소스/드레인 전극과 활성층 간의 계면 특성, 그리고 게이트 유전체와 활성층 간의 계면 특성은 유기 박막 트랜지스터(OFETs)의 성능 및 작동 안정성을 좌우하는 핵심 요인이다. 통상적으로 이러한 계면을 공학적으로 설계하기 위해서는 여러 공정 단계가 요구되므로, 전체 제조 공정이 복잡해지고 장시간 소요된다. 본 연구에서는 활성층에 자가조립 분자 첨가제를 도입함으로써 두 계면을 동시에 공학적으로 제어하는 전략을 제시한다. 전극 및 게이트 유전체 표면에 대해 서로 다른 화학적 친화성을 갖는 두 가지 첨가제를 전략적으로 선택하면, 이들 첨가제가 자발적으로 각각의 계면, 즉 반도체-전극 및 반도체-게이트 유전체 계면에서 기능성 중간층을 형성하도록 조직화된다. 이 방법은 추가적인 공정 단계 없이도 복수의 계면 특성을 정밀하고 동시에 조절할 수 있게 한다. 그 결과 이중-첨가제 시스템은 전계효과 이동도에서 2배를 초과하는 향상을 보였으며, 접촉 저항과 채널 저항은 각각 1/3 및 1/2 수준으로 감소하였다. 이는 두 계면에서 전하 수송이 촉진되고 저항성 손실이 감소한 데 기인한다. 본 전략은 제조 공정을 단순화하고 추가 계면 개질 공정의 필요성을 제거함으로써, 고성능이고 신뢰성 있는 OFETs를 제조하는 비용 효율적이며 간소화된 경로를 제공한다.

폴리머 반도체(PSC)는 저비용 및 용액 공정 적합성으로 인해 기존의 실리콘 기반 반도체에 대한 유망한 대안으로서 상당한 주목을 받아왔다. 그러나 유기 박막 트랜지스터(OFET) 공정에서 유해한 유기 용매 및 할로겐화 용매를 사용하는 것은 심각한 환경 문제와 관련하여 큰 우려를 불러일으켰다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 용매로 물을 사용하는 PSC를 위한 친환경 용액 공정이 제안되었으며, 이 공정에서는 이온성 계면활성제를 사용하여 PSC를 수성 매질에서 에멀전으로 분산한다. 그러나 계면활성제에 의존하는 이러한 에멀전 공정은, PSC 내의 계면활성제를 완전히 제거하기 위해 침전 및 재분산과 같은 복잡한 추가 단계를 필요로 한다. 본 연구에서는, 안정화제로 상대적으로 휘발성이며 비이온성인 벤질 알코올(BA)을 사용하여 PSC를 성공적으로 에멀전화하였고, 결정화를 향상시키기 위해 수행한 열처리(열 어닐링) 동안 PSC 필름에서 BA가 완전히 제거됨이 확인되었다. 그 결과, 이 접근법을 적용한 OFET은 유기 용매 기반 방법을 사용한 경우와 비교할 만한 소자 특성을 나타낸다. 또한 에멀전화된 PSC 수용액을 이용하는 인쇄 전자(printed electronics) 공정을 통해 인버터 및 NAND/NOR 게이트와 같은 논리 회로의 성공적인 구현이 검증되었다. 이러한 결과는 수성 에멀전화 전략을 구현함으로써 지속가능한 방법론을 시사하며, 유기 전자 분야에서의 친환경 제조 접근으로서의 잠재력을 강조한다.

