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인쇄전자 기술을 활용한 지능형 반도체 소자 구현을 위한 유기전계효과 트랜지스터 소자의 광파 어닐링 효과 연구

Development of Organic Field-Effect Transistors via Light-Wave Annealing for Printed and Flexible Electronics

권미정 ( Mi Jeong Kwon ) , 박운익 ( Woon Ik Park ) , 임영수 ( Young Soo Lim ) , 남수용 ( Suyong Nam ) , 백강준 ( Kang-jun Baeg )
  • : 한국화상학회
  • : 한국화상학회지 26권3호
  • : 연속간행물
  • : 2020년 09월
  • : 78-85(8pages)
한국화상학회지

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목차

1. 서 론
2. 실 험
3. 결과 및 고찰
4. 결 론
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본 논문에서는 유연/인쇄 전자 기술을 활용해 고성능의 유기물 반도체 기반 트랜지스터를 개발하고, 이를 통해 인공지능용 반도체 및 폴리모픽 전자회로에 응용하기 위해 공액구조 고분자 반도체 소재의 광파 어닐링 방법에 따른 특성 향상 효과를 연구하였다. 일반적으로 열처리를 위해 가장 많이 활용되는 핫플레이트의 경우 반도체 소자 특성의 균일도 문제와 높은 온도 및 열-용량으로 인한 플라스틱 기판 사용의 제한, 긴 어닐링 시간 등의 문제로 인해 실제 산업에서 활용하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 광파를 활용한 효과적인 유기물 반도체 필름의 열처리 공정을 개발함으로써 Roll-to-Roll 방식의 고속/대면적 인쇄 공정에 적합한 열처리 방법과 반도체 층 전체의 높은 결정화도 유도를 통한 성능 향상과 소자 균일도 개선을 위한 방법을 개발하였다.
Here we study new post-treatment methods of polymeric semiconductors for the applications of printed and flexible electronics. In contrast to the conventional thermal process using a hotplate, our lightwave-assisted annealing could provide an efficient and fast way both for enhancing the molecular packing order and increasing the crystallinity of organic semiconductor thin-films through the transfer of thermal energy efficiently into the inside of the active layer. After light-wave annealing process, OFETs exhibited higher field-effect mobilities and consistent performance with a little standard deviation of electronic fundamental parameters in comparison to those of the hotplate treatment. Therefore, it is expected to be widely applied for mass productive and large area printed and flexible applications.

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간행물정보

  • : 공학분야  > 기타(공학)
  • : KCI후보
  • :
  • : 계간
  • : 1226-0517
  • : 2288-9604
  • : 학술지
  • : 연속간행물
  • : 1995-2021
  • : 542


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27권1호(2021년 03월) 수록논문
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1단량체 조성 변화에 의한 수성 아크릴계 공중합체 제조 및 점착특성

저자 : 김하수 ( Ha Su Kim ) , 임권택 ( Kwon Taek Lim )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 27권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 1-9 (9 pages)

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박리강도와 내수성이 향상된 친환경적인 수성 점착제 제조를 위해 Tg가 상온에 가깝도록 아크릴 모노머인 methyl methacrylate(MMA), butyl acrylate(BA), methacrylic acid(MAA)의 비율을 조절하고 ammonium persulfate를 개시제로 이용하여 아크릴 공중합체(Acrylic copolymer)를 유화 중합하여 아크릴 에멀젼 점착제를 제조하고 평가하였다. MMA:BA:MAA를 55.2:43.5:1.3의 mole 비율로 합성한 결과, GPC와 입도분석으로 아크릴 공중합체 에멀젼이 합성된 것을 확인하였으며 휘발성 유기물(VOCs)도 검출되지 않았다. 이론적 Tg는 18.1℃이며, 피착재로써 폴리우레탄 폼, 폴리프로필렌 폼, 폴리프로필렌을 적용하여 초기, 최종, 침수 후 접착력을 평가한 결과 박리강도가 기존 제품에 비해 향상되었음을 확인하였다.


In order to manufacture an eco-friendly aqueous adhesive with improved peel strength and water resistance, we adjusted the ratio of acrylic monomers methyl methacrylate (MMA), butyl acrylate (BA), and methacrylic acid (MAA) so that Tg is close to room temperature, and used ammonium persulfate as an initiator. Then, an acrylic copolymer was emulsion-polymerized to prepare and evaluate an acrylic emulsion adhesive. As a result of synthesizing MMA:BA:MAA in a mole ratio of 55.2:43.5:1.3, it was confirmed that an acrylic copolymer emulsion was synthesized by GPC and particle size analysis, and volatile organic substances(VOCs) were not detected. Theoretical Tg is 18.1°C, close to room temperature, and as a result of evaluating the initial, final, and post-immersion adhesion by applying polyurethane foam, polyethylene foam, and polypropylene as adherends, it was confirmed that the peel strength was improved compared to existing products.

