Surfactant engineering for fabricating water-borne colloid of a polymeric semiconductor :계면활성제를 이용한 고분자 반도체의 수성 콜로이드화 기술 개발

조장환

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조장환 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 정대성

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

Surfactant engineering for fabricating water-borne colloid of a polymeric semiconductor

조장환 화학신소재공학과 2016.01 학위논문

2015

Smart surfactant engineering for producing water-borne colloids of polymeric semiconductors with high charge carrier mobility

조장환 , 정대성 , 김윤희 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2015.10 학술대회자료

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고분자 기반의 전계 효과 트랜지스터 기술은 계속 발전되고 있지만 산업에서 이용될 수 있는 공정으로 만들기 위해서는 독성의 유기 용매의 사용을 지양하여 환경적으로 안정한 용매를 사용하는 것의 중요성이 대두되고 있다. 이에, 전자 주게-받게의 구조로 이루어진 고성능 반도체 ( μ > 5 cm2/Vs )를 기반으로 한 콜로이드를 제조하기에 이르렀다. 이 환경적으로 안정한 용매에 분산된 콜로이드는 장치를 구현하는데 최적화되어 2.7 cm2/Vs의 고성능의 전하이동도를 갖는데 성공하였다. 하지만 여전히 이 방법의 콜로이드 제조는 가장 친환경적인 용매인 물에 대한 분산을 해결하지는 못했다.
여기서 본 연구는 새로운 방법을 도입해 수분산 반도체 콜로이드를 개발하여 높은 전하이동도를 구현하는데 성공하였다. Sodium dodecyl sulfate (SDS)라는 계면활성제와 Poly[2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (PBTTT)라는 반도체 고분자를 이용하여 만든 수분산 반도체 콜로이드로 제조한 전계 효과 트랜지스터는 열처리로 인한 고분자의 소결로 유기용매로 동일하게 만든 장치에 견줄만한 0.19 cm2/Vs라는 높은 수치의 전하이동도의 장치를 구현하였다.
그 이후, 비이온성 계면활성제와 높은 전하이동도 특성을 가진 전자 주게-받게 구조의 반도체 고분자를 다시 한번 이용하여 2.51 cm2/Vs의 고성능 전계 효과 트랜지스터를 구현할 수 있었다. 또 이 장치는 화학적, 구조적 분석을 통하여 높은 전하이동도의 원인을 계면활성제의 제거를 통한 반도체 고분자들이 엣지-온 구조의 형성에서 찾을 수 있었다.

Considering the recent rapid growth of polymer field effect transistor (PFET) techniques and environmental pressure to avoid the use of toxic organic solvents in industrial processes, it is very important to develop colloids of semiconducting polymers in non-toxic solvents. Herein, we demonstrate the fabrication of surfactant-free, emulsion-dispersed colloids of donor-acceptor copolymers. By optimizing the deposition methods of such semiconducting polymer colloids, high mobility (2.7 cm2/Vs) PFETs were fabricated via environmentally benign processes. But these surfactant-free colloids are unstable and not disperse in water.[1],[2]
In this study, we suggest a novel method of fabricating water-borne colloids of semiconducting polymers for use in environmentally benign processes involving organic electronics, without compromising the high charge carrier mobility of the polymeric semiconductors. By employing sodium dodecyl sulfate (SDS) as a surfactant and Poly[2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (PBTTT) as a polymeric semiconductor, a water-borne colloid was synthesized and used for forming the active layer of a field effect transistor. As a result, the PBTTT nanoparticle film cast from the water-borne colloid was successfully sintered to form continuously π-π stacked polymeric semiconductor films, whose high charge carrier mobility of 0.19 cm2/Vs[3], is comparable to those of organic solvents. And we introduced such non-ionic surfactants-technique onto a donor-acceptor type polymeric semiconductor with an inherently high charge carrier mobility, resulting in a high-mobility (~2.51 cm2 V-1 s-1) water-borne polymer field effect transistor for the first time.[4] Structural and chemical analyses showed that films consisting of polymer nanoparticles are nearly free from surfactants and therefore still maintained high degree of edge-on crystalline orientation, which was enough to render high charge carrier mobility.

#Water-born colloid #Organic semiconductor #Environmental-friendly

Abstract i
Ⅰ. Introduction 1
Ⅱ. Analysis
2.1 Materials 8
2.2 Characterization 8
Ⅲ. Result and discussion
3.1 Colloids of semiconducting polymers for high-performance, environment-friendly polymer field effect transistors 10
3.1.1 Result and discussion 10
3.1.2 Synthesis 15
3.1.3 Device fabrication 15
3.1.4 Conclusion 16
3.1.5 Figures 17
3.1.6 Tables 21
3.2 Water-based high-performance polymer field effect transistors enabled by heat-assisted surfactant elimination 22
3.2.1 Result and discussion 22
3.2.2 Synthesis 26
3.2.3 Device fabrication 27
3.2.4 Conclusion 27
3.2.5 Figures 29
3.2.6 Tables 33
3.3 High charge carrier mobility from water-borne colloid of polymeric semiconductor via smart surfactant engineering 34
3.3.1 Result and discussion 34
3.3.2 Synthesis 41
3.3.3 Device fabrication 41
3.3.4 Conclusion 42
3.3.5 Figures 43
3.3.6 Tables 50
Ⅳ. References 51
Copyright information 53
국문초록 54

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