KR20200089058A - Composition comprising water for bi-phasic dip-coating techniques and method for forming semiconducting polymer thin films using thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a bi-phasic dip-coating composition and a method of forming a semiconductor polymer thin film using the same. More specifically, the present invention relates to a bi-phasic dip-coating composition comprising water as the bottom phase, and a conductive polymer solution as the top phase, the composition capable of forming a thin film that is uniform with high crystallinity via solvent interactions; a method of forming a semiconductor polymer thin film which may be adopted in a device to dramatically increase the electrical performance thereof; a semiconductor polymer thin film formed thereby; and field-effect transistors (FETs) comprising the same.

Description

물을 포함하는 2상 딥코팅용 조성물 및 이를 이용한 고분자 박막의 형성 방법{COMPOSITION COMPRISING WATER FOR BI-PHASIC DIP-COATING TECHNIQUES AND METHOD FOR FORMING SEMICONDUCTING POLYMER THIN FILMS USING THEREOF}Composition for two-phase deep coating containing water and a method for forming a polymer thin film using the same{COMPOSITION COMPRISING WATER FOR BI-PHASIC DIP-COATING TECHNIQUES AND METHOD FOR FORMING SEMICONDUCTING POLYMER THIN FILMS USING THEREOF}

본 발명은 2상(bi-phasic) 딥코팅용 조성물 및 이를 이용한 반도체 고분자 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하부 상(bottom phase)으로 물; 및 상부 상(top phase)으로 전도성 고분자 용액을 포함하는 2상 딥코팅용 조성물에 관한 것으로 용매 상호작용에 의하여 균일하면서도 결정성이 높은 박막을 얻을 수 있고, 이를 채용한 소자의 전기적 성능을 크게 향상시킬 수 있는 반도체 고분자 박막의 형성 방법, 이를 통해 형성된 반도체 고분자 박막, 및 이를 포함한 전계효과 트랜지스터(FETs)에 관한 것이다.The present invention relates to a bi-phasic dip coating composition and a method of forming a semiconductor polymer thin film using the same, more specifically, water as a bottom phase; And a two-phase deep coating composition comprising a conductive polymer solution as a top phase. A uniform and highly crystalline thin film can be obtained by solvent interaction, and the electrical performance of the device employing this is greatly improved. It relates to a method of forming a semiconductor polymer thin film, a semiconductor polymer thin film formed therethrough, and field effect transistors (FETs) including the same.

유기 전자 장치는 일회용 전자 장치, 웨어러블 전자 장치 및 다기능 센서와 같은 다양한 응용 분야에서 기대되는 새로운 기술이다. 유기 반도체의 장점 중 하나는 용액 가공성이며, 이는 대면적 플렉서블 기판의 제조와 양립할 수 있다. 높은 전하 이동도를 제공하는 바람직한 유기 결정 구조로 균일하고 평활하며 높은 전도성을 갖는 유기 반도체 박막 트랜지스터(TFT)를 제조하기 위해 다양한 용액 침착 방법이 이용 가능하다.Organic electronic devices are new technologies expected in a variety of applications, such as disposable electronic devices, wearable electronic devices, and multifunctional sensors. One of the advantages of organic semiconductors is solution processability, which is compatible with the manufacture of large area flexible substrates. Various solution deposition methods are available to produce organic semiconductor thin film transistors (TFTs) with uniform, smooth, and high conductivity with desirable organic crystal structures that provide high charge mobility.

유기 반도체의 전계효과 이동성의 개선과 함께 유기 전자 장치의 성공적인 상용화는 TFT 제조시 위험한 할로겐화 및/또는 방향족 용매를 제거를 필요로 한다.   대부분의 유기 반도체는 경질의 π-공액 반도체 구조를 용매로 하는 환경적으로 독성을 갖는 할로겐화 용매를 사용하여 처리된다. 할로겐화 용매의 환경적 영향은 대면적 유기 반도체 코팅을 제조할 때 중요한 문제가 된다. 환경 친화적인 비할로겐화 용매를 사용하는 고이동성 TFT 디바이스의 제조는 이 분야에서 여전히 도전적이고 시급한 과제로 남아있다.The successful commercialization of organic electronic devices with the improvement of the field effect mobility of organic semiconductors requires the removal of hazardous halogenated and/or aromatic solvents in TFT manufacturing. Most organic semiconductors are treated using environmentally toxic halogenated solvents with a rigid π-conjugated semiconductor structure as a solvent. The environmental impact of halogenated solvents is an important issue when manufacturing large area organic semiconductor coatings. Manufacturing of highly mobile TFT devices using environmentally friendly non-halogenated solvents remains a challenging and urgent task in this field.

대면적 코팅의 제조를 위한 다양한 용액 처리 방법이 개발되었다. 이 중 딥-코팅은 학술 연구 및 산업 생산에 널리 사용된다. 그 방법은 효율적인 전하 캐리어 수송을 가능하게 하는 공액 폴리머 결정화 공정에 대한 미세한 제어를 제공할 뿐만 아니라 다양한 곡선의 가요성 기판상에 균일하고 매끄러운 필름을 제조하는데 유리하다. 그러나 딥-코팅 저장조를 채우기 위해 다량의 폴리머 용액이 필요하기 때문에 딥-코팅 공정은 쉽게 대량화되지 않는다. 이 문제를 극복하기 위해, 새로운 2상 딥-코팅 방법은 재사용할 수 있는 불활성 액체 지지체 상(시스템의 대부분) 및 담지 될 용액을 지지체 상에 띄우는 상 분리된 용매 시스템을 사용하여 개발되었다. 이러한 구성에서, 폴리머 용액의 부피는 크게 최소화될 수 있다.Various solution processing methods have been developed for the preparation of large area coatings. Of these, deep-coating is widely used for academic research and industrial production. The method not only provides fine control over the conjugated polymer crystallization process that enables efficient charge carrier transport, but is also advantageous for producing uniform and smooth films on flexible substrates of various curves. However, the dip-coating process is not easily bulked up because a large amount of polymer solution is required to fill the dip-coated reservoir. To overcome this problem, a new two-phase deep-coating method was developed using a reusable inert liquid support phase (most of the system) and a phase separated solvent system that floats the solution to be supported on the support. In this configuration, the volume of the polymer solution can be greatly minimized.

Hye Su Kim, Jin Yeong Na, Yeong Don Park. Polym. Kor. (2014) 38, 188. Hye Su Kim, Jin Yeong Na, Yeong Don Park. Polym. Kor. (2014) 38, 188.

2상 딥-코팅 공정은 안정한 2상 상태를 형성할 수 있는 한 쌍의 용매의 선택을 필요로 한다. 전형적으로, 2상 시스템은 저밀도의 플로팅 용매 및 고밀도의 하부 지지 용매를 사용하여 제조될 수 있다; 그러나 π-공액 중합체를 용해할 수 있는 대부분의 용매는 1.1g cm-3를 초과하는 고밀도를 가지기 때문에 적합한 용매 기초를 찾기가 어렵다. 딥-코팅 공정의 환경 영향을 줄이기 위해서는 유기 반도체 용액으로 안정한 2상 상태를 형성할 수 있는 그린 용매를 찾는 것이 중요하다. 여기에서 본 발명자는 물을 재사용 가능한 바닥 상 용매로 사용하는 새로운 2상 딥코팅 방법을 보고한다. 본 발명자는 용해도 변수와 표면 장력을 포함한 용매 특성을 변화시켜 2상 용액 시스템의 형성을 체계적으로 연구했다. 고결정성 고분자막을 얻기 위해 고비점 용매 첨가제를 첨가하여 용매 증발 속도를 조절하였으며, 이는 고분자 결정화 공정에 큰 영향을 미쳤다. 용매 혼합물의 2상 시스템은 박막 트랜지스터 장치에 사용하기 위해 고결정성 공액 고분자 상을 함유하는 균일하고 부드럽게 딥-코팅된 필름을 제조 하였다.The two-phase dip-coating process requires the selection of a pair of solvents capable of forming a stable two-phase state. Typically, two-phase systems can be made using low density floating solvents and high density bottom support solvents; However, most solvents capable of dissolving the π-conjugated polymer have a high density exceeding 1.1 g cm -3 , making it difficult to find a suitable solvent base. In order to reduce the environmental impact of the dip-coating process, it is important to find a green solvent capable of forming a stable two-phase state with an organic semiconductor solution. Here, we report a new two-phase dip coating method using water as a reusable bottom phase solvent. The inventors have systematically studied the formation of a two-phase solution system by changing solvent properties, including solubility parameters and surface tension. In order to obtain a high crystalline polymer film, a high boiling point solvent additive was added to control the evaporation rate of the solvent, which had a great effect on the polymer crystallization process. The two-phase system of the solvent mixture produced a uniform and smooth deep-coated film containing a high crystalline conjugated polymer phase for use in thin film transistor devices.

