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학위논문
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(경북대학교, 경북대학교 대학원)

지도교수
이동윤
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경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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본 연구는 자연에서 볼 수 있는 커피링 효과를 이용하여 플로우 코팅이라는
용액기반 패턴 제작 공정을 설계하였다. 이를 통해 공정조건에 따른 유기전도성
물질의 배열과 패턴 형태조절에 대한 연구를 진행하였다. 여기서 이용되는 커피링
효과는 용액과 기판 그리고 대기가 만나는 contact line 을 따라서 용액이 빠르게
증발할 때 contact angle 의 변화에 따른 contact line 의 stick-slip 으로 인해
형성되는 패턴을 의미한다. 용액의 contact line 의 위치를 결정할 수 있는 blade 를
도입하였고, blade 의 속도제어로 패턴의 위치와 형태를 조절하였다.
앞선 패턴 제작 방법이 적용된 플로우 코팅은 리소그레피, 잉크젯 프린팅, 소프트
리소그래피와 같은 기존 패턴제작 방법에 비해 공정과정이 단순하고, 빠르게
대면적에 패턴을 제작할 수 있는 방법이다. 특히, 플로우 코팅은 용액공정 기반
방식으로 패턴을 제작하고자 하는 기판이 적절한 표면에너지를 가지며, 용액의 증발
속도 및 용질의 분산성이 우수하다면 소재의 종류에 상관없이 대부분의 물질에 적용
가능하다. 또한, 블레이드 끝에서 이루어지는 용액 증발과 블레이드 전단력에 의해
입자 배열을 비등방성으로 형성하기 때문에 결정 구조의 방향성이 중요한 유기물
기반 반도체 물질을 패턴으로 제작할 경우 우수한 전기적 특성을 가지게 된다.
우선, 본 연구에서는 패턴제작 속도에 따른 입자의 배열효과를 확인하기 위해,
단분자 물질인 TIPS-PEN 을 이용하여 패턴제작 실험을 진행하였다. 결정이 성장되는
공정 속도 범위내 에서, 용액에 가해지는 전단속도에 따른 결정의 크기와 방향성을
x-ray 등의 전가기파를 이용해 분석하였다. 이를 통해 플로우 코팅으로 제어되는
전단속도가 입자의 이동과 배열에 중요한 변수로 작용함을 확인하였다. 패터닝
속도가 결정성장 속도 보다 느릴 경우에는 패턴의 두께가 두껍고 결정의 경계가
불균일하게 성장하였으며, 패터닝 속도가 결정성장속도 보다 빠를 경우 결정의
방향성을 제어하기 못하고 불균일한 표면을 가지게 됨을 확인하였다.
또한, 기판의 표면에너지가 유기물의 결정구조에 끼치는 영향을 확인하기 위해
SiO2 로 이루어진 기판과, 아크릴기 또는 탄화수소기로 표면처리를 한 기판 위에
패턴을 제작하였다. 탄화수소기가 곁사슬로 달린 고분자 반도체 물질인 P3HT 를
사용해 패턴을 제작했을 때 기판의 표면에너지가 낮을수록 3 차원 구조의 균일성이
높아졌다. 탄화수소기 곁사슬이 기판을 향하고 thiophen 의 face 면이 서로 마주보는
edge-on 구조가 패턴 전반에 형성되었다. 고분자의 규칙적인 배열은 전자의
이동방향을 수직이 아닌 수평으로 제한하여 디바이스에 적용시 전기적 특성이
우수함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안하는 플로우 코팅 기법은 패턴의
위치와 크기를 조절을 할 수 있을 뿐만 아니라 결정 구조 및 배열을 조절하여 단순한
공정으로도 패턴으로서 효과를 극대화할 수 있는 방법임을 증명하였다.

목차

  1. Chapter 1 Introduction 1
    1.1 Project overview 2
    1.2 Conventional patterning methods 5
    1.3 Evaporative self-assembly 9
    1.3.1 Stick-slip motion 9
    1.3.2 Evaporative self-assembly for patterning 12
    1.3.3 Evaporative self-assembly in confined geometry 14
    1.3.4 Evaporative self-assembly in shearing systems 16
    1.3.5 Linear patterning with solution sheared flow coating 18
    1.4 Organic semiconductors and applications 21
    1.5 Reference 22
    Chapter 2 Optimizing Uniaxial Alignment of Highly Crystalline Organic Semiconductor Patterns with shearing via Flow Coating for High-Performance Organic Field-Effect Transistors 31
    2.1 Introduction 32
    2.2 Experiments 34
    2.2.1 Material and device fabrication 34
    2.2.2 Characterization 35
    2.3 Results and Discussion 36
    2.3.1 Crystal growth and patterning during flow coating 36
    2.3.2 Crystal analysis base on shear speed 39
    2.3.3 Electrical characteristic of TIPS-PEN OFETs 57
    2.4 Conclusions 63
    2.5 References 64
    Chapter 3 Directionally Patterned Polymeric Semiconductor on Large-Area Field-Effect Transistors via Flow Coating Method for NO2 Gas Sensor 70
    3.1 Introduction 71
    3.2 Experiments 74
    3.2.1 Materials and device fabrication 74
    3.2.2 Characterization 75
    3.3 Results and Discussion 77
    3.3.1 Polymer chain alignment and patterning during flow coating 77
    3.3.2 Polymer chain alignment analysis base on surface energy 88
    3.3.3 Electrical characteristic of P3HT OFETs 97
    3.3.4 P3HT device as NO2 gas sensor 106
    3.4 Conclusions 110
    3.5 References 112
    Abstract (Korean) 116

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