[논문 리뷰] Ink-Jet Printed Graphene Electronics

F. Torrisi, T. Hasan외 10명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 21.

Graphene research and applications인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 N-메틸피롤리돈(NMP)에서 고체의 액체상 분리에 의해 유도된 그래핀 기반 잉크의 잉크젯 프린팅을 통해 고이동도 박막 트랜지스터(최대 약 95 cm² V⁻¹ s⁻¹)와 약 80% 투과도 및 약 30 kΩ/□ 시트 저항을 가지는 투명하고 도전성 패턴을 실현한다. 이 방법은 임의의 기판에 모두 인쇄된 유연하고 투명한 그래핀 전자기기를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate ink-jet printing as a viable method for large area fabrication of graphene devices. We produce a graphene-based ink by liquid phase exfoliation of graphite in N-Methylpyrrolidone. We use it to print thin-film transistors, with mobilities up to~95cm^2V^(-1)s(-1), as well as transparent and conductive patterns, with~80 % transmittance and~30kOhm/sq sheet resistance. This paves the way to all-printed, flexible and transparent graphene devices on arbitrary substrates

연구 동기 및 목표

• 잉크젯 프린팅을 이용한 스케일업이 가능하고 저비용인, 기계적으로 유연하고 투명한 그래핀 기반 전자기기 제작 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 복잡한 리트로그래피 공정에 의존하거나 저이동도 유기 반도체를 사용하는 전통적인 기계적 유연 전자기기의 한계를 극복하기 위해.
• 임의의 기판에 모두 인쇄된 고성능의 그래핀 트랜지스터와 투명 도전 전극을 실현하기 위해.
• 그래핀 잉크와 유기 반도체 폴리머(예: PQT-12)의 통합을 조사하여, 인쇄된 필드효과 트랜지스터에서의 전하 이동도 향상을 위해.
• 그래핀 잉크가 대면적, 저온, 고성능 인쇄 전자기기에서의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 고체의 액체상 분리에 의해 N-메틸피롤리돈(NMP) 내에서 그래핀을 제조하여, 수층 수준의 그래핀 플레이크가 안정적으로 분산된 잉크를 제작하였다.
• 잉크젯 프린팅을 이용해 Si/SiO₂ 및 기계적으로 유연한 플라스틱 기판 등 다양한 기판에 그래핀 필름을 도포하였으며, 후속 열처리 없이도 성공적으로 제작하였다.
• Cr/Au 소스 및 드레인 전극을 사용한 바닥 게이트, 바닥 접촉 구조의 박막 트랜지스터(TFT)를 제작하였다.
• 장치 이동도는 다음 식을 사용해 전이 특성에서 추출하였다: μ = (L / (W × Cᵢ × V_d)) × (dI_d / dV_g), 여기서 Cᵢ ≈ 10 nF/cm²이다.
• 그래핀 잉크와 유기 반도체 PQT-12를 혼합하여, 그래핀 채널 위에 잉크젯 프린팅을 통해 도포함으로써 체인 간 전하 이동도 향상을 도모하였다.
• 전기적 특성 분석은 실온에서 대기 조건 하에서 수행되었으며, 다양한 게이트 및 드레인 전압에서 전이 및 출력 특성을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체상 분리된 그래핀은 기계적으로 유연하고 투명한 기판에 적합한 안정적이고 인쇄 가능한 잉크로 제형화될 수 있는가?
• RQ2 대기 조건 하에서 잉크젯 프린팅된 그래핀 박막 트랜지스터에서 도달 가능한 최대 필드효과 이동도는 얼마인가?
• RQ3 PQT-12와 같은 유기 반도체와의 통합이 순수한 유기 반도체에 비해 인쇄된 트랜지스터의 전하 이동도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이동도 및 온/오프 비율 측면에서, 잉크젯 프린팅된 그래핀 TFT는 다른 인쇄 반도체 기술(예: CNT,(fullerene), RGO)과 비교해 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ5 그래핀 잉크가 모두 인쇄된 기계적 유연하고 투명한 전자기기 시스템에서 기존의 금속 또는 반도체 잉크를 얼마나까지 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 잉크젯 프린팅된 그래핀 박막 트랜지스터는 실온에서 최대 약 95 cm² V⁻¹ s⁻¹의 필드효과 이동도를 달성하였으며, 이는 이전에 보고된 잉크젯 프린팅 유기 및 CNT 기반 TFT보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 제작된 그래핀 잉크는 약 80%의 광학적 투과도와 약 30 kΩ/□의 시트 저항을 가지며, 투명 전극 응용에 적합한 투명하고 도전성 패턴을 형성하였다.
• PQT-12 유기 반도체와 조합된 그래핀/PQT-12 TFT는 약 0.17 cm² V⁻¹ s⁻¹의 이동도와 약 4 × 10⁵의 ON/OFF 비율을 보였으며, 유사한 CNT/PQT-12 및 순수한 PQT-12 TFT보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 잉크젯 프린팅된 풀러렌 기반 TFT의 이동도보다 약 4개의 주기만큼 높고, 유사한 ON/OFF 비율에서 잉크젯 프린팅된 CNT보다도 2개 이상의 주기 높은 이동도를 보였다.
• 실온에서 약 10의 ON/OFF 비율을 보이는 순수한 그래핀 TFT의 성능은 고성능 RGO 기반 장치와 유사하지만, 훨씬 높은 이동도를 보였다.
• 이 방법은 고온 후처리 공정 없이도 임의의 기판에 모두 인쇄된 기계적 유연하고 투명한 그래핀 전자기기를 실현할 수 있다.