In this thesis, the patterning technique of organic semiconductor rubrene using electron beam irradiation and its application to organic thin-film transistor (OTFT) is investigated. The electron-irradiation brings crosslinking of the organic semiconducting material rubrene and dielectric polymer material polystyrene (PS). By the selective crosslinking of organic mole-cules, patterned of crystalline rubrene thin film can be achieved from two different patterning approaches. First method involves selective cross-linking of polystyrene, which is layered on top of a SiO2 dielectric, using electron beam irradiation prior to the deposition and crystalliza-tion of rubrene. As cross-linking decreases the unstable motion amongst the polymeric chain of PS, rubrene only crystallize when deposited on irradiated PS, allowing for patterning. This controlled thermal crystallization using pre-treated template is unprecedented and it can be used to achieve high performance patterned TFTs and clear pattern boundaries. However, it showed its limit at the problem of the dewetting of rubrene at the pattern boundaries.
The second method entails selective cross-linking of crystalline rubrene thin-film using electron beam irradiation. After the heating in vacuum, only irradiated areas are remained due to superior thermal stability of cross-linked rubrene. After electron irradiation, the mobility of rubrene is decreased but this damage can be minimized by the optimization of experimental conditions and also, it could be recovered by air-heating again. This patterning approach has its advantage of having high resolution which allows fabrication of nano-scale pattern. During patterning experiments, in-depth research concerning the interactions between electron beam irradiation and organic materials can be studied and analyzed. The fact that rubrene require high temperature for crystallization is considered a disadvantage in the selection of dielectric or substrate materials. However, this thesis shows that the high crystallization temperature can also be used as an advantage in stability and heat-induced recovery of the crystalline phases of rubrene molecules. Furthermore, it can show collaborative research between the fields of radiation technology and organic electronics.
본 학위 논문은 전자빔 조사를 이용한 유기반도체 물질인 루브렌의 패터닝 기술의 개발과 유기 박막 트랜지스터로의 응용에 관한 것이다. 전자빔 조사는 유기 물질의 가교반응을 위한 효과적인 방법으로서, 유기반도체의 유기박막트랜지스터의 응용을 위해 각각 반도체와 절연체 물질에 전자빔을 조사하고 이로 인한 가교반응을 통해 최종적으로 패턴된 루브렌 결정 박막을 얻는 두 가지 방법이 소개되었다. 먼저 고분자 박막을 반도체-절연체 사이에 도입해서 마스크 아래에서의 전자빔 조사를 통해 부분적으로 가교 반응을 유발, 가교된 고분자와 가교 안된 고분자의 열적 구동 차이를 이용한 패터닝 방법이 연구되었다. 전자빔 조사로 인해 가교된 고분자 폴리스티렌 위에서는 증착 및 가열된 루브렌이 성공적으로 결정화되는데 반해서, 전자빔 조사가 되지 않은 폴리스티렌은 상대적으로 낮은 유리화 온도에 의해서 위에 놓인 루브렌의 결정화를 방해하고 결국 비정질 상태로 남게끔 한다. 여기에 같은 물질이지만 결정화된 부분에서만 높은 전하이동도를 가지는 루브렌의 성질을 접목, 결정상태의 차이로 인해 전하의 흐름을 제어할 수 있는 새로운 형태의 패터닝 방법을 제시할 수 있었다. 하지만 이 방법은 패턴 경계면에서의 부분적 비젖음 현상으로 인해 미세패턴으로서의 응용에는 한계를 가짐을 확인할 수 있었다.
이를 극복하기 위해 두 번째 방법으로 먼저 결정화된 루브렌 박막에 전자빔을 조사함으로써 부분적인 가교 반응이 일어나고 이를 통해 선택적으로 루브렌의 열적 안정성을 향상시킬 수 있었다. 이를 이용해서 전자빔이 조사되지 않은 루브렌은 제거하고 전자빔 조사된 루브렌만 남기는 현상 공정이 가능하였으며 최종적으로 패터닝된 루브렌 박막을 얻을 수 있었다. 이 전자빔 조사를 이용한 루브렌의 물성 변화는 스위칭 동작이 가능한 범위 내에서 약간의 성능 감소를 수반하지만, 높은 전자빔의 분해능으로 인해 기존에 불가능하던 수십에서 수백 나노미터 수준의 미세한 패턴이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
위의 방법들을 통해 만들어진 패턴된 루브렌 박막트랜지스터는 나노단위의 소자를 필요로 하는 유기나노전자 분야 및 각종 유기전자소자에 응용될 수 있으며 본 연구들을 수행하는 과정을 통해 전자빔과 유기 물질의 상호작용 및 특히 상대적으로 많은 연구가 이루어지지 않은 단분자 물질의 가교 반응에 대해서 알게 될 수 있었다. 또한 지금까지 단점으로만 지적되었던 루브렌의 높은 결정화 온도를 열에 대한 안정성과 열적 패터닝이 가능하다는 장점으로 바꾸었다는 점에서 연구적 발상 전환의 훌륭한 선례가 될 수 있으리라 기대해 본다.
