자기조립결합을 이용한 유-무기 하이브리드 재료의 응용 연구

국문 초록 (Abstract)

유기-무기 하이브리드 재료는 유기물과 무기물의 구별되는 성질을 결합할 수 있는 가능성 때문에 차세대 전자소자 구동을 위한 전자재료 및 표면처리 재료와 같은 다양한 응용에서 많은 관심의 대상이 되고 있다. 하이브리드 재료에서 유기분자의 자기조립결합 특성을 이용할 경우 원하는 특성의 유기물을 사용함으로써 무기물과의 교차 박막 구성이 가능하고 무기 나노 입자에 monolayer 형성을 통해 표면의 특성도 변화 시킬 수 있다. 본 연구에서는 고성능의 유전특성을 갖는 무기물과 유연하고 공정성이 좋은 유기물의 교차 박막을 이용하여 고성능 저전압 트랜지스터를 위한 유전체를 연구하고 무기 나노 입자와 소수성 유기물과의 monolayer 형성을 이용해 초소수성 표면을 연구하였다.
고성능 저전압 박막 트랜지스터의 유전체을 위하여 유전특성을 강화하는 무기물인 high-k ZrOx 박막과 유연하며 자기조립을 통해 다층 구조를 가능하게 하는 유기물인 bi-functional alkylphosphonic acid를 합성하였고 이를 이용하여 낮은 온도에서 용액공정을 통해 나노 두께의 조절이 가능한 다층 유기-무기 하이브리드 박막을 제작하였다. 이 하이브리드 박막은 낮은 누설전류와 높은 캐패시턴스, 열적 안정성을 가지며 전자재료로의 응용 가능성을 확인하기 위해 다양한 반도체(유기 반도체: pentacene, 무기 반도체: In2O3)를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하였다. 이러한 소자는 2V 이하의 저전압 구동이 가능하였으며 높은 전하이동도(∼1과 10 cm2V-1s-1)와 105이상의 높은 ION/OFF를 보였다. 이를 통해 자기조립결합을 이용한 하이브리드 유전체가 낮은 전하 이동도를 가지는 유기 반도체나 무정형 금속 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터에서 저전압 구동을 가능하게 하는 좋은 접근법이 될 수 있다는 것을 확인하였다.
초소수성 표면을 위하여 저온의 대면적, 대량생산 및 저렴한 공정인 원스텝 스프레이 증착이 가능한 하이브리드 재료를 연구하였다. 이 하이브리드 재료는 소수성을 갖는 alkylphosphonic acid SAM을 친수성의 Al2O3 나노 입자에 형성하여 제조되었고 이를 이용한 용액을 간단히 스프레이 증착함으로써 초소수성을 가지는 계층적 구조를 형성하였다. 결과적으로, 원스텝 스프레이 증착을 통한 하이브리드 코팅은 160°이상의 높은 접촉각과 2°이하의 낮은 슬라이딩 각도를 가지는 초소수성을 보이며 실리콘과 유리, 천, 플라스틱 기판을 포함한 다양한 기판에 적용이 가능하다는 것을 확인하였다.
무기물과 유기물의 자기조립결합을 이용한 하이브리드 재료는 상대적으로 저온에서 용액공정을 통하여 제작이 가능하며 목적에 맞는 물질을 사용함으로써 여러 다양한 분야에 적용이 가능하다는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The organic-inorganic hybrid material can have both the advantages of inorganic materials and the advantages of organic materials. Therefore, it has become a subject of interest in various applications such as electronic materials for next generation electronic device driving and surface treatment materials. When using the self-assembly of organic molecules having a desired characteristic in a hybrid material, it is possible to form a multilayer thin-film with an inorganic and organic material, and to change the surface properties by forming a monolayer in inorganic nanoparticles. In this study, we investigated dielectric materials for high performance low voltage transistors by using multilayer thin film of high performance dielectric inorganic material and flexible and solution-processible organic material, and superhydrophobic surface using monolayer formation between inorganic nanoparticles and hydrophobic organic material.
