유기 전자 제품

Organic electronics
유기 CMOS 논리 회로총 두께는 3μm 미만입니다.축척봉: 25 mm

유기전자공학은 유기분자나 고분자의 설계, 합성, 특성화, 응용에 관한 재료과학 분야로 전도성 등 바람직한 전자적 성질을 보인다.기존의 무기 도체나 반도체와 달리 유기 전자 재료는 유기 화학 및 고분자 화학의 맥락에서 개발된 합성 전략을 사용하여 유기(탄소 기반) 분자 또는 고분자로 구성됩니다.

유기 전자제품의 약속된 장점 중 하나는 기존 [1][2][3]전자제품에 비해 저비용이라는 것입니다.고분자 도체의 매력적인 특성은 전기 전도율(도판트의 농도에 따라 달라질 수 있음)과 비교적 높은 기계적 유연성을 포함합니다.유기 전자 재료의 구현에 있어서의 과제는 열 안정성 저하, 고비용, 다양한 제조상의 문제입니다.

역사

전기 전도성 폴리머

전통적인 전도성 재료는 무기물이며, 특히 구리 및 알루미늄과 같은 금속과 많은 [4]합금입니다.

1862년 헨리 레테비는 폴리아닐린을 설명했는데, 그 후에 전기 전도성이 있는 것으로 나타났습니다.다른 고분자 유기물에 대한 연구는 1960년대에 본격적으로 시작되었다.예를 들어 1963년에는 테트라요오드피롤 유도체가 1S/cm의 전도성을 보이는 것으로 나타났다(S = Siems).[5]1977년, 산화가 폴리아세틸렌의 전도성을 증가시킨다는 것이 발견되었다.2000년 노벨 화학상은 앨런 J.에게 수여되었다. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa는 폴리아세틸렌 및 관련 [6]전도성 고분자에 대한 연구를 공동으로 수행했습니다.폴리티오펜, 폴리페닐렌 황화물 등을 포함한 많은 전도성 폴리머 패밀리가 확인되었다.

J.E. 릴리엔펠트는[7] 1930년 전계효과 트랜지스터를 처음 제안했지만 1987년 코에즈카 등이 매우 높은 전도성을 보이는 폴리티오펜을[8] 사용해 트랜지스터를 제작할 때까지 최초의 OFET가 보고되지 않았다.다른 전도성 고분자는 반도체 역할을 하는 것으로 나타났으며, 새롭게 합성되고 특징지어지는 화합물들이 저명한 연구 저널에 매주 보고되고 있다.이러한 [9][10][11][12][13]자료의 개발을 문서화하는 많은 리뷰 기사들이 존재한다.

1987년, 최초의 유기 다이오드는 칭 W에 의해 이스트만 코닥에서 생산되었다. 탕과 스티븐 반 슬라이크.[14]

도전성 전하 전달염

1950년대에는 유기 분자가 전기 전도성을 보이는 것으로 나타났다.구체적으로는 유기화합물 피렌이 [15]할로겐과 함께 반도체 전하전달 복합염을 형성하는 것으로 나타났다.1972년 연구자들은 전하 전달 복합체 TTF-TCNQ에서 금속 전도율(금속과 동등한 전도율)을 발견했습니다.

빛과 전기 전도성

앙드레 베르나노스는[16][17] 유기물질에서 일렉트로루미네센스를 관찰한 최초의 사람이다.칭W.탕과 스티븐 반 [18]슬리크는 1987년에 최초의 실용적인 OLED 소자의 제작을 보고했다.유기발광다이오드(OLED) 장치는 구리 프탈로시아닌과 페릴렌테트라카르본산 [19]이무수물의 유도체로 구성된 이중층 구조 모티브를 통합했습니다.

