소프트 리소그래피로 제작된 PBTTT-C14 고분자 나노와이어 기반 고성능 트랜지스터 연구

Abstract

본 연구에서는 Poly[2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (PBTTT-C14)를 기반으로 한 고분자 나노와이어의 형성 방법이 유기 트랜지스터 소자의 전기적 특성 및 신경망 소자의 시냅틱 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 고분자 나노와이어는 압착 기반 방법과 열 건조 기반 방법의 두 가지 소프트 리소그래피 공정을 통해 제작되었으며, 각 고분자 나노와이어의 형성 방법에 따라 형성된 고분자 나노와이어의 형상 재현성과 고분자 사슬의 정렬도 측면에서 차이를 보였다. 보다 구체적으로, 두 나노와이어 모두 일정한 방향성을 가지며 정렬된 패턴을 형성하고 있음을 확인하였으나, 구조 및 광학 분석 결과에서는 열 건조 기반 방법이 스핀코팅으로 형성한 박막이나 압착 기반 방법에 의해 형성된 고분자 나노와이어에 비해 보다 뚜렷한 회절 신호와 향상된 π–π stacking 특성을 나타내는 등 전반적인 결정성 측면에서 우수한 결과를 보였다. 고분자 나노와이어의 전기적 성질을 측정 위해, 유기전계효과트랜지스터, Organic Field-Effect Transistor (OFET)를 제작하고 전기적 특성을 평가한 결과, 전하 이동도(μ) 측면에서 고분자 나노와이어를 채널층으로 하는 소자는 박막을 채널층으로 소자에 비하여 유의미한 전하의 전계효과 이동도(μ)의 향상이 관찰되었으며, 특히 열 건조 기반 방법은 압착 기반 방법보다 약 50배 이상의 높은 전하의 전계효과 이동도를 나타내었다. 이는 전극 구조 차이를 고려하더라도, 결정성 향상이 주요 성능 향상 요인으로 작용했을 것으로 판단된다. 한편, confined 환경에서의 p-doping 효과와 채널 폭의 감소로 인해 on/off 비가 감소하고 문턱 전압의 절대값이 증가하는 현상이 관찰되었다. 이는 소자의 스위칭 특성과 구동 안정성 측면에서 고려되어야 할 요소로 나타났다. 한편, 유기전기화학트랜지스터, Organic Electrochemical Transistor (OECT) 소자를 제작하여 전기적 특성을 평가한 결과, 고분자 나노와이어를 채널로 갖는 OECT 소자는 동일 구조의 박막 소자에 비해 높은 μC* 값을 보였으며, 이는 전해질과의 접촉면적 증가 및 정렬된 고분자 사슬 구조에 따른 효과적인 이온 주입과 전하 전달 경로 확보에 기인한 것으로 판단된다. 특히, 열 건조 기반 방법으로 형성한 고분자 나노와이어를 채널로 하는 소자는 가장 우수한 μC* 성능을 보여주었으며, 출력 곡선 분석에서도 높은 응답성과 안정적인 포화 특성을 확인할 수 있었다. 신경망 소자로서 고분자 나노와이어를 채널로 하는OECT소자의 가능성을 살펴보기 위해, 시냅틱 특성을 평가한 결과, 고분자 나노와이어 채널 OECT소자는 박막을 채널로 하는 OECT 소자 대비 전반적으로 높은 excitatory postsynaptic current (EPSC) 잔류율을 보였으며, pulse count, voltage sweep, pulse width sweep 조건에서 일관되게 우수한 특성을 나타냈다. 열 건조 기반 고분자 나노와이어는 모든 조건에서 가장 우수한 시냅틱 응답을 나타내어, 고분자 정렬도 향상 및 결정성 개선이 시냅스 모사 특성에도 긍정적 영향을 미침을 입증하였다. 종합적으로, 고분자 나노와이어 구조는 고분자 사슬의 정렬도를 향상시킴으로써 OFET 및 OECT의 이동도와 응답 특성을 크게 개선할 수 있는 효과적인 전략임을 확인하였다. 특히 열 건조 기반 공정은 형상 정밀도, 결정성, 전기적 특성 및 시냅틱 기능 전반에서 뛰어난 성능을 입증하였다. 본 연구는 고성능 유기 전자소자 및 인공 시냅스 소자 개발을 위한 나노구조 설계 및 공정 최적화의 중요성을 보여주며, 향후 다양한 응용 분야에 있어 유용한 설계 지침을 제공할 것으로 기대된다.