Solution coating offers great potential for low-cost manufacturing of large-area and flexible electronics due to low temperature and pressure processability with high throughput. Among a variety of solution-based processing, meniscus-guided coating (e.g., dip-coating, zone casting, bar-coating, slot-die coating, and solution shearing) can fabricate large-area high-quality thin-film formation and be compatible with the roll-to-roll process, which leads to applications such as photovoltaics, metal organic frameworks (MOFs), sensors, and organic thin-film transistors (OTFTs). In particular, solution shearing, where the solution is inserted between the coating blade and the substrate, can precisely control solvent evaporation by controlling capillary force and viscous force. Unfortunately, in solution shearing, in-depth fundamental discussion of thin-film crystallization including nucleation, crystal growth, and film-formation has little direction. It is attributed to the fact that process parameters (e.g., temperature, coating speed, tilt angle, gap, concentration) are intricately interconnected and influence fluidic dynamics in solution is understood at a rudimentary level and limits the research to a trial-and-error approach. To define the fundamental kinetics of thin film crystallization, meniscus curvature is one of the most important parameters affecting solvent evaporation since it is closely related to various process parameters and is directly in contact with the liquid-solid boundary where crystallization. Here, a novel analysis of the effects of a three-dimensional meniscus curvature on solvent evaporation and crystallization by combining the top- and side-view in-situ microscopy and mathematical modeling was reported. Using in-situ analysis, we observe meniscus contact line is sinusoidal curve, not flat and using three-dimensional mathematical modeling, we demonstrate dendritic growth of OSCs is regulated by how meniscus curvature fluctuates along the liquid-solid boundaries. Dendritic growth hinders efficient charge transport owing to charge-carrier trapping at the prevalent grain boundaries. Reducing temperature and coating speed induces small fluctuation of meniscus curvature, which results in highly aligned TIPS-pentacene crystals without dendritic growth.
용액 기반 프린팅 공정은 낮은 온도와 압력에서 공정이 가능하기 때문에 대면적, 유연 전자기기의 저가 생산에 높은 잠재력을 가진다. 다양한 용액 기반 공정 중에서 메니스커스 기반 코팅 공정은 대면적 고품질 박막을 제작할 수 있고 롤 투 롤 공정을 통해 광발전, 금속-유기 골격체, 센서, 유기박막트랜지스터와 같은 애플리케이션에 적용 가능하다. 특히 코팅 블레이드와 기판 사이에 용액을 주입하는 용액 전단법은 모세관 힘과 점성력을 조절하여 용매 증발을 정확히 제어할 수 있다. 그러나 공정 변수들이 복잡하게 상호작용하고 있어 박막 결정화 메커니즘에 대한 이해가 기초적인 수준이며 연구에 시행착오를 겪고 있다. 코팅 블레이드와 기판 사이 고-액 계면에 형성되는 메니스커스 곡률은 공정변수들과 밀접하게 연결되어 있으며 결정화가 이루어지는 고액 계면과 직접 접촉하기 때문에 박막 결정화 메커니즘을 설명하기 위해 용매 증발에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수 중 하나이다. 본 학위논문에서는 상면, 측면 현미경을 통한 실시간 추적과 수학적 모델링을 결합하여 용매 증발과 결정화에 삼차원 메니스커스 곡률의 영향에 대해 분석하였다. 상면 현미경을 통한 실시간 관찰을 통해, 박막과 접촉하는 메니스커스 끝단이 사인파형태의 곡선을 가지는 것을 발견했고 3차원 수학적 모델링을 통해, 고-액 계면을 따라 변동하는 메니스커스 곡률이 유기반도체의 덴드라이트 성장에 어떠한 영향을 미치는지 유체의 이동에 따른 메니스커스내 농도차이를 통해 증명하였다. 덴드라이트는 결정입계에서 전하 운반체를 가둬 효율적인 전하 수송을 저해하며, 공정 온도와 코팅 속도가 감소할수록 균일하고 일정한 메니스커스 곡률을 가지고 덴드라이트 없는 배열된 팁스-펜타센 결정을 형성함을 밝혔다.
