Water-soluble Polymer Dielectric toward High Performance Organic Thin-Film Transistors

Abstract

In this paper, we have introduced air-stable, water-soluble poly(acrylic acid) as a polymer dielectric material for OTFTs. A poly(acrylic acid) dielectric layer in OTFTs showed good stability in ambient air conditions by using a cross-linker. The device we fabricated with a PAA dielectric layer was found to have mobility of 0.53 cm2/V•s, a threshold voltage of -4.1 V, and an on/off ratio of 6.1x105 at -20 V. Moreover, the performance of an OTFT using cross-linked PAA is superior to that of other commonly used polymer dielectric materials. In expecially, because PAA is compatible with nanoparticles in aqueous solution, we applicated an OTFT using a dielectric layer with mixture cross-linked PAA and nanoparticles having high dielectric constant. This OTFT could be operated succesfully and stably at low voltage bias (source-drain bias, VD=-5 V).;OTFT에서 절연체는 절연성과 유전율이 커야 하고, 표면이 평탄해야 하며, 유기반도체박막과 계면상태를 생성하지 않아야 한다. 고분자 물질을 이용한 절연체는 위와 같은 조건에 적합하며, 가격과 공정 면에서도 큰 장점을 가지고 있다. 대표적인 물질로 PVP, PMMA, PS, CYTOP 등이 있다. 하지만 이러한 물질들은 유기용매에만 녹기 때문에, Top gate OTFT를 제작할 수 없고, metal oxide nanoparticle을 첨가하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있다. 이 점을 극복하기 위해 수용성 고분자 절연체인 PVA를 사용하지만, PVA는 누설전류가 매우 크기 때문에 성능이 좋지 못하다는 단점이 있다. 본 논문에서는 낮은 누설전류 값을 가지는 수용성 고분자 물질인 poly(acrylic acid) (PAA)를 고분자 절연체로 이용하여 성능이 우수한 OTFT를 제작하였다. 절연체의 성능을 향상시키기 위해 cross-linker를 이용하여 합성한 결과, 대기 중에서도 안정적인 절연체를 합성하였다. 이때 mobility 0.53 cm2/V·s, threshold voltage -4.1 V, on/off current ratio 6.1x105 가 나왔다. 또한 수용성 용액에 분산되어 있는 고유전물질 Y2O3 nanoparticle을 PAA 용액에 분산시켜 절연체를 제작하였다. 이 절연체는 기존의 PAA만을 사용했을 때에 비해, 유전상수 값이 증가되어 -5 V의 저전압에서도 안정적으로 구동하는 것을 확인하였다.