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pH에 민감한 그래핀 전계효과 트랜지스터(FET)
pH Sensitive Graphene Field-Effect Transistor(FET) 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.2, 2016년, pp.117 - 122  

박우환 (금오공과대학교) ,  송광섭 (금오공과대학교)

초록
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최근 환경, 의료분야에서 실시가 검출 및 인체 삽입형 pH 센서에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 생체적 합성이 우수한 그래핀을 이용하여 실시간 pH 검출이 가능한 센서를 개발하였다. Polyethylene terephthalate(PET) 기판에 전사된 그래핀 표면에 이온 용액속에서 동작하는 전계효과 트랜지스터(solution-gated field-effect transistors; SGFETs)를 제작하였으며 이를 이용하여 이온 용액의 pH를 검출하였다. 제작한 트랜지스터의 게이트 채널 길이는 $500{\mu}m$, 게이트 채널 폭은 8mm이다. 이온 용액속에서 트랜지스터 동작특성 및 pH 감도를 평가하기 위하여 드레인-소스 전압($V_{DS}$)에 따른 드레인-소스 전류($I_{DS}$) 및 게이트-소스 전압($V_{GS}$)에 따른 드레인-소스 전류($I_{DS}$)를 측정하였다. PET기판에 전사된 그래핀 위에 제작한 그래핀 SGFETs의 전류-전압 특성은 이온 용액내에서 매우 안정적으로 동작하였으며 그래핀 SGFETs의 Dirac point는 이온 용액의 pH값이 증가함에 따라 양의 방향으로 19.32 mV/pH씩 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the detection of pH with real-time and in vivo has been focal pointed in the environmental or medical fields. In this work, we developed the pH sensor using graphene sheet. Graphene has high biocompatibility. We fabricated flexible solution-gated field-effect transistors (SGFETs) on graphe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • PET재질에 전사된 그래핀은 가요성이 우수하며 트랜지스터 구조의 전하검출형 pH 센서는 실시간 pH 측정이 가능하다. 본 연구에서는 가요성이 우수하고 실시간으로 pH를 측정하기 위하여 PET위에 전사된 그래핀에 SGFETs를 제작하고 pH 센서 감도를 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
pH 값의 측정 방법에는 어떤 것이 있는가? 5-9)을 고려하여 만든 것이며, 피부에 직접 바르는 화장품도 동·서양인 피부의 pH 차이를 고려하여 제품을 생산한다. 이처럼 pH 값은 일상생활에 매우 중요한 수치이며 일반적인 측정 방법은 pH에 민감한 종이(litmus paper)를 사용하거나 글라스 재질의 pH 전극 및 소형 센서의 경우 실리콘 재질에 제작한 이온 민감형 전계효과 트랜지스터(ion-sensitive field-effect transistors: ISFETs) 형태의 pH 센서를 이용하여 측정하고 있다[2]. 근래 들어서는 환경, 의료분야에서 가요성(flexibility)이 높고 on-line 실시간으로 pH 값을 측정할 수 있는 pH 센서에 대한 요구가 증가하고 있으면 이를 구현하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다[3~6].
혈액의 pH 값은? 인간의 신체는 각 부위별 pH 값이 다르며 매우 중요하다. 그 예로 혈액의 pH 값은 7.35-7.4로 약알칼리성을 나타내고 위산은 pH 1-3.5로 강산성, 피부표면은 pH 4.
실리콘을 이용한 이온 민감형 전계효과 트랜지스터의 구조와 문제점은? 전계효과 트랜지스터를 이용한 전하 검출형 바이오센서는 높은 입력임피던스와 낮은 출력임피던스를 가지고 있으며 미세공정을 이용한 소형 고감도 바이오센서를 제 작할 수 있는 장점을 가지고 있다[8]. 그러나 일반적으로 실리콘을 이용한 ISFETs는 이온 용액속의 이온들로부터 게이트 채널을 보호하기 위해 게이트 채널부위에 절연층 보호막을 증착하고 있으며, 이들 절연층으로 인해 전하 검출감도가 감소하는 문제가 있다[2]. 그래핀을 이용하여 제작한 이온 용액에서 동작하는 전계효과 트랜지스터 (solution-gate field-effect transistors: SGFETs)는 전해질 용액 안에서 동작 안정성이 우수하여 게이트 채널을 보호하기 위한 절연막이 필요 없다.
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참고문헌 (12)

  1. J.M. Alexander, B. Jeff, A.B.D. Colin, and R.L. Christopher, "pH-Sensitive Holographic Sensors," Anal. Chem., Vol. 75, no. 17, pp. 4423-4431, 2003. 

  2. K.S. Song, Y. Nakamura, Y. Sasaki, M. Degawa, J.H. Yang, H. Kawarada, "pH-sensitive diamond field-effect transistors (FETs) with directly aminated channel surface," Anal. Chim. Acta., Vol. 573-574, no. 12, pp. 3-8, 2006. 

  3. L. Manjakkal, B. Synkiewicz, K. Zaraska, K. Cvejin, J. Kulawik, D. Szwagierczak, "Development and characterization of miniaturized LTCC pH sensors with RuO2 based sensing electrodes," Sens. & Actuat. B, Vol. 223, pp. 641-649, 2016. 

  4. N. Uria, N. Abramova, A. Bratov, F. M. Pascual, E. Baldrich, "Miniaturized metal oxide pH sensors for bacteria detection," Talanta, Vol 147, pp. 364-369, 2016. 

  5. Y. Qiao, T. Xu, Y. Zhang, C. Zhang, L. Shi, G. Zhang, S. Shuang, C. Dong, "Green synthesis of fluorescent copper nanoclusters for reversible pH-sensors," Sens. & Actuat. B, Vol. 220, pp. 1064-1069, 2015. 

  6. J. Ma, C. Ding, J. Zhou, Y. Tian, "2D ratiometric fluorescent pH sensor for tracking of cells proliferation and metabolism," Biosen. & Bioele., Vol 70, pp. 202-208, 2015. 

  7. 이병훈, 황현준, 장경은, 김윤지, 김소영, 유원범, "그래핀 소자 기술," 대한전자공학회지 제42권, 제7호, 76-87쪽, 2015년 7월 

  8. K.S. Song "Detection of SNPs using electrical biased method on diamond FETs," IEIE, Vol. 52, 3, pp. 190-195, 2015. 

  9. I.Y. Sohn, D.J. Kim, J.H. Jung, O.J. Yoon, T.N. Thanh, T.T. Quang, N.E. Lee, "pH sensing characteristics and biosensing application of solution-gated reduced graphene oxide field-effect transistors," Biosen. & Bioele., Vol. 45 pp. 70-76, 2013. 

  10. W. Yue, S. Jiang, S. Xu, Y. Ma, C. Bai, "Fabrication of graphene FETs combined with fluorescence and its double read-out system," Sens. & Actuat. B, Vol 214, pp. 204-210, 2015. 

  11. S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X.F. Xu, J.S. Park, Y. Zheng, B.H. Hong, "Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes," Nat. Nanotech., Vol. 5, no. 8, pp. 574-578, 2010. 

  12. H.G. Oh, H.G. Nam, D.H. Kim, M.H. Kim, K.H. Jhee, K.S. Song, "Neuroblastoma cells grown on fluorine or oxygen treated graphenes sheets," Mate. Lett., Vol. 131, pp. 328-331, 2014. 

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