플렉서블 유기 박막트랜지스터의 전기적 특성 연구 = A Study on the Electrical Properties of Flexible Organic Thin Film Transistors

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 인장 변형 조건에서 플렉서블 유기 박막트랜지스터의 전기적 특성 변화를 분석하고, 소자 열화의 원인을 재료적·계면적 관점에서 규명하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 초기 구조로 PBTTT-C14/PMMA 기반 top-gate/bottom-contact 유기 박막트랜지스터를 제작하고, 인장 변형에 따른 전이 특성, 이동도, 문턱전압 및 계면 trap state 변화를 분석하였다.
초기 소자는 PDMS 기판 위에 PVP 버퍼층, Ni/Au 소스·드레인 전극, PBTTT-C14 채널층, PMMA 절연층 및 Al 게이트 전극으로 구성되었다. 해당 소자는 기본적인 p-type 트랜지스터 동작을 보였으나, 인장 변형이 증가함에 따라 전이 곡선의 변화, 이동도 저하, 문턱전압 변동 및 소자 구성층의 균열이 관찰되었다. 특히 일정 strain 이상에서는 안정적인 전기적 측정이 어려워졌으며, 이는 PBTTT-C14/PMMA 기반 구조가 플렉서블 소자로 적용되기에는 기계적 안정성이 제한적임을 보여준다. 기계적 변형에 따른 전기적 열화 원인을 분석하기 위해 photoexcitation spectroscopy 를 이용하여 strain 전후의 trap density of states 변화를 조사하였다. 그 결과, strain 이 가해진 이후 subgap trap state 가 증가하는 경향이 확인되었다. 이는 인장 변형이 단순한 박막 균열이나 외형적 손상에 그치지 않고, 반도체/절연체 계면의 전자적 상태 변화에도 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 따라서 PBTTT-C14/PMMA 기반 소자에서 관찰된 문턱전압 이동, 히스테리시스 증가 및 전하 수송 안정성 저하는 기계적 손상과 계면 trap 증가가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.
이러한 한계를 개선하기 위해 본 연구에서는 채널층과 절연층을 각각 P3HT 와 SEBS 로 변경한 P3HT/SEBS 기반 Top-Gate/Bottom-Contact 구조를 설계하였다. 또한 용액 공정 중 발생할 수 있는 하부층 손상과 계면 불안정성을 줄이기 위해 soft lamination-based dry transfer 공정을 적용하였다. 이를 통해 채널층과 절연층을 순차적으로 적층하고, 기계적 변형에 보다 순응할 수 있는 유기 - vii – 박막트랜지스터 구조를 구현하고자 하였다.제작된 P3HT/SEBS 기반 소자는 전이 특성과 출력 특성에서 p-type 유기 박막트랜지스터의 기본적인 동작을 나타냈다. 본 연구는 PBTTT-C14/PMMA 기반 초기 소자의 strain 의존적 전기적 열화와 trap state 변화를 분석함으로써 플렉서블 유기 박막트랜지스터의 성능 저하 원인을 계면적 관점에서 해석하였다. 또한 P3HT/SEBS 기반 구조와 dry transfer 공정의 적용 가능성을 제시함으로써, 향후 플렉서블 유기 박막트랜지스터의 전기적 안정성과 기계적 신뢰성을 향상시키기 위한 재료 선택 및 공정 설계 방향을 제안하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이 론 4
• 1. 플렉서블 유기 박막트랜지스터(Flexible OTFT) 4
• 2. 유기물 고분자 반도체 8
• 3. 고분자 절연체 11
• 4. Soft lamination-based Dry transfer 13
• Ⅲ. 실험 및 측정 17
• 1. 실험 재료 17
• 가. PDMS 17
• 나. PVP/PMF 19
• 다. PBTTT-C14 21
• 라. PMMA 23
• 마. OTS 25
• 바. P3HT 27
• 사. SEBS H1052 30
• 2. 실험 방법 32
• 가. PMMA 를 절연체로한 플렉서블 유기 박막트랜지스터 제작 32
• 나. Dry transfer method 를 이용하여 SEBS 를 절연체로한 유기 박막트랜지스터 제작 35
• 3. 측정 방법 37
• 가. Photoexcited chage collection spectroscopy(PECCS) in Dark Shield Box Atomic Force Microscope (AFM) 37
• Ⅳ. 실험 결과 39
• 1. PMMA 를 절연체로한 플렉서블 유기 박막트랜지스터의 전기적 특성 및 Density of state 추출 39
• 2. SEBS 를 절연체로한 유기 박막트랜지스터의 전기적 특성 44
• Ⅴ. 결론 46
• 참고 문헌 49
• Abstract 55