The conducting polymers have received great attention based on their features such as light weight, flexibility, controllable film color, and large-area processability. Not like polymer semiconductors, intrinsically conducting polymers are already commercialized. And eco-friendly processes using water and alcohol-based solvents are possible. The optical and electrical properties of conducting polymers can be controlled by using doping state control and various post treatments. Although highly conductive conducting polymers are hard to utilize as semiconductors in transistor devices, some studies showed that the conducting polymers can be used as high-mobility semiconductors in electrochemical devices using liquid electrolytes. However, the problems of liquid electrolytes such as leakage, evaporation, and contamination limit the application of electrochemical devices. In this study, organic transistors with solid-state and dry-environment-operational characteristics were demonstrated. In order to obtain semiconducting characteristics in conducting polymers, studies about control of doping state in conducting polymer were conducted. Adding on to doping-controlled conducting polymers, nonvolatile ionic liquid-based solid-state electrolyte, ionogel, was used to achieve high performance transistors with low-voltage operation without above problems. The previously reported solid-state electrolyte used conducting polymer electrolyte-gated transistor devices showed very low on-to-off current ratio. By using enamine base, doping-controlled conducting polymer film showed high-mobility, high on-to-off current ratio with sub-5 V operation with two-dimensional channel formation in dry environment. In addition, control of doping state with stronger reducing agent, amidine base, was conducted and the amidine-treated conducting polymer-based transistor showed negative threshold voltage and well-resolved linear and saturation currents with conventional field-effect transistor devices. Through the studies about doping-controlled conducting polymers, I investigated material property against doping state, and suggested new application of conducting polymers as semiconductor. Not only chemical dedoping, various doping and dedoping methodologies, such as secondary doping treatment and high-energy radioactive ray irradiation, were demonstrated. This study will open a way to use conducting polymers as semiconductors in solid-state devices and will widen the application of conducting polymer.
전도성 고분자는 경량성, 유연성, 조절이 가능한 박막 색, 용액공정 기반의 대면적 공정 등의 특징을 바탕으로 큰 관심을 받아왔다. 고전도도를 갖도록 도핑이 되어있는 전도성 고분자는 고분자 반도체 소재들과는 달리 이미 산업화가 되어있고, 수계 및 알코올 계 용매 등을 이용한 친환경적인 공정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 전도성 고분자는 도핑 농도 조절 및 다양한 후처리를 이용해 광학적, 전기적 특성을 조절할 수 있다. 일반적으로 전도성 고분자는 높은 전도도를 보유하고 있어 반도체로 활용하기 어렵지만, 액체 전해질을 이용한 전기화학 소자에서는 고이동도 반도체로 활용 가능함이 보고되고 있다. 하지만 액체 전해질의 누액, 증발, 오염 등의 문제는 전기화학 소자의 사용 범위를 제한하고 있다. 이에 본 연구에서는 고체상과 건조 환경에서도 구동이 가능한 유기 트랜지스터 소자를 개발하기 위해, 전도성 고분자 박막의 반도체적 특성을 유도하고자 도핑 준위를 조절하는 연구를 진행하였고, 이어 비휘발성 이온성 액체 기반의 고체상 전해질을 사용하여 앞선 문제가 없는 저전압, 고전류 트랜지스터에 대한 연구를 진행하였다. 기존에 보고된 전도성 고분자에 고체상 전해질 기반 소자는 건조환경에서 높은 벌크 전도도로 온/오프 전류비가 매우 낮았는데, 엔아민 계열 염기를 이용하여 도핑 준위를 조절한 박막을 이용하여 제작한 소자에서는 5 V 이내의 구동 전압에도 고이동도, 고전류비를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 제작한 고체상 전해질 게이트 트랜지스터 소자가 건조한 환경에서 구동이 가능하며, 2차원 채널 형성을 하는 것을 확인하였다. 이와 더불어 더욱 환원력이 강한 아미딘 염기를 이용한 처리에서는 이동도는 낮았으나 산화막 유전체를 이용한 전계효과 트랜지스터에서 확연한 전류의 포화와 높은 온오프 전류비를 확인할 수 있었다. 위와 같은 도핑 준위 조절을 통하여 낮은 도핑 준위의 전도성 고분자의 물성을 분석하였고, 전도성 고분자를 고체상 소자에서도 반도체로 활용할 수 있는 방법을 제시할 수 있었다. 아민 계열 후처리 뿐만이 아니라 산 처리 및 방사선 조사 등을 통해서도 도핑 준위를 조절할 수 있었고, 본 연구를 통해 전도성 고분자 소재의 적용 범위가 다양하게 확장될 것으로 기대한다.
