It was discovered that non-luminescent polystyrene (PS) can be converted to luminescent materials whose color can be changed in a wide visible range by electron irradiation. After the analyses of electron-irradiated PS, it was found that polycyclic aromatic hydrocarbons are produced by the irradiation and these PAHs are the origin of the luminescence from the electron-irradiated polymer. Based on the finding, a straightforward approach to produce desired light-emitting nanoarchitectures and nanopatterns only by irradiating an electron beam to the polymer was presented. In particular, the top-down irradiation approach pro-vides a powerful tool to fabricate a variety of interesting nanoarchitectures when combined with bottom-up approaches; PS nanostructures prepared by self-assembling techniques can be directly transformed to lumi-nescent nanostructures by electron irradiation while keeping their pristine morphologies. Light-emitting materials are widely used for optical, photonic, chemical and biomedical devices and a rapid progress in the devices requires well-defined luminescent nanoarchitectures. The approach presented here will be useful for a wide range of research fields including optics, photonics, chemistry, and biologics.
On the other hand, a very simple but effective approach to produce high-performance rubrene organic thin-film transistors (OTFTs) with characteristics better than amorphous silicon TFTs was presented. Only by an abrupt heating process, high-quality crystalline rubrene semiconductor thin films that have almost ideal structures for OTFTs are created. The produced crystalline thin films consist of highly ordered, uniaxially oriented single-crystalline grains with large average sizes and the grains are interconnected with one another to form continuous films over the whole dielectric surfaces. Such high-quality crystalline rubrene thin films are remarkably rapidly produced in just 30 sec through this approach.
Moreover, the increase of carrier mobilities was presented through the surface modification of $SiO_2$ dielectrics with electron irradiated PS. This results might caused by reduction of surface energy, and thus enhance the crystallinity of initial layer of rubrene film. Therefore, the presented technique is very promising for practical applications of rubrene semiconductors to organic electronics.
비발광 물질이었던 폴리스티렌이 전자빔 조사에 의해 새로운 유기 반도체성 발광물질로 변한다는 사실이 밝혀졌다. 전자빔에 조사된 폴리스티렌이 발광하는 이유는, 전자빔 조사에 의해 다양한 라디칼이 형성이 되고 재결합 함에 따라 폴리스티렌 내에 다양한 다환 방향족 탄화수소가 존재하기 때문인 것으로 보인다. 또한 전자빔에 조사됨에 따라 형광색이 적색편이 하고 광학적 밴드갭이 줄어드는 것으로 보아, 생성된 다환 방향족 탄화수소의 크기는 전자빔의 조사량이 증가함에 따라 커지는 것으로 판단된다. 한편, 전자빔 조사에 의해 폴리스티렌을 발광물질로 바꿀 수 있다는 사실을 이용하여 다양한 방법으로 발광 나노구조체를 제조하였다. 우선, bottom-up 방식으로 제조된 나노 구조체에 전자빔을 조사함으로써 나노선 및 나노구의 발광체를 제조할 수 있었으며, top-down 방식을 이용하여 나노점, 나노선 및 다양한 모양의 나노 발광체 패턴을 제조할 수 있었다. 발광 나노구조체는, 광학 및 생화학 분야에서 앞으로 응용가능성이 매우 크다. 한편, 전자빔 조사방법은 단일 공정만으로 간단하게 다양한 발광 나노구조체를 제조할 수 있어 앞으로의 이용 가능성이 크다 할 수 있다.
한편, 급속가열법을 이용하여 매우 간단하고 빠르게 고품질의 루브렌 결정질 박막을 제조할 수 있는 공정이 개발 되었다. 또한 제조된 루브렌 결정질 박막을 이용하여 비정질 실리콘 박막트랜지스터의 성능을 능가하는 고성능 유기박막트랜지스터를 제조 할 수 있었다. 급속가열법은 비정질의 루브렌 박막을 암실 및 질소분위기에서 이미 가열된 hot-plate에 1분 이하의 시간 동안 올려놓음으로써 상온에서 목표로 하는 온도까지 급속하게 가열하는 공정이다. 급속가열법을 통하여 제조된 루브렌 결정질 박막은 가열 온도에 따라 결정질의 모양이 다르며 온도증가율, 비정질 박막의 두께 및 가열시간에 의해서도 영향을 받는다. 고품질의 루브렌 결정질을 만드는 최적의 조건은 약 20 nm의 루브렌 두께와 170℃ 의 가열온도 및 약 30초의 가열 시간이다. 최적의 조건에 만들어진 루브렌 결정질 박막은 결정의 구조가 orthorhombic 이며 grain의 크기가 매우 크고 단결정과 같이 결정도가 뛰어나다. 또한 각각 grain은 ab결정면의 방향이 동일한 뿐만 아니라 grain 경계면에서도 서로 잘 연결되어 있다. 고품질의 루브렌 결정질 박막을 이용하면 전하 이동도가 $1.21 cm^2 V^{-1} s^{-1}$ 이고 on/off 전류 비율이 106 이상인 고성능의 유기 박막 트랜지스터를 제조할 수 있다.
또한, 앞서 제조된 유기박막트랜지스터의 성능을 향상시키고자 전자빔에 조사된 폴리스티렌과 루브렌을 이용한 급속가열법의 기술을 접목하여 유기 박막트랜지스터를 제조하였다. 만들어진 유기 박막트랜지스터는 전하 이동도가 $2.51 cm^2 V^{-1} s^{-1}$ 이고 on/off 전류 비율이 106 이상인 고성능 성능을 나타내었다. 측정된 박막트랜지스터의 전하 이동도는 실리카를 이용한 루브렌 유기 박막 트랜지스터에 비하여 약 2.5배 증가한 값이다. 이러한 이동도의 증가는, 전자빔에 조사된 폴리스티렌이 유전체의 표면을 개질 함에 따라 기존의 실리카 보다 표면에너지를 낮추는 효과를 가져오게 되고 또한 이에 최하층의 결정성 및 grain의 연결성이 향상되어 나타나는 것으로 보인다.
본 연구에서 제시된, 고성능 유기박막트랜지스터 제조 방법은 매우 간단하여 이를 사용하는 이용분야에 유용하게 사용 될 것으로 보인다.