Organic thin film transistors (OTFTs) have been paid a great deal of attention because OTFTs have many advantages of low temperature processability, low cost, and flexibility and they can fabricate easily the cheap electronic devices such as integrated circuits and driving circuits for active matrix display, sensors, and RFIDs. The gate dielectrics are significant to upgrade performance of the OTFT because the field induced carriers are confined to a very thin region close to the interface of gate dielectric and organic semiconductor. Many inorganic thin films such as $SiO_2$ have been used as the gate dielectrics in the OTFTs because of their superior electrical properties. Recently, the organic gate dielectrics are favored as the gate dielectrics in OTFTs because of many advantages: (1) solution processability which can lower process temperature and make large-area OTFTs easily, and (2) flexibility on the plastic substrate.
The sol-gel derived siloxane based organic-inorganic hybrid materials (hybrimers) in which inorganic and organic components intimately link at the molecular scale by a covalent bond. They combine the characteristics of both glass and polymers, and improve the thermal and mechanical properties of the final materials to be applicable practically. The hybrimers can be applied to the gate dielectrics in the OTFTs because of their solution processabilities and their easy control of the physical and chemical properties of hybrimers such as dielectric constant, thermal stability, refractive index, surface roughness, and hydrophobicity by a suitable selection of precursors and optimization of processing parameters.
In this study, photo-patternable hybrimers were synthesized using sol-gel reaction and their unique properties were investigated. The dielectric constant of hybrimers is 3.1 at 100kHz and its leakage current density is as low as 4.1 nA/㎠ at 1MV/cm. The hybrimer thin film had smooth and hydrophobic surface as well as chemical stability to the solvent for the polymeric semiconductor. Hybrimer thin films were incorporated into the OTFTs as gate dielectrics. The poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and pentacene were used as organic semiconductors. The crystallinity of organic semiconductors on hybrimer gate dielectrics had good crystallinity and large grains confirmed by X-ray diffraction and atomic force microscope. The performance of OTFT with the hybrimer gate dielectric showed high field-effect mobility of 0.455 ㎠/Vs, the threshold voltage of ~-10V, subthreshold slope of 1.78V/dec and on/off ratio of $\sim10^6$.
Low-voltage OTFTs have been realized using very thin hybrimer gate dielectrics. Hybrimer thin films have good electrical properties, including high dielectric strength and low leakage current density down to the 40nm thickness. In addition, hybrimer thin films have smooth and hydrophobic surface. OTFTs with 40nm thick hybrimer dielectrics are operating within -5V and exhibit a mobility of 0.3 ㎠/V s, a threshold voltage of -2.6 V, and a small subthreshold swing of 0.43 V/decade. In addition, OTFTs with 40 nm thick hybrimer dielectrics have small hysteresis.
Solution processable and photo-patternable titanium doped hybrimer materials (MDT hybrimer) was prepared by simple sol-gel reaction for the gate dielectrics in OTFTs to increase the dielectric constant of gate dielectrics. The MDT thin films had good photo-patternability, electrical and surface properties. The pentacene OTFT with MDT gate dielectrics were fabricated by using the top contact geometry. It is found that the OTFT with the MDT gate dielectrics showed a small hysteresis and good performance. The filed-effect mobility, threshold voltage, subthreshold slope and on/off current ratio of OTFT with MDT gate dielectric were 0.66 ㎠/Vs, -14 V, 1.6 V/decade, and $3\times10^6$, respectively.
The position of hydroxyl groups in hybrimer gate dielectrics was varied by altering the processing conditions and its effect on the organic thin film transistor (OTFT) was investigated. Although the hysteresis in OTFTs depends on both the hydroxyl groups on the surface and in the bulk of the gate dielectric, the hydroxyl groups on the surface had a greater effect on the OTFT performance. The reduced hysteresis was achieved by the elimination of the hydroxyl groups on the surface by hexamethyldisilazane (HMDS) surface treatment.
The flexible organic electronics using polymeric substrates are degraded when they are exposed to the air. The organic materials in organic electronics such as OTFT, OLED and organic solar cell are very sensitive to the oxygen and water vapor. Long-lasting organic electronics, especially OLEDs, require the gas barrier which has water vapor transmission rate (WVTR) of <$10^{-6}$g/㎡/day and oxygen transmission rate (OTR) of <$10^{-3}$cc/㎡2/day/atm. In order to solve this problem, it is necessary to develop high quality thin film gas barrier with a low WVTR and OTR, excellent reliability, long-term stability, and a high optical transparency. Organic/inorganic barrier coatings have been investigated extensively to reduce the WVTR and OTR. In this study, photo-curable hybrimers were synthesized using sol-gel reaction and applied as organic layers in a multiple stack of organic/inorganic barrier. Organic layers are commonly used as smoothing, strengthening and defect-decoupling interlayers. Hybrimers as the organic layer is transparent and has a very high chemical stability. Hybrimer layer shows excellent homogeneous and conformal coverage, without the formation of pinholes or micro-cracks that could cause a reduction in the barrier performance. A good WVTR of $2.7\times10^{-3}g/m^2/day$ for the hybrimer/$Al_2O_3$/hybrimer/ $Al_2O_3$ barrier structures. The moisture barrier of hybrimer/$Al_2O_3$/hybrimer/ $Al_2O_3$ has a high optical transmittance of >80% in visible region.