소스/드레인(S/D) 전극과 유기 반도체(OSC) 채널 사이의 용이한 전하 전달은 고이동도 유기 전계효과 트랜지스터(OFETs)의 핵심이다. 본 연구에서는 소스/드레인–OSC 계면과 도전성 채널 간의 근접성을 가능하게 하여 접근 접촉 저항(R C,acc) 및 전체 접촉 저항(R C )을 감소시키는, 매몰-접촉 OFET(buried-contact OFET)이라 명명된 새로운 OFET 기하구조를 제안한다. 이는 상부-접촉 하부-게이트(top-contact bottom-gate) 소자 구조를 변형하여 구현하였다. 통상적인 후열처리(thermal annealing)를 매몰 압력(burying pressure)과 결합하여 압력-열처리(pressure-thermal annealing, PTA)를 수행하였다. 열처리와 압력 열처리의 상승적(synergistic) 효과는 연화된 OSC 층을 형성하여, 가해진 압력으로 금속 전극이 안쪽으로 파묻히게 한다. 이 과정은 원자힘현미경(atomic force microscopy)과 유한요소 시뮬레이션(finite element simulations)으로 확인된 바와 같이 상부-접촉에서 매몰-접촉 구성으로의 구조적 전이를 유도한다. 전송선법(transfer line method)과 4-프로브(4-probe) 측정 결과, PTA는 접촉저항을 1/3로 감소시켰으며(65 kΩ cm), 전하 주입에 의한 소스-드레인 전압 소모는 52%에서 31%로 감소시켰다. 그 결과, 전계효과 이동도는 통상적인 열처리된 상부-접촉 OFET에 비해 4배 높아졌다. 깊은 트랩의 밀도(N tr )는 주로 전하 주입을 담당하는 OSC 벌크에 분포한다. 주목할 만하게도, PTA를 통해 N tr 이 30배 감소하여, 얕은 부(副)문턱(sub-threshold) 영역이 형성되고 문턱전압(threshold voltage)이 0에 가깝게 나타났다.

이 연구는 건강 모니터링 지표로서 L-락트산(LA) 검출을 위해, 페놀 블루(PhB) 기반 감지 매질을 적용한 용량성 센서를 체계적으로 조사하였다. PhB는 용매화(chromic) 효과를 갖는 물질로서, 극성 분자에 노출되면 유전율 및 이에 따른 용량(capacitance)의 변화를 유도한다. 그러나 평탄 구조의 PhB/폴리염화비닐(PVC) 복합 감지 매질을 사용하는 용량성 LA 센서는 LA 용액 농도를 증가시킬 때 감지 용량 변화가 빠르게 포화되는 문제가 관찰되었다. 이 주요 원인은 PhB 분자의 고립전자쌍(lone pair)과 LA 분자의 양성자(proton) 간 상호작용이 PhB 분자의 용매화(chromic) 거동보다 감지 특성에 더 큰 영향을 미치기 때문으로 분석될 수 있다. 따라서 PhB/PVC 복합 감지 매질에 다공성 구조를 도입하여 양성자와의 PhB 상호작용을 최대화하는 전략을 채택하였으며, 이는 용매 교환 및 비용매(non-solvent) 교환 방법을 통해 구현하였다. 그 결과, 다공성 구조의 LA 센서에서 감도와 선형성은 LA 농도 0–100 mM 범위에서 각각 2.99 pF m m −1 및 0.966으로, 평탄 구조 센서에 비해 유의미하게 향상되었다. 특히, 정상적인 주변 조건에서 한 달간 보관한 이후에도 센싱 성능은 변하지 않았다.

