TIPS pentacene crystalline morphology 변화에 따른 OTFT의 전기적 특성 연구

이상욱 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 Normal ink jetting 공법으로 OTFT를 제작할 때coffee stain effect에 의해서 반도체 소자의 특성이 저하되는 것을 극복하기 위해서 동일한 위치에 동일한 부피로 Droplet을 형성하는 Multiple ink jetting 공법을 통해 TIPS pentacene 결정의 Morphology와 전기적 특성이 어떻게 변화하는지 알아 보았다. Multiple ink jetting의 drop 횟수가 증가할수록 coffee stain effect에 의해서 형성된 가운데 영역의 Dendrite grain이 점점 작아지다가7 Drops 이후로는 Big grain 만 남게 되었다. Active layer의 표면 Roughness는 drop 횟수가 증가할수록 낮아지다가 일정 count 이후로는 다시 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 전계 이동도(mobility)는 drop 횟수가 증가할수록 커지다가 일정 count 이후로는 saturation 되는 것을 확인할 수 있었다. Multiple ink jetting에 의해서 만들어진 OTFT 소자의 전계 이동도(mobility)는 1 drop과 10 drops에서 각각 0.0059, 0.036㎠/Vs 로 6배 정도 차이가 있었다. 이것은 첫 drop에 의해 만들어진 가운데 Dendrite grain 영역이 Multiple ink jetting을 반복하면서 점점 작아지게 되어 사라지고 두꺼운 Grain 영역만 남게 된 것으로 판단 되어진다. Vth 와 On/Off ratio는 1 drop과 10 drops에서 각각 –3 V, -2 V그리고 3.3×103, 1.0×104을 보였다. OTFT의 substrate로 Flexible한 polyethersulfone(PES) 기판을 사용하였고, 절연체로 Spin coating된 Poly-4-vinylphenol(PVP)가 사용 되었으며, Gate 및 Source/Drain 전극은 Au 50 nm로 증착하였다. Channel의 width와 length는 각각 100 um, 40 um 였고, Source/Drain 전극 위에 Active layer를 형성한 Bottom contact 구조로 제작되었다. Ink jet으로 제작된 TIPS pentacene의 결정성은 x-ray diffraction(XRD)와 광학 현미경으로 분석하였고 Thickness profile은 알파스텝 측정기를 이용하였으며OTFT의 전기적 특성은 Keithley-4200을 사용하여 측정하였다. We have investigated the role crystalline morphology of TIPS Pentacene in the electrical properties of OTFT. We proved that the electric properties of OTFT were measured differently according to the methods of the ink jetting, one of the cheap process about the fabrication of OTFT using TIPS Pentacene had had big problem in overcoming coffee stain effect. We fabricated 2 different types of TIPS Pentacene films in terms of grain. The TIPS pentacene having big grains was obtained by multiple jetting, while that having dendrite grains was obtained by the normal jetting. The mobilities of OTFTs fabricated either with multiple jetting or with normal jetting were 0.0059cm²/Vs and 0.036cm²/Vs, respectively. The physical properties of the TIPS pentacene films were analyzed using optical microscope(OM), x-ray diffraction (XRD) and secondary electron microscopy(SEM). The electric characteristics of OTFT were obtained using Keithley-4200.

