Electrical Performance Enhancement of Solution-Processed Single-Walled Carbon Nanotube Thin-Film Transistor via Site-Selective Density and Purity Modulation in Channel Area = 채널 영역 내 위치 선택적 밀도 및 순도 조절을 통한 용액공정 단일벽 탄소나노튜브 박막 트랜지스터의 전기적 성능 향상

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent advances in flexible and stretchable devices are drawing significant attention as the next step beyond conventional rigid, silicon-based electronics. Traditional silicon or oxide semiconductors suffer from severe performance degradation under even minor mechanical deformation, limiting their applicability in these emerging platforms. Carbon nanotubes (CNTs), with their exceptional mechanical properties, have emerged as strong candidates for next-generation semiconductors. In particular, solution-processed single-walled carbon nanotube thin-film transistors (SWCNT-TFTs) are highly compatible with flexible and stretchable substrates due to their low-temperature fabrication requirements. However, achieving both high on-state and off-state performance in CNT networks remains challenging, as CNTs with varying diameters and chiralities exhibit diverse electronic properties. Although various methods have been proposed to form high-purity CNT networks with uniform characteristics, the surfactants required for CNT separation can degrade device performance and increase processing costs.
To address these challenges, I first propose a density-modulated SWCNT-TFT (DM-TFT) structure, wherein inkjet printing enables the formation of low-density CNT networks near the source/drain (S/D) electrodes and high-density networks at the channel center. The low-density regions near the S/D electrodes increase the bandgap of channel at the electrode-channel interface, suppressing electron injection and enhancing off-state performance. On the other hand, the high-density central region facilitates hole transport, achieving high on-state performance. As a result, DM-TFTs simultaneously exhibit high carrier mobility and on/off ratios.
Second, I introduce a semiconducting purity-modulated SWCNT-TFT (SPM-TFT) structure, which partially incorporates metallic SWCNTs within the channel. Unlike previous approaches that exclude metallic CNTs to improve performance, our method localizes metallic CNT networks at the channel center, forming a narrow bandgap region to enhance hole transport. Conversely, ultra-high-purity semiconducting CNTs are printed near the S/D electrodes to suppress leakage current in the off-state. This design enables SPM-TFTs to achieve excellent carrier mobility and on/off ratios
Next, I employ polymethyl methacrylate (PMMA) to achieve spatially resolved control over CNT density and purity at sub-micrometer scales. While the resolution of inkjet printing used in previous processes is limited to tens of micrometers, we utilize electrohydrodynamic (EHD) printing to selectively deposit PMMA, enabling fine modulation of CNT density even in channels shorter than 100 micrometers. After forming a low-density CNT network in the desired channel region, PMMA is selectively deposited onto specific areas. Following the PMMA deposition, an additional CNT layer is printed over the entire channel area. Sequentially, the device then undergoes a toluene rinsing step to remove both the PMMA and the CNTs deposited on top of it, resulting in precise spatial modulation of CNT density within the channel. These devices exhibit not only high mobility and on/off ratios but also the steep subthreshold swing characteristic of short-channel TFTs.
Finally, to further investigate the working principles of CNT random network with and without the gate bias, I introduce a simulation framework based on the hopping mechanism of CNT network. The simulation analyzes the impact of spatially varying CNT density and purity. In particular, unlike previously reported simulations, the simulation in this dissertation is designed to accommodate variations in the gate bias within the channel, thereby facilitating a deeper understanding of the high-performance CNT transistors presented in this work.
In summary, this dissertation establishes a comprehensive strategy for overcoming the longstanding trade-off between on-state and off-state performance in solution-processed carbon nanotube transistors, which has limited their practical application in flexible and stretchable electronics. The development of DM-TFT, SPM-TFT architectures and the implementation of high-resolution EHD printing enable precise modulation of electronic properties at the microscale. By introducing simulation frameworks capable of resolving spatial variations in CNT density and purity within the transistor channel, this research provides a new level of mechanistic understanding that directly informs device engineering. These advances collectively demonstrate that it is possible to achieve high carrier mobility, excellent on/off ratios, and steep subthreshold swing in short-channel device performance.