상기 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 하부 상(bottom phase)으로 물; 및 상부 상(top phase)으로 전도성 고분자 용액을 포함하는 2상 딥코팅용 조성물을 제공한다. In order to achieve the above technical problem, the present invention is water in the lower phase (bottom phase); And it provides a composition for a two-phase deep coating comprising a conductive polymer solution as a top phase (top phase).

상기 전도성 고분자 용액의 용매는 비점이 50~200℃이고, 상기 비점이 증가할수록 고분자 필름의 결정이 증가하는 것을 특징으로 한다. 용매 증발 속도는 딥코팅에 의해 제조된 폴리머 필름의 결정성(crystallinity)을 제어하는 가장 중요한 요소로 고비점(high boiling point) 용매는 용매 증발 시간을 연장함으로써 폴리머 사슬 사이의 결정화를 촉진할 수 있다. 따라서 용매의 비점이 50℃ 이하인 경우 용매의 증발시간이 짧아져서 필름의 결정이 충분하게 형성되지 않으며, 200℃를 초과하는 경우에는 데웨팅 문제를 야기하고 필름 형성이 불량하다는 단점이 있다. The solvent of the conductive polymer solution has a boiling point of 50 to 200°C, and the crystallinity of the polymer film increases as the boiling point increases. The solvent evaporation rate is the most important factor in controlling the crystallinity of the polymer film produced by dip coating, and the high boiling point solvent can promote crystallization between polymer chains by extending the solvent evaporation time. . Therefore, when the boiling point of the solvent is 50° C. or less, the evaporation time of the solvent is short, so that the crystals of the film are not sufficiently formed, and when it exceeds 200° C., a dewetting problem is caused and the film formation is poor.

다른 실시 예에서, 상기 전도성 고분자 용액 위에 용매 첨가제를 플로팅(floating)시킨 2상 딥코팅용 조성물 및 상기 전도성 고분자 용액에 용매 첨가제가 혼합된 혼합 용액이 위치하는 2상 딥코팅용 조성물을 제공한다. 상기 용매 첨가제는 용매 증발 속도를 제어하면서 균일하고 핀홀 없는(pinhole-free) 필름 커버리지(film coverage)를 유지하는데 도움을 준다. In another embodiment, a composition for two-phase deep coating in which a solvent additive is floated on the conductive polymer solution and a mixture solution in which a solvent additive is mixed in the conductive polymer solution are located. The solvent additive helps to maintain uniform and pinhole-free film coverage while controlling the solvent evaporation rate.

바람직하게, 상기 용매 첨가제는 전도성 고분자 용매의 증발속도를 감소시키는 것을 특징으로 한다. Preferably, the solvent additive is characterized by reducing the evaporation rate of the conductive polymer solvent.

상기 용매 첨가제 선택시 고려해야 할 중요한 용매 혼합 계수는 한센 용해도 파라미터(HSP)이며, 상기 전도성 고분자 용액의 용매와 용매 첨가제의 한센 용해도 파라미터(HSP) 차이는 2.0 MPa1/2 이하인 것이 바람직하다. 상기 한센 용해도 파라미터 차이가 2.0 MPa1/2을 초과하는 경우 플로팅 방법에서 용매 첨가제가 전도성 고분자 용액으로 확산하는 것을 방해하고, 결과적으로 고분자의 결정화를 방해하여 불균일한 필름을 형성시킨다. 또한 혼합 방법에서 한센 용해도 파라미터 차이가 2.0 MPa1/2을 초과하는 경우 응집된 DCB를 용액 상태로 확산시켜 불균일한 필름을 형성한다는 단점이 있다. An important solvent mixing factor to be considered when selecting the solvent additive is the Hansen solubility parameter (HSP), and the difference between the solvent of the conductive polymer solution and the Hansen solubility parameter (HSP) of the solvent additive is preferably 2.0 MPa 1/2 or less. When the Hansen solubility parameter difference is more than 2.0 MPa 1/2 , the solvent additive is prevented from diffusing into the conductive polymer solution in the floating method, and as a result, the crystallization of the polymer is prevented to form a non-uniform film. In addition, when the difference in the Hansen solubility parameter in the mixing method exceeds 2.0 MPa 1/2 , there is a disadvantage that the aggregated DCB is diffused in a solution state to form a non-uniform film.

바람직하게 상기 전도성 고분자 용액의 용매는 클로로포름(CF)이며, 상기 용매 첨가제는 클로로벤젠(CB) 또는 디클로로벤젠(DCB) 중 어느 하나이며, 상기 물은 탈이온수(DI water)이다. Preferably, the solvent of the conductive polymer solution is chloroform (CF), the solvent additive is either chlorobenzene (CB) or dichlorobenzene (DCB), and the water is deionized water (DI water).

또한 상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene: PA), 폴리티오펜(polythiophene: PT), 폴리(3-알킬)티오펜(poly(3-alkyl)thiophene: P3AT), 폴리피롤(polypyrrole: PPY), 폴리이소시아나프탈렌(polyisothianapthelene:PITN), 폴리에틸렌디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene: PEDOT), 폴리파라페닐렌 비닐렌(polyparaphenylene vinylene: PPV), 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌 비닐렌 (poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene: PPP), 페릴렌테트라카복실산디이미드(perylene tetracarboxylic diimide: PTCDI), 폴리파라페닐렌설파이드(polyparaphenylene sulphide: PPS), 폴리헵타디엔(polyheptadiyne: PHT), 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), 폴리아닐린(polyaniline: PANI) 및 이들의 유도체를 포함하여 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 바람직하게 상기 전도성 고분자는 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT)이다. In addition, the conductive polymers are polyacetylene (PA), polythiophene (PT), poly(3-alkyl)thiophene (P3AT), polypyrrole (PPY), polyyi Polyisothianapthelene (PITN), polyethylene dioxythiophene (PEDOT), polyparaphenylene vinylene (PPV), poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene (poly(2 ,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), polyparaphenylene (PPP), perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI), polyparaphenylene sulphide (PPS), polyheptadiyne : PHT), poly(3-hexyl)thiophene (poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), polyaniline (PANI) and one or more selected from the group consisting of derivatives thereof, preferably The conductive polymer is poly(3-hexyl)thiophene (P3HT).

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 1) 하부 상(bottom phase)으로 물을 위치시키는 단계; 2) 상부 상(top phase)으로 전도성 고분자 용액을 물 위에 적하하여 2상 딥코팅 용액을 제조하는 단계; 3) 상기 2상 딥코팅 용액에 기판을 침지시키는 단계; 및 4) 상기 기판을 회수하는 단계를 포함하는, 반도체 고분자 박막의 형성 방법을 제공한다. According to another embodiment of the present invention, 1) placing the water in the bottom phase (bottom phase); 2) preparing a two-phase dip coating solution by dropping a conductive polymer solution onto water as a top phase; 3) immersing the substrate in the two-phase deep coating solution; And 4) recovering the substrate.

적하 단계는 폴리사이오펜 용액을 한꺼번에 넣어 상기 용매들 간의 경계면이 흐트러지게 혼합되는 것보다 경계면이 안정적으로 유지되도록 한 방울씩 떨어뜨리면서 서서히 넣어주는 적하 방식(add dropwise)이 좋다.The dropping step is preferably a dropwise dropping method in which a polythiophene solution is added at once and gradually added dropwise to the interface so that the interface is stably maintained, rather than mixing the interface between the solvents.

또한 2) 단계 이후, 상기 전도성 고분자 용액 위에 용매 첨가제를 적하하여 플로팅(floating)시키는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, after the step 2), it may further include a step of dropping and floating a solvent additive on the conductive polymer solution.

또한 상기 2) 단계에서, 적하하기 전에 상기 전도성 고분자 용액을 용매 첨가제와 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, in step 2), a step of mixing the conductive polymer solution with a solvent additive before dropping may be further included.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기와 같은 방법에 따라 형성된 반도체 고분자 박막, 및 이를 포함하는 전계효과 트랜지스터(Field-Effect Transistors; FETs)가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a semiconductor polymer thin film formed according to the method as described above, and field-effect transistors (Field-Effect Transistors; FETs) including the same are provided.

본 발명의 용매 첨가제 증발 속도 및 첨가제와 주 용매 사이의 혼화성이 딥-코팅 공정 중 필름 형성 및 중합체 결정화에 영향을 주었으며, 적은 고분자 용액으로 높은 결정성 박막을 제조할 수 있고, 박막 표면의 균일성과 더불어 박막 내의 분자정렬성, 결정화도, 전하 운반체 수송(전하 이동도) 및 고분자 FETs 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 2상 딥코팅 방법은 광범위한 상업적 응용을 위해 견고하고 효과적인 유기 전자 장치의 설계 및 개발에 중요한 이점을 제공할 수 있을 것이다.The solvent additive evaporation rate of the present invention and the miscibility between the additive and the main solvent influenced film formation and polymer crystallization during the dip-coating process, and a high crystalline thin film can be produced with a small polymer solution, and the uniformity of the thin film surface In addition to the performance, it is possible to greatly improve the molecular alignment, crystallinity, charge carrier transport (charge mobility) and performance of polymer FETs in thin films. Therefore, the two-phase deep coating method of the present invention may provide important advantages for the design and development of a robust and effective organic electronic device for a wide range of commercial applications.

