Development and Application of Semiconducting and Polymer Dielectric Materials for Organic Thin-Film Transistors
- 주제(키워드) organic thin-film transistor , OTFTs , dielectric , organic semiconductor
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김충익
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- UCI I804:11029-000000064701
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
유기 박막 트랜지스터 (OTFT)는 저비용, 대 면적 전자 장치에 대해 광범위하게 연구되어 왔다. 유기 박막 트랜지스터는 반도체, 유전체 및 전극으로 구성된다. 고성능 OTFT를 사용하려면 반도체, 유전체 및 전극과 같은 장치의 각 구성 요소가 효율적으로 수행되어야 한다. 반도체 재료의 경우, 개선 된 pi-공액을 위한 적절한 합성 설계와 유리한 구조적/전자적 특성이 필요하다. 또한, 높은 결정 성 및 적절한 형태를 갖는 막 형성을 위한 최적화 된 처리 조건이 요구된다. 다음으로 절연체는 유기 반도체에 비해 크게 연구되지 못하였다. 전체적인 소자의 성능 향상을 위해서는 적절한 신규 유전체를 개발하여야 한다. 새로운 유전체 물질은 높은 정전 용량, 낮은 누설 전류 밀도 및 반도체 필름과의 양호한 계면 특성을 만족해야 하며, 소자의 저 전압 작동을 보장해야 한다. 분자 구조에 전자 수용체 및 전자 공여체 모이어티를 모두 포함하는 유기 반도체 재료는 높은 전기적 성능으로 인해 광범위하게 연구되어 왔다. π- 공액 백본을 통한 정공 및 전자의 전하 수송을 향상시키기 위해 최고 점유/최소 점유 분자 궤도 (HOMO / LUMO) 에너지를 조정하는 많은 방법이 알려져 있다. 적절한 공여체-수용체 구조를 설계하는 방법은 반도체의 성능을 쉽게 제어 할 수 있다는 이점이 있다. 이 논문에서는 donor-acceptor-donor 구조를 가지는 신규 유기 반도체를 설계하고 분석하였다. 이 신규 유기 반도체는 말단기에 octyl 또는 ethyl hexyl을 합성하여 용액 공정이 가능하도록 하였다. 용액 공정 방식은 solution-shearing(SS) 방식과 drop-casting(DC) 방식을 적용하였다. 특히 solution-shearing 방식으로 제작한 박막 트랜지스터는 최대 0.1 cm2/V • s의 전자 이동도와 106 이상의 전류 온/오프 비로 양극성 반도체 성능을 나타냈다. 다양한 측정 방식을 통해서 이러한 우수한 성능의 원인을 분석하였다. 기존 유전체 소재는 낮은 누설 전류를 가지며 높은 정전용량을 가지는 방향으로 연구되어 왔다. 최근에 유연 소자에 대한 관심이 증가하면서, 이러한 소자에 적용할 수 있는 소재에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히 유전체 부분에서, 적절한 낮은 제작 온도를 가지고 있고, 유연성 있으며, 기본적인 유전체 특성을 만족하는 것이 매우 중요하다. 이 논문에서는 이러한 특성을 만족할 수 있는 신규 유기/유무기 하이브리드 유전체를 설계하였다. 유연성 있는 단량체 중에서 특정한 성질을 가지는 단량체를 선정하였고, 다양한 중합 방식을 통하여 새로운 소재를 합성하였다. 이렇게 합성된 소재는 낮은 제작 온도를 가지며, 얇은 두께에도 불구하고 좋은 절연 특성을 보였다. 실제로 소자에 적용하였을 때, 저 전압 구동이 가능하였으며, 더 나아가 유연 기판에도 적용 가능함을 확인하였다.
more초록/요약
Organic thin-film transistors (OTFTs) have been extensively studied for low-cost, large-area electronic devices. The organic thin film transistor is composed of a semiconductor, a dielectric, and an electrode. In the case of semiconductor materials, there was a need for proper synthetic design and advantageous structural and electronic properties for improved π-conjugation. In addition, optimized processing conditions for film formation with high crystallinity and suitable morphology are required. Next, dielectric layers have not been studied much compared to organic semiconductors. To improve the overall device performance, appropriate new dielectrics must be developed. The new dielectric material must satisfy high capacitance, low leakage current density and good interfacial properties with the semiconductor film and ensure low voltage operation of the device. Organic semiconductor materials including both electron acceptor and electron donor moieties in their molecular structure have been extensively studied due to their high electrical performance. Many methods were known for adjusting the highest occupied / minimum occupied molecular orbital (HOMO / LUMO) energy to enhance the charge transport of holes and electrons through a π-conjugated backbone. The method of designing a suitable donor-acceptor structure has the advantage that the performance of the semiconductor can be easily controlled. In this paper, a new organic semiconductor with donor-acceptor-donor structures were designed and analyzed. The new organic semiconductors synthesized octyl or ethyl hexyl end groups to enable solution processing. The solution process method applied solution-shearing (SS) and drop-casting (DC) methods. In particular, the thin film transistor fabricated by solution-shearing showed bipolar semiconductor performance with electron mobility of up to 0.1 cm2/V•s and current on/off ratio of more than 106. Various measurement methods were used to analyze the causes of this excellent performance. Existing dielectric materials have been studied in the direction of low leakage current and high capacitance. Recently, as interest in flexible devices has increased, research on materials applicable to such devices has been conducted. Especially in the dielectric part, it was very important to have a suitable low fabrication temperature, to be flexible and to meet basic dielectric properties. In this paper, a novel organic/organic-inorganic hybrid dielectrics were designed to meet these characteristics. New materials were synthesized through various polymerization methods. The synthesized material has a low fabrication temperature and shows good insulation properties despite its small thickness. In fact, when applied to the device, low voltage driving was possible. Furthermore, it was confirmed that it is also applicable to the flexible substrate.
more