OTFT의 전극 제작을 위한 Ag-ink의 마이크로 컨택 프린팅 공정 연구

박성률 東亞大學校 大學院 2010 국내석사

유기 반도체는 OLED, OTFT 그리고 Organic solar cell과 같은 디바이스에 널리 사용되어 진다. 최근 유기 반도체 제조에 있어 낮은 해상도 범위가 요구되면서 마이크로 컨택 프린팅과 같은 새로운 리소그래피 공정 기법이 나타나게 되었다. 이러한 기법은 용액공정을 이용하여 나노스캐일의 구조물을 형성할 수 있어 차세대 플렉시블 디스플레이의 구동 소자 및 전자종이(e-paper)와 전자정보태그(RFID)등 적용분야가 광범위 하여 각광을 받고 있다. 용액 공정은 기존의 진공 증착 및 포토 리소그래피와 같은 과정을 거치지 않아도 되므로 제작 과정이 덜 복잡하고 대 면적 공정이 용이하며 유연기판에 적용할 수 있고, 무엇보다도 초저가 제작이 가능하다. 최근에는 여러 용액공정 방법 중 진공 증착 시 필요 했던 shadow mask 및 emulsion mask가 필요 없으며, 나노스케일의 구조물을 형성에 효과적인 마이크로 컨택 프린팅 방식이 널리 연구되고 있다. 이런 점에서 현재 일본과 유럽, 미국 등 세계 유수 기업 및 연구소에서 마이크로 컨택 프린팅 기술을 이용하여 정보/전자 부품 제작 및 조립을 하는 프린터블 전자소자(Printable Electronics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 플렉시블 전자소자 제작에 마이크로 컨택 프린팅 기술이 적용된다면 소자를 구성하는 기능성 소재를 잉크로 조제하여 마치 도장을 찍듯이 프린팅 하여 첨단 정보·전자 제품을 인쇄하여 제작할 수 있으며 대량 연속생산 방식이 가능하여 저가격, 고기능성, 초대형의 신개념 정보·전자 소자 구현이 가능하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 용액 공정으로 유기 반도체(OTFT ; Organic Thin Film Transistor)의 전극을 제작하기 위하여 게이트 전극을 마이크로 컨택 프린팅 방식으로 형성하기 위한 공정을 확립하고 성능을 개선하였다. 특히 게이트 전극으로 사용된 Ag-ink는 Ag nano paticle을 여러 용제에 녹여 용액으로 만든 금속이다. 기존 유기 반도체에 사용되던 모든 조건을 동일하게 사용하면서 게이트 전극으로 사용되던 Al을 Ag-ink로 변경하여 제작하였다. 가장 최상의 프린팅 조건을 찾기 위해 Ag-ink의 분산매와 고형분 함량을 조절하여 마이크로 컨택 프린팅 방식에 적합한 재료를 찾았으며, 인쇄성을 향상시키기 위해 공정에서의 접착속도, 분리속도, 접촉시간의 세 가지 동역학적 파라미터를 추출, 잉크 전이율에 미치는 영향을 분석하여 최적의 공정조건을 도출하였다. 잉킹공정에서는 접촉속도는 1 mm/s 이하, 접촉 후 유지시간은 짧게 하며, 분리속도는 1000 mm/s로 빠르게 해야 잉크의 전이율이 98%이상 높았다. 프린팅 공정에서는 반대로 접촉속도는 100mm/s 이상의 빠르게, 접촉 후 유지시간은 30초 이상, 분리속도는 1mm/s 이하로 느리게 할 때 최고의 인쇄특성을 보였다. 이러한 결과를 이용하여 최소선폭 30㎛, 두께 300~500㎚, 50㎚ 이하의 표면 거칠기를 가진 전극을 전체 5cm×5cm 면적에 균일하게 연속적으로 인쇄를 할 수 있었다. 위의 조건을 가지고 Ag-ink를 게이트 전극으로 가지는 bottom contact형 OTFT를 제작하였다. 소자 성능 파라메타는 이동도가 0.25 cm2/V∙sec, 문턱 전압이 2.01 V, on/off ratio가 106, Sub-threshold slope이 1.6V/dec, Off state current는 10-2로써 Al을 게이트 전극으로 진공 열증착으로 제작한 OTFT의 성능과 유사하였다. 소자의 성능면에서 전극을 진공 열증착 방식으로 제작한 소자에 뒤지지 않았으며, 마이크로 컨택 프린팅으로 전극 제작공정을 대체할 수 있는 가능성을 보였다. 하지만 인쇄된 전극의 두께를 조절하기 힘들고 두껍게 형성되는 것은 문제점으로 남아있다. 이를 위해 잉크가 가지는 유변물성과 전이특성과의 관계 및 계면에서의 접착력 변화와의 관계 등에 대해 파악하는 연구가 필요하다고 생각한다. Organic electric device focuses on developing OLED (Organic Light Emitting Diode) worthy of notice for next generation light emitting device. OTFT as driving device of light emitting device is developing, also research on OTFT's electric characteristics and performance improvement being used for organic active layer is boomed. Recently, the nano-scaled and solution-processed OTFTs have attracted a considerable attention due to their potential advantages in backplane of flexible displays and organic electronics such as e-paper and radio-frequency identification tags(RFIDs). The solution-based process enables a simple and non-vacuum fabrication of organic devices such that extremely low-cost electronics can be achieved. Recently, microcontact printing method is widely used in organic electronics fabrication including organic light emitting diodes displays and organic transistors. The microcontact printing method offers a nano-scaled patterning without any costly photo-lithography process and any masks. And this technique is material-efficient and low cost. In This paper describes the effects of kinetic parameters such as attaching speed, attaching time, and dettaching speed on printing property of electrodes which were fabricated by micro-contact printing with Ag ink. In inking process the attaching speed was preferable to be less than 1 mm/s, attaching time as short as possible, and detaching speed larger than 1000 mm/s in order to obtain the transfer ratio of ink larger than 98%. Meanwhile in printing process the parameters were totally opposite to the results of inking process; attaching speed larger than 100 mm/s, attaching time larger than 30 sec, and detaching speed less than 1 mm/s for the best results. With the parameters we could obtain the micro-contact printed electrodes with the minimum line width of 30 ㎛, thickness of 300 ~500 nm, roughness less than 50 nm, and resistivity of about 15~16 μΩ․㎝. And the modified OTFT’s performance are summarized as follows. The field effect mobility is 0.25cm2/Vs, on-off ratio is 3.045x106. We develop a simple and soluble process by using transfer printing for electrodes of OTFTs report fabrication of electrodes with Ag ink using transfer printing. We removed evaporation, etching and lift-off process for fabrication of electrodes in OTFTs. Also, it has an advantage to use a substrate material which has a big CTE such as plastic substrateas keeping the processing at room temperature except curing of ink.

