Organic sensory/memory transistors with functional polymers treated via wet/dry chemical reactions : 습식/건식 화학 반응을 통해 처리된 기능성 고분자 기반의 유기 센서/메모리 트랜지스터 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 습식/건식 화학 반응을 적용하여 고분자 나노층을 제작하고, 이를 기반으로하는 유기 트랜지스터 구조의 유기 광 센서, 유기 바이오 센서, 유기 메모리 소자를 연구하였다. 본 논문의 첫번째 부분은 화학적으로 도핑된 공액 고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS)를 유기 트랜지스터 소자의 게이트 전극과 게이트 절연층 사이에 센싱층으로 적용하기 위하여, 패터닝 하여 삽입하였다. 센싱층이 적용된 광트랜지스터 소자는 가시광선 영역과 근적외선 영역에서 모두 안정적인 광 반응성을 보였다. 두 번째 부분에서는 고분자 poly[N,N'-bis(4-butylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine] (PolyTPD)를 단분자인 tris(pentafluorophenyl)borane (BCF)로 도핑 하여, 거의 모든 범위의 SWIR 파장 (1000 ~ 3200 nm) 의 흡수를 가능하게 하였다. 도핑 된 고분자를 유기 트랜지스터 소자의 게이트 센싱층으로 적용하였고, SWIR 영역에서 안정적인 광 반응성을 보였다. 세 번째 부분에서는 reactive oxygen species (ROS)에 대한 감도를 향상시키기 위하여 poly(3-hexylthiophene) (P3HT), rutin, nanoclay를 10:1:2의 무게비를 가지는 하이브리드 센싱층을 유기 바이오 센서에 적용하였다. Nanoclay는 rutin과 복합체를 이루어서 더 많은 rutin 분자가 ROS와 반응할 수 있게 하여 감도를 향상시켰다. 네 번째 부분에서는 수용성 고분자인 poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPSA)를 유기 트랜지스터의 절연층으로 적용하였다. 160℃이상의 온도에서 열처리시 PAMPSA 고분자 사슬에서 탄소 라디칼이 생성되어 질소의 비결합전자와 쌍극자를 이룬다. 생성된 쌍극자는 히스테리시스 현상을 유도하고 10,000회 이상의 안정적인 메모리 특성을 보였다. 마지막으로 PAMPSA에 Aniline을 첨가하여 산-염기 반응을 통해 생성된 SO3--+NH3 이온쌍을 이용한 유기 비휘발성 메모리 소자에 대해 연구하였다. 10,000회 이상의 안정적인 메모리 특성과 -1V 이하의 저전압 구동, 유연기판에서의 안정적인 메모리 특성을 확인하였다. 본 연구결과는 습식/건식 등의 여러 화학적 반응을 거친 고분자 나노 층을 적용한 유기 트랜지스터 기반의 유기 광 센서, 유기 바이오 센서, 유기 메모리 소자 성능 향상에 큰 도움을 줄 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic sensory and memory transistors with functional polymers treated via wet/dry chemical reactions have been investigated in this thesis. The first part of this thesis describes the application of the chemicallly doped conjugated polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) as a sensing layer. It was patterned and inserted between the gate electrode and the gate insulating layer of an organic transistor device. The phototransistor with the sensing layer showed stable photoresponsivity in both the visible and near-infrared light. The second part showed the tris(pentafluorophenyl)borane (BCF) doped poly[N,N'-bis(4-butylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)benzidine]) (PolyTPD) has absorb almost full range of SWIR wavelength (1000~3200 nm). Organic phototransistors with the BCF-doped PolyTPD films as a gate-sensing layer could detect the SWIR light with a stable photoresponsivity. In the third part, the hybrid sensing layer (P3HT:rutin:nanocaly = 10:1:2 by weight) was applied to improve the sensitivity to reactive oxygen species (ROS) in organic field-effect transistor (OFET) sensors. The rutin-nanoclay complexes formed in the hybrid films might be responsible for the enhanced sensitivity, because they let more rutin molecules protrude on the surface of channel layers for reactions with superoxide. In the fourth part, a water-soluble acidic polymer, poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPSA), was applied as a gate-insulating layer for organic field-effect transistors (OFETs). When the PAMPSA layers thermal treatment at 160 ℃ or higher, the PAMPSA chains could generate carbon radicals leading to the formation of dipoles with the nitrogen lone pair electrons. The carbon-nitrogen dipoles delivered hysteresis phenomena to the OFETs with the PAMPSA layers and it showed stable memory characteristics. In the last part, organic nonvolatile memory transistors were studied by SO3--+NH3 ion pairs generated through acid-base reaction by adding Aniline to PAMPSA. The OFET memory devices with the PAMPSA-AN layers showed stable memory characteristics at low voltage operating and flexible substrate. As these five different results, the wet/dry chemical reactions are expected to greatly contribute to further performance improvement in organic transistor-based organic phototransistors, organic sensory transistors, and organic nonvolatile memory transistors.

목차 (Table of Contents)

• LIST OF FIGURES AND TABLES. ⅱ
• I. INTRODUCTION 1
• II. THEORETICAL BACKGROUND. 11
• II-1. Organic Field-Effect Transistors 11
• II-2. Organic Phototransistors 19
• II-3. Organic Sensory Transistors 24
• II-4. Organic Memory Transistors. 26
• II-5. Organic Materials in Organic Transistors 32
• II-5-1. Organic Materials for Gate-Insulating Layers 32
• II-5-2. Organic Materials for Channel Layers. 33
• II-5-3. Organic Materials for Sensing Layers. 35
• III. EXPERIMENTAL 41
• III-1. Materials and Solutions 41
• III-2. Film and Device Fabrication 43
• III-3. Measurements 51
• IV. RESULTS AND DISCUSSION 59
• IV-1. Organic Phototransistors with Chemically Doped Gate Sensing Layers for Light Detection. 59
• IV-2. Organic Phototransistors with Electron-Transfer Doped Gate Sensing Layers for Light Detection 71
• IV-3. Organic Sensory Transistors with Nanoclay-Polyphenol Hybrid Sensing Channel Layers for Superoxide Sensing. 89
• IV-4. Organic Memory Transistors with Radical Dipoles Induced by Water-Soluble Acidic Polymer Layers 107
• IV-5. Organic Memory Transistors with Ionic Nanocluster-Evolved Water-Soluble Acidic Polymer Layers 127
• V. CONCLUSIONS. 148
• VI. REFERENCES 154
• VII. LIST OF PUBLICATIONS 161