Transition metal dichalcogenides (TMDCs) semiconductors offer substantial advantages for the next-generation electronic systems. Because of their stable semiconducting characteristics, superior mobility and current driving ability, TMDCs semiconductors are prominent candidates to replace conventional amorphous silicon (a-Si:H) for high-performance OLED display backplanes. In addition to robust electrical properties, their atomically thin nature allows physically flexible and transparent displays that are leading applications among the flexible electronics.
With mature synthesis and transfer techniques, there have been several successful results of prototype semiconductor devices based on TMDCs, especially $MoS_2$. However, most of the previous studies have been implemented with micron-scale mechanically exfoliated flakes, which lack reproducibility, although electronic systems including display backplanes mostly consist of numerous transistor groups on a large substrate. In this study, synthesizing of mm-scale large-area $MoS_2$ thin film through chemical vapor deposition (CVD), fabrication of flexible $MoS_2$ thin-film transistor (TFT) and OLED driving circuit arrays on polyimide substrates and device characterization would be covered. In conclusion, intrinsic properties of the $MoS_2$ thin film were maintained during the proposed device fabrication process, which minimized device failure. Fabricated TFTs showed sufficient driving current ($~ 240 \mu A$ @ VD = 5 V) and on/off ratio (~ $10^9$) even under bending radii of 3.5 mm (induced strain of 1.82 %). Moreover, practical 2T OLED driving scheme measurement was implemented with or without strain and fabricated circuit successfully demonstrated high driving current, extremely confined off-state leakage and precise gray scale control. Based on these results, it is expected that $MoS_2$ could contribute to realization of flexible and transparent OLED based high-performance displays or electronic systems in the near future.
2차원 물질의 일종인 전이금속 칼코겐화합물은 큰 밴드갭에 기인한 우수한 반도체 특성과 높은 전하 이동도를 가진다. 이러한 우수한 전기적 특성에 더해, 원자 수준의 두께로 물리적으로 휘어지고, 투명하다. 이로 인해 투명, 유연 디스플레이 분야에 응용이 기대된다. 투명, 유연 디스플레이의 핵심인 유기 발광 다이오드의 경우 액정 대비 높은 전하 이동도를 요구하기 때문에 기존 비정질 실리콘을 대체할 물질이 필요하다. 전이금속 칼코겐화합물은 산화물 반도체, 다결정 실리콘 등과 함께 대체 물질 후보로 꼽힌다.
그 중 이황화 몰리브덴은 합성, 전사 기술의 발전으로 다양한 소자 분야에서 활용되고 있다. 하지만 초기 연구는 주로 재현성이 없는 기계적 박리로 얻은 플레이크를 사용하였기 때문에 실제 응용과 거리가 있고 대면적 합성된 박막을 사용한 경우에도 실험적 수준의 단일 소자, 회로를 제작하는데 그치고 있어 실질적인 유연 유기 발광 다이오드 구동 회로에 대한 공정 개발 및 성능 평가가 필요하다. 본 논문에서는 대면적 이황화 몰리브덴을 사용하여 박막 고유 성질을 보존하면서 기존 반도체 및 디스플레이 공정과 호환성을 가지는 박막 트랜지스터 공정을 제시하고, 단일 소자 및 구동 회로에 대하여 성능 검증을 통해 이황화 몰리브덴이 투명 및 유연 디스플레이에 사용 가능성을 확인하였다.
