{KD−803/KD−805、昭和電工社製}のカラム温度は50℃とし、
溶離液としては、N,N-ジメチルホルムアミド(添加剤として、臭化リチウム−水和物(LiBr・H2O)を30mmol/L、リン酸・無水結晶(o-リン酸)を30mmol/L、テトラヒドロフラン(THF)を10ml/L含有するもの)を用い、流速:1.0ml/分の条件とした。
検量線作成用標準サンプルとしては、東ソー社製のTSK 標準ポリエチレンオキサイド(分子量 約900,000、150,000、100,000、30,000)、および、ポリマーラボラトリー社製のポリエチレングリコール(分子量 約12,000、4,000、1,000)を用いた。
また、可溶性ポリイミドのイミド化率は、ポリイミドをd6−DMSO(ジメチルスルホキシド−d6)に溶解させ、1H−NMRを測定し、イミド化せずに残存しているアミド酸基の比率をプロトンピークの積算値の比から求め算出した。
First, the synthesis example of the soluble polyimide of this invention is shown with a comparative synthesis example.
In this example, the molecular weight of the soluble polyimide was measured by a GPC (gel permeation chromatography) apparatus {SSC-7200, manufactured by Senshu Scientific Co., Ltd.}. At this time, the column temperature of the GPC column {KD-803 / KD-805, Showa Denko KK} is 50 ° C.,
As eluent, N, N-dimethylformamide (as additives, lithium bromide-hydrate (LiBr · H 2 O) 30 mmol / L, phosphoric acid / anhydrous crystal (o-phosphoric acid) 30 mmol / L) And tetrahydrofuran (THF) containing 10 ml / L) under the condition of a flow rate of 1.0 ml / min.
As standard samples for preparing calibration curves, TSK standard polyethylene oxide (molecular weight: about 900,000, 150,000, 100,000, 30,000) manufactured by Tosoh Corporation and polyethylene glycol (molecular weight: about 12,000, 4,000, 1,000) manufactured by Polymer Laboratories were used. .
Moreover, the imidation ratio of the soluble polyimide was determined by dissolving the polyimide in d 6 -DMSO (dimethyl sulfoxide-d 6 ), measuring 1 H-NMR, and determining the ratio of the amic acid group remaining without imidization. It calculated | required and calculated | required from the ratio of the integrated value of a proton peak.
<合成例1>可溶性ポリイミド(PI−1)の合成
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 18.45g(0.051mol)を入れ、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略す) 75.92gに溶解させた後、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸無水物 9.48g(0.048mol)を加え、これを室温で8時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで10質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸26g、ピリジン16.1gを加え、室温で30分間反応させ、そののち40℃で90分間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノールと水の混合溶液中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。この粉末4gをプロピレングリコールモノメチルエーテル 46gに溶解させて、ポリイミド(PI−1)の8質量%溶液を得た。得られたポリイミド(PI−1)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=8,300、Mw=16,900であった。
<Synthesis Example 1> Synthesis of Soluble Polyimide (PI-1) In a nitrogen stream, in a 200 mL four-necked flask, 18.45 g (0 of 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane .051 mol), and dissolved in 75.92 g of N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP), then 1.48 g (0.048 mol) of 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic anhydride. And this was stirred at room temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted to 10% by mass with NMP. To this solution, 26 g of acetic anhydride and 16.1 g of pyridine were added as imidation catalysts, reacted at room temperature for 30 minutes, and then reacted at 40 ° C. for 90 minutes to obtain a polyimide solution. This solution was put into a large amount of a mixed solution of methanol and water, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1 H-NMR. 4 g of this powder was dissolved in 46 g of propylene glycol monomethyl ether to obtain an 8% by mass solution of polyimide (PI-1). The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of the obtained polyimide (PI-1) were Mn = 8,300 and Mw = 16,900, respectively.
<合成例2>可溶性ポリイミド(PI−2)の合成
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン 2.79g(0.0068mol)、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 9.85g(0.027mol)を入れ、NMP 75.92gに溶解させた後、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸無水物 6.33g(0.032mol)を加え、これを室温で8時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで5質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸12.8g、ピリジン9.9gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノールと水の混合溶液中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。この粉末4gをプロピレングリコールモノメチルエーテル 46gに溶解させて、ポリイミド(PI−2)の8質量%溶液を得た。得られたポリイミド(PI−2)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=8,400、Mw=15,100であった。
<Synthesis Example 2> Synthesis of Soluble Polyimide (PI-2) In a 200 mL four-necked flask under a nitrogen stream, 2.79 g (0. 2) of 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane was added. 0068 mol), 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane (9.85 g, 0.027 mol) was dissolved in NMP (75.92 g), and then 1,2,3,4- 6.33 g (0.032 mol) of cyclobutanetetracarboxylic anhydride was added, and this was stirred at room temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted with NMP to 5% by mass. To this solution, 12.8 g of acetic anhydride and 9.9 g of pyridine were added as imidization catalysts and reacted at 50 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was put into a large amount of a mixed solution of methanol and water, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1 H-NMR. 4 g of this powder was dissolved in 46 g of propylene glycol monomethyl ether to obtain an 8% by mass solution of polyimide (PI-2). The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of the obtained polyimide (PI-2) were Mn = 8,400 and Mw = 15,100, respectively.
<合成例3>可溶性ポリイミド(PI−3)の合成
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン 5.58g(0.014mol)、2、2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 7.39g(0.020mol)を入れ、NMP 76.7gに溶解させた後、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸無水物 6.20g(0.032mol)を加え、これを室温で8時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで5質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸14.8g、ピリジン11.5gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。この粉末4gをプロピレングリコールモノメチルエーテル 46gに溶解させて、ポリイミド(PI−3)の8質量%溶液を得た。得られたポリイミド(PI−3)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=8,900、Mw=16,100であった。
<Synthesis Example 3> Synthesis of Soluble Polyimide (PI-3) In a 200 mL four-necked flask under a nitrogen stream, 5.58 g (0.2.2) of 2,2-bis [4- (4-aminophenoxy) phenyl] propane was added. 014 mol), 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane 7.39 g (0.020 mol) was added and dissolved in 76.7 g of NMP, then 1,2,3,4- 6.20 g (0.032 mol) of cyclobutanetetracarboxylic anhydride was added, and this was stirred at room temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted with NMP to 5% by mass. To this solution, 14.8 g of acetic anhydride and 11.5 g of pyridine were added as an imidization catalyst and reacted at 50 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was put into a large amount of methanol, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1 H-NMR. 4 g of this powder was dissolved in 46 g of propylene glycol monomethyl ether to obtain an 8% by mass solution of polyimide (PI-3). The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of the obtained polyimide (PI-3) were Mn = 8,900 and Mw = 16,100, respectively.