소스/드레인 전극과 활성층 간의 계면 특성, 그리고 게이트 유전체와 활성층 간의 계면 특성은 유기 박막 트랜지스터(OFETs)의 성능 및 작동 안정성을 좌우하는 핵심 요인이다. 통상적으로 이러한 계면을 공학적으로 설계하기 위해서는 여러 공정 단계가 요구되므로, 전체 제조 공정이 복잡해지고 장시간 소요된다. 본 연구에서는 활성층에 자가조립 분자 첨가제를 도입함으로써 두 계면을 동시에 공학적으로 제어하는 전략을 제시한다. 전극 및 게이트 유전체 표면에 대해 서로 다른 화학적 친화성을 갖는 두 가지 첨가제를 전략적으로 선택하면, 이들 첨가제가 자발적으로 각각의 계면, 즉 반도체-전극 및 반도체-게이트 유전체 계면에서 기능성 중간층을 형성하도록 조직화된다. 이 방법은 추가적인 공정 단계 없이도 복수의 계면 특성을 정밀하고 동시에 조절할 수 있게 한다. 그 결과 이중-첨가제 시스템은 전계효과 이동도에서 2배를 초과하는 향상을 보였으며, 접촉 저항과 채널 저항은 각각 1/3 및 1/2 수준으로 감소하였다. 이는 두 계면에서 전하 수송이 촉진되고 저항성 손실이 감소한 데 기인한다. 본 전략은 제조 공정을 단순화하고 추가 계면 개질 공정의 필요성을 제거함으로써, 고성능이고 신뢰성 있는 OFETs를 제조하는 비용 효율적이며 간소화된 경로를 제공한다.

폴리머 반도체(PSC)는 저비용 및 용액 공정 적합성으로 인해 기존의 실리콘 기반 반도체에 대한 유망한 대안으로서 상당한 주목을 받아왔다. 그러나 유기 박막 트랜지스터(OFET) 공정에서 유해한 유기 용매 및 할로겐화 용매를 사용하는 것은 심각한 환경 문제와 관련하여 큰 우려를 불러일으켰다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 용매로 물을 사용하는 PSC를 위한 친환경 용액 공정이 제안되었으며, 이 공정에서는 이온성 계면활성제를 사용하여 PSC를 수성 매질에서 에멀전으로 분산한다. 그러나 계면활성제에 의존하는 이러한 에멀전 공정은, PSC 내의 계면활성제를 완전히 제거하기 위해 침전 및 재분산과 같은 복잡한 추가 단계를 필요로 한다. 본 연구에서는, 안정화제로 상대적으로 휘발성이며 비이온성인 벤질 알코올(BA)을 사용하여 PSC를 성공적으로 에멀전화하였고, 결정화를 향상시키기 위해 수행한 열처리(열 어닐링) 동안 PSC 필름에서 BA가 완전히 제거됨이 확인되었다. 그 결과, 이 접근법을 적용한 OFET은 유기 용매 기반 방법을 사용한 경우와 비교할 만한 소자 특성을 나타낸다. 또한 에멀전화된 PSC 수용액을 이용하는 인쇄 전자(printed electronics) 공정을 통해 인버터 및 NAND/NOR 게이트와 같은 논리 회로의 성공적인 구현이 검증되었다. 이러한 결과는 수성 에멀전화 전략을 구현함으로써 지속가능한 방법론을 시사하며, 유기 전자 분야에서의 친환경 제조 접근으로서의 잠재력을 강조한다.

소스/드레인(S/D) 전극과 유기 반도체(OSC) 채널 사이의 용이한 전하 전달은 고이동도 유기 전계효과 트랜지스터(OFETs)의 핵심이다. 본 연구에서는 소스/드레인–OSC 계면과 도전성 채널 간의 근접성을 가능하게 하여 접근 접촉 저항(R C,acc) 및 전체 접촉 저항(R C )을 감소시키는, 매몰-접촉 OFET(buried-contact OFET)이라 명명된 새로운 OFET 기하구조를 제안한다. 이는 상부-접촉 하부-게이트(top-contact bottom-gate) 소자 구조를 변형하여 구현하였다. 통상적인 후열처리(thermal annealing)를 매몰 압력(burying pressure)과 결합하여 압력-열처리(pressure-thermal annealing, PTA)를 수행하였다. 열처리와 압력 열처리의 상승적(synergistic) 효과는 연화된 OSC 층을 형성하여, 가해진 압력으로 금속 전극이 안쪽으로 파묻히게 한다. 이 과정은 원자힘현미경(atomic force microscopy)과 유한요소 시뮬레이션(finite element simulations)으로 확인된 바와 같이 상부-접촉에서 매몰-접촉 구성으로의 구조적 전이를 유도한다. 전송선법(transfer line method)과 4-프로브(4-probe) 측정 결과, PTA는 접촉저항을 1/3로 감소시켰으며(65 kΩ cm), 전하 주입에 의한 소스-드레인 전압 소모는 52%에서 31%로 감소시켰다. 그 결과, 전계효과 이동도는 통상적인 열처리된 상부-접촉 OFET에 비해 4배 높아졌다. 깊은 트랩의 밀도(N tr )는 주로 전하 주입을 담당하는 OSC 벌크에 분포한다. 주목할 만하게도, PTA를 통해 N tr 이 30배 감소하여, 얕은 부(副)문턱(sub-threshold) 영역이 형성되고 문턱전압(threshold voltage)이 0에 가깝게 나타났다.

