Forthcoming electronic devices are expected to have various unprecedented form-factors such as flexibility, transparency, and wearability. Because conventional inorganic based electronic devices cannot fulfill the requirements for such form-factor demands due to their brittleness and high process temperature, organic thin-film transistors (OTFTs) are regarded as promising candidates for future electronics in those respects. Furthermore, expectations for OTFTs have recently grown high with the steady evolution of their performance; indeed, their channel mobility has exceeded $10 cm^2/Vs$, far larger than that of amorphous Si. To fully realize the possibility of OTFTs and thus that of future electronics, devices are desired to be fabricated with a minimal or no use of inorganic materials; however, the lack of organic insulators with properties comparable to those of conventional inorganic insulating layers has been a major bottle neck. In the initial stage of this work, high-quality ultra-thin fluoropolymer insulating layers are realized from a conventional solution route, with a leakage current as low as ca. $1 nA/cm^2$ at 1.6 MV/cm, by using an appropriate cross-linking agent. Using this fluoropolymer-based layer as a gate insulator (GI) layer, low-voltage stable OTFTs are demonstrated. With the same GI, fully colorless transparent OTFTs are also demonstrated with the help of metal-based multilayer transparent electrodes and wide-gap organic semiconductors based on benzothiophene derivatives. However, these solution-processed polymer insulating layers are often insufficient in terms of insulating strength, production yield, or process compatibility. Hence an alternative dry-process called initiated chemical vapor deposition (iCVD) is introduced. iCVD process is a vapor-phase free-radical polymerization method which utilizes the delivery of vapor-phase monomers to form polymeric films directly on the surface of a substrate. Poly(1,3,5-trimethyl-1,3,5-trivinyl cyclotrisiloxane) (pV3D3) insulating layers made by the iCVD process exhibits excellent insulating properties comparable to that of inorganic insulating layers: leakage current density of ca. $1 nA/cm^2$ at 3 MV/cm for thicknesses down to ~6 nm; breakdown field intensity of over 6 MV/cm; and excellent yield and uniformity over large areas. Detailed study based on energy band structure, microscopic observation, elemental analysis, and cryogenic conduction mechanism analysis reveals that these highly favorable insulating properties originate from wide-gap nature of the pV3D3 films (band-gap is 8.25 eV) and from their amorphous, defect-free, conformal nature. Low-voltage TFTs with various organic and oxide channel layers are fabricated using iCVD processed pV3D3 GIs; these TFTs show favorable characteristics in all cases, with low gate leakage current, high field-effect mobility, and good operational stability. Also, because the iCVD process produces polymer layers based on physical adsorption at near room-temperature in a solvent-free condition, the polymer insulating layers are efficiently deposited onto various underling layers with little constraints in most cases; for example, top-gated OTFTs, in which GIs are deposited onto organic channel layers, turn out to operate well, indicating the damage-free nature of the iCVD process. Likewise, OTFTs fabricated on various flexible substrates show characteristics almost identical to those of devices fabricated on glass substrates. Furthermore, OTFTs arrays with polymer GIs prepared by the iCVD process on large area plastic substrates show excellent uniformity, which may be attributed to uniform and conformal coating capability of the iCVD process.
다가오는 미래형 전자제품은 유연성, 투명성, 착용성 등의 다양한 폼-팩터 (form-factor) 를 지닐 것으로 기대되고 있다. 기존의 무기물 기반 전자소자는 깨지기 쉬운 특성과 높은 공정 온도로 인해 이러한 폼-팩터를 충족하기 어렵기 때문에, 유기물 반도체에 기반한 유기 박막 트랜지스터(OTFT)가 미래 전자소자의 유력한 후보로써 고려되어 왔다. 그리고 OTFT의 성능이 지속적으로 향상되어 현재는 비정질 Si TFT를 훨씬 넘는 $10cm^2/Vs$ 이상의 이동도를 보임에 따라 그 기대 또한 높아지고 있다. OTFT의 가능성을 충분히 실현하고 그에 의해 미래전자소자를 실현하기 위해서는 소자의 제작에 있어 무기물이 사용되지 않는 것이 이상적이다. 하지만 현재까지 무기물 절연층의 성능을 따라잡지 못하는 유기물 절연층이 그 성공을 막는 주요 원인이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 우선 기존의 용액공정에 기반한 초박막 불소계 고분자 절연층의 절연특성을 가교제를 사용해 개선하였고, 그 결과 1.6 MV/cm의 전계세기에서 $~1 nA/cm^2$ 의 누설전류를 보였다. 그리고 이 가교결합된 불소계 고분자층을 게이트 절연층으로 사용하여 2 V에서 구동 가능한 저전압 OTFT를 제작하였고, 동일 구조에 금속박막 기반의 투명 전극과 큰 밴드갭을 가진 유기물 채널을 적용하여 무색 고투명 OTFT를 성공적으로 제작하였다. 하지만, 본 용액공정 고분자 절연층은 결국 충분한 파괴전계세기, 수율, 및 공정 호환성을 보이지 못하였고, 이에 개시제를 사용한 화학기상증측법 (iCVD: initiated chemical vapor deposition)을 도입하게 되었다. iCVD는 단량체 기체로 부터의 공중합 반응을 통해 표면에 바로 고분자 박막을 형성하는 방법으로써, iCVD 공정으로 제작된 pV3D3 (poly(1,3,5-trimethyl-1,3,5-trivinyl cyclotrisiloxane)) 고분자는 3 MV/cm에서 $~1 nA/cm^2$ 의 누설전류, 6 MV/cm 이상의 파괴 전계세기, 그리고 대면적에서 높은 수율과 균일성을 보여 기존의 무기물 절연층에 비견할 만한 성능을 보였다. 그리고 에너지 밴드구조 분석, 미세형상 분석, 성분 분석, 및 극저온에서의 누설전류 메커니즘 분석을 통하여, 밴드갭이 큰 (8.25 eV) 고분자 박막이 비정질의 상태로 균일하고 결함 없이 형성되는 것이 우수한 절연 특성의 원인임을 밝혀내었다. iCVD 공정에 의한 pV3D3 고분자 절연층을 다양한 OTFT 및 산화물 TFT의 게이트 절연층으로 적용하였을 때, 각각의 반도체에 대하여 충분히 높은 성능과 낮은 게이트 누설전류, 그리고 좋은 동작 안정성을 보이는 저전압 TFT들을 제작되었다. 또한 iCVD 공정은 상온에 가까운 온도와 무용매 환경에서 물리흡착에 기반하여 고분자 박막을 제작하므로 대부분의 하부 물질에 거의 손상 없이 절연층을 제작할 수 있고, 이에 따라 유기물 채널층 위에 절연층을 제작해야 하는 상부 게이트 구조의 OTFT에 적용하였을 경우에도 좋은 특성을 보임을 확인하였다. 그리고 동일한 이유로 유리 기판에 제작된 OTFT와 동일한 특성을 보이는 소자를 다양한 유연기판에 제작할 수 있었다. 게다가 iCVD공정 고분자층을 게이트 절연층으로 사용한 OTFT 배열을 대면적 플라스틱 기판 위에 제작하였을 때 우수한 균일성을 보였는데, 이는 iCVD 공정의 균일성에 기인한 것이다. 본 연구 결과, 고분자 절연층을 사용한 OTFT가 다양한 폼-팩터를 가진 전자소자의 제작에 원활히 대응할 수 있음을 알 수 있고, iCVD 공정 고분자 절연층이 미래전자소자의 제작을 위해 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.
