[논문]유기 박막 트랜지스터의 플렉서블 센서 응용 기술 동향

김민회

유기 박막 트랜지스터의 플렉서블 센서 응용 기술 동향 원문보기

방송과 미디어 = Broadcasting and media magazine, v.20 no.2, 2015년, pp.9 - 15

김민회 (한밭대학교)

초록
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사물인터넷 시대를 맞이하여 센서의 중요성이 증가하고 있고 특히 신체에 착용 가능한 웨어러블 전자 센서에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 플렉서블 유기 트랜지스터는 유연성과 뛰어난 감도를 지니고 있고 값싼 생산이 가능하여 웨어러블 전자센서의 구현을 위한 가장 적합한 후보 중 하나이다. 본 글에서는 플렉서블 유기 박막 트랜지스터의 물리 센서와 생체 센서로의 응용에 대해 살펴보고 관련 기술의 발전방향에 관하여 살펴본다.

AI 본문요약
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문제 정의

이렇듯 유기물 반도체는 대부분의 플렉서블 기판이 고온의 공정을 견디지 못하고 기존의 실리콘을 중심으로 하는 무기물 반도체가 플렉서블 환경에 적합하지 않다는 것을 고려할 때 플렉서블 센서로의 적용을 위한 거의 모든 성질들을 가지고 있다고 할 수 있다. 본 글에서는 유기물 반도체를 이용한 트랜지스터 센서들의 대표적인 연구 결과들을 중심으로 플렉서블 센서에 관하여 설명할 것이다. 유기물 트랜지스터는 유기 전계 효과 트랜지스터나 유기 박막 트랜지스터로 불리기도 하는데 유기 전계 효과 트랜지스터는 전극-절연체-반도체의 구조를 가진 유기물 트랜지스터를 지칭하는 것이고 유기 박막 트랜지스터는 유기물 반도체를 사용하여 박막으로 제조된 모든 종류의 트랜지스터를 일컫는 말이다.

제안 방법

제작된 플렉서블 필름을 소스 드레인과 반도체 층 위에 부착하여 압력에 대한 감도를 향상시킨 탑 게이트 (top gate) 구조의 유기 전계 효과 트랜지스터를 제작하였다. 고분자 탄성체 특유의 압력에 대한 수축효과와 함께 마이크로 구조로 인한 탄성 물질의 비어있는 영역으로의 변형까지 용이하게 되어서 1kPa의 압력변화에 55%의 캐패시턴스 변화가 일어나는 금속-절연체-금속 구조를 이용하였다. 이러한 캐패시터의 변화를 트랜지스터에 적용하여 압력 변화에 따라 큰 전류변화가 나타나도록 하였다.
이러한 효과를 기반으로 하여 트랜지스터의 압전성에 기반한 축적 전하량의 변화를 전류 신호로 바꿀 수 있도록 전계 효과 트랜지스터의 구조를 설계하였다. 또한 트랜지스터 제작에 사용된 절연체와 반도체를 고분자 압전물질과 유기물 반도체로 각각 구성하고 이를 플라스틱 기판 위에 제작하여 플렉서블 압력센서로 제작하였다. (<그림1(a)>) 감도는 약 0.
더욱 정확한 생체 신호의 측정을 위하여 전극 대신에 트랜지스터를 집적하는 방법이 사용될 수 있다[6]. 연구팀은 패릴랜을 기판과 소자간의 절연을 위한 층으로 사용하고 금으로 소스와 드레인을 형성하고 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)를 반도체 용도로 사용하여 유연성을 지니게 하였다. 이러한 소자는 유연성과 함께 유기물 특유의 부드러운 표면에 의한 효과까지 더해져서 생체 기관과 매우 친밀하면서도 안정적인 접촉을 가능하게 하였다.
고분자 탄성체 특유의 압력에 대한 수축효과와 함께 마이크로 구조로 인한 탄성 물질의 비어있는 영역으로의 변형까지 용이하게 되어서 1kPa의 압력변화에 55%의 캐패시턴스 변화가 일어나는 금속-절연체-금속 구조를 이용하였다. 이러한 캐패시터의 변화를 트랜지스터에 적용하여 압력 변화에 따라 큰 전류변화가 나타나도록 하였다. (<그림1(b)>) 캐나다 Simon Fraser University의 W.
기존의 연구들이 트랜지스터의 외부에 압전성 물질이나 소자를 배치하여 그 크기 검지 신호를 읽어 들였던 것에 비하여 게이트 절연체로 압전성 물질을 사용함으로써 게이트 절연체의 기생 캐패시터에 의한 효과를 감소시킬 수 있었다. 이러한 효과를 기반으로 하여 트랜지스터의 압전성에 기반한 축적 전하량의 변화를 전류 신호로 바꿀 수 있도록 전계 효과 트랜지스터의 구조를 설계하였다. 또한 트랜지스터 제작에 사용된 절연체와 반도체를 고분자 압전물질과 유기물 반도체로 각각 구성하고 이를 플라스틱 기판 위에 제작하여 플렉서블 압력센서로 제작하였다.
센서가 뇌와 같은 생체 기관과 안정적인 접촉을 이루기 위해서는 곡면접촉이 가능해야 한다. 이를 위해서 G.G. Malliaras 그룹은 유리 기판 위에 얇은 금으로 전극을 형성한 후 유기 도체인 PEDOT:PSS를 코팅하고 이를 반도체 공정을 이용하여 집적하였다[5]. 생성된 전극 어레이를 유리 기판에서 박리시켜서 매우 유연한 전극 어레이를 완성하였다.
ITO가 형성된 플라스틱 기판 위에 고분자 탄성체인 poly-dimethylsiloxane을 재료로 마이크로 구조를 제작하였다. 제작된 플렉서블 필름을 소스 드레인과 반도체 층 위에 부착하여 압력에 대한 감도를 향상시킨 탑 게이트 (top gate) 구조의 유기 전계 효과 트랜지스터를 제작하였다. 고분자 탄성체 특유의 압력에 대한 수축효과와 함께 마이크로 구조로 인한 탄성 물질의 비어있는 영역으로의 변형까지 용이하게 되어서 1kPa의 압력변화에 55%의 캐패시턴스 변화가 일어나는 금속-절연체-금속 구조를 이용하였다.

