Relationship between the Structure of Polymers and Their Electrical Properties in Organic Thin Film Transistors

Abstract

유기 박막 트랜지스터 (OTFTs)의 개발이 증가하는 추세의 연구동향에 따라 여러 개의 고분자를 이용한 유기 박막 트랜지스터의 성능과 유기박막트랜지스터를 기반으로 한 센서에 대해 연구하였다. 먼저 PART I에서는, DPP와 NDI 분자 구조를 바탕으로 한 PDPP2DT-T2, PDPP2DT-TT, PDPP2DT-DTT, PNDI2OD-T2, PNDI2OD-F2T2, PNDI2OD-Se2 고분자를 반도체 층으로써 blade-coaing 기법을 이용하여 (top-gate bottom-contact) TGBC 구조의 휘어지는 유기 박막 트랜지스터를 제조하였다. 그 중에서 가장 높은 hole 이동도는 PDPP2DT-T2 고분자를 이용한 소자에서 1.51 cm2V-1s-1 가 나왔고, 가장 높은 전자 이동도는 PNDI2OD-Se2 고분자를 이용한 소자에서 0.85 cm2V-1s-1를 얻을 수 있었다. 유기 박막 트랜지스터의 성능에 고분자 구조가 미치는 영향은 결정의 모양, edge-on 방향성, 박막을 이루는 고분자 섬유들이 서로 접합하는 정도 등을 통해 설명을 할 수 있다. 결과적으로, 컨쥬게이션을 이루는 고분자들이 휘어지는 유기 박막 트랜지스터를 포함한 전자소자로의 이용 가능성이 매우 높다는 것을 알 수 있었다. 이어서 PART II에서는 우리는 유기 박막 트랜지스터를 기반으로 하고 fluorinated difluorobenzothiadiazole-dithienosilole 고분자 (PDFDT)를 이용한 암모니아 가스에 민감하게 반응하는 유기박막 트랜지스터에 대해 연구하였다. 고분자 (PDFDT)의 주사슬과 암모니아 가스 분자의 수소결합, 정전기적 인력으로 서로간의 상호작용이 생기면서 HOMO의 에너지레벨을 낮추게 되어 트렌지스터 센서 안에서의 hole trapping이 일어나게 된다. 순환 전압 전류법과 핵자기공명법 자외선-가시광선 흡광법을 통해 가스 센서의 메커니즘을 알아낼 수 있었다. 또한, DFT 계산을 통해 PDFDT 고분자 구조에 존재하는 플루오린 원자와 DTS 단위체가 암모니아 가스 분자와 결합을 이룬다는 것도 밝혀낼 수 있었다. 특정한 가스 분자들과 결합을 생성하는 고분자 구조 안의 작용기들을 도입하여 고성능의 유기박막 트랜지스터 센서를 만들 수 있었다.;In the thesis, we demonstrate the organic thin film transistors (OTFTs) with various semiconducting polymers and the application as a gas sensors detecting ammonia gases. Those are explained divided into Part I and II. In Part I, We report high-performance top-gate bottom-contact flexible field-effect polymer transistors (FETs) fabricated by blade-coating of diketopyrrolopyrrole (DPP)-based and naphthalene diimide (NDI)-based polymers (P(DPP2DT-T2), P(DPP2DT-TT), P(DPP2DT-DTT), P(NDI2OD-T2), P(NDI2OD-F2T2), and P(NDI2OD-Se2)) as the semiconducting channel materials. The highest hole mobility of 1.51 cm2V-1s-1 and the highest electron mobility of 0.85 cm2V-1s-1 were obtained from P(DPP2DT-T2) and P(NDI2OD-Se2) polymer FETs, respectively. The impacts of polymer structures on the FET performance are well explained by the features of crystallinity, edge-on orientation tendency, and interconnectivity of polymer fibrils in the film state. Conclusively, we present high-performance flexible durable FETs, demonstrating high potentials of semiconducting conjugated polymers for use in the flexible electronic applications. And in Part II, we report a highly sensitive printed ammonia (NH3) gas sensor based on organic thin film transistors (OTFTs) with fluorinated difluorobenzothiadiazole-dithienosilole polymer (PDFDT). These sensors detected NH3 down to 1 ppm with high sensitivity (up to 56%) without using any receptor additives. The sensing mechanism was confirmed by cyclic voltammetry, hydrogen/fluorine nuclear magnetic resonance, and UV/visible absorption spectroscopy. PDFDT-NH3 interactions comprise hydrogen bonds and electrostatic interactions between the PDFDT polymer backbone and NH3 gas molecules, thus lowering the highest occupied molecular orbital levels, leading to hole trapping in the OTFT sensors. Additionally, density functional theory calculations show that gaseous NH3 molecules are captured via cooperation of fluorine atoms and dithienosilole units in PDFDT. We verified that incorporation of functional groups that interact with a specific gas molecule in a conjugated polymer is a promising strategy for producing high-performance printed OTFT gas sensors.