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A Study of Printed Organic Thin Film Transistors using Unconventional Patterning

A Study of Printed Organic Thin Film Transistors using Unconventional Patterning
Other Titles
차세대 패터닝을 이용한 프린티드 유기 박막 트랜지스터에 관한 연구
Issue Date
대학원 화학·나노과학과
이화여자대학교 대학원

유기 박막 트랜지스터는 제작 공정과 응용 분야에 있어 기존의 무기 박막 트랜지스터에 비해 다양한 기회를 제공해주기 때문에 차세대 트랜지스터로 각광받고 있다. 특히, 비 전통 패터닝은 저가의 유기 박막 트랜지스터의 제작을 위한 방법의 하나로 잘 알려져 있다. 본 연구에서는 비 전통 패터닝의 방법을 이용한 유기 박막 트랜지스터의 전극 전사와 반도체 패터닝에 관하여 고찰하고자 한다. 우선, 압력을 이용한 프린팅 방법을 통한 전극 전사에 관하여 살펴보고자 한다. 기존의 PDMS 스탬프가 아닌 리지플렉스 TPT 스탬프를 이용하여 프린팅 공정에 적용할 수 있었다. 이를 통해 결과의 정확성을 향상시킬 수 있었고, 열처리를 동반함으로 5분 이내로 공정 시간 또한 단축시킬 수 있었다. 즉, 기존의 무른 PDMS 스탬프를 이용한 메탈 공정에서 나타날 수 있는 패턴 위의 갈라짐 현상을 없앨 수 있었다. 게다가, PDMS 몰드로부터 리지플렉스 TPT 스탬프를 제작하는 과정에 있어 작은 PDMS 분자들의 확산으로 인해 스탬프 표면에 실리콘이 존재하게 됨으로써 이는 증착 된 메탈 층과 스탬프 사이에서 표면에너지가 낮은 릴리즈 층 역할을 하였다. 이를 통해 표면 변형 없이 다양한 패턴을 가지고 있는 메탈을 기판 위에 전사할 수 있었고, 전사된 골드를 소스/드레인 전극을 이용하여 유기 박막 트랜지스터를 제작할 수 있었다. 다음으로, 유기반도체의 단일 결정체 형성과 반도체 패터닝에 관하여 살펴보고자 한다. 높은 끓는점과 용해도가 낮은 dodecane을 이용하여 단일 결정체를 형성할 수 있었다. 즉, dodecane은 비교적 높은 끓는점 (216.2 ℃)과 벤젠 구조가 아닌 탄소사슬을 가지는 특징 덕분에 TIPS-펜타신의 단일 결정체 형성에 기여할 수 있었다. 결과적으로, 2 wt% TIPS-펜타신의 dodecane을 통해 단일 결정체를 형성할 수 있었고, XRD peaks을 통해 결정 구조를 확인할 수 있었다. 게다가, dodecane의 용해도를 증가시키기 위해 TIPS-펜타신과 용해도가 좋은 용매를 3:1의 무게 비로 섞어 보았다. 또한, parasitic 전류 통로를 줄이고자 표면 처리를 통해 반도체 패터닝을 수행하였다. 즉, 소수성 표면을 위해 PDMS 얇은 층을 코팅하였고, 마스크를 통해 선택적으로 UVO 조사를 하여 표면을 소수성과 친수성으로 구분하였다. 이렇게 하여, 5 wt% TIPS-펜타신의 dodecane:chlorobenzene (3:1 (w/w))로부터 이동도 0.4654 cm2/Vs의 트랜지스터를 얻을 수 있었고, 패터닝을 통해 전류 점멸비 또한 스핀코팅에 비하여 100배 향상 시킬 수 있었다. 본 연구는, 비 전통 패터닝을 이용하여 유기 박막 트랜지스터의 전극 전사를 제시하였고, dodecane을 통해 TIPS-펜타신의 단일 결정체 형성과 패터닝 공정의 도입으로 트랜지스터 성능 또한 향상 시킬 수 있었다.;Organic thin film transistors (OTFTs) have been attracting because they offer us diverse opportunities related to fabrication processes and applications toward next generation transistors. Especially, unconventional patterning is well known that one of the methods for fabricating low-cost OTFTs. In this study, two approaches are presented for fabrication printed OTFTs using unconventional patterning: electrode transfer and semiconductor single crystals patterning, respectively. First, electrode transfer via pressure-assisted printing method was described. Using the rigiflex trimethylolpropane propoxylate triacrylate (TPT) stamp instead of the poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamp, it could be applicable to printing process so that the results' fidelity was enhanced, and the process time was reduced within five minutes by thermal treatment as well. That is, the cracking on the transferred pattern was not observed in comparison with conventional nanotransfer printing (nTP) that has remained a challenging problem caused by the PDMS stamp's intrinsic softness. Moreover, during fabricating the rigiflex TPT stamp from the PDMS mold, low molecular weight siloxane polymer was diffused-out from the PDMS mold onto the surface of the stamp, and it could be as a release layer between the deposited metal layer and the stamp. As a result, we could metal transfer with various patterns to the substrate without any deformations, especially crack-free pattern, and we could successfully fabricated OTFTs using transferred Au source/drain electrodes as well. Second, the preparation of semiconductor single crystals and its patterning were introduced. We obtained single crystals from dodecane with a high boiling point and slight solubility. That is, because dodecane has a relatively higher boiling point (216.2 ℃) than general solvents and linear carbon chains without benzene ring, it is a useful solvent for the growth of single crystals. As a result, single crystals prepared 2 wt % TIPS-pentacene in dodecane could be observed, and we confirmed its crystalline structure by X-ray diffraction (XRD) peak. Also, dodecane could be mixed with good solvents to enhance the solubility of TIPS-pentacene. Moreover, in order to reduce parasitic current paths, we conducted semiconductor patterning by surface modification in that PDMS thin layer as a hydrophobic surface was introduced, and then, UVO exposed to the hydrophobic surface through a mask to selective hydrophilic surface modification. We obtained the value of the mobility was as high as 0.4654 cm2/Vs prepared 5 wt% TIPS-pentacene containing dodecane:chlorobenzene, at the ratio of 3:1 (w/w), and on/off ratio were two orders of magnitude higher than spin-casting.
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