나노리플을 이용한 펜타센 박막 결정 성장과 전하 이동도 향상 = Enhancement of Charge Carrier Mobility and Crystal Growth of Pentacene Thin Films on Nanoripple

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 PMMA로 코팅된 나노리플 표면이 펜타센의 박막 결정 성장과 유기박막트랜지스터(OTFT)의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 나노리플 구조는 실리콘 기판 위 펨토초 레이저 가공에 의해 유도되었고, 나노리플이 유도된 실리콘 위 산화막을 성장하여 PMMA를 스핀코팅 공정을 거쳐 소자를 제작하였다. 접촉각을 이용한 표면에너지 비교 및 AFM 이미지를 통해, 평탄한 기판에 비해 나노리플이 형성된 기판 위에 펜타센 증착이 이루어질 때 펜타센 분자가 hop down이 일어나게 되어 펜타센 분자의 결정이 수평방향으로 확산되어 결정성이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며 그 결과, 나노리플 구조를 갖는 실리콘 산화막 위에 코팅된 PMMA 박막(Ripple PMMA) 위에 제작된 OTFT 소자는 나노리플 구조를 갖지 않는 실리콘 산화막 위에 코팅된 PMMA 박막(Bare PMMA) 위에 제작된 소자(0.117 cm²/V·s)에 비해 전하 이동도가 약 42% 향상된 0.166 cm²/V·s를 나타내었다. 이러한 결과는 나노리플 표면이 펜타센 결정크기(grain size)를 키우고 동시에 결정 경계면(grain boundary) 감소를 유도하여 전하 이동도를 증가시켜 소자 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the effect of PMMA-coated nano ripple surfaces on the thin-film crystal growth of pentacene and the electrical performance of organic thin-film transistors (OTFTs) was investigated. The nano ripple structures were fabricated on silicon substrates via femtosecond laser processing, followed by the growth of an oxide layer and spin-coating of PMMA to construct OTFT devices. Contact angle measurements and AFM analysis revealed that, compared to flat substrates, pentacene molecules deposited on nanoripple substrates undergo a “hop down” phenomenon, promoting lateral crystal growth and increasing grain size. As a result, OTFT devices fabricated on PMMA-coated nanoripple surfaces (Ripple PMMA) exhibited a charge carrier mobility of 0.166 cm²/V·s, which is approximately 42% higher than that of devices on flat PMMA surfaces (Bare PMMA, 0.117 cm²/V·s). These findings demonstrate that nano ripple surfaces facilitates an increase in pentacene grain size while simultaneously reducing grain boundaries, thereby enhancing charge carrier mobility and improving overall device performance.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 유기박막트랜지스터 1
• 1.1.1 유기박막트랜지스터 구조 및 구동원리 2
• 1.2 펜타센(Pentacene) 4
• 1.2.1 펜타센 박막 결정성장 모드 4
• 1.2.2 펜타센 박막 결정상(phase) 5
• 1.2.3 표면에너지에 따른 펜타센 박막 성장 5
• 1.3 패터닝을 이용한 유기반도체 연구 7
• 1.3.1 기존 유기반도체 패터닝 방법 및 한계 7
• 1.3.2 레이저를 이용한 패터닝 형성 7
• 1.3.3 펨토초 레이저에 의한 나노리플 구조 형성 8
• 2. 실험 방법 10
• 2.1 실리콘 기판 위 나노리플 구조 형성과 실리콘 산화막 성장 10
• 2.2 Poly(Methylmethacrylate) 박막 코팅 12
• 2.3 유기박막트랜지스터 제작 및 전기적 특성 측정 12
• 2.4 접촉각 측정 15
• 2.4 AFM 측정 15
• 3. 결과 및 고찰 16
• 3.1 나노리플 구조를 갖는 실리콘 산화막 표면구조 확인 16
• 3.2 누설 전류 비교 16
• 3.2.1 나노리플 구조의 유무에 따른 실리콘 산화막의 게이트 누설 전류 비교 18
• 3.2.2 나노리플 구조를 갖는 실리콘 산화막의 PMMA 박막 코팅 유무에 따른 게이트 누설 전류 비교 18
• 3.3 나노리플 구조를 갖는 PMMA 박막의 표면구조 확인 21
• 3.3.1 나노리플 구조를 갖는 실리콘 산화막 표면 확인 21
• 3.3.2 나노리플 구조를 갖는 실리콘 산화막 위 코팅된 PMMA 박막 표면 확인 21
• 3.4 유기박막트랜지스터의 전기적 특성 분석 25
• 3.5 접촉각 측정 29
• 3.5.1. 박막 위 접촉각 측정 30
• 3.5.2. 박막 위 표면에너지 계산 30
• 3.6 AFM 측정 32
• 3.6.1. 나노리플이 존재하지 않는 PMMA 박막 위 증착된 펜타센 표면 확인 32
• 3.6.2. 나노리플이 존재하는 PMMA 박막 위 증착된 펜타센 표면 확인 32
• 3.6.3. 나노리플 구조 위 펜타센 박막 결정성장 분석 34
• 4. 결론 39
• 참고문헌 41
• Abstract 43