1990년, Bradley, Buroughes, Friend에 의해 폴리머 발광 다이오드가 시연되었습니다.분자 재료에서 고분자 재료로의 이동은 유기막의 장기적인 안정성과 함께 기존에 직면했던 문제를 해결하고 고품질 필름을 쉽게 [20]만들 수 있게 했다.1990년대 후반에는 고효율 일렉트로루미네센스 도판트가 OLED의[21] 발광효율을 크게 높이는 것으로 나타났다.이러한 결과는 일렉트로루미네센스 재료가 기존의 핫필라멘트 조명을 대체할 수 있음을 시사했다.후속 연구는 다층 고분자를 개발했고 플라스틱 전자제품과 유기발광다이오드(OLED) 연구와 소자 생산의 새로운 분야가 [22]빠르게 성장했습니다.

도전성 유기물

헥사메틸렌 결정구조 부분의 엣지온 뷰TTF-TCNQ 전하 전송 솔트.분리된 스태킹이 강조됩니다.이러한 분자 반도체는 이방성 전기 [23]전도성을 보인다.

유기 전도성 재료는 크게 폴리머, 전도성 분자 고형물 및 소금 두 종류로 분류할 수 있습니다.펜타센이나 루브렌과 같은 다환 방향족 화합물은 부분적으로 산화되면 반도체 물질을 형성하는 경우가 많다.

전도성 고분자는 일반적으로 본질적으로 전도성이거나 적어도 반도체이다.그들은 때때로 기존의 유기 폴리머와 비슷한 기계적 특성을 보인다.유기합성과 고급분산기술은 모두 일반적인 무기도체와 달리 전도성 고분자의 전기적 특성을 조정하는데 사용될 수 있다.전도성 고분자의 잘 연구된 클래스는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오페네스 및 폴리아닐린을 포함한다.폴리(p-페닐렌비닐렌) 및 그 유도체는 일렉트로루미네센스 반도체 폴리머이다.폴리(3-알키티오펜)는 태양전지와 트랜지스터의 프로토타입에 통합되었다.

유기 발광 다이오드

주요 기사:유기발광다이오드 및 아몰레드

유기발광다이오드(OLED)는 전류에 의해 자극을 받아 빛을 내는 유기물 박막으로 구성되어 있다.전형적인 OLED는 양극, 음극, OLED 유기물 [24]및 도전층으로 구성됩니다.

차세대 순수 유기 발광 결정 패밀리인 Br6A
2층 OLED의 개요: 1.음극(-), 2.방출층, 3.방사선 방출, 4.전도층, 5.양극(+)

유기발광다이오드(OLED) 유기물은 크게 소분자 기반과 폴리머 기반 두 가지로 나뉜다.소분자 OLED(SM-OLED)는 트리스(8-히드록시퀴놀리나토) 알루미늄[18] 형광염료 및 인광염료와 복합덴드리머를 포함한다.형광 염료는 원하는 방출 파장 범위에 따라 선택할 수 있으며, 페리렌 및 루브렌과 같은 화합물이 자주 사용됩니다.작은 분자에 기반한 장치는 보통 진공 상태에서 열 증발로 제작됩니다.이 방법은 잘 제어된 균질 필름의 형성을 가능하게 하지만, 고비용과 제한된 [25]확장성 때문에 방해가 됩니다.[26] 폴리머 발광 다이오드(PLED)는 일반적으로 SM-OLED보다 효율적입니다.PLED에 사용되는 일반적인 폴리머에는 폴리(p-페닐렌 비닐렌)[27] 및 폴리플루오렌 유도체가 포함됩니다.폴리머 구조에 의해 방출되는 색입니다.열증발에 비해 큰 치수의 필름을 만드는 데는 용액 기반의 방법이 더 적합합니다.

유기 전계 효과 트랜지스터

주요 기사:유기 전계 효과 트랜지스터
최고의 전하 이동성을 갖춘 루브렌 OFET

유기전계효과 트랜지스터는 활성반도체층으로서 유기분자 또는 고분자를 이용한 전계효과 트랜지스터이다.전계효과트랜지스터(FET)는 전계를 이용해 1종류의 전하 캐리어의 채널 형상을 제어함으로써 도전성을 변화시키는 반도체 재료이다.FET의 두 가지 주요 등급은 운반되는 전하 유형에 따라 분류되는 n형 및 p형 반도체입니다.유기 FET(OFET)의 경우 산화손상에 대한 민감성 때문에 일반적으로 p형 OFET 화합물이 n형보다 안정적이다.

