[논문]P3HT(poly-3-hexylthiophene)를 이용한 고분자 유기 TFT 제작을 위한 Ink-jet printing 기술 응용

김준영; 송대호; 이용균; 박태진; 권순갑; 강문효; 이선희; 한승훈; 조상미; 김준희; 장진

P3HT(poly-3-hexylthiophene)를 이용한 고분자 유기 TFT 제작을 위한 Ink-jet printing 기술 응용
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김준영 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 송대호 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 이용균 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 박태진 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 권순갑 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 강문효 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 이선희 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 한승훈 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 조상미 (경희대학교 차세대 디스플레이 연구센터) , 김준희 , 장진

본 논문에서는 p-type 고분자 물질인 P3HT (Poly-3-hexylthiophene)를 잉크젯 프린팅 방식으로 활성화층을 적층함으로써 Organic thin film transistor를 제작하여 이에 대한 특성을 연구하였다. Piezoelectric 방식의 잉크젯 프린팅을 이용하여 P3HT single drop jetting 시 두께 $150{\sim}200{\AA}$, 직경 약 70 ~ 80 um정도의 drop profile을 얻을 수 있었다. P3HT의 solvent로서 Chlorobenzene을 사용하여 농도 약 0.5 wt.%의 Ink-jet용 ink를 제작하여 이를 Channel Width 37, 236 um 크기의 Au 전극 위에 jetting 하여 각각의 특성을 측정하였다. 상기 실험은 상온의 외부환경에서 실시되었으며 실험 결과 최대 ${\mu}=1{\times}10^{-2}\;cm^2/Vsec$, $I_{on}/I_{off}=10^3{\sim}10^4$ 정도로서 off current가 높은 편이나 이동도 측면에서는 다른 방법의 박막 증착 실험결과와 비교할 때 동등 수준의 결과를 얻을 수 있었다.

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문제 정의

본 논문에서는 piezo이ectric 방식의 잉크젯 설비를 사용하여 printing하는 방법으로 P3HT를 활성화 층으로 하는 트랜지스터를 제작해 그 특성을 살펴보고자 한다.

제안 방법

먼저 유리 기판 위에 1000 A 두께의 AINd를 증착 후 사진식각 방법으로 gate 전극을 patterning 한 후 gate insulat이'로서 PVP 유기막을 4500 A 두께로 spin coating후 vacuum oven에서 180 ℃ 4시간동안 curing하였다. 그 후 source/drain 전극으로 Cr/Au 를 각각 30 / 500 A 두께로 증착 후 사진식각 방법으로 patterning 하였다. 이때 형성된 channel의 Length는 6 ㎛, , Width는 각각 236, 37 ㎛이다.
왜냐하면 일반적으로 사용되는 chi아pfonn을 사용 시에눈 빠른 증발로 인한 print head nozzlee] 막힘(이ogging) 현상이 발생하여 printing이 제대로 이루어 지지 않으므로 본 실험에서는 끓는점이 132 ℃로 비교적 높고 프린팅 head 및 설비와도 chemical 반응에 의한 손상이 없음이 확인된 chi이■obenzene을 사용하였다. 또한 printing의 균일도 및 안정된 잉크 방울의 부피와 모양을 확보하기 위해 printing 조간의 변수들을 반복 실험과 분석을 통해 최적화 하였다. 주로 voltage, pulse width, frequency등의 조정을 통해 잉크 방울의 부피와 모양을 조정하여 원하는 위치에 적절한 양의 잉크를 jetting하는 것이 중요하다.
방식을 적용하였다(그림 1). 먼저 유리 기판 위에 1000 A 두께의 AINd를 증착 후 사진식각 방법으로 gate 전극을 patterning 한 후 gate insulat이'로서 PVP 유기막을 4500 A 두께로 spin coating후 vacuum oven에서 180 ℃ 4시간동안 curing하였다. 그 후 source/drain 전극으로 Cr/Au 를 각각 30 / 500 A 두께로 증착 후 사진식각 방법으로 patterning 하였다.
본 연구에서는 solution process가 가능한 공액고분자 물질인 P3HT를 이용하여 저온 공정 및 대면적화에 유리한 Ink-jet printing 방식을 통해 bottom contact 방식의 유기 박막 트랜지스터를 제작해 보았다. Ink~jet printing 방식에 의해 제작된 고분자 유기 박막 트랜지스터의 특성은 점멸비 (lon/Iorf) 약 103 ~ 104, 포화영역에서의 정공 이동도가 최고 약 1 X 10-2 crrl/V오로 측정 되었다.
용매가 필요하다. 왜냐하면 일반적으로 사용되는 chi아pfonn을 사용 시에눈 빠른 증발로 인한 print head nozzlee] 막힘(이ogging) 현상이 발생하여 printing이 제대로 이루어 지지 않으므로 본 실험에서는 끓는점이 132 ℃로 비교적 높고 프린팅 head 및 설비와도 chemical 반응에 의한 손상이 없음이 확인된 chi이■obenzene을 사용하였다. 또한 printing의 균일도 및 안정된 잉크 방울의 부피와 모양을 확보하기 위해 printing 조간의 변수들을 반복 실험과 분석을 통해 최적화 하였다.