대상 데이터

스탠포드 대학(Stanford University)의 Zhennan Bao 연구 그룹은 게이트 절연체에 마이크로 구조를 형성하는 방법으로 유기 전계 효과 트랜지스터 압력 센서를 제작하였다[2]. ITO가 형성된 플라스틱 기판 위에 고분자 탄성체인 poly-dimethylsiloxane을 재료로 마이크로 구조를 제작하였다. 제작된 플렉서블 필름을 소스 드레인과 반도체 층 위에 부착하여 압력에 대한 감도를 향상시킨 탑 게이트 (top gate) 구조의 유기 전계 효과 트랜지스터를 제작하였다.
이러한 소자는 유연성과 함께 유기물 특유의 부드러운 표면에 의한 효과까지 더해져서 생체 기관과 매우 친밀하면서도 안정적인 접촉을 가능하게 하였다. 사용된 트랜지스터는 일반적인 유기전계효과 트랜지스터와는 다른 유기전기화학 트랜지스터(organic electrochemical transistor: OECT)이다.

성능/효과

셋째로 실리콘을 사용할 경우 필연적으로 따라오는 자연적인 산화막의 발생을 피할 수 있어서 유기물 반도체 혹은 도체가 생체 물질과 직접적인 접촉을 가능하게 한다. 마지막으로 유기물 분자간의 넓은 빈 공간이 존재하여서 통한 상온에서도 효과적인 이온이동이 가능하다. 이러한 이온의 유기 반도체나 도체로의 손쉬운 침투는 분자의 표면뿐만 아니라 벌크 전체가 이온과 반응할 수 있게 하여 피감지체의 양이 적어도 효율적인 센서 동작이 가능하게 한다[4].
유연 센서를 검지하고자 하는 대상에 따라 구별하면 압력이나 온도, 빛 등의 물리적인 신호를 검지할 수 있는 물리 센서와 생체 물질을 검지할 수 있는 생체 센서 등으로 구분할 수 있다. 먼저 유기 트랜지스터를 이용한 물리 센서를 살펴보면 특유의 유연성을 기반으로 하여 스트레인 (strain) 센서나 압력 센서로 많이 사용된 것을 알 수 있다. 스트레인 센서는 물체가 외부의 힘을 받았을 때에 생기는 변형의 양을 이때의 외부의 힘으로 나눈 값을 의미하고 압력 센서는 이름 그대로 압력을 측정하는 센서이다.
이러한 웨어러블 전자 센서와 헬스케어 시스템의 결합은 대규모의 시장을 형성할 것이 확실시 된다. 플렉서블 유기 트랜지스터를 사용한 센서는 인간의 건강을 실시간으로 감지하는 맥박, 혈당 센서 등을 제작하기에 적합한 유연성과 감도를 모두 지니고 있고 생산 비용 또한 매우 저렴할 것으로 예상된다. 앞으로는 개별 플렉서블 트랜지스터 센서 소자의 성능 향상과 함께 여러가지 물리/생체/화학 센서들의 집적을 통한 다신호 감지가 가능한 센서의 집적이 요구될 것이다.