<比較合成例1> ポリアミド酸(PI−4)の合成
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、4、4’−ジアミノジフェニルエーテル 8.01g(0.040mol)を入れ、NMP 91.9gに溶解させた後、ピロメリット酸二無水物 8.20g(0.038mol)を加え、これを23℃で2時間攪拌して重合反応を行いさらにNMPで希釈することで、ポリアミド酸(PI−4)の6質量%溶液を得た。得られたポリアミド酸(PI−4)の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=11,200、Mw=24,300であった。
<Comparative Synthesis Example 1> Synthesis of Polyamic Acid (PI-4) In a nitrogen stream, 8.01 g (0.040 mol) of 4,4′-diaminodiphenyl ether was placed in a 200 mL four-necked flask, and 91.9 g of NMP. Then, pyromellitic dianhydride 8.20 g (0.038 mol) was added, and this was stirred at 23 ° C. for 2 hours to carry out a polymerization reaction and further diluted with NMP. A 6% by mass solution of 4) was obtained. The number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) of the obtained polyamic acid (PI-4) were Mn = 11,200 and Mw = 24,300, respectively.
ここで、得られたポリイミドおよびポリアミド酸の構造等を以下にまとめる。このもののうち、PI−1は、式(1)中、B1=(4)[R5=CH3]、A=(10)[R1、R2、R3、R4=H]であるものから得られたものである。 Here, the structures of the obtained polyimide and polyamic acid are summarized below. Among these, PI-1 is represented by B 1 = (4) [R 5 = CH 3 ], A = (10) [R 1 , R 2 , R 3 , R 4 = H] in the formula (1). It is obtained from something.
合成例1から合成例3で合成したポリイミド、PI−1からPI−3の低沸点溶媒への溶解性を調べるため、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、メチルnアミルケトン(MAK)、シクロヘキサノン(CH)、乳酸エチル(EL)を用いて、以下の条件で実験を行った。
丸底フラスコにいずれかの低沸点溶媒を入れ、そこに粉末状のPI−1を10質量%分入れ、溶媒の温度が50℃になるようにオイルバスで加熱しながら12時間攪拌した。PI−2とPI−3も同様の条件で実験を行った。
結果を表1に示す。また、用いた溶媒の沸点を表2に示す。溶解性の評価は目視で行い、固形分の溶け残りが観察されなかったものを表中では○印で表し、溶け残りが多く観察されたものを表中では×印で表した。PI−1およびPI−2はどの溶媒に対しても良好な溶解性を示した、またPI−3はシクロヘキサノンを除く溶媒にはほとんど溶解しなかったものの、シクロヘキサノンに対しては、9質量%以上溶解し、ゲート絶縁膜を成膜する上で実用上問題のないことを確認した。
本発明のポリイミドは低沸点溶媒に対しても優れた溶解性を示すことが明らかとなった。
In order to investigate the solubility of the polyimides synthesized in Synthesis Examples 1 to 3 and PI-1 to PI-3 in low-boiling solvents, propylene glycol monomethyl ether (PGME), propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), methyl n Experiments were conducted using amyl ketone (MAK), cyclohexanone (CH), and ethyl lactate (EL) under the following conditions.
Any low boiling point solvent was put into a round bottom flask, and 10% by mass of powdered PI-1 was put therein, and stirred for 12 hours while heating in an oil bath so that the temperature of the solvent was 50 ° C. PI-2 and PI-3 were also tested under the same conditions.
The results are shown in Table 1. Table 2 shows the boiling points of the solvents used. The solubility was evaluated by visual observation, and those in which no solid undissolved residue was observed were indicated by ○ in the table, and those in which much undissolved residue was observed were indicated by × in the table. PI-1 and PI-2 showed good solubility in any solvent, and PI-3 hardly dissolved in any solvent except cyclohexanone, but 9% by mass or more with respect to cyclohexanone. It was dissolved and it was confirmed that there was no practical problem in forming a gate insulating film.
It was revealed that the polyimide of the present invention exhibits excellent solubility even in a low boiling point solvent.
本実施例において、ポリイミド膜の脱ガス量は、TDS(Thermal Desorption Spectroscopy)システム{WA1000S、電子科学(株)社製}を用い、温度範囲を50℃から300℃とし、昇温速度は1℃/secとして測定した。
<PI−1(実施例)の脱ガス評価>
Siウエハ上(厚み0.5mm)に、合成例1で調製したPI−1の溶液を、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後、大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱を行って有機溶剤を揮発させ、次いでSiウエハを1cm角に劈開したのち、150℃のホットプレートで60分焼成することで、膜厚約200nmのポリイミド膜を得た。TDSを用いてこのポリイミドおよびポリアミド酸からなる薄膜からの脱ガス量をMw=16、18、44で評価した。評価結果を図3〜5に示す。ポリイミド膜からの脱ガスはほとんどみられておらず、PI−1は脱ガスによる有機トランジスタの性能劣化を引き起こす可能性は極めて低いと考えられる。
In this example, the degassing amount of the polyimide film was determined by using a TDS (Thermal Desorption Spectroscopy) system {WA1000S, manufactured by Electronic Science Co., Ltd.}, a temperature range of 50 ° C. to 300 ° C., and a temperature rising rate of 1 ° C. It was measured as / sec.
<Degassing evaluation of PI-1 (Example)>
The solution of PI-1 prepared in Synthesis Example 1 was dropped on a Si wafer (thickness 0.5 mm) with a syringe with a 0.2 μm pore filter and applied by spin coating. Thereafter, heating is performed for 5 minutes on an 80 ° C. hot plate in the atmosphere to volatilize the organic solvent, and then the Si wafer is cleaved into 1 cm square and then baked on a 150 ° C. hot plate for 60 minutes. A polyimide film of about 200 nm was obtained. Using TDS, the degassing amount from the polyimide and polyamic acid thin film was evaluated at Mw = 16, 18, and 44. The evaluation results are shown in FIGS. Almost no outgassing from the polyimide film has been observed, and it is considered that PI-1 is very unlikely to cause deterioration of the performance of the organic transistor due to outgassing.
