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저전압 구동이 가능한 유기박막트랜지스터를 위한 유기-무기 하이브리드소재 유전체 박막제조
한국화상학회 한국화상학회 2021 한국화상학회지 Vol.27 No.3
휘어지며 투명한 전자기기의 개발을 위해서 최근 유기반도체, 탄소기반 나노소재, 금속산화물 반도체등의 다양한 신소재 반도체 개발에 대한 연구가 관심을 받으며 지속적으로 발전하고 있다. 그러나, 이러한 신소재 반도체 기술의 꾸준하고 지속적인 발전에도 불구하고 트랜지스터를 구성하는 주요 소재중 하나인 유전체에 대한 연구는 반도체의 개발속도에 크게 미치지 못하여, 기계적인 휘어짐의 특성을 갖추고, 높은 캐패시턴스와 좋은 누전전류 특성을 갖는 새로운 유전체 개발에 대한 요구가 지속적으로 커지고 있다. 이에 본 연구는 저전압에서 구동 가능한 박막트랜지스터를 위한 유기-무기 하이브리드소재 박막을 개발하며 이를 저전압 구동이 가능한 유기박막트랜지스터에 적용하였다. 상대적으로 높은 유전상수를 갖는 염화하프늄 (HfO2)과 소수성기를 갖고 있으며 금속산화물과 공유결합이 가능한 실란산 기반의 유기물 (octadecyltrimethoxysilane)을 혼합한 전구체 용액을 합성하며 상대적으로 낮은 온도에서 열처리를 통해 얻을 수 있었다. 제조된 하이브리드 게이트 유전체 박막은 우수한 절연 및 유전체 특성과 함께 소수성 표면 특성을 가질 수 있었고 펜타센 유기박막트랜지스터로 응용하여 저전압에서 구동이 되며 우수한 트랜지스터 성능을 갖는 소자를 개발하였다. Recent advances in semiconductor performance afforded by organic π-electron molecules, carbon-based nanomaterials, and metal oxides have been a central scientific and technological research focus over the past decade for flexible and transparent electronics. However, recent advances in semiconductor require corresponding advances in compatible gate dielectric materials, which exhibit excellent electrical properties such as large capacitance, high breakdown strength, low leakage current density, as well as mechanical flexibility. In this study, we report on the design, processing, and dielectric properties of organic/inorganic hybrid dielectric films for low-voltage operation of organic thin-film transistors (OTFTs). The hydrophobic hybrid dielectric films are easily fabricated by one-step spin coating of a hafnium chloride precursor in an octadecyltrimethoxysilane solution under ambient conditions, followed by thermal curing at low temperatures (approximately 150°C). These novel dielectrics exhibit excellent surface smoothness, great insulating property ,and high capacitance. Consequently, the hybrid dielectrics integrated into the pentacene OTFTs function at relatively low voltages with excellent TFT characteristics
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광 소결 공정을 통한 Ecoflex 기반 나노 은 페이스트 개발
한국화상학회 한국화상학회 2021 한국화상학회지 Vol.27 No.3
Ecoflex는 친환경적이고 인체에 무해하며, 기존 신축성 전극들의 문제점으로 거론되는 회복성과 pre-stretching 공정이 필요하지 않은 우수한 탄성체이다. 그러나 ecoflex의 문제점은 같은 실리콘 고무 계열이거나 소수성 표면을 띈 소재가 아니면 표면에 접착력이 나오지 않는다. 그리고 금속 분말 페이스트 또는 잉크의 기반 재료로 적용하기엔 아직도 많은 한계가 있다. 마이크로 크기의 금속 분말을 사용하면 경화가 불안정하여 전극과 기판의 접착력이 좋지 않고, 바인더 함량을 증가시켜 경화를 안정화하면 전도성이 좋지 않다는 단점이 있다. 본 연구에서는 나노 금속 입자를 사용해 선경화를 진행하였고, 광 소결 공정을 통해 전기전도도를 증가시켜 기존의 문제점을 해결하였다. 이렇게 개발된 전극의 신뢰성 검증을 위해 다양한 분석을 진행하였다. 먼저 Rheology test를 통해 페이스트의 신뢰성을 검증하였고, 내용제성 시험으로 전극과 기판의 접착력을 분석하였다. 광 소결 공정 후에 전극의 전기전도도 변화를 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였다. 마지막으로 ecoflex의 우수한 기계적 특성을 평가하기 위해 인장 시험과 인장 반복 시험을 통해 기계적 내구성까지 검증하였다. 그 결과, 나노 금속 입자를 기반으로 만들어진 전극임에도 불구하고 변형률 5 %까지 인장이 가능하였으며, 변형률 2 %에서 160 번의 반복 인장 시험에도 문제없이 작동하는 것을 검증하였다. Ecoflex is an eco-friendly, harmless, and excellent elastic materials that does not require recovery and pre-stretching processes, which are cited as problems with existing stretchable electrodes. However, the problem with ecoflex is that it does not adhere to the surface unless it is made of the same silicon rubber or hydrophobic surface. And there are still many limitations to the application of metal powder paste or ink base materials. The disadvantage of using micro-sized metal powder is that the curing is unstable and the adhesion property between the electrode and the substrate is not good, and stabilizing the curing by increasing the binder content is not good conductivity. In this study, these problems were pre-cured using nano-metal particles, and existing problems were solved by increasing electrical conductivity through the photonic sintering process. Various analyses were conducted to verify the reliability of these developed electrodes. First, the reliability of the paste was verified through Rheology test, and the adhesion property between the electrode and the substrate was analyzed by solvent resistance test. SEM analysis was conducted to confirm the change in electrical conductivity of the electrodes after the photonic sintering process. Finally, mechanical durability was verified through tensile tests and tensile cycle tests to evaluate the excellent mechanical properties of the ecoflex. As a result, even though the electrode was made based on nano-metal particles, it was able to tensile up to 5 % strain, and it was verified that it worked without any problems with a strain of 2 % to 160 cycles tensile tests.
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