최근 flexible OLED의 구동에 사용하기 위한 유기박막트랜지스터(Organic Thin Film Transistor, OTFT)의 연구에서는 용매에 용해되어 spin coating이 가능한 재료의 개발에 관심을 두고 있다. 현재 pentacene으로는 아직 spin coating으로 제작할 수 있는 상용화된 제품이 없고 spin coating이 가능한 활성층 물질(active material)로 P3HT가 쓰이고 있다. 본 연구에서는 용해 가능한 P3HT 활성층 물질과 여러 종류의 용해 가능한 게이트 절연물(gate insulator, Gl)을 사용하여 안정된 소자를 구현할 수 있는 공정을 개발하는 목적으로 metal-insulator-semironductor(MIS) 소자를 제작하여 C-V 특성을 측정하고 분석하였다. 먼저 7mm${\times}$7mm 크기의 pyrex glass 시편 위에 바닥 전극으로 $1600{\AA}$ Au을 증착하고 spin coating 방식을 이용하여 PVP, PVA, PVK, BCB, Pl의 5종류의 게이트 절연층을 각각 형성하였고 그 위에 같은 방법으로 P3HT를 코팅하였다. P3HT 코팅 시 bake 공정의 유무와 spin rpm의 변화에 따른 P3HT의 두께를 측정하였다. Gl의 종류별로 주파수에 따른 capatltancc를 측정하여 비교, 분석하였다. C-V 측정 결과 PVP, PVA, PVK, BCB, Pl의 단위 면적당 capacitance 값은 각각 1.06, 2.73, 2.94, 3.43, $2.78nF/cm^2$로 측정되었다. Threshold voltage, $V_{th}$는 각각 -0.4, -0.7, -1.6, -0.1, -0.2V를 나타냈다. 주파수에 따른 capacitance 변화율을 측정한 결과 Gl 물질 모두 주파수가 높을수록 capacitance가 점점 감소하는 경향을 보였으나 1${\sim}$2nF 이내의 범위에서 작은 변화율만 나타냈다. P3HT의 두께와 bake 온도를 변화시켜 C-V 값을 측정한 결과 차이는 없었다. FE-SEM으로 관찰한 결과에서도 두께나 온도에 따른 P3HT의 표면 morphology 차이를 확인할 수 없었다. 본 연구에서 PVK와 P3HT의 조합이 수율(yield)면에서 가장 안정적이면서 $3.43\;nF/cm^2$의 가장 높은 capacitance 값을 나타내고 $V_{th}$ 값 또한 -1.6V로 가장 낮은 값을 보였다.
최근 flexible OLED의 구동에 사용하기 위한 유기박막트랜지스터(Organic Thin Film Transistor, OTFT)의 연구에서는 용매에 용해되어 spin coating이 가능한 재료의 개발에 관심을 두고 있다. 현재 pentacene으로는 아직 spin coating으로 제작할 수 있는 상용화된 제품이 없고 spin coating이 가능한 활성층 물질(active material)로 P3HT가 쓰이고 있다. 본 연구에서는 용해 가능한 P3HT 활성층 물질과 여러 종류의 용해 가능한 게이트 절연물(gate insulator, Gl)을 사용하여 안정된 소자를 구현할 수 있는 공정을 개발하는 목적으로 metal-insulator-semironductor(MIS) 소자를 제작하여 C-V 특성을 측정하고 분석하였다. 먼저 7mm${\times}$7mm 크기의 pyrex glass 시편 위에 바닥 전극으로 $1600{\AA}$ Au을 증착하고 spin coating 방식을 이용하여 PVP, PVA, PVK, BCB, Pl의 5종류의 게이트 절연층을 각각 형성하였고 그 위에 같은 방법으로 P3HT를 코팅하였다. P3HT 코팅 시 bake 공정의 유무와 spin rpm의 변화에 따른 P3HT의 두께를 측정하였다. Gl의 종류별로 주파수에 따른 capatltancc를 측정하여 비교, 분석하였다. C-V 측정 결과 PVP, PVA, PVK, BCB, Pl의 단위 면적당 capacitance 값은 각각 1.06, 2.73, 2.94, 3.43, $2.78nF/cm^2$로 측정되었다. Threshold voltage, $V_{th}$는 각각 -0.4, -0.7, -1.6, -0.1, -0.2V를 나타냈다. 주파수에 따른 capacitance 변화율을 측정한 결과 Gl 물질 모두 주파수가 높을수록 capacitance가 점점 감소하는 경향을 보였으나 1${\sim}$2nF 이내의 범위에서 작은 변화율만 나타냈다. P3HT의 두께와 bake 온도를 변화시켜 C-V 값을 측정한 결과 차이는 없었다. FE-SEM으로 관찰한 결과에서도 두께나 온도에 따른 P3HT의 표면 morphology 차이를 확인할 수 없었다. 본 연구에서 PVK와 P3HT의 조합이 수율(yield)면에서 가장 안정적이면서 $3.43\;nF/cm^2$의 가장 높은 capacitance 값을 나타내고 $V_{th}$ 값 또한 -1.6V로 가장 낮은 값을 보였다.
