OTFT의 전극 제작을 위한 Ag-ink의 마이크로 컨택 프린팅 공정 연구

국문 초록 (Abstract)

유기 반도체는 OLED, OTFT 그리고 Organic solar cell과 같은 디바이스에 널리 사용되어 진다. 최근 유기 반도체 제조에 있어 낮은 해상도 범위가 요구되면서 마이크로 컨택 프린팅과 같은 새로운 리소그래피 공정 기법이 나타나게 되었다. 이러한 기법은 용액공정을 이용하여 나노스캐일의 구조물을 형성할 수 있어 차세대 플렉시블 디스플레이의 구동 소자 및 전자종이(e-paper)와 전자정보태그(RFID)등 적용분야가 광범위 하여 각광을 받고 있다. 용액 공정은 기존의 진공 증착 및 포토 리소그래피와 같은 과정을 거치지 않아도 되므로 제작 과정이 덜 복잡하고 대 면적 공정이 용이하며 유연기판에 적용할 수 있고, 무엇보다도 초저가 제작이 가능하다. 최근에는 여러 용액공정 방법 중 진공 증착 시 필요 했던 shadow mask 및 emulsion mask가 필요 없으며, 나노스케일의 구조물을 형성에 효과적인 마이크로 컨택 프린팅 방식이 널리 연구되고 있다. 이런 점에서 현재 일본과 유럽, 미국 등 세계 유수 기업 및 연구소에서 마이크로 컨택 프린팅 기술을 이용하여 정보/전자 부품 제작 및 조립을 하는 프린터블 전자소자(Printable Electronics)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 플렉시블 전자소자 제작에 마이크로 컨택 프린팅 기술이 적용된다면 소자를 구성하는 기능성 소재를 잉크로 조제하여 마치 도장을 찍듯이 프린팅 하여 첨단 정보·전자 제품을 인쇄하여 제작할 수 있으며 대량 연속생산 방식이 가능하여 저가격, 고기능성, 초대형의 신개념 정보·전자 소자 구현이 가능하다고 할 수 있다.
본 논문에서는 용액 공정으로 유기 반도체(OTFT ; Organic Thin Film Transistor)의 전극을 제작하기 위하여 게이트 전극을 마이크로 컨택 프린팅 방식으로 형성하기 위한 공정을 확립하고 성능을 개선하였다. 특히 게이트 전극으로 사용된 Ag-ink는 Ag nano paticle을 여러 용제에 녹여 용액으로 만든 금속이다.
기존 유기 반도체에 사용되던 모든 조건을 동일하게 사용하면서 게이트 전극으로 사용되던 Al을 Ag-ink로 변경하여 제작하였다. 가장 최상의 프린팅 조건을 찾기 위해 Ag-ink의 분산매와 고형분 함량을 조절하여 마이크로 컨택 프린팅 방식에 적합한 재료를 찾았으며, 인쇄성을 향상시키기 위해 공정에서의 접착속도, 분리속도, 접촉시간의 세 가지 동역학적 파라미터를 추출, 잉크 전이율에 미치는 영향을 분석하여 최적의 공정조건을 도출하였다.
잉킹공정에서는 접촉속도는 1 mm/s 이하, 접촉 후 유지시간은 짧게 하며, 분리속도는 1000 mm/s로 빠르게 해야 잉크의 전이율이 98%이상 높았다. 프린팅 공정에서는 반대로 접촉속도는 100mm/s 이상의 빠르게, 접촉 후 유지시간은 30초 이상, 분리속도는 1mm/s 이하로 느리게 할 때 최고의 인쇄특성을 보였다. 이러한 결과를 이용하여 최소선폭 30㎛, 두께 300~500㎚, 50㎚ 이하의 표면 거칠기를 가진 전극을 전체 5cm×5cm 면적에 균일하게 연속적으로 인쇄를 할 수 있었다.
위의 조건을 가지고 Ag-ink를 게이트 전극으로 가지는 bottom contact형 OTFT를 제작하였다. 소자 성능 파라메타는 이동도가 0.25 cm2/V∙sec, 문턱 전압이 2.01 V, on/off ratio가 106, Sub-threshold slope이 1.6V/dec, Off state current는 10-2로써 Al을 게이트 전극으로 진공 열증착으로 제작한 OTFT의 성능과 유사하였다.
