[논문]ZnO 나노선과 P3HT 폴리머를 이용한 유/무기 복합체 TFT 소자

문경주; 최지혁; 명재민

doi:10.3740/mrsk.2009.19.1.033

[국내논문] ZnO 나노선과 P3HT 폴리머를 이용한 유/무기 복합체 TFT 소자
ZnO Nanowires and P3HT Polymer Composite TFT Device 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.19 no.1, 2009년, pp.33 - 36

문경주 (연세대학교 신소재공학부) , 최지혁 (연세대학교 신소재공학부) , (연세대학교 신소재공학부) , 명재민 (연세대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Inorganic-organic composite thin-film-transistors (TFTs) of ZnO nanowire/Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) were investigated by changing the nanowire densities inside the composites. Crystalline ZnO nanowires were synthesized via an aqueous solution method at a low temperature, and the nanowire densities inside the composites were controlled by changing the ultrasonifiaction time. The channel layers were prepared with composites by spin-coating at 2000 rpm, which was followed by annealing in a vacuum at $100^{\circ}C$ for 10 hours. Au/inorganic-organic composite layer/$SiO_2$ structures were fabricated and the mobility, $I_{on}/I_{off}$ ratio, and threshold voltage were then measured to analyze the electrical characteristics of the channel layer. Compared with a P3HT TFT, the electrical properties of TFT were found to be improved after increasing the nanowire density inside the composites. The mobility of the P3HT TFT was approximately $10^{-4}cm^2/V{\cdot}s$. However, the mobility of the ZnO nanowire/P3HT composite TFT was increased by two orders compared to that of the P3HT TFT. In terms of the $I_{on}/I_{off}$ ratio, the composite device showed a two-fold increase compared to that of the P3HT TFT.

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제안 방법

본 연구에서는 수용액 법으로 성장시킨 ZnO 나노선의 밀도를 초음파법으로 조절하여 P3HT와 복합체로 합성하였다. 이 유/무기 복합체를 TFT 소자의 channel 층으로 사용하기 위하여 spin-coating법을 이용하여 박막을 증착시켰다.
이 유/무기 복합체를 TFT 소자의 channel 층으로 사용하기 위하여 spin-coating법을 이용하여 박막을 증착시켰다. 낮은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 높은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 그리고 P3HT만을 이용한 경우의 TFT 소자 current-voltage(I-V) 분석을 통하여 전기적 특성변화를 비교하였다. 한편, 수용액 법으로 성장시킨 ZnO 나노선의 Scanning electron microscope (SEM)과 X-ray diffraction (XRD) 분석을 실시하였다.
낮은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 높은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 그리고 P3HT만을 이용한 경우의 TFT 소자 current-voltage(I-V) 분석을 통하여 전기적 특성변화를 비교하였다. 한편, 수용액 법으로 성장시킨 ZnO 나노선의 Scanning electron microscope (SEM)과 X-ray diffraction (XRD) 분석을 실시하였다.
수용액 법으로 75 의 온도에서 8시간 동안 znic nitrate(Zn(NO₃)₂.6H₂O)와 hexamethyltetramine (HMT, C₆H₁₂N₄)의 몰 농도를 제어하여 단결정의 ZnO 나노선을 합성하였다.⁷⁾ 성장된 ZnO 나노선은 초음파를 이용하여 기판으로부터 떼어낸 후 chloroform 용액에 분산시켰다.
⁷⁾ 성장된 ZnO 나노선은 초음파를 이용하여 기판으로부터 떼어낸 후 chloroform 용액에 분산시켰다. 이때 초음파 시간을 조절하여 ZnO 나노선이 용액에 분산되는 밀도를 조절하였다. ZnO 나노선이 분산된 용액을 P3HT 고분자의 용매로 사용하여 농도가 0.
Au는 shadow 마스크를 사용하여 source/drain 패턴 사이의 간격을 조절하였다. 이렇게 만들어진 TFT 소자는 반도체 소자 분석기인 HP-4145B를 이용하여 상온에서 전압을 인가하여 전류-전압(I-V) 곡선을 측정하였다. 한편, P3HT만을 channel 층으로 이용한 TFT 소자를 같은 조건에서 제작하여 복합체 소자와 비교 분석하였다.
이렇게 만들어진 TFT 소자는 반도체 소자 분석기인 HP-4145B를 이용하여 상온에서 전압을 인가하여 전류-전압(I-V) 곡선을 측정하였다. 한편, P3HT만을 channel 층으로 이용한 TFT 소자를 같은 조건에서 제작하여 복합체 소자와 비교 분석하였다.

