Organo-compatible TiO2 nanoparticle-based superhydrophobic layers to enhance device reliability of organic thin film transistors

Abstract

Recently, organic materials have attracted tremendous attention for realizing flexible device applications due to their low-cost, non-vacuum, and large-area solution processability. To be utilized in practical applications, further easy-to-manage organic devices with acceptable device reliability is highly desirable. Specifically, because accumulated harmful dust or water-based threats can degrade the functions of organic electronic devices, demands for solutions to facilitate sustainable surface management against external threats have been increased. In this regard, it is desirable to introduce a superhydrophobic layer directly onto organic devices which can eliminate contaminants and water-based threats via excellent water repellency. First, I report a facile method to deposit an organo-compatible superhydrophobic protection layer on organic semiconductors under ambient conditions. The protection layer exhibiting excellent water-repellency and self-cleaning abilities was deposited onto organic semiconductors directly by using a dip-coating process in a highly fluorinated solution with fluoroalkylsilane-coated titanium dioxide (TiO2) nanoparticles. The proposed protection layer did not damage the underlying organic semiconductors and had excellent resistance against mechanical-, thermal-, light-stress and water-based threats. The protected organic thin film transistors (OTFTs) exhibited more reliable electrical properties even exposed to corrosive solvents due to their superhydrophobicity. Secondly, I studied transparent superhydrophobic layers for organic optoelectronic devices. The optimization of TiO2 nanoparticle layer, such as surface roughness and thickness of film, enables to realize a transparent superhydrophobic layer, therefore it can be utilized in organic optoelectronics, especially in phototransistor applications based on organic semiconductors. The transparent superhydrophobic layer exhibited good water repellency without critical delamination issues even after or during bending and stretching tests. Flexible organic phototransistors with the transparent superhydrophobic layers showed enhanced device reliability against water droplets and harmful contaminants on surface due to their excellent water repellency and self-cleaning ability.

지난 수십 년 동안 유기물 전자소자 재료는 저비용의 용액 공정을 사용하여 다양한 형태의 유연한 전자소자로 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다. 이러한 유기 전자소자의 실용적인 활용을 위해서는, 무엇보다 소자 안정성을 갖는 유기 전자소자가 필요하다. 특히, 유기 전자소자 표면에 축적된 먼지나 물은 소자의 기능을 저하할 수 있기 때문에 이러한 외부 요인들에 대응할 수 있는 실용적인 해결책에 대한 요구가 있어 왔습니다. 이와 관련하여, 초소수성 박막을 유기 물질 위에 직접 증착하는 방식을 도입해서, 초소수성 표면에서 나타날 수 있는 물방울이 튕기는 현상(발수성)과 초소수성의 자가 세정 능력을 통해서 오염물질이나 물을 소자 표면에서 제거하는 방법이 바람직하다. 첫 번째 연구로, 일반적인 환경에서 유기 반도체에 유기친화적인 초소수성 보호층을 손쉽게 증착하는 방법을 연구하였다. 유기물 박막 시료를 플루오로 알킬 실란 유기물이 코팅된 이산화타이타늄 나노 입자가 포함한 불소화 용액 안에 집어넣는 간단한 공정을 사용하여 우수한 발수성 및 자가 세정 능력을 나타내는 보호 박막을 유기 반도체 표면에 증착하였다. 이 초소수성 박막은 유기 반도체를 손상하지 않았으며 특히 물에 의한 요인 및 기계적, 열적, 빛에 의한 요인에 대해서도 우수한 저항성을 보였다. 초소수성 박막으로 보호된 유기 전계효과 트랜지스터 소자는 초소수성으로 인해 강한 용매에 노출되는 경우에서도 신뢰성 있는 소자의 전기적 특성을 나타냈다. 두 번째 연구로, 투명한 유기 광전자 소자를 위한 초소수성 층을 연구하였다. 플루오로 알킬 실란 유기물이 부착된 이산화 타이타늄 나노입자 박막의 표면 거칠기와 박막의 두께를 최적화 함으로써 투명하면서 초소수성을 가지는 박막을 만들 수 있었다. 이렇게 제작된 투명 초소수성 박막은 유기 광전자, 특히 광 트랜지스터 소자에 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 유기 반도체에 직접 증착할 수 있는 투명 초소수성 박막은 굽히거나 늘리는 물리적인 변형에도 심각한 표면 구조의 손상 없이 일관된 초소수성을 나타냈다. 그 결과로, 투명 초소수성 박막을 가진 유연한 유기 광 트랜지스터 소자는 우수한 발수성과 자기 세정 능력으로 소자 표면의 물방울과 유해한 오염 물질에 대해 향상된 소자 안정성을 보여주었다.