본 논문에서는 이차원 구조의 산화 그래핀을 이용하여, 반도체적인 특성을 분석하고 메모리소자, 박막 트랜지스터, 메모리 박막 트랜지스터, 바이오센서 등으로 활용분야를 연구하였다. 최근, 실리콘 소자는 언젠가 집적기술의 한계에 부딪힐 것이라는 전망과 산업적으로 소비자의 요구를 충족시키기 위한 하이엔드 특성을 구현하는데 한계가 있는 것으로 파악된다. 따라서 전자 소자의 측면에서 두 전극 간의 거리가 좁혀지면서 다른 새로운 물질로의 요구에 대처할 필요가 있다. 2004년 맨체스터의 가임과 노보스키 박사의 연구를 통해 세상으로 나오게 된 그래핀이라는 대처 물질로 인해 이차원 구조를 가지는 물질의 연구가 꾸준히 진행되어 오고 있다.
첫 번째로 그래핀은 2차원 구조로 기존 대비 물질의 물리적, 화학적 특성의 몇 십 배에서 몇 천배에 이르는 장점을 가지고 있다. 그래핀은 ...
본 논문에서는 이차원 구조의 산화 그래핀을 이용하여, 반도체적인 특성을 분석하고 메모리소자, 박막 트랜지스터, 메모리 박막 트랜지스터, 바이오센서 등으로 활용분야를 연구하였다. 최근, 실리콘 소자는 언젠가 집적기술의 한계에 부딪힐 것이라는 전망과 산업적으로 소비자의 요구를 충족시키기 위한 하이엔드 특성을 구현하는데 한계가 있는 것으로 파악된다. 따라서 전자 소자의 측면에서 두 전극 간의 거리가 좁혀지면서 다른 새로운 물질로의 요구에 대처할 필요가 있다. 2004년 맨체스터의 가임과 노보스키 박사의 연구를 통해 세상으로 나오게 된 그래핀이라는 대처 물질로 인해 이차원 구조를 가지는 물질의 연구가 꾸준히 진행되어 오고 있다.
첫 번째로 그래핀은 2차원 구조로 기존 대비 물질의 물리적, 화학적 특성의 몇 십 배에서 몇 천배에 이르는 장점을 가지고 있다. 그래핀은 밴드갭이 없는 메탈의 특성을 가지는 물질이지만, 박막 자체를 쓰기에는 기계적 방법으로 재현하기 어렵고, 크기가 작으며, 대량생산을 위해서는 화학적 방법으로 용액상태로 합성한 뒤에 환원을 시켜서 밴드갭을 열어 주어 반도체 물질로 사용하였다.
두 번째로, 그래핀의 특성을 보다 넓은 범위로 적용하기 위해서 반도체와 더불어 절연체 층의 연구를 진행 하였다. 높은 유전율을 가지는 하프늄옥사이드와 옥타메틸사이클로테트라실록산과의 합성을 통해 절연체로서의 특성을 분석하였다. 이 또한 합성 시에 유독한 가스의 사용이 아닌 용액 공정을 통해 안정하게 합성하였다.
세 번째 로, 그래핀의 특성 중 하나인 환원된 그래핀의 모서리 화학 바인딩 부분과 높은 전하 이동도의 특성을 이용하여 바이오센서로의 응용을 하였다. 산화된 그래핀의 표면위에 화학적 바인딩 방법을 사용하여 항체를 결합하고, 최종적으로 항원을 결합하여 바이오센서로서의 특성을 확인하였다. 이때 사용한 물질은 스트레스 호르몬인 코르티솔이다. 코르티솔은 사람의 변화 상태에 따라 민감하게 반응하며 생체 지표로도 사용하고 있다. 이 코르티솔을 이용하여 센서를 제작한 뒤에 가장 낮은 농도인 1 ng / ml를 검출 하였다. 또한, 실제 사람의 침을 이용하여 10 pg / ml 의 검출 능력을 간접적으로 확인하였다.
마지막으로, 그래핀의 고질적인 문제인 전압을 증가하였을 때 전류 흐름의 안정적인 영역의 부재이다. 갖은 연구들이 진행 되었으나 크게 개선되지는 않았다. 그래핀 박막의 크기를 양자점 형태로 만들게 되면 그래핀 모서리부분의 효과를 덜 받을 것이라는 생각에서 실험을 진행 하였으며, 전류 증가에 따라 안정적으로 평형이 되는 지점을 연구하였다.
전체적으로, 그래핀 연구를 통해서 박막의 기본적인 특성과 크기에 따른 전하의 이동도를 연구하였으며, 기본 전자소자의 특성을 확인하였을 뿐만 아니라 바이오센서로서의 특성을 확인하였다. 이를 통해 차후 환원된 그래핀을 이용, 미세유체 분야의 바이오센서로 적용을 한다면 더 좋은 연구결과를 가질 수 있을 것이라 생각한다.