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문제 정의
위의 PVP, PVA, PVK, BCB, pi의 각 GI물질과 P3HT 활성층 물질을 사용하여 MIS 구조를 제작한 후 전기적, 물리적 특성을 비교, 분석하였다. 각각의 GI 물질과 P3HT 물질 간의 조합을 통하여 OTFT 소자로서 사용하기 적합한 물질을 찾고자 하였다.
본 연구에서는 PVP, PVA, PVK, BCB, PI, 5가지의 절연체와 P3HT 활성 물질을 이용하여 제작이 용이하면서 OTFT 사용에 적합한 물질을 찾고자 하였다. 체작한 소자의 C~V 특성을 통해 capacitance, threshold voltage, Electric constant 값을 얻은 결과 OTFT의 구동 특성 측면에서 PVK와 P3HT 를 사용했을 때 가장 좋은 특성을 보였고 그 값들은 각각 2.
제안 방법
바닥 전극을 형성하기 위해 1600A Au을 증착한 후 tape blocking 방식으로 한쪽 면을 막아 spin coating 시 GI와 P3HT 활성층으로부터 보호하고 최종적으로 tape를 떼어냄으로써 C-V 측정시 바닥 전극의 pad 역할을 할 수 있게 하였다. GI 층은 표 2의 조건으로 PVP, PVA, PVK, BCB, PI를 각각 spin coating하고 bake하였다. 활성층 또한 같은 spin coating 방법으로 코팅하였는데 spin speed와 bake의 온도 조건을 각각 달리 하여 C-V 득성을 분석하고자 하였다.
활성층 또한 같은 spin coating 방법으로 코팅하였는데 spin speed와 bake의 온도 조건을 각각 달리 하여 C-V 득성을 분석하고자 하였다. P3HT spin speed 변화는 2000, 2500, 3000, 3500w 조건으로 실험하였고, 온도는 bake하지 않은 시편과 100V hot plate에서 5분간 bake한 시편으로 각각 분류하여 진행하였다. GI와 활성층 형성 후 상부 전극으로 다시 900A Au을 증착하여 그림 1과 같이 MIS 구조를 완성하였다.
각 GI 상에 P3HT 물질 코팅 시 두께와 온도를 변화시켜 주파수에 따른 capacitance 변화율을 측정하였다. Impedance analyzer(HP4194A)를 이용하여 10mV의 oscillating voltage 조건에서 주파수에 따른 capacitancedOOHz, 1kHz, 10kHz, 100kHz)> 측정한 결과를 그림 3b에 나타냈다.
바닥 전극을 형성하기 위해 1600A Au을 증착한 후 tape blocking 방식으로 한쪽 면을 막아 spin coating 시 GI와 P3HT 활성층으로부터 보호하고 최종적으로 tape를 떼어냄으로써 C-V 측정시 바닥 전극의 pad 역할을 할 수 있게 하였다. GI 층은 표 2의 조건으로 PVP, PVA, PVK, BCB, PI를 각각 spin coating하고 bake하였다.
1cm2V1S1로 비교적 높은 p-typee] Doly(3-hexylthiophene)(P3HT)를 사용하였다. 위의 PVP, PVA, PVK, BCB, pi의 각 GI물질과 P3HT 활성층 물질을 사용하여 MIS 구조를 제작한 후 전기적, 물리적 특성을 비교, 분석하였다. 각각의 GI 물질과 P3HT 물질 간의 조합을 통하여 OTFT 소자로서 사용하기 적합한 물질을 찾고자 하였다.
