High Environmental Stability of Organic Field-Effect Transistors Enabled by the Use of Conjugated Polymer/Paraffin Blends = 유기전계효과트랜지스터의 환경안정성 향상을 위한 공액고분자/파라핀 블렌드 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Improving the environmental stability of conjugated polymers remains a fundamental challenge that limits their widespread adoption and commercial application in electronic and photonic devices. Although paraffin can have excellent barrier properties against moisture in ambient air, the use of conjugated polymer/paraffin blends to fabricate organic field-effect transistors (OFETs) with high environmental stability has not been attempted. Here, we demonstrate that conjugated polymer/paraffin blends can greatly enhance the environmental stability of OFETs. Compared to conventional systems such as poly(3-hexylthiophene) (P3HT)/polystyrene and P3HT/polydimethylsiloxane blends, P3HT/paraffin blends exhibit superior environmental stability after 30 days of exposure to the ambient atmosphere. Furthermore, the conjugated polymer/paraffin blends provide stable electronic properties under severe mechanical deformation [a strain (ε) of ∼150%], overcoming a critical challenge arising from the use of fragile crystalline conjugated polymer films for flexible and stretchable electronic devices. In comparison with a conventional spin-coating method, a shear-coating technique provides enhanced molecular ordering and alignment, resulting in improved charge carrier mobility in the blend film OFETs. In particular, shearing in the evaporation regime improves the molecular ordering and alignment of the blend films more than shearing in the Landau–Levich regime. Interestingly, the environmental stability of the sheared blend films varies depending on the shear speed. Specifically, OFETs based on blend films sheared at 0.5 and 6.0–10.0 mm/s exhibit excellent environmental stability, maintaining 80% of their initial mobility after 30 days of exposure to air. In contrast, the environmental stability of the OFETs decreases considerably when the blend films are sheared at 1.0–4.0 mm /s the mobility decreases to as low as ∼20% of the initial value.

국문 초록 (Abstract)

상업적으로 유기 전자소자 및 광전자 소자를 개발하기 위해서는 높은 환경 안정성을 가지는 공액고분자의 연구가 필요하다. 파라핀은 공기 중의 수분을 차단하는 특성이 우수함에도 불구하고 아직까지 파라핀을 공액고분자 블렌드에 적용한 사례가 없다. 따라서 본 연구에서는 공액고분자/파라핀 블렌드를 통해 유기 전계효과 트랜지스터의 효과적인 환경 안정성 향상을 입증하였다. 공기 중에 보관하면서 4주 후에 전하이동도를 측정한 결과, 일반적으로 사용되는 공액고분자/폴리스타이렌과 공액고분자/폴리디메틸실록산 박막으로 제조한 유기 전계효과트랜지스터는 현저한 전하이동도 감소 (각각 52%와 77%)를 보였지만, 공액고분자/파라필름 박막으로 제조한 유기 전계효과트랜지스터는 현저하게 적은 감소 (18%)를 보였다. 이 결과는, 파라핀층이 효과적으로 공액고분자를 공기로부터 차단하고 있음을 보여주었다. 더 나아가 플렉시블/스트레처블 디바이스에 응용하기 위해, 연신율을 증가시키면서 전도도의 변화를 측정하여 (연신율 ~150%)로 증가시켰을 때, 공액고분자/파라핀 박막은 공액고분자/폴리디메틸실록산 박막에 상응하면서 공액고분자/폴리스티렌 박막보다는 월등히 우수한 전기적 안정성을 나타냈다. 또한, 공액고분자/파라핀 박막의 구조제어를 통한 물성을 제어하기 위해 용액 전단 코팅 기법을 사용하였다. 흥미롭게도 전단코팅의 속도에 따라 블렌드 필름의 환경 안정성의 변화가 관찰되었다. 특히, 0.5 및 6.0― 10.0 mm/s의 속도에서 제조한 블렌드 필름은 4주 동안 공기 중에 노출시켰을 때, 초기 전하이동도의 80%를 유지하며 우수한 환경 안정성을 나타냈다. 대조적으로 1.0― 4.0 mm/s 속도에서 제조한 블렌드 필름의 경우 초기 전하이동도의 ~20%까지 감소를 나타냈다. 공액고분자/파라핀 블렌드를 통해 제작된 필름은 공액고분자 기반의 플렉서블/스트레처블 박막 생산을 통한 웨어러블 디바이스를 제작하는데 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 2. EXPERIMENTAL DETAILS 5
• 2.1. Materials 5
• 2.2. Preparation of P3HT-NW/paraffin blend solutions 5
• 2.3. Preparation of PDMS slabs 6
• 2.4. Thin film mechanical and electrical property tests 6
• 2.5. OFET fabrication and characterization 6
• 3. RESUSTS AND DISCUSSIONS 8
• 3.1. Environmental Stability of the Paraffin Blend Films 8
• 3.2. Mechanical Property of the Polymer Blend Films 21
• 3.3. Effects of Shear Speed on the Morphology and Charge Transport 27
• 4. CONCLUSIONS 38
• 5. REFERENCES 40
• 6. LIST OF PUBLICATIONS 44
• (국문초록) 45