3 research outputs found
Control of Crystallization and Molecular Orientation in Bar-Coated Organic Semiconductor Thin Films for High-Performance Organic Transistors
DoctorSolution-processed organic semiconductors (OSCs) have attracted enormous interest in recent decades due to their potential applications for realizing low cost, lightweight, and flexible organic electronics. However, compared to its inorganic counterparts, the poor electrical performance of organic thin film transistors (OTFTs) remains a critical barrier to their commercial use. Many research efforts in this area have developed new organic semiconductor materials including carious polymers and small-molecules with high charge carrier mobility (>1 cm2 V-1 s-1) to overcome the drawbacks. The charge carrier mobility represents the charge transport characteristics of organic semiconductor films, and the value is sensitive to numerous factors during OTFT fabrication. Understanding the effects of the factors on the OSC film morphology and developing new coating method are both important for realizing commercialized high-performance OTFTs. In this thesis, I systematically studied the correlations among the organic semiconductors, solution-processing conditions, morphology including uniformity and crystallinity, and resultant device performance. Furthermore, various processing strategies are introduced for fabricating high quality OSC films and controlling the morphologies and crystalline microstructures of OSCs to demonstrate high performance OTFTs. This thesis consists of 5 chapters. The background, motivation and objective of the research are introduced in Chapter 1.
In Chapter 2, I propose a new approach for preparing a large-area uniform highly-crystalline organic semiconductor thin film by using a gap-controllable bar coater and a motion-programming strategy. I systematically observed effects of a gap distance between a coating bar and a substrate on vertical phase separation and crystallization phenomena of blended organic semiconductor inks. I programmed the horizontal motion of a coating bar to be repeatedly brought to an intermittent standstill for maximizing the crystallinity and uniformity of the deposited thin films. Therefore, high-performance OTFTs with superior field-effect mobilities approaching ~ 20 cm2 V-1 s-1 with kink-and-hysteresis-free transistor characteristics were achieved at large area. Proposed coating method is practical and compatible with roll-to-roll process, and the systematic study based on both computational fluid dynamics simulations and experimental results would provide deeper understanding on phase separation and crystallization of organic molecules.
In Chapter 3, I propose a simple approach to form an array of nanometer-thick OSC thin patterns in a large area at a high rate by elaborately controlling nucleation spots and introducing a solutal-Marangoni effect on the bar-coating process. I found that the solutal-Marangoni flow induced by a suitable solvent additive greatly improves the molecular mass transport along a meniscus line, thus leading to high-quality of OSC thin patterns with industry-level production speed. Systematically studies cover this chapter on effects of the solutal-Marangoni flow