유기발광다이오드(OLED)는 분자계, 폴리머계다.루브렌 기반의 OFET는 20~40cm2/(V·s)의 높은 캐리어 모빌리티를 나타내고 있습니다.또 다른 인기 있는 OFET 소재는 펜타센이다.대부분의 유기용매에는 용해도가 낮기 때문에 기존의 스핀캐스트 방식이나 딥 코팅 방식으로는 펜타센 자체에서 박막 트랜지스터(TFT)를 제작하는 것이 어렵지만 파생형 TIPS-펜타센을 사용하면 이 장애를 극복할 수 있습니다.

유기 전자 기기

주요 기사:유기 태양전지 및 태양광 발전
유기 기반 플렉시블 디스플레이
태양광 발전 재료의 5개 구조

유기 태양 전지는 기존의 태양 전지 [28]제조에 비해 태양광 발전 비용을 절감할 수 있다.유연한 기판의 실리콘 박막 태양 전지는 다음과 같은 몇 가지 [29]이유로 대규모 태양광 발전의 비용을 대폭 절감할 수 있습니다.

  1. 이른바 '롤 투 롤'이라고 불리는 유연한 시트에 대한 부착은 깨지기 쉽고 무거운 유리 시트에 대한 부착보다 기술적인 노력 면에서 훨씬 더 쉽게 실현됩니다.
  2. 경량 플렉시블 태양전지의 운반과 설치는 또한 유리 위에 있는 셀에 비해 비용을 절감한다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리카보네이트(PC)와 같은 저렴한 고분자 기판은 광전지의 추가 비용 절감 가능성을 가지고 있습니다.원형 태양 전지는 소규모 [29]및 모바일 애플리케이션뿐만 아니라 대규모 생산용 값싸고 유연한 기판에서 효율적이고 저렴한 태양광 발전의 유망한 개념임이 입증되었다.

인쇄된 전자 제품의 장점 중 하나는 서로 다른 전기 및 전자 부품을 서로 겹쳐 인쇄할 수 있어 공간을 절약하고 신뢰성을 높일 수 있으며 때로는 모두 투명하다는 것입니다.종이나 플라스틱 필름과 같은 저비용의 유연한 재료를 사용하는 경우, 잉크는 다른 잉크를 손상시켜서는 안 되며, 저온 어닐링은 매우 중요합니다.iTi, Pixdro, 아사히카세이, Merck & Co.와 같은 고도의 엔지니어링과 화학이 관련되어 있습니다.Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical, Frontier Carbon Corporation 등이 [30]선두 기업이다.유기화합물을 기반으로 한 전자소자가 현재 널리 사용되고 있으며, 많은 신제품이 개발 중에 있다.소니는 최초의 풀컬러, 비디오 레이트, 플렉시블, 플라스틱 디스플레이, OLED 소재를 기반으로 [31][32]한 텔레비전 화면, 유기 화합물을 기반으로 한 생분해성 전자제품, 저렴한 가격의 유기 태양전지 등도 이용할 수 있다고 발표했다.