For the dielectric of high-performance low-voltage thin-film transistor, high-k ZrOx thin film, which is an inorganic material strengthening dielectric property, and bi-functional alkylphosphonic acid which is an organic material improving flexibility are synthesized and We fabricated organic/inorganic hybrid multilayer thin films. The resulting hybrid multilayer dielectrics exhibit excellent insulating properties and thermal stability. Based on their implementation as a gate dielectric, TFTs fabricated with pentacene as representative organic semiconductors and indium oxide as a representative amorphous oxide semiconductor deposited on hybrid multilayer films showed excellent performance during operation at ultralow voltages (<±2 V). We confirmed that hybrid dielectrics using self-assembly can be a good approach to enable low-voltage driving in thin film transistors using organic semiconductors or amorphous metal oxide semiconductors with low charge carrier mobility.
For the fabrication of superhydrophobic surfaces via low-temperature, large-area, mass-production, and low-cost one-step spray coating process, We studied a superhydrophobic hybrid material. The hybrid material was prepared by functionalizing the hydrophilic surface of Al2O3 nanoparticles by self-assembly of phosphonic acid based hydrocarbon molecule and the functionalized Al2O3 nanoparticles were simply spray-coated for fabricating the superhydrophobic hierarchical structures. Consequently, optimized one-step coating method allows excellent non-wetting superhydrophobic surface with morphology controlled and densely packed hierarchical structures, exhibiting a high water contact angle (>160°) with a low sliding angle (<2°). Furthermore, this method was applied to diverse substrates.
Hybrid materials using the self-assembly of inorganic and organic materials can be fabricated through solution processes at relatively low temperatures and can be applied to a variety of applications by using materials suitable for the purpose.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 고성능 및 저전압 구동이 가능한 박막 트랜지스터 4
• 1.3 초소수성 표면 8
• 2. 실험방법 10
• 2.1 유-무기 하이브리드 유전체를 이용하여 저전력 구동이 가능한 고성능 트랜지스터 연구 10
• 2.1.1 시약 10
• 2.1.2 1,10-Decanediylbis(phosphonic acid) (DBPA)의 합성 11
• 2.1.3 자기조립을 이용한 다층구조를 갖는 하이브리드 필름 제 12
• 2.1.4 자기조립을 이용한 다층구조를 갖는 하이브리드 필름의 유전체 및 박막 트랜지스터 제작 13
• 2.1.5 자기조립을 이용한 다층구조를 갖는 하이브리드 필름의 유전체 및 박막 트랜지스터의 특성평가 14
• 2.2 유기분자 자기조립결합 나노입자를 이용한 원스텝 스프레이 코팅에 의한 Non-Wetting 초소수성 표면 15
• 2.2.1 나노입자에 자기조립결합을 이용한 단분자막 형성 15
• 2.2.2 유기분자 자기조립결합된 나노입자 필름의 제작 16
• 2.2.3 유기분자 자기조립결합된 나노입자 필름의 특성분석 17
• 3. 본론 18
• 3.1 유-무기 하이브리드 유전체를 이용하여 저전력 구동이 가능한 고성능 박막 트랜지스터 연구 18
• 3.1.1 연구방향 18
• 3.1.2 자기조립을 이용한 다층구조를 갖는 하이브리드 유전체의 특성분석 19
• 3.1.3 자기조립을 이용한 다층구조를 갖는 하이브리드 유전체를 이용한 유기 그리고 무기 반도체 박막 트랜지스터 33
• 3.2 유기분자 자기조립결합된 나노입자를 이용한 원스텝 스프레이 코팅에 의한 Non-Wetting 초소수성 표면 연구 40
• 3.2.1 연구 방향 40
• 3.2.2 유기분자 자기조립결합된 나노입자의 특성분석 41
• 3.2.3 스프레이 코팅된 유기분자 자기조립결합된 나노입자 필름의 표면 특성분석 43
• 3.2.4 스프레이 코팅된 유기분자 자기조립결합된 나노입자 필름의 초소수성 분석 48
• 3.2.5 다양한 기판 위에 스프레이 코팅된 유기분자 자기조립결합된 나노입자 필름 50
• 4. 결론 51
• 참고문헌 53
• Abstract 55