Organic thin film transistors (OTFTs) are field effect transistor using an organic semiconductor in their channel. There has been great interest in OTFTs since they have many advantages, such as low temperature processability, easy processing method and low cost. OTFTs not only are very thin device but also can be fabricated on the flexible substrate such as plastic film, they can be applied to the new type of displays, such as flexible LCD, flexible OLED and E-paper.
Inorganic thin films such as $SiO_2$ have been used as gate insulators of the OTFTs because of their good electrical, chemical and thermal properties. But they cannot be fabricated on the flexible substrate because of their brittle property and it incurs a large expense to make inorganic layer. Recently, the organic gate insulators are studied as gate insulators. Organic gate insulators have many advantages, such as solution processability which can lower process temperature and make large-area OTFTs easily, and flexibility on the plastic substrate. But their thermal and electrical properties are not good enough.
Organic-inorganic hybrid materials are the nanocomposite materials which have the both inorganic and organic characteristics. The organic-inorganic hybrid materials can be applied to the gate insulators in the OTFTs because of their solution processabilities. Also it is easy to control the physical and chemical properties of organic-inorganic hybrid materials such as dielectric constant, surface roughness and hydrophobicity by a suitable selection of precursors and optimization of processing parameters. Thus, application of the organic-inorganic hybrid materials in OTFTs can fabricate the environmentally robust and flexible OTFTs with the plastic substrate.
Recent issue on OTFTs is the interface between organic semiconductors and gate insulators. Interface has an important role in OTFTs with high performance. Many studies report that the control of surface energy of gate insulators affects the performance of OTFTs by influencing the initial growth behavior, morphology and crystallinity of the pentacene layer. This study shows the behavior of pentacene growth and the performance of OTFTs, using the surface modified sol-gel hybrid gate dielectrics by adding perfluoroalkyl chains. Because gate insulators have perfluoroalkyl chains, surface energy can be controlled easily without any additional surface modifications. Also it shows good crystallinity, for pentacene molecules are aligned in the end of perfluoroalkyl chains. Changing the surface energy by controlling the portion of perfluoroalkyl chains, the growth behavior and the grain size of pentacene are observed. In best condition, OTFTs show good performance with high carrier mobility up to $1.1cm^2/V \cdot s$.
