Gate전극의 전도성에 의한 유기물 링발진기의 특성에 관한 연구 = Study on characteristics of organic printed ring oscillators as conductivity of gate electrode

국문 초록 (Abstract)

용액공정이 가능한 유기반도체 물질은 다양한 인쇄공정인 Gravure printing, screen printing, 그리고 Ink-jet printing 과 같은 자유로운 인쇄 방법에 의해서 저가의 빠른 공정 속도로 다양한 전자기기를 제작하는 것이 가능하다는 그 장점을 가지고 있다. 유기물질의 고유의 특성인 낮은 전하 이동도 와 낮은 산화안정성 등의 단점을 가지고 있지만 기존의 무기물을 이용한 소자에 비해 초경량, 초박형, 저가격, 유연성, 저온 제작 등의 장점과 더불어 많은 연구가 진행되고 있어 최근에는 산화안정성이 크게 개선되었으며, 전하 이동도 면에서도 비정질 실리콘 기반 (>1cm2/Vs)의 소자와 견줄 수 있을 정도 까지 이르렀다. 특히, 용액공정용 유기박막 트랜지스터 (OTFTs) 는 유기전자의 기본이 되는 소자로써 RFID tags, 디스플레이 구동소자, 센서, E-paper 등 그 적용범위가 광범위 하여 그 관심이 증가하고 있다.
Complementary Metal-Oxide-semiconductor (CMOS) 인버터는 여러 종류의 회로에서 가장 많이 쓰이는 소자이다. 이러한 CMOS는 p-형, n-형 의 두 종류의 반도체가 사용되는데 유기반도체의 용액공정을 통해서 제작하기 위해서는 여러 가지 인쇄 공정이 있다. micro-contact printing, Ink-jet printing 과 같은 다양한 Patterning 방법이 있는데 이와 같은 다양한 Patterning 방법들 중에서 잉크젯 인쇄 공정은 제작비용을 절감할 수 있으며16, 사용하는 물질의 낭비를 막을 수 있고, non-contact 방식으로 device를 제작할 수 있으며 기존의 photolithography 공정과는 다르게 마스크를 사용하지 않는 등 다양한 장점을 지녔다.1본 연구에서 개발된 OTFT는 P 형, N 형 모두 0.1cm2/V.s얻었으며, 인버터의 Voltage Transfer Curve역시 안정적으로 얻었고 10~15정도의 Gain을 얻었다. 더 나아가서, 본 연구에서 개발된 인버터를 5-stage ring oscillator circuit에 적용하여 약 30kHz정도의 유기물 Ring oscillators(R.O) 특성을 얻었다. 또한, Au Gate 메탈의 전도도가 RO의 스위칭 속도에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 서로 다른 전도도를 보이는 두께의 Au 전극을 이용하여 RO의 전기적 특성을 평가해보았으며 전도도에 따라 달라지는 트랜지스터 및 유기물 링발진기 소자의 특성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Solution processed conjugated molecules enable to manufacture various electronic devices by unconventional and cost effective patterning methods such as inkjet, screen, or gravure printing with a high throughput. Although the organic field-effect transistors (OFETs) using conjugated molecules as an active layer are not suitable for electronics requiring high charge carrier mobility due to intrinsic limitation of those materials, the advantage in manufacturing processes make them ideal for large-area, flexible, transparent, and disposable electronic devices such as drivers for flexible or transparent displays, digital circuits for radio frequency identification (RFID) tags, sensors, and memories. Moreover, the charge carrier mobility of state-of-the-art organic semiconductors is comparable with amorphous silicon so that it is expected that many
applications will be replaced by cost-effective solution processed OFETs in near future.
To realize advanced integrated CMOS circuits, those p-channel or n-channel conjugated molecules must be patterned. However, conventional patterning processes such as photolithography are not suitable since conjugated molecules are very weak under UV light illumination and cost of manufacturing facility is also very high. Therefore various novel patterning methods have researched such as micro contact printing or inkjet printing. Among those methods, inkjet has a variety of advantages such as removal of need for masks, which lead to cost-savings, efficient use of materials and waste elimination, non-contact deposition method (little contamination). Here we demonstrate high performance inkjet printed p-channel and n-channel top-gate/bottom-contact polymer field-effect transistors (FETs), and applications to elementary organic complementary inverter and ring oscillator circuits. We have obtained high field-effect mobility more than 0.1 cm2/Vs for both of p-channel and n-channel FETs, and the CMOS polymer ring oscillator showed very high operating frequency of 10 KHz. In addition, we did evaluation of ring oscillator circuit characteristics using different conductivities gate materials.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION =1
• Ⅱ. BACKGROUND&THEORY =2
• 1. 연구배경 =2
• 2. 인쇄공정 소개 =5
• (1) 스핀코팅 공정 =5
• (2) 잉크젯인쇄 공정 =5
• 3. 유기박막트랜지스터의 기본구조 및 원리 =6
• 4. 유기물 CMOS 인버터 & 링발진기 의 기본 구동원리 =9
• (1) 유기물 CMOS 인버터 =9
• (2) 링발진기 =11
• Ⅲ. EXPERIMENTAL =16
• 1. 실험물질 =16
• 2. 포토리소 공정을 통한 Source/Drain 전극의 형성 =17
• 3. 유기박막트랜지스터의 제작 =20
• (1) 스핀코팅 =20
• (2) 게이트 전극 인쇄 =21
• 4. 잉크젯 인쇄 공정을 통한 유기전자소자의 제작 =23
• (1) 유기박막트랜지스터 =23
• (2) 유기물 CMOS 인버터 & 링발진기 =25
• (3) Via hole 공정 및 전극증착 =26
• Ⅳ. Result & Discussion =27
• 1. 전기적 특성 =27
• (1) 유기박막트랜지스터 =27
• (2) 유기물 CMOS 인버터 =33
• (3) 유기물 링발진기 =36
• 2. 다양한 전도도의 전극에 의한 유기박막트랜지스터 특성 =38
• 3. 다양한 전도도의 전극에 의한 링발진기 특성 =40
• 4. 분석 결과 =41
• Ⅴ. CONCLUSION =43
• ⅤI. REFERENCES =44
• ABSTRACT =48