A series of ultrathin, high-k copolymer gate dielectric films was demonstrated. The copolymer films were syn-thesized from 2-cyanoethyl acrylate (CEA) and di(ethylene glycol) divinyl ether (DEGDVE) monomers by a free radical polymerization reaction via a vapor-phase method, initiated chemical vapor deposition (iCVD). The chemical composition of the copolymers was systematically optimized by tuning the input ratio of the vaporized CEA and DEGDVE monomers in order to achieve a high dielectric constant (k) as well as excellent dielectric strength. The DEGDVE crosslinker matrix provides a reinforced insulating performance to the polymer dielectric layer, whereas the high dielectric constant stems from the CEA moiety with high dipole moment. The dielectric film with the optimized composition showed the dielectric constant of 6.2 and also extremely low leakage current densities ($<3.2 x 10^{-8} A/cm^2$ in the range of $\pm$2 MV/cm), whose thickness was only 20 nm. Such an excellent dielectric property was maintained even with the applied tensile strain up to 2.2%. With the high-k dielectric layer, organic TFTs (OTFTs) and oxide TFTs were fabricated, which commonly showed hysteresis-free transfer characteristics with the operating voltage less than 5 V . Furthermore, the flexible OTFTs on a plastic substrate retained their low gate leakage current and ideal TFT characteristics even in bent condition with the 2% of the applied tensile strain. These ultrathin, high-k organic dielectric films with excellent dielectric performance and mechanical flexibility will play a crucial role in future soft electronics.
박막 트랜지스터는 전자소자의 핵심 구성 요소로서 차세대 웨어러블 전자소자로의 응용을 위해 다양한 물질들이 개발되고 있다. 고분자 절연막은 유연하지만 일반적으로 유전상수가 낮고 우수한 절연강도를 위해 매우 두꺼운 두께가 요구된다. 본 연구에서는 높은 유전상수를 가진 공중합체 절연막을 개발하였다. 강한 극성을 가진 단량체와 가교제를 기상 공정을 이용하여 합성하였고, 두 단량체간의 조성비는 박막이 높은 유전상수와 강한 절연특성을 모두 나타내도록 조절되었다. 최적화된 공중합체 절연막은 6.2의 높은 유전상수와 20 nm 두께에서도 매우 작은 누설전류 특성($<3.2x10^{-8} A/cm^2$)을 보였고, 이러한 절연특성은 2.2%의 인장변형에도 유지되었다. 합성된 고분자 절연막을 유기 박막 트랜지스터와 산화물 박막 트랜지스터에 적용한 결과 고성능 소자의 저전압 구동을 가능해졌다. 또한 최적화된 고분자 박막을 이용한 유기 박막 트랜지스터를 플라스틱 기판에 적용하여 유연 소자를 제작하여 소자에 인장변형을 가했을 때에도 매우 작은 누설전류 특성이 유지되었고, 이상적인 소자 특성을 나타내었다. 본 연구에서 합성한 고유전율 초박막 고분자 절연막은 미래 유연 전자소자 분야에 크게 기여할 것으로 기대된다.