최근 유기물을 이용하여 플렉서블 디스플레이와 같은 플렉서블 전자기기를 구현할 수 있는 유기전자공학(organic electronics) 기술이 빠르게 발전하고 있다. 이러한 기술의 발전 및 융합은 플렉서블 스크린을 갖고 있는 전자책(e-book)과 같은 저렴하면서도 고성능을 갖는 새로운 타입의 전자기기의 출현 가능성을 제공하고 있다. 현재 유기전자공학은 상품화시장에서 시작단계에 불과하지만, 현재와 같이 빠르게 성장한다면 유기박막을 기반으로 하는 유기전자공학은 차세대 기술의 핵심이 될 것이다. 이미 organic light-emitting devices(OLED)를 기반으로 한 고효율, 고휘도 칼라 디스플레이가 상용화되었고, 유기반도체를 이용한 유기박막트랜지스터, 차세대 대체에너지 원으로 유기태양전지에 대한 연구도 활발히 진행되고 있고 성능이 향상되고 있다. 특히 유기박막트랜지스터(organic thin film transistors, OTFTs)는 유기전자공학의 핵심 능동 소자로서 미래의 유연하고 값싼 소자를 제작할 수 있는 유기전자공학에서 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.[1-3]
OTFT에 관한 연구는 1980년 이후부터 시작되었으나 근래에 들어 전 세계적으로 본격적인 연구가 진행되고 있다. OTFT는 소자의 동작 특성은 급속한 발전을 이루었으며, 최근의 OTFT의 특성은 능동 행렬 액정 디스플레이(active matrix liquid crystal display, AMLCD)에 사용하고 있는 비정질 실리콘 TFT의 특성과 비슷하거나 능가하고 있다.[4] OTFT는 AMLCD, AMOLED, 전자종이(electronic paper), RFID(radio frequency identification), 센서 등 광범위한 분야에 응용이 가능하고 일부는 상품화에 가까워지고 있다[1-4]. OTFT가 실제로 플렉서블 소자로 사용되기 위해서는 높은 전하이동도(carrier mobility), 낮은 문턱전압(threshold voltage), 높은 on/off current ratio 등의 특성을 지녀야 한다.[3] 플렉서블 OTFT의 요구 사항을 만족시키기 위하여 새로운 플렉서블한 게이트 절연막의 개발 및 공정 조건의 최적화 등이 필수적이고 이에 관한 연구를 활발히 진행하고 있다.[5-8]
지금까지 OTFT의 게이트 절연막용 재료에 대한 연구는 크게 3가지로 분류될 수 있다. $SiO_2$, $Al_2O_3$와 같은 무기박막, 고분자 등을 이용한 유기박막과 self assembly monolayer(SAM)등을 이용한 게이트 절연막에 대한 연구가 진행 중에 있다.[9] 무기 게이트 절연막의 경우 저 누설전류, 고 절연 파괴전압, 고 유전율, 유기용매에 대한 안정성 등 전기적, 화학적 특성이 우수하지만 고온공정, 진공장비 이용 등으로 인하여 제조 단가가 높고 플라스틱과 같은 기판을 이용할 수 없다는 단점이 있다. 또한 무기박막의 경우 표면이 dangling bond, hydroxyl group(OH) 등과 같은 친수성 표면과 거친 표면을 가지고 있어 OTFT의 hysteresis, 문턱전압의 변화와 같은 안정성에 심각한 문제를 일으키고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 소수성을 갖는 물질을 표면에 코팅하여 무기 게이트 절연막의 표면을 개질하는 것이 필수적이다. 또한 게이트 절연막의 patterning을 하기 위한 추가공정이 요구되어 OTFT의 제작 가격을 증가시키는 단점이 있다.
한편 용액 공정이 가능한 고분자 물질을 OTFT의 게이트 절연막으로 사용하려는 시도가 보고되고 있다. 플렉서블한 고분자인 poly(vinylphenol)(PVP), poly(methlymethacrylate)(PMMA), polyvinylalcohol(PVA), benzocyclobutene(BCB), polyimide(PI) 등을 게이트 절연막에 이용하는 연구가 진행되고 있다. 고분자를 이용한 절연막은 용액공정을 통하여 roll-to-roll 공정, 저온공정이 가능하여 낮은 생산 비용으로 플라스틱과 같은 기판을 이용하여 플렉서블 전자소자를 제작할 수 있다는 점이 장점이나 유기반도체 층의 형성할 때 사용되는 용매에 약해 화학적 안정성이 떨어지고, 유전율이 낮고 낮은 절연 파괴전압으로 인하여 두꺼운 막이 사용되어야 하고 구동전압이 높다는 단점이 있다.
SAM을 이용한 게이트 절연막은 hexamethyldisilazane (HMDS), octadecyltrichlorosilane(OTS)와 같은 물질이 연구되고 있다. SAM 게이트 절연막의 경우 게이트 절연막의 두께가 수 nm로 얇고 소수성 표면, 매우 매끄러운 표면을 가지고 있어서 구동전압이 낮고 전하의 전계 효과 이동도도 우수한 장점이 있지만 게이트 절연막의 제조가 매우 까다롭고 수율이 매우 낮다는 단점이 있다.
그러나 위에서 언급한 게이트 절연막은 모두 진공 장비를 사용하거나 SAM 형성 등 매우 어려운 기술을 적용하고 있어서 저가격, 단순공정을 요구하는 OTFT의 공정을 복잡하게 하고 생산비용을 상승시키는 역할을 한다. 따라서 공정을 단순히 할 수 있고 생산 비용을 줄일 수 있는 새로운 재료와 기술의 연구가 필요하다. OTFT의 성능 향상과 실제로 적용되기 위해서는 유기박막과 무기박막이 지니고 있는 단점들을 보완하고 장점만을 취하고 게이트 절연막의 요구사항을 만족시키는 새로운 재료의 개발이 요구되고 있다.
