용매, 진공 없는 용융 공정을 통한 자가 패시베이션 유기 반도체 개발 연구 = Melting process for Solvent free and Vacuum free Formation of Autopassivated Organic Semiconductors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electrical performances of organic semiconductor devices degrade when exposed to ambient air or moisture. This study proposes an noble method, capillary-assisted melting process, for fabricating auto-passivated organic semiconductor films that induces phase separation within the film. This process utilizes tetratetracontane (TTC, C44H90), which simultaneously conducts as a passivation layer and a solvent enabling the melting process, along with 6,13-bis(triisopropylsilyl)pentacene (TIPS-pentacene), a p-type organic semiconductor material suitable for solution processing. During this process, TIPS-pentacene forms the active layer at the bottom of the film, while TTC migrates to the top of the film to form a uniform passivation layer. The hydrophobicity of TTC effectively protects the active layer from the external environment. Furthermore, temperature control during the film solidification process modifies the orientation of TIPS-pentacene molecules. The fabricated devices maintained stable performance under both ambient air condition and high humidity environment of 95%, demonstrating that the TTC layer effectively encapsulates the degradation of TIPS-pentacene caused by moisture and oxygen. These results validate the potential for application in other organic semiconductors and flexible, stretchable next-generation organic electronic devices.

국문 초록 (Abstract)

기존의 패시베이션이 되지 않은 유기 반도체 소자는 주변 공기나 습기에 노출될 경우 성능이 크게 저하되는 문제가 있다. 본 연구는 필름 내부의 자발적인 상분리를 유도하는 모세관-보조 용융 공정을 제시함으로써 자가-패시베이션이 가능한 유기 반도체 필름을 효율적으로 제작하도록 제안한다. 이 공정은 패시베이션층과 용융 공정이 가능한 용매 역할을 동시에 수행하는 tetratetracontane(TTC, C44H90)과 용액 공정이 가능한 p-type 유기 반도체 물질인 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene (TIPS-pentacene)을 사용한다. 모세관-보조 용융 공정은 필름 내부에서 수직적인 상분리를 유도하며, 이때 TIPS-pentacene은 필름의 하단에 active layer를 형성하고, TTC는 상단으로 이동하여 균일한 패시베이션층을 형성한다. TTC의 소수성은 외부 환경으로부터 active layer를 효과적으로 보호한다. 또한, 필름을 응고하는 과정에서 기판의 온도를 조절함으로서 TIPS-pentacene 분자의 방향성을 유도한다. 제작된 소자는 표준 대기 조건과 95%의 높은 습도 환경에서 모두 안정한 성능을 유지하였으며, 이는 TTC 층이 수분과 산소로 인한 TIPSpentacene의 열화를 효과적으로 막아준다는 것을 입증한다. 이러한 결과는 다른 유기 반도체 및 flexible, stretchable한 차세대 유기 전자소자에 활용될 가능성을 확장한다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 i
• 표 목차 iv
• 그림 목차 v
• ABSTRACT viii
• 제1장 서론 1
• 제2장 본론 8
• 제1절 이론 8
• 1. OFET 의 구조 8
• 1.1. Channel length(L), channel width(W) 9
• 1.2. 게이트 전극과 소스 드레인 전극 10
• 2. 유기 반도체 물질 11
• 3. OFET 의 구동 원리 13
• 3.1. OFET의 작동 과정. 13
• 3.2. OFET의 구동 중 현상 13
• 4. OFET 의 증착 방법 15
• 4.1. 열 진공 증착법(Thermal evaporation) 15
• 4.2. 용액 공정(Solution-based process) 16
• 4.3. Blade coating 16
• 5. OFET 의 소자 성능 특성(Device performance) 18
• 5.1. Output 특성(Output characteristic) 18
• 5.2. Transfer 특성(Transfer characteristic) 19
• 5.3. 소자의 성능 인자(Performance parameters) 19
• 6. Complementary inverter 22
• 6.1. Complementary-type inverter의 작동 원리 22
• 6.2. inverter 소자의 동작 parameter 23
• 7. 표면의 젖음성 (wettability) 25
• 제2절 실험 26
• 1. 실험 시약 및 장비 26
• 1.1. 실험 시약 및 실험 재료 26
• 1.2. 측정 장비 27
• 2. 실험 방법 28
• 2.1. 모세관-보조 용융 공정 기반 OFET 제작 28
• 2.2. 실험 결과 측정 및 분석 30
• 2.3. Complementary-type inverter 제작 (n-type 소자 제작) 32
• 제3절 실험 결과 및 고찰 36
• 1. TTC/TIPS-pentacene 혼합물의 열적 성질 36
• 1.1. 시차 주사 열량계(DSC)를 통한 혼합물의 용융 확인 36
• 2. TTC/TIPS-pentacene 박막의 구조적 성질 분석 38
• 2.1. X-ray 광전자 분광학(XPS)를 통한 필름의 수직 구조 분석 38
• 2.2. Water contact angle 분석을 통한 TTC의 분포 검증 41
• 2.3. X-ray 회절(XRD)을 통한 필름의 결정성 분석 42
• 3. 모세관-보조 용융 공정으로 제작한 소자의 전기적 성능 분석 46
• 3.1. Output, transfer 성능 측정 46
• 3.2. Complementary-type inverter 성능 확인 48
• 3.2. 모세관-보조 용융 공정으로 제작한 TIPS-pentacene 소자의 환경 안정성 검증 50
• 제3장 결론 53
• 참고문헌 54
• 국문초록 59