대상 데이터

게이트 절연막으로 Si 기판 위에 열산화법으로 형성된 2000 Å 두께의 SiO2를 이용하였다.
이때 초음파 시간을 조절하여 ZnO 나노선이 용액에 분산되는 밀도를 조절하였다. ZnO 나노선이 분산된 용액을 P3HT 고분자의 용매로 사용하여 농도가 0.3 wt%인 유/무기 복합체 용액으로 합성하였다. 게이트 절연막으로 Si 기판 위에 열산화법으로 형성된 2000 Å 두께의 SiO₂를 이용하였다.
형성된 유/무기 channel 막의 전기적 특성을 평가하기 위해 직류 스퍼터를 이용하여 상부 전극으로 Au를 50 nm 증착하였다. Au는 shadow 마스크를 사용하여 source/drain 패턴 사이의 간격을 조절하였다.
과도핑된 p-type Si 기판을 하부 게이트로 사용하였고, 그 위에 열산화법을 통해 합성된 2000 Å 두께의 SiO2를 게이트 절연막 (capacitance, Cox= 16 nF/cm2)으로 사용 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 수용액 법으로 성장시킨 ZnO 나노선의 밀도를 초음파법으로 조절하여 P3HT와 복합체로 합성하였다. 이 유/무기 복합체를 TFT 소자의 channel 층으로 사용하기 위하여 spin-coating법을 이용하여 박막을 증착시켰다. 낮은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 높은 밀도의 나노선 복합체를 이용한 경우, 그리고 P3HT만을 이용한 경우의 TFT 소자 current-voltage(I-V) 분석을 통하여 전기적 특성변화를 비교하였다.
한편, Fig. 1(a)와 같이 수용액 법으로 성장된 기판 위의 ZnO 나노선을 분산시키 위한 방법으로 초음파를 이용하였다. 초음파를 이용하여 나노선을 분산시킬 때 5분 동안 초음파를 가했을 경우, 거의 모든 나노선이 기판으로부터 떨어져 나갔음을 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기 재료를 기반으로 하는 소자의 단점은?	유기 재료를 기반으로 하는 소자의 경우, 투명하고 유연하며, 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 많은 이점에도 불구하고 낮은 캐리어 이동도와 낮은 신뢰성으로 인하여 소자 응용에 많은 문제점이 야기되고 있다. 이러한 이유로 인하여 ‘복합 재료’ 라는 신개념을 바탕으로 무기 나노재료의 장점과 유기 재료의 장점을 결합한 새로운 재료의 개발과 연구에 대한 관심이 높아지고 있다.
	유기 재료를 기반으로 하는 소자의 장점은?	이러한 기술적인 관심 속에 유기 재료를 기반으로 하는 소자에 대한 관심이 높아지고 있으며, 현재 전 세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 유기 재료를 기반으로 하는 소자의 경우, 투명하고 유연하며, 낮은 온도에서 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 많은 이점에도 불구하고 낮은 캐리어 이동도와 낮은 신뢰성으로 인하여 소자 응용에 많은 문제점이 야기되고 있다.
	P3HT의 단점은?	대표적인 전도성 고분자로는 p-type 특성 갖는 Poly(3- hexylthiophene)(P3HT)가 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 낮은 캐리어 이동도와 Ion/Ioff ratio 및 안정성에 대한 문제로 인하여 실제 소자적용에 있어 그 한계점을 가지고 있다. 반면에 ZnO 반도체 나노선의 경우 유기재료에 비하여 초고효율의 특성을 가지고 있지만, 실제 반도체 공정에 적용시키기에는 많은 어려움을 가지고 있기 때문에 소자로 적용시키기 위한 다양한 방법들이 개발 중이다.

참고문헌 (8)

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