<PI−4(比較例)の脱ガス評価>
比較合成例1で合成したPI−4の溶液を用い、膜厚を220nmとした他は実施例1と同様の方法でポリイミド膜を成膜し、TDS法を用いて脱ガス量を測定したところ、極めて大量の脱ガスがMw=16、18、44の全てで観測された。評価結果を図3〜5に示す。Mw=16では、100℃付近から極めて多くの脱ガスが見られており、デバイス特性への悪影響が懸念される。また、Mw=18、44でも、160℃付近にピークを持つ脱ガスが観測された。特にMw=18で示されるH2Oは有機半導体層の劣化を促すと考えられる事から、PI−4は有機トランジスタの長期信頼性および熱安定性において、問題を引き起こす可能性が極めて高いと考えられる。
<Degassing evaluation of PI-4 (comparative example)>
A solution of PI-4 synthesized in Comparative Synthesis Example 1 was used, a polyimide film was formed in the same manner as in Example 1 except that the film thickness was 220 nm, and the degassing amount was measured using the TDS method. A very large amount of degassing was observed at all Mw = 16, 18, 44. The evaluation results are shown in FIGS. When Mw = 16, an extremely large amount of degassing is observed from around 100 ° C., and there is a concern about adverse effects on device characteristics. In addition, even at Mw = 18 and 44, degassing having a peak near 160 ° C. was observed. In particular, since H 2 O represented by Mw = 18 is considered to promote the deterioration of the organic semiconductor layer, PI-4 is considered highly likely to cause problems in the long-term reliability and thermal stability of the organic transistor. It is done.
本実施例において、ポリイミドの膜厚は、カッターナイフで膜の一部を剥離し、全自動微細形状測定機{ET4000A、小坂研究所社製}を用い、測定力を10μN、掃引速度を0.05mm/sとし、段差を測定することにより求めた。 In this example, the polyimide film thickness was determined by peeling a part of the film with a cutter knife and using a fully automatic fine shape measuring instrument {ET4000A, manufactured by Kosaka Laboratory Co., Ltd.} with a measuring force of 10 μN and a sweep speed of 0. The thickness was determined to be 05 mm / s by measuring the step.
<PI−1(実施例)の耐溶剤性>
合成例1で合成したPI−1の耐溶剤性を調べるため、有機半導体ポリマーを溶解させるのに一般的に用いられているキシレン、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンを用いて、以下の条件で実験を行った。
ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例1で調製したPI−1の溶液を、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後、大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱を行って有機溶剤を揮発させ、次いで150℃のホットプレートで60分焼成することで、膜厚250nmのポリイミド膜を得た。次に、ビーカーにキシレン、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンのいずれかひとつの溶媒をビーカーに100mL入れ、液温が80℃になるようにオイルバスを用いて加熱し、先ほどのポリイミド基板をこの溶媒中へ30分間浸漬させた。その後、ポリイミド薄膜基板を、エアブロアーを用いて乾燥させ、残膜率を評価した。
残膜率は、溶媒処理をする前の膜厚と、溶媒処理をした後の膜厚の比から計算した。結果を表3に示す。
PI−1の残膜率はキシレンに対しては104%となり、僅かに膨潤がみられたが、実用上問題とならないレベルである。一方、トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンに対しては残膜率101%、100%となり、全く影響を受けないことが判明した。また、いずれの溶媒に対しても溶解は見られなかった。このことから、本発明の有機トランジスタ向けゲート絶縁膜は、優れた耐溶剤性を持っていることが明らかとなった。
<Solvent resistance of PI-1 (Example)>
In order to investigate the solvent resistance of PI-1 synthesized in Synthesis Example 1, experiments were conducted under the following conditions using xylene, trichlorobenzene, and trimethylbenzene, which are commonly used to dissolve organic semiconductor polymers. It was.
The solution of PI-1 prepared in Synthesis Example 1 was dropped onto a glass substrate with ITO (2.5 cm square, 0.7 mm thick) with a syringe with a 0.2 μm pore filter and applied by spin coating. Thereafter, heating was performed for 5 minutes on an 80 ° C. hot plate in the atmosphere to volatilize the organic solvent, followed by baking for 60 minutes on a 150 ° C. hot plate to obtain a polyimide film having a thickness of 250 nm. Next, 100 mL of any one solvent of xylene, trichlorobenzene, and trimethylbenzene is put into a beaker and heated using an oil bath so that the liquid temperature becomes 80 ° C., and the polyimide substrate is put into this solvent. It was immersed for 30 minutes. Thereafter, the polyimide thin film substrate was dried using an air blower, and the remaining film rate was evaluated.
The remaining film ratio was calculated from the ratio of the film thickness before the solvent treatment and the film thickness after the solvent treatment. The results are shown in Table 3.
The remaining film ratio of PI-1 was 104% with respect to xylene, and a slight swelling was observed, but at a level that does not cause a problem in practice. On the other hand, with respect to trichlorobenzene and trimethylbenzene, the remaining film ratios were 101% and 100%, and it was found that they were not affected at all. Further, no dissolution was observed in any solvent. From this, it became clear that the gate insulating film for organic transistors of the present invention has excellent solvent resistance.
<PI−2(実施例)の耐溶剤性>
合成例2で合成したPI−2の耐溶剤性を調べるため、ポリイミドの膜厚を300nmとした他は上記と同様の条件で実験を行った。結果を表3に示す。
PI−2の残膜率はキシレンに対しては102%となり、僅かに膨潤がみられたが、実用上問題とならないレベルである。トリクロロベンゼン、トリメチルベンゼンに対しては残膜率101%、100%となり、全く影響ないことが判明した。また、いずれの溶媒に対しても溶解は見られなかった。このことから、本発明の有機トランジスタ向けゲート絶縁膜は、優れた耐溶剤性を持っていることが明らかとなった。
<Solvent resistance of PI-2 (Example)>
In order to investigate the solvent resistance of PI-2 synthesized in Synthesis Example 2, an experiment was conducted under the same conditions as described above except that the film thickness of polyimide was 300 nm. The results are shown in Table 3.
The remaining film ratio of PI-2 was 102% with respect to xylene, and a slight swelling was observed. For trichlorobenzene and trimethylbenzene, the remaining film rate was 101% and 100%, and it was found that there was no influence at all. Further, no dissolution was observed in any solvent. From this, it became clear that the gate insulating film for organic transistors of the present invention has excellent solvent resistance.
<PI−3(実施例)の耐溶剤性>
合成例3で合成したPI−3の耐溶剤性を調べるため、ポリイミドの膜厚を230nmとした他は上記と同様の条件で実験を行った。結果を表3に示す。
PI−3の残膜率はキシレンとトリクロロベンゼンに対しては105%、106%となり、僅かに膨潤が見られたが、実用上問題とならないレベルである。一方、トリメチルベンゼンに対しては残膜率100%となり、全く影響ないことが判明した。また、いずれの溶媒に対しても溶解は見られなかった。このことから、本発明の有機トランジスタ向けゲート絶縁膜は優れた耐溶剤性を持っていることが明らかとなった。
<Solvent resistance of PI-3 (Example)>
In order to investigate the solvent resistance of PI-3 synthesized in Synthesis Example 3, an experiment was conducted under the same conditions as described above except that the film thickness of polyimide was 230 nm. The results are shown in Table 3.