유기박막트랜지스터의 active 영역에 활용되는 TIPS pentacene의 결정성이 전기적 특성에 미치는 영향 연구

한재준 성균관대학교 일반대학원 2011 국내석사

본 논문에서는 저 성능 RFID tag, Flexible display, 그리고Electronic paper등에 적용될 수 있는 유기박막트랜지스터(OTFT)를 Ink jet print 공정으로 제조하여 활성층 TIPS pentacene박막의 결정성 변화에 따른 유기박막트랜지스터(OTFT)의 전기적 특성 변화를 연구하였다. OTFT의 활성영역으로 활용되는 TIPS pentacene박막을 Ink jet 방식으로 도포하면TIPS pentacene 박막은Coffee strain 효과에 의해서2가지의 서로 다른 결정성의grain들로 구성된다. 이 2가지 서로 다른 결정성의grain으로 이루어진 TIPS pentacene 박막에 각각의 유기박막 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 비교 분석하여 전기적 특성 변화를 연계하였다. 큰 Grain으로 구성된 TIPS pentacene 박막으로 제작된 OTFT의 이동도(mobility) 값이 Dendrite 구조의 작은 Grain으로 구성된 TIPS pentacene 박막으로 제작된 OTFT의 이동도 보다 10배 이상 큰 값을 보였고 Ion/off ratio또한 높은 On current에 의해 10배 이상 큰 값을 보였다. Bottom gate 구조 유기박막 트랜지스터는 polyethersulfone(PES) 기판에서 제작 되었으며, Spin coating된 Poly-4-vinylphenol(PVP)가 Gate 절연체로 사용 되었다. Au전극은 Shadow mask를 이용하여 증착 하였다. Ink jet으로 제작된 TIPS pentacene의 결정성은 x-ray diffraction(XRD)와 광학 현미경으로 분석하였으며, OTFT의 전기적 특성은 Keithley-4200을 사용하여 측정하였다. We found that the crystallization of TIPS pentacene thin film plays an important role in determining the electrical property of organic thin film transistor (OTFT). OTFTs were fabricated using two different TIPS pentacenes, namely 큰 grains and Dendrite grains. Poly-4-vinylphenol (PVP) was used as a Gate insulator, and Au electrode was evaporated using a Shadow mask. The channel lengths of OTFTs with the Bottom Gate structure were 20-40 um. The mobility values of OTFTs fabricated with 큰 grains reveal ten time higher values than those obtained from OTFTs fabricated with Dendrite grains. The physical properties of the TIPS pentacene films were analyzed using optical microscope (OM), x-ray diffraction (XRD) and secondary electron microscopy (SEM). The electric characteristics of OTFT were obtained using Keithley-4200.

Thermosetting film을 사용하여 passivation layer가 형성된 OTFT의 전기적 특성 변화에 대한 연구

강명삼 성균관대학교 일반대학원 2012 국내석사

본 논문에서는 외기 환경 요인 중에서H2O와 O2의 영향으로 성능이 저하되는 유기박막트랜지스터(OTFT)의 수명시간 향상을 위하여 필요한 passivation layer의 효과에 대하여 알아 보았다. OTFT에 기존의 액상 공정이나 증착 공정으로 단일 passivation layer또는 다층 passivation layer를 형성하는 방식과는 다르게 향후에 산업 전반에 적용이 기대되는 것을 고려하여 제작 공정의 간편성을 위하여 film형태로 되어 있는 열경화성 epoxy resin film으로 passivation layer를 구현하는 방법을 사용하여 OTFT 의 storage stability를 평가하였다. passivation layer가 없는 OTFT와 열경화성epoxy resin film으로 passivation된 OTFT의 전기적 특성이 서로 비교 평가되었으며 또한 30일 동안 온도25℃, 상대습도 40%의 환경을 갖는 desicator안에서 소자를 보관하여 시간에 따른 전기적 특성 변화를 검증하여 epoxy resin film의 passivation layer으로의 적용 가능성을 검증하였다. 결과적으로 30일 후의 passivation layer가 없는 OTFT의 전기적 특성은 매우 낮게 떨어진 반면에 epoxy resin film으로 passivation layer가 구현된 OTFT의 mobility는 0.060cm2/Vs, VT는 -0.18V, on/off ratio는 3.7×103 으로 초기의 소자 특성이 잘 유지되는 결과를 얻었다. OTFT는 Flexible한 polyethersulfone(PES)기판에 게이트 전극이 하부에 있는 Bottom gate 구조로 제작되었고 채널 형성을 위한 유기반도체 재료로 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) (TIPS) pentacene이 사용되었고 spin coating된 Poly-4-vinylphenol(PVP)가 게이트 절연체로 사용되었다. 이때 Au전극은 Shadow mask를 이용하여 증착 하였다. 또한 OTFT의 채널 길이 100μm, 채널 폭300μm의 영역에 Drop casting법을 사용하여 채널을 형성하였다. 물리적 특성은 scanning electron microscopy(SEM), scanning probe microscopy(SPM), x-ray diffraction(XRD)를 사용하여 분석하였고, 전기적 특성은 Keithley-4200을 사용하여 IDS-VDS와 IDS-VGS를 추출하였다.

