Optical spectroscopic studies on metallic polymers and polymer field-effect-transistors using semiconducting polymers

국문 초록 (Abstract)

전통적인 고분자는 전기가 통하지 않는 부도체로서 가볍고 썩지 않는 기계적인 특성과 가공이 용이하고 가격이 싼 경제적 이점이 어우러져 이를 이용한 전기절연체와 같은 응용분야에 널리 사용되어 왔다. 그러나 1970년 후반에 A. J. Heeger 교수와 A. G. MacDiarmid 교수 연구팀에서 일본의 H. Shirakawa 교수가 합성한 polyacetylene, (CH)x, 필름에 할로겐 원소들을 도핑(dopping)하여 전기 전도도가 급격히 증가하는 부도체-금속 상전이 현상을 발견한 이후 전도성 고분자는 새로운 전기 전자 물질로서 많은 연구를 촉발시키며 지금까지 비약적인 발전을 거듭해 왔다. 특히 최근 10여 년간 금속 및 반도체적 성질을 가지는 고분자는 합성 방법의 다양함, 성형이 용이함, 경량성, 저렴한 생산비, 높은 생산성 등의 이점이 부각되면서 많은 새로운 물질의 개발과 이를 이용한 응용 연구가 활발히 진행되어 유기 EL 디스플레이, 유기 박막 트랜지스터, 태양 전지, 광 검출기, 전자기 차폐, 유기 투명전극 등 수많은 응용분야에서 괄목할 만한 성과를 이끌어 내고 있다.
현재 전도성 고분자에 관한 연구는 금속적 성질의 전도성 고분자에 대하여 고분자 자체가 가지는 근본적인 성질을 이해함으로써 유기 투명전극이나 전자기 차폐 등의 응용을 위해 전도성을 높이는 등의 물질의 근본적인 특성을 강화하고자 하는 방향과 반도체적 성질을 가지는 고분자를 이용한 고분자 발광다이오드, 태양전지, 고분자 트랜지스터 등의 응용에 있어서 고분자 자체의 성능을 최대로 이끌어 낼 수 있는 적합한 소자 구조의 개발이나 공정방법을 개발하는 연구로 크게 나눌 수 있다.
본 연구에서는 이와 같은 두 가지 큰 연구 방향에 따라 금속적 성질을 가지는 고분자 PEDOT/PSS와 polyanilie에 대하여 광학적 반사 측정방법을 사용해 고분자 물질 자체의 근본적인 금속적 성질을 이해하기 위한 연구를 진행하였다. 필름 형성 과정 중에 열처리를 병행하며 제작한 PEDOT/PSS는 상온에서 제작한 시료에 비해 결정성이 증가함을 발견하였고 이러한 결정성 증가에 따라 금속-부도체 전이 현상을 규명하였다. 또한, 새로운 합성방법인 Self-stabilized dispersion polymerization (SSDP)를 이용해 disorder를 현격히 감소시킨 polyaniline에서 고분자 최초로 순수 금속적 성질 (Drude metallic property)을 확인하였다. 이러한 순수 금속적 성질의 발견은 전도성 고분자의 근본적 성질을 이해하는데 중요한 지표가 될 것으로 예상하고 있다.
이와 더불어 반도체적 성질을 가지는 고분자를 이용하여 고분자 트랜지스터를 제작하고 그 특성을 극대화하기 위한 연구를 진행하였다. Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)를 이용한 고분자 트랜지스터의 제작 과정 중 용액의 종류와 고분자 필름 제작 방법에 따른 morphology 변화가 고분자 트랜지스터의 성능에 미치는 영향을 연구하였으며 소자 제작 후 150oC 정도의 온도에서 열처리를 시행할 경우 고분자 층의 결정성 증가와 더불어 금속과 고분자 계면의 접촉 저항이 현저히 감소함에 따라 소자의 성능이 크게 증가함을 발견하였다. 이를 바탕으로 약 0.3 cm2/V·s mobility를 가지는 고성능 고분자 트랜지스터를 시연하였다. 또한 전공 수송능력이 뛰어난 P3HT와 전자 수송능력이 뛰어난 [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 혼합 물질을 활성층으로 사용하고 기존의 고분자 트랜지스터에서 가장 많이 쓰이는 금에 비해 훨씬 저렴한 알루미늄을 이용해 양극성 효과를 보이는 고분자 트랜지스터를 제작하고 그 특성을 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• Contents i
• Table list iv
• Figure list iv
• I. Overview 1
• References 4
• II. PART 1. Metallic Properties of Conducting Polymers 5
• Chapter II-1 Introduction 5
• References 9
• Chapter II-2 Experimental Techniques and Theoretical Backgrounds 11
• II-2-1 Spectrometers 11
• UV-VIS spectrometer 11
• FTIR spectrometer 13
• II-2-2 Optical properties of solids 15
• II-2-3 Kramers-Kronig analysis 16
• II-2-4 Drude model 18
• II-2-5 Localized-modified Drude model for disordered metals 19
• References 20
• Chapter II-3 Heat-treatment-induced Enhancement in the Optical Spectra of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(stylenesulfonate) Films 21
• II-3-1 Introduction 21
• II-3-2 Experiments 22
• II-3-3 Results and discussions 24
• II-3-4 Conclusions 28
• References 29
• Chapter II-4 Reflectance Study on the Metal-Insulator Transition Driven by Crystallinity Change in PEDOT/PSS Films 31
• II-4-1 Introduction 31
• II-4-2 Experiments 32
• II-4-3 Results and discussions 33
• II-4-4 Conclusions 39
• References 40
• Chapter II-5 Metallic Transport in Polyaniline: Beyond the Insulator to Metal Transition 42
• II-5-1 Introduction 42
• II-5-2 Experiments 43
• II-4-3 Results and discussions 44
• II-4-4 Conclusions 53
• References 54
• III. PART 2. Polymer Field-Effect-Transistors using Semiconducting Polymers 56
• Chapter III-1 Introduction 56
• References 59
• Chapter III-2 Experimental Techniques and Theoretical Backgrounds 61
• III-2-1 Field-effect transistor 61
• III-2-2 Analysis of FET properties 62
• The Linear regime 62
• The non-linear regime and the saturation effect 64
• Field effect mobility 67
• References 69
• Chapter III-3 Relationship between the Microscopic Morphology and the Charge Transport Properties in Poly(3-hexylthiophene) Field-Effect-Transistors 70
• III-3-1 Introduction 70
• III-3-2 Experiments 71
• III-3-3 Results and discussions 73
• III-3-4 Conclusions 84
• References 86
• Chapter III-4 Thermal Annealing-Induced Enhancement in the Field-Effect Mobility of Regioregular Poly(3-hexylthiophene) 89
• III-4-1 Introduction 89
• III-4-2 Experiments 90
• III-4-3 Results and discussions 91
• III-4-4 Conclusions 98
• References 99
• Chapter III-5 Enhancement of Field-Effect Mobilities in Organic Ambipolar Field-Effect-Transistors Fabricated on Aluminum Electrodes 101
• III-5-1 Introduction 101
• III-5-2 Experiments 103
• III-5-3 Results and discussions 104
• III-5-4 Conclusions 111
• References 112
• IV. Conclusions 114
• Publication List 117
• Abstract (초록) 120
• Acknowledgements (감사의 글) 122