소자의 성능면에서 전극을 진공 열증착 방식으로 제작한 소자에 뒤지지 않았으며, 마이크로 컨택 프린팅으로 전극 제작공정을 대체할 수 있는 가능성을 보였다. 하지만 인쇄된 전극의 두께를 조절하기 힘들고 두껍게 형성되는 것은 문제점으로 남아있다. 이를 위해 잉크가 가지는 유변물성과 전이특성과의 관계 및 계면에서의 접착력 변화와의 관계 등에 대해 파악하는 연구가 필요하다고 생각한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic electric device focuses on developing OLED (Organic Light Emitting Diode) worthy of notice for next generation light emitting device. OTFT as driving device of light emitting device is developing, also research on OTFT's electric characteristics and performance improvement being used for organic active layer is boomed. Recently, the nano-scaled and solution-processed OTFTs have attracted a considerable attention due to their potential advantages in backplane of flexible displays and organic electronics such as e-paper and radio-frequency identification tags(RFIDs). The solution-based process enables a simple and non-vacuum fabrication of organic devices such that extremely low-cost electronics can be achieved. Recently, microcontact printing method is widely used in organic electronics fabrication including organic light emitting diodes displays and organic transistors. The microcontact printing method offers a nano-scaled patterning without any costly photo-lithography process and any masks. And this technique is material-efficient and low cost.
In This paper describes the effects of kinetic parameters such as attaching speed, attaching time, and dettaching speed on printing property of electrodes which were fabricated by micro-contact printing with Ag ink. In inking process the attaching speed was preferable to be less than 1 mm/s, attaching time as short as possible, and detaching speed larger than 1000 mm/s in order to obtain the transfer ratio of ink larger than 98%. Meanwhile in printing process the parameters were totally opposite to the results of inking process; attaching speed larger than 100 mm/s, attaching time larger than 30 sec, and detaching speed less than 1 mm/s for the best results. With the parameters we could obtain the micro-contact printed electrodes with the minimum line width of 30 ㎛, thickness of 300 ~500 nm, roughness less than 50 nm, and resistivity of about 15～16 μΩ․㎝. And the modified OTFT’s performance are summarized as follows. The field effect mobility is 0.25cm2/Vs, on-off ratio is 3.045x106.
We develop a simple and soluble process by using transfer printing for electrodes of OTFTs report fabrication of electrodes with Ag ink using transfer printing. We removed evaporation, etching and lift-off process for fabrication of electrodes in OTFTs. Also, it has an advantage to use a substrate material which has a big CTE such as plastic substrateas keeping the processing at room temperature except curing of ink.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 유기 반도체 제작의 기술 동향 6
• 1. OTFT의 동작원리 및 이론 7
• 가. TFT의 기본 구조 7
• 나. TFT의 동작 원리 9
• 다. TFT의 성능평가 파라메터 13
• 2. 쉐도우 마스크를 이용한 진공 증착 및 광학적 노광법 15
• 3. 소프트 리소그래피 17
• 가. 마이크로 컨택 프린팅 18
• 4. 잉크젯 프린팅 20
• 5. 스크린 프린팅 22
• 6. 플렉소 프린팅 23
• Ⅲ. PDMS 스탬프 제작 25
• 1. 마스터 제작 25
• 2. 소프트 PDMS 스탬프 제작 27
• 3. 하드 PDMS 스탬프 제작 28
• Ⅳ. 마이크로 컨택 프린팅 시스템의 메카니즘 31
• 1. 마이크로 컨택 프린팅에서의 흡착이론 31
• 2. 동역학적 파라미터를 이용한 마이크로 컨택 프린팅의 기초이론 33
• V. 마이크로 컨택 프린팅을 이용한 Ag 전극 형성 36
• 1. 도전성 잉크 36
• 가. 고온 소성형 잉크 37
• 나. 폴리머형 잉크 37
• 다. 도전성 필러 38
• 라. 금속 필러 등 39
• 마. 복합계 필러 40
• 바. 고분자 재료(수지) 41
• 사. 새로운 도전성 잉크 41
• 2. 잉크의 물성에 따른 인쇄특성 평가 43
• 가. 분산매의 종류에 따른 인쇄특성 평가 43
• 나. Ag 함량에 따른 인쇄특성 평가 48
• 3. 동역학적 파라미터가 인쇄특성에 미치는 영향 분석 50
• 가. 동역학적 파라미터의 추출 51
• 나. 동역학적 파라미터가 잉크 전이율에 미치는 영향 52
• Ⅵ. 마이크로 컨택 프린팅을 이용하여 전극을 형성한 OTFT의 제작 58
• 1. OTFT 제작공정 58
• 가. 기판 준비 58
• 나. 게이트 전극 형성 59
• (1) Ag-ink의 면저항 특성 59
• (2) 게이트 전극의 인쇄 과정 59
• 다. 게이트 절연층 형성 61
• 라. 소스-드레인 전극 형성 63
• 마. 활성층 형성 64
• 2. 제작된 OTFT 소자의 특성 및 결과 65
• Ⅶ. 결 론 71
• 참고문헌 73
• ABSTRACT 83