Fabrication and characterization of high performance ink jet printed OTFT(Organic Thin Film Transistor)

김교혁 성균관대학교 일반대학원 2013 국내박사

This dissertation consists of studying on the fabrication and evaluation of high performance OTFTs fabricated using tips pentacene as an active material. All the processes to fabricate OTFTs were done utilizing inkjet process. In spite of many previous efforts, OTFTs fabricated with solution process for a flexible application are not sufficient enough to reach the commercialization because of its lower characteristics and unguaranteed reliability compared with a-Si TFT. Therefore, we carried out a couple of experiments to further improve its performance in terms of the mobility and the passivation scheme. First of all, we analyzed in detail about Tips pentacene films printed using ink jet process. Then, we attempted to understand a role of crystallinity of Tips pentacene film in determining the mobility by comparing physical and electrical properties of two distinct OTFTs that were fabricated either on good crystalline tips pentacene or bad crystalline tips pentacene. The dendrite grain structure which is a typical garin structure of the solution processed tips pentacene is thought a prime reason to yield a poor electrical transport. The good grain structure consist of big grains gave a 10 times higher mobility and ION current compared to those obtained from the bad grain structure consists of dendrite grains. Thus we concluded that the minimization of coffee strain effect during the solution process is the most critical issue to obtain high performance OTFT. The first approach to minimize coffee stain effect was to print tips pentacene with discrete drops rather than to print continuous drops. In other words, a desired tips pentacene film was formed by dropping tips pentacene ink one by one in active area, not by consecutively jetting the ink. Throughout aforementioned process, we could eliminate so called dendrite grain structure, thereby obtaining better performance OTFTs. The other approach was to produce tips pentacene active area on a confined structure which can protect the serious evaporation of solvent at edge regions. We formed active areas having below 10 micrometer of channel length as the confined structure by imprinting Si stamp on PES substrate. We used a capillary phenomenon to form the channel with tips pentancene effectively as it was difficult to form tips pentacene in the confined structure with the solution process. We could confirm that the performances of short channel tips pentacene OTFTs were improved extremely. The average mobility and on/off ratio of OTFTs were 0.25 cm2/Vs and 103, respectively. The threshold voltage of OTFT was -2.5 V. Finally, we produced PICS(Pattern induced confined structure), and fabricated OTFTs by printing tips pentacene on it. At first, Ag patterns were accurately formed by irradiating UV and board temperature control. Then PICS was obtained by orthogonally printing Ag patterns on underlying PVP layer which was used as a gate dielectric material. The average mobility and on/off ratio of PICS(Pattern-Induced Confined Structure) OTFTs were 0.034 cm2/Vs and 103, respectively. The threshold voltage of OTFT was -2.5 V. On the other hands, we found out that the passivation layer is necessary for maintaining the OTFT’s properties and improving OTFT’s life time as OTFT’s performance is commonly decreased under influence of H2O and O2 among open air environmental factors. At present, passivation layer deposition using solution process or evaporation process is difficult due to the insufficient study. Therefore, we used a thermosetting epoxy resin film as the passivation layer by attaching on the OTFTs surface. We compared the electrical properties of OTFTs with the passivation layer with those of OTFTs without the passivation layer at specific condition. We verified that the electrical feature of OTFT with passivation layer was well kept with its initial element after keeping the elements inside desiccator which was kept at 25 ˚C with 40 % of relative humidity for 30 days. We suggest that the poor electrical properties of OTFT can be improved dramatically by eliminating coffee strain effect. The PICS was a good candidate for a solution process, in particular, ink jet process. However, the leakage current should be reduced by modifying the structure of OTFT, Thus, is necessary to further study about the better OTFT structure.

Electrical Characteristics of Inkjet-Printed Organic Thin Film Transistors (OTFTs) with Blended Organic Semiconducting Inks

