Transparent, Flexible, and Inkjet-Printed Thin-Film Transistors Based on Organic and Nano Materials

Abstract

최근, 투명하고 유연한 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)는 bendable, rollable, foldable, 혹은 wearable 전자 기기 등 다양한 차세대 전자 기기로 응용이 가능하여 많은 각광을 받고 있다. 한편, 잉크젯 프린팅 기술은 간단하며 저비용, 저온 및 대면적 공정을 가능하게 한다. 이러한 이유로, 다양한 용액 공정 혹은 잉크젯 프린팅 공정 기반 금속 산화물 층은 높은 광학적 투명도, 높은 전하 이동도 및 전하 농도 덕분에 투명 전자 소자 응용에 널리 사용되어 왔다. 그러나, 높은 어닐링 온도, 유기 불순물의 존재, 필름의 단단함 등 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 금속 산화물 기반 박막 트랜지스터를 유연 전자 소자에 이용하기 위해서는 해결해야 할 문제들이 여전히 남아 있다. 이러 문제들을 극복하기 위하여, 투명한 전도성 고분자 및 유연한 반도체 재료가 투명하고 유연한 전자 기기 응용에 사용되어야 한다.<br/> 본 학위 논문에서는 투명 전극으로 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS) 를, 세 종류의 반도체 활성층으로 6,13-bis (triisoprophylsilylethynyl) pentacene (TIPS pentacene) 유기 반도체, 단일벽 탄소나노튜브, 이황화 몰리브덴을 사용한 잉크젯 프린팅 기반 투명 박막 트랜지스터 제작에 관하여 논의한다. 모든 층은 물질 자체적으로 유연하며 프린팅 공정을 이용하여 제작되어 유연한 플랫폼 상에 제작할 수 있었다. 나아가, 투명한 유기 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 개선할 수 있는 간편한 표면 엔지니어링 방법을 제안 하였으며, 나노 재료를 기반으로 하는 투명 박막 트랜지스터의 광학적 특성을 체계적으로 분석 하였다. 다양한 재료를 활용한 인쇄 공정 기반 투명하고 유연한 박막 트랜지스터의 구현 및 특성 분석에 관한 연구를 통하여, 각 재료의 장단점을 바탕으로 각 응용 분야에 대한 가이드라인을 제시 하였다. 이러한 결과는 학계와 산업계 모두에 기여도가 높을 것으로 기대한다.<br/> 첫째, 인쇄 공정 기반 유기 박막 트랜지스터 제작에서는 소스/드레인 전극과 게이트 절연층의 표면 에너지 매칭이 중요하다. 표면 에너지가 매칭되지 않은 플랫폼에 유기 반도체를 프린팅할 경우 높은 접촉 저항을 야기할 뿐만 아니라 용매가 건조되는 과정에서 소스/드레인 전극 근처에서 불연속적인 결정 구조를 가지는 π-공액 반도체가 생성되어 전기적 특성이 떨어지게 된다. 본 학위 논문 에서는 향상된 유기 반도체 결정 구조를 얻기 위하여, 유연한 기판 상에 전 인쇄 공정, 전 유기물 기반 투명한 유기 박막 트랜지스터 및 인버터를 제작 할 때 사용할 수 있는 투명한 유기 전극 및 게이트 절연체 층에 동시에 수행되는 효과적인 표면 엔지니어링 방법에 대해 소개한다. 이러한 잉크젯 프린팅 기반 유기 호환 폴리스티렌 중간층은 소자의 투과율을 저하시키지 않으면서, 보다 우수한 전하 주입 특성 및 반도체층의 결정성을 제공하며 게이트 절연체 상의 결함 부위를 최소화한다.<br/> 둘째, 투명 박막 트랜지스터를 실생활에서 사용하려면 조명 하에서 동작이 변하지 않아야 한다. 유기 반도체를 비롯한 일반적인 반도체 재료는 빛에 민감한 것으로 잘 알려져 있기 때문에, 조명 하에서도 안정적인 성능을 보이는 투명 박막 트랜지스터용 활성층이 필요하다. 단일벽 탄소나노튜브는 1차원 재료의 특성으로 인하여 내부에서 강한 쿨롱 상호 작용이 일어난다. 그로 인하여 높은 엑시톤 결합 에너지를 갖기 때문에 단일벽 탄소노튜브를 이용한 박막 트랜지스터는 특이한 광 반응성을 나타낸다. 다른 반도체 재료를 이용하여 제작된 박막 트랜지스터들과는 달리, 단일벽 탄소나노튜브 기반 박막 트랜지스터는 고전력 레이저 조명 하에서 전류가 감소하지만, 실생활에서 사용되는 저전력 조명 하에서는 전기적 특성에 큰 변화를 보이지 않는다. 본 학위 논문에서는 이러한 특성을 활용하여 단일벽 탄소나노튜브 기반 박막 트랜지스터의 실생활에서 사용 가능한 투명하고 유연한 전자 소자에의 응용 가능성에 대하여 논의한다.<br/> 마지막으로, 단일벽 탄소나노튜브와는 달리 이황화 몰리브덴은 높은 광 반응성을 보인다. 이황화 몰리브덴의 이러한 특성은 웨어러블 디바이스의 필수 요소 중 하나인 광 센서에 응용이 가능하게 한다. 그러나, 기존의 이황화 몰리브덴 기반 박막 트랜지스터의 제작에서는 일반적으로 대면적 및 유연한 전자 소자에는 사용할 수 없도록 포토리소그래피 혹은 전사 공정을 사용한 무기 전극 및 유전체가 사용 되었다. 실제 응용 분야에서 2차원 이황화 몰리브덴의 이점을 잘 활용하기 위해서는 저온, 대면적 및 저비용 공정을 사용하여 투명하고 유연한 2차원 전자 기기를 제작하기 위한 새로운 전략 개발이 필요하다. 본 학위 논문에서는 화학 증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 성장된 투명한 단분자층 이황화 몰리브덴을 이용하여 유연한 폴리머 기판 상에 전 인쇄 공정으로 제작된 광 트랜지스터에 대하여 보고한다. 전사된 단분자층 이황화 몰리브덴 상에 절연층 및 전극을 포함한 모든 층들은 기계적 변형에 잘 견딜 수 있도록 유기 물질을 잉크젯 프린팅 하여 패터닝 하였다. 유연한 유기 층들을 매우 얇은 이황화 몰리브덴과 함께 사용함으로써 전 인쇄 공정 기반 이황화 몰리브덴 광 트랜지스터는 우수한 투명도와 기계적 안정성을 보인다.