도 1은 (a) 다양한 용매의 표면 장력 및 밀도; (b) 2상 딥-코팅 공정을 설명하는 개략도이며; (c) CF(상부)/THF(하부), (d) CF(상부)/DMF(하부) 및 (e) CF(상부)/탈이온수(하부)를 포함하는 2상 시스템 사진이다.
도 2는 (a) CF, CB 및 DCB로부터 제조된 P3HT 필름의 정규화된 UV-vis 흡수 스펙트럼; (b) 용매 첨가 공정의 개략도: 플로팅 방법 및 혼합 방법; 상이한 용매 첨가 공정으로부터 제조된 P3HT 박막의 표준화된 UV-vis 흡수 스펙트럼:  일정량의 첨가 용매 5 ~ 10 vol%에서 (c) 플로팅 및 (d) 혼합 방법; (e) (0-0)의 피크와 (0-1) 피크의 강도의 비율을 나타내는 도면이다. 삽입 그림은 딥-코팅된 P3HT 박막의 UV-vis 흡수 스펙트럼으로부터 계산된 자유 엑시톤 대역폭 W의 변화를 나타낸다.
도 3은 균일한 용매에서 OTS 처리된 실리콘 기판상에 딥-코팅된 P3HT 필름의 사진; (a) CF, CB 및 DCB 및 상이한 용매 첨가 공정을 사용하여 제조된 혼합 용매로 딥-코팅된 P3HT 필름의 사진이다; (b) 플로팅 및 (c) 혼합 방법. 용매 첨가제 CF:CB 및 CF:DCB를 사용하여 두 가지 다른 용매 첨가 방법에 대해 2상 용매로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 광학 현미경 이미지이다; (d) 플로팅 방법 및 (e) 혼합 방법.
도 4는 2상 P3HT 용액으로부터 얻은 P3HT 필름의 태핑 모드(Tapping-mode) AFM 위상 이미지이다; (a) CF, CB 및 DCB 용매로 처리된 필름의 AFM 위상 이미지. 상이한 용매 첨가 방법을 사용하여 제조된 용매 혼합물 CF:CB 및 CF:DCB로부터 가공된 필름의 AFM 상 이미지이다; (b) 부동 방법 및 (c) 혼합 방법.
도 5는 용매 혼합물 CF:CB 및 CF:DCB로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 선형(왼쪽 축) 및 로그(오른쪽 축) 스케일에서 게이트 전압 대 드레인 전류의 플롯을 나타낸다(고정 드레인 전압 -80V); (a) 플로팅 방법 및 (b) 혼합 방법. (c) 다양한 용매 첨가 방법을 사용하여 다양한 용매 혼합물로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 평균 전계효과 이동도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 용매 첨가 방법(플로팅 및 혼합)이 용액 상태에서 용매 혼합 및 응집을 유도하는 방법을 설명하는 개략도이다.
1 shows (a) surface tension and density of various solvents; (b) is a schematic diagram illustrating a two phase dip-coating process; (c) CF (top)/THF (bottom), (d) CF (top)/DMF (bottom) and (e) CF (top)/deionized water (bottom).
Figure 2 (a) normalized UV-vis absorption spectrum of P3HT film prepared from CF, CB and DCB; (b) Schematic of the solvent addition process: floating method and mixing method; Standardized UV-vis absorption spectrum of P3HT thin films prepared from different solvent addition processes: (c) floating and (d) mixing method in a fixed amount of 5-10 vol% of added solvent; (e) It is a diagram showing the ratio of the intensity of the peak of (0-0) and the peak of (0-1). The inset shows the change in free exciton bandwidth W calculated from the UV-vis absorption spectrum of a deep-coated P3HT thin film.
3 is a photograph of a P3HT film deep-coated on a silicon substrate treated with OTS in a uniform solvent; (a) A photograph of a P3HT film dip-coated with CF, CB and DCB and mixed solvents prepared using different solvent addition processes; (b) Floating and (c) mixing methods. It is an optical microscopic image of a P3HT film dip-coated from a two-phase solvent for two different solvent addition methods using solvent additives CF:CB and CF:DCB; (d) floating method and (e) mixing method.
4 is a tapping-mode AFM phase image of a P3HT film obtained from a two-phase P3HT solution; (a) AFM phase image of film treated with CF, CB and DCB solvents. AFM phase images of films processed from CF:CB and CF:DCB solvent mixtures prepared using different solvent addition methods; (b) floating method and (c) mixing method.
Figure 5 shows a plot of gate voltage versus drain current at linear (left axis) and log (right axis) scales of deep-coated P3HT films from solvent mixtures CF:CB and CF:DCB (fixed drain voltage -80V); (a) floating method and (b) mixing method. (c) It is a graph showing the average field effect mobility of a dip-coated P3HT film from various solvent mixtures using various solvent addition methods.
6 is a schematic diagram illustrating a method in which a solvent addition method (floating and mixing) induces solvent mixing and aggregation in a solution state.

이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples and experimental examples. However, these examples are only for the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.

실시예Example

Rieke Metals, Inc.로부터 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT, MW = 69 kDa, 위치규칙성=96%, PDI=2.0-2.3)을 구입 하였다. P3HT를 클로로포름(CF), 클로로벤젠(CB) 및 디클로로벤젠(DCB)에 7mg mL-1의 농도로 용해하고 50℃에서 3시간 동안 교반하였다. 300nm 두께의 열적으로 성장된 이산화규소(SiO2) 층으로 덮인 고도로 도핑된 n형 실리콘 웨이퍼를 유기 오염물질을 제거하기 위하여 70℃에서 30분 동안 고온 피라냐 용액(98% 황산 및 35% 과산화수소의 3:2 부피 혼합물)에 침지시켰다. 옥틸트리클로로실란(OTS)은 실온에서 30분 동안 OTS 시약을 포함하는 톨루엔에 Si/SiO2 기판을 담금으로써 코팅되었다. OTS 처리된 기판을 각각 3분 동안 톨루엔 및 에탄올에서 초음파 처리하고 사용하기 전에 진공하에 건조시켰다. 2.5mL 탈이온(DI) 수로 채워진 3mL 유리 바이알을 사용하여 지지 용매(support solvent)를 형성하고, P3HT 용액 0.07 mL를 주사기를 사용하여 DI 수면 위에 조심스럽게 떨어뜨렸다. OTS 처리된 Si/SiO2 기판을 5mm s-1의 딥(dip) 및 인출 속도로 딥-코팅하였다. P3HT 필름을 80℃에서 30분간 열처리하고 전기 특성화 이전에 탈이온수(DI)와 유기 용매를 증발시키기 위해 2시간 동안 진공 상태로 유지했다. 상부 게이트 유기 TFT 디바이스는 금 전극을 증발시켜 제작되었다. 1000㎛ 채널 폭 및 100㎛ 채널 길이를 갖는 쉐도우 마스크를 사용하여 금 소스 및 드레인 전극을 패터닝 하였다. UV-vis 흡수 측정은 세정된 유리 기판상에 제조된 P3HT 필름을 사용하여 수행 하였다.Poly(3-hexylthiophene) (P3HT, MW = 69 kDa, regioregularity=96%, PDI=2.0-2.3) was purchased from Rieke Metals, Inc. P3HT was dissolved in chloroform (CF), chlorobenzene (CB) and dichlorobenzene (DCB) at a concentration of 7 mg mL -1 and stirred at 50 DEG C for 3 hours. A highly doped n-type silicon wafer covered with a 300 nm thick thermally grown silicon dioxide (SiO 2 ) layer was heated at 70° C. for 30 minutes to remove organic contaminants (3% of 98% sulfuric acid and 35% hydrogen peroxide). :2 volume mixture). Octyltrichlorosilane (OTS) was coated by immersing the Si/SiO 2 substrate in toluene containing OTS reagent for 30 minutes at room temperature. The OTS treated substrates were sonicated in toluene and ethanol for 3 minutes each and dried under vacuum before use. A support solvent was formed using a 3 mL glass vial filled with 2.5 mL deionized (DI) water, and 0.07 mL of a P3HT solution was carefully dropped onto the DI water surface using a syringe. The OTS-treated Si/SiO 2 substrate was dip-coated at a dip of 5 mm s -1 and withdrawal rate. The P3HT film was heat treated at 80°C for 30 minutes and kept in a vacuum for 2 hours to evaporate deionized water (DI) and organic solvent prior to electrical characterization. The top gate organic TFT device was fabricated by evaporating the gold electrode. Gold source and drain electrodes were patterned using a shadow mask with a 1000 μm channel width and a 100 μm channel length. UV-vis absorption measurement was performed using a P3HT film prepared on a cleaned glass substrate.