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2산화철 입자를 포함하는 중공 실리카 비드

저자 : 안병현 ( Byung Hyun Ahn ) , 임상혁 ( Sang Hyuk Im )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 27권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 10-18 (9 pages)

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가교된 단분산 폴리스티렌 비드를 유화 중합과 분산 중합으로 합성하였다. 가교된 폴리스티렌 비드를 자일렌과 iron pentacarbonyl로 팽윤시킨 후 옥틸 에테르와 함께 환류하여 iron pentacarbonyl을 산화철로 변환시켰다. 산화철의 화학 안정성을 향상시키기 위해 산화철을 포함하는 폴리스티렌 비드를 실리카로 코팅하였다. 소결로 폴리스티렌 비드를 제거하여 산화철을 포함하는 중공 실리카 비드를 얻었다. 전체 합성 과정에서 모든 비드의 크기와 형태는 균일하게 유지되었고, 산화철을 포함하는 중공 실리카 입자는 강한 자성을 보였다.


Cross-linked and monodispersed polystyrene beads were synthesized via both emulsion and dispersion polymerization. After the cross-linked polystyrene beads were swollen by xylene and iron pentacarbonyl, they were heated with octyl ether at reflux to transform iron pentacarbonyl to iron oxide. The cross-linked polystyrene beads containing iron oxides were coated by silica to improve chemical stability of the iron oxides. Hollow silica beads containing iron oxides were obtained after the cross-linked polystyrene were removed by sintering. All beads maintained their uniformity in size and shape through the entire synthesis and the hollow silica beads containing with iron oxide showed strong magnetism.

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3새로운 스멕틱 액정 단량체의 합성 및 특성 연구

저자 : Yang Ye , 김병국 ( Byeong Guk Kim ) , 안희영 ( Huiyeong Ahn ) , 이명훈 ( Myong-hoon Lee )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 27권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 19-28 (10 pages)

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분자 중심에 두 가지 다른 형태의 길고 강직한 core 구조를 함유하고 양 말단에 적당한 길이의 스페이서와 중합이 가능한 아크릴기를 포함하도록 설계된 두 종류의 액정단량체를 설계, 합성하였으며, 분자구조를 1H-NMR을 통해 확인 하였다. 합성된 액정단량체의 액정 특성을 DSC와 편광현미경을 사용하여 조사한 결과 각각 냉각 온도를 기준으로 84.6~74.0 ℃와 133.5~91.6 ℃ 사이에서 스멕틱 상을 나타냄을 확인하였다. 특히 경직된 선형의 아세틸렌기를 포함하는 액정단량체(PRM-2)의 경우에는 보다 스멕틱 액정상의 발현 온도 범위가 넓을 뿐 아니라 좀 더 정렬도(order parameter)가 높은 스멕틱 A상을 나타냄을 확인 할 수 있었다.


Two reactive mesogens having two different type of rigid core with spacers and polymerizable acryl moieties at both ends were firstly designed and synthesized. Molecular structures of the compounds were characterized by 1H-NMR spectroscopy, and their liquid crystalline properties at various temperature were investigated by DSC and a polarized optical microscopy. These compounds showed smectic liquid crystalline phase at 84.6~74.0 ℃ and 133.5~91.6 ℃, respectively. Especially, one of the synthyesized reactive mesogens containing a rigid linear acetylene unit exhibited a wide smectic temperature range showing a smectic A phase with a higher order parameter.

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4고효율 페로브스카이트 태양전지 광활성층을 위한 가압열처리 방법

저자 : 이성범 ( Seongbeom Lee ) , 김단비 ( Danbi Kim ) , 정우현 ( Woo Hyeon Jeong ) , 양현석 ( Hyun-seock Yang ) , 이보람 ( Bo Ram Lee ) , 최효성 ( Hyosung Choi ) , 박성흠 ( Sung Heum Park ) , 손세모 ( Semo Son )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 27권 1호 발행 연도 : 2021 페이지 : pp. 29-38 (10 pages)

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페로브스카이트 태양전지는 빠른 속도로 효율 개선이 이루어지며 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 가공 매개변수의 영향을 강하게 받는 유-무기 혼합 페로브스카이트 태양전지에서 고품질의 광 활성층을 제조하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 Methylammonium Lead Iodide(MAPbI3) 광활성층 제작 시, 결정화가 이루어지는 열처리 과정에서 압력을 가함으로써 용매가 증발하는 속도를 조절할 수 있는 가압열처리 공정방법(pressure assisted annealing process, PA method)을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 광 활성층 제조방법은 보다 오래 용매를 활성층 내에 머물게 할 수 있어서 MAPbI3의 중간단계에서 그레인의 성장을 극대화 할 수 있으며, 이를 통해 고품질 페로브스카이트 광 활성층의 제조를 가능하게 한다. 또한 본 가압열처리 방법으로 형성시킨 페로브스카이트 광 활성층을 도입하여 태양전지를 제조하였을 경우, 소자의 최고 성능은 기존의 방법으로 제조된 소자와 비교하여 24.4 mA cm-2의 높은 단락 전류밀도, 0.96 V의 개방전압, 0.75의 필 팩터를 나타내며 17.3 %의 에너지 전환효율을 나타내었다.