이 연구는 건강 모니터링 지표로서 L-락트산(LA) 검출을 위해, 페놀 블루(PhB) 기반 감지 매질을 적용한 용량성 센서를 체계적으로 조사하였다. PhB는 용매화(chromic) 효과를 갖는 물질로서, 극성 분자에 노출되면 유전율 및 이에 따른 용량(capacitance)의 변화를 유도한다. 그러나 평탄 구조의 PhB/폴리염화비닐(PVC) 복합 감지 매질을 사용하는 용량성 LA 센서는 LA 용액 농도를 증가시킬 때 감지 용량 변화가 빠르게 포화되는 문제가 관찰되었다. 이 주요 원인은 PhB 분자의 고립전자쌍(lone pair)과 LA 분자의 양성자(proton) 간 상호작용이 PhB 분자의 용매화(chromic) 거동보다 감지 특성에 더 큰 영향을 미치기 때문으로 분석될 수 있다. 따라서 PhB/PVC 복합 감지 매질에 다공성 구조를 도입하여 양성자와의 PhB 상호작용을 최대화하는 전략을 채택하였으며, 이는 용매 교환 및 비용매(non-solvent) 교환 방법을 통해 구현하였다. 그 결과, 다공성 구조의 LA 센서에서 감도와 선형성은 LA 농도 0–100 mM 범위에서 각각 2.99 pF m m −1 및 0.966으로, 평탄 구조 센서에 비해 유의미하게 향상되었다. 특히, 정상적인 주변 조건에서 한 달간 보관한 이후에도 센싱 성능은 변하지 않았다.

DOI: 10.1002/adfm.202211253 아툴 타크레 박사는 해당 논문에서 저자 목록에서 제외되었습니다. 올바른 저자 목록은 다음과 같습니다: Jungyoon Seo, Taehoon Hwang, Eun Ko, Seungtaek Oh, Dashdendev Tsogbayar, Atul Thakre, Md Rajibur Rahaman Khan, Jeong Ho Cho, Yeong Don Park,* Hwa Sung Lee* 아툴 타크레 박사의 소속은 한국 공화국 경기도 안산시 상록구 한양대학로 55(우편번호 15588) 한양대학교 BK21 FOUR ERJCA-ACE Center입니다. 저자들은 이러한 오류에 대해 사과드립니다.

전자-간섭 전계효과 트랜지스터는 Au–티올 표면 화학을 재현 가능한 문턱전압 천이로 변환하여, 지속적인 자가조립 단분자막 형성과 일시적인 계면 전하 이완을 분리한다.