실험조건Experimental condition

UV-vis 흡광도 스펙트럼은 UV-vis 분광 광도계(Thermo Scientific, Genesys 10S)를 사용하여 기록하였다. 필름의 모폴로지는 원자현미경(AFM)(Multimode 8, Bruker) 및 광학현미경(OM; OLYMPUS BX51)를 사용하여 관찰하였다. P3HT 필름의 전기적 특성은 반도체 분석기(Keithley 4200-SCS)를 이용하여 실온 및 진공 상태에서 측정하였다. 전계효과 이동도는 포화 영역에서 계산되었다.The UV-vis absorbance spectrum was recorded using a UV-vis spectrophotometer (Thermo Scientific, Genesys 10S). The morphology of the film was observed using an atomic force microscope (AFM) (Multimode 8, Bruker) and an optical microscope (OM; OLYMPUS BX51). Electrical properties of the P3HT film were measured at room temperature and vacuum using a semiconductor analyzer (Keithley 4200-SCS). Field effect mobility was calculated in the saturation region.

실험예Experimental Example

1. 2상(biphasic) 시스템의 형성1. Formation of a biphasic system

본 발명자는 필름 형성 및 결정화 작용에 대해 가장 잘 연구된 모델 시스템 중 하나인 공액 폴리머로서 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)를 선택하였다. 침착(deposition)을 위해 유기 반도체를 용해한 상부 상(top phase) 폴리머 용액 및 딥-코팅 용기 부피의 대부분을 채운 하부 상(bottom phase) 용매를 포함하는 2상(biphasic) 침적 코팅 방법이 사용되었다. 상기 상부 및 하부 용매 특성은 안정한 2상 상태의 형성에 기여하는 성질을 이해하기 위해 서로 달리하였다. We chose poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as a conjugated polymer, one of the best studied model systems for film formation and crystallization. For deposition, a biphasic deposition coating method was used, including a top phase polymer solution in which the organic semiconductor was dissolved and a bottom phase solvent filled most of the dip-coated vessel volume. The top and bottom solvent properties were different to understand the properties contributing to the formation of a stable two-phase state.

유기 전자 제품에 사용되는 공액 고분자를 용해시키는 대부분의 용매는 1.1g cm-3를 초과하는 고밀도의 염소화 용매이다(CF = 1.48 g cm-3, CB = 1.11 g cm-3, 1.2-DCB = 1.30 g cm-3). 따라서, 하부 상 용매에 대한 후보 물질은 상부 상 용액의 밀도보다 높은 밀도를 갖는 용매로 상당히 제한되었다. Most solvents that dissolve conjugated polymers used in organic electronics are high density chlorinated solvents exceeding 1.1 g cm -3 (CF = 1.48 g cm -3 , CB = 1.11 g cm -3 , 1.2-DCB = 1.30 g cm -3 ). Therefore, the candidate material for the lower phase solvent was significantly limited to a solvent having a density higher than that of the upper phase solution.

본 발명에서, 본 발명자는 안정한 2상 시스템에서 사용하기에 적합한 바닥-상 그린 용매(green solvent)를 확인하기 위해 표면 장력, γ를 포함한 다른 용매 특성을 조사했다. 표면 장력은 외부 표면에 저항할 수 있는 액체 표면의 특성으로 정의할 수 있다. 표면 장력은 용매 분자의 점착성(cohesive nature)에 좌우된다. 상부 상 용액의 용매 밀도가 하부 상 용매 밀도보다 높더라도, 하부 상 용매에서의 충분히 높은 표면 장력은 2상 용액 형성을 도울 수 있다. In the present invention, the inventors investigated other solvent properties, including surface tension, γ, to identify floor-phase green solvents suitable for use in stable two-phase systems. Surface tension can be defined as the properties of a liquid surface that can resist the outer surface. The surface tension depends on the cohesive nature of the solvent molecule. Even if the solvent density of the upper phase solution is higher than the lower phase solvent density, a sufficiently high surface tension in the lower phase solvent can help to form a two phase solution.

본 발명자는 물보다 표면 장력이 낮은 다른 두 가지 유기 용매를 물과 비교하여 어느 용매가 2상 용액 상태를 형성할 수 있는지 관찰했다. The present inventors compared two other organic solvents having a lower surface tension than water to water, and observed which solvent can form a two-phase solution state.

도 1은 물의 밀도(1 g cm-3)가 폴리머-용해된 용매의 밀도(1.48 g cm-3) 보다 낮다는 사실에 불구하고 탈이온수(DI water)만이 CF 용액 내의 P3HT와 함께 2상 용액 구조를 형성하는 것을 나타낸다. 탈이온수와 비슷한 밀도를 갖는 테트라하이드로푸란(THF)과 디메틸포름아마이드(DMF)는 표면 장력이 충분히 높지 않아 붕괴된 2상 상태를 나타냈다.Figure 1 shows that despite the fact that the density of water (1 g cm -3 ) is lower than that of polymer-dissolved solvent (1.48 g cm -3 ), only DI water is a two-phase solution with P3HT in CF solution It shows forming a structure. Tetrahydrofuran (THF) and dimethylformamide (DMF) having densities similar to deionized water exhibited a collapsed two-phase state due to insufficient surface tension.

2. 2차 용매 첨가 공정2. Secondary solvent addition process

딥-코팅 공정 동안, 상부 상 용액의 용매 특성은 필름 형성 및 공액 폴리머의 결정화 거동에 크게 영향을 주었다. 용매 증발 속도는 딥코팅에 의해 제조된 폴리머 필름의 결정성(crystallinity)을 제어하는 *?*가장 중요한 요소 중 하나이다. 고비점(high boiling point) 용매는 용매 증발 시간을 연장함으로써 폴리머 사슬 사이의 결정화를 촉진할 수 있다. 본 발명에서는 61 ~ 180℃의 서로 다른 비점을 갖는 상부 상 용매로 CF, CB 및 DCB의 세 가지 다른 용매를 테스트하였다.During the dip-coating process, the solvent properties of the upper phase solution greatly influenced the film formation and crystallization behavior of the conjugated polymer. The solvent evaporation rate is one of the most important factors controlling the crystallinity of the polymer film produced by dip coating. High boiling point solvents can promote crystallization between polymer chains by extending the solvent evaporation time. In the present invention, three different solvents of CF, CB, and DCB were tested with the upper phase solvent having different boiling points of 61 to 180°C.

P3HT-물 2상 시스템으로부터 형성된 딥-코팅된 코팅 필름의 UV-vis 스펙트럼을 비교하였다(도 2). CF, CB 및 DCB에서 제조된 P3HT 박막의 흡수 스펙트럼은 분자간 상호 작용으로 인해 560 및 608nm에서 P3HT 박막의 흡수 피크를 보였다(도 2a). 560nm에서 A0-0/A0-1에서의 (0-1) 피크의 (0-0) 피크의 강도와 608nm에서의 피크의 강도의 비는 P3HT 막에서의 결정도와 상관 관계가 있다. The UV-vis spectrum of the deep-coated coating film formed from the P3HT-water two-phase system was compared (FIG. 2). The absorption spectrum of the P3HT thin film prepared from CF, CB and DCB showed absorption peaks of the P3HT thin film at 560 and 608 nm due to the intermolecular interaction (FIG. 2A). The ratio of the intensity of the (0-0) peak of the (0-1) peak at A 0-0 /A 0-1 at 560 nm and the intensity of the peak at 608 nm correlates with crystallinity in the P3HT film.

도 2e는 용매 비점(boiling point)이 증가함에 따라 A0-0/A0-1이 0.65에서 0.82로 증가함을 보여준다. DCB-처리된 P3HT 필름이 가장 높은 결정도를 나타냈지만, 용매 증발 속도가 지나치게 낮으면 용액 응집(agglomeration)에 의한 필름 두께 및 디웨팅(dewetting) 거동이 감소될 수 있다. 본 발명자는 2상 딥-코팅 시스템(Biphasic dip-coating system)에 고비점인 214℃의 1,2,4-트리클로로벤젠을 넣고 과도하게 높은 비점이 강한 디웨팅 문제를 야기하고 필름 형성이 불량하다는 것을 확인했다.2E shows that A 0-0 /A 0-1 increases from 0.65 to 0.82 as the boiling point of the solvent increases. Although the DCB-treated P3HT film showed the highest crystallinity, if the solvent evaporation rate is too low, the film thickness and dewetting behavior due to solution agglomeration may be reduced. The present inventors put a high boiling point of 1,2,4-trichlorobenzene at a high boiling point of 214°C in a biphasic dip-coating system, causing excessively high boiling point dewetting problems and poor film formation. Confirmed that.

