대면적으로 제어된 나노와이어 프린팅 기반 나노식각기술 및 전자소자

Abstract

Doctor유기 나노와이어는 유연성, 신축성, 높은 전기적 특성 등의 우수한 특성으로 인해, 차세대 텍스타일 (textile)/웨어러블 (wearable) 전자소자의 구현을 위한 재료로 주목을 받고 있다. 유기 나노와이어 관련 연구 동향을 분석한 결과, 유연 디스플레이나 유연 태양전지와 같은 다양한 유연/신축성 전자소자로의 응용 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 현재까지 유기 나노와이어를 제조하기 위한 다양한 방식들이 연구되어 왔으나, 와이어를 개별적으로 제어하고 패터닝 할 수 있는 기술의 부재로 인해, 유기 나노와이어를 이용한 실질적인 산업적 응용은 이루어지지 못하고 있다. 따라서, 나노와이어의 실질적인 응용을 위해서는 “개벌적으로 제어가능한” 유기 나노와이어 제조 기술이 필수적이다. 2장에서는 기존에 개발된 유기 나노와이어 제조 기술들을 조사하여, 와이어의 정렬 가능성에 따라, 비정렬 방식 (non-alignment method) 와 대량 정렬 방식 (massive-alignment method) 로 나누어 분석하였다. 기존의 연구들을 통해, 별도의 패터닝 공정이 없이도 유기 나노와이어의 개별적 정렬이 가능한 기술이 없다는 공통된 문제점을 확인하였다. 3장에서는, 고속의 전기장 기반 유기 나노와이어 프린터를 이용하여, 대면적의 유기 반도체 나노와이어 어레이를 개별적으로 미세 제어하여, 소자용 기판에 직접 프린팅하였다. 이를 통해 얻어진 유기 반도체 나노와이어 기반의 트랜지스터 어레이를 성공적으로 구현하였다. 또한, 정렬된 p-형과 n-형 유기 반도체 나노와이어로 이루어진 상보형 (complementary) 회로를 제조하여 유기 반도체 나노와이어 프린팅 및 정렬 기술의 가능성을 입증하였다. 4장에서는, 정렬된 유기 나노와이어를 식각용 마스크로 사용하여, 새로운 대면적 나노와이어 식각 기술을 개발하고, 이를 나노 전자소자에 응용하였다. 이를 통해 개발된 고도로 정렬된 유기 반도체 나노와이어 기반의 나노 채널 트랜지스터는 9.7 cm2?V-1?s-1 의 유례없이 높은 최대 이동도와 매우 낮은 접촉 저항 (<5.53 ??cm)을 나타내었다. 프린팅된 반도체 나노와이어 어레이를 이용한 초고속 나노 식각 기술은 대면적의 유연 나노 전자소자의 구현을 위한 간단하면서도 신뢰할 만한 방안이라 할 수 있다. 5장에서는, 개별적으로 제어가능한 유기 나노와이어 패턴을 템플릿 (template) 으로 사용하여, 별도의 가열이나 진공 공정 없이도 대면적의 금 나노와이어 어레이를 제조할 수 있는 무전해도금 기반의 새로운 공정을 개발하였다. 이를 통해 제조된 금 나노와이어 어레이는 7.5 ???cm 의 매우 낮은 비저항을 나타내었다. 이는 일반적인 금의 비저항보다 약 3.4 배 밖에 높지 않을 정도로 낮은 수치이다. 제조된 금 나노와이어를 전자소자용 투명 나노전극으로써 응용 가능성을 확인하기 위해, 나노와이어 줄 히터를 제조하였다. 금 나노와이어 히터는 낮은 인가전압에서도 효율적이고 빠른 발열 특성을 나타내었다. 또한, 위치 제어가능한 나노와이어 프린팅 기술과 무전해도금 기술을 이용하여, 반도체성 나노와이어 채널과 전도성 나노와이어 전극으로 이루어진 고성능 투명 나노와이어 트랜지스터를 성공적으로 구현하였다 (이동도=3.5 cm2?V-1?s-1). 이러한 간단하고 재현성 높은 전도성 나노와이어 제조 기술은 투명/유연 나노 전자소자의 구현을 가능하게 할 것이다.Organic nanowires (ONWs) are flexible, stretchable, and have high electrical properties, and therefore have great potential for use in next-generation textile and wearable electronics. Analysis of trends in ONWs supports their great potential for various stretchable and flexible electronic applications such as flexible displays and flexible photovoltaics. Numerous methods can be used to prepare ONWs, but practical industrial application of ONWs has not been achieved because of the lack of reliable techniques for controlling and patterning of individual nanowires. Therefore, an “individually-controllable” technique to fabricate ONWs is essential for practical device applications. In chapter 2, I search and review the conventional ONWs fabrication methods, which are classified into two types: non-alignment methods, massive-alignment methods. From the previous studies, I found common limitations that individual alignment of ONWs which does not require additional patterning processes is not achieved. In chapter 3, we use a high-speed electrohydrodynamic organic nanowire printer to print large-area organic semiconducting nanowire arrays directly on device substrates in a precisely individually-controlled manner. We successfully achieve transistor array based on single-stranded organic semiconducting nanowire. We also demonstrate complementary circuit arrays comprised of well-aligned p-type and n-type organic semiconducting nanowires. These results can be a promising approach to realize large-area flexible nano-electronics. In chapter 4, we report a novel large-area nanowire lithography for nano-electronics using well-aligned ONWs as a lithography mask. We achieve an unprecedented high maximum field-effect mobility up to 9.7 cm2?V-1?s-1 with extremely low contact resistance (<5.53 ??cm) even in nano-channel transistors based on highly-aligned single organic semiconducting nanowire. Extremely fast nanolithography using printed semiconducting nanowire arrays provide a very simple, reliable method of fabricating large-area and flexible nano-electronics. In chapter 5, we demonstrate a sophisticated method to fabricate large-area electrolessly-plated Au nanowire array using individually controlled organic nanowire pattern as a template, which shows a very low resistivity of 7.5 ???cm (only 3.4 times higher than that of bulk Au); this method does not require any heating or vacuum processes. To verify its potential for transparent nano-electrodes in electronic applications, nanowire Joule heater which shows effective and fast heating behavior at low input voltages is fabricated. We also demonstrate transparent all-nanowire transistors based on semiconducting nanowire channel and conducting nanowire electrodes using a position-addressable printing and electroless plating technique, with extremely high field-effect mobility of 3.5 cm2?V 1?s 1. Our simple and reliable method to fabricate conducting nanowire array enables the realization of transparent and flexible nano-electronics