on OSC morphology and electrical property. Therefore, highly-crystalline OSC thin patterns were achieved and resulted in superior field-effect mobilities up to ~ 20 cm2 V-1 s-1 and on/off ratio approaching ~108, with kink-and-hysteresis-free transistor characteristics. Computational fluid dynamics simulations were performed in detail to analyze solutal-Marangoni flows in my developed bar-coating method. I studied the fundamental understanding of flow-induced crystallization, and suggested the importance of solutal-Marangoni flow in high-speed bar-coating process in this chapter.์ฉ์ก ๊ณต์ ๊ธฐ๋ฐ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด๋ ์ ๊ฐ ๊ณต์ ์ด ๊ฐ๋ฅํ๊ณ , ๊ฐ๋ณ๊ณ , ์ ์ฐ ์ ๊ธฐ ์ ์ ๊ตฌํ์ ์ ํฉํ์ฌ ์ต๊ทผ ์์ญ๋
๋์ ํฐ ๊ด์ฌ์ ๋์๋ค. ํ์ง๋ง, ํ์ฌ๋ก์๋ ๋ฌด๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ํธ๋์ง์คํฐ์ ๋นํด ์ด์
ํ ์ ๊ธฐ์ ์ฑ๋ฅ, ํนํ ๋ฎ์ ์ ํ์ด๋๋๋ ์ ๊ธฐํธ๋์ง์คํฐ์ ์์
ํ๋ฅผ ๊ฐ๋ก๋ง๊ณ ์๋ ๊ฐ์ฅ ํฐ ๊ฑธ๋ฆผ๋ ์ค ํ๋์ด๋ค. ์ด ๋ถ์ผ์ ๋ง์ ์ฐ๊ตฌ๋ค์ด ๋ฎ์ ์ ํ์ด๋๋์ ๋จ์ ์ ๊ทน๋ณตํ๊ธฐ ์ํด ๋์ ์ ํ ์ด๋ฐ์ฒด ์ด๋์ฑ (> 1 cm2 V-1 s-1)์ ์ง๋ ๊ณ ๋ถ์์ ์ ๋ถ์ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด๋ฅผ ๊ฐ๋ฐํ๊ณ ์ฐ๊ตฌํด์๋ค. ์ ํ์ด๋๋๋ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ์ ํ์ด๋ ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ ์ ์๋ ์งํ์ด๊ณ , ์ด ๊ฐ์ ์์ ์ ์กฐ ๊ณต์ ๊ณผ์ ์์์ ๋ค์ํ ์ธ์ ๋ณ์๋ค์ ์ํด ์ํฅ์ ๋ฐ๋๋ค. ์์
์ ๊ณ ์ฑ๋ฅ ์ ๊ธฐํธ๋์ง์คํฐ ์์๋ฅผ ๊ตฌํํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ๋ชจํด๋ก์ง ๋ฐ ๊ฒฐ์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น๋ ๋ณ์ธ์ ๋ํ ์ฒด๊ณ์ ์ธ ์ฐ๊ตฌ์ ์๋ก์ด ๊ณต์ ๊ฐ๋ฐ์ด ํ์ํ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋
ผ๋ฌธ์์๋ ์ ๊ธฐํธ๋์ง์คํฐ์ ์ฑ๋ฅ๊ณผ ๋ค์ํ ์์ธ๋ค ๊ฐ์ ์๊ด๊ด๊ณ์ ๋ํ์ฌ ์ฒด๊ณ์ ์ผ๋ก ์ฐ๊ตฌํ๋ค. (์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด, ์ฉ์ก ๊ณต์ ๋ณ์ธ, ๋ฐ๋ง ๋ชจํด๋ก์ง ๋ฐ ๊ฒฐ์ ์ฑ ๋ฑ) ๋ํ ๊ณ ํ์ง ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ์ ์กฐํ๊ณ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด์ ๋ชจํด๋ก์ง๋ ๊ฒฐ์ ์ฑ ๋ฏธ์ธ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ์ ์ดํ์ฌ ๊ณ ์ฑ๋ฅ ์ ๊ธฐํธ๋์ง์คํฐ๋ฅผ ๊ตฌํํ๊ธฐ ์ํ ์ฌ๋ฌ๊ฐ์ง ๊ณต์ ๊ธฐ์ ์ ๋ํด์ ๊ฐ๋ฐํ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋
ผ๋ฌธ์ ์ด 5 ๊ฐ์ ์ฅ์ผ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋์ด ์๋ค. ์ 1์ฅ์์๋ ์ฐ๊ตฌ์ ๋ฐฐ๊ฒฝ, ๋๊ธฐ ๋ฐ ๋ชฉํ์ ๋ํด์ ์๊ฐํ๋ค.
์ 2์ฅ์์๋ ๊ฐญ ์ ์ด๊ฐ ๊ฐ๋ฅํ ๋ฐ์ฝํฐ์ ๋ฐ์ ์์ง์ธ์ ํ๋ก๊ทธ๋๋ฐํ์ฌ ๋๋ฉด์ ์ผ๋ก ๊ท ์ผํ ๊ณ ๊ฒฐ์ ์ฑ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ์ค๋นํ๋ ์๋ก์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ฐ๋ฐํ์๋ค. ๋ธ๋๋๋ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ์ฉ์ก์ ์์ง ์๋ถ๋ฆฌ ๋ฐ ๊ฒฐ์ ํ ํ์๊ณผ ๋ฐ์ฝํ
์ ๊ฐญ ๋ณ์ ๊ฐ์ ์ํฅ์ ์ฒด๊ณ์ ์ผ๋ก ๊ด์ฐฐํ์๋ค. ์ฆ์ฐฉ๋ ๋ฐ๋ง์ ๊ฒฐ์ ์ฑ๊ณผ ๊ท ์ผ์ฑ์ ๊ทน๋ํํ๊ธฐ ์ํด ์ฝํ
๋ฐ์ ์ํ์ ์ด๋์ ๋ฐ๋ณต์ ์ผ๋ก ์ ์ง์ํค๋๋ก ํ๋ก๊ทธ๋๋ฐํ์๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ์ป์ด์ง ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ํตํด 20 cm2 V-1 s-1์ ๊ทผ์ ํ ์ฐ์ํ ์ ๊ณ ํจ๊ณผ ์ด๋์ฑ์ ๊ฐ์ง๋ฉฐ ๋๋ฉด์ ์ผ๋ก ํนํฌ(kink)๋ ํ์คํ
๋ ์์ค(hysteresis)๊ฐ ์๋ ๊ณ ์ฑ๋ฅ ์ ๊ธฐํธ๋์ง์คํฐ๋ฅผ ๊ตฌํํ์๋ค. ์ ์๋ ์ฝํ
๋ฐฉ๋ฒ์ ์ค์ฉ์ ์ด๊ณ ๋กคํฌ๋กค(Roll-to-Roll) ๊ณต์ ์ ํธํ๋๊ณ , ์ ์ฒด ์ญํ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
๊ณผ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ํ ์ฒด๊ณ์ ์ธ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ ๊ธฐ๋ถ์๋ค์ ์๋ถ๋ฆฌ ๋ฐ ๊ฒฐ์ ํ์ ๋ํ ์ฌ์ธต์ ์ดํด๋ฅผ ์ ๊ณตํ๋ค.