The remaining film ratio of PI-3 was 105% and 106% with respect to xylene and trichlorobenzene, and although slight swelling was observed, it was a level that does not cause a problem in practice. On the other hand, with respect to trimethylbenzene, the remaining film ratio was 100%, and it was found that there was no influence. Further, no dissolution was observed in any solvent. From this, it became clear that the gate insulating film for organic transistors of the present invention has excellent solvent resistance.
本実施例において、ポリイミド膜(ゲート絶縁膜)の比抵抗は、{HP4156C、アジレント社製}を用い、比誘電率は、100KHz、1Vにて、{AG−4311B、安藤電気製}を用い、周辺の湿度および活性物質の影響を取り除くために、素子完成後、速やかに窒素ガス雰囲気中に移し、雰囲気が安定するまで10分ほど放置させた後測定した。
<PI−1(実施例)の絶縁性の評価>
合成例1で合成したPI−1の絶縁性を調べるため、ポリイミドおよびポリアミド酸からなる薄膜の比抵抗を以下の実験手順で測定した。
ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例1で調製したPI−1の溶液を、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱を行って有機溶剤を揮発させ、次いで150℃のホットプレートで60分焼成することで、膜厚約220nmのポリイミド膜を得た。次にITO電極と探針との良好なコンタクトをえるため、ポリイミド膜の一部分を削り取りITOを露出させた後、真空蒸着装置を用いてポリイミド膜上およびITO上に直径0.5mm、膜厚100nmのアルミニウム電極を積層させた。このときの真空蒸着の条件は、室温、真空度3×10−3Pa以下、アルミニウム蒸着速度0.3nm/sec以下とした。このようにしてポリイミド薄膜の上下に電極を形成することで、ポリイミド薄膜の比抵抗測定用のサンプルを作製した。
比抵抗の測定は窒素雰囲気中で行い、印加電界が1MV/cmになるように電圧を19Vに設定し、電圧を加えてから60秒経過後に電流密度を計測したところ、電流値は0.029pA〜0.070pAとなった。そこから比抵抗を計算したところ、比抵抗は6.2×1015〜1.5×1016Ω・cmとなり、150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタのゲート絶縁膜として用いるのに十分な絶縁性を示した。
また、リーク電流と電界の関係をより詳細に調べるため、電圧を0Vから50Vまで10秒間の保持時間を設けた後2Vずつ増加させたときの電流密度と電界の関係をプロットした(図6)。50V(2.3MV/cm)の高電圧を印加しても電流密度は10−10A/cm2以下しか流れないことが示され、150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタ向けゲート絶縁膜として非常に優れた特性を示した。また、このポリイミド膜の比誘電率は3.0であった。
In this example, the specific resistance of the polyimide film (gate insulating film) is {HP4156C, manufactured by Agilent Co., Ltd.], the relative dielectric constant is 100 KHz, 1 V, and {AG-4411B, manufactured by Ando Electric Co., Ltd.} In order to remove the influence of ambient humidity and active substances, the device was immediately transferred to a nitrogen gas atmosphere after completion of the device, and allowed to stand for about 10 minutes until the atmosphere was stabilized, and then measurement was performed.
<Insulation evaluation of PI-1 (Example)>
In order to investigate the insulation of PI-1 synthesized in Synthesis Example 1, the specific resistance of a thin film made of polyimide and polyamic acid was measured by the following experimental procedure.
The solution of PI-1 prepared in Synthesis Example 1 was dropped onto a glass substrate with ITO (2.5 cm square, 0.7 mm thick) with a syringe with a 0.2 μm pore filter and applied by spin coating. Thereafter, in the atmosphere, the organic solvent was volatilized by heating on an 80 ° C. hot plate for 5 minutes, and then baked on a hot plate at 150 ° C. for 60 minutes to obtain a polyimide film having a thickness of about 220 nm. Next, in order to obtain a good contact between the ITO electrode and the probe, a part of the polyimide film is scraped to expose the ITO, and then a vacuum deposition apparatus is used to form a diameter of 0.5 mm and a film thickness of 100 nm on the polyimide film and the ITO. The aluminum electrode was laminated. The conditions for vacuum deposition at this time were room temperature, a degree of vacuum of 3 × 10 −3 Pa or less, and an aluminum deposition rate of 0.3 nm / sec or less. Thus, the sample for the specific resistance measurement of a polyimide thin film was produced by forming an electrode on the upper and lower sides of a polyimide thin film.
The specific resistance is measured in a nitrogen atmosphere, the voltage is set to 19 V so that the applied electric field is 1 MV / cm, and the current density is measured 60 seconds after the voltage is applied. The current value is 0.029 pA. It was -0.070 pA. When the specific resistance was calculated therefrom, the specific resistance was 6.2 × 10 15 to 1.5 × 10 16 Ω · cm, which was sufficient for use as a gate insulating film of an organic transistor even when baked at 150 ° C. Insulation was shown.
Further, in order to investigate the relationship between the leakage current and the electric field in more detail, the relationship between the current density and the electric field when the voltage was increased by 2 V after providing a holding time of 10 seconds from 0 V to 50 V was plotted (FIG. 6). . Even when a high voltage of 50 V (2.3 MV / cm) is applied, the current density is shown to flow only 10 −10 A / cm 2 or less, and even when baked at 150 ° C., as a gate insulating film for organic transistors It showed very good characteristics. The relative dielectric constant of this polyimide film was 3.0.
<PI−2(実施例)の絶縁性の評価>
合成例2で合成したPI−2の溶液を用い、膜厚を210nmとした他は上記と同様の方法でポリイミド膜を成膜し、比抵抗測定用の素子を作製した。PI−2からなる薄膜に1MV/cmの電界が印加されるように電圧を21Vに設定した他は同じ条件で比抵抗を測定した。PI−2の溶液から得られたポリイミドおよびポリアミド酸からなる絶縁膜に流れた電流は0.024pA〜0.066pAとなり、そこから計算した比抵抗は7.6×1015〜2.1×1016Ω・cmとなった。150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタのゲート絶縁膜として用いるのに十分な絶縁性を示した。
また、上記と同様に電流密度と電界の関係をプロットしたところ(図6)、高電圧を印加しても電流密度は10−10A/cm2以下しか流れないことが示され、150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタ用ゲート絶縁膜として非常に優れた特性を示した。
<Evaluation of insulation of PI-2 (Example)>
A polyimide film was formed by the same method as described above except that the PI-2 solution synthesized in Synthesis Example 2 was used and the film thickness was 210 nm, thereby producing an element for measuring specific resistance. The specific resistance was measured under the same conditions except that the voltage was set to 21 V so that an electric field of 1 MV / cm was applied to the thin film made of PI-2. The current flowing in the insulating film made of polyimide and polyamic acid obtained from the PI-2 solution was 0.024 pA to 0.066 pA, and the specific resistance calculated therefrom was 7.6 × 10 15 to 2.1 × 10 6. 16 Ω · cm. Even when baked at 150 ° C., it showed sufficient insulating properties to be used as a gate insulating film of an organic transistor.