국문 초록 (Abstract)

유연 및 신축성 소자의 최근 발전은 기존의 경직된 실리콘 기반 전자기기 이후의 차세대 기술로 큰 주목을 받고 있다. 기존의 실리콘이나 산화물 반도체는 미세한 기계적 변형에도 성능이 급격히 저하되어 이러한 신흥 플랫폼에서의 활용에 한계가 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 우수한 기계적 특성으로 인해 차세대 반도체 소재로 각광받고 있으며, 특히 용액 공정 기반 CNT 트랜지스터는 저온 공정 특성 덕분에 유연 및 신축성 기판과 높은 호환성을 보인다. 그러나 다양한 직경과 키랄리티를 가진 CNT가 서로 다른 전기적 특성을 나타내기 때문에, CNT 네트워크에서 온-상태와 오프-상태 성능을 동시에 달성하는 것은 여전히 도전 과제로 남아 있다. 고순도 CNT 네트워크를 균일하게 형성하기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔으나, CNT 분리에 사용되는 계면활성제는 소자 성능 저하와 공정 비용 증가를 야기한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문은 밀도 변조 SWCNT-TFT(DM-TFT) 구조를 제안한다. 잉크젯 프린팅을 이용해 소스/드레인(S/D) 전극 근처에는 저밀도 CNT 네트워크를, 채널 중심에는 고밀도 네트워크를 형성함으로써, 전극-채널 계면에서의 밴드갭을 증가시켜 전자 주입을 억제하고 꺼짐 상태 성능을 향상시킨다. 반면, 채널 중심의 고밀도 영역은 정공 수송을 원활히 하여 켜짐 상태 성능을 높인다. 이 결과, DM-TFT는 높은 캐리어 이동도와 우수한 온/오프 전류 비율을 동시에 달성한다.
다음으로, 반도체성 순도 변조 SWCNT-TFT(SPM-TFT) 구조를 제안한다. 기존에는 금속성 CNT를 완전히 제거하는 방식이 주로 사용되었으나, 본 연구에서는 금속성 CNT 네트워크를 채널 중심에 국소적으로 배치하여 좁은 밴드갭 영역을 형성하고, S/D 전극 근처에는 초고순도 반도체성 CNT를 인쇄하여 꺼짐 상태 누설 전류를 억제한다. 이러한 설계를 통해 SPM-TFT 역시 높은 이동도와 온/오프 전류 비율을 동시에 달성한다.
잉크젯 프린팅의 공정 해상도를 극복하고 더 짧은 채널을 가지는 소자에서도 앞선 구조가 유효한지 확인하기 위해, PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트)를 이용해 수 마이크로미터 단위로 CNT 밀도 및 순도를 정밀하게 제어하는 공정을 구현한다. 기존 잉크젯 프린팅이 수십 마이크로미터 수준의 해상도에 머무는 반면, 본 연구에서는 전기수력학적(EHD) 프린팅을 활용해 PMMA를 선택적으로 증착함으로써, 100 마이크로미터 이하의 짧은 채널에서도 CNT 밀도를 미세하게 조절할 수 있다. 저밀도 CNT 네트워크 형성 후, 특정 영역에 PMMA를 증착하고, 추가로 CNT를 인쇄한 뒤, 최종적으로 PMMA와 그 위의 CNT를 제거하는 순차적 공정을 통해 채널 내 CNT 밀도 프로파일을 정밀하게 조절한다. 이 방식으로 제작된 소자는 높은 이동도와 온/오프 전류 비율뿐만 아니라, 짧은 채널 TFT 특유의 가파른 서브스레시홀드 스윙(subthreshold swing)도 함께 구현한다.
실험적으로 확인한 소자의 성능과 동작 원리를 설명하기 위해서, 단일벽 탄소나노튜브 박막 트랜지스터(SWCNT-TFT)의 전기적 특성에 대한 CNT 밀도와 순도의 영향을 체계적으로 분석하는 시뮬레이션을 설계하였다. 시뮬레이션은 채널 내 CNT 밀도와 순도의 공간적 변화가 소자 특성에 미치는 영향을 분석한다. 특히 기존에 보고된 시뮬레이션과 달리, 본 논문의 시뮬레이션은 게이트 바이어스의 존재 유무에 따라 달라지는 반도체성 CNT의 전도도를 고려하도록 CNT 트랜지스터의 동작 원리에 대한 심층적 이해를 제공한다.
