Fully Transparent and Stretchable IGZO Thin-Film Transistors for Deformable Optoelectronic Applications = 변형 가능한 광전자 소자 응용을 위한 투명 신축성 IGZO 박막 트랜지스터

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the growing demand for wearable and body-conformable electronics, mechanical deformability has emerged as an essential requirement for next generation systems. In particular, smart contact lenses have attracted attention as a representative application demanding both optical transparency for unobstructed vision and reliable optoelectronic performance under tensile strain. To realize such transparent and stretchable characteristics, indium–gallium–zinc oxide (IGZO) thin-film transistors (TFTs), which combine high optical transmittance, low off-current, and low-temperature processability, have emerged as promising candidates. Their stretchability has been achieved primarily through structural engineering strategies. However, despite their suitability, previous studies have been confined to demonstrating basic electrical operation under tensile strain, while sensor applications have focused on bending-induced deformation. Furthermore, research on stretchable transparent phototransistors that integrate the optical transparency of IGZO with a quantitative evaluation of photoresponse under stretching conditions remain limited.
This dissertation presents a fully transparent and stretchable IGZO TFT employing a polyimide (PI) island structure on a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. To address the degradation of subthreshold swing (SS) under repeated tensile strain, an Al2O3–ZrO2–Al2O3 (AZA) multilayer gate insulator was adopted, demonstrating mitigated electrical degradation compared with a single-layer Al₂O₃ dielectric. To further investigate the optoelectronic performance, a stretchable IGZO TFT optimized through finite element analysis (FEA) simulation was fabricated, exhibiting high optical transparency across the visible spectrum and negligible variation of electrical operation under 20% tensile strain. Furthermore, photodetection capability was remained with the stable photoresponse under red, green, and blue visible light illumination, confirming its high optical transparency and stable optoelectrical characteristics under tensile strain.
These results provide a promising route toward developing transparent and stretchable IGZO TFTs, enabling the realization of deformable optoelectronic systems for next-generation electronics.

국문 초록 (Abstract)

웨어러블 및 인체 적합형 전자기기의 수요가 증가함에 따라, 기계적 변형 가능성은 차세대 전자 시스템의 필수적인 요구 조건으로 부상하고 있다. 이들 중 스마트 콘택트렌즈는 시야를 방해하지 않는 광학적 투명성과 인장 변형 하에서도 안정적인 광전자적 성능을 동시에 요구하는 대표적인 응용 플랫폼으로 주목받고 있다. 이러한 투명하고 신축성 있는 기능을 구현하기 위해, 높은 광 투과도와 낮은 오프 전류, 그리고 저온 공정 적합성을 갖춘 인듐–갈륨–아연 산화물 박막 트랜지스터가 유망한 후보로 제시되었으며, 구조적 설계 전략을 통해 신축성을 구현해왔다. 그러나 기존 연구들은 인장 변형 하에서의 기본적인 전기적 동작 검증에만 국한되었으며, 센서 응용 또한 굽힘 조건에서의 성능 검증에만 초점을 맞추어왔다. 더불어, IGZO의 광학적 투명성과 인장 조건에서의 정량적 광응답 평가를 통합한 신축성 투명 광트랜지스터에 대한 연구는 여전히 제한적이다.
본 논문에서는 PDMS 기판 상부에 PI 아일랜드 구조를 집적하여 투명 신축성 IGZO TFT를 제작하였다. 반복적인 인장 변형 하에서 문턱전압 이하 스윙 열화를 억제하기 위해 AZA 다층 게이트 절연막을 적용하였으며, Al2O3 단층 절연막에 비해 인장 변형 환경에서의 열화 경향성이 완화되는 것을 확인하였다. 또한, 광전자 소자로의 응용을 위해 FEA 시뮬레이션을 통해 최적화된 소자의 경우, 20% 인장 변형 하에서도 안정적인 전기적 동작을 유지하였으며, 가시광 영역에서 81.8% 이상의 광투과도를 나타냈다. 또한 적색, 녹색, 청색의 가시광 인가 조건에서 안정적인 광응답 특성을 유지하여, 인장 변형 하에서도 우수한 광학적 및 광전자적 안정성이 검증되었다.
본 연구는 투명하고 기계적 변형 환경에서도 안정적인 특성을 보이는 IGZO 광 트랜지스터를 구현하였으며, 이를 통해 차세대 신축성 전자기기용 인체 밀착형 광전자 시스템 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.2 Dissertation Organization 5
• Chapter 2. Literature Review 6
• 2.1 Stretchable and Flexible Electronics 6
• 2.1.1 Overview of Flexible and Stretchable Electronics 6
• 2.1.2 Material-based Strategies for Strain Engineering 7
• 2.1.3 Structural Design Strategies for Strain Engineering 8
• 2.1.4 Stretchable InGaZnO Thin-Film Transistor 10
• 2.2 Amorphous InGaZnO Thin-Film Transistor 11
• 2.2.1 Thin-Film Transistor Technology 11
• 2.2.2 Material and Electrical Properties of Amorphous InGaZnO 13
• Chapter 3. Experiment 17
• 3.1 Fabrication of Stretchable PDMS Substrate 17
• 3.2 Fabrication of Polyimide Island IGZO TFT 19
• 3.3 Transfer Process of the TFTs onto Stretchable PDMS Substrate 21
• 3.4 Characterization 23
• Chapter 4. Mitigation of Subthreshold Swing Degradation of Stretchable IGZO TFT under Tensile Strain by Adopting Al2O3ZrO2Al2O3 Gate Insulator 24
• 4.1 Electrical Degradation of Stretchable IGZO TFT under Multiple Cycles of Tensile Strain 24
• 4.2 Mitigation of Subthreshold Swing Degradation 29
• Chapter 5. Fully Transparent and Stretchable IGZO TFT for Optoelectronic Applications 34
• 5.1 Optimization of Stretchable PDMS Substrate through Finite Element Analysis Simulation 34
• 5.2 Fabricated Device and Electrical Properties under Multiple Cycles of Tensile Strain 37
• 5.3 Transient Photoresponse under Multiple Cycles of Tensile Strain 41
• Chapter 6. Conclusion 44
• Bibliography 46
• 초록 52