후속연구

앞으로는 개별 플렉서블 트랜지스터 센서 소자의 성능 향상과 함께 여러가지 물리/생체/화학 센서들의 집적을 통한 다신호 감지가 가능한 센서의 집적이 요구될 것이다. 또한 이러한 센서들을 플렉서블 구동소자와 집적하여 하나의 플렉서블 칩으로 제작하려는 노력이 가속화되고 궁극적으로는 스마트 폰 등을 이용한 통신 및 정보처리 기술과 결합시켜 종합적인 헬스케어 시스템으로 발전해 나갈 것으로 예상된다.
플렉서블 유기 트랜지스터를 사용한 센서는 인간의 건강을 실시간으로 감지하는 맥박, 혈당 센서 등을 제작하기에 적합한 유연성과 감도를 모두 지니고 있고 생산 비용 또한 매우 저렴할 것으로 예상된다. 앞으로는 개별 플렉서블 트랜지스터 센서 소자의 성능 향상과 함께 여러가지 물리/생체/화학 센서들의 집적을 통한 다신호 감지가 가능한 센서의 집적이 요구될 것이다. 또한 이러한 센서들을 플렉서블 구동소자와 집적하여 하나의 플렉서블 칩으로 제작하려는 노력이 가속화되고 궁극적으로는 스마트 폰 등을 이용한 통신 및 정보처리 기술과 결합시켜 종합적인 헬스케어 시스템으로 발전해 나갈 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플렉서블 pH 센서는 pH농도에 따라 어떤 특성이 있는가?	Diallo 등은 이러한 이온감응전계효과 트랜지스터를 유기트랜지스터로 Kapton기판 위에 구현하여 플렉서블 pH 센서를 제작하였다[9]. pH 농도가 증가하면 드레인 전류가 증가하고 낮아지면 다시 전류가 낮아지는 reversible한 동작을 보인다. 감도가 아직은 많이 떨어지나 이중게이트(dual-gate)구조의 도입 등으로 감도의 상승이 기대된다[10].
	유기물 반도체의 특징은?	1990년대 후반부터 트랜지스터의 반도체를 유기물로 구성하는 유기 박막 트랜지스터에 관한 연구가 지속적으로 증가해 왔다. 유기물 반도체(organic semiconductor)는 유기 분자간의 반 데르발스 결합에 의해서 박막이 형성되므로 저온/용액공정이 가능하여 낮은 비용으로 생산가능하며 구부러지거나 휘어진 상태에서도 반도체 성질을 유지하는 특징이 있다. 이렇듯 유기물 반도체는 대부분의 플렉서블 기판이 고온의 공정을 견디지 못하고 기존의 실리콘을 중심으로 하는 무기물 반도체가 플렉서블 환경에 적합하지 않다는 것을 고려할 때 플렉서블 센서로의 적용을 위한 거의 모든 성질들을 가지고 있다고 할 수 있다.
	스트레인 센서란 무엇인가?	먼저 유기 트랜지스터를 이용한 물리 센서를 살펴보면 특유의 유연성을 기반으로 하여 스트레인 (strain) 센서나 압력 센서로 많이 사용된 것을 알 수 있다. 스트레인 센서는 물체가 외부의 힘을 받았을 때에 생기는 변형의 양을 이때의 외부의 힘으로 나눈 값을 의미하고 압력 센서는 이름 그대로 압력을 측정하는 센서이다. 먼저 콜롬비아 대학(Columbia University)의 Ioannis Kymissis 그룹은 압전성(piezoelectric)을 지닌 고분자 물질인 polyvinylidene difluoride을 트랜지스터의 게이트 절연체로 사용한 유기 전계 효과 트랜지스터 기반의 스트레인 센서를 개발하였다[1].

참고문헌 (12)

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상세보기
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Jiseok Kim et. al. "Highly sensitive tactile sensors integrated with organic transistors," Applied Physics Letters Vol.101 pp. 103308, 2012

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Jonathan Rivnay et. al. "The Rise of Organic Bioelectronics," Chemistry of Materials Vol.26 pp.679-685, 2013
Dion Khodagholy et. al. "Highly Conformable Conducting Polymer Electrodes for In Vivo Recordings," Advanced Healthcare Materials Vol.23, pp. H268-272, 2011

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Dion Khodagholy et. al. "In vivo recordings of brain activity using organic transistors," Nature Communications Vol.4, pp.1575, 2013

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David Nilsson et. al. "Bi-stable and Dynamic Current Modulation in Electrochemical Organic Transistors," Advanced Materials Vol.14 pp.51-54, 2005
P. Bergveld et. al. "Fabrication of Silicon Nitride Ion Sensitive Field-Effect Transistor for pH Measurement and DNA Immobilization/Hybridization," Sensors and Actuators B Vol.88 pp.1, 2003

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K. Diallo et. al. "Flexible pentacene ion sensitive field effect transistor with a hydrogenated silicon nitride surface treated Parylene top gate insulator," Applied Physics Letters Vol.93 pp.183305, 2008

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Mark-Jan Spijkman et. al. "Dual-Gate Thin-Film Transistors, Integrated Circuits and Sensors," Advanced Materials Vol.23 pp.3231, 2011

상세보기
T. Someya et. al. "Integration of Organic Field-Effect Transistors and Rubbery Pressure Sensors for Artificial Skin Applications," IEEE International Electron Devices Meeting, pp.203-206, 2003
H. Fuketa et. al. "1mm Thickness 64 channel Surface Electromyogram Measurement Sheet with 2V Organic Transistors for Prosthetic Hand Control," IEEE International Electron Devices Meeting, pp.104-105, 2013

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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