본 연구에 관련된 연구는 두 방향에서 살펴볼 수 있다. 첫 번째는 게이트 절연막으로 이용하는 재료에 대한 연구이다. 앞서 언급했듯이 현재 알려진 재료들은 각각의 고유한 문제점을 가지고 있기 때문에 OTFT의 성능 향상을 위해서는 새로운 개념의 재료가 요구되고 있다. 이에 유-무기 솔-젤 하이브리드재료는 훌륭한 대안이 될 것이라고 판단된다. 용액공정이 가능한 솔-젤 하이브리드재료는 개념적으로 솔-젤 공정을 기반으로 제조되어서 무기재료와 유기재료가 서로 분자 단위에서 화학적으로 결합되어 새로운 특성을 가지는 복합재료로서 무기재료에서 나타나는 열 안정성, 강도, 경도 및 제 3의 기능성과 유기재료에서 나타나는 유연성, toughness 및 제 3의 기능성을 동시에 이용할 수 있는 신개념 재료이다. 유기물과 무기물의 장점만을 취할 수 있도록 설계가 가능한 솔-젤 하이브리드재료는 솔-젤 공정을 이용하여 저온에서 3차원 망목구조 형성이 가능하기 때문에 무기재료가 가지는 광학적 특성을 이용한 광 응용 분야나, 유기재료의 첨가로 얻어지는 저유전율 박막의 응용분야에 까지 그 연구 분야가 확대 되었고, 친수성이나 소수성을 지닌 유기 금속 알콕사이드를 이용한 표면개질 분야, 접착제, 다공성 센서 이외에도 다양한 응용 분야로 확대되고 있다. 솔-젤법을 이용한 솔-젤 하이브리드재료는 제조에 사용되는 출발 물질인 금속 알콕사이드의 종류나 유기 그룹을 적당한 기능성 그룹으로 치환시키거나 공정 최적화를 통하여 소재의 유전상수, 굴절율, 표면에너지, 표면 조도등과 같은 물리적, 화학적 특성을 용이하게 제어가 가능하다. silsesquioxane 또는 organoalkoxysilane을 기반으로 하는 솔-젤 하이브리드재료를 OTFT의 게이트 절연막으로 이용하여 OTFT의 성능향상을 이룩한 경우가 최근 보고되고 있지만,[10-11] 이에 대한 연구는 아직 시작 단계에 머물고 있다.
두 번째는 게이트 절연막의 표면 상태에 따른 OTFT의 성능과 메커니즘에 대한 연구이다. 게이트 절연막의 표면 상태에 따른 OTFT의 성능과 메커니즘에 대한 연구는 최근 몇 년 사이에 활발하게 진행되고 있다.[12-14] 최근의 많은 연구 결과는 게이트 절연막의 표면개질을 통하여 고성능의 OTFT를 만들 수 있음을 보여준다. OTFT의 성능에는 pentacene과 같은 유기반도체와 게이트 절연막 사이의 계면이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 말하고 있다. 표면의 거칠기, 표면에너지 등에 따라서 유기 반도체의 초기 성장 거동과 결정 구조, 크기가 바뀌어서 OTFT의 성능이 변한다는 것이다. 게이트 절연막의 표면개질에 관한 연구는 대부분 $SiO_2$와 같은 무기 박막 상에서 OTS 등을 이용한 후속처리를 통해서 이루어진 것인데, 반면 솔-젤 하이브리드재료를 이용한 게이트 절연막은 물론 고분자 게이트 절연막에서도 연구된 바가 많지 않다.
본 연구에서는 솔-젤 하이브리드재료에 perfluoroalkyl 기능성 체인을 부가하여 긴 체인을 통해 표면상태를 조절할 수 있는 게이트 절연막을 제조하여 새로운 게이트 절연막용 재료에 대한 연구와 절연막의 계면연구, 두 측면을 모두 살펴보았다. 게이트 절연막 자체가 기능성 체인을 가지고 있기 때문에 OTS 등을 이용한 후속 처리가 필요하지 않고, 기능성 체인의 양을 변화시킴으로써 표면에너지를 쉽게 변화시킬 수 있다. 표면에너지에 따른 pentacene의 성장 거동과 OTFT 특성에 대해 연구하고 OTFT의 성능을 최적화하였다.