Moreover, when the relationship between the current density and the electric field was plotted in the same manner as above (FIG. 6), it was shown that even when a high voltage was applied, the current density flowed only at 10 −10 A / cm 2 or less, at 150 ° C. Even when baked, it showed very excellent characteristics as a gate insulating film for organic transistors.
<PI−3(実施例)の絶縁性の評価>
合成例3で合成したPI−3の溶液を用い、膜厚を220nmとした他は上記と同様の方法でポリイミド膜を成膜し、比抵抗測定用の素子を作製した。PI−3からなる薄膜に1MV/cmの電界が印加されるように電圧を22Vに設定した他は同じ条件で比抵抗を測定した。PI−2の溶液から得られたポリイミドおよびポリアミド酸からなる絶縁膜に流れた電流は0.020pA〜0.086pAとなり、そこから計算した比抵抗は5.7×1015〜2.4×1016Ω・cmとなった。150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタ向けゲート絶縁膜として非常に優れた特性を示した。
また、上記と同様に電流密度と電圧の関係をプロットしたところ(図6)、高電圧を印加しても電流密度は10−10A/cm2以下しか流れないことが示され、150℃で焼成した場合でも、有機トランジスタ用ゲート絶縁膜として非常に優れた特性を示した。
<Insulation evaluation of PI-3 (Example)>
A polyimide film was formed by the same method as described above except that the PI-3 solution synthesized in Synthesis Example 3 was used and the film thickness was set to 220 nm. Thus, an element for measuring specific resistance was produced. The specific resistance was measured under the same conditions except that the voltage was set to 22 V so that an electric field of 1 MV / cm was applied to the thin film made of PI-3. The current flowing through the insulating film made of polyimide and polyamic acid obtained from the PI-2 solution was 0.020 pA to 0.086 pA, and the specific resistance calculated therefrom was 5.7 × 10 15 to 2.4 × 10. 16 Ω · cm. Even when baked at 150 ° C., it showed very good characteristics as a gate insulating film for organic transistors.
Further, when the relationship between the current density and the voltage was plotted in the same manner as above (FIG. 6), it was shown that even when a high voltage was applied, the current density flowed only at 10 −10 A / cm 2 or less, at 150 ° C. Even when baked, it showed very excellent characteristics as a gate insulating film for organic transistors.
<PI−4(比較例)の絶縁性の評価>
比較合成例1で合成したPI−4の溶液を用い、膜厚を210nmとした他は上記と同様の方法でポリイミド膜を成膜し、比抵抗測定用の素子を作製した。PI−4からなる薄膜に1MV/cmの電界が印加されるように電圧を22Vに設定した他は同じ条件で比抵抗を測定した。PI−4の溶液から得られたポリイミドおよびポリアミド酸からなる絶縁膜に流れた電流は7.0pAとなり、そこから計算した比抵抗は7.2×1013Ω・cmとなった。PI−4の溶液から得られたポリイミドおよびポリアミド酸からなる絶縁膜は150℃で焼成した場合、有機トランジスタのゲート絶縁膜として用いるには、著しく比抵抗が劣ることが示された。また、このポリイミド膜の比誘電率は3.6であった。
<Insulation evaluation of PI-4 (comparative example)>
A polyimide film was formed by the same method as above except that the PI-4 solution synthesized in Comparative Synthesis Example 1 was used and the film thickness was changed to 210 nm, thereby producing an element for measuring specific resistance. The specific resistance was measured under the same conditions except that the voltage was set to 22 V so that an electric field of 1 MV / cm was applied to the thin film made of PI-4. The current flowing through the insulating film made of polyimide and polyamic acid obtained from the PI-4 solution was 7.0 pA, and the specific resistance calculated therefrom was 7.2 × 10 13 Ω · cm. It was shown that when the insulating film made of polyimide and polyamic acid obtained from the PI-4 solution was baked at 150 ° C., the specific resistance was remarkably inferior when used as a gate insulating film of an organic transistor. The relative dielectric constant of this polyimide film was 3.6.
有機トランジスタの電気特性は、{HP4156C、アジレント社製}により、周辺の湿度および活性物質の影響を取り除くために、素子完成後、速やかに真空中(真空度5×10−2Pa以下)に移し、30分ほど放置させた後測定した。 The electrical characteristics of the organic transistor were quickly transferred to vacuum (vacuum degree 5 × 10 −2 Pa or less) after the device was completed in order to remove the influence of ambient humidity and active substances by {HP4156C, manufactured by Agilent]. , And measured after allowed to stand for about 30 minutes.
<有機トランジスタ(実施例)の電気特性の評価>
ポリイミドのゲート絶縁膜としての特性を評価するため、有機トランジスタを作製した。ITO付きガラス基板(2.5cm角、厚み0.7mm)に、合成例1で調製したPI−1の溶液を、0.2μm孔フィルタを付けたシリンジで滴下し、スピンコート法により塗布した。その後大気下で、80℃のホットプレートで5分間加熱を行って有機溶剤を揮発させ、次いで150℃のホットプレートで60分焼成することで、膜厚約425nmのポリイミド膜を得た。また、この絶縁膜の静電容量Cは、比誘電率とポリイミドの膜厚から計算したところ、6.25×10−9(F/cm2)となった。次に、シグマ−アルドリッチより購入したHT結合を98.5%以上含むポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)(以後、P3HTと略す)を十分に精製した後、キシレンに1質量%溶解させ、P3HTの塗布溶液を調製した。この塗布溶液をポリイミド上に塗布してP3HT薄膜を形成した。成膜方法はスピンコート法を用い、酸素濃度0.5ppm以下の窒素雰囲気下で行った。つぎに溶媒を完全に揮発させるため、真空状態で100℃、90分間加熱処理した。つぎに、真空蒸着装置を用いてP3HT膜上に金を約60nm積層させ、チャネル長Lが90μm、チャネル幅Wが2mmのソース・ドレイン電極を形成した。また、真空蒸着時の条件は、室温、真空度3×10−3Pa以下、金の蒸着速度0.1nm/sec以下とした。このように作製した有機トランジスタを酸素濃度0.5ppm以下の窒素雰囲気下で一晩放置したのち、測定装置に設置するために、一度大気に暴露してから電気特性の評価を行った。
<Evaluation of electrical characteristics of organic transistor (Example)>
In order to evaluate the characteristics of polyimide as a gate insulating film, an organic transistor was fabricated. The solution of PI-1 prepared in Synthesis Example 1 was dropped onto a glass substrate with ITO (2.5 cm square, 0.7 mm thick) with a syringe with a 0.2 μm pore filter and applied by spin coating. Thereafter, in the air, the organic solvent was volatilized by heating on an 80 ° C. hot plate for 5 minutes, and then baked on a 150 ° C. hot plate for 60 minutes to obtain a polyimide film having a film thickness of about 425 nm. Moreover, the electrostatic capacitance C of this insulating film was 6.25 × 10 −9 (F / cm 2 ) when calculated from the relative dielectric constant and the film thickness of the polyimide. Next, after sufficiently purifying poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (hereinafter abbreviated as P3HT) containing 98.5% or more of HT bonds purchased from Sigma-Aldrich, 1% by mass in xylene After dissolving, a coating solution of P3HT was prepared. This coating solution was applied onto polyimide to form a P3HT thin film. The film forming method was a spin coating method, and was performed in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 0.5 ppm or less. Next, in order to completely volatilize the solvent, heat treatment was performed in a vacuum state at 100 ° C. for 90 minutes. Next, about 60 nm of gold was laminated on the P3HT film using a vacuum deposition apparatus, and source / drain electrodes having a channel length L of 90 μm and a channel width W of 2 mm were formed. The conditions during vacuum deposition were room temperature, a degree of vacuum of 3 × 10 −3 Pa or less, and a gold deposition rate of 0.1 nm / sec or less. The organic transistor thus produced was left to stand overnight in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 0.5 ppm or less, and then was exposed to the atmosphere once to be installed in a measuring apparatus, and then the electrical characteristics were evaluated.