Perovskite solar cells have been rapidly improved in device efficiency and are in the spotlight as a next-generation eco-friendly energy source. Achieving high-quality photo-active layer influenced by processing parameters is critical to the device performance of organic-inorganic hybrid perovskite solar cells. In this study, a pressure assisted annealing process (PA method) was developed to control the evaporation speed of the solvent inside perovskite layer. By applying pressure during the annealing process for crystallization of the methylammonium Lead Iodide (MAPbI3), we could control the evaporation speed of solvent to promote crystal growth of MAPbI3 which enables to manufacture high-quality perovskite photo-active layers. As a result, the PA device exhibited a high PCE of ~17.3 % with significantly enhanced short-circuit current of ~24.4 mA cm-2, an open-circuit voltage of 0.96 V and a fill factor of 0.75.

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1(아이오도메틸)트리메틸실란을 이용한 2-에티닐피리딘의 무촉매중합

저자 : 손태관 ( Tae-kwan Son ) , 강병운 ( Byong-yun Kang ) , 제갈영순 ( Yeong-soon Gal ) , 심상연 ( Sang-yeon Shim )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 26권 3호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 61-69 (9 pages)

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(아이오도메틸)트리메틸실란을 이용한 2-에티닐피리딘의 무촉매 중합을 통하여 N-(트리메틸실릴메틸) 피리디늄 아이오다이드를 측쇄로 갖는 새로운 공액구조 고분자를 합성하였다. 이 중합반응은 불균일하게 진행되었으며 중합수율은 95%로 매우 높았지만 생성된 고분자는 중합중 가교화반응으로 대부분의 유기용매에 용해하지 않았다. 합성 고분자의 분자구조를 분석한 결과 이온성 피리딜 치환기를 갖는 해당 고분자가 합성되었음을 확인할 수 있었다. 합성 고분자의 열적 특성과 몰폴로지 등을 TGA, EDX 등의 분석장비로 측정하고 분석하였다.

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2장거리 보정 범함수 이론을 적용하여 계산한 전하 이동 들뜬 상태 에너지에 대한 말단 작용기 전자 받개의 효과

저자 : 배한석 ( Han-seok Bae ) , 송종원 ( Jong-won Song )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 26권 3호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 70-77 (8 pages)

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H2N-(CH=CH)3-X과 탄소사슬을 제거시킨H2N-H.....H-X시스템에서 다양한 전자받개(-X)를 치환시키고 B3LYP, long-range corrected(LC)-BLYP, EOM-CCSD의 계산방법들을 사용하여 charge transfer(CT) 에너지 계산을 수행한 뒤 전자받개와 CT에너지간의 연관성과 각각의 계산방법들에 대한 정확성을 비교하였다. 분자내, 분자간 시스템 모두 전자받개의 성향이 커질수록 CT에너지가 감소하는 경향을 보였다. 기존의 LC-BLYP가 분자내와 분자간의 양쪽에서 가장 좋은 CT에너지 값을 보여주었다. 이번 연구에서 실시한 CT 에너지에서는 기존의 예상과 다르게 높은 범위분리변수(U)값의 LC-BLYP 가 더 좋은 결과를 나타내 준다는 것을 확인할 수 있었다.

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3인쇄전자 기술을 활용한 지능형 반도체 소자 구현을 위한 유기전계효과 트랜지스터 소자의 광파 어닐링 효과 연구

저자 : 권미정 ( Mi Jeong Kwon ) , 박운익 ( Woon Ik Park ) , 임영수 ( Young Soo Lim ) , 남수용 ( Suyong Nam ) , 백강준 ( Kang-jun Baeg )

발행기관 : 한국화상학회 간행물 : 한국화상학회지 26권 3호 발행 연도 : 2020 페이지 : pp. 78-85 (8 pages)

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본 논문에서는 유연/인쇄 전자 기술을 활용해 고성능의 유기물 반도체 기반 트랜지스터를 개발하고, 이를 통해 인공지능용 반도체 및 폴리모픽 전자회로에 응용하기 위해 공액구조 고분자 반도체 소재의 광파 어닐링 방법에 따른 특성 향상 효과를 연구하였다. 일반적으로 열처리를 위해 가장 많이 활용되는 핫플레이트의 경우 반도체 소자 특성의 균일도 문제와 높은 온도 및 열-용량으로 인한 플라스틱 기판 사용의 제한, 긴 어닐링 시간 등의 문제로 인해 실제 산업에서 활용하는데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 광파를 활용한 효과적인 유기물 반도체 필름의 열처리 공정을 개발함으로써 Roll-to-Roll 방식의 고속/대면적 인쇄 공정에 적합한 열처리 방법과 반도체 층 전체의 높은 결정화도 유도를 통한 성능 향상과 소자 균일도 개선을 위한 방법을 개발하였다.

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