์ 3์ฅ์์๋ ํต ์์ฑ ์ง์ ์ ์ ๊ตํ๊ฒ ์ ์ดํ๊ณ ๋ฐ์ฝํ
๊ณต์ ์ ์ฉ์ง-๋ง๋๊ณ ๋ ํจ๊ณผ๋ฅผ ๋์
ํ์ฌ ๋์ ๋ฉด์ ์ ๋๋
ธ๋ฏธํฐ ๋๊ป์ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง ํจํด์ ๊ณ ์์ผ๋ก ์ ์ํ๋ ๊ฐ๋จํ ๊ณต์ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๊ฐ๋ฐํ์๋ค. ์ ํฉํ ์ฉ๋งค ์ฒจ๊ฐ์ ์ ์ํด ์ ๋๋ ์ฉ์ง-๋ง๋๊ณ ๋ ํ๋ฆ์ ๋ฐ์ฝํ
์ค ๋ฉ๋์ค์ปค์ค ๋ผ์ธ์ ๋ฐ๋ผ ๋ถ์ ์ง๋ ์์ก ๋ฅ๋ ฅ์ ํฅ์์์ผ ์ฐ์
์์ค์ ์์ฐ ์๋๋ก ๊ณ ํ์ง์ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง ํจํด์ ์ ์ํ ์ ์๋ค. ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ํํ์ ์ ๊ธฐ์ ํน์ฑ์ ๋ํ ์ฉ์ง-๋ง๋๊ณ ๋ ํ๋ฆ์ ์ํฅ์ ๋ํ ์ฒด๊ณ์ ์ธ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์ด ์ฅ์์ ๋ค๋ฃจ์ด์ง๋ค. ์ ์๋ ๊ณต์ ์ ํตํด ๊ณ ๊ฒฐ์ ์ฑ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง ํจํด์ด ์ป์ด์ง๋ฉฐ, ์ต๋ 20 cm2 V-1 s-1์ ์ฐ์ํ ์ ๊ณ ํจ๊ณผ ์ด๋๋ ๋ฐ ํนํฌ๋ ํ์คํ
๋ ์์ค ์๊ณ , ๋ํ ์จ/์จํ ํน์ฑ์ด ~108 ์ ๋๋ฌํ๋ ๊ณ ์์ ์ฑ, ๊ณ ์ฑ๋ฅ ์ ๊ธฐ๋ฐ๋์ฒด ๋ฐ๋ง์ ์ ์ํ์๋ค. ๊ฐ๋ฐ๋ ์ฉ์ก ๊ณต์ ์์์ ์ฉ์ง-๋ง๋๊ณ ๋ ํจ๊ณผ์ ๋ํด ์ ์ฒด ์ญํ ์๋ฎฌ๋ ์ด์
์ ์ํํ์ฌ ์์ธํ๊ฒ ๋ถ์ํ์๋ค. ์ด ์ฅ์์ ํ๋ฆ์ ์ํ ๊ฒฐ์ ํ์ ๋ํ ๊ธฐ๋ณธ์ ์ธ ์ดํด๋ฅผ ์ฐ๊ตฌํ์๊ณ , ๊ณ ์ ๋ฐ์ฝํ
๊ณต์ ์์ ์ฉ์ง-๋ง๋๊ณ ๋ ํ๋ฆ์ ์ค์์ฑ์ ๋ํด์๋ ์ ์ํ์๋ค