결론적으로, 본 논문은 용액 공정 CNT 트랜지스터에서 켜짐 상태와 꺼짐 상태 성능 간의 오랜 상충관계를 극복하기 위한 포괄적인 전략을 제시한다. 채널 내 CNT 밀도와 순도의 공간적 변동을 해석할 수 있는 시뮬레이션 프레임워크를 도입하여 소자 설계에 직접적으로 기여하는 새로운 메커니즘적 이해를 제공하고, DM-TFT 및 SPM-TFT 구조 개발과 고해상도 EHD 프린팅 기반의 공간 제어 기술을 결합하여 마이크로 단위의 전기적 특성 제어를 실현한다. 이러한 연구 결과는 짧은 채널 소자에서도 높은 이동도, 우수한 온/오프 특성, 그리고 가파른 서브스레시홀드 스윙을 동시에 달성할 수 있음을 보여주며, 차세대 유연 및 신축성 전자소자 기술 발전에 기여한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents v
• List of Tables x
• List of Figures xii
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1. Solution-Processed Thin-Film Transistor 1
• 1.2. Single-Walled Carbon Nanotubes 4
• 1.3. Simulations for SWCNT random networks 9
• 1.4. Electrohydrodynamic Printing 13
• 1.5. Limitations of Previously Reported Studies of Solution-Processed SWCNT-TFTs 14
• 1.6. Organization 16
• Chapter 2 Spatial Density Modulation of Single-Walled Carbon Nanotube Networks for High On/Off-Performance Thin-Film Transistors 19
• 2.1. Introduction 19
• 2.2. Experimental Section 22
• 2.2.1. Materials 22
• 2.2.2. Fabrication of Density Modulated SWCNT-TFT 22
• 2.2.3. Fabrication of Flexible Inverters Utilizing DM-TFTs 23
• 2.2.4. Characterization 25
• 2.3. Results and Discussion 26
• 2.3.1. Schematic of Density Modulated TFT 26
• 2.3.2. Morphology of Inkjet-Printed CNT Random Networks 28
• 2.3.3. Performance of SWCNT-TFTs With Spatial Density Modulation 32
• 2.3.4. Optimized Device Performance of DM-TFT 40
• 2.3.5. Working Principle Analysis of DM-TFT 41
• 2.3.6. Flexible Inverter Applications Utilizing DM-TFT 48
• 2.4. Conclusion 51
• Chapter 3 Spatial Purity Modulation of Single-Walled Carbon Nanotube Networks for High On/Off-Performance Thin-Film Transistors 52
• 3.1. Introduction 52
• 3.2. Experimental Section 55
• 3.2.1. Materials 55
• 3.2.2. Fabrication of Semiconducting Purity Modulated SWCNT TFT 55
• 3.2.3. Fabrication of Silver Based Metal Added Channel SWCNT-TFT 56
• 3.2.4. Fabrication of the All-Inkjet-Printed Flexible Driving Circuit 57
• 3.2.5. Characterization and Simulation 58
• 3.3. Results and Discussion 60
• 3.3.1. Concept of SPM-TFT 60
• 3.3.2. Morphological and Compositional Analysis of SDC-MAC Interfaces 62
• 3.3.3. Electrical Performance of SPM-TFTs 64
• 3.3.4. Transport mechanism of the SPM-TFTs 69
• 3.3.5. Simulation for All-Inkjet-Printed Display Driving Circuits Utilizing SPM-TFTs 74
• 3.4. Conclusion 80
• Chapter 4 Electrohydrodynamic Printing Assisted Channel Purity Modulation of Single-Walled Carbon Nanotube Networks for High Switching Performance Thin-Film Transistors 82
• 4.1. Introduction 82
• 4.2. Experimental Section 85
• 4.2.1. Materials 85
• 4.2.2. Fabrication of EHD Printing-Assisted Purity Modulated SWCNT-TFT 86
• 4.2.3. Characterization 87
• 4.3. Results and Discussion 88
• 4.3.1. Fabrication and Structural Schematics of EPM-TFT 88
• 4.3.2. Optimization of EHD Printing for EPM-TFT Fabrication 90
• 4.3.3. Effect of Toluene Bath Sonication in SWCNT-TFTs 93
• 4.3.4. Electrical Performance of EPM-TFTs 96
• 4.3.5. Comparison of MAC and Metal Electrodes in EPM-TFTs 105
• 4.3.6. Uniformity Enhancement of EPM-TFTs 110
• 4.3.7. Transport Mechanism of EPM-TFT 112
• 4.4. Conclusion 118
• Chapter 5 Spatially Resolved Percolation Network Modeling for Large-Area Carbon Nanotube Thin-Film Transistors 120
• 5.1. Introduction 120
• 5.2. Simulation Method 122
• 5.2.1. Simulation Tools 122
• 5.2.2. Spatially Segmented CNT Network Generation 122
• 5.2.3. Node Pruning and Merging for Computational Simplicity 124
• 5.2.4. Directionally Biased Random-Walk Pathfinding Algorithm 126
• 5.2.5. Visualization 131
• 5.3. Results and Discussion 136
• 5.3.1. Percolation Threshold for Conductivity of Purity-Varying CNT Network 136
• 5.3.2. Simulation for Off-State Leakage Current Approximation 141
• 5.3.3. Simulation of SWCNT-TFT Performance with Varying Channel Length 146
• 5.3.4. Analysis of DM-TFT architecture Utilizing the Simulation Framework 151
• 5.3.5. Analysis of SPM-TFT architecture Utilizing the Simulation Framework 157
• 5.3.6. Analysis of EPM-TFT architecture Utilizing the Simulation Framework 164
• 5.4. Conclusion 169
• Chapter 6 Summary, Limitations and Recommendations for Future Research 171
• 6.1. Summary 171
• 6.2. Limitations and Recommendations 174
• 6.2.1. Limitations and Future Directions in CNT Percolation Network Simulations 174
• 6.2.2. Challenges in Adapting EPM-TFT Fabrication for Flexible Electronics 176
• 6.2.3. Development of Site-Selective Ultrathin Flexible Encapsulation Layers via EHD Printing 176
• Reference 180
• 국 문 초 록 202