P3HT 필름을 신뢰성 있게 제조하기 위해, 본 발명자는 폴리머 용액에 용매 첨가제(solvent additive)를 첨가하여 용매 증발 속도를 제어하면서 균일하고 핀홀 없는(pinhole-free) 필름 커버리지(film coverage)를 유지하였다. 수많은 연구에서 용매 첨가제를 사용하는 용액 공정이 용매 첨가제 없이 제조된 시스템보다 더 잘 수행할 수 있다고 보고 하였다. In order to reliably produce P3HT films, the inventors have added solvent additives to the polymer solution to control the rate of solvent evaporation while maintaining uniform and pinhole-free film coverage. Numerous studies have reported that solution processes using solvent additives can perform better than systems prepared without solvent additives.

본 발명자는 두 가지 방법으로 2상 딥-코팅 방법에서 용매 첨가제를 시험하였다(도 2b): 1) 폴리머-용해된 상부-상 용액 상에 용매 첨가제를 부유시킴(플로팅 방법); 및 2) 2상 시스템을 형성하기 전에 용매 첨가제를 폴리머-용해된 용액과 혼합함(혼합 방법). The inventor tested solvent additives in a two-phase dip-coating method in two ways (FIG. 2b): 1) floating the solvent additive on a polymer-dissolved top-phase solution (floating method); And 2) mixing the solvent additive with the polymer-dissolved solution (mixing method) before forming the two-phase system.

(1) 플로팅 방법(1) Floating method

본 발명자는 용매 첨가제로 CB와 DCB를, 폴리머-용해된 호스트 용매로 CF를 사용하였다. 먼저, 본 발명자는 플로팅 방법을 사용하여 P3HT-CF 용액에 용매 첨가제로 CB를 사용하였다. CF:CB로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 흡수 스펙트럼은 균일한(homogenous) 용매, CF로부터 딥-코팅된 필름과 비교하여 560 및 608nm에서 강하게 증가된 분자간 피크를 나타냈다(도 2c).The inventors used CB and DCB as solvent additives and CF as the polymer-dissolved host solvent. First, the present inventor used CB as a solvent additive to the P3HT-CF solution using a floating method. The absorption spectrum of the deep-coated P3HT film from CF:CB showed a strongly increased intermolecular peak at 560 and 608 nm compared to the homogeneous solvent, deep-coated film from CF (FIG. 2C).

소량의 CB(5 vol%)를 첨가하더라도, 흡수 스펙트럼은 A0-0/A0-1에서 현저한 증가를 나타내며 포화에 도달하였다. 포화점을 넘어, CF:CB(CB 10vol%) 시스템은 CF:CB(5 vol%)로부터 수득된 것과 비교하여 뚜렷한 (0-0) 및 (0-1) 피크 흡수와 유사한 스펙트럼을 제공하였다; 그러나, CF:DCB 용매 혼합물로부터 수득된 흡수 스펙트럼은 CF:CB로부터 수득된 것보다 (0-0) 흡수 피크에서 더 낮은 강도를 나타내며, 이는 CF:DCB 필름이 CF:CB 필름보다 낮은 결정화도를 나타냄을 나타낸다.Even if a small amount of CB (5 vol%) was added, the absorption spectrum showed a significant increase in A 0-0 /A 0-1 and reached saturation. Beyond the saturation point, the CF:CB (CB 10 vol%) system provided spectra similar to distinct (0-0) and (0-1) peak absorption compared to those obtained from CF:CB (5 vol%); However, the absorption spectrum obtained from the CF:DCB solvent mixture shows lower intensity at the (0-0) absorption peak than that obtained from CF:CB, indicating that the CF:DCB film has a lower crystallinity than the CF:CB film. Indicates.

CF:DCB 필름의 흡수 스펙트럼은 CB에 대한 DCB의 부피비에 대하여 A0-0/A0-1 피크 비의 강한 의존성을 나타냈다(도 2e). 본 발명자는 CF:CB와 CF:DCB 시스템의 차이는 용매 첨가제가 호스트 용액과 용질로 확산되어 용액 상태에서 용질 결정화를 촉진하는 방법에 영향을 미치는 주(main) 용매와 첨가제 용매의 혼화성(miscibility)에 기인한다고 가정하였다. 본 발명자는 CB와 CF의 한센(Hansen) 용해도 파라미터가 유사하여, 플로팅 용매 첨가제 CB가 폴리머-용해된 용액 CF와 혼합되어, 필름 형성시 증발 속도를 낮추고 그 결과로 생기는 P3HT 필름의 결정성을 향상시킬 수 있음을 확인했다.  CF 보다 낮은 한센 용해도 파라미터를 갖는 DCB 용매 첨가제는 P3HT 용액으로 비효율적으로 확산되고 CF:CB 시스템에 비하여 P3HT 결정화에 아무런 도움을 주지 못한다. CB와 DCB 첨가제 성질 사이의 차이점은 용매 첨가제 플로팅 방법을 사용함에 있어 P3HT 결정화를 유도하기 위해 용매와 첨가제 사이의 우수한 혼화성이 중요하다는 것을 보여주었다.The absorption spectrum of the CF:DCB film showed a strong dependence of the A 0-0 /A 0-1 peak ratio on the volume ratio of DCB to CB (FIG. 2e). The present inventor differs from the CF:CB and CF:DCB systems in that the miscibility of the main solvent and the additive solvent affects the method in which the solvent additive diffuses into the host solution and the solute to promote solute crystallization in the solution state. ). The present inventors have similar Hansen solubility parameters of CB and CF, so that the floating solvent additive CB is mixed with the polymer-dissolved solution CF, lowering the evaporation rate during film formation and improving the crystallinity of the resulting P3HT film. I confirmed that I can do it. DCB solvent additives with Hansen solubility parameters lower than CF inefficiently diffuse into the P3HT solution and do not help P3HT crystallization compared to the CF:CB system. The difference between CB and DCB additive properties showed that the good miscibility between solvent and additive is important to induce P3HT crystallization in using the solvent additive floating method.

(2) 혼합 방법(2) Mixing method

P3HT 결정화에 대한 용매 첨가제 혼합 방법의 효과는 2상 용액을 형성하기 전에 용매 첨가제 CB 또는 DCB를 폴리머 용액 P3HT/CF에 첨가함으로써 추가로 연구되었다. 용매 첨가제 혼합 용액으로부터 가공된 P3HT 필름은 용매 첨가제 플로팅 용액을 사용하여 가공된 P3HT 필름에 비해 더 큰 분자간 (0-0) 피크를 나타냈다. CF:CB 및 CF:DCB 시스템 모두에서, 5 vol% 용매 첨가제를 사용하여 용매 첨가제를 P3HT 용액과 혼합하는 것은 보다 높은 A0-0/A0-1 및 포화 추세가 제공되었다. CF:DCB로부터 수득된 흡수 스펙트럼의 A0-0/A0-1 피크 비는 CF:DCB 플로팅 용액으로부터 수득된 비율보다 용매 첨가제 부피비에 훨씬 더 낮은 의존성을 보였다. DCB 용매 첨가제를 미리 혼합하는 것은 용매 첨가제 플로팅 방법보다 더 나은 혼합 상(mixed phase)을 형성하는 것으로 나타났다(도 2e). 이러한 결과는 용매 첨가제를 P3HT 용액에 혼입시키는데 사용된 방법이 P3HT 결정화 거동 및 생성된 필름 형태에 크게 영향을 주었다.The effect of the solvent additive mixing method on P3HT crystallization was further studied by adding the solvent additive CB or DCB to the polymer solution P3HT/CF before forming the two-phase solution. The P3HT film processed from the solvent additive mixed solution showed a larger intermolecular (0-0) peak compared to the P3HT film processed using the solvent additive floating solution. In both the CF:CB and CF:DCB systems, mixing the solvent additive with the P3HT solution using 5 vol% solvent additive provided a higher A 0-0 /A 0-1 and saturation trend. The A 0-0 /A 0-1 peak ratio of the absorption spectrum obtained from CF:DCB showed a much lower dependence on the solvent additive volume ratio than the ratio obtained from the CF:DCB floating solution. Premixing the DCB solvent additive has been shown to form a better mixed phase than the solvent additive floating method (FIG. 2E ). These results strongly influenced the method used to incorporate the solvent additive into the P3HT solution and the P3HT crystallization behavior and the resulting film morphology.