본 논문에서는 이차원 구조의 산화 그래핀을 이용하여, 반도체적인 특성을 분석하고 메모리소자, 박막 트랜지스터, 메모리 박막 트랜지스터, 바이오센서 등으로 활용분야를 연구하였다. 최근, 실리콘 소자는 언젠가 집적기술의 한계에 부딪힐 것이라는 전망과 산업적으로 소비자의 요구를 충족시키기 위한 하이엔드 특성을 구현하는데 한계가 있는 것으로 파악된다. 따라서 전자 소자의 측면에서 두 전극 간의 거리가 좁혀지면서 다른 새로운 물질로의 요구에 대처할 필요가 있다. 2004년 맨체스터의 가임과 노보스키 박사의 연구를 통해 세상으로 나오게 된 그래핀이라는 대처 물질로 인해 이차원 구조를 가지는 물질의 연구가 꾸준히 진행되어 오고 있다.
첫 번째로 그래핀은 2차원 구조로 기존 대비 물질의 물리적, 화학적 특성의 몇 십 배에서 몇 천배에 이르는 장점을 가지고 있다. 그래핀은 밴드갭이 없는 메탈의 특성을 가지는 물질이지만, 박막 자체를 쓰기에는 기계적 방법으로 재현하기 어렵고, 크기가 작으며, 대량생산을 위해서는 화학적 방법으로 용액상태로 합성한 뒤에 환원을 시켜서 밴드갭을 열어 주어 반도체 물질로 사용하였다.
두 번째로, 그래핀의 특성을 보다 넓은 범위로 적용하기 위해서 반도체와 더불어 절연체 층의 연구를 진행 하였다. 높은 유전율을 가지는 하프늄옥사이드와 옥타메틸사이클로테트라실록산과의 합성을 통해 절연체로서의 특성을 분석하였다. 이 또한 합성 시에 유독한 가스의 사용이 아닌 용액 공정을 통해 안정하게 합성하였다.
세 번째 로, 그래핀의 특성 중 하나인 환원된 그래핀의 모서리 화학 바인딩 부분과 높은 전하 이동도의 특성을 이용하여 바이오센서로의 응용을 하였다. 산화된 그래핀의 표면위에 화학적 바인딩 방법을 사용하여 항체를 결합하고, 최종적으로 항원을 결합하여 바이오센서로서의 특성을 확인하였다. 이때 사용한 물질은 스트레스 호르몬인 코르티솔이다. 코르티솔은 사람의 변화 상태에 따라 민감하게 반응하며 생체 지표로도 사용하고 있다. 이 코르티솔을 이용하여 센서를 제작한 뒤에 가장 낮은 농도인 1 ng / ml를 검출 하였다. 또한, 실제 사람의 침을 이용하여 10 pg / ml 의 검출 능력을 간접적으로 확인하였다.
마지막으로, 그래핀의 고질적인 문제인 전압을 증가하였을 때 전류 흐름의 안정적인 영역의 부재이다. 갖은 연구들이 진행 되었으나 크게 개선되지는 않았다. 그래핀 박막의 크기를 양자점 형태로 만들게 되면 그래핀 모서리부분의 효과를 덜 받을 것이라는 생각에서 실험을 진행 하였으며, 전류 증가에 따라 안정적으로 평형이 되는 지점을 연구하였다.
전체적으로, 그래핀 연구를 통해서 박막의 기본적인 특성과 크기에 따른 전하의 이동도를 연구하였으며, 기본 전자소자의 특성을 확인하였을 뿐만 아니라 바이오센서로서의 특성을 확인하였다. 이를 통해 차후 환원된 그래핀을 이용, 미세유체 분야의 바이오센서로 적용을 한다면 더 좋은 연구결과를 가질 수 있을 것이라 생각한다.
In this study, analyzed the semiconductor characteristics of two-dimensional (2D) structures of reduced graphene oxide (rGO) and their application fields of memory device (Capacitor), thin film transistor (TFT), memory thin film transistor (memory TFT), and biosensor. In recent years, silicon device...