제조 방법

소분자 반도체는 종종 용해되지 않으며 진공 승화를 통한 증착이 필요합니다.도전성 폴리머에 기초한 소자는 용액 처리법으로 제조할 수 있다.용액 처리 방법과 진공 기반 방법 모두 다양한 정도의 무질서를 가진 비정질 및 다결정막을 생성한다."습윤" 코팅 기술은 고분자를 휘발성 용매에 녹여 여과한 후 기판 위에 퇴적시켜야 합니다.용제 기반 코팅 기술의 일반적인 예로는 드롭 캐스팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩, 잉크젯 인쇄 및 스크린 인쇄가 있습니다.스핀코팅은 작은 면적의 박막 제작에 널리 사용되는 기술입니다.재료 손실이 클 수 있습니다.닥터 블레이드 기술은 재료 손실을 최소화하며 주로 대규모 박막 생산을 위해 개발되었습니다.진공 기반의 작은 분자의 열 증착은 열원으로부터의 분자의 증발을 필요로 합니다.그런 다음 분자는 진공 상태를 통해 기질로 운반됩니다.기판 표면에서 이러한 분자를 응축하는 과정은 박막을 형성합니다.습식 코팅 기술은 용해도에 따라 작은 분자에 적용될 수 있습니다.

유기 태양 전지

이중층 유기 광전지

유기 반도체 다이오드는 빛을 전기로 변환한다.오른쪽 그림은 일반적으로 사용되는 5가지 유기 광전지 재료입니다.이들 유기분자 내의 전자는 대응하는 δ* 반결합 오비탈과 함께 비국재화 δ 오비탈에서 디국재화될 수 있다.γ 오비탈, 즉 가장 높은 점유율 분자 궤도(HOMO)와 γ* 오비탈 또는 가장 낮은 점유율 분자 궤도(LUMO) 사이의 에너지 차이를 유기 광기전 물질의 밴드 갭이라고 한다.일반적으로 밴드 갭은 1~4eV [33][34][35]범위에 있습니다.

유기 광전지 재료의 밴드 갭의 차이는 다른 화학 구조와 유기 태양 전지의 형태로 이어진다.태양전지의 다른 형태는 단층 유기광전지, 2층 유기광전지 및 헤테로 접합광전지이다.하지만, 이 세 종류의 태양 전지는 유기 전자층을 두 개의 금속 전도체(일반적으로 [36]산화 인듐 주석) 사이에 끼우는 방식을 공유합니다.

박막 트랜지스터 소자 그림

유기 전계 효과 트랜지스터

유기 전계 효과 트랜지스터는 소스, 드레인 및 게이트의 세 가지 주요 구성요소로 구성됩니다.일반적으로 전계효과 트랜지스터는 드레인 및 게이트에 접하는 2개의 플레이트를 가지며 도전채널로서 기능한다.전자는 소스에서 드레인까지 이동하고 게이트는 소스에서 드레인까지 전자의 이동을 제어하는 역할을 합니다.다양한 유형의 FET는 캐리어 속성에 따라 설계됩니다.그 중에서도 박막 트랜지스터(TFT)는 제작이 용이합니다.박막 트랜지스터에서는 반도체 박층을 직접 퇴적시킨 후 반도체와 금속 게이트 접점 사이에 절연체의 박막을 형성하여 소스 및 드레인한다.이러한 박막은 열 증발 또는 단순 스핀 코팅에 의해 만들어집니다.TFT 디바이스에서는 소스와 드레인 사이에 캐리어 이동이 없습니다.양전하를 인가한 후, 계면에 전자가 축적되면 반도체의 휘어짐이 발생하고, 최종적으로 반도체의 페르미레벨에 대해 전도대역을 저하시킨다.마지막으로 [37]인터페이스에는 도전성이 높은 채널이 형성된다.

특징들

주요 기사: 프린트 전자 제품

도전성 고분자는 무기 도체보다 가볍고 유연하며 비용도 저렴합니다.이를 통해 많은 응용 프로그램에서 바람직한 대안이 될 수 있습니다.또한 구리나 실리콘으로는 불가능한 새로운 응용 프로그램의 가능성도 있습니다.

유기전자제품에는 유기반도체뿐만 아니라 유기유전체, 도체, 발광체도 포함된다.

새로운 애플리케이션에는 스마트 윈도우와 전자 종이가 포함됩니다.전도성 고분자는 분자 컴퓨터의 새로운 과학에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

「 」를 참조해 주세요.

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추가 정보

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외부 링크