유기 박막 트랜지스터 (organic thin film transistors, OTFTs) 는 AMLCD, AMOLED, 전자 종이, RFID, 센서 등 광범위한 분야에 응용이 가능하여 지난 수 십 년 동안 많은 연구 그룹에 의해서 집중적으로 연구되고 있다. OTFT의 성능 향상을 위해서 게이트 절연막의 선정 및 적용이 매우 중요하다. 게이트 절연막은 유기 반도체의 morphology와 방향성에 영향을 미치고 절연막의 표면 조도는 이동 전하의 이동에 매우 큰 영향을 미친다. OTFTs의 게이트 절연막은 고분자를 이용한 유기 박막과 SiO_2와 같은 무기 박막이 사용되고 있다. 유기 절연막은 저온 공정이 가능하고 낮은 생산 비용 등이 장점이나 용매에 대한 화학적 안정성이 떨어지고 낮은 유전율, 낮은 유전 파괴 전압 등의 단점이 있다. 무기 절연막은 화학적 안정성이 뛰어나고 높은 유전 파괴 전압 등의 장점이 있으나 진공 증착을 이용하고 고온 공정을 사용하고 있기 때문에 고가이고 표면의 dangling bond, 표면 조도등과 같은 defect등의 단점이 있다. 이러한 유기 박막과 무기 박막이 지니고 있는 단점들을 보완할 수 있는 게이트 절연막 재료의 연구 개발이 요구되고 있다. 최근 유기물과 무기물이 분자구조적으로 화학 결합되어서 상호 보완되면서 새로운 특성이 발현되는 솔-젤 하이브리드소재가 저온 화학 제조공정인 솔-젤 공정에 의해 제조되고 있다. 유기물과 무기물의 장점만을 취할 수 있는 솔-젤 하이브리드소재는 저온 공정, 용액 공정이 가능하여 저비용으로 제조가 가능하고 굴절율, 유전율, 열 안정성, 전기적 특성과 같은 물리, 화학적 특성을 쉽게 조절할 수 있고 표면이 매끄럽고 표면 에너지 등이 낮기 때문에 새로운 게이트 절연막으로 사용 가능하다.
본 연구에서는 솔-젤 법을 활용하여 광 경화성 솔-젤 하이브리드 재료를 제조하고 재료의 특성을 평가하였다. 또한 OTFT의 게이트 절연막에 적용하여 OTFT의 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 솔-젤 하이브리드 재료는 출발 물질의 조성과 첨가하는 transition metal의 양에 따라 유전율, 누설 전류 밀도 등의 물리적 특성의 조절이 가능하다는 것을 확인하였다. 또한 솔-젤 하이브리드 재료는 표면이 매우 매끄럽고 표면 에너지가 낮다는 것을 확인하였고 일반적인 고분자와 같은 유기물에 비하여 누설 전류 밀도가 작고 dielectric strength가 크다는 것을 확인하였다. 솔-젤 하이브리드 박막을 게이트 절연막을 적용하여 OTFTs를 제조하였다. 유기 반도체는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 과 pentacene을 이용하였다. 솔-젤 하이브리드 게이트 절연막 위의 P3HT와 pentacene은 매우 좋은 결정성과 큰 입경을 가지고 있는 것을 확인하였고 우수한 OTFTs 성능을 확보하였다. 또한 소-젤 하이브리드 재료는 두께가 얇아지더라도 누설전류밀도가 매우 낮기 때문에 저전압에서 작동하는 OTFTs를 제조할 수 있음을 확인하였다. 솔-젤 하이브리드 게이트 절연막을 이용한 pentacene OTFTs의 filed-effect mobility는 $0.66 cm^2/Vs$, 문턱 전압은 -14 V, subthreshold slope은 1.6V/dec이고 on/off current ratio는 3×10^6 임을 확인하였다. OTFTs와 같은 organic electronics에서 사용되는 유기물은 주변 환경에 매우 취약하다. 특히 공기 중에 노출되었을 경우 산소와 수분에 의해 열화가 진행된다. 장시간 안정성을 갖는 organic electronics를 제조하기 위해서는 수분 투과율 (water vapor transmission rate, WVTR)이 $10^{-6} g/m^2/day$ 이하이고 산소 투과율 (oxygen transmission rate, OTR)이 $10^{-3} cc/m^2/day/atm$ 이하인 가스 차단막을 요구하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 WVTR과 OTR이 매우 낮은 고성능 박막 가스 차단막에 대한 연구가 진행되고 있다. 최근 유기물과 무기물을 교차로 적층한 다층막 가스 차단막을 이용하여 WVTR과 OTR을 감소시킨 결과를 보고하고 있다. 그러나 지금까진 가스 차단 특성을 확보하기 위하여 무기물에 대한 연구가 진행되었지만 고성능 가스 차단막을 확보하기 위해서는 유기물에 대한 연구가 필요하다고 생각된다. 솔-젤 하이브리드 소재는 무기물의 특성을 가지고 있고 용액 공정이 가능하기 때문에 재료 내부에서 가스 확산도가 매우 낮을 것으로 예상되고 고성능 가스 차단막을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 광 경화성 솔-젤 하이브리드 재료를 제작하고 유/무기 다층막 구조에서 유기물 층에 적용하여 가스 차단 특성을 평가하였다. 솔-젤 하이브리드 재료는 균일하고 매우 좋은 conformal coverage를 가지고 있기 때문에 가스 차단 특성을 저하시키는 pin-hole이나 미세 크랙의 생성이 없는 것을 확인하였다. 또한 솔-젤 하이브리드 재료와 Al2O3를 이용한 다층막$ (hybrimer/Al_2O_3/hybrimer/ Al_2O_3)$ 가스 차단막은 WVTR 이 $2.7×10^{-3} g/m^2/day$ 로 매우 낮은 것을 확인하였고 가시 광선 영역에서 광 투과율이 80%이상으로 매우 투명하다는 것을 확인하였다."