In this study, analyzed the semiconductor characteristics of two-dimensional (2D) structures of reduced graphene oxide (rGO) and their application fields of memory device (Capacitor), thin film transistor (TFT), memory thin film transistor (memory TFT), and biosensor. In recent years, silicon devices are limited in their prospects that they will someday face the end of integrated technology and implement high-end characteristics to meet the needs of industrial customers. Therefore, as the dimension between the two electrodes (source and drain) on the side of the electronic device is narrowed, it is required to cope with the demand using other new materials. Since the year of 2004, when Dr. Geim and Novoselov discovered graphene`s electronic property, research on the two-dimensional structure of materials has been steadily progressing due to the simplicity of graphene, which has come to the world through the study. The graphene has a two-dimensional structure, which has several tens to several thousand times superior in the physical and chemical properties of the material to conventional materials. The graphene is a material that has the characteristics of a zero band-gap. In addition, it is difficult to reproduce by mechanical method to form in large area. First, in order to achieve its mass-production, it could be synthesized in a solution state by a chemical method, which could be used as a semiconductor material. Second, in order to apply the characteristics of the graphene to a wider range, a further research on insulator layer has been carried out. Film formation of hafnium oxide (HfO2) and octamethylcyclotetrasiloxane (OMTS) having high dielectric constant (k) were accomplished and analyzed for their properties as an insulator. The method was also more stable through the solution process than the use of toxic gas during film formation. Third, application to biosensor was examined using the characteristics of reduced graphene oxide (rGO) in terms of edge chemical binding part and high charge mobility of the reduced graphene. Antibodies were bound to the surface of the reduced graphene oxide using a chemical conjugation method, and the antigen was finally bound to confirm the characteristics as a chemiresistive biosensor. The target molecule of cortisol was a stress hormone for the biosensor. Usually, the cortisol responds sensitively to changes of human psychological conditions and it could be also used as a biomaker. After the sensor was constructed detecting the cortisol, the lowest concentration of 1 ng / ml available. In addition, detection ability of 10 pg / ml was confirmed using human salivary sample. Finally, since it is problematic with the graphene having an absence of a saturation region of current flow when increasing the voltage in device, various studies have been conducted but not greatly improved. In this thesis, experiments were carried out with the idea that if the size of the graphene thin film was made into a quantum dot shape, the effect of the graphene edge portion would be lessened. As a result, the point where the equilibrium having saturation region with increasing current in device was accomplished. Overall, studied the charge mobility based on the basic characteristics and the quantum size effect of graphene. And, confirmed the characteristics of the basic electronic device as well as the properties of the biosensor. It is expected future the application of biosensor in the microfluidics format will have be accomplished if the edges of reduced graphene oxide are used later.
In this study, analyzed the semiconductor characteristics of two-dimensional (2D) structures of reduced graphene oxide (rGO) and their application fields of memory device (Capacitor), thin film transistor (TFT), memory thin film transistor (memory TFT), and biosensor. In recent years, silicon devices are limited in their prospects that they will someday face the end of integrated technology and implement high-end characteristics to meet the needs of industrial customers. Therefore, as the dimension between the two electrodes (source and drain) on the side of the electronic device is narrowed, it is required to cope with the demand using other new materials. Since the year of 2004, when Dr. Geim and Novoselov discovered graphene`s electronic property, research on the two-dimensional structure of materials has been steadily progressing due to the simplicity of graphene, which has come to the world through the study. The graphene has a two-dimensional structure, which has several tens to several thousand times superior in the physical and chemical properties of the material to conventional materials. The graphene is a material that has the characteristics of a zero band-gap. In addition, it is difficult to reproduce by mechanical method to form in large area. First, in order to achieve its mass-production, it could be synthesized in a solution state by a chemical method, which could be used as a semiconductor material. Second, in order to apply the characteristics of the graphene to a wider range, a further research on insulator layer has been carried out. Film formation of hafnium oxide (HfO2) and octamethylcyclotetrasiloxane (OMTS) having high dielectric constant (k) were accomplished and analyzed for their properties as an insulator. The method was also more stable through the solution process than the use of toxic gas during film formation. Third, application to biosensor was examined using the characteristics of reduced graphene oxide (rGO) in terms of edge chemical binding part and high charge mobility of the reduced graphene. Antibodies were bound to the surface of the reduced graphene oxide using a chemical conjugation method, and the antigen was finally bound to confirm the characteristics as a chemiresistive biosensor. The target molecule of cortisol was a stress hormone for the biosensor. Usually, the cortisol responds sensitively to changes of human psychological conditions and it could be also used as a biomaker. After the sensor was constructed detecting the cortisol, the lowest concentration of 1 ng / ml available. In addition, detection ability of 10 pg / ml was confirmed using human salivary sample. Finally, since it is problematic with the graphene having an absence of a saturation region of current flow when increasing the voltage in device, various studies have been conducted but not greatly improved. In this thesis, experiments were carried out with the idea that if the size of the graphene thin film was made into a quantum dot shape, the effect of the graphene edge portion would be lessened. As a result, the point where the equilibrium having saturation region with increasing current in device was accomplished. Overall, studied the charge mobility based on the basic characteristics and the quantum size effect of graphene. And, confirmed the characteristics of the basic electronic device as well as the properties of the biosensor. It is expected future the application of biosensor in the microfluidics format will have be accomplished if the edges of reduced graphene oxide are used later.
주제어
#Graphene Graphene quantum dot Saliva Cortisol Memory device (Capacitor) Thin Film Transistor (TFT) Memory thin film transistor (Memory TFT) Biosensor 그래핀 반도체 소자 바이오센서
학위논문 정보
저자
김요한
학위수여기관
명지대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
화학공학과
발행연도
2018
총페이지
viii - 118 p.
키워드
Graphene Graphene quantum dot Saliva Cortisol Memory device (Capacitor) Thin Film Transistor (TFT) Memory thin film transistor (Memory TFT) Biosensor 그래핀 반도체 소자 바이오센서
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