고정민 성균관대학교 일반대학원 2012 국내박사

The blending of crystalline organic semiconductor, 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS pentacene) with amorphous polymers exhibits not only excellent solution processibility but also superior performance characteristics in organic thin film transistors (OTFTs). To understand the inkjet printing behavior of TIPS pentacene/polymer blends, we synthesized triarylamine-based polymers with various polarities, which were obtained by changing the fluorine content in the polymer structure. The variation of segregation strength of the polymer domains in the blends can be induced depending on the different polarities of the polymers, which can ultimately determine the shape and orientation of the TIPS pentacene crystals in OTFT films. The experimental results suggest that the phase separation behavior between the polymer and TIPS pentacene plays a significant role in the formation of crystal structure of TIPS pentacene in the film. The moderate segregation of the polymers from the TIPS pentacene crystal domains effectively derives the desirable stripe-shaped crystals with the proper orientation and enhanced surface morphology. The resultant inkjet-printed films from the triarlyamine-based polymers with TIPS pentacene showed excellent mobility of 0.14 to 0.19 cm2V-1s-1. Also, we use amorphous polycarbonate (APC), which is structurally beneficial to the facile phase separation with TIPS pentacene crystals due to its highly amorphous character. The various inkjet-printing behaviors of TIPS pentacene/APC inks that depend on the TIPS pentacene/APC compositions, ink viscosities, and different solvent mixtures are investigated, which can ultimately determine the phase separation, morphology, shape, and orientation of the TIPS pentacene crystals in OTFT films. Flory-Huggins phase separation theory is applied and various analytical methods such as polarized optical microscopy, 3D surface profile, and time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS) are utilized to explain these relationships. By controlling these inkjet-printing conditions, it is possible to easily regulate the optimal inkjet-printing process for TIPS pentacene/polymer systems, which can derive the desirable stripe-shaped and vertically phase-separated TIPS pentacene crystals with the proper orientation and enhanced surface morphology. The resultant inkjet-printed films from the TIPS pentacene with APC show excellent device stability and an average mobility of 0.53 cm2V-1s-1, which are among the highest values obtained by inkjet-printing reported to date. Furthermore, the inkjet-printed flexible OTFT array with an average mobility of 0.27 cm2V-1s-1 sustains the application of TIPS pentacene/ APC in the field of flexible printed electronics. 유기반도체 (6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS pentacene))와 무정형 고분자가 혼합된 유기반도체 잉크는 뛰어난 용액공정성과 우수한 트랜지스터 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 다양한 조건으로 혼합된 유기 반도체/고분자 잉크를 사용하여 잉크젯 프린팅 공정에서 팁스 펜타센과 무정형 고분자가 혼합된 유기반도체 잉크의 거동을 이해하고, 제어함으로써 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 먼저 정공 전달 구조인 triarylamine 구조를 바탕으로 하고 불소의 함량이 틀린 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자는 고분자 구조내의 불소의 함량에 따라서 다양한 극성을 나타내었다. 합성된 고분자의 다양한 극성은 유기반도체와 고분자간의 상 분리의 상이함을 야기시키게 되고 팁스 펜타센/고분자 유기 박막내에서 팁스 펜타센의 결정 모양과 결정 배향성 및 박막 거칠기에 영향을 준다. 이는 궁극적으로 유기 박막 트랜지스터 소자의 전기적 특성을 좌우하게 된다. 실험을 통해서 팁스 펜타센과 고분자의 상 분리 거동이 박막내에서 팁스 펜타센 결정 구조의 형성에 중요한 역할을 하고, 팁스 펜타센 결정영역으로부터 적절하게 분리된 고분자의 상분리는 유기반도체 결정의 배향성을 증가시키고 표면 거칠기를 부드럽게 하여 효과적으로 줄무늬 형태의 결정을 형성하는데 도움을 준다. 결과적으로 triarylamine을 바탕으로 합성한 고분자와 팁스 펜타센을 유기 반도체 잉크로 이용하고 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기박막트랜지스터는 우수한 전하이동도 (0.14 ~ 0.19 cm2V-1s-1) 특성을 나타내었다. 또한 무정형 특성이 강하고 팁스 펜타센 결정의 상 분리 특성에 고분자 구조적으로 강점이 있는 폴리카보네이트 (APC) 고분자를 이용하여 다양한 조건(혼합용액 조성비, 잉크 점도 및 용매 변화)에서 혼합 잉크를 제작하였고, 이를 사용하여 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기박막트랜지스터의 특성 변화를 분석하였다. 조건에 따라서 유기박막트랜지스터 박막내의 결정 상 분리, 박막 거칠기 및 결정 모양과 배향 정도의 상이함을 polarized optical microscopy, 3D surface profile와 TOF-SIMS 장비를 이용하여 분석하였고, 결과를 플러리-허긴스 상분리 이론에 적용하여 설명하였다. 이러한 잉크젯 프린팅 조건을 최적화하여 팁스 펜타센과 APC 고분자간의 적절한 상분리를 유도함으로써 유기 반도체의 결정형성 특성 및 박막의 표면 거칠기를 향상시켜 0.53 cm2V-1s-1의 우수한 전하이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터 소자를 제작하였다. 또한 유연한 기판위에 0.27 cm2V-1s-1의 전하이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터 소자를 제작하여 향후 플렉시블 차세대 디스플레이 소재로서 적용 가능함을 제시하였다.

