Organic TFTs as a replacement for amorphous silicon based TFTS receives lots of attention due to strong advantages such as large area coverage, low temperature processing, structural flexibility and low-cost processing for next generation electronics, while they also suffer from poor device mobility.
The high field-effect mobility and solution processability of regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT), a member of the most studied family of conducting polymers, have considered as interesting material in organic thin-film transistors due to their self-organized conjugated lamellae with strong л- л stacking. However, P3HT ($10^{-3}cm^2V^{-1}s^{-1}$) indicate lower charge mobility generally than inorganic semiconductor ($Si:500cm^2V^{-1}s^{-1}$). To enhance the charge mobility of P3HT, carbon nanotubes (CNTs) have been incorporated into P3HT recently by many researcher. Since carbon nanotubes were reported by Iijima in 1991, the unique structure and chemical, mechanical, optical, and conducting properties of CNTs has made them promising materials for various applications such as electrodes in circuits, hole/electron transport media in photovoltaic devices, mobility enhancers for organic semiconductors, etc. However, it is extremely difficult to disperse in a polymer matrix because of their strong Van der Waals interactions between the each tubes.
In this study, Solution processable Organic Thin-Film Transistors(OTFTs) with CNT were fabricated to overcome those above problems. First of all, The chosen method was non-covalent functionalization process to minimize the drop of electric conductivity in CNT based materials. A functionalization process was investigated to homogeneously disperse single wall carbon nanotubes(SWNTs) by modified pyerene molecules. This modification expects that SWNTs can be dispersed in hydrophobic solvents by increasing the hydrophobicity, steric hinderance effect. SWNTs after non-covalent functionalization by modified molecules show that SWNTs were homogeneously dispersed in hydrophobic organic solvents and high conductivity compared to covalent functionalized SWNT.
Lastly, Bottom-gate OTFTs with non-covalent functionalized SWNT/P3HT nanocomposites were fabricated by simply solution process. As a results, SWNT in non-covalent functionalized SWNT/P3HT nanocomposites in OTFT were uniformly dispersed in polymer matrix. As Increasing CNT concentration, the mobility was increased by high conductivity of CNT up to 0.25wt%. Further, SWNT/P3HT nanocomposite OTFT were obtained high performance which showing an hole mobility of $0.014cm^2V^{-1}s^{-1}$ at 0.25wt% m-P-SWNT, which is an enhancement of more than 14 times over pure P3HT OTFTs. In addition, this results means that the dispersion of CNT effects to enhancement of mobility compared to pristine SWNT/P3HT OTFT.
The homogenously dispersed SWNT/P3HT OTFT fabricated by solution and spin coating process would be applicable to various field. From above results, it is expected that non-covalent functionalized SWNTs and their composites can be good candidate material as a advanced electronic device achieving enhancement of mobility.
유기박막트랜지스터(Organic thin film transistor,OTFT)는 지난 10년간 활발한 연구가 진행되어 지고 있다. OTFT는 먼저 기판의 종류에 제한이 없이 대면적 박막을 성형할 수 있는 점, 그리고 저온 공정이 가능한 점, 또한 저가격화 등의 무기반도체로서 구현하기 어려운 유기반도체의 고유특성으로 디스플레이, 태양전지, RFID 등에서 많이 적용되고 있다.
P3HT는 용액 공정이 가능한 다른 유기고분자에 비해서는 높은 정공 이동도를 가지나, 무기반도체에 비해서는 낮은 이동도를 가진다. 이와 같이 P3HT의 낮은 정공 이동도를 향상시키기 위해 높은 정공 이동도, 전기 전도도를 가진 CNT를 이용하여 복합화하여 이동도의 향상을 높이는 연구가 최근에 보고되고 있다.
이 연구에서는 P3HT의 낮은 이동도를 향상시키기 위해 CNT/P3HT 복합화하여 OTFT를 제작하였다. CNT는 기계적, 화학적, 전기적, 열적 성질이 우수하나, 탄소나노튜브는 수 나노미터 수준의 두께와 긴 장대비로 인한 강한 반 데르 발스 힘(Van der waals force)를 가지며, 이로 인해 주로 응집체의 형태로 존재하기 때문에 용해되거나 분산되기 어려워 그 자체로는 직접 사용이 어렵다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 CNT의 기능기화가 필요한데, 이제껏 CNT/P3HT 복합체 OTFT의 경우는 공유 기능기화를 이용한 CNT를 사용하였다. 그러나 공유 기능기화는 CNT의 외벽에 인위적으로 defect를 형성시켜 CNT 사이의 bundle을 극복하는데, 이와 같은 경우 전기적 특성이 떨어진다.
전기적 응용을 위한 기능기화로서, 본 연구에서는 탄소나노튜브의 기능기화시 결정성 파괴를 최소화하기 위하여, 분자제어를 통한 비공유 기능기화의 방법으로 기능기 분자를 탄소나노튜브 표면에 부착시켜, 공유결합에 의한 전기전도도의 감소를 막고, 탄소나노튜브의 분산 및 기지와의 혼합 특성을 향상하였다. 고분자 기지에 효율적으로 복합화 하기 위해서 먼저, 기능기 단분자를 개질 함으로서 화학적 기능기인 알킬 아마이드기(alkyl-amide)기를 부여하였다. 소수성 및 높은 입체장애를 가지는 긴 알킬체인을 아마이드결합의 형성을 통해 소수성 용매 내에서도 높은 분산성을 가지는 탄소나노튜브의 기능기화 공정을 연구하였다. 이와 같이 개질된 기능기 단분자는 특성 평가를 통해 개질을 확인하였으며, 또한 탄소나노튜브는 개질된 기능기 단분자가 탄소나노튜브의 벽에 л- л 결합을 통해 비공유 기능기화되었으며, 전기적 특성 저하를 최소화하며 유기용매에 균질하게 분산되어 있음을 확인하였다.
최종적으로, 이와 같이 소수성 용매에 균질하게 분산되는 탄소나노튜브를 이용하여 P3HT와의 복합체를 제조하여 유기박막트랜지스터를 간단한 용액공정을 통해 Bottom-gate로서 제작하였다. 유기박막트랜지스터의 P3HT 기지 내에서 균질 분산되어 있는 것을 미세조직을 통해 확인하였으며, P3HT만으로 제작한 유기박막트랜지스터의 경우 1.0 x 10-3 $cm^2$/Vs 의 전계 효과 이동도가 탄소나노튜브의 높은 전기 전도도와 정공 이동도에 의해 비공유 기능기화된 탄소나노튜브를 첨가함으로써 전계 효과 이동도가 증가하며 특히, 0.25 wt%에서는 14배 정도의 0.0147 $cm^2$/Vs의 높은 전계 효과 이동도를 가진다. 또한 기능기화 시키지 않은 탄소나노튜브를 이용한 유기박막트랜지스터에 비해 비공유 기능기화 시킨 탄소나노튜브를 이용한 유기박막트랜지스터의 경우 10배 이상 전계 효과 이동도가 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 탄소나노튜브의 균질 분산성이 전계 효과 이동도에 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있다.
비공유 기능기화로 인해 전기적 특성의 저하를 최소화하고 소수성 용매 내에서 균질 분산된 탄소나노튜브를 응용하여 탄소나노튜브/전도성 고분자 나노복합체는 유기 반도체로서 매우 유망한 재료이다. 무엇보다도 용액 공정으로 인해 저가격 공정과 대면적 균질 박막 성형, 그리고 저온 공정이 가능하므로 여러 분야에 응용이 용이 할 것으로 전망된다.
