Electrical Characteristics of Inkjet-Printed Organic Thin Film Transistors (OTFTs) with Blended Organic Semiconducting Inks

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The blending of crystalline organic semiconductor, 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS pentacene) with amorphous polymers exhibits not only excellent solution processibility but also superior performance characteristics in organic thin film transistors (OTFTs). To understand the inkjet printing behavior of TIPS pentacene/polymer blends, we synthesized triarylamine-based polymers with various polarities, which were obtained by changing the fluorine content in the polymer structure. The variation of segregation strength of the polymer domains in the blends can be induced depending on the different polarities of the polymers, which can ultimately determine the shape and orientation of the TIPS pentacene crystals in OTFT films. The experimental results suggest that the phase separation behavior between the polymer and TIPS pentacene plays a significant role in the formation of crystal structure of TIPS pentacene in the film. The moderate segregation of the polymers from the TIPS pentacene crystal domains effectively derives the desirable stripe-shaped crystals with the proper orientation and enhanced surface morphology. The resultant inkjet-printed films from the triarlyamine-based polymers with TIPS pentacene showed excellent mobility of 0.14 to 0.19 cm2V-1s-1. Also, we use amorphous polycarbonate (APC), which is structurally beneficial to the facile phase separation with TIPS pentacene crystals due to its highly amorphous character. The various inkjet-printing behaviors of TIPS pentacene/APC inks that depend on the TIPS pentacene/APC compositions, ink viscosities, and different solvent mixtures are investigated, which can ultimately determine the phase separation, morphology, shape, and orientation of the TIPS pentacene crystals in OTFT films. Flory-Huggins phase separation theory is applied and various analytical methods such as polarized optical microscopy, 3D surface profile, and time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS) are utilized to explain these relationships. By controlling these inkjet-printing conditions, it is possible to easily regulate the optimal inkjet-printing process for TIPS pentacene/polymer systems, which can derive the desirable stripe-shaped and vertically phase-separated TIPS pentacene crystals with the proper orientation and enhanced surface morphology. The resultant inkjet-printed films from the TIPS pentacene with APC show excellent device stability and an average mobility of 0.53 cm2V-1s-1, which are among the highest values obtained by inkjet-printing reported to date. Furthermore, the inkjet-printed flexible OTFT array with an average mobility of 0.27 cm2V-1s-1 sustains the application of TIPS pentacene/ APC in the field of flexible printed electronics.

국문 초록 (Abstract)

유기반도체 (6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene (TIPS pentacene))와 무정형 고분자가 혼합된 유기반도체 잉크는 뛰어난 용액공정성과 우수한 트랜지스터 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 다양한 조건으로 혼합된 유기 반도체/고분자 잉크를 사용하여 잉크젯 프린팅 공정에서 팁스 펜타센과 무정형 고분자가 혼합된 유기반도체 잉크의 거동을 이해하고, 제어함으로써 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 먼저 정공 전달 구조인 triarylamine 구조를 바탕으로 하고 불소의 함량이 틀린 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자는 고분자 구조내의 불소의 함량에 따라서 다양한 극성을 나타내었다. 합성된 고분자의 다양한 극성은 유기반도체와 고분자간의 상 분리의 상이함을 야기시키게 되고 팁스 펜타센/고분자 유기 박막내에서 팁스 펜타센의 결정 모양과 결정 배향성 및 박막 거칠기에 영향을 준다. 이는 궁극적으로 유기 박막 트랜지스터 소자의 전기적 특성을 좌우하게 된다. 실험을 통해서 팁스 펜타센과 고분자의 상 분리 거동이 박막내에서 팁스 펜타센 결정 구조의 형성에 중요한 역할을 하고, 팁스 펜타센 결정영역으로부터 적절하게 분리된 고분자의 상분리는 유기반도체 결정의 배향성을 증가시키고 표면 거칠기를 부드럽게 하여 효과적으로 줄무늬 형태의 결정을 형성하는데 도움을 준다. 결과적으로 triarylamine을 바탕으로 합성한 고분자와 팁스 펜타센을 유기 반도체 잉크로 이용하고 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기박막트랜지스터는 우수한 전하이동도 (0.14 ~ 0.19 cm2V-1s-1) 특성을 나타내었다. 또한 무정형 특성이 강하고 팁스 펜타센 결정의 상 분리 특성에 고분자 구조적으로 강점이 있는 폴리카보네이트 (APC) 고분자를 이용하여 다양한 조건(혼합용액 조성비, 잉크 점도 및 용매 변화)에서 혼합 잉크를 제작하였고, 이를 사용하여 잉크젯 프린팅 공정으로 제작된 유기박막트랜지스터의 특성 변화를 분석하였다. 조건에 따라서 유기박막트랜지스터 박막내의 결정 상 분리, 박막 거칠기 및 결정 모양과 배향 정도의 상이함을 polarized optical microscopy, 3D surface profile와 TOF-SIMS 장비를 이용하여 분석하였고, 결과를 플러리-허긴스 상분리 이론에 적용하여 설명하였다. 이러한 잉크젯 프린팅 조건을 최적화하여 팁스 펜타센과 APC 고분자간의 적절한 상분리를 유도함으로써 유기 반도체의 결정형성 특성 및 박막의 표면 거칠기를 향상시켜 0.53 cm2V-1s-1의 우수한 전하이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터 소자를 제작하였다. 또한 유연한 기판위에 0.27 cm2V-1s-1의 전하이동도를 갖는 유기 박막 트랜지스터 소자를 제작하여 향후 플렉시블 차세대 디스플레이 소재로서 적용 가능함을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1.Introduction
• 2.Theoretical Background
• 2.1 Organic Semiconductors
• 2.2 A principle of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) operation
• 2.2.1 Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitor
• 2.2.2 The Relationship Between Drain Voltage and Drain Current
• 2.3 Organic Thin Film Transistor (OTFT)
• 2.3.1 Difference Between TFT and MOSFET
• 2.3.2 Basic Operation Theory of TFT
• 2.4 Inkjet-Printing Process for OTFT
• 3.Experimental
• 3.1 Materials
• 3.2 Instruments
• 3.3 Synthesis of Polymers
• 3.4 Device Fabrication
• 4.Results and Discussion
• 4.1 Dependence of Polymer Structures on OTFT Performance
• 4.2 Dependence of Semiconducting Ink Conditions on OTFT Performance
• 4.2.1 Effect of TIPS pentacene/polymer Ratio on Inkjet-Printed OTFTs
• 4.2.2 Effect of Ink Viscosity on Inkjet-Printed OTFTs
• 4.2.3 Effect of Solvent on Inkjet-Printed OTFTs
• 4.2.4 Stability of Inkjet-Printed OTFTs and Comparison with Other Polymeric Binders
• 4.3 Application of Inkjet-Printed TIPS pentacene/APC to Flexible OTFTs
• 5.Conclusion
• References