電気特性は真空チャンバーを用いて、5×10−2Pa以下の真空度を保ったまま測定した。ゲート電圧に対するドレイン電流の変調を測定するため、ソース・ドレイン電圧(VD)を−60Vとして、ゲート電圧(VG)を+20Vから−60Vまで、2Vステップで変化させ、電流が十分安定するまで3秒間電圧を保持した後の値をドレイン電流の測定値とした。この様にして測定したゲート電圧に対するドレイン電流の特性(VG−ID特性)を図7に示す。ゲート電圧をマイナス方向に印加することで、ドレイン電流IDの大幅な増加が見られており、P3HTはp型半導体として動作していることを確認した。一般に、飽和状態におけるドレイン電流IDは下記式で表すことができる。つまり、有機半導体の移動度μは、ドレイン電流IDの絶対値の平方根を縦軸に、ゲート電圧VGを横軸にプロットしたときのグラフの傾きから求めることができる。
ID=WCμ(VG−VT)2/2L
上記式において、Wはトランジスタのチャネル幅、Lはトランジスタのチャネル長、Cはゲート絶縁膜の静電容量、VTはトランジスタの閾値電圧、μは移動度である。P3HTの移動度μをこの式を元に計算したところ、9.1×10−4cm2/Vsとなった。また、閾値電圧VTは15V、有機トランジスタのオフ状態のときに流れる電流、オフ電流は0.65nA、オン状態とオフ状態の比(オン/オフ比)は580となった(表4)。このように、本発明のゲート絶縁膜は、有機トランジスタとして十分に優れた特性を示した。
Electrical characteristics were measured using a vacuum chamber while maintaining a degree of vacuum of 5 × 10 −2 Pa or less. In order to measure the modulation of the drain current with respect to the gate voltage, the source-drain voltage (V D ) is set to −60 V, and the gate voltage (V G ) is changed from +20 V to −60 V in 2 V steps until the current is sufficiently stabilized. The value after holding the voltage for 3 seconds was taken as the measured drain current. Characteristics of the drain current versus gate voltage measured in this way the (V G -I D characteristic) shown in FIG. By applying the gate voltage in the negative direction, the drain current ID was significantly increased, and it was confirmed that P3HT operates as a p-type semiconductor. In general, the drain current ID in a saturated state can be expressed by the following formula. That is, the mobility μ of the organic semiconductor can be obtained from the slope of the graph when the square root of the absolute value of the drain current ID is plotted on the vertical axis and the gate voltage V G is plotted on the horizontal axis.
I D = WCμ (V G -V T) 2 / 2L
In the above equation, W is the channel width of the transistor, L is the channel length of the transistor, C is the capacitance of the gate insulating film, V T is the threshold voltage of the transistor, and μ is the mobility. When the mobility μ of P3HT was calculated based on this formula, it was 9.1 × 10 −4 cm 2 / Vs. Further, the threshold voltage V T was 15 V, the current flowing when the organic transistor was in the off state, the off current was 0.65 nA, and the ratio of the on state to the off state (on / off ratio) was 580 (Table 4). Thus, the gate insulating film of the present invention exhibited sufficiently excellent characteristics as an organic transistor.
<有機トランジスタ(比較例)の電気特性の評価>
比較合成例1で合成したPI−4の溶液を用い、膜厚を370nmとした他は上記と同様の方法で有機トランジスタを作製し電気特性を測定した。結果を図7に示す。この絶縁膜の静電容量Cは、比誘電率とポリイミドの膜厚から計算したところ、8.56×10−9(F/cm2)となった。P3HTの移動度は8.7×10−4cm2/Vs、オフ電流は38.9nA、オン/オフ比は15となった。また、閾値電圧は有機トランジスタが完全なオフ状態を取る事が無かったため、測定不能であった。このように、PI−4を用いた有機トランジスタは、リーク電流が非常に大きく、また正常なオフ状態を取らなかったことから、有機トランジスタとして用いることはできないことが示された。
<Evaluation of electrical characteristics of organic transistor (comparative example)>
An organic transistor was prepared in the same manner as described above except that the PI-4 solution synthesized in Comparative Synthesis Example 1 was used and the film thickness was changed to 370 nm, and the electrical characteristics were measured. The results are shown in FIG. The capacitance C of this insulating film was calculated from the relative dielectric constant and the film thickness of the polyimide, and was 8.56 × 10 −9 (F / cm 2 ). The mobility of P3HT was 8.7 × 10 −4 cm 2 / Vs, the off current was 38.9 nA, and the on / off ratio was 15. Further, the threshold voltage could not be measured because the organic transistor did not take a complete off state. Thus, it was shown that an organic transistor using PI-4 cannot be used as an organic transistor because of a very large leakage current and a normal off state.