OTFT의 반도체로 사용되는 TIPS-pentacene의 잉크젯 공정에 관한 연구

김세민 東亞大學校 大學院 2010 국내석사

유기 반도체는 OLED, OTFT 그리고 Organic solar cell과 같은 디바이스에 널리 사용되어 진다. 최근 유기 반도체 제조에 있어 유기물의 중요한 성질인 약한 반데르발스 결합으로 녹는점이 낮고 유기 용매에 잘 녹을 수 있다는 장점을 이용한 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅과 같은 용액 공정이 차세대 플렉시블 디스플레이의 구동 소자 및 전자종이(e-paper)와 전자정보태그(RFID)등 적용분야가 광범위 하여 각광을 받고 있다. 용액 공정은 기존의 진공 증착 및 포토 리소그래피와 같은 과정을 거치지 않아도 되므로 제작 과정이 덜 복잡하고 대면적 공정이 용이하며 유연기판에 적용할 수 있고, 무엇보다도 초저가 제작이 가능하다. 최근에는 여러 용액공정 방법 중 빠르고 정확하며 기존의 진공 증착 방식을 벗어나고 물질의 낭비를 최소화 할 수 있으며 제품 가격 경쟁력 창출에 매우 효과적인 잉크젯 프린팅 방식이 널리 연구되고 이용되고 있다. 이런 점에서 현재 일본과 유럽, 미국 등 세계 유수 기업 및 연구소에서 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 정보/전자 부품 제작 및 조립을 하는 프린터블 전자소자(Printable Electronics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 플렉시블 전자소자 제작에 잉크젯 프린팅 기술이 적용된다면 소자를 구성하는 기능성 소재를 잉크로 조제하여 마치 고화질의 컬러사진을 프린팅 하듯이 첨단 정보·전자 제품을 인쇄하여 제작할 수 있으며 대량 연속생산 방식이 가능하여 저가격, 고기능성, 초대형의 신개념 정보·전자 소자 구현이 가능하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 반도체인 Bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS-Pentacene)에 적합한 용매 선정을 위하여 다양한 물성의 용매를 이용하여 물성이 특성 및 결정 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 적합한 유기용매의 물성 조건은 커피스테인 현상이 나타나지 않기 위한 200℃ 이상의 비점과 작은 방울의 크기를 가지기 위한 32 dyn/cm 의 표면장력이다. 따라서 높은 비점 (207℃)과 큰 표면장력 (34.3 dyn/cm)의 물성을 가진 테트라린(tetralin)을 TIPS-Pentacene의 유기용매로 선정하였고, 이것을 OTFTs에 적용하여 소자를 제작하였다. 그리고 잉크젯 프린팅 방식으로 polyvinlyphenol (PVP) 뱅크층을 형성함으로써 기존의 포토리소그라피와 에칭 공정을 대체하여 공정을 단순화 시켰다. 특히, 친수성 (Hydrophilicity)인 polyvinyl alcohol (PVA) 대신 소수성(Hydrophobicity)인 polyvinylphenol (PVP)를 뱅크 재료로 사용하여 성능을 개선할 수 있었다. 제작된 OTFT의 이동도는 0.18 cm2/Vs, 전류 점멸비는 2.09x105이고, 문턱 전압은 -0.14 V, 부 문턱 전압 기울기는 0.42 V/dec 그리고 오프 전류는 0.049 pA/μm 이었다 Organic electric device focuses on developing OLED (Organic Light Emitting Diode) worthy of notice for next generation light emitting device. OTFT as driving device of light emitting device is developing, also research on OTFT's electric characteristics and performance improvement being used for organic active layer is boomed. Recently, the solution-processed OTFTs have attracted a considerable attention due to their potential advantages in backplane of flexible displays and organic electronics such as e-paper and radio-frequency identification tags(RFIDs). The solution-based process enables a simple and non-vacuum fabrication of organic devices such that extremely low-cost electronics can be achieved. Recently, inkjet printing method is widely used in organic electronics fabrication including organic light emitting diodes displays and organic transistors. The inkjet printing method offers a fast and accurate patterning without any costly photolithography process and any masks. And this technique is material-efficient and low cost. Pentacene is one of the most promising organic materials, since it offers higher mobility, better on-off ratio and better reliability than most other organic semiconductors. However, it is not suitable for the solution-based fabrication. Because it isn’t soluble in organic solvents. It can be overcame by adding bulky groups at the 6,13 positions of pentacene, Bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene (TIPS-pentacene). In this paper, We investigated the influence of organic solvents on the droplet properties of TIPS-pentacene, which was used for semiconductor of organic thin film transistors (OTFTs) and deposited by ink jet printing. From the result of the investigation, the conditions of a suitable solvent is that boiling point should be above 200 oC to reduce coffee stain and the surface tension above 32 dyn/cm to decrease the droplet size. Consequently, we selected tetralin which have a high boiling point (207℃) and high surface tension (34.3 dyn/cm) as the solvent for TIPS-pentacene, and applied it to OTFTs. In fabrication process the conventional bank process employing photolithography and etching process was replaced by ink jet printed bank process, resulting in simplifying the process. Especially, polyvinylphenol was used for the bank, and the high hydrophobicity could improve the confinement of TIPS molecules inside the bank, enhancing the performance over the conventional hydrophilic polyvinylalcohol bank. The mobility was 0.18 cm2/Vs, current on/off ratio 2.09×105, subthreshold slope 0.42 V/dec, and off state current 0.049 pA/μm.