3. 필름 모폴로지3. Film morphology

기판의 필름 커버리지는 OTS 처리된 실리콘 기판상에 2상 용액으로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 사진을 획득함으로써 조사되었다(도 3). 폴리머-용해된 상부-상 용액의 용매 증발 속도는 결과적인 필름 커버리지에 크게 영향을 미쳤다. 용매 증발 속도가 낮을수록 필름 커버리지가 낮아졌다. 본 발명자는 더 높은 비점을 가진 용매(CB 또는 DCB)가 딥-코팅된 P3HT 필름에서 디웨팅 영역과 함께 불균일한 필름 커버리지를 생성한다는 것을 발견했다(도 3a). 이러한 현상은 용매 증발 평형(solvent evaporation equilibrium)과 인출 속도(drawing speed)에 따라 필름 두께와 커버리지가 결정되는 딥-코팅 공정에서 발생했다. DCB의 고비점(180℃)은 용매 증발 및 P3HT 응고가 연장되어 용질이 열역학적으로 안정한 상태에 도달하는데 더 긴 시간을 제공한다. 이 이동성(mobility)은 고분자 반도체 물질의 필름 디웨팅(dewetting)을 유도했다.The film coverage of the substrate was investigated by obtaining a picture of a deep-coated P3HT film from a two-phase solution on an OTS treated silicon substrate (FIG. 3). The rate of solvent evaporation of the polymer-dissolved top-phase solution greatly influenced the resulting film coverage. The lower the solvent evaporation rate, the lower the film coverage. The inventors have found that a solvent with a higher boiling point (CB or DCB) produces non-uniform film coverage with a dewetting region in a deep-coated P3HT film (FIG. 3A). This phenomenon occurred in a deep-coating process in which film thickness and coverage were determined according to the solvent evaporation equilibrium and drawing speed. The high boiling point of DCB (180°C) provides extended time for solvent evaporation and P3HT coagulation to reach a solute that is thermodynamically stable. This mobility induced film dewetting of polymeric semiconductor materials.

디웨팅 문제를 극복하기 위해, P3HT-CF 용액에 용매 첨가제 CB 또는 DCB를 사용하였다. 본 발명자는 용매 첨가 방법에 따라 다양한 필름 형태를 얻을 수 있었다. 용매 첨가제 플로팅 방법은 용매 첨가제(CB 또는 DCB)에 관계없이 디웨팅을 방지하였으나 불균일한 필름을 만들었다. 아마도 폴리머 용액에 용매 첨가제가 불균일하게 혼합되어 분포되어 있기 때문에, P3HT 필름의 웨이브 패턴은 딥-코팅 공정 동안 불안정한 용매 증발에 의해 생성되었다(도 3b). 대조적으로, 용매 첨가제 혼합 방법은 플로팅 전에 폴리머 용액에 첨가제를 도입하고 OTS-처리된 실리콘 기판상에 균일하고 균질한 막을 성공적으로 만들었다(도 3c). CB 및 DCB 첨가제는 5 ~ 10% 범위의 부피비로 불규칙적인 웨이브 패턴이 없는 균일한 P3HT 필름을 생산했다.To overcome the dewetting problem, solvent additive CB or DCB was used in the P3HT-CF solution. The present inventor was able to obtain various film forms according to a method of adding a solvent. The solvent additive floating method prevented dewetting regardless of the solvent additive (CB or DCB), but produced a non-uniform film. The wave pattern of the P3HT film was generated by unstable solvent evaporation during the dip-coating process, probably because the solvent additives were non-uniformly mixed and distributed in the polymer solution (Fig. 3b). In contrast, the solvent additive mixing method introduced additives into the polymer solution prior to floating and successfully made a uniform and homogeneous film on the OTS-treated silicon substrate (FIG. 3C). The CB and DCB additives produced a uniform P3HT film without irregular wave patterns in a volume ratio ranging from 5 to 10%.

광학 현미경(OM)을 사용하여 용매 첨가제를 포함한 2상 용액으로부터 제조된 딥-코팅 필름을 조사하였다. 용매 첨가제 플로팅 방법을 사용하여 가공된 CF:CB 및 CF:DCB 필름은 P3HT 응집체를 포함하고 균일한 필름 형태를 거의 달성하지 못했다(도 3d). 이러한 응집체는 필름의 가장자리 부근에 풍부하게 존재하여, 불균일하고 TFT 장치 응용에 대해 불리하게 만들었다. 용매 첨가제로서 CF:CB를 사용하는 용매 첨가제 혼합 방법으로부터 딥-코팅된 필름은 대면적(large-area) 장치 용도에 바람직한 부드러운 표면 토폴로지(topology)를 갖는 깨끗하고 균일한 필름을 나타냈다(도 3e). 반면 CF:DCB에서 가공한 필름은 사진에서 식별할 수 없었지만 확대된 OM 이미지에서 관찰할 수 있는 웨이브 패턴을 포함했다(도 3c).Dip-coated films prepared from two-phase solutions containing solvent additives were investigated using an optical microscope (OM). CF:CB and CF:DCB films processed using the solvent additive floating method contained P3HT aggregates and achieved little uniform film morphology (FIG. 3D). These aggregates abundantly existed near the edge of the film, making them non-uniform and disadvantageous for TFT device applications. The dip-coated film from the solvent additive mixing method using CF:CB as a solvent additive showed a clean and uniform film with a smooth surface topology desirable for large-area device applications (Fig. 3e). . On the other hand, the film processed in CF:DCB could not be identified in the picture, but included a wave pattern that can be observed in the enlarged OM image (FIG. 3C ).

원자력 현미경(AFM)은 딥-코팅된 P3HT 필름의 나노 스케일 형태를 결정하는데 사용되었다(도 4). AFM 이미지는 고비점 용매로부터 제조된 딥-코팅된 P3HT 필름이 잘 배열된 두꺼운 나노 와이어를 포함한다는 것을 명확하게 나타내었으며, 반면에 저비점 용매(CF)로 처리된 필름은 더 작은 결정상을 포함하였다. 순(neat) CB- 또는 순 DCB-처리된 필름으로부터 얻어진 더 큰 나노 와이어 크기는 낮은 용매 증발 속도로 인해 고도로 결정화된 필름을 나타내었다. 이러한 결과는 UV-vis 결과와 잘 일치하며, 이는 2상 딥-코팅 공정 중 P3HT 결정화가 용매 비점에 크게 영향을 받는다는 것을 보여 주었다.Atomic force microscopy (AFM) was used to determine the nanoscale morphology of deep-coated P3HT films (Figure 4). AFM images clearly showed that the deep-coated P3HT film prepared from a high boiling point solvent contained thick nanowires well arranged, while the film treated with a low boiling point solvent (CF) contained a smaller crystalline phase. Larger nanowire sizes obtained from neat CB- or pure DCB-treated films showed highly crystallized films due to low solvent evaporation rates. These results are in good agreement with the UV-vis results, which showed that P2HT crystallization during the two-phase deep-coating process was greatly affected by the solvent boiling point.

같은 맥락에서 주 용매의 비점보다 높은 비점을 갖는 용매 첨가제는 캐스트 P3HT 필름의 표면 거칠기 및 표면 형태를 변화시켰다.  고비점 용매 첨가제가 폴리머 용액과 다량으로 혼합됨에 따라 P3HT 나노와이어의 밀도와 크기가 순수한 CF 용매에서 처리된 필름에 비해 증가했다. 고비점 용매의 부피비는 캐스트 필름의 표면 거칠기에 큰 영향을 미치지 않았다. 소량의 고비점 용매를 폴리머 용액에 첨가하면 강한 P3HT 결정화가 일어나고 고비점의 균질 용매를 사용하는 것보다 효과적이었다. 본 발명자는 주 용매인 CF가 먼저 증발되어 기판을 균일하게 적시고, 나머지 CB 또는 DCB는 응고 중에 완전히 자기 조립되도록 P3HT 용액을 기판에 캐스트할 수 있다고 가정했다. 이러한 결과는 P3HT 용액에 고비점 용매를 첨가하는 것이 고비점 용매의 낮은 증발 속도로 인해 고결정성 구조를 갖는 균일한 필름의 형성을 효과적으로 도왔다는 것을 나타낸다.In the same vein, solvent additives having a boiling point higher than that of the main solvent changed the surface roughness and surface morphology of the cast P3HT film. As the high boiling point solvent additive was mixed with the polymer solution in a large amount, the density and size of the P3HT nanowires increased compared to the film treated in a pure CF solvent. The volume ratio of the high boiling point solvent did not significantly affect the surface roughness of the cast film. When a small amount of high boiling point solvent was added to the polymer solution, strong P3HT crystallization occurred and it was more effective than using a high boiling point homogeneous solvent. The present inventor assumed that the main solvent CF is first evaporated to uniformly wet the substrate, and the remaining CB or DCB can be cast to the substrate so that the P3HT solution is fully self-assembled during solidification. These results indicate that the addition of a high boiling point solvent to the P3HT solution effectively helped the formation of a uniform film having a high crystalline structure due to the low evaporation rate of the high boiling point solvent.