GI 층은 표 2의 조건으로 PVP, PVA, PVK, BCB, PI를 각각 spin coating하고 bake하였다. 활성층 또한 같은 spin coating 방법으로 코팅하였는데 spin speed와 bake의 온도 조건을 각각 달리 하여 C-V 득성을 분석하고자 하였다. P3HT spin speed 변화는 2000, 2500, 3000, 3500w 조건으로 실험하였고, 온도는 bake하지 않은 시편과 100V hot plate에서 5분간 bake한 시편으로 각각 분류하여 진행하였다.
대상 데이터
7mmx7mm 크기의 Pyrex glass 시편 위에 MIS 구조 제작을 위해 표 1의 조건으로 PVP, PVA, PVK, BCB, PI, 5가지 종류의 GI와 P3HT을 제작하였다. 바닥 전극을 형성하기 위해 1600A Au을 증착한 후 tape blocking 방식으로 한쪽 면을 막아 spin coating 시 GI와 P3HT 활성층으로부터 보호하고 최종적으로 tape를 떼어냄으로써 C-V 측정시 바닥 전극의 pad 역할을 할 수 있게 하였다.
본 연구를 위해 soluble 공정이 가능한 GI로 각 poly(4-vmylphenol)(PVP), poly(viny] alcohoD(PVA), poly(9-vinylcarbazole)(PVK), bcnzocvclobutene (BCB), polyimide(PI)를 사용하였고. 활성층은 이동도가 0.
polyimide(PI)를 사용하였고. 활성층은 이동도가 0.1cm2V1S1로 비교적 높은 p-typee] Doly(3-hexylthiophene)(P3HT)를 사용하였다. 위의 PVP, PVA, PVK, BCB, pi의 각 GI물질과 P3HT 활성층 물질을 사용하여 MIS 구조를 제작한 후 전기적, 물리적 특성을 비교, 분석하였다.
성능/효과
Impedance analyzer(HP4194A)를 이용하여 10mV의 oscillating voltage 조건에서 주파수에 따른 capacitancedOOHz, 1kHz, 10kHz, 100kHz)> 측정한 결과를 그림 3b에 나타냈다. 100Hz~100kHz 저주파수 영역에서는 각 GI 물질 모두 주파수가 높을수록 capacitance가 감소하는 경향을 보였으나 L(TL5nF/cm2 범위 이내에서 큰 변화를 나타내지 않았다[4L FE-SEM(Philips XL30)으로 관찰한 결과에서도 두께나 온도에 따른 P3HT의 표면 morphology 차이를 뚜렷하게 확인할 수 없었다. 다만 그림 4의 (a)와 (e), (b)와 (f), (c)와 (g).
체작한 소자의 C~V 특성을 통해 capacitance, threshold voltage, Electric constant 값을 얻은 결과 OTFT의 구동 특성 측면에서 PVK와 P3HT 를 사용했을 때 가장 좋은 특성을 보였고 그 값들은 각각 2.94nF/cm2, -1.6V, 5.4의 결과를 보였다. 수율(yield)면에서도 PVK 절연체를 사용하여 MIS 소자를 제작하였을 때 가장 안정적인 특성을 나타냈다.
후속연구
9, Vth L06V로 가장 작은 capacitance 값의 결과를 얻었다[5, 6]. 따라서 앞으로 C-V 특성뿐만 아니라 source, drain 전극 형성 후 I-V 특성을 측정하여 mobility, subthreshold swing 값을 얻어 비교하는 것이 필요하다. 또한 실험에서 제작한 MIS 구조에 사용된 각 GI 표면 상태를 같이 분석하고 P3HT 활성층과 접촉면, trap density에 관한 연구를 추가로 진행하면 OTFT 성능면에서 최적의 조건을 찾을 것으로 생각한다.
따라서 앞으로 C-V 특성뿐만 아니라 source, drain 전극 형성 후 I-V 특성을 측정하여 mobility, subthreshold swing 값을 얻어 비교하는 것이 필요하다. 또한 실험에서 제작한 MIS 구조에 사용된 각 GI 표면 상태를 같이 분석하고 P3HT 활성층과 접촉면, trap density에 관한 연구를 추가로 진행하면 OTFT 성능면에서 최적의 조건을 찾을 것으로 생각한다.
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