<合成例4>可溶性ポリイミド(PI−5)の合成
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 5.435g(0.015mol)を入れ、NMP 36.75gに溶解させた後、ビシクロ[3.3.0]−オクタン−2,4,6,8−テトラカルボン酸無水物 3.753g(0.015mol)を加え、これを80℃で48時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸19.55g、ピリジン9.09gを加え、100℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量の水メタノール混合溶液中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、下記式で表される繰り返し単位を含む白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより90%イミド化されていることが確認された。このポリイミド粉末の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=11,400、Mw=18,000であった。
<合成例5>可溶性ポリイミド(PI−6)の合成
<Synthesis Example 4> Synthesis of Soluble Polyimide (PI-5) In a 200 mL four-necked flask under a nitrogen stream, 5.435 g of 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane (0 0.15 mol) and dissolved in 36.75 g of NMP, then 3.753 g (0.015 mol) of bicyclo [3.3.0] -octane-2,4,6,8-tetracarboxylic anhydride was added. This was stirred at 80 ° C. for 48 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted to 8% by mass with NMP. To this solution, 19.55 g of acetic anhydride and 9.09 g of pyridine were added as imidization catalysts and reacted at 100 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was poured into a large amount of a water / methanol mixed solution, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder containing a repeating unit represented by the following formula. This polyimide powder was confirmed to be 90% imidized by 1H-NMR. The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of this polyimide powder were Mn = 11,400 and Mw = 18,000, respectively.
<Synthesis Example 5> Synthesis of soluble polyimide (PI-6)
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 2.029g(0.0056mol)を入れ、NMP24.67gに溶解させた後、3,4−ジカルボキシ−1,2,3,4−テトラヒドロ−1−ナフタレンコハク酸二無水物 3.36g(0.0112mol)を加え、これを50℃で15時間攪拌した後、NMP 37.0gを加え、3,4−ジカルボキシ−1,2,3,4−テトラヒドロ−1−ナフタレンコハク酸二無水物 5.045g(0.0168mol)、4,4−ジアミノジフェニルエーテル 3.925g(0.0196mol)、1−オクタデシルオキシ−2、4−ジアミノベンゼン 1.055g(0.0028mol)を加え、これを50℃で24時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで8質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸28.55g、ピリジン13.28gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノール中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、下記式で表される繰り返し単位を含む白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。このポリイミド粉末の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=13,500、Mw=28,200であった。
(ここで、l、k、jの比率は次式で表される。l/(l+k+j)=0.2、k/(l+k+j)=0.7)
<合成例6>可溶性ポリイミド(PI−7)の合成
In a nitrogen stream, 2.029 g (0.0056 mol) of 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane was placed in a 200 mL four-necked flask and dissolved in 24.67 g of NMP. 3,4-dicarboxy-1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthalene succinic dianhydride (3.36 g, 0.0112 mol) was added and stirred at 50 ° C. for 15 hours, and then NMP 37 0.04 g, 3,4-dicarboxy-1,2,3,4-tetrahydro-1-naphthalene succinic dianhydride 5.045 g (0.0168 mol), 4,4-diaminodiphenyl ether 3.925 g (0 1.096 mol), 1.055 g (0.0028 mol) of 1-octadecyloxy-2,4-diaminobenzene was added, and this was stirred at 50 ° C. for 24 hours for polymerization. Reaction was performed. The obtained polyamic acid solution was diluted to 8% by mass with NMP. To this solution, 28.55 g of acetic anhydride and 13.28 g of pyridine were added as imidization catalysts and reacted at 50 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was poured into a large amount of methanol, and the resulting white precipitate was filtered off and dried to obtain a white polyimide powder containing a repeating unit represented by the following formula. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1H-NMR. The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of this polyimide powder were Mn = 13,500 and Mw = 28,200, respectively.
(Here, the ratio of l, k, j is expressed by the following equation: l / (l + k + j) = 0.2, k / (l + k + j) = 0.7)
<Synthesis Example 6> Synthesis of soluble polyimide (PI-7)
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 2.79g(0.00689mol)、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 9.85g(0.0272mol)を入れ、NMP 76.48gに溶解させた後、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸無水物 6.59g(0.0337mol)を加え、これを室温で8時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで5質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸12.8g、ピリジン9.9gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノールと水の混合溶液中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、下記式で表される繰り返し単位を含む白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。このポリイミド粉末の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=24,000、Mw=42,000であった。
(ここで、n、mの比率は次式で表される。n/(n+m)=0.8)
<比較合成例2>可溶性ポリイミド(PI−8)の合成
In a 200 mL four-necked flask under a nitrogen stream, 2.79 g (0.00689 mol) of 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane and 2,2-bis (3-amino- 4.85 g (0.0272 mol) of 4-methylphenyl) hexafluoropropane was added and dissolved in 76.48 g of NMP, and then 6.59 g (0.0337 mol) of 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic anhydride. And this was stirred at room temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted with NMP to 5% by mass. To this solution, 12.8 g of acetic anhydride and 9.9 g of pyridine were added as imidization catalysts and reacted at 50 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was poured into a mixed solution of a large amount of methanol and water, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder containing a repeating unit represented by the following formula. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1H-NMR. The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of this polyimide powder were Mn = 24,000 and Mw = 42,000, respectively.
(Here, the ratio of n and m is expressed by the following equation: n / (n + m) = 0.8)
<Comparative Synthesis Example 2> Synthesis of Soluble Polyimide (PI-8)
窒素気流下中、200mLの4つ口フラスコに、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 2.79g(0.00689mol)、2,2−ビス(3−アミノ−4−メチルフェニル)ヘキサフルオロプロパン 9.85g(0.0272mol)を入れ、NMP 76.48gに溶解させた後、1,2,3,4−シクロブタンテトラカルボン酸無水物 6.67g(0.034mol)を加え、これを室温で8時間攪拌して重合反応を行った。得られたポリアミド酸の溶液をNMPで5質量%に希釈した。この溶液にイミド化触媒として無水酢酸12.8g、ピリジン9.9gを加え、50℃で3時間反応させポリイミド溶液を得た。この溶液を大量のメタノールと水の混合溶液中に投入し、得られた白色沈殿をろ別、乾燥し、下記式で表される白色のポリイミド粉末を得た。このポリイミド粉末は1H−NMRより95%イミド化されていることが確認された。このポリイミド粉末の数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)はそれぞれMn=29,000、Mw=60,000であった。
In a 200 mL four-necked flask under a nitrogen stream, 2.79 g (0.00689 mol) of 2,2-bis (3-amino-4-methylphenyl) hexafluoropropane and 2,2-bis (3-amino- 4.85 g (0.0272 mol) of 4-methylphenyl) hexafluoropropane was added and dissolved in 76.48 g of NMP, and then 6.67 g (0.034 mol) of 1,2,3,4-cyclobutanetetracarboxylic anhydride. And this was stirred at room temperature for 8 hours to carry out a polymerization reaction. The obtained polyamic acid solution was diluted with NMP to 5% by mass. To this solution, 12.8 g of acetic anhydride and 9.9 g of pyridine were added as imidization catalysts and reacted at 50 ° C. for 3 hours to obtain a polyimide solution. This solution was put into a mixed solution of a large amount of methanol and water, and the resulting white precipitate was filtered and dried to obtain a white polyimide powder represented by the following formula. This polyimide powder was confirmed to be 95% imidized by 1H-NMR. The number average molecular weight (Mn) and the weight average molecular weight (Mw) of this polyimide powder were Mn = 29,000 and Mw = 60,000, respectively.