초박막 Ag 박막은 산화물/금속/산화물(OMO) 투명 전도 전극(TCE)에서 매립층으로 매력적이지만, 임계 퍼콜레이션(threshold) 이하에서 응집(agglomeration)이 강하게 일어나는 경향은 광학 및 전기적 성능을 심각하게 저하시킨다. 본 연구에서는 무색 폴리이미드 기판 위의 ITO/금속/ITO OMO형 TCE에서, Ga 합금화와 산화성 스퍼터 증착을 결합함으로써 초박막 Ag 기반 박막의 응집을 효과적으로 억제할 수 있음을 보였다. 매립 금속 조성, 두께, 산소 유량 비 Φ를 조절하여, 5 nm Ag–Ga 층(Φ = 6%)이 연속적이고 공극이 없는 전도 경로를 형성하는 최적 조건을 규명하였으며, 그 결과 550 nm에서 가시 투과율 86–88%와 시트 저항 15.8 Ω sq–1을 달성하였다. TEM/STEM–EDS 및 XPS 분석 결과, Ga 합금화, 계면에서의 Ga 분리(segregation), 그리고 제어된 Ag/Ga 산화가 함께 작용하여 유효 표면 및 계면 에너지를 낮추고 초박막 Ag–Ga 층의 응집에 대한 안정성을 높이는 것으로 나타났다. 그 결과, 최적화된 ITO/Ag–Ga/ITO OMO형 TCE는 높은 성능지수(figure of merit), 우수한 기계적 유연성, 그리고 고온·고습 환경에서의 열화에 대한 강한 내성을 보이며, 투명 히터로 작동하여 비교적 낮은 바이어스에서도 응용에 적합한 온도에 도달한다.

최근 전자기기는 소형화, 박막화, 고성능화, 다기능화의 추세에 따라 급속히 통합되고 있다. 이에 따라 이러한 기기 내 열관리 설계는 안정적인 성능을 유지하기 위해 핵심적인 요소가 되었다. 특히 열전도성 페이스트와 코팅 필름은 효과적인 열 발산을 위해 필수적이다. 이러한 코팅 페이스트에서의 효율적인 열 전달 및 발산은 균일한 열 전달 네트워크를 형성하기 위해 열전도성 입자의 분산이 어떻게 이루어지는지에 달려 있으며, 그 결과 포논 산란을 최소화할 수 있다. 본 연구에서는 균일 분산을 위해 분산제를 사용하던 기존 연구와 달리, 열전도성 충전재 입자의 표면에 Parylene 나노코팅 기법을 적용하는 접근법을 제시한다. 그 결과, Parylene-나노코팅된 알루미나 입자를 충전재로 적용할 때, 분산 안정제를 사용하는 경우와 비교하여 유사하거나 더 우수한 균일 입자 분산성이 달성되었다. 또한 Parylene 코팅 충전재를 사용할 때의 열전도성 필름의 열전도도와 열확산도는 분산제를 사용하는 기존 방법에 비해 유의하게 향상되어, 각각 최대 1.49 W m–1 K–1 및 6.2 × 10–7 m2 s–1에 도달하였으며, 이는 0.83 W m–1 K–1 및 2.9 × 10–7 m2 s–1에 비해 약 1.79배 향상된 것이다. 이러한 향상은 열전도성 충전재의 분산성이 개선되고, 코팅된 필름 내에서 폴리머 바인더(0.2 W m–1 K–1), 코팅된 Parylene(0.6 W m–1 K–1), 알루미나(20 W m–1 K–1)를 통한 단계적 열전도에 의해 열 경로가 효율적으로 구성된 데 기인할 수 있다. 본 연구 결과는 고성능 열전도성 코팅에서의 획기적인 개념을 제시하며, 실제 산업 응용을 위한 핵심 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.

전도 채널로서 나노와이어를 압력 감응성 키토산 층과 결합한 이온 게이팅 층과 연동하였다. 이 장치는 압력 의존적 메모리 잔존성과 학습 거동을 보이며, 스트레스 상황에서 인간에게서 관찰되는 향상된 인지 기능을 효과적으로 모사한다. 또한 통합된 설계는 적응형 촉각 정보 처리가 필요한 생체모방 전자 시스템의 구현 가능성을 시사한다.