4. 장치 특성4. Device characteristics

균일한 또는 혼합된 용매로부터 딥-코팅된 P3HT 필름의 전기적 특성은 상부-접촉 트랜지스터 구조를 갖는 TFT에서 P3HT 필름의 전계효과 이동도를 측정함으로써 조사되었다. 누적 모드(accumulation mode)에서 수집된 일반적인 드레인 전류(ID) 대 게이트 전압(VG) 플롯이 도 5에 도시되어 있다. 고비점 용매를 폴리머 용액에 첨가하면 첨가제의 양이 증가함에 따라 온-전류 및 전계효과 이동도가 점차 증가하였다. 여기에서 얻은 가장 높은 전계효과 이동도인 3.91 x 10-2 cm2 V-1 s-1은 CF에 10 vol% CB를 포함하는 용매 혼합물(혼합 방법을 사용하여 제조됨)을 사용하여 가공된 P3HT 장치로부터 얻어졌다. 이 값은 균일한 CF 용매 0.0103 Х 10-2 cm2 V-1 s-1로 가공된 장치에서 얻은 값보다 380배 더 높다. 한편, DCB 용매 첨가제(혼합 방법을 사용하여 제조됨)를 사용하여 가공된 장치는 CF:CB와 비교하여 덜 향상된 전하 수송 특성을 나타내었으며; 전계효과 이동도는 각각 5 vol% 및 10 vol%의 첨가에 대해 0.618 x 10-2 cm2 V-1 s-1 및 0.950 x 10-2 cm2 V-1 s-1이었다. 혼합 방법에 의해 제조된 용매 혼합물은 플로팅 방법보다 홀 전계효과 이동도(hole field-effect mobillity) 개선에 더 효과적이었으며, 이는 UV-vis 분광법을 사용하여 결정화된 경향과 잘 일치하였다. 이들 전계효과 이동도 값은 UV-vis 분광기에 의해 확인된 바와 같이 P3HT 결정도와 상관관계가 있으며, 이는 고분자 결정성이 필름의 전하 수송 특성을 향상 시킨다는 것을 나타낸다.The electrical properties of the deep-coated P3HT film from a homogeneous or mixed solvent were investigated by measuring the field effect mobility of the P3HT film in a TFT with a top-contact transistor structure. A typical drain current (I D ) versus gate voltage (V G ) plot collected in the accumulation mode is shown in FIG. 5. When a high boiling point solvent was added to the polymer solution, the on-current and field effect mobility gradually increased as the amount of the additive increased. The highest field effect mobility obtained here, 3.91 x 10 -2 cm 2 V -1 s -1, is P3HT processed using a solvent mixture containing 10 vol% CB in CF (prepared using a mixing method). Was obtained from the device. This value is 380 times higher than the value obtained in a device processed with a uniform CF solvent 0.0103 Х 10 -2 cm 2 V -1 s -1 . On the other hand, devices processed using DCB solvent additives (prepared using a mixing method) showed less improved charge transport properties compared to CF:CB; The field effect mobility was 0.618 x 10 -2 cm 2 V -1 s -1 and 0.950 x 10 -2 cm 2 V -1 s -1 for the addition of 5 vol% and 10 vol%, respectively. The solvent mixture prepared by the mixing method was more effective in improving the hole field-effect mobillity than the floating method, which was in good agreement with the crystallized trend using UV-vis spectroscopy. These field effect mobility values correlate with P3HT crystallinity, as confirmed by UV-vis spectroscopy, indicating that polymer crystallinity improves the charge transport properties of the film.

5. 용매 첨가제를 이용한 2상 시스템 개발5. Development of 2-phase system using solvent additives

2상 딥-코팅 시스템에서 용매 혼합물로부터의 필름 형성 메커니즘이 탐구되었다. 플로팅 방법 및 혼합 방법과 같은 용매 첨가 공정을 사용하여 제조된 2상 시스템이 개략적으로 도시되어 있다(도 6). 고려해야 할 중요한 용매 혼합 계수는 한센 용해도 파라미터(HSP)이며 용매 간의 혼화성(compatibility)을 예측하는 데 사용할 수 있다. 유사한 HSP를 가진 액체는 혼화성이 있을 것으로 예상되며, 고분자는 자체 HSP와 크게 다르지 않은 HSP를 가진 용매에 용해된다. HSP는 용해도 및 분산도의 척도이다. 그것은 용매 혼합물 및 폴리머 용액의 특성을 분석하는데 널리 사용되어 왔다. 용매 첨가제와 주 용매 사이의 HSP 차이는 이들 구성 요소가 용액 상태에서 어떻게 혼합되고 폴리머 결정화에 영향을 미치는지를 결정하는 데 중요하다. The mechanism of film formation from the solvent mixture in a two-phase dip-coating system was explored. A two-phase system prepared using a solvent addition process such as a floating method and a mixing method is schematically illustrated (FIG. 6 ). An important solvent mixing factor to consider is the Hansen solubility parameter (HSP) and can be used to predict compatibility between solvents. Liquids with similar HSPs are expected to be miscible, and polymers are soluble in solvents with HSPs not significantly different from their own HSPs. HSP is a measure of solubility and dispersion. It has been widely used to characterize solvent mixtures and polymer solutions. The difference in HSP between the solvent additive and the main solvent is important in determining how these components mix in solution and affect polymer crystallization.

표 1은 2상 시스템에서 용매의 HSP 값 사이의 차이점을 나열한다; CB와 CF 사이의 HSP 차이는 0.8 MPa1/2로 가장 작은 반면, CF와 DCB 사이의 HSP 차이는 1.6 MPa1/2이다. 따라서 CB와 CF는 DCB와 CF보다 중간혼합(intermixing)을 위한 호환성이 좋다. 이러한 계산은 용매 혼합물 CF:CB 및 CF:DCB의 2상 분리 거동에 대한 통찰력을 제공한다.Table 1 lists the differences between HSP values of solvents in a two-phase system; The difference in HSP between CB and CF is the smallest with 0.8 MPa 1/2 , while the difference in HSP between CF and DCB is 1.6 MPa 1/2 . Therefore, CB and CF have better compatibility for intermixing than DCB and CF. This calculation provides insight into the two-phase separation behavior of the solvent mixtures CF:CB and CF:DCB.

P3HTP3HT CFCF CBCB DCBDCB DIDI DMFDMF THFTHF γ at 20℃(mN/m)γ at 20℃(mN/m) -- 27.527.5 33.633.6 37.037.0 72.872.8 35.235.2 26.426.4 ρ(g/cmρ(g/cm 33 )) -- 1.481.48 1.111.11 1.301.30 1One 0.9440.944 0.8890.889 δ(MPaδ(MPa ½½ )) 20.020.0 18.818.8 19.619.6 20.420.4 47.947.9 24.824.8 19.519.5 B.P.(℃)B.P.(℃) -- 61.261.2 131131 180.5180.5 100100 153153 6666

주 용매인 CF 상에 플로팅 용매 첨가제 CB를 포함하는 시스템은 작은 HSP 차이를 가지며, 이는 플로팅 용매 첨가제가 하부의 P3HT 용액에 점차적으로 혼합되어 딥-코팅 공정 동안 P3HT 결정화를 유도할 수 있게 한다. 플로팅 용매 첨가제 DCB는 CF와 큰 HSP 차이를 나타내며, 이는 DCB가 P3HT 용액으로 확산되는 것을 방해하고 P3HT 결정화를 방해하여 불균일한 필름 형성을 일으킨다.The system comprising the floating solvent additive CB on the main solvent CF has a small HSP difference, which allows the floating solvent additive to be gradually mixed into the lower P3HT solution to induce P3HT crystallization during the dip-coating process. Floating solvent additive DCB shows a large HSP difference from CF, which prevents DCB from diffusing into P3HT solution and interferes with P3HT crystallization, resulting in non-uniform film formation.

용매 첨가제 CB가 CF와 혼합된 혼합 방법을 통해 제조된 2상 시스템은 CB와 CF 사이의 작은 HSP 차이를 나타내었고, CF와의 높은 혼화성으로 인해 용매 첨가제 CB와 P3HT 분자 사이의 양호한 중간혼합을 초래한다. 강력한 P3HT 결정화 및 균일한 필름 형성이 딥-코팅 공정 중에 유도되었다. 비교적 높은 HSP 차이를 갖는 용매 첨가제 DCB와 CF의 혼합물은 응집된 DCB를 용액 상태로 확산시켰다. UV-vis 흡수 스펙트럼 및 용매 혼합물 CF:DCB로부터 수득된 장치 특성에서 관찰된 바와 같이, 강제 혼합은 플로팅 방법과 비교하여 강한 P3HT 결정화를 유도하였다.The two-phase system produced by the mixing method in which the solvent additive CB was mixed with CF showed a small HSP difference between CB and CF, and due to the high miscibility with CF, it resulted in good intermediate mixing between the solvent additive CB and the P3HT molecule. do. Strong P3HT crystallization and uniform film formation were induced during the dip-coating process. The mixture of solvent additives DCB and CF with a relatively high HSP difference diffused the aggregated DCB into solution. As observed in the UV-vis absorption spectrum and the device properties obtained from the solvent mixture CF:DCB, forced mixing induced strong P3HT crystallization compared to the floating method.