대상 데이터

이때 jetting에 요구되는 ink의 점도, 속도, voltage 등은 사전 반복 실험을 통해 최적화 되었다. 이때 사용된 print head는 spectra사 SE - 128 모델로서 nozzle diameter 및 pitch가 각각 35㈣와 508 ㈣이고 nozzlee 총 개수는 128개이다. 또한 최대 jetting volume 및 freq况ncy는 각각 30 pL와 40 kHz이다.

이론/모형

본 실험에 쓰인 유기 박막 트랜지스터는 bottom contact 방식을 적용하였다(그림 1). 먼저 유리 기판 위에 1000 A 두께의 AINd를 증착 후 사진식각 방법으로 gate 전극을 patterning 한 후 gate insulat이'로서 PVP 유기막을 4500 A 두께로 spin coating후 vacuum oven에서 180 ℃ 4시간동안 curing하였다.

성능/효과

은 bare 상태의 glass 위에 printing된 P3HT의 광학적 이미지와 이때 측정된 droplet의 측면 profile이다. P3HT ink를 일정한 간격으로 떨어뜨렸을 시 각 single drop의 직경은 약 75 ㎛ 이고 박막의 두께는 평균 약 150 A 정도로 측정되었다. drop의 측면 profile의 모습에서 drop의 edge부분의 두께가 중앙보다 약 2배정도 높음을 알 수 있다.
이번 실험에서 Ink-jet 기술의 적용을 위해서는 노즐의 막힘을 방지하기 위해 높은 boiling point를 가지는 용매가 사용되어야 하고 균일하고 정확한 jetting을 위해 최적화된 잉크조건이 필요하며 이러한 조건들이 트랜지스터의 특성에 중요한 영향을 미침을 알 수 있었다. P3HT의 적층이 상온 대기 중에서 실시되었다는 점을 고려할 때 열처리와 같은 활성화층과 gate 절연막 사이의 계면 특성 개선을 위한 추가적인 실험을 통해 보다 나은 결과를 얻을 것으로 기대된다.

후속연구

미침을 알 수 있었다. P3HT의 적층이 상온 대기 중에서 실시되었다는 점을 고려할 때 열처리와 같은 활성화층과 gate 절연막 사이의 계면 특성 개선을 위한 추가적인 실험을 통해 보다 나은 결과를 얻을 것으로 기대된다.
이러한 현상에 의한 특성변화의 영향을 최소화하기 위해서는 좀 더 정확한 기판의 정렬과 잉크제조기술이 필요하다. 본 실험에 사용된 잉크젯 장비의 drop accuracy의 오차범위는 ±25 ㎛으로서 다소 큰 편이다 좀 더 정확하고 균일한 pattern printing을 위한 격벽(wall) 구조가 본 실험에서는 적용이 되지 않았으나 격벽 구조가 적용된다면 이러한 문제가 다소 해결될 수 있을 것이다.
[6, 7]. 이를 바탕으로 좀 더 자세한 막 특성의 분석을 통한 개선이 필요하다.

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