Anthracene과 Dibenzothiophene을 포함하는 OTFT 물질의 합성과 OTFT 특성에 관한 연구

박종원 경상대학교 대학원 2007 국내석사

This article describes the synthesis and OTFT characteristics of anthracene and dibenzothiophene derivatives. The OTFT materials were synthesized by well knowen reaction, bromination, Suzuki coupling, Yamamoto reaction, etc. Monomers, polymers, and oligomers were characterized by the spectroscopic methods such as UV-visible, FT-IR, and 1H-NMR spectroscopies. The resulting polymers were soluble in common organic solvents such as toluene, xylene, chlorobenzene, etc. The oligomers were well soluble in hot aromatic solvent, toluene, xylene, chlorobenzene. The obtained polymers and oligomers showed high thermal stabilities with high Td's(Td : 298 oC - 441 oC), which were characterized by TGA. Optical properties of these polymers and oligomer were characterized by UV-visible and photoluminescence (PL) spectra, which were measured in solution and film, respectively. The polymers and oligomers were red shift solution to film in UV-visible and photoluminescence (PL) spectra. The materials were good orderness and stacking, respectively. The thin-film transistor (TFT) performances of dibenzothiophene derivatives are examined. Through studied of the thin film morphology using X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy. Due to the extended π-conjugation and efficient hole injection, the devices exhibited hole mobility of up to 0.026 cm2/Vs. The devices showed very low subthreshold-slope of 0.4 V/dec.

Synthesis and Characterization of Novel Functional Organic Semiconductor Materials for OTFTs and OLEDs

김형선 경상대학교 대학원 2005 국내박사

새로운 OTFT(organic thin film transistor) 및 OLED(organic light-emitting diode) 용 유기반도체 재료들은 다양한 화학반응을 통하여 단량체를 합성한 다음 Suzuki 커플링 반응 및 Wittig 반응 등을 통하여 합성하였다. 합성한 고분자 및 올리고머들의 구조는 1H-NMR, FT-IR 등의 분광학적인 방법에 의해 확인하였고, 열적 성질은 DSC 와 TGA를 이용하여 측정하였다. OTFT용 고분자 재료로서 Cyclopentadithiophene 과 Thienothiophene 을 포함하는 고분자들을 합성하였으며 합성된 고분자는 일반적인 유기용매인 클로로포름, 클로로벤젠, 톨루엔 등에 잘 용해하였다. 고분자들의 HOMO 에너지 준위는 4.97 - 5.27 eV로 p-type 반도체로서의 가능성을 보였고, 특히 주사슬에 thienothiophene을 포함하는 PTT12를 이용하여 제작한 TFT소자의 정공 이동도는 0.0017 cm²/Vs, 점멸비가 3.47 x 10^(5)으로 우수한 TFT 특성을 보였다. 한편 OTFT용 올리고머 재료의 경우, thienothiophene, naphthalene, anthracene 등을 포함하는 반도체 재료들을 합성하였다. 안트라센의 2-, 6- 위치에 hexylthienothiophene을 가지는 DHTT-AN의 경우 진공증착시 우수한 결정성을 가진 박막을 형성하였으며, 120 oC의 기판온도에서 제작한 소자의 경우 정공 이동가 0.14 cm²/Vs, 점멸비는 6.3 x 10^(6)으로 아주 우수한 TFT 특성을 가진 소자를 제작할 수 있었다. 한편 OLED용 고분자의 경우, hexyloxyl 나프탈렌을 주사슬로 하는 청색발광 고분자를 합성하였는데, 합성된 고분자는 높은 색순도의 청색발광을 하였으며, 합성된 고분자 중 NA와 NAFL의 경우 100 oC에서 24시간 동안 열처리 후의 PL 스펙트럼에서 excimer의 형성에 의한 shoulder 피크는 관찰 되지 않았다. NAFL과 알킬카바졸이 도입된 NAFCz를 이용하여 제작한 ITO/PEDOT/polymer/LiF/Al 소자에서는 구동전압이 5.4 와 8.2 V 였고, 최고 위도는 각각 NAFL이 110 cd/m², NAFCz가 180 cd/m²으로 나타났다. 특히 이 소자들은 표준청색에 가까운 색좌표인 (0.15, 0.10)(NAFL), (0,15, 0.12)(NAFCz)로 측정되었다.