결론conclusion

본 발명자는 고도의 결정질 P3HT 박막 트랜지스터를 제조하기 위해 물을 재사용 가능한 하부 상 용매로 사용하는 2상 딥-코팅 방법을 개발했다. 본 발명자는 용매 첨가제가 고분자 결정성 및 필름 형성에 미치는 영향을 조사하였으며, 이는 특정 용매 첨가 방법(플로팅 또는 혼합)에 크게 의존한다. 가공된 필름의 UV-vis 흡수 특성은 용매 첨가제 증발 속도 및 첨가제와 주 용매 사이의 혼화성이 딥-코팅 공정 중 필름 형성 및 중합체 결정화에 영향을 주었다. 용매 혼합물로부터 얻어진 딥-코팅된 필름에서의 중합체 결정화도의 증가는 P3HT 분자가 자기 조립하기에 충분한 시간을 제공하는 연장된 용매 건조 시간에 기인한다. 이러한 특성은 해당 장치 성능과 일치한다. CB:CF 용매 혼합물로부터 처리된 장치는 0.0391 cm2 V-1 s-1의 가장 높은 평균 전계효과 이동도를 나타냈다. 본 발명은 대형 기판 위에 균일한 필름을 제조하고 환경 유해 폐기물을 생산하지 않고 P3HT 결정의 장범위 규칙성(long-range ordering)을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 본 발명은 저비용 대면적 유연 전자 제품의 개발에 있어 유망한 혁신을 제공한다.The inventor has developed a two-phase deep-coating method that uses water as a reusable lower phase solvent to produce a highly crystalline P3HT thin film transistor. The inventors investigated the effect of solvent additives on polymer crystallinity and film formation, which is highly dependent on the particular solvent addition method (floating or mixing). The UV-vis absorption properties of the processed film influenced the solvent additive evaporation rate and the miscibility between the additive and the main solvent in film formation and polymer crystallization during the dip-coating process. The increase in the degree of polymer crystallinity in the dip-coated film obtained from the solvent mixture is due to the extended solvent drying time providing sufficient time for the P3HT molecule to self-assemble. These characteristics are consistent with the device performance. The apparatus treated from the CB:CF solvent mixture showed the highest average field effect mobility of 0.0391 cm 2 V −1 s −1 . The present invention can be used to produce a uniform film on a large substrate and to promote long-range ordering of P3HT crystals without producing environmentally hazardous waste. The present invention provides a promising innovation in the development of low cost large area flexible electronic products.

Claims (16)

하부 상(bottom phase)으로 물;및
상부 상(top phase)으로 전도성 고분자 용액을 포함하는, 2상 딥코팅용 조성물.
Water in the bottom phase; and
A composition for two-phase deep coating, comprising a conductive polymer solution as a top phase.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액의 용매는 비점이 50~200℃이고, 상기 비점이 증가할수록 고분자 필름의 결정이 증가하는 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
The solvent of the conductive polymer solution has a boiling point of 50 to 200°C, and the composition for two-phase deep coating is characterized in that crystals of the polymer film increase as the boiling point increases.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액 위에 용매 첨가제를 플로팅(floating)시킨, 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
A composition for two-phase deep coating in which a solvent additive is floated on the conductive polymer solution.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액에 용매 첨가제가 혼합된 혼합 용액이 위치하는, 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
A composition for two-phase deep coating in which a mixed solution in which a solvent additive is mixed with the conductive polymer solution is located.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 용매 첨가제는 전도성 고분자 용매의 증발속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
The method of claim 3 or 4,
The solvent additive is a two-phase dip coating composition, characterized in that to reduce the evaporation rate of the conductive polymer solvent.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액의 용매와 용매 첨가제의 한센 용해도 파라미터(HSP) 차이는 2.0 MPa1/2 이하인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
The method of claim 3 or 4,
The difference between Hansen solubility parameter (HSP) of the solvent and the solvent additive of the conductive polymer solution is 2.0 MPa 1/2 or less.
제6항에 있어서,
상기 전도성 고분자 용액의 용매는 클로로포름(CF)인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
The method of claim 6,
The solvent for the conductive polymer solution is a composition for two-phase deep coating, characterized in that chloroform (CF).
제6항에 있어서,
상기 용매 첨가제는 클로로벤젠(CB) 또는 디클로로벤젠(DCB) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
The method of claim 6,
The solvent additive is chlorobenzene (CB) or dichlorobenzene (DCB) either two-phase dip coating composition, characterized in that either.
제1항에 있어서,
상기 물은 탈이온수(DI water)인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
The water is a two-phase dip coating composition, characterized in that the deionized water (DI water).
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아세틸렌(polyacetylene: PA), 폴리티오펜(polythiophene: PT), 폴리(3-알킬)티오펜(poly(3-alkyl)thiophene: P3AT), 폴리피롤(polypyrrole: PPY), 폴리이소시아나프탈렌(polyisothianapthelene:PITN), 폴리에틸렌디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene: PEDOT), 폴리파라페닐렌 비닐렌(polyparaphenylene vinylene: PPV), 폴리(2,5-디알콕시)파라페닐렌 비닐렌 (poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene: PPP), 페릴렌테트라카복실산디이미드(perylene tetracarboxylic diimide: PTCDI), 폴리파라페닐렌설파이드(polyparaphenylene sulphide: PPS), 폴리헵타디엔(polyheptadiyne: PHT), 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), 폴리아닐린(polyaniline: PANI) 및 이들의 유도체를 포함하여 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
The conductive polymers are polyacetylene (PA), polythiophene (PT), poly(3-alkyl)thiophene (P3AT), polypyrrole (PPY), polyisocia Naphthalene (polyisothianapthelene: PITN), polyethylene dioxythiophene (PEDOT), polyparaphenylene vinylene (PPV), poly(2,5-dialkoxy)paraphenylene vinylene (poly(2, 5-dialkoxy)paraphenylene vinylene, polyparaphenylene (PPP), perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI), polyparaphenylene sulphide (PPS), polyheptadiyne: PHT), poly(3-hexyl)thiophene (poly(3-hexyl)thiophene: P3HT), polyaniline (polyaniline: PANI), and two or more selected from the group consisting of derivatives thereof Deep coating composition.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리(3-헥실)티오펜(poly(3-hexyl)thiophene: P3HT)인 것을 특징으로 하는 2상 딥코팅용 조성물.
According to claim 1,
The conductive polymer is a poly(3-hexyl)thiophene (poly(3-hexyl)thiophene: P3HT) composition for two-phase deep coating, characterized in that.
1) 하부 상(bottom phase)으로 물을 위치시키는 단계;
2) 상부 상(top phase)으로 전도성 고분자 용액을 물 위에 적하하여 2상 딥코팅 용액을 제조하는 단계;
3) 상기 2상 딥코팅 용액에 기판을 침지시키는 단계;및
4) 상기 기판을 회수하는 단계를 포함하는, 반도체 고분자 박막의 형성 방법.
1) placing water in the bottom phase;
2) preparing a two-phase dip coating solution by dropping a conductive polymer solution onto water as a top phase;
3) immersing the substrate in the two-phase dip coating solution; and
4) A method of forming a semiconductor polymer thin film, comprising recovering the substrate.
제12항에 있어서,
2) 단계 이후, 상기 전도성 고분자 용액 위에 용매 첨가제를 적하하여 플로팅(floating)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 고분자 박막의 형성 방법.
The method of claim 12,
2) After the step, characterized in that it further comprises the step of floating by dropping a solvent additive on the conductive polymer solution (floating), the method of forming a semiconductor polymer thin film.
제12항에 있어서,
상기 2) 단계에서, 적하하기 전에 상기 전도성 고분자 용액을 용매 첨가제와 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 고분자 박막의 형성 방법.
The method of claim 12,
In the 2) step, characterized in that it further comprises the step of mixing the conductive polymer solution with a solvent additive before dropping, a method for forming a semiconductor polymer thin film.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 의하여 형성된 반도체 고분자 박막.
A semiconductor polymer thin film formed by any one of claims 12 to 14.
제15항에 따른 반도체 고분자 박막을 포함하는 전계효과 트랜지스터(Field-Effect Transistors; FETs).
Field-effect transistors (FETs) comprising the semiconductor polymer thin film according to claim 15.
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