<PI−5(実施例)の溶媒溶解性>
PI−5の溶媒溶解性を調べるため、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトンを用いて、以下の条件で実験を行った。
丸底フラスコにいずれかの低沸点溶媒を入れ、そこに粉末状のPI−6を10質量%分入れ、溶媒の温度が50℃になるようにオイルバスで加熱しながら3時間攪拌した。
PI−5はどの溶媒に対しても良好な溶解性を示した。
<PI−6(実施例)の溶媒溶解性>
PI−6の溶媒溶解性を調べるため、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトンを用いて、以下の条件で実験を行った。
丸底フラスコにいずれかの低沸点溶媒を入れ、そこに粉末状のPI−6を10質量%分入れ、溶媒の温度が50℃になるようにオイルバスで加熱しながら3時間攪拌した。
PI−6はどの溶媒に対しても良好な溶解性を示した。
<PI−7(実施例)の溶媒溶解性>
PI−7の溶媒溶解性を調べるため、丸底フラスコにシクロヘキサノンを入れ、そこに粉末状のPI−7を10質量%分入れ、溶媒の温度が50℃になるようにオイルバスで加熱しながら3時間攪拌した。
PI−7はシクロヘキサノンに対して良好な溶解性を示した。
<PI−8(比較例)の溶媒溶解性>
PI−8の溶媒溶解性を調べるため、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、シクロヘキサノンを用いて、以下の条件で実験を行った。
丸底フラスコにいずれかの低沸点溶媒を入れ、そこに粉末状のPI−8を10質量%分入れ、溶媒の温度が50℃になるようにオイルバスで加熱しながら3時間攪拌した。
PI−8は全ての溶媒に溶解しなかった。
ここまでの結果を表5にまとめる。
In order to investigate the solvent solubility of PI-5, experiments were conducted under the following conditions using propylene glycol monomethyl ether (PGME), propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), cyclohexanone, and γ-butyrolactone.
Any low boiling point solvent was put in a round bottom flask, and 10% by mass of powdered PI-6 was put therein, and stirred for 3 hours while heating in an oil bath so that the temperature of the solvent was 50 ° C.
PI-5 showed good solubility in any solvent.
<Solvent solubility of PI-6 (Example)>
In order to investigate the solvent solubility of PI-6, an experiment was conducted using cyclohexanone and γ-butyrolactone under the following conditions.
Any low boiling point solvent was put in a round bottom flask, and 10% by mass of powdered PI-6 was put therein, and stirred for 3 hours while heating in an oil bath so that the temperature of the solvent was 50 ° C.
PI-6 showed good solubility in any solvent.
<Solvent solubility of PI-7 (Example)>
In order to investigate the solvent solubility of PI-7, cyclohexanone was put into a round bottom flask, and 10% by mass of powdered PI-7 was put therein, and heated with an oil bath so that the temperature of the solvent became 50 ° C. Stir for 3 hours.
PI-7 showed good solubility in cyclohexanone.
<Solvent solubility of PI-8 (comparative example)>
In order to investigate the solvent solubility of PI-8, experiments were conducted using propylene glycol monomethyl ether (PGME), propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), and cyclohexanone under the following conditions.
Any low-boiling solvent was put into a round bottom flask, and 10% by mass of powdered PI-8 was put therein, and stirred for 3 hours while heating in an oil bath so that the temperature of the solvent was 50 ° C.
PI-8 did not dissolve in all solvents.
The results so far are summarized in Table 5.
<PI−5(実施例)の耐溶剤性>
PI−5のキシレンに対する耐溶剤性を調べるため、実施例4と同様の方法で膜厚307nmのポリイミド膜を成膜し、50℃に熱したキシレン溶媒中に5分間浸漬させた。次に180℃のホットプレート上で溶媒を乾燥させ残膜率を測定した。PI−5からなるポリイミド膜の残膜率は100%となり、良好な耐溶剤性を示した。
<Solvent resistance of PI-5 (Example)>
In order to examine the solvent resistance of PI-5 to xylene, a polyimide film having a thickness of 307 nm was formed in the same manner as in Example 4, and immersed in a xylene solvent heated to 50 ° C. for 5 minutes. Next, the solvent was dried on a hot plate at 180 ° C., and the remaining film ratio was measured. The residual film ratio of the polyimide film made of PI-5 was 100%, indicating good solvent resistance.
本発明によるゲート絶縁膜は、有機トランジスタの製造プロセスの低温化が可能であり、安価で高性能な有機トランジスタを提供することが可能となる。 The gate insulating film according to the present invention can reduce the manufacturing process of the organic transistor, and can provide an inexpensive and high-performance organic transistor.
1 基板
2 ゲート電極
3 ゲート絶縁膜
4 ソース電極、ドレイン電極
5 有機半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Gate electrode 3 Gate insulating film 4 Source electrode, drain electrode 5 Organic semiconductor layer
Claims (7)
[式(1)中、Aは4価の有機基を表し、B1は下記(2)〜(9)から選ばれる少なくとも1種の2価の有機基を表し、B2は下記(2)〜(9)以外の2価の有機基を表す。
(ここで、R5はそれぞれ独立に水素、メチル基またはトリフルオロメチル基を表す。)
b1およびb2はそれぞれ組成比を表し、b1とb2の比率(モル)は
0.5≦(b1/(b1+b2))≦1
の関係を有する。] Formula solution is that the organic solvent-soluble polyimide to obtain a polyamic acid by cyclodehydration with a repeating unit represented by formula (1), applied to a film obtained by baking, the baking temperature of the polyimide film An organic transistor using a gate insulating film, characterized by being 180 ° C. or lower and a boiling point of a solvent in an organic solvent-soluble polyimide solution being 200 ° C. or lower.
[In Formula (1), A represents a tetravalent organic group, B 1 represents at least one divalent organic group selected from the following (2) to (9), and B 2 represents (2) Represents a divalent organic group other than (9).
(Here, R 5 independently represents hydrogen, a methyl group or a trifluoromethyl group.)
b1 and b2 each represent a composition ratio, and the ratio (mol) of b1 and b2 is 0.5 ≦ (b1 / (b1 + b2)) ≦ 1
Have the relationship. ]
(式(10)中、R1、R2、R3およびR4はそれぞれ独立に水素、フッ素または炭素数1〜4の有機基を表す。) The organic transistor using the gate insulating film according to claim 1 or 2 , wherein the tetravalent organic group having an alicyclic structure is at least one selected from the following (10) to (14).
(In the formula (10), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent hydrogen, fluorine or an organic group having 1 to 4 carbon atoms.)
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