용액공정 유기 박막 트랜지스터용 혼합 게이트 절연물질 특성 연구

김연옥 경희대학교 2012 국내석사

유기박막트랜지스터(OTFT)에 많은 연구와 관심이 집중되고 있다. 이는 저온 공정이 가능하여 플라스틱과 같은 유연한 기판 위에서 대면적의 박막을 형성할 수 있고, 진공 증착방법이 아닌 용액공정의 방법을 사용할 수 있기 때문에 실리콘 TFT(a-Si:H TFTs)와 비교하여 잠재적으로 공정단가를 줄일 수 있기 때문이다. 유기박막트랜지스터용 게이트 절연막은 낮은 게이트 누설전류, 열/화학적 안정성, 저전압에서 소자가 구동가능하기 위한 높은 정전용량, 용액공정 방법과 같은 효율적인 공정방법 등의 특성이 요구된다. 본 연구에서는 용액공정의 방법을 이용하여 1) 높은 정전용량을 가지는 절연물질을 쉽게 합성하는 방법을 찾고, 2) 공기중에서 보다 안정적인 소자를 제작하고자 하였다. 첫째, 높은 정전용량을 갖는 게이트 절연물질을 합성하기 위해서 spin-on-glass(SOG)와 high-k 금속 전구체(titanium (IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate))를 혼합하여 spin-on-glass(SOG)/ 금속 전구체 혼합 게이트 절연물질을 준비하였다. SOG절연물질은 진공증착방법과 자기조립단층막 방법과 비교하여 간단히 저비용으로 OTFT에 적용될 수 있다. SOG절연물질은 표면 평탄효과와 낮은 누설전류의 장점이 있지만 상대적으로 낮은 유전상수를 Ti 전구체를 이용하여 개선하고자 하였다. 둘째, OTFT소자의 안정성을 증가 시키기 위해서 DNTT라는 새로운 유기 반도체를 증착하였다. DNTT는 펜타센의 가장 반응성이 큰 center ring을 황(S)으로 치환하여 보다 안정적이다. SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연막은 SiO2기판 위에 딥 코팅과 스핀 코팅 방법으로 형성하였고, 200℃ 와 300℃ 에서 열처리 하였다. 딥 코팅과 스핀 코팅 방식으로20~90 nm 수준의 얇은 박막을 상온에서 쉽게 형성할 수 있었다. 300℃ 열처리 조건에서 게이트 절연막의 표면이 손상되는 것을 관찰할 수 있었고 그 결과 200℃ 열처리 조건과 비교하여 유전상수와 이동도가 감소하고, 누설전류의 증가하였다. SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 SOG 절연물질과 비교하여 누설전류는 약간 증가하였지만 높은 유전상수를 가지고 있다. 게이트 절연물질 위에 펜타센과 DNTT를 적층하여 OTFT특성을 조사하였다. SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 높은 유전상수 때문에 점멸비와 이동도가 증가하였다. SOG/Ti 전구체 혼합 게이트 절연물질의 OTFT특성은 펜타센의 경우 VDS=-6V에서 1.3cm2/Vs의 이동도, -5.0V의 문턱전압, 0.23V/dec의 sub-threshold, 1.0x107의 on/off current ratio를 가진다. 그리고 DNTT를 적층한 경우 약 20일 정도의 안정성을 보인다. 결과적으로 SOG/금속 전구체 혼합 게이트 절연물질은 좋은 성능으로 OTFT 소자의 구동전압을 낮추어 고분자를 대체하여 플렉서블 디스플레이에 적용 가능 할 것이다. Organic thin-film transistors (OTFT) has received considerable attention because they can be fabricated at reduced temperature and potentially reduced cost compared to hydrogenated amorphous silicon thin-film transistors (a-Si:H TFTs). Gate dielectric research of organic thin film transistor (OTFT) includes achieving low gate leakage current, good chemical/thermal stability, enhanced capacitance to lower OTFT operating voltage, and efficient fabrication via solution-phase processing methods. In this study, we tested two main subjects using solution-processed fabrication: 1) how to design enhanced capacitance dielectric materials, 2) how to make more stable OTFT device. Firstly to have enhanced capacitance values as gate insulators, Spin-on-glass (SOG)/Metal precursor hybrid dielectric materials was prepared. This solution was prepared by mixing with SOG and high-k metal precursor (Titanium (IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), Zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetyl-acetonate)). The use of the SOG dielectric offered easy and low cost fabrication of OTFT compared to vacuum-deposited inorganic dielectrics or self-assembly monolayer dielectrics. Also the advantages of SOG dielectric materials include smoothing of the surface and good uniformity, lower defect density, lower gate leakage currents. Its low dielectric constant can be improved by adding Metal precursor. Secondly in order to make more stable OTFT device, we deposited a new organic semiconductor DNTT. This semiconductor is more stable because the most reactive center ring of pentacene was substituted with surfur. SOG/Metal precursor hybrid dielectrics was coated on SiO2 as substrate using either spin coating or dip coating method and was heat-treated at 200℃ or 300℃. With a simple dip or spin coating method, our SOG/Metal precursor hybrid gate dielectric on the order of 20~90nm thickness can be easily coated at room temperature, and were suitable for use as gate insulators. The thermal treatment at 300℃ showed the damaged surface of dielectric layer and resulted in low dielectric constant and mobility, also higher leakage current compared with the film treated at 200℃. SOG/Metal precursor hybrid dielectrics showed higher dielectric constant than SOG although it had somewhat larger leakage current. To check OTFT performance, pentacene and DNTT was deposited on gate dielectrics. Our SOG/Ti precursor hybrid gate dielectric provided OTFTs with the increased on to off current ratio and the enhanced mobility due to its higher dielectric property than that of SOG dielectric. Petacene OTFT characteristics with SOG/Ti hybrid precursor dielectrics exhibited a mobility of 1.3cm2/Vs, a threshold voltage of -5.0V, a sub-threshold of 0.23V/dec, and on/off current ratio of 1.0x107 at VDS= -6V. And DNTT OTFT had stability about 20 days. So these results demonstrate that our SOG/Ti precursor hybrid gate dielectric is a viable one for lowering the operating voltages of OTFTs. These desirable performance characteristics could open the way to replacing the polymer gate dielectric with SOG/Ti precursor